Скидка на подшипники из наличия!
Новое поступление товара в 2026 году!
Оптопара (оптрон, оптоэлектронный изолятор) — это полупроводниковый прибор, передающий сигнал между двумя гальванически разделёнными электрическими цепями посредством оптического излучения. В одном корпусе размещаются источник света (как правило, инфракрасный светоизлучающий диод) и фотоприёмник (фотодиод, фототранзистор, фотодарлингтон, фототиристор, фотосимистор или интегральная схема с логическим выходом). Между ними расположен оптически прозрачный, но электрически непроводящий изолятор, обеспечивающий гальваническую развязку входной и выходной цепей. Ток, протекающий через светодиод, генерирует световой поток, который попадает на фотоприёмник и вызывает в нём пропорциональный фототок. Главное эксплуатационное свойство — отсутствие электрического контакта между «входом» и «выходом» при сохранении передачи сигнала; именно поэтому оптопары применяются для развязки слаботочных управляющих цепей и силовых, для защиты микроконтроллера и измерительной электроники от наводок и потенциалов силового тракта, а также для согласования логических уровней.
Оптопара преобразует входной электрический сигнал в оптическое излучение и обратно — оптическое излучение в выходной электрический сигнал. Между этими двумя ступенями нет ни проводов, ни общего электрического узла: связь осуществляется только светом, проходящим через оптически прозрачный диэлектрический материал.
Главная особенность оптопары — связь сигналов через свет: входная и выходная цепи остаются гальванически разделёнными, и токи не имеют общего пути возврата.
Конструктивно оптопара представляет собой герметичный непрозрачный корпус, внутри которого закреплены излучатель, фотоприёмник и связывающий их оптический канал.
Термины, определения и буквенные обозначения параметров оптопар и других оптоэлектронных полупроводниковых приборов установлены ГОСТ 27299-87 «Приборы полупроводниковые оптоэлектронные. Термины, определения и буквенные обозначения параметров».
Назначение и характеристики оптопары в первую очередь определяются типом фотоприёмника на её выходе.
Базовые электрические параметры и ряды значений для диодных, транзисторных и тиристорных оптопар нормируются ГОСТ 24458-80 «Оптопары полупроводниковые. Основные параметры».
Главный передаточный параметр оптопары — коэффициент передачи по току (Current Transfer Ratio, CTR). Это отношение выходного тока фотоприёмника к входному току светодиода, выраженное в процентах.
CTR = (IOUT / IIN) · 100 %
где IIN — прямой ток через светодиод (на стороне входа), IOUT — выходной ток (коллектора фототранзистора, фотодиода и т. д.) при заданном выходном напряжении.
IIN
IOUT
Численное значение CTR зависит от типа оптопары и существенно различается по группам: у диодных оптопар оно мало (доли процента — единицы процента), у транзисторных — может превышать 100 %, у дарлингтоновских — нескольких сотен процентов.
Гальваническая развязка — главное эксплуатационное свойство оптопары и основная причина её применения. Между входной и выходной цепями нет общего проводника, и они не имеют гальванического соединения.
Координацию изоляции в низковольтных системах (определение требуемых VISO, длины пути утечки и воздушного промежутка для заданной категории перенапряжения и степени загрязнения) регламентирует ГОСТ Р МЭК 60664.1-2012 (модификация IEC 60664-1). Безопасность собственно фотогальванических развязывающих приборов как изделий рассматривается стандартом IEC 60747-5-5:2020 (Edition 2.0) «Semiconductor devices — Part 5-5: Optoelectronic devices — Photocouplers», заменившим редакцию 2007 года с Amendment 1 (2013).
Параметры изоляции, заявленные в datasheet оптопары, действительны только при правильном монтаже: длина пути утечки и воздушный промежуток на печатной плате должны быть не меньше, чем в самом корпусе.
Быстродействие оптопары характеризуют временами нарастания и спада выходного сигнала и задержками включения и выключения. Эти параметры зависят от типа фотоприёмника и режима работы.
Диодные оптопары и оптопары с быстрыми цифровыми выходами обеспечивают передачу сигналов с фронтами в единицы — десятки наносекунд. Классические транзисторные оптопары обычно работают в диапазоне от единиц до сотен микросекунд. Дарлингтоновские оптопары наиболее медленные за счёт высокой ёмкости и каскадной структуры.
Светодиод оптопары работает в токовом режиме, поэтому в его цепь всегда включают токоограничивающий резистор. Его сопротивление определяется по закону Ома.
R = (U − VF) / IF
где:
U — напряжение питания управляющей цепи, В; VF — прямое падение напряжения на светодиоде оптопары (типично 1,1...1,5 В, точное значение — по datasheet), В; IF — выбранный прямой ток через светодиод, А.
U
VF
IF
Ток IF выбирают так, чтобы при минимальном (гарантированном) CTR обеспечить требуемый выходной ток IOUT с запасом на температуру и деградацию.
Управляющая цепь — 5 В. Прямое падение светодиода VF = 1,2 В. Выбираем IF = 10 мА для уверенного включения фототранзистора.
VF = 1,2 В
IF = 10 мА
Сопротивление резистора: R = (5 − 1,2) / 0,010 = 380 Ом. Берём ближайший стандартный номинал, например 390 Ом (E24), и проверяем рассеиваемую мощность: P = (5 − 1,2)² / 390 ≈ 37 мВт — резистора мощностью 0,125 Вт достаточно.
