Optocuplorul Hcpl 2530

CAP.I: INTRODUCERE

Memoriu de prezentare

În această licență am făcut o caracterizare mai complexă adresată celor care doresc să aprofundeze cunoașterea acestui domeniu, abordând tratarea interfețelor optoelectronice mai exact al optocuploarelor și prezentarea metodelor și tehnicilor de producere și utilizarea a optocuploarelor.

Lucrarea este structurată pe 6 capitole.

În prima parte a lucrării este prezentată interfetele optoelectronice respectiv optocuploarele care reunește optica tradițională, domeniul surselor semi conductoare emițătoare a laserelor și a fibrelor optice. Dacă ne referim la partea constructivă a optocuploarelor pot fi: SMD și PTH. Mai detailat este vorba de familii de optocuploare acestea fiind construite într-o mare diversitate existând un element comun care pemite o prezentare sistematică a produsului integratului, fiind caracterizate familii de Interfețe optoelectronice- repectiv optocuploare.

Diferența între membrii unei familiei este dată de echiparea internă-externă a capsulei, conenctarea pinilor, numărul lor, toleranță între ei, lungimea – lățimea și grosimea lor. Partea majoră a lucrării o reprezintă descrierea metodelor și procedeelor tehnice și tehnologice bazate pe optocuploare. Acesta este un dispozitiv care este format dintr-un emițător și un receptor de lumina care sunt izolate electric, fiind folosite pentru transmiterea unor semnale prin intermediul luminii numindu-se optoizolator. Parametri săi depind în principal de curentul de intrare și de temperatura de lucru. Într-o capsulă izolată electric formată din 6 pini în interiorul acesteia se pot găsi (fotodiodă-fototranzistor, fotodiodă-fotodarlington, fotodiodă-fototiristor, fotodiodă-fototriac). Mai în detaliu este descries modelul TIL111 care este format din fotodiodă-fototranzistor fiind caracterizat prin :

Descrierea exterioară (dimensiunile capsulei, dimensiunile pinilor și toleranța între aceștia), testarea optocuplorului în funcție de timp, caracteristica electrică, caracteristica de transfer în curent continuu, caracteristica în curent alternative, caracteristicile de izolație, caracteristicile de undă al acestuia.

În final este prezentată o aplicație cu optocuplorul TIL111. Scopul acestei licențe este pentru înțelegerea și dobândirea noțiunilor strict necesare, fiind o abordare stintifică corectă și înțelegerea principiilor, fenomenelor care stau la baza tehnicilor și utilizării optocuploarelor.

CAP. II: OPTOCUPLOARE

II.1. Istoricul interfetelor optice respectiv optocuploarelor

În sens larg, interfețele opto electronice este o ramură a fizicii care include toate fenomenele asociate cu generarea luminii, transmisia și detecția acesteia, dar și interacțiunea cu materia, lumina constituind baza opticii. Primele noțiuni de optică au fost introduse de Euclid în anul 280 i.H., iar mai târziu de I. Newton care în lucrarea sa, Opticks în anul 1704 a elaborat primele teorii asupra luminii. Aceste cercetări au fost continuate de-a lungul anilor și de alți fizicieni bine cunoscuți: G. Galilei, T. Young, A. J. Fresnel, J. Fraunhofer etc. În anul 1958, A. L. Schawlow, C. H. Townes și N. G. Basov, A. M. Prohorov au descoperit laserul optic bazat pe folosirea inversiei, iar în 1960. T. H. Maiman a construit primul laser cu rubin. Aest laser cu rubin s-a obținut printr-o descărcare electrică în neon și heliu a fost realizat în anul 1961.[1]

Curând după descoperirea efectului laser s-a manifestat un interes tot mai mare, atât din punct de vedere teoretic cât și experimental, în legătură cu fenomenele optice din ghidurile de undă dielectrice, punându-se astfel bazele unui nou domeniu cunoscut sub numele de optică integrată. Acest concept a fost introdus în anul 1969 de către S. E. Miller care a definit noțiunile de baza și scopul pe care trebuie să-l îndeplinească noile circuite laser.[1]

Optică integrată, numită în literatură de specialitate și fotonică integrată este o ramură și ea tot a interfeței optoelectronice în care sunt combinate tehnologia ghidurilor optice de undă (optică ghidată) cu alte domenii, cum ar fi de exemplu: optoelectronică, acustooptica, electrooptică și optică neliniară. În acest caz, locul electronilor este luat de fotoni care joacă rolul esențial în circuitele optice integrate. La baza dispozitivelor respectiv interfețelor optice integrate stau ghidurile optice de undă care ghidează semnalele optice, dar pot îndeplini și alte funcții.

Termenul de fotonică integrată se referă și la fabricarea și integrarea mai multor componente fotonice pasive și active (de exemplu: cuplori integrați, interferometre integrate, comutatori, filtre, modulatori, rețele de difracție, polarizoare integrate, etc).[1]

Dar și lasere și amplificatoare laser integrate) pe același substrat planar la fel că în microelectronică. Primele cercetări legate de transmisia imaginilor prin fibre optice au început în anul 1954 când A. C. S. van Heel și apoi H. H. Hopkins și N. S. Kapany în anul 1955 au introdus din punct de vedere conceptual noțiunile legate deghidarea luminii în urma reflexiei la

la interfața cu un material (cladding layer) care are indicele de refracție mai mic, în vederea reducerii perturbatiilor și a micșorării pierderilor. În cazul ghidării luminii în structuri planare primele cercetări au fost efectuate în joncțiuni semiconductoare de tip p-n de către A. Yariv și colaboratorii în anul 1963 când a fost observată și analizată radiația laser emisă de aceste dispositive.[1]

De asemenea, în aceeași perioada a fost pus în evidență și fenomenul de modulare a luminii ghidate în joncțiuni de tip GaP. În ultimii treizeci de ani o parte din rezultatele cercetărilor din optică și electronică au fost aplicate în domeniul telecomunicațiilor optice, acest fapt 12 optică integrate impulsionând atât investigațiile teoretice cât și cele experimentale asupra fibrelor și a ghidurilor optice de undă.

