Оптроны – современные приборы управления

Оптронами называют оптоэлектронные приборы, в которых имеются светоизлучатель и фотоприемник с тем или иным видом связи, конструктивно связанные друг с другом.

Принцип действия оптронов основан на преобразовании электрического сигнала в свет. В фотоприемнике свет вызывает электрический отклик. В электронной цепи такой прибор выполняет функцию элемента связи, в котором осуществлена электрическая (гальваническая) развязка входа и выхода.

Распространение получили оптроны, у которых имеется прямая оптическая связь от излучателя к фотоприемнику и исключены все виды электрической связи между ними. Вход и выход разделяет изолятор с напряжение электрического пробоя достигающего у некоторых оптронов несколько киловольт.

Оптроны делят на две группы по степени сложности. Оптопара (говорят также "элементарный оптрон") представляет собой оптоэлектронный полупроводниковый прибор, состоящий из излучающего и фотоприемного элементов. Оптопары с полевым транзистором или фотосимистором называют оптореле или твердотельным реле. Оптопары, как правило, используются для передачи информации, а оптореле используется для коммутации сигнальных или силовых цепей. Приборы второй группы представляют собой оптоэлектронные микросхемы, состоящие из одной или нескольких оптопар и электрически соединенных с ними одного или нескольких согласующих или усилительных устройств.

В качестве элементов гальванической развязки оптроны применяются: для связи блоков аппаратуры, между которыми имеется значительная разность потенциалов, для защиты входных цепей измерительных устройств от помех и наводок и т.д. Другая важнейшая область применения оптронов - оптическое, бесконтактное управление сильноточными и высоковольтными цепями. Запуск мощных тиристоров, триаков, симисторов, управление электромеханическими релейными устройствами. Для улучшения работы автоматики, промышленной и бытовой электроники, автоматизированных систем управления, измерительной техники, выполняется замена реле, кнопочных и клавишных переключателей более компактными, долговечными, быстродействующими аналогами. Ведущая роль в этом направлении отводится оптоэлектронным приборам. Весьма важные технические достоинства электромагнитных реле (уверенное функционирование в мощных, высоковольтных, сильноточных системах) свойственны и оптронам. Вместе с тем оптоэлектронные изделия существенно превосходят электромагнитные аналоги по надежности, долговечности, переходным и частотным характеристикам. Управление компактными и быстродействующими оптоэлектронными переключателями, реле уверенно осуществляется с помощью интегральных микросхем цифровой техники без специальных средств электрического согласования.

Для примера рассмотрим 5П19Б3 — нормально разомкнутый оптрон с выходным каскадом на мощных полевых транзисторах, имеющий очень малое сопротивление во включенном состоянии. Этот оптрон обеспечивает громадные преимущества по сравнению с традиционным электромеханическим реле. Внутри него нет механических, электромагнитных или подвижных частей, отсутствует дребезг контактов, имеет бесшумное замыкание, отсутствует чувствительность к ударам, вибрации и положению монтажа, неограниченное число замыканий контактов, длительный срок службы и чрезвычайно высокая надежность, малый входной ток включения. Оптрон состоит из двух выходных МОП-транзисторов и матрицы оптических детекторов, управляющей затворами мощных выходных транзисторов. Входом оптрона является светодиод с высоким КПД. Оптическая полость заполнена прозрачным материалом с высокой диэлектрической прочностью, который обеспечивает оптическую развязку между входным и выходным каскадами оптрона. Особенно полезны данные оптроны в сравнении с электромагнитными реле при эксплуатации в жестких условиях (например, в авиационной, космической и спутниковой аппаратуре).

Одним из примеров использования оптронов является приведённая здесь схема управления нагрузкой.

Параметры схемы:
Входное напряжение включения   5 В
Входной ток   40 мА
Вид коммутируемого тока   переменный или постоянный
Максимальное выходное сопротивление   1,25 Ом
Минимальный коммутируемый ток   0,5 мА
Максимальный коммутируемый ток   2,5 А
Максимальное коммутируемое напряжение   ±350 В
Максимальная рассеиваемая мощность   10 Вт
Температура окружающей среды   -45…+75 ° С

На рисунке приведена односторонняя печатная плата для сборки схемы. Конструкция корпуса оптореле упрощает параллельное включение. Эту схему можно использовать для замены реле и контакторов, соблюдая режим работы. Оптореле 5П19Б3 имеют "мягкий старт", что даёт возможность использовать их для управления лампами, электродвигателями, контакторами и другими нагрузками. Большой запас по току и напряжению позволяет использовать схему в различных экспериментах начинающим. Для замыкания цепи "Нагрузка" необходимо подать управляющий сигнал с указанными выше параметрами. Применение в выходных цепях оптореле МОП-транзисторов даёт возможность объединять их используя параллельное включение. При необходимости использовать схему совместно с микроконтроллером (в дальнейшем МК) или цифровыми микросхемами возникает проблема перегрузки выхода управляющего устройства. Ток 40 мА является недопустимым для многих типов МК и предельным для других типов МК. Для решения этой задачи можно использовать ещё один оптрон, коммутирующий меньшую мощность, по сравнению с 5П19Б3 и требующий меньший ток включения.

Вторая схема обладает теми же выходными параметрами, а уменьшенный входной ток управления позволяет использовать эту схему совместно с МК или другими маломощными источниками сигналов.

Входное напряжение включения   5 В
Входной ток   10 мА

Это решение можно использовать для управления двигателями постоянного и переменного тока, шаговыми двигателями, соленоидами, электромагнитами и другими нагрузками.

http://doc.chipfind.ru/pdf/proton/5p19b3.pdf
http://www.proton-orel.ru/price.php?id_rubrik=36&id_tovar=96
http://www.proton-orel.ru/File/optron1/pdf/293kp1.pdf

Часть 2

Автор: Платон Константинович Денисов, г. Симферополь simferopol1970@gmail.com