О П Т Р О Н
1. Начало
Идея создания и применения oптронов относится к 1955 г., когда в работе Loebner E. E. «Optoelectronic devices network» была предложена целая серия приборов с оптическими и электрическими связями между элементами, что позволяло осуществлять усиление и спектральное преобразование световых сигналов, создавать приборы с двумя устойчивыми состояниями – бистабильные оптроны, оптоэлектронные устройства накопления и хранения информации, логические схемы, регистры сдвига. Там же был предложен и термин «ОПТРОН», образованный как сокращение от английского «optical-electronic device».
Описанные в этой работе оптроны, отлично иллюстрируя физические принципы, оказались непригодными для промышленной реализации, так как основывались на несовершенной элементарной базе – неэффективных и инерционных порошковых электролюминесцентных конденсаторах (излучатель) и фоторезисторах (приемник).
В плане эксплуатации также имелся целый ряд недостатков:
1) требовался низкотемпературныйрежим;
2) стабильность параметров имела исключительно временный характер;
3) устройствобыло хрупким,совершенно не устойчивым к механическим воздействиям.
В связи с этим на протяжении некоторого времени данное научное достижение можно было увидеть только на бумаге.
Первые действительно эффективные оптроны появились в 60-х годах ХХ века. Это стало возможным благодаря двум факторам:
1) стали появляться достаточно мощные диоды;
2) фотоприемники на кремневой основе стали значительно более совершенными с технологической точки зрения.
А уже к 70-м годамво всех ведущих странах мира производство данной техники было поставлено на поток.
Оптоэлектроника стала одной из наиболее быстро развивающихся отраслей электронной промышленности.
Оптроны обладают целым рядом достоинств. Основные:
1) С их помощью можно создать идеальную электрическую развязку, которая будет находиться между входом и выходом. Эти устройства не имеют принципиальных ограничений ни с конструктивной, ни с физической точки зрения.
2) Они дают возможность осуществлять управление цепями самыми разными способами. Достигается это за счет того, что электронными объектами можно управлять бесконтактно.
3) Здесь нет обратной реакции. Приемник не может никоим образом повлиять на излучатель, поскольку информация передается оптическим путем.
2. ОПТРОН – это…
ОПТРОН – это полупроводниковый оптоэлектронный прибор, содержащий в одном корпусе источник и приёмник оптического излучения, между которыми имеется оптическая связь и обеспечена электрическая изоляция. Как было отмечено выше, идея создания и применения оптронов принадлежит Эгону Лёбнеру (США), предложившему серию приборов, в которых рассматривались все возможные виды связи между элементами, что, в частности, предполагало конфигурацию регенеративного оптрона, способного усиливать и генерировать оптические и электрические сигналы. Это породило иллюзорное представление о возможности создания на основе данных приборов вычислительных систем, превосходящих традиционные ЭВМ; появился термин «оптроника» (иногда его ошибочно используют как синоним оптоэлектроники). Оптроны применяются, в основном, для связи отдельных частей радиоэлектронных устройств (главным образом, вычислительной, измерительной техники и автоматики), при которой одновременно обеспечивается электрическая развязка между ними (как в трансформаторе), а также для бесконтактного управления электрическими цепями (аналогично электромагнитному реле).
Электрические схемы и выходные характеристики оптронов с фоторезистором (а), фотодиодом (б) и фототиристором (в); 1 – светодиод; 2 – фоторезистор; 3 – фотодиод; 4 – фототиристор.
Поступая на вход оптрона, электрический сигнал в излучателе преобразуется в оптическое излучение, котрое передаётся по оптическому каналу в фотоприёмник, где происходит его обратное преобразование в выходной электрический сигнал. Излучателями обычно служат светодиоды ближнего ИК-диапазона (длина волны около 0,85 мкм), изготовляемые на основе соединения GaAlAs.