O largă dezvoltare au căpătat-o transmisiile optice ghidate odată cu perfecționarea tehnologiilor fibrelor optice cu pierderi mici (~0,2 dB/km) obținute din siliciu și respectiv a ghidurilor optice. Dependență atenuării de lungimea de undă în cazul unei fibre optice fabricate cu SiO și evidențierea proceselor mai 2 importante care contribuie la atenuare. Conceptul de comunicații optice prin ghiduri de undă a fost introdus de K. C. Kao și G. A. Hockham care au studiat transmisiile de date printr-un ghid dielectric cu simetrie sferică (fibră optică) sistemele de comunicații pe fibră optică au trecut foarte rapid din laboratoarele de cercetare în aplicațiile comerciale.[1]

Prima generație de sisteme optice era bazată pe dispozitive din siliciu funcționînd între 800 și 900 nm. Era evident că atenuarea fibrelor ar fi fost cu atît mai mică cu cît lungimea de undă ar fi fost mai mare A două generație de dispozitive lucrează la lungimi de undă de 1300 nm, fiind azi o tehnologie ajunsă la maturitate, în timp ce pe piață și-a făcut apariția a treia generație, la 1550 nm. În timp ce fibrele optice, laserii și fotodetectorii au făcut posibile comunicațiile la distanțe foarte mari și la viteze foarte ridicate, cercetările în domeniul tehnologiei comunicațiilor, care să aducă o utilizare completă a fibrelor și dispozitivelor optice ,au crescut în scop și întindere. Optoelectronică reunește optică tradițională, domeniul surselor semi conductoare emițătoare de radiație, a detectoarelor, a laserelor, a fibrelor optice și electronică asociată lor.Ea studiază interacțiunile luminii în domeniul de lungimi de undă de la zeci de nm până la 20µm, cu materia în stare gazoasă, lichidă sau solidă și dispozitivele care se bazează pe aceste interacțiuni. Aceste dispozitive combină părți optice cu părți electrice și s-au dezvoltat enorm în ultimii 20 de ani, ca rezultat al extinderii industriilor materialelor semiconductoare.[1]

Aceste dispozitive combină părți optice cu părți electrice și s-au dezvoltat enorm în ultimii 20 de ani, ca rezultat al extinderii industriilor materialelor semiconductoare.Încă de la început noutățile din laboratoarele de optoelectronică și-au găsit aplicarea imediată în practică. Unele dispozitive, cum este optocuplorul, a pătruns în majoritatea aplicațiilor profesionale și de consum încă din anii 70. Extinderea comunicațiilor optice a determinat producții masive de componente optoelectronice.[1]

Același efect l-au avut lărgirea domeniului de aplicare al laserelor și dezvoltarea înregistrării și stocării optice a informației .Fiabilitatea, randamentul sporit și costul scăzut au contribuit la răspândirea componentelor optoelectronice.O parte a unui circuit poate fi într-o zona unde este influențat de interferențe (cum ar fi cele de la motoarele electrice, echipamente de sudură, motoare termice etc.). Dacă ieșirea acestui circuit trece printr-un optocuplor spre alt circuit, numai semnalele dorite vor trece prin optocuplor. Semnalele de interferență nu vor avea destulă "putere" să activeze fotodiodă din optocuplor și de aceea ele sunt eliminate.[1]

Dacă aceste optocuploare afectează funcția unei secțiuni de control, vor apare erori și unitatea nu va mai funcționa.Separare simultană și intensitatea unui semnal mai mic de 3v este capabil să activeze un optocuplor. Optocuploarele au calități înnăscute pentru separarea tensiunilor mari. Deoarece fotodiodă este complet separată de fototranzistor, optocuploarele pot da dovadă de izolare de tensiune de 3Kv sau chiar mai mare. Ele au funcții adiționale cum ar fi Schmitt triggering (ieșirea unui Schmitt trigger este 0 sau 1). Se schimbă încet ridicând și coborând formă de undă în valori definite de la minim spre maxim.[1]

Optocuploarele sunt diferite deoarece pot fi fabricate că o singură unitate sau în grupuri de două sau mai multe într-o singură capsulă. Ele mai pot fi numite și foto-întrerupătoare deoarece aceste optocuploare au un disc cu fante care este introdus într-un lăcaș între fotodiodă și fototranzistor și de fiecare dată când lumina este întreruptă, fotodiodă produce un impuls în baza tranzistorului. Fiecare optocuplor are nevoie de două alimentari pentru a funcționa. Ele pot fi folosite cu o alimentare, dar capacitatea de izolare a tensiunii este pierdută.[1]

II.2.Familia optocuploarelor

Optocuploarele sunt construite într-o mare diversitate existând totuși elemente comune care pemit o prezentare stematică a produsului integratului. Având baza unui nucleu comun au fost caracterizate familii de Interfețe optoelectronice- repectiv Optocuploare. Nucleul optocuplorului a fost constituit dintr-o unitate central, aceea pentru toți membrii unei familii, urmând o serie de interfețe și periferice. Diferența dintre membrii unei familii este caracterizată în primul rând în echiparea internă a capsulei unui optocuplor ( tipul componentelor active care se află într-un integrat, mai multe detalii în subcapitolul următor).

O altă diferența între membrii unei familii poate fi dată de modul în care sunt conenctati pinii, numărul pinilor, toleranță între pini, lungimea – lățimea și grosimea lor.

Din punct de vedre constructiv optocuploarele mai pot fi: SMD (,,Surface Mounting Device” Dispozitiv montat pe suprafață) ori PTH (,,Plated Through Hole” Plecarea prin orificii).

Familiile de optocuploare SMD sunt componente miniaturizate, fiind montate pe suprafața unei plăci – respectiv pinii optocuplorului sunt lipiți pe placă.

