Владимир Еремеев

Оптроны компании Avago Technologies

Avago Technologies - крупнейшая в мире независимая частная полупроводниковая компания поставляет широкий ассортимент аналоговых, аналогово-цифровых и оптоэлектронных компонентов по всему миру. В области волоконной оптики это один из основных производителей трансиверов и основоположник технологии пластикового волокна.

Оптроны фирмы Avago Technologies широко используются в различных устройствах промышленной автоматики, источниках питания, в схемах управления электроприводом, домашних приборах, в схемах передачи данных (телефония, входные и выходные интерфейсы), контрольной и измерительной аппаратуре, медицинском оборудовании, изолированные усилители, высоконадежные приборы для военного и космического применения. В таблице1 приведена классификация оптоэлектронных приборов по области применения. Неоспоримыми преимуществами применения оптронов при разработке различных приложений являются малые габариты, позволяющие значительно уменьшить занимаемое пространство по сравнению с идентичной разработкой на дискретной элементной базе, существенное снижение себестоимости изделия, значительное повышение надежности изделия, малое собственное потребление по току. Фирма Avago выпускает широкое семейство оптронов, от недорогих простых оптопар с фототранзисторным выходом до высокоскоростных оптронов, работающих на скоростях 20 Мбод, а также изоляторов на основе эффекта гигантского магнитосопротивления (GMR), работающих на скоростях до 100 Мбод. Герметичные оптроны в металлокерамическом корпусе используются в жестких условиях, где требуется повышенная надежность. Предлагает широкий ассортимент оптоэлектронных интегральных схем специального назначения, в частности, широкополосные аналоговые видеосигнальные оптроны, изолированные АЦП. интегрированные драйверы для IGBT и MOSFET, а также миниатюрные оптически изолированные усилители для датчиков тока.

Многоканальные двунаправленные логические оптроны

Серия высокоскоростных логических оптронов ACSL-6xx0 обеспечивает полнодуплексную передачу данных на скоростях до 15 Мбод при работе в широком диапазоне напряжений и температур. Идеально для применения в преобразователях данных датчиков, работающих в жестких условиях (пример на рис. 1). 24 разрядный сигма-дельта АЦП или высокоскоростной АЦП преобразует аналоговое напряжение в цифровой код. Четырехканальные или двухканальные оптроны, ACSL-6410, обеспечивают высокий СМR, равный 10кВ/мкс и имеют высокое напряжение изоляции 2500В, между системой управления и схемой опроса датчиков.

Рис. 1. Схема подключения АЦП через логический оптрон

Высокоскоростные КМОП логические оптроны

Этот тип оптронов выполнен по последним технологиям КМОП, сочетает в себе высокие параметры при малом потреблении энергии. Для связи системы управления с распределенными устройствами широко используется последовательная сеть PROFIBUS. PROFIBUS - по существу является последовательной связью через витую пару. Очень похоже на RS-485. В стандарте по скорости PROFIBUS может работать как на малых скоростях (1,5 МБод) так и на высоких скоростях (12 МБод).

В схеме подключения к шине PROFIBUS (рис. 2)применены два оптрона HCPL-0721 и HCPL-061N. Имеющаяся схема управления малым входным током обеспечивает надежность работы излучающего диода и оптимизирует скорость для интерфейса PROFIBUS и RS-485.

Рис. 2. Схема подключения к сети PROFIBUS на КМОП оптронах

Логические оптроны с пропускной способностью 20 MБод

Обеспечивают высокую скорость передачи данных. На рис. 3 изображено применение оптрона для изоляции в схеме высокоскоростной передачи данных по параллельному интерфейсу. Оптроны уменьшают канальные искажения и этим улучшают надежность схемы.

Рис. 3. Включение оптрона в схему высокоскоростной передачи данных

Логические оптроны с пропускной способностью 10 Mбод

В схеме гальванической развязки RS-422 