Фотоприёмники – кремниевые фотодиоды, фототранзисторы, фототористоры и (реже) фоторезисторы. Промежуточная среда оптического канала – оптически прозрачные клеи, полимеры, компаунды, стёкла, иногда воздух. Оптроны с подобными элементарными фотоприёмниками, осуществляющие прямую оптическую связь, часто называют оптопарами. С целью усиления и преобразования выходного сигнала и придания ему определённой формы в выходной части оптрона дополнительно размещается микроэлектронный блок, или фоточувствительная микросхема. Такие приборы получили названия оптоэлектронных интегральных схем, микросхем с оптической развязкой, оптореле и т. п.
Широкое распространение получили оптроны, конструкция которых допускает воздействие на оптический канал извне (т. н. оптроны с открытым оптическим каналом); среди них выделяют приборы щелевого и отражательного типов:
Оптоэлектронный переключатель с открытым оптическим каналом: а – со шторочнымпрерывателем; б – с отражателем; 1 – светодиод; 2 – шторка; 3 – фотоприёмник;
3. Примеры применения
Подобные оптроны используют, например, в качестве бесконтактных датчиков положения (определения наличия/отсутствия или относительной позиции каких-либо элементов устройства или предметов).
3.1. Плата лазерного принтера:
1-4
оптопары 
: 3 штуки EE-SX1115 и 1 штука 1041 (размером поменьше);5
шестиногая микросхема S21ME4 
– оптосимистор.Подробнее о «препарировании» этой платы см. на РАДИОхабаре.
Кучка №1:
Кучка №2
Большинство оптопар – на основе фототранзистора.
3.2. Когда-то мы пользовались мышками, позиционирование которых задавалось МЕХАНО-ОПТИЧЕСКИМ методом. В днище мышки был расположен обрезиненный шарик, который, собственно, и катался по коврику. Его вращение передавалось двум взаимно перпендикулярным осям, на которых были размещены диски с прорезями. Вращаясь, они пересекали луч оптопары.
«Ну а дальше, как говорится, дело техники».
3.3. В компьютерных ИБП оптроны используются в цепи обратной связи:
Оптрон – U1 – на схеме.
Оптрон – U1 – на плате ИБП.
Понятно, что этими примерами применение оптронов не исчерпывается.
4. Гальваническая развязка – это…
Её классическое определение — передача энергии или сигнала между электрическими цепями без электрического контакта. Как было сказано ранее, это возможно с помощью трансформаторов и оптронов.
Зачем оно нужно?
Существует несколько основных задач, которые решаются развязкой сигнала, что справедливо для аналоговых и для цифровых сигналов.
Первое и главное – защита от высоких напряжений. Действительно, обеспечение гальванической развязки – это требование, которое предъявляет техника безопасности к большинству электроприборов.
Например, микроконтроллер, который имеет небольшое напряжение питания, задает управляющие сигналы для силового транзистора или другого устройства высокого напряжения. Это очень распространенная задача. Если между драйвером, который увеличивает управляющий сигнал по мощности и напряжению, и управляющим устройством не окажется изоляции, то микроконтроллер может просто сгореть. К тому же, с цепями управления, как правило, связаны устройства ввода-вывода, а значит и человек, нажимающий кнопку «ВКЛ», легко может замкнуть цепь и получить удар
в несколько сотен вольт.Таким образом, гальваническая развязка сигнала служит для защиты человека и техники.
Второе: использование микросхем с изоляционным барьером для сопряжения электрических цепей с разными напряжениями питания. Тут всё просто: «электрической связи» между цепями нет, поэтому логические уровни информационного сигнала на входе и выходе микросхемы будут соответствовать питанию на «входной» и «выходной» цепях соответственно.