Familiile de optocuploare PTH sunt acele componente care pinii lor străpung orificiul plăcii. Ca exemplu este afișat un optocuplor pornind de la o reprezentare simplificată a sa cu mediul în figura de mai jos:

Figura II.2.1

Figura II.2. 1.Schema simplificată a unui optocuplor.[2]

O ultima diferența între membrii unei familii la Interfetele optoelectronice. Optocuploarele sunt diferențiate unele de altele prin tipul capsulei de prezentare a circuitului integrat. În de mai jos vor fi prezentate ,,Modele sau formele de capsule ale optocuploarelor”.

FiguraII.2.2.

Model capsula optocuplor 3SF21 – PTH [2]

FiguraII.2.3.

Model capsula optocuplor PS2601 – PTH.[2]

FiguraII.2.4.

Model capsula optocuplorLTV357T – SMD [2]

FiguraII.2.5.Model capsula optocuplor TCST2300 – PTH [2]

În figurile de mai sus au fost prezentate doar o mică parte din familia complexă de optocuploare. Aceste Interfețe optoelectronice se utilizează atunci când este necesară decuplarea electrică pe tensiunea de intrare – ieșire până la valoarea de 2500V și pe rezistențe de ordinul MΩ. Această familie de optocuploarele se mai pot utiliza atunci când este necesară decuplarea sarcini de forță cu ajutorul unor valori mari de tensiune și curent de schemele de nivel scăzut.

II.3. Descrierea internă a optocuploarelor

Optocuplorul este un dispozitiv care este format dintr-un emițător și un receptor de lumina care este izolatgalvanic, fiind folosit pentru transmisia unor semnale prin intermediul luminii care este numit optoizolator. Parametri săi depind în principal de curentul de intrare și de temperatura de lucru.[3]

Optocuploarele sunt utilizate în special în circuite de comandă a comutației, diferitelor echipamente electronice sau în translatoare de nivel de curent continuu.Optocuplorele conectează intrările și ieșirile cu un fascicul de lumină modulate de curent de intrare. Acesta transformă semnalul de intrare util în lumină, și îl va trimite pe canalul dielectricului, captând lumina pe partea de ieșire, fiind transformată înapoi în semnal electric.[3]

Spre deosebire de transformatoare, care permite trecerea de energie în ambele direcții cu pierderi foarte mici, optocuploarele sunt unidirecționale acestea poate modula numai fluxul de energie prezentată deja pe partea de ieșire.

În circuitul de intrare se găsește o fotodiodă .Acesta primește semnal electric și emite la ieșirea circuitului un semnal optic.Acesta primește semnal electric și emite la ieșirea circuitului un semnal optic[3].

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

Dispozitivele de (intrare-ieșire) se găsesc în aceeași capsulă la o distanță mică una față de cealaltă 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[3].

Schemele de principiu ale optocuploarelor: a), b), c), d) și sccesiunea ciclurilor de funcționare sunt reprezentate în figurile de mai jos

Figura II.3.1.[4]Construcția și reprezentarea convențională a optocuploarelor: a) Fotodiodă -Fototranzistor; b) Fotodiodă-Fotodarlington; c) Fotodiodă-Fototiristor; d) Fotodiodă – Fototriac

II.3.1. Optocuplorul Fotodiodă-Fototranzistor

Acestaun integrat fiind alcătuit din 6 pini. Pinul 1 reprezintă anodul (+) fotodiodei, al 2-lea pin este catodul (-) fotodiodei. Din punct de vedere al structurii fizice fotodioda este formată dintr-o joncțiune pn de construcție specială, astfel încât să poată transmite razele de lumina în zona de difuzie a acesteia. În funcționarea normală joncțiunea pn este polarizată invers cu ajutorul unei sursei externe. Incidența razelor de lumina în zona de difuzie determină o creștere a curentului invers.

Fotodiodele pot fi folosite la frecvente de ordinul miilor de Hz.În fotodiodă lumina se transformă prin efect foto-voltaic.Purtătorii de sarcina care se află în jurul joncțiunii pn sunt preluați de câmpul electric din regiunea spațial fiind transferați în regiunea majoritară. Dacă va crește numărul de purtători de sarcina va scădea barieră de potențial, de aici va rezulta faptul că, la creșterea transferurilor purtătorilor minoritari prin joncțiune va crește pozitiv regiunea p, iar negativ regiunea n. Rezultând o tensiune electrică directă în circuitul extern doar dacă aceasta este deschisă, sau un curent scurtcircuitat având o rezistență de valoare mică care să fie conectată între anod și catod.[5]

În de ma jos este prezentat construcția și simbolurile fotodiodei:

Figura II.3.2. Structura si simbolul fotodiodei [6]

Suprafața activă a fotodiodei este acoperită de un strat subțire de protecție fiind și reflectorizant. Între aceste două substraturi p și n va rezultă joncțiunea pn, această joncțiune pn se mai numește ,, regiune sărăcită de purtători” deoarece ea își maodifica adâncimea în funcție de valoarea tensiunii inverse fiind aplicate la terminalele fotodiodei. Cu cât va crește mai mult tensiunea inversă cu atât se va adânci mai mult regiunea joncțiunii , curentul electric de pe joncțiune produs de radiațiile luminoase care va traversa joncțiunea pn a fotodiodei. Pinul 3 al optocuplorului nu este legat niciunde; Pinul 4reprezintă Emitorul(E) fototranzistorului fiind construit dintr-un semiconductor de tip N dopat puternic , acesta dispune de o mare cantitate de electroni liberi.[7]

Denumirea de emitor vine de la faptul că reprezintă sursă tuturor sarcinilor electrice care circulă printr-un fototranzistor. . Pinul 5 este Colectorul (C) fototranzistorului care este costruit și el tot dintr-un semiconductor de tip N, fiind slab dopat ceea ce rezultă că are mai puțini electroni liberi; colectorul este cea mai voluminoasă zona a fototranzistorului.

Denumirea îi vine de colector dearece colectează sarcinile electrice din baza. Pinul 6 este Baza (B) fototranzistorului fiind construită dintr-un semiconductor dar de tipul P, care este tăiat sub forma unei foițe foarte subțiri. Ea este așezată între emitor și colector creând bariere de potențial la zonele de contact cu aceștia. [7]

Denumirea de baza îi vine fiindca reprezintă suportul întregii structure a fototranzistorului. În figura de mai jos este prezentat cum fucționează un fototranzistor de tip NPN.

