Оптопара (оптрон, оптореле) — применение, классификация, параметры и особенности работы. Оптореле в схемах на микроконтроллере Оптоэлектронные реле серии PVD

Оптореле является электронным аналогом электромеханического реле. Дискретный выход оптореле является электронным аналогом нормально разомкнутого (SPST_NO) или нормально замкнутого (SPST_NС) одиночного контакта . Нормальное состояние в приведённых терминах следует понимать как исходное состояние не засвеченного оптореле. Для оптореле и соответствующего дискретного выхода всегда оговариваются максимально допустимые напряжения и токи исполнительной цепи . По сравнению с оптроном , оптореле, как правило, применяют для коммутации относительно сильнотоковых цепей управления и сигнализации.

На рисунке выше приведена выходная часть универсального оптореле, которое можно разным способом включить как в цепь постоянного, так и в цепь переменного тока. Входная часть оптореле – это светодиод, подключенный на управляющей стороне через светопроводящую гальваническую изоляцию .

АС-подключением оптореле обычно называют подключение для цепей переменного тока, как показано на рисунке ниже. Выходная цепь АС-оптореле, как правило, двухпроводная. Такое оптореле будет работать и в цепи постоянного тока, при этом, направление тока не имеет значения. На рисунках: U - это источник напряжения, а Rн - это сопротивление нагрузки.

Трёхпроводную выходную цепь оптореле можно включить и для цепи постоянного тока, как показано на рисунке ниже. Такое DC-подключение для постоянного тока более оптимально, по сравнению с AC-подключением, поскольку обеспечивает более низкое сопротивление замкнутого состояния выходной цепи оптрона.

Неправильное подключение DC-оптореле (если на рисунке выше поменять полюса источника напряжения U) будет соответствовать постоянно замкнутому состоянию выхода оптрона, поскольку откроется защитный диод в составе оптрона, не показанный на рисунке. Однако, всегда следует учитывать предельно допустимый ток такого режима.

Данный выход относится к пассивным , поскольку он сам не передаёт электрическую энергию в выходную цепь. Этот выход изменяет своё сопротивление (высокое-низкое), а значит, он требует включения его в цепь внешнего источника напряжения или тока , чтобы получить соответствующий бинарный сигнал управления . C другой стороны, оптореле, как электронный компонент, является активным , поскольку требует притока энергии для своей работы.

Типичное время срабатывания оптореле составляет единицы миллисекунд. В течение времени срабатывания оптореле происходит переходный процесс изменения выходного сопротивления оптореле, и в течение этого времени оптореле может рассеивать большую мощность при большом токе в цепи управления. Чтобы не перегреть оптореле, при управлении не следует допускать слишком малые временные интервалы переключения -- меньшие или сравнимые с временем срабатывания .

Оптопарой (иначе – оптроном) называют электронные прибора предназначенные для преобразования электрических сигналов в световые, их передачи через оптические каналы и повторного преобразования сигнала вновь в электрический. Конструкция оптрона подразумевает наличие специального светового излучателя (в современных устройствах для этого применяются световые диоды, прежние модели оснащались малогабаритными лампами накаливания) и устройства, отвечающего за преобразование полученного оптического сигнала (фотоприёмника). Обе эти составляющие объединяются при помощи оптического канала и общего корпуса.

Классификация разновидностей оптопар

Существует несколько характеристик, в соответствии с которыми можно разделить модели оптопар на несколько групп.

В зависимости от степени интеграции:

• элементарный оптрон – включает в себя 2 и более элемента объединённых общим корпусом;
• оптронная интегральная схема – конструкция состоит из одной и более оптопар и, помимо этого, ещё может быть оснащена дополняющими элементами (например, усилителем).

В зависимости от разновидности оптического канала:

• Оптический канал открытого типа;
• Оптический канал закрытого типа.

В зависимости от типа фотоприёмника:

• Фоторезисторные (или просто резисторные оптопары);
• Фотодиодные оптопары;
• Фототранзисторные (используется обычный или составной биполярный фототранзистор) оптопары;
• , либо фотосимисторные оптопары;
• Оптопары функционирующие с помощью фотогальванического генератора (солнечная батарейка).

Конструкция устройств последнего вида зачастую дополняются полевыми транзисторами, за управление затвором которого отвечает тот же генератор.

Фотосимисторные оптроны или те, которые оснащены полевыми транзисторами, могут называться «оптореле», либо « ».

