Interfete Optoelectronice

Cuprins

CAP. I: INTRODUCERE

Despre licenta

CAP. II: OPTOCUPLOARE

II.1. Scurt istoric despre optocuploare

II.2. Familii de optocuploare

Optocuploarele sunt construite intr-o mare diversitate existand totusi elemente comune care pemit o prezentare sistematica a produsului integratului. Avand baza unui nucleu comun au fost caracterizate familii de Interfete optoelectronice- repectiv Optocuploare. Nucleul optocuplorului a fost constituit dintr-o unitate central , aceea pentru toti membrii unei familii , urmand o serie de interfete si periferice. Diferenta dintre membrii unei familii este caracterizata in primul rand in echiparea interna a capsulei unui optocuplor ( tipul componentelor active care se afla intr-un integrat, mai multe detalii in subcapitolul urmator). O alta diferenta intre membrii unei familii poate fi data de modul in care sunt conenctati pinii , numarul pinilor , toleranta intre pini , lungimea – latimea si grosimea lor. Din punct de vedre constructiv optocuploarele mai pot fi: SMD (,,Surface Mounting Device” Dispozitiv montat pe suprafata) ori PTH (,,Plated Through Hole” Plecarea prin orificii). Familiile de optocuploare SMD sunt componente miniaturizate , fiind montate pe suprafata unei placi – respectiv pinii optocuplorului sunt lipiti pe placa. Familiile de optocuploare PTH sunt acele componente care pinii lor strapung orificiul placii. Exemplu: Un optocuplor pornind de la o reprezentare simplificata a sa cu mediul (Figura II.2. 1. )

Figura II.2. 1. Schema simplificata a unui optocuplor

O ultima diferenta intre membrii unei familii la Interfetele optoelectronice – Optocuploare fiind diferentiate unele de altele prin tipul capsulei de prezentare a circuitului integrat. In (figurile II.2. 2.a) b) c) d) ) de mai jos vor fi prezentate ,,Modele de capsule ale optocuploarelor”.

Figura II.2.2. a) Model capsula optocuplor 3SF21 – PTH

Figura II.2.2. b) Model capsula optocuplor PS2601 – PTH

Figura II.2.2. c) Model capsula optocuplor LTV357T – SMD

Figura II.2.2. d) Model capsula optocuplor TCST2300 – PTH

In figurile de mai sus,si anume (figurile II.2. 2.a) b) c) d) ) a fost prezentate doar o mica parte dintr-o familie complexa de optocuploare. Aceste Interfete optoelectronice se utilizeaza atunci cand este necesara decuplarea electrica pe tensiunea de intrare – iesire pana la valoarea de 2500V si pe rezistente de ordinul MΩ. Aceasta familie de optocuploarele se mai pot utiliza atunci cand este necesara decuplarea sarcini de forta cu ajutorul unor valori mari de tensiune si curent de schemele de nivel scazut.

II.3. Descrierea interna a optocuploarelor

Optocuplorul este dispozitiv care este format dintr – un emitator si un receptor de lumina care sunt isolate electric, fiind folosit pentru transmisia unor semnale prin intermediul luminii care este numit optoizolator. Parametri sai depind in principal de curentul de intrare si de temperatura de lucru.

Optocuploarele sunt utilizate in special in circuite de comanda a comutatiei, diferitelor echipamente electronice sau in translatoare de nivel de curent continuu

In circuitul de intrare se gaseste o fotodioda .Acesta primește semnal electric și emite la iesirea circuitului un semnal optic.

Circuitul de ieșire sau mai bine zis receptorul unui cuplor optic poate fi: fotodioda-fototranzistor, fotodioda-fotodarlinghton, fotodioda-fototiristor, fotodioda-fototriac. Aceste componente pot sa transforme semnalul optic într-un semnal electric.

Dispozitivele de( intrare-ieșire) se gasesc în aceeași capsulă la o distanță mică una fata de cealalta fiind cuplate optic împreună, dar sunt izolate perfect din punct de vedere electric; Informațiile sunt transmise strict într-un singur sens, de la circuitul de intrare spre circuitul de ieșire, fără reacție în sens invers.