Figura II.3.3.Schema bloc al unui fototranzistor bipolar de tip NPN [7]

Fotoranzistorul – respectiv optocuplorului este o componentă electronică activă fiind controlată cu ajutorul semnalului electric numit semnal de comandă. Avantajul pe care îl avem la fototranzistor este faptul că putem controla cu ajutorul fotodiodei care v alumina baza acestuia având la ieșire cantități mici de energie electrică.

Fototranzistorul este blocat dacă nu avem semnal de comandă în circuitul de la intrare, blocând complect curentul prin circuitul de ieșire. În acest caz rezistență de la bornă de ieșire este foarte mare si va avea valori de ordinul (kΩ).

Fototranzistorul va fi activ atunci când creștem semnalul de comandă, el se va deschide treptat permițând trecerea curentului electric prin circuitul de la ieșire. Fototranzistorul va fi săturat când vom observa că valoarea curentului din circuitul de la ieșire nu crește deaorece a atins pragul maxim, iar rezistență electrică de la bornele de ieșire va scădea până la 0.[7]

II.3.2. Optocuplorul Fotodiodă- Fotodarlington

Figura II.3.4.Optocuplorul Fotodiodă–Fotodarlington [4]

Pinul 1 reprezintă anodul (+)fotodiodei, al 2-lea pin fiind catodul(-), pinul al 3-lea al acestui optocuplor este nul, al 4-lea pin fiind emitorul fotodarlingtonului, al 5-lea pin este prezentat de colectorul Fotodarlingtonului, iar ultimul respectiv pinul al 6-lea este baza darlingtonului.

Principiul de funcționare al fotodiodei din integratul “Fotodiodă – Fotodarlington” este acelaș cu cel al “Fotodiodă –Fototranzistor” și anume căfotodiodă convertește semnalul electric de intrare în lumină, razele de lumina din zona de difuzie determină o creștere a curentului invers. Fotodiodele pot fi folosite la frecvențe de ordinul miilor de Hz lumina transformându-se prin efect foto-voltaic. Rezultând o tensiune electrică directă în circuitul extern doar dacă aceasta este deschisă, sau un curent scurtcircuitat având o rezistență de valoare mică care să fie conectată între anod și catod.[8]

În electronică Fotodarlingtonul are o structură, care la rândul său este compusă din două tranzistoare biploara de tip NPN conectate împreună, așa cum se arată în figura de mai jos:

Figura II.3.5. Optocuplorul Fotodiodă–Darlington [8]

Optocuplorul Fotodiodă – Fotodarlington este utilizat atunci când este necesar un randament mai mare decât poate fi transmis numai cu un fototranzistor. Dezavantajul la fotodarlington este că are un răspuns mai lent decât fototranzistor.

Folosind perechea NPN Fotodarlington, emitorul din primul fototranzistor, este legat la baza fototranzistorului TR2. Astfel încât curentul din emitorul fototranzistorului TR1 va conduce în baza fototranzistorul TR2. Colectorii acestor fototranzistoare sunt conectați împreună, curentul care trece prin colectorul fototranzistorului TR1, este în faza cu cea a stăpânului de comutare a fototranzistorului TR2. Această configurație realizează o multiplicare β deoarece curentul bazei ib iar curentul din colector este β.ib unde curentul câștigat este mai mare ca unu, acest lucru va rezultă că:

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

Din această formulăva rezultă că:

Unde β 1 și β 2 reprezintă câștigurile individuale ale fototranzistorilor.Aceasta înseamnă că acest curent caștigat este global , β reprezintăcâștigul primului fototranzistor înmulțit cu câștigul celui de-al doilea fototranzistor că acest curent câștigat fiind dat de multiplicarea a celor două fototranzistoare. In alte cuvinte, această pereche de fototranzistoare bipolar fiind combinate impreunăalcătuiescun singur Fotoranzistor Fotodarlington. Această pereche este considerată un fototranzistor având valoarea foarte mare deβ fiind o rezistență mare de intrare.[8]

Este necesar să fie conștienți perechea Darlington deoarece primul fototranzistor nu poate închide în mod activ curentul din baza fototranzistorului secund. La rândul său acest lucru face configurația aparatului său de circuit general lent, pentru a reduce sau opri fluxul de curent. Pentru a rezolva această problemă, al doilea fototranzistor are o rezistență conectată între bază și emitor. Acest rezistor are rulul de a preveni orice scurgere de curent de la fototranzistorul de intrare la tranzistorului de ieșire.

Acest lucru poate fi caracterizat de o scurgere de curent de ordinul nano-amperi pentru un fototranzistor de semnal mic sau până la o sută de micro-amperi pentru un fototranzistor de putere. O mare parte a curentului este destinat să treacă prin baza fototranzistorului de ieșire, în timp ce nu permite scurgerea curentului la o tensiune egală. Tensiunea fototranzistorului de la ieșire să fie dezvoltată.[8]

Valorile tipice pentru tipul de rezistențe solicitate și anume, câteva sute sau mii de ohmi pentru un fototranzistor de putere fotodarlington sau o versiune mică a semnalului.

II.3.3. Optocuplorul Fotodiodă-Fototiristor

Este prezentat in figura de mai jos:

Figura II.3.6. Optocuplorul Fotodiodă– Fototiristor [4]

Pinul 1 reprezintă anodul(+), fotodiodei, al 2-lea pin fiind catodul(-), pinul al 3-lea al optocuplorului nu este legat nicăieri, al 4-lea pin fiind katodul(K)fototiristorului, al 5-lea reprezintă anodul(A) fototiristorului, iar ultimul respectiv pinul al 6-lea reprezintă Grila tiristorului.