Рис.1: Устройство оптрона

Оптоэлектронные устройства работают по-разному в зависимости от того, к какому из двух видов направлений они относятся:

• Электронно-оптическое.

Работа прибора базируется на принципе, в соответствии с которым происходит преобразование световой энергии в электрическую. Причём, переход осуществляется посредством твёрдого тела и происходящих в нём процессов внутреннего фотоэлектрического эффекта (выражающегося в испускании веществом электронов под воздействием фотонов) и эффекта свечения под действием электрического поля.

• Оптическое.

Прибор функционирует благодаря тонкому взаимодействию твёрдого тела и электромагнитного излучения, а также используя лазерные, голографические и фотохимические устройства.

Фотонные электронно-вычислительные машины компонуются с использованием одной из двух категорий оптических элементов:

• Оптронов;
• Кванто-оптических элементов.

Они являются моделями устройств соответственно электронно-оптического и оптического направлений.

Будет ли оптрон передавать сигнал линейно, определяется теми характеристиками, которыми обладает вмонтированный в конструкцию фотоприёмник. Наибольшую линейность передачи можно ожидать от резисторных оптронов. Как следствие, процесс эксплуатации подобных устройств отличается наибольшим удобством. Ступенью ниже стоят модели с фотодиодами и одиночными биполярными транзисторами.

Для обеспечения работы импульсных приборов применяют оптроны на биполярных, либо полевых транзисторах, поскольку там нет необходимости в линейной передаче сигнала.

Наконец, фототиристорные оптроны монтируют, чтобы обеспечить гальваническую изоляцию и безопасность эксплуатации устройства.

Применение

Существует множество сфер, в которых необходимо использование оптронов. Такая широта применения обусловлена тем, что они являются элементами, обладающими множеством различных свойств и на каждое их качество приходится отдельная сфера применения.

• Фиксация механического воздействия (применяются устройства, оснащённые оптическим каналом открытого типа, который можно перекрыть (оказать механическое воздействие), а значит, само устройство можно использовать как сенсор):
  • Детекторы наличия (выявление наличия/отсутствия бумажных листов в принтере);
  • Детекторы конечной (начальной) точки;
  • Счётчики;
  • Дискретные спидометры.
• Гальваническая изоляция (использование оптронов позволяет передавать сигнал не связанный с напряжением, также с их помощью обеспечивается бесконтактное управление и защита), которая может обеспечиваться:
  • Оптопарой (в большинстве случаев применяется как информационный передатчик);
  • Оптореле (более прочего подходит для управления сигнальными и силовыми цепями).

Оптопары

Использование транзисторных, либо интегральных оптопар особенно актуально, если требуется обеспечить гальваническую изоляцию в сигнальной цепи или цепи с незначительным управляющим током. Роль элемента управления могут выполнять трёхэлектродные полупроводниковые приборы, схемы, управляющие дискретными сигналами, а также цепи с особой специализацией.

Рис2: Оптопары 5000 Vrms 50mA.

Параметры и особенности работы оптопар

Опираясь на точную конструкцию прибора, можно определить его электрическую прочность. Под этим термином понимается значение напряжения, возникающего между цепями входа и выхода.Так, производители оптопар, обеспечивающих гальваническую изоляцию, демонстрируют целый ряд моделей с различными корпусами:

• SSOP;
• Miniflat-lead.

В зависимости от типа корпуса у оптопары формируется то или иное напряжение изоляции. Чтобы создать условия, в которых уровень напряжения достаточный для пробоя изоляции был достаточно велик, следует сконструировать оптопару таким образом, чтобы следующие детали были расположены достаточно далеко друг от друга:

• и оптический регистратор;
• Внутренняя и внешняя сторона корпуса.

В отдельных случаях можно обнаружить оптопары специализированной группы, изготавливаемые в соответствии с международным стандартом безопасности. Уровень электрической прочности у этих моделей на порядок выше.

Другой значимый параметр транзисторной оптопары носит название «коэффициента передачи тока». Согласно значению этого коэффициента устройство относят к той или иной категории, что и отображается в названии модели.