Schema de principiu a optocuplorului: a), b), c), d) si sccesiunea ciclurilor de functionare sunt reprezentate in figura II.3.1.

Figura II.3.1. Constructia si reprezentarea conventionala a optocuploarelor: a) Fotodioda-Fototranzistor; b) Fotodioda-Fotodarlingthon; c) Fotodioda-Fototiristor; d) Fotodioda-Fototriac; Optocuplorul Fotodioda-Fototranzistor din Figura II.3.1.a) este un integrat fiind alcatuit din 6 pini. Pinul 1 reprezinta anodul (+) fotodiodei, al 2-lea pin este catodul (-) fotodiodei. Din punct de vedere al structurii fizice intre fotodioda si dioda nu exista nici-o deosebire . Fotodioda este formata dintr-o jonctiune pn de construcție specială, astfel încât să poata transmite razele de lumină în zona de difuzie a acesteia. În funcționarea normală jonctiunea pn este polarizată invers cu ajutorul unei sursei externe. Incidența razelor de lumină în zona de difuzie determină o creștere a curentului invers. Fotodiodele pot fi folosite la frecvențe de ordinul miilor de Hz.In fotodioda lumina se transforma prin efect foto-voltaic. Purtatorii de sarcina care se afla in jurul jonctiunii pn sunt preluati de campul electric din regiunea spatial fiind transferati in regiunea majoritara. Daca va creste numarul de purtatori de sarcina va scadea bariera de potential, de aici va rezulta faptul ca, la cresterea transferurilor purtatorilor minoritari prin jonctiune va creste pozitiv regiunea p, iar negativ regiunea n. Rezultand o tensiune electrica directa in circuitul extern doar daca aceasta este deschisa, sau un curent scurtcircuitat avand o rezistenta de valoare mica care sa fie conectata intre anod si catod. In figura II.3.2. este prezentat constructia si simbolurile fotodiodei.

Figura II.3.2.a) Reprezentarea in schema a fotodiodei

Suprafata activa a fotodiodei este acoperita de un strat subtire de protectie fiind si reflectorizant. Intre aceste doua substraturi p si n va rezulta jonctiunea pn, aceasta jonctiune pn se mai numeste ,, regiune saracita de purtatori” deoarece ea isi maodifica adancimea in functie de valoarea tensiunii inverse fiind aplicate la terminalele fotodiodei. Cu cat va creste tensiunea inversa cu atat se va adanci mai mult regiunea jonctiunii , curentul electric produs de radiatiile luminoase va traversa jonctiunea pn a fotodiodei. Pinul 3 reprezinta masa optocuplorului; Pinul 4reprezinta Emitorul(E) fototranzistorului fiind construit dintr-un semiconductor de tip N dopat puternic , el dispune de o mare cantitate de electroni liberi. Denumirea de emitor vine de la faptul ca reprezinta sursa tuturor sarcinilor electrice care circula printr-un fototranzistor. Pinul 5 este Colectorul (C) fototranzistorului care este costruit si el tot dintr-un semiconductor de tip N, fiind slab dopat ceea ce rezulta ca are mai putini electroni liberi; colectorul este cea mai voluminoasa zona a fototranzistorului. Denumirea ii vine de colector dearece colecteaza sarcinile electrice din baza. Pinul 6 este Baza (B) fototranzistorului fiind construita si ea tot dintr-un semiconductor dar de tipul P care este taiat sub forma unei foite foarte subtiri. Ea este asezata intre emitor si colector creand bariere de potential la zonele de contact cu acestia. Denumirea de baza ii vine deaorece reprezinta suportul intregii structure a fototranzistorului. In figura II.3.3.a) de mai jos este prezentat cum fuctioneaza un fototranzistor-respectiv transistor de tip NPN.