Principiul de funcționare al fotodiodei din integratul “Fotodiodă – Fototiristor” este acelaș cu cel al “Fotodiodă –Fototranzistor”,“Fotodiodă – Fotodarlington” și anume căfotodiodă convertește semnalul electric de intrare în lumină, razele de lumina din zona de difuzie determină o creștere a curentului invers. Fotodiodele pot fi folosite la frecvențe de ordinul miilor de Hz lumina transformându-se prin efect foto-voltaic. Rezultând o tensiune electrică directă în circuitul extern doar dacă aceasta este deschisă, sau un curent scurtcircuitat având o rezistență de valoare mică care să fie conectată între anod și catod.

Fototiristorul este o componentă electronică activă fiind formată din mai multe structuri p-n numite joncțiunii având rolul de a se muta din starea de blocare în starea de conducție. Cele mai utilizate fototiristoare sunt acelea care sunt formate din patru straturi cu structură p-n-p-n.[9]În figura de mai jos este reprezentat structura și simbolul tiristorului:

Figura II.3.7.Fototiristorul: Structurăși Simbol

În figura următoare este prezentată caracteristica curent-tensiune a fototiristorului, acesta are trei ieșiri fiind folosite pentru cuplarea în schemă exterioară:

Figura II.3.8. Caracteristica curent-tensiune a fototiristorului

Această figură reprezintă schema de cuplare a fototiristorului care este formată după cum am mai zis din Anod,Katod și Electrod de Comandă sau Grilă. Dacă pe grilă nu este semnal atunci curentul prin fototiristor este nul. Deoarece rezistența tiristorului este mare,acest fapt duce la starea de blocare a fototiristorului. Pe rezistența de sarcină va apărea curent doar atunci când pe grilă va fi un impuls pozitiv. [9]

Electrodul de comandă are un singur lucru de făcut și anume de a cupla tiristorul urmând să nu mai aibă niciun efect asupra lui. Fotoiristorul ar putea fi oprit din funcționare doar în două feluri și anume, să reducem tensiunea de comandă până la zero ori să întrerupem tensiunea de pe anodul fototiristorului.[9]

Caracteristicile de funcționare a fototiristorului este valoarea medie maximă admisă a curentului, tensiunea directă în impuls și curentul invers fiind maxim. Dacă viteza critică a curentului anodic va crește acest lucru ar putea duce la distrugerea locală a structurii semiconductoare urmând și topirea joncțiunii. Un alt pas poate fi felul în care se cuplează fototiristorul fără ca acesta să se redeschidă. Factorul cel mai important la fototiristor este timpul necesar de întrerupere a curentului care trece prin anodul tiristorului având aplicată o tensiune directă.[9]

Ultimul principiu al funcționării unui tiristor este viteza maximă de creștere a tensiunii pe anod, dacă această tensiune despre care vorbeam va crește mult într-un timp foarte scurt pe anod, acest lucru va duce la autodeschiderea sau amorsarea rapidă a fototiristorului.

II.3.4.Optocuplorul Fotodiodă-Triac

Este prezentat in figura de mai jos:

Figura II.3.9. Optocuplorul Fotodiodă-Fototriac [4]

Acest optocuplor la rândul sau este format și el din 6 pini și anume:Pinul 1 reprezintă anodul (+)fotodiodei, al 2-lea pin fiind catodul(-), pinul al 3-lea al optocuplorului nu este legat nicăieri, al 4-lea pin fiind anodul fototriacului(A1) sau terminalul principa1(TR1) al optocuplorului, al 5-lea pin , iar ultimul respectiv pinul al 6-lea reprezintă anodul fototriacului(A2) sau terminalul principal(TR2). [10]

Principiul de funcționare al fotodiodei din integratul “Fotodiodă – Fototriac” este acelaș cu cel al “Fotodiodă –Fototranzistor”,“Fotodiodă – Fotodarlington” si “Fotodiodă – Fototiristor” anume căfotodiodă convertește semnalul electric de intrare în lumină, razele de lumina din zona de difuzie determină o creștere a curentului invers. Fotodiodele pot fi folosite la frecvențe de ordinul miilor de Hz lumina transformându-se prin efect foto-voltaic. Rezultând o tensiune electrică directă în circuitul extern doar dacă aceasta este deschisă, sau un curent scurtcircuitat având o rezistență de valoare mică care să fie conectată între anod și catod.[10]

Fototriacul este o dezvoltare a fotiristorului. Fiind o componentă semiconductoare este formată din două tiristoare montate în paralel dar opuse, conectate împreună. Ca un fototiristor un fototriac are trei terminale.Cu toate acestea, numele acestora sunt denumite sub formă de anod1 (A1) și anod2(A2) ori terminal principal1(MT1) și terminal principal2 (MT2).Există o poartă sau grilă (notată cu P sau G) care acționează ca un declanșator pentru a porni aparatul.[11

În figura de mai jos este prezentat simbolul și construcția fototriacului:

Figura II.3.9. Structura interna, schemă echivalentă si simbolul unui fototriac [10]

Acum stim ca unfototriac este format din patru starturi, PNPN in directie pozitiva si NPNP in directive negativa. Daca pe grila va fi un impuls pozitiv sau negativ, fototriacul va intra in starea de conductie. Un factor important pe care il avem la fototriac 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.[11]

Sensibilitatea coomenzii va fi maxima cand ambele terminale tensiunea T1 si T2tensiunea va fi pozitiva si mai mica va fi atunci candambeleterminale T1 si T2tensiunea va fi negativa, iar sensibilitatea este cea mai mica doar atunci cand pe poarta tensiunea va fi pozitiva, iar pe anod tensiunea va fi negativa, rezultand ca T2 negativ fata de T1.