R = (5 − 1,2) / 0,010 = 380 Ом
P = (5 − 1,2)² / 390 ≈ 37 мВт
При CTR оптопары 50 % (минимально гарантированное) ожидаемый выходной ток фототранзистора в насыщении: IOUT = 0,010 · 0,5 = 5 мА — этого достаточно для типового логического вывода.
IOUT = 0,010 · 0,5 = 5 мА
Ток через входной светодиод вызывает излучение света; этот свет проходит через прозрачный диэлектрический промежуток и попадает на фотоприёмник в одном корпусе. Фотоприёмник (фотодиод, фототранзистор, фотодарлингтон, фототиристор или симистор) преобразует световой поток обратно в электрический сигнал. Между входом и выходом нет общего проводника — связь только оптическая, что и обеспечивает гальваническую развязку цепей.
Трансформатор передаёт сигнал через магнитное поле, оптопара — через свет. Трансформатор естественно подходит для переменного тока, оптопара — для постоянного и однонаправленных сигналов. Оптопары меньше, дешевле в типовых низковольтных применениях, не имеют насыщения и не передают постоянной составляющей через намагничивание; зато трансформаторы выдерживают более высокие импульсные напряжения и не имеют деградации, характерной для светодиодов.
Коэффициент передачи тока CTR — отношение выходного тока фотоприёмника к входному току светодиода в процентах. Это главный параметр, по которому рассчитывают схему. У диодных оптопар CTR мал, у транзисторных может превышать 100 %, у дарлингтоновских — нескольких сотен процентов. CTR имеет большой технологический разброс, нелинейно зависит от входного тока, уменьшается с температурой и со временем эксплуатации (деградация светодиода). Расчёт цепи ведут по гарантированному минимальному значению.
По фотоприёмнику: диодные (быстрые, низкий CTR), транзисторные (универсальные), дарлингтоновские (высокий CTR, медленнее), тиристорные и симисторные (для управления нагрузкой), с логическим выходом (цифровые), линейные (аналоговая развязка), исторически — резисторные. По характеру входа: однонаправленные и двунаправленные (с двумя встречно-параллельными светодиодами для переменного сигнала).
Чтобы передавать сигнал между цепями с разными опорными потенциалами, разными «землями» или сильно различающимися напряжениями. Это нужно: для защиты слаботочной измерительной и управляющей электроники от потенциалов силового тракта; для подавления помех и кольцевых токов через общую землю; для изоляции человека от сетевых и высоковольтных цепей в безопасных интерфейсах; для согласования логических уровней; для развязки контуров обратной связи в импульсных источниках питания.
В Российской Федерации действуют ГОСТ 24458-80 «Оптопары полупроводниковые. Основные параметры», ГОСТ 27299-87 «Приборы полупроводниковые оптоэлектронные. Термины, определения и буквенные обозначения параметров», ГОСТ 11630-84 «Приборы полупроводниковые. Общие технические условия». Международные нормы — серия IEC 60747-5 в части оптоэлектронных приборов, в частности IEC 60747-5-5:2020 «Photocouplers» (фотогальванические развязывающие приборы), Edition 2.0, заменивший редакцию 2007 года. Координацию изоляции в низковольтных системах нормирует ГОСТ Р МЭК 60664.1-2012 (модификация IEC 60664-1).
По закону Ома: R = (U − VF) / IF, где U — напряжение питания управляющей цепи, VF — прямое падение напряжения на светодиоде (по datasheet, типично 1,1...1,5 В), IF — выбранный прямой ток. Ток подбирают так, чтобы при минимальном (гарантированном) CTR обеспечить требуемый выходной ток фотоприёмника с запасом на температуру и деградацию. После расчёта проверяют рассеиваемую мощность P = (U − VF)² / R и выбирают резистор соответствующей мощности.
P = (U − VF)² / R
Да, при специализированном исполнении. Обычная транзисторная оптопара имеет существенно нелинейную передаточную характеристику и для качественной аналоговой передачи не подходит. Применяют либо линейные оптопары со сбалансированной парой фотодиодов (один работает в обратной связи на стороне передатчика, второй — на стороне приёмника), либо передают сигнал через ШИМ или частотную модуляцию с цифровой оптопарой.
Стойкость к быстрым изменениям синфазного напряжения между входом и выходом. Через паразитную ёмкость изоляции скачки синфазного напряжения наводят импульсные токи, которые могут ложно переключить выход. CMTI задаётся в кВ/мкс — максимально допустимой скорости нарастания синфазного напряжения, при которой выход не переключается. В цепях с быстрыми коммутациями силовых ключей выбирают оптопары с высоким значением CMTI.
Из-за деградации светодиода оптопары. Излучательная эффективность полупроводникового излучателя уменьшается со временем эксплуатации, особенно при больших прямых токах и высокой температуре. Фотоприёмник практически не деградирует, и снижение CTR определяется именно падением светового потока излучателя. Поэтому в проектных расчётах закладывают запас по CTR на срок службы устройства; работа светодиода с током ниже максимально допустимого замедляет деградацию.
Вы можете задать любой вопрос на тему нашей продукции или работы нашего сайта.