Третье: гальваническая развязка также используется для повышения помехоустойчивости систем. Одним из основных источников помех в радиоэлектронной аппаратуре является так называемый «общий провод» или GND, часто это корпус устройства. При передаче информации без гальванической развязки общий провод обеспечивает необходимый для передачи информационного сигнала общий потенциал передатчика и приемника. Поскольку GND обычно служит одним из полюсов питания, подключение к нему разных электронных устройств, в особенности силовых, приводит к возникновению кратковременных импульсных помех. Они исключаются при замене «электрического соединения» на соединение через изоляционный барьер.
Как оно работает?
Традиционно гальваническая развязка строится на двух элементах — трансформаторах и оптронах. Если не вдаваться в детали, то первые применяются для аналоговых сигналов, а вторые — для цифровых.
Для передачи сигнала без электрического контакта используется пара из излучателя света (чаще всего светодиод) и фотодетектора. Электрический сигнал на входе преобразуется в «световые импульсы», проходит через светопропускающий слой, принимается фотодетектором и снова преобразуется в электрический сигнал.
Оптронная развязка заслужила огромную популярность и несколько десятилетий являлась единственной технологией развязки сигналов аналоговых и цифровых.
5. Проверка оптрона
Если оптрон, исправность которого поставлена под сомнение, впаян в плату, необходимо отключить ее питание, разрядить на ней электролитические конденсаторы, а затем выпаять оптопару, запоминая, как она была впаяна.
Оптроны имеют РАЗНЫЕ ИЗЛУЧАТЕЛИ (лампы накаливания, неоновые лампы, светодиоды, светоизлучающие конденсаторы) и РАЗНЫЕ ПРИЕМНИКИ излучения (фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы, фототиристоры, фотосимисторы) и отличаются цоколевкой. Поэтому необходимо найти данные о типе и цоколевкеоптопарыв справочнике, вдаташите, или в схеме того прибора, где он был установлен. Нередко расшифровка цоколевки оптрона нанесена прямо на плату этого прибора. Если прибор современный, можно почти наверняка быть уверенным, что излучателем в нем является светодиод.
Если приемником излучения является фотодиод, к нему подключите мультиметр, работающий в режиме измерения постоянного напряжения до 200 мВ. Во всех остальных случаях приёмный элемент оптрона включите, соблюдая полярность, в цепочку, состоящую из источника постоянного напряжения в несколько вольт, резистора, рассчитанного таким образом, чтобы ток через приемник излучения не превысил допустимого, и мультиметра, работающего в режиме измерения тока на соответствующем пределе.
Теперь введите излучатель оптопары в рабочий режим. Для включения светодиода пропустите через него в прямой полярности постоянный ток, равный номинальному. На лампу накаливания подайте номинальное напряжение. Неоновую лампу или светоизлучающий конденсатор, соблюдая осторожность, подключите к сети через резистор сопротивлением от 500 кОм до 1 МОм и мощностью не менее 0,5 Вт.
Фотоприемник должен среагировать на включение излучателя резким изменением режима. Попробуйте теперь несколько раз выключить и включить излучатель.
Фототиристор и фоторезистор останутся открытыми и после снятия управляющего воздействия вплоть до отключения их питания.
Остальные типы фотоприемников будут реагировать на каждое изменение управляющего сигнала.
Если оптрон имеет открытый оптический канал, убедитесь в изменении реакции приемника излучения при перекрытии этого канала.
Нередко предлагается сделать пробник типа:
Наверное потому, что чаще встречаются оптопары на основе фототранзистора. Но есть и универсальные пробники. Мне кажется, важно понять принцип работы оптрона. А уж как его проверять – смотри Datasheet.
6. Подключение оптического энкодера к Arduino
Плату Arduino также можно научить работать с оптическим энкодером, что позволит реализовать больше интересных и практичных устройств.
Оптопрерыватель
Основным элементом простого оптического энкодера является оптопрерыватель (фотопрерыватель), состоящий из инфракрасного светодиода и фототранзистора, которые размещены друг напротив друга в пластмассовом корпусе. При блокировании непрозрачной частью диска света, излучаемого светодиодом, проводимость фототранзистора меняется. Это изменение может быть определено дискретными компонентами или микроконтроллером.