In figura de mai jos este prezentat caracteristica curent-tensiune a fototriacului:

Figura II.3.10. Cracteristica curent-tensiune a fototriacului [12]

Dacă curentul pe grilă va fi zero atunci tensiunea se va bloca, pentru funcționarea fototriacului,tensiunea de pe grilă va fi mai mare decât amplitudinea tensiunii alternative care se găsește între terminalul1 și termninalul2 a fototriacului. Din această caracteristică rezultă faptul că, dacă va crește curentul de comandă pe poartă repede, tensiunea pe fototriac va fi din ce în ce mai mică. Această prioritate îi asigura o autoaprindere internă față de tensiunile fototranzitorii, care pot apărea în circuitul care se găsește și anume la apariția supratensiunilor, triacul amorsează de la sine în loc să se străpungă. [11]

Cap. III: OPTOCUPLORUL HCPL2530

III.1.Dimensiunile capsulei optocuplorului

Optocuplorul TIL111 cunoscut și sub numele de optoizolator este o componentă formată dintr-o capsulă de plastic în interiorul căreia se află o fotodiodă și un fototranzistor. Metodele noi apărute GaAs auun mecanism de uzură intrinsic reducându-se permanent emisia în fotodiodă doar dacă va crește temperatura. [13]

Dimensiunile capsulei sunt lungimea, lățimea și înălțimea fiind prezentate în figura de mai jos:

Figura III.1. Dimensiunile capsulei optocuplorului HCPL 2530[13]

Această capsulă are situați pe părțile exterioare opt pini: patru pini pe partea stânga, patr pini pe partea dreaptă. Acel cerc în partea stânga sus reprezintă primul pin. Putem indentifica numărul unui pin mergând invers acelor de ceasornic.

În figura de mai jos este prezentat: lungimea pinilor, lățimea pinilor, înălțimea pinilor optocuplorului și toleranță între ei.

Figura III.2. Dimensiunile pinilor optocuplorului HCPL 2530[13]

În interiorul capsulei se află patru fotodiode și două fototranzistor, fotodioda transformă semnalul electric de intrare în fascicule de lumina care va fi disipată pe baza fototranzistorului. Acesta detectează lumina de la intrare și generează direct curent electric.

Optocuplorul este format din intrări și ieșiri, când ajunge un semnal, la fotodiodă din optocuplor aceasta se aprinde și luminează pe baza fototranzistorului din aceeași capsulă, acestea fiind izolate galavnic. În momentul în careacest fototranzistor se activează, tensiunea dintre colector și emitor cade aproximativ până la 0.5v sau poate mai puțin, acest lucru depinde cuce este legat optocuplorul in partea de ieșirile. Aceste iesiri ale optocuplorului sunt utilizate pentru a desparte semnalul de ieșire a unui dispozitiv la care este legat. Acesta este folosit pentru a separa tensiunile înalte și a despărți semanlul de ieșire al unui dispozitiv[13].

În figura de mai jos este prezentată structura internă a optocuplorului HCPL 2530.

Figura III.3. Structura interna a optocuplorului HCPL 2530

Acestoptocuplor estealcătuit din 8 pini. Pinul 1 este reprezentat de anodul(+) fotodiodei, al 2-lea pin este catodul(-) fotodiodei 1, al 3-lea este reprezentat de catodul(-) fotodiodei, al 4-lea reprezintă anodul(+) fotodiodei 2. Pinul 5 este masa optocuplorului, pinul 6 reprezintă Colectorul(C) fototranzistorului 2. Pinul 7 reprezintă Colectorul(C) fototranzistorului 1, iar pinul 8 reprezintă alimentare optocuplorului cu tensiune. Acestea fiind izolate galvanic, toate la un loc formează optocuplorul TIL 111.

III.2. Testarea optocuplorului in funcție de timp

In figura de mai jos este afișat structura optocuplorul TIL111 si semnalul de intrare-ieșire al acestuia:

Figura III.1.1. [13]Structura internă si formele semnalului de intreare-ieșire al optocuplorului

Timpul de schimbare tranzitoriu a tensiunii de ieșire, atunci când ieșirea este comutată din ON în OFF în timp ce curentul (IF) curge prin fotodiodă pe partea emițătoare ca un plus de lumină. Timpul de creștere în figura III.1.1.este tr și timpul de cădere fiind prezentat în figura III.1.1. de tf .

Timpul de întârziere al propagării este timpul de la schimbările intrării la schimbările ieșirii. Schimbările semnalului de la ieșire sunt în funcție de semnalul de intrare. Când unghiul semanlului de acționare cyclic este definit ca 360 grade (2 π radiani), valoarea unghiului corepunzatoare acestei valori este aproape egală cu întârzierea de fază a semanlului.

III.3. Caracteristicile de transfer al optocuplorului [13]

Sunt prezentate de valoarea tensiunii sau curentului de ieșire în funcție de curentul de intrare pentru utilizarea și proiectarea sistemului de control al optoizplatorului caracteristicile de transfer ale optocuploare fiind, și anume caracteristica electrică, caracteristica de transfer în curent continuu, caracteristica în curent alternativ, caracteristica de izolație reprezintă viteză de transmisie, toate aceste cteristici sunt folosite pentru rată maximă de transfer a datelor.

Caracteristicile de transfer sunt prezentate sub formă de tabele în anexa1 fiind: III.3.1.Caracteristica electrică, este prezentată în tabelul 1.. III.3.2.Caracteristica de transfer în curent continuu, este prezentată în tabelul 2 III.3.3.Caracteristica în curent alternativ, este prezentată în tabelul 3 . III.3.4.Caracteristicile de izolație, este prezentată în tabelul 4.

III.4. Caracteristicile de undă al optocuplorului HCPL 2530 [13]

Aceste caracteristici de undă al optocuplorului sunt prezentate in figurile de mai jos:

III.4.1.Valorile tensiunii si curentului prin fotodiodă la o anumită temperatură in ºC [13]

Figura III.4.1. [13]

Pentru amorsarea optocuplorului prin fotodiodă va trecerea un curentaproximativ de 5mA, acest curent este folosit pentru amorsarea fototranzistorul la ieșire. Ca diodele redresoare să între în conductie tensiunea la intrare prin acestea trebuie să fie aproximativ 0.6 – 0.7V, în schimb la fotodiode tensiune de intrare de obicei este de 1- 2V. În concluzie curetul și tensiunea prin fotodiodă va depinde de temperatura de lucru.

III.4.2.Raportul semnalului mic de transfer fată de curentul de intrare [13]

Figura III.4.2. [13]

Când fototranzistorul este pornit respectiv saturat, tensiunea acestuia va fi intre colector si emitor.

