Что такое оптоизолятор и как он работает?

Оптоизолятор (также известный как оптическая пара, фотопара, оптопара) — это полупроводниковое устройство, которое передает электрический сигнал между изолированными цепями с помощью света.

Эти электронные компоненты используются в широком спектре систем связи и мониторинга, в которых используется электрическая изоляция, чтобы предотвратить влияние излучателей высокого напряжения на схемы малой мощности, принимающие сигнал.

Схема оптоизолятора состоит из излучателя, в данном случае инфракрасного светодиода (IRED) или лазерного диода для передачи входного сигнала и фотодатчика (или фототранзистора) для приема сигнала. Таким образом, входной сигнал может либо генерировать электрическую энергию, либо модулировать электрический ток, поступающий от электронного устройства или другого источника питания.

Когда входной ток подается на светодиодный фотодиод (распространенный тип фотодатчика), генерируется инфракрасный свет, который проходит через материал внутри оптического изолятора. Луч проходит через прозрачный зазор и улавливается приемником, который действует как преобразователь. Используя изоляцию сигнала, датчик способен преобразовывать модулированный свет обратно в выходной сигнал.

Входной стороной оптоизоляторов может быть фоторезистор, фотодиод, фототранзистор, кремниевый выпрямитель или симистор. Твердотельное реле с оптической связью содержит фотодиодный оптоизолятор, который управляет силовым ключом на выходной стороне, обычно это дополнительная пара МОП-транзисторов.

Электронное оборудование, такое как микроконтроллеры, печатные платы и трансформаторы, подвержено скачкам напряжения из-за радиочастотных передач, ударам молнии и скачкам напряжения в источнике питания.

Оптоизоляторы на основе фоторезисторов были впервые использованы в 1968 году в аудио- и музыкальной индустрии, чтобы избежать сбоев в работе оборудования, такого как гитарные усилители. Оптоизоляторы предлагают безопасный способ обеспечить пропорциональную совместную работу высоковольтных компонентов и низковольтных устройств.

Оптоизолятор заключен в единое устройство (см. изображение) и имеет вид интегральной схемы или транзистора с дополнительными выводами. Благодаря автоматизации организации могут использовать оптопары для изоляции цепей малой мощности от выходных цепей большей мощности и для удаления электрических помех из сигналов.

Оптоизоляторы больше всего подходят для изоляции напряжения от цифровых сигналов, но их также можно использовать для передачи аналоговых сигналов.

Изоляция любой скорости передачи данных более 1 мегабита в секунду (Мбит/с) считается высокой скоростью. Наиболее распространенная скорость, доступная для цифровых и аналоговых оптоизоляторов, составляет 1 Мбит/с, хотя также доступны цифровые скорости 10 Мбит/с и 15 Мбит/с.

Оптоизоляторы считаются слишком медленными для многих современных цифровых применений, но с 1990-х годов исследователи создали альтернативы.

В сфере связи высокоскоростные оптоизоляторы используются в источниках питания серверов и телекоммуникационных приложениях — например, технология Power over Ethernet (PoE) для проводных локальных сетей Ethernet. Компоненты оптоизолятора также могут защитить кабели Ethernet и оптоволоконные кабели от скачков напряжения. В телефонах VoIP электрические сигналы можно изолировать с помощью оптопары с транзисторным выходом.

Использование оптоизоляторов, хотя и не является обычным явлением там, где модемы используются для подключения к телефонным линиям, позволяет подключать компьютер к телефонной линии без риска повреждения электрическими скачками или скачками напряжения. В этом случае в аналоговой части устройства используются два оптоизолятора: один для восходящих сигналов, другой для нисходящих сигналов. Если в телефонной линии произойдет скачок напряжения, компьютер не пострадает, поскольку оптический зазор не проводит электрический ток.