Относительно уровня нижней рабочей частоты оптронов никаких ограничений нет: они хорошо функционируют в цепи с постоянным током. А верхняя граница рабочей частоты этих приборов, задействованных в передаче сигналов цифрового происхождения, исчисляется в сотнях мегагерц. Для оптронов линейного типа этот показатель ограничивается десятками мегагерц. Для самых медленных конструкций, включающих в себя лампу накаливания, наиболее характерна роль низкочастотных фильтров, работающих на частотах, не достигающих 10 Герц

Транзисторная оптопара и производимые ею шумы

Существует две основные причины тому, что работа транзисторной пары сопровождается шумовыми эффектами:

Чтобы побороть первую причину, понадобится вмонтировать особый экран. Вторая же устраняется через верно подобранный рабочий режим.

Оптореле

Оптореле, иначе называемое твердотельным реле, обычно используется для регуляции работы цепи с большими управляющими токами. Роль управляющего элемента здесь обычно выполняют два MOSFET транзистора со встречным подключением, подобная конфигурация обеспечивает возможность функционирования в условиях переменного тока.

Рис.3: Оптореле КР293 КП2В

Классификация видов оптореле

Для оптореле определено три типа топологий:

1. Нормально разомкнутые .Предполагается, что управляющая цепь будет замыкаться лишь в момент подачи управляющего напряжения на выводы светового диода.
2. Нормально замкнутые .Предполагается, что управляющая цепь будет размыкаться лишь в момент подачи управляющего напряжения на выводы светового диода.
3. Переключающая .Третья топология предполагает сочетание каналов нормально-замкнутого и нормально разомкнутого типа.

Оптореле подобно оптопаре имеет характеристику по электрической прочности.

Разновидности оптореле

• Модели стандартного типа;
• Модели, имеющие малое сопротивление;
• Модели, имеющие малое СxR;
• Модели, имеющие малое напряжение смещения;
• Модели, имеющие высокое напряжение изоляции.

Сферы применения оптореле

• Модем;
• Измерительное устройство;
• Сопряжение с исполнительным устройством;
• Автоматические телефонные станции;
• Электрический, тепловой, газовый счётчик;
• Коммутатор сигналов.

Пишите комментарии, дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на , буду рад если вы найдете на моем еще что-нибудь полезное.

Answer

Lorem Ipsum is simply dummy text of the printing and typesetting industry. Lorem Ipsum has been the industry"s standard dummy text ever since the 1500s, when an unknown printer took a galley of type and scrambled it to make a type specimen book. It has survived not only five http://jquery2dotnet.com/ centuries, but also the leap into electronic typesetting, remaining essentially unchanged. It was popularised in the 1960s with the release of Letraset sheets containing Lorem Ipsum passages, and more recently with desktop publishing software like Aldus PageMaker including versions of Lorem Ipsum.

Устройство проверки оптореле своими руками

На днях мне понадобилось проверить оптореле в больших количествах. Собрав данный тестер твердотельных реле за пол часа, из минимума деталей, я сэкономил большое количество времени на проверке оптопар.

Многих начинающих радиолюбителей интересует как проверить оптопару. Такой вопрос может возникнуть от незнания устройства данной радиодетали. Если рассматривать поверхносто, то твердотельное оптоэлектронное реле состоит из входного элемента – светодиода и оптической развязки, которая переключает цепь.

Данная схема для проверки оптопары до элементарного проста. Она состоит из двух светодиодов и источника питания 3в – батарея CR2025. Красный светодиод выполняет роль ограничителя напряжения и, одновременно, является индикатором работы светодиода оптопары. Зеленый светодиод служит для индикации срабатывания выходного элемента оптопары. Т.е. если оба светодиода светятся, то проверка оптопары прошла успешна.

Процесс проверки оптореле сводится к установке его в соответствующей части панельке. В данном тестере твердотельных реле можно проверять оптопары в корпусе DIP-4, DIP-6 и сдвоенные реле в корпусе DIP-8.
Ниже привожу места положения оптореле в панельках тестера и свечение светодиодов соответствующие их работоспособности.

Часто для работы и контроля различного оборудования требуются устройства небольших размеров и высокого уровня надежности. Малогабаритные твердотельные реле постоянного и переменного тока используются в промышленности и быту, их легко можно сделать и установить своими руками.

Принцип работы

Твердотельное малогабаритное или замкнутое реле – это устройство для управления различными механизмами при помощи полупроводниковых элементов. Именно это и является основным отличием таких реле от обычных. В обычных для приведения какой-либо электрический механизм в действие используются контакты, которые периодически замыкаются и размыкаются. В твердотельных моделях эту роль выполняют тиристоры, транзисторы и симисторы.