III.4.3. Raportul de transfer al curentului pe curentul de intrare al fotodiodei [13]

Figura III.4.3.

Raportul de transfer a curentului a unui optocuplor este una dintre cele mai importante specificații.Reprezintă raportul dintre curentul care curge prin dispozitivul de ieșire împărțit la curentul pe dispozitivul de intrare .

Raportul de transfer al curentului va varia în funcție de tipul de optocuplor utilizat în producția celor care folosesc fototarnzistor, fotodarlington, fototiristor sau fototriac. Valorile pot fi cuprinse între 10 % și 2000 % – 5000 % . Trebuie remarcat faptul că CTR tinde să varieze cu nivelul intrare . Deși aceasta va varia în funcție de dispozitiv, nivelul actual de intrare al optocuplorului este în jurul la 10mA încadrându-se fiecare în aceste valori .

III.4.4.Timpul de comutare in funcție de rezistența de sarcină este prezentată in figura de mai jos:

Figura III.4.4. [13]

Timpul de comutare din starea ,,blocat” în satrea de ,,conducție” se măsoară între 10% din valoarea tensiunii din starea ,,blocat” până la 90% din starea tensiunii în starea de ,,conducție”.Timpul de comutare din satrea de ,,conducție” în starea ,,blocat”se măsoară între 10% din valoarea tensiunii din starea de ,,conducție” până la 90% din starea tensiunii în starea de ,, blocat”. Transferul de curent al optocuplorului este relativ scăzut, rezistența de sarcina care este legată la colectorul fototranzistorului este medie, rezultând că tensiunea de ieșire să fie limitată. Cu toate acestea, rezistența de sarcină trebuie să fie medie deoarece rezistența de sarcină RL este mai mare decât cea normală, atunci capacitatea distribuită de caracteristicile fregventei al optocuplorului va scădea, cu atât mai mult termenul de transmitere.

CAP.IV:REZULTATE EXPERIMENTALE

IV.1. Generalități

Aplicațiile numeroase ale optocuploarelor fiind diversificate pe mai multe categorii (fotodiodă-fototranzistor, fotodiodă-fototiristor, fotodiodă-fototriac, fotodiodă-darlington) s.a. Se datorează efectelor produse de acestea fiind caracterizate de proprietățile pe care le posedă optocuploarele (formele de undă, caracteristicade izolație, carcteristica de transfer în curent alternativ, caracteristicade transfer în curent continuu) precum și a fenomenelor legate de propagarea lor. După modul în care optocuploarele intervin în diferite procese tehnice în care sunt folosite aplicațiile sunt folosite în două mari categorii și anume:

În prima parte pot fi cuprinse aplicații în care optocuplorul nu ar pute să producă modificări în structura mediului ci are rolul unui agent fizic care procura informații referitoare la proprietetile, dimensiunile sale exterioare,materealul din care este fabricată capsula și numărul de pini.

Aplicațiile din a categorie se mai numesc si aplicații passive deoarece acestea din a doua parte pot fi caracterizate aplicații în care energia și anume curentul, tensiunea și impulsurile de lumină care se află în orice capsulă al unui optocuplor sunt puse în joc fiind suficiente pentru a produce modificări în structura mediului prin care se propagă undele. În acest caz optocuploarele, au rolul nuor unelte care efectuează un lucru mecanic datorită faptului că optocuploarele intervin în mod active, fiind denumite aplicații active.

IV.2. Rezultate experimentale referitoare la optocuplorul.

Circuitul de amplificare cu servo-liniarizare forțează curentul de intrare al unui optocuplor să urmărească curentul de intrare al celui de-al doilea optocuplor prin servo-acțiune. În acest fel, dacă în domeniul excursiei de semnal n1 = n2, neliniaritățile se anulează, iar caracteristica de transfer globală va fi liniară.optocuplorului nu o putem vedea deoarece lumina este în interiorul circuitului integrat care este foarte mic.

Servoamplificatorul cu cuplaj optic este prezentat

Figura IV.2.1. Structura internă al optocuplorului care are la intreare 0 – ieșire1 logic

Amplificatorul operațional A2 compară ieșirile fiecărui optocuplor și forțează ca IF2 prin D2 să fie egal cu IF1 prin D1. Sursele de curent constant fixează fiecare curent direct prin LED-uri la 3 mA valoare de punct static. Rezistența R1 a fost aleasă astfel încât la o variație a tensiunii de intrare VIN în domeniul -5 V la +5 V, să corespundă o variație a curentului IF1 de la 2 mA la 4 mA. Prin intermediul rezistenței R1 se face adaptarea amplificatorului la orice domeniu de variație a tensiunii de intrare. Rezistențele R2 și R3 (incluzând părți din potențiometrul P1) sunt prevăzute pentru reglarea nulului amplificatorului. Pentru VIN = 0 se acționează potențiometrul P1 astfel încât VOUT = 0. După reglajul de nul, cu VIN la o anumită valoare, se reglează valoarea rezistenței R4 (din potențiometrul P2) pentru câștig unitar (regăsim la ieșire valoarea de la intrare diferită de zero). Pentru a determina expresia caracteristicii de transfer a amplificatorului observăm mai întâi circuitele de intrare și respectiv de ieșire. Aceste circuite sunt prezentate

Figura IV.2.2. Structura internă al optocuplorului care are la intreare 1 – ieșire 0 logic

Lumina care se găsește în interiorul capsulei nu poate fi vizibilă deoarece lumina este în interiorul integratului care are o structura mică. Toate optoizolatoarele for funcționa doar până la o anumită fregventa.Unele sunt mult mai rapide decât altele. Asigurându-ne că optocuplorul utilizat este suficient de rapid pentru semnalele care vor trece prin acesta. Motivul timpul de creștere este mai lent decât timpul căderii de undă de ieșire este că marginea creștere se datorează rezistorului, care trebuie să îndeplinească capacitate în fototranzistor din optocuplor. Dacă acest lucru trebuie accelerat, valoarea rezistorului poate fi redusă, vom determina folosind mai mult curent atunci când producția acestuiaeste scăzută.