Диск энкодера
Поскольку нам нужно создавать импульсы на входе фототранзистора, то необходим диск с прозрачными частями или вырезами. Такой диск можно сделать из прозрачного акрила, наклеив на него распечатанный на принтере рисунок, который представлен ниже. Также можно вырезать соответствующую фигуру из непрозрачного акрила.
Следует заметить, что ширина щели и ширина непрозрачных частей являются важными параметром диска. Для каждой модели оптопрерывателя желательно подобрать рекомендуемую ширину соответствии с документацией на это прерыватель. При этом ширину лучше взять с запасом. Например, если рекомендуемая ширина 1 мм, то ширину непрозрачных полос и щелей лучше сделать 2 мм. Если частота вращения диска составляет 60 оборотов в минуту, то за одну секунду диск повернется на один оборот. Если диск имеет 36 полос, то частота импульсов составит 36 Гц, что может быть легко обработано фотопрерывателем.
Аппаратная часть
Для начала нужно собрать представленную ниже схему, которая состоит из Arduino и оптопрерывателя с обвязкой. Резистор R2 является подтягивающим. Значение резистора R1 зависит от того, какой прерыватель вы используете. К выводу D13 подключается светодиод, который срабатывает при прерывании луча. D12 представляет собой вспомогательный выход, который может быть использован для мониторинга сигнала энкодера на экране осциллографа.
Проверка
После подключения электроники и прошивки Arduino вставьте диск в выемку оптопрерывателя. Подключите осциллограф к D12 и вращайте диск. Если нет под рукой осциллографа, то наблюдайте за подключенным к D13 светодиодом. В данном случае вращайте диск медленно, чтобы импульсы были визуально заметны.
Код
const intencoderIn = 8; // вход для прерывателя
const intstatusLED = 13; // выход для индикации
const intpulseOutput = 12; // выход для осциллографа
intdetectState=0; // переменная для чтения состояния энкодера
voidsetup()
{
pinMode(encoderIn, INPUT); //Настраиваем контакт 8 на вход
pinMode(statusLED, OUTPUT); //Настраиваем контакт 13 на выход
pinMode(pulseOutput, OUTPUT); // Настраиваем контакт 12 на выход
}
void loop() {
detectState=digitalRead(encoderIn);
if (detectState == HIGH) { //Если выход энкодера в высоком логическом состоянии
digitalWrite(statusLED, HIGH); //включаем светодиод
digitalWrite(pulseOutput,HIGH); //выход 13 устанавливаем в высокое логическое состояние
}
else {
digitalWrite(statusLED, LOW); //выключаемсветодиод
digitalWrite(pulseOutput,LOW); //выход 13 устанавливаем в низкое логическое состояние
}
}
7. Использованные источники информации:
https://ru.wikipedia.org/wiki/Оптрон
https://habr.com/ru/post/386721/
http://diodnik.com/kak-proverit-optron/
http://schip.com.ua/pc817/
https://bigenc.ru/technology_and_technique/text/2692617
https://electrosam.ru/glavnaja/slabotochnye-seti/oborudovanie/optrony/
https://100-watt.ru/optronyi-istoriya-sozdaniya-osnovnyie-preimushhestva/
http://digitrode.ru/computing-devices/mcu_cpu/183-podklyuchenie-opticheskogo-enkodera-k-arduino.html
https://radioskot.ru/publ/remont/probnik_dlja_proverki_optopar/4-1-0-1158
https://www.kakprosto.ru/kak-50363-kak-proverit-optron
http://www.rsci.ru/science_news/145495.php
http://www.texnic.ru/shems/ungrad/010.htm
http://radioshem.net/index.php?newsid=154
SEkorp 8 май 2019
НАЗАД на страницу РАДИОкомпоненты
