Optoerotin


100_6773.JPG
100_6764.JPG
Kuvat 1 ja 2: QTC-valmistajan CNY17-4 OPT300 -optoerotin.

Yleistä


Optoerotin (käytetään myös nimityksiä optoisolaattori tai optinen erotin, englanninkielessä optocoupler tai optoisolator), on komponentti, jonka avulla voidaan toteuttaa optinen erotus, eli sellainen galvaanisesti erotettu kytkentä, jossa signaali siirtyy erotettujen osien tai laitteiden välillä optisesti säteilynä. Kuvissa 1 ja 2 on esitetty tavallinen läpivientityypin optoerotinkomponentti.

Käyttö


Useissa sovelluskohteissa signaalia tai dataa täytyy välittää elektronisen laitteen sisällä tai elektronisesta laitteesta toiseen ilman galvaanista sähköistä yhteyttä. Tämä saattaa johtua vaikkapa siitä, että lähettäjä ja vastaanottaja ovat hyvin eriävissä potentiaaleissa ja jännite-ero muuten vahingoittaisi laitteistoa. Tällöin yhteyden näiden kahden välillä tulee olla galvaanisesti erotettu. [1] Galvaaninen erotus voi olla myös turvallisuuskysymys. [2]

Pienikokoinen, nopea ja luotettava ratkaisu tähän ongelmaan on optoerotin. Optoerotin on komponentti, joka käyttää valonsädettä lähettämään signaaleja tai dataa yli galvaanisesti erotetun rajapinnan. [1] Optista erotusta käytetään pääsääntöisesti silloin, kun siirrossa ei tarvitse siirtää energiaa. [3] Esimerkiksi hakkuriteholähteissä optoerotinta käytetään välittämään takaisinkytkennän ohjaussignaali sisäänmenovaiheeseen eli siis osana takaisinkytkentää ohjaamaan ulostuloa ilman, että takaisinkytkentä on sähköisessä yhteydessä sisäänmenovaiheeseen. [2] [4]

Optoerotin myös poistaa maalenkkejä, minkä ansiosta sillä voidaan eliminoida yhteismuotoista kohinaa, varsinkin, kun järjestelmä toimii korkeilla jännitetasoilla. Kohinaa aiheuttavia maalenkkejä syntyy maalenkkivirroista, jotka saavat alkunsa, kun yhdessä järjestelmässä on toisiinsa kytkettynä useampi teholähde, joiden maapotentiaalit poikkeavat hieman toisistaan. [2]
optoerotin_kaaviokuva.JPG
Kuva 3: Optoerottimen periaatekaavio.
Pinnit: 1 anodi, 2 katodi, 3 ei kiinni,
4 emitteri, 5 kollektori, 6 kanta. [3]

Rakenne ja toiminta


Optoerottimet ovat tyypillisesti pakattuna yhteen 6-pinniseen tai 8-pinniseen, valotiiviiseen IC-koteloon, mutta ovat itse asiassa yhdistelmä kahta eri laitetta: optista lähetintä, joka on tyypillisesti gallium-arsenidi-LED sekä optista vastaanotinta, kuten fototransistori, valo-liipaistava diac tai yksinkertaisesti photodiodi. Näitä kahta osaa erottaa läpinäkyvä rajapinta, joka estää sähkövirran kulun niiden välillä, mutta läpäisee valoa. [1] Kuva 3 esittää kuusipinnisen, fototransistorilla varustetun optoerottimen periaatekaavion.

Optoerotin siis käyttää lähetinpuolen kykyä muuntaa sähköistä signaalia valoksi ja vastaanotinpuolen kykyä muuntaa valo takaisin sähköiseksi signaaliksi. Optoerotin on luonteeltaan digitaalinen komponentti: se välittää päällä-pois -signaaleja. Koska diodit ovat epälineaarisia komponentteja, optoerotin ei pysty välittämään analogisia signaaleja sellaisenaan. [5] Analogisia signaaleja pystytään kuitenkin välittämään, jos signaalit moduloidaan ensin taajuus- tai pulssinleveysmodulaatiota käyttäen. [1] Tällöin analoginen signaali muunnetaan sarjaksi taajuudeltaan tai pulssinleveydeltään vaihtelevia päällä-pois -pulsseja, jolla ajetaan optoerottimen lähetinpuolta. Vastaanotinpuolella tämä pulssisarja demoduloidaan alkuperäiseksi analogiseksi signaaliksi. [6]

Yleensä lähetinosan sähköinen yhteys muuhun piiriin on yhdellä sivulla IC-kotelon pinneissä ja vastaanotinosan sähköinen yhteys vastakkaisen puolen pinneissä. Näin kumpikin osa on fyysisesti mahdollisimman erillään toisistaan, minkä ansiosta optoerottimien on mahdollista kestää suuria jännitteitä 500 V:sta jopa 7500 V:iin sisääntulonsa ja ulosmenonsa välilllä. [1]

Parametrejä


Tärkein optoerottomia kuvaava parametri on siirtotehokkuus, jota yleensä mitataan virransiirtosuhteena CTR (current transfer ratio). Tämä on valoa vastaanottavan komponentin (kuvassa 3 transistori) virranmuutoksen ja lähettävän komponentin (LED) virranmuutoksen suhde. Tyypillisiä CTR:n arvoja fototransistorilla varustetulle optoerottimelle on 10-50 % ja Darlington-transistoriparilla varustetulle jopa 2000 %. CTR:n arvo on kuitenkin taipuvainen vaihtelemaan virrantason mukaan. On tyypillistä, että huippuarvo saadaan, kun LED:n virran taso on noin 10 mA. [1]

Muita optoerotinta kuvailevia parametreja ovat ulostulon transistorin kollektori-emitteri -maksimijännite V_CE(max), joka rajoittaa ulostulon puoleisen piirin käyttöjännitettä; sisääntulon LED:n maksimivirta I_F(max), jota käytetään laskettaessa minimiarvo sen sarjavastuksille sekä kaistanleveys, joka määrittää korkeimman signaalitaajuuden, joka optoerottimen lävitse voidaan siirtää. Kaistanleveyden määrää enimmäkseen optoerottimen sisäinen rakenne ja valon vastaanottavan komponentin suorituskyky. [1]

Optoerottimella, jolla on yksi fototransistori ulostulossa, kaistanleveys on tyypillisesti 200 - 300 kHz, kun taas Darlington-transistori -parilla varustetulla se on yleensä vain kymmenesosa tästä: n. 20 - 30 kHz. [1]

Viitteet


1. Optocouplers: When & How to Use Them .
2. Power Supply Optocoupler Basics.
3. Honkanen, H. Galvaanisesti erotetut takaisinkytkennät .
4. Switched Mode Power Supplies.
5. Rizzoni, G. Electrical Engineering. Mechanical Engineering Handbook. Boca Raton: CRC Press LLC, 1999. p. 79.
6. Prutchi, D., Norris, M. Design and Development of Medical Electronic Instrumentation. Wiley-Interscience; 1 edition (November 22, 2004). p. 111.