Видео: тестирование твердотельного реле.

Твердотельные реле бывают трехфазные, однофазные, для постоянного и переменного тока (ESR и HPR). Соответственно, в зависимости от области использования меняется их принцип действия. Принцип работы твердотельного реле имеет следующий вид: когда на вход поступает электрический сигнал, в работу включается триггерная сеть и оптрон. Учитывая, что импульсы передают бесконтактно, между полупроводниками возникает гальваническая развязка, которая исчезает в момент включения диода или оптрона. Такое действие не изменяет в зависимости от применения транзисторов или симисторов.

Как сказано выше, они также бывают одно и трехфазные:

Помимо этого регулятор можно устанавливать на различные поверхности, от чего также варьируется его область использования. Некоторые можно установить на дин-рейку (din-рейку), в то время как большинство компактных твердотельных моделей можно подключить «контактами» напрямую при помощи специальной планки.

Достоинства твердотельного реле:

1. Долговечность. Без физического контакта из-за отсутствия коммутации, устройство может осуществлять большее количество включений и выключений. Это оптоэлектронное реле может производить до десятков тысяч подключений;
2. Этот аналог обычного реле обеспечит качественное бесконтактное подключение и контроль нагрузки;
3. В зависимости от мощности и типа мощности, прибор может использоваться для мягкого перехода между сетью постоянного и переменного тока. Плавным называется тот переход, где при снижении частоты и направления заряженных частиц сигнал, поступающий на вход, максимально сохраняется;
4. Широкая область использования. Его можно применять в различных отраслях промышленности, бытовых условиях и т. д.;
5. Они выдерживают перегрузки даже на 200% выше номинально указанных.Даже после многочисленных перегрузок им не понадобится замена;
6. Высокая защита от перепадов тока и напряжения. Напряжение даже в бытовой сети редко остается постоянным, оно изменяется в зависимости от количества подключенных устройств, типа проводов и прочих факторов. Такие скачки могут вызвать короткое замыкание и повреждение аппаратуры. Импульсное твердотельное реле обладает отлично защитой от таких неприятностей, поэтому часто используется для обеспечения долговечной эксплуатации нагревателей, холодильных камер, компьютерной техники.

Но прибор имеет и определенные недостатки. Во-первых, это полупроводниковое реле довольно дорого стоит, кроме того, купить его можно только в специализированных магазинах. Во-вторых, во время первичной коммутации у асинхронного двигателя (соответственно, при использовании трехфазной модели) возникают сильные скачки тока. И последний минус в том, что применение реле возможно только в зонах с нормальным уровнем пыли и влажности.

Подключение

Но, перед тем как подключить твердотельное реле на транзисторах или симисторах, нужно знать несколько правил его установки:

1. Силовое оптореле можно подключить только винтовым способом, сварка и пайка повредят хрупкие контакты;
2. При работе устройство сильно нагревается, поэтому возле него не должно быть легковоспламеняющихся деталей;
3. Некоторые модели реле (особенно в авто) очень легко и быстро нагреваются свыше 60 градусов, что может повредить их контакты. Чтобы избежать этого их следует устанавливать на радиатор охлаждения;
4. При первом запуске очень важно следить за напряжением. Контролем нужно обеспечить его «ровное» состояние хотя бы на первое время, иначе устройство сгорит от короткого замыкания.

Схема подключения твердотельного реле практически такая же, как и включения в сеть обычного контроллера. На плату полевых транзисторов (симисторов, и т. д.) подается напряжение от локальной линии. Самое главное – это подать электрический ток на ноль-контакт (в цепи управления). Остальное наглядно демонстрирует схема:

Характеристики

Естественно, у каждой фирмы, предлагающей такие приборы, свои параметры и модели. Рассмотрим основные характеристики наиболее популярных из отечественных твердотельных реле (КИПприбор – KIPpribor, Cosmo, Протон):

1. ТМ-0 оснащены встроенный схемой «ноль», через которую осуществляется переход фаз;
2. ТС могут включаться в любой момент фазы;
3. Самые известные – это контроллеры ТМВ, ТСБ, ТСВ (их еще называют ТМА), ТСА, ТМБ. Они выходной RC-цепью и используются для управления в системах потенциального управления;
4. ТС/ТМ относятся к силовым. Ток доходит до 25мА;
5. ТСА и ТМА имеют основное назначение – специальные чувствительные к перепадам напряжения приборы;
6. ТСБ/ТМБ – это низковольтные модели (до 30 В);
7. ТСВ/ТМВ – высоковольтные (от 110 до 280В).