Figura II.3.3.a)Schema bloc al unui fototranzistor-respectiv tranzistor bipolar de tip NPN

Fotoranzistorul- respective tranzistorul este o componenta electronica activa fiind controlata cu ajutorul semnalului electric numit semnal de comanda. Avantajul pe care il avem la fototranzistor este faptul ca putem controla o cantitate mare de curent cu ajutorul unei cantitati mici de energie electrica. Fototranzistorul este blocat daca nu avem semnal de comanda in circuitul de la intrare, blocand complect curentul prin circuitul de iesire. In acest caz rezistenta de la borna de iesire este foarte mare (de ordinul kΩ). Fototranzistorul va fi activ atunci cand crestem semnalul de comanda, el se va deschide treptat permitand trecerea curentului electric prin circuitul de la iesire. Fototranzistorul va fi saturat cand vom observa ca valoarea curentului din circuitul de la iesire nu mai creste deaorece a atins pragul maxim, iar rezistenta electrica de la bornele de iesire va scadea pana la 0. Optocuplorul Fotodioda-Darlinghton din figura II.3.1.b) este prezentat mai fos:

Figura II.3.1.b) Optocuplorul Fotodioda-Darlinghton.

Pinul 1 reprezinta anodul ()Fotodiodei, al 2-lea pin fiind catodul(), pinul al 3-lea reprezinta masa optocuplorului, al 4-lea pin fiind emitorul Darlingtonului, al 5-lea pin colectorul Darlingtonului, iar ultimul respectiv pinul al 6-lea reprezinta baza Darlingtonului. In electronica Tranzistorul Darlington, este o structura, care la randul sau este compusa din două tranzistoare bipolare de tip NPN conectate împreună, asa cum se arata in figura de mai jos:

Figura II.3.2.b) Optocuplorul Fotodioda-Darlinghton

Folosind perechea NPN Darlington, emitorul din primul tranzistor TR1, este legat la baza tranzistorului TR2. Astfel incat curentul din emitorul tranzistorului TR1 va conduce in baza tranzistorului TR2. Colectorii acestor tranzistoare sunt conectati impreuna, curentul care trece prin colectorul tranzistorului TR1, este in faza cu cea a stapanului de comutare a tranzistorului TR2. Această configurație realizează o multiplicare β deoarece curentul bazei ib iar curentul din colector este β.i b unde curentul castigat este mai mare ca unu, acest lucru va rezulta ca:

Curentul din baza iB2 este egal cu, curentul emitorului tranzistorului TR1, deoarece emitorul tranzistorului TR1 este conectat la baza tranzistorului TR2. Prin urmare:

Din aceasta formula va rezulta ca:

Unde β 1 și β 2 reprezinta câștigurile individuale ale tranzistorilor. Aceasta înseamnă că acest curent castigat este global , β reprezinta câștigul primului tranzistor înmulțit cu câștigul celui de-al doilea tranzistor ca acest curent câștigat fiind dat de multiplicarea celor două tranzistoare. In alte cuvinte, aceasta pereche de tranzistoare bipolar e combinate impreuna face un singur Tranzistor Darlington. Aceasta perece este considerata un tranzistor cu valoare foarte mare de β fiind o rezistenta mare de intrare. Optocuplorul Fotodioda-Tiristor este prezentat in figura de mai jos:

Figura II.3.1.c) Optocuplorul Fotodioda-Tiristor Pinul 1 reprezinta anodul (+)Fotodiodei, al 2-lea pin fiind catodul(-), pinul al 3-lea reprezinta masa optocuplorului, al 4-lea pin fiind katodul(K) Tiristorului, al 5-lea peprezintaanodul(A) Tiristorului , iar ultimul respectiv pinul al 6-lea reprezinta Grila a Tiristorului. Tiristorul este o componenta electronica active fiind formata din mai multe structuri p-n numite jonctiunii avand rolul de a se muta din starea de blocare in starea de conductive. Cele mai utilizate tiristoare sunt acelea care sunt formate din patru straturi cu structura p-n-p-n. In figura de mai jos este reprezentat structura si simbolul tiristorului:

Figura II.3.2.c) Tiristorul: Structura si Simbol

In figura urmatoare este prezentata caracteristica curent-tensiune a tiristorului, acesta are trei iesiri fiind folosite pentru cuplarea in schema exterioara:

