「光エミッタ-光レシーバ」のペアは、電子工学および電気工学で長い間使用されてきました。受信機と送信機が同じハウジング内にあり、それらの間に光リンクがある電子部品は、オプトカプラーまたはオプトカプラーと呼ばれます。
オプトカプラーデバイス
オプトカプラーは、光トランスミッター（エミッター）、光チャネル、および光信号レシーバーで構成されています。光送信機は電気信号を光信号に変換します。ほとんどの場合、送信機はLEDです（以前のモデルでは白熱電球またはネオン電球が使用されていました）。 LEDの使用は原則ではありませんが、より耐久性と信頼性があります。
光信号は、光チャネルを介して受信機に送信されます。送信機から放射された光がフォトカプラの本体を超えない場合、チャネルは閉じられます。次に、受信機によって生成された信号は、送信機入力の信号と同期されます。このようなチャネルは空気であるか、特殊な光学化合物で満たされています。 「長い」オプトカプラーもあります。 光ファイバ.
生成された放射線がレシーバーに到達する前にハウジングを離れるようにオプトカプラーが設計されている場合、そのようなチャネルはオープンと呼ばれます。これにより、光線の経路で発生する障害物を登録できます。
光検出器は、光信号を電気信号に逆変換します。最も一般的に使用される受信機は次のとおりです。
- フォトダイオード。通常、デジタル通信回線で使用されます。彼らの血統は小さい。
- フォトレジスター。それらの特徴は、受信機の双方向の導電性です。抵抗を流れる電流はどちらの方向にも流れる可能性があります。
- フォトトランジスタ。このようなデバイスの特徴は、光トランスミッタと出力回路の両方を介してトランジスタ電流を制御できることです。リニアモードとデジタルモードの両方で使用されます。別のタイプのオプトカプラー-並列に対向する電界効果トランジスターを備えています。そのようなデバイスはと呼ばれます ソリッドステートリレー.
- フォトサイリスト。このようなフォトカプラは、出力回路の電力の増加とそのスイッチング速度によって区別されます。このようなデバイスは、パワーエレクトロニクスの要素を制御する際に便利に使用されます。これらのデバイスは、ソリッドステートリレーとしても分類されます。
オプトカプラーのマイクロ回路が普及しました-1つのパッケージにストラップが付いたオプトカプラーのアセンブリ。このようなフォトカプラは、スイッチングデバイスやその他の目的で使用されます。
長所と短所
光学機器に見られる最初の利点は、機械部品がないことです。これは、電気機械式リレーのように、動作中に接点の摩擦、摩耗、スパークが発生しないことを意味します。信号をガルバニック絶縁するための他のデバイス（変圧器など）とは異なり、フォトカプラは直流を含む非常に低い周波数で動作できます。
さらに、光絶縁の利点は、入力と出力の間の容量性および誘導性の結合が非常に少ないことです。これにより、インパルスや高周波干渉が発生する可能性が低くなります。入力と出力の間に機械的および電気的接続がないため、非接触制御およびスイッチング回路を作成するためのさまざまな技術的ソリューションの可能性があります。
入力と出力の電圧と電流に関する実際の設計の制限にもかかわらず、理論的には、これらの特性を向上させるための基本的な障害はありません。これにより、ほとんどすべてのタスク用のオプトカプラーを作成できます。
オプトカプラーの欠点には、一方向の信号伝送が含まれます。光検出器から送信機に光信号を送信することは不可能です。これにより、送信機信号に対する受信回路の応答に応じてフィードバックを整理することが困難になります。
受信部の反応は、送信機の放射を変えるだけでなく、チャネルの状態に影響を与えることによっても影響を受ける可能性があります（サードパーティのオブジェクトの外観、チャネル媒体の光学特性の変更など）。このような影響は、非電気的な性質のものである可能性もあります。これにより、フォトカプラを使用する可能性が広がります。また、外部電磁界の影響を受けないため、ノイズ耐性の高いデータ伝送チャネルを作成できます。
オプトカプラーの主な欠点は、二重信号変換中の信号損失に関連するエネルギー効率が低いことです。また、不利な点は、固有のノイズレベルが高いことです。これにより、フォトカプラの感度が低下し、弱い信号での作業が必要なアプリケーションの範囲が制限されます。
オプトカプラーを使用する場合は、パラメーターに対する温度の影響も考慮に入れる必要があります。これは重要です。さらに、オプトカプラーの欠点には、動作中の要素の顕著な劣化と、1つのパッケージでのさまざまな半導体材料の使用に関連する製造技術の特定の欠如が含まれます。
オプトカプラーの特性
オプトカプラーのパラメーターは、次の2つのカテゴリに分類されます。
- 信号を送信するためのデバイスの特性を特徴づける。
- 入力と出力の間のデカップリングを特徴づける。
最初のカテゴリは、現在の伝達係数です。これは、LEDの放射率、受信機の感度、および光チャネルの特性に依存します。この係数は、入力電流に対する出力電流の比率に等しく、ほとんどのタイプのフォトカプラでは0.005...0.2です。トランジスタ素子の場合、伝達係数は1に達する可能性があります。
オプトカプラーを4極と見なすと、その入力特性はオプトエミッター（LED）のCVCによって完全に決定され、出力はレシーバーの特性によって決定されます。パススルー特性は一般に非線形ですが、一部のタイプのオプトカプラーには線形セクションがあります。そのため、ダイオードフォトカプラのCVCの一部は直線性が良好ですが、このセクションはそれほど大きくありません。
抵抗素子は、光抵抗に対する暗抵抗（入力電流がゼロに等しい）の比率によっても評価されます。サイリスタフォトカプラの場合、重要な特性は、開状態での最小保持電流です。オプトカプラーの重要なパラメーターには、最高の動作周波数も含まれます。
ガルバニック絶縁の品質は、次の特徴があります。
- 入力と出力に印加される最大電圧。
- 入力と出力の間の最大電圧。
- 入力と出力の間の絶縁抵抗。
- 通過容量。
最後のパラメータは、電極間の静電容量を介して、光チャネルをバイパスして、入力から出力に漏れる電気高周波信号の能力を特徴づけます。
入力回路の機能を決定するためのパラメータがあります。
- 入力端子に印加できる最高電圧。
- LEDが耐えることができる最大電流。
- 定格電流でのLED両端の電圧降下。
- 逆入力電圧-LEDが耐えることができる逆極性電圧。
出力回路の場合、これらの特性は、最大許容出力電流と電圧、およびゼロ入力電流でのリーク電流になります。
オプトカプラーの範囲
何らかの理由（電気的安全性など）で信号源と受信側の間にデカップリングが必要な場合は、チャネルが閉じたフォトカプラが使用されます。たとえば、フィードバックループで スイッチング電源 -信号はPSU出力から取得され、放射素子に供給されます。放射素子の輝度は電圧レベルによって異なります。出力電圧に応じた信号が受信機から取り出され、PWMコントローラに送られます。
2つのオプトカプラーを備えたコンピューター電源回路の断片を図に示します。上部のフォトカプラIC2は、電圧を安定させるフィードバックを作成します。下部のIC3はディスクリートモードで動作し、スタンバイ電圧が存在するときにPWMチップに電力を供給します。
一部の標準的な電気的インターフェースでは、ソースとレシーバー間のガルバニック絶縁も必要です。
チャネルが開いているデバイスは、オブジェクト（プリンター内の紙の存在）、リミットスイッチ、カウンター（コンベヤー上のオブジェクト、マウスマニピュレーターのギアの歯の数）などを検出するためのセンサーを作成するために使用されます。
ソリッドステートリレーは、従来のリレーと同じ場所で、信号の切り替えに使用されます。しかし、それらの伝播は、開いた状態のチャネルの高い抵抗によって妨げられます。また、パワーソリッドステートエレクトロニクスの要素（強力な電界効果またはIGBTトランジスタ）のドライバとしても使用されます。
オプトカプラーは半世紀以上前に開発されましたが、LEDが手頃な価格で安価になった後、その普及が始まりました。現在、フォトカプラのすべての新しいモデルが開発されており（ほとんどの場合、それらに基づくマイクロ回路）、その範囲は拡大しているだけです。
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