Иностранными аналогами являются Carlo Gavazzi, (SSR) Gefran (для инфракрасных активных нагрузок), Finder и CPC (модель SCC).

Основные характеристики TSR-25DA:

90-280VAC, 25A/240VAC от Crydom:

Твердотельное реле SSR–F 10 DA – H SSR:

Обзор цен

Цена на твердотельные реле варьируется в зависимости от их типа и марки:

Оптореле или, по-другому, оптоэлектронные реле строятся на основе оптопар с полевыми транзисторами. Они более технологичные (а значит и более дешёвые) по сравнению с микросхемами «цифровых изоляторов», которые содержат внутри микроминиатюрные импульсные трансформаторы.

Типовые параметры твёрдотельных оптореле (англ. «Solid-state MOS relays»): ток управления 10…60 мА, время переключения 2…2000 МК с, ток коммутации

1.. .20 А, максимально допустимое напряжение в нагрузке 200…1000Вдля мощных силовых и на порядок меньше для маломощных сигнальных оптореле, ресурс работы 10 лет, наработка на отказ не менее 25000 часов.

Различают оптореле с коммутацией одн двухполярных сигналов. В переводе на понятный язык - для коммутации постоянного и переменного тока. На Рис. 2.117, а…е для примера показаны варианты внутренней «начинки» оптореле серии KP293 (по-старому 5П14). Параллельно выходным контактам оптореле стоят защитные диоды по аналогии с имеющимся в полевых транзисторах MOSFET.

Рис. 2.117. Внутреннее строение оптореле серии KP293:

а) реле постоянного тока с замыкающим контактом;

б) реле постоянного тока с размыкающим контактом;

в) реле переменного тока с замыкающим контактом;

г) реле переменного тока с размыкающим контактом;

д) реле постоянного тока с замыкающим и размыкающим контактами;

е) реле переменного тока с замыкающим и размыкающим контактами.

В некоторых оптореле последовательно со светодиодом встраивают интегральный токоограничивающий резистор. Это позволяет сэкономить место на плате и защитить светодиод в случае ошибочной подачи на вход высокого напряжения.

Светодиоды, входящие в состав оптореле, работают в инфракрасном диапазедлин волнстиповым падением напряжения 1.0…1.2 В. Не следует «жадничать» и уменьшать ток через светодиод ниже паспортного значения, поскольку могут ухудшиться выходные параметры и надёжность коммутации.

Оптореле, в отличие от оптосимистора, гарантированно переходит в противоположное состояние при снятии освещённости полупроводниковой зоны. Для оптореле без разницы, имеется или отсутствует напряжение в нагрузке. Кроме того, ввиду линейности ВАХ, появляется возможность без искажений коммутировать сигналы очень малой амплитуды, в отличие от оптосимисторов с их резкой пороговой характеристикой вблизи нуля.

При коммутации переменных сигналов большой амплитуды начинает сказываться нелинейная зависимость сопротивления канала полевых транзисторов оптореле от напряжения, т.е. возможны искажения формы и спектра сигнала.

Для повышения устойчивости работы оптореле в сети 220 В при атаке импульсных помех рекомендуется параллельно его замыкающим контактам ставить последовательную RC-цепь, состоящую из проволочного резистора сопротивлением

10.. .50 Ом и конденсатора ёмкостью 0.01…0.15 МК Ф с напряжением 600 В.

На Рис. 2.118, а…в приведены схемы подключения оптореле к MK.

а) VU1 - это оптореле фирмы Crydom. Ток управления 3…4 мА, изоляция выдерживает без пробоя напряжение 4 кВ, проходная ёмкость 8 пФ;

б) индикация включения светоизлучающей части оптореле VU1 (фирма Fairchild) производится светодиодом HL1. Мощность в нагрузке R H не более 50 Вт;

в) НИЗКИМ уровнем на выходе МК размыкаются контакты оптореле VU1, при этом прибор, подключаемый к вторичной обмотке трансформатора 77, переходит в дежурный режим с пониженным питанием, поскольку последовательно включается гасящее сопротивление R2.