Figura II.3.3.c) Caracteristica curent-tensiune a tiristorului

Aceasta figura reprezinta schema de cuplare a tiristorului care este formata dupa cum am mai zis din Anod,Katod si Electrod de Comanda sau Grila. Daca pe grila nu este semnal atunci curentul prin tiristor este nul. Deoarece rezistenta tiristorului este mare,acest fapt duce la starea de blocare a tiristorului. Pe rezistenta de sarcina va aparea curent doar atunci cand pe grila va fi un impuls pozitiv.Electrodul de comanda are un singur lucru de facut si anume de a cupla tiristorul urmand sa nu mai aiba niciun efect asupra lui. Tiristorul ar putea fi oprit din functionare in doua feluri si anume, sa reducem tensiunea de comanda pana la 0 ori sa intrerupetensiunea de pe Anod. Caracteristicile de functionare a tiristorului este valoarea medie maxima admisa a curentului, tensiunea directa in impuls si curentul invers fiind maxim. Daca viteza critica a curentului anodic va creste acest lucru ar putea duce la distrugerea locala a structurii semiconductoare urmand si topirea jonctiunii. Un alt pas poate fi felul in care se cupleaza tiristorul fara ca acesta sa se redeschida. Factorul cel mai important la tiristor este timpul necesar de intrerupere a curentului care trece prin anodul tiristorului avand aplicata o tensiune directa . Ultimul principiu al functionarii unui tiristor este viteza maxima de crestere a tensiunii pe anod, daca aceasta tensiune despre care vorbeam va creste intr-un timp foarte scurt pea nod acest lucru va duce la autodeschiderea rapida a tiristorului. Optocuplorul Fotodioda-Triac este prezentat in figura de mai jos:

Figura II.3.1.d) Optocuplorul Fotodioda-Triac.

Acest optocuplor la randul sau este format si el din 6 pini si anume:Pinul 1 reprezinta anodul (+)Fotodiodei, al 2-lea pin fiind catodul(-), pinul al 3-lea reprezinta masa optocuplorului, al 4-lea pin fiind anodul1(A1) sau terminalul principal1(TR1) al optocuplorului, al 5-lea pin , iar ultimul respectiv pinul al 6-lea reprezinta anodul2(A2) sau terminalul principal2(TR2). Triacul este o dezvoltare a tiristorului. Fiind o componenta semiconductoare este formata din doua tiristoare montate in paralel dar opuse, conectate impreuna. Ca un tiristor un triac are trei terminale.Cu toate acestea, numele acestora sunt denumite sub forma de anod1 (A1) si anod2(A2) ori terminal principal1(MT1) si terminal principal2 (MT2).Exista o poarta sau grila (notata cu P sau G) care actioneaza ca un declansator pentru a porni aparatul. In figura de mai jos este prezentat simbolul si constructia triacului:

Figura II.3.2.d) Structura interna, schema echivalenta si simbolul unui triac.

Acum stim ca un triac este format din patru starturi, PNPN in directie pozitiva si NPNP in directive negativa. Daca pe grila va fi un impuls pozitiv sau negativ, triacul va intra in starea de conductie. Un factor important pe care il avem la triac este faptul ca poate sa conduca atat in alternanta pozitiva cat si in cea negativa a curentului alternativ. Daca anodul A2 este in alternanta pozitiva ,va functiona tiristorul T1 iar daca anodul A2 este in alternanta negativa, va functiona tiristorul T2. In figura de mai jos este prezentata caracteristica curent-tensiune a triacului:

Figura II.3.3.d) Cracteristica curent-tensiune a triacului

Daca curentul pe grila este zero atunci tensiunea se va bloca, pentru functionarea triacului,tensiunea de pe grila va fi mai mare decat amplitudinea tensiunii alternative care se gaseste intre terminalul1 si termninalul2 a triacului. Din aceasta caracteristica rezulta faptul ca,daca va creste curentul de comanda pe poarta repede, si tensiunea pe triac va fi din ce in ce mai mica. Aceasta prioritate ii asigura o autoaprindere interna fata de tensiunile tranzitorii, care po aparea in circuitul care se gaseste si anume la aparitia supratensiunilor, triacul amorseaza de la sine in loc sa se strapunga.

Cap. III: OPTOCUPLORUL TIL 111

Optocuplorul TIL111 cunoscut si sub numele de opto izolator este o componenta formata dintr-o capsula de plastic in interiorul careia se afla o fotodioda si un tranzistor bipolar. Lungimea, latimea si inaltimea capsulei este prezentata in figura de mai jos:

Figura III. Dimensiunile capsulei TIL111

. Aceasta capsula are situati pe partile exterioare sase pini: trei pini pe partea stanga, trei pini pe partea dreapta. In figura de mai jos este prezentata: lungimea, latimea si tolerant intre pini:

Figura III.a) Dimensiunile pinilor

In interiorul capsule se afla o fotodioda si un fototranzistor, fotodioda transforma semnalul electric de intrare in fascicule de lumina care va fi disipata pe baza fototranzistorului. Acesta detecteaza lumina de la intrare, si genereaza direct curent electric. In figura de mai jos este prezentat structura interna a optocuplorului TIL111.

Figura III.b) Structura interna a optocuplorului TIL111

III.1. Testarea optocuplorului in functie de timp. In figura de mai jos este afisat structura optocuplorul TIL111 si semnalul de intrare-iesire al acestuia:

Figura III.1 Structura interna si formele semnalului de intreare-iesire al optocuplorului. Timpul de schimbare tranzitoriu a tensiunii de ieșire, atunci când ieșirea este comutata din ON in OFF în timp ce curentul (IF) curge prin fotodioda pe partea emițătoare ca un puls de lumină. Timpul de crestere in figura III.1 este tr si timpul de cadere fiind reprezentat in figura III.1 de tf. Timpul de intarziere al propagarii /este timpul de la shimbarile intrarii la schimbarile iesirii. Schimbarile semnalului de la iesire sunt in functie de semanlul de intrare. Cand unghiul semnalului de actionare ciclic este definit ca 306 grade (2 π radiani), valoarea unghiului corespunzatoare acestei valori este aproape egala cu întârzierea de fază a semnalului.

III.2. Caracteristicile de transfer al optocuplorului

Aceste caracteristici ale optocuplorului sunt prezentate asfel: Caracteristica electrica, este prezentata in tabelul 1. Caracteristica de transfer in curent continuu, este prezentata in tabelul 2. Caracteristica in curent alternativ, este prezentata in tabelul 3. Caracteristicile de izolatie, este prezentata in tabelul 4.

III.2.1. Caracteristica electrica

Tabelul 1

III.2.2 Caracteristica de transfer in current continuu

Tabelul 2

III.2.3. Caracteristica in current alternativ

Tabelul 3

III.2.4. Caracteristica de izolatie

Tabelul 4

III.3 Formele de unda al optocuplorului TIL 111

Aceste forme de unda al optocuplorului sunt prezentate in figurile de mai jos: III.3.1. Valorile tensiunii si curentului prin dioda la o anumita temperatura in ºC.

Figura

Ca exemlu, la o tensiune de 1.2 V, temperatura prin dioda fiind de 25°C vom avea un curent de 10mA. III.3.2. Caracteristica de intuneric a diodei in functie de tempratura mediului ambient.

Figura

III.3.3. Tensiunea de saturatie colector – emitor in functie de curentul de pe colector.

Figura

III.3.4. Timpul de comutare in functie de rezistenta de sarcina.

Figura

Timpul de comutare din starea ,,blocat” in satrea de ,,conductie” se masoara intre 10% din valoarea tensiunii din starea ,,blocat” pana la 90% din starea tensiunii in starea de ,,conductie”.

Timpul de comutare din satrea de ,,conductie” in starea ,,blocat”se masoara intre 10% din valoarea tensiunii din starea de ,,conductie” pana la 90% din starea tensiunii in starea de ,, blocat”.

CAP.IV: REZULTATE EXPERIMENTALE

CAP. V:CONCLUZII

BIBLIOGRAFIE