Când fotodioda este condusă cu un curent de 10mA această lumină, va străluci pe fototranzistor, care se va activa. Acest lucru va scădea tensiunea de ieșire. Oricât de mare va fi zgomotul electric pe o parte, el nu poate fi transmis pe cealată parte.

Modelele cu unde continue sunt folosite în special la controlul curentului și a tensiunii de la abele ieșiri, deci prin care undele optocuplorului de fregventa ridicată nu suferă o atenuare pronunțată. Dacă vom da un puls întârziat de 5milisecunde la anodul fotodiodei acest puls întârziat va avea frecvența de 50Hz vor apărea semnale de undă. Aceste semanale de undă sunt reprezentate în figura de mai jos:

Figura VI.2.3. Semnalele de unda al curentului si optocuplorului intr-un interval de timp

Primul model de semnal este caracterizat de curentul care intră în fotodiodă fiind reprezentat de lumină care se propagă pe baza fototranzistorului. Al doilea reprezintă semnalul de intrare aloptocuplorului. Aceste semnale sunt pulsuri cauzate de aceste zerouri și anume: Pulsurile de jos sunt cauzate de zerourile de sus. Toate optocuploarele de tipul fotodiodă-fototranzistor funcționează în acest mod. Putem obține controlul puterii, controlând intrarea, aceasta intrare fiind pulsurile întârziate față de zero.

CAP. V:CONCLUZII

În urmă studiului de caz realize am ajuns la aprofundarea cunoașterii acestui domeniu, abordând interfetele optoelectronice respectiv ale optocuploarelor, prezentând metodele și utilizarea acestora. Din această lucrare se pot desprinde următoarele concluzii generale: Optocuploarele sunt folosite în general în circuitele medicale sau industriale fiind utilizate pentru izolarea sistemelor și surselor de alimentare, având deficiențe bine cunoscute. Aceste optocuploarele sunt relativ lente prezintand o variație marie de performanță cu temperatura și vârstă dispozitivului.

Optocuploarele sunt dispozitive cu o izolare galavnica având o slabă imunitate de mod comun tranzitorie . Modelele mai noi apărute ‘’GaAs’’au un mecanism de uzură intrinsecă reducându-se permanent emisia în fotodiodă doar dacă va crește temperature. Acest fapt reduce fiabilitatea, performanță și timpul de utilizare a unui optocuplor. Ele mai pot fi numite și foto-întrerupătoare deoarece aceste optocuploare au un disc cu fante care este introdus într-un lăcaș între fotodiodă și fototranzistor și de fiecare dată când lumina este întreruptă, fotodiodă produce un impuls în baza tranzistorului. Fiecare optocuplor are nevoie de două alimentari pentru a funcționa. Ele pot fi folosite cu o alimentare, dar capacitatea de izolare a tensiunii este pierdută, deoarece aceste optocuploare capsulate ermetic au demonstrat o mare fiabilitate și robustețe a temperaturii ridicate de la ( -55 ° C până la + 125 ° C ), fiind utilizate și în spațiale militare, modernizând portofoliul optocuploarelor de plastic și ocupându-se mai în detaliu de temperaturile extinse pentru a satisface cerințele de preț din industria de automobile . Optocuploare din plastic deja au dovedit în utilizarea de către producătorii de automobile hibride fiind utilizate în aplicații de volum mare care ajunge până la temperatura de + 125 ° C în industria Gama.

Voi concluziona prin a spune că în ingineria viitorului, Interfetele optoelectronice respecctiv optocuploarele că premiza vor avea o pondere tot mai mare; viitori ingineri trebuie pregătiți pentru această modalitate de lucru încă de pe acum.

BIBLIOGRAFIE

[1]http://www.physics.pub.ro/Cursuri/Niculae_Puscas_

[2]https://www.google.ro/search?q=OPTOCUPLOARE&biw=1366&bih=643&source=lnms&tbm=isch&sa=X&ei=O6SeVfuBFcanU4D7vJAL&ved=0CAcQ_AUoAg#tbm=isch&q=OPTOCUPLOARE+CAPSULE

[3] https://ro.wikipedia.org/wiki/Optocuplor

[4] http://www.electronics-tutorials.ws/blog/optocoupler.html

[5] http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/electronic/photdet.html

[6]https://www.google.ro/search?q=STRUCTURA+SI+SIMBOLUL+FOTODIODEI&biw=1366&bih=643&source=lnms&tbm=isch&sa=X&ei=JqeeVYHIGYvuUqepl6AL&ved=0CAYQ_AUoAQ

[7] http://www.hobbytronica.ro/articole/electronica-pentru-incepatori/

[8] http://www.radio-electronics.com/info/data/semicond/phototransistor/photo-optocoupler-optoisolator.php

[9] https://en.wikipedia.org/wiki/Thyristor

[10]https://www.google.ro/search?q=tutorial++photo+triac&biw=1366&bih=643&noj=1&tbm=isch&tbo=u&source=univ&sa=X&ei=vbWeVcv5EYr1UpLCgoAO&ved=0CDEQsAQ

[11] http://www.radio-electronics.com/info/data/semicond/triac/what-is-a-triac-basics-tutorial.php

[12] https://www.google.ro/search?q=tutorial++photo+triac+wikipedia&biw=1366&bih=643&noj=1&source=lnms&tbm=isch&sa=X&ei=uraeVY2DBYH2UoCVg5AI&ved=0CAgQ_AUoAQ

[13] http://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/135565/FAIRCHILD/TIL111.html

ANEXA1

In aceasta anexa sunt structurate sub forme de tabelecaracteristicile de transfer al optocuplorului TIL111.III.3.1.Caracteristica electrică, este prezentată în Tabelul 1

III.3.2.Caracteristica de transfer în curent continuu, este prezentată în Tabelul 2

III.3.3.Caracteristica în curent alternativ, este prezentată în Tabelul 3

III.3.4.Caracteristicile de izolație, este prezentată în Tabelul 4.

Tabel 1

Tabel 2

Tabel 3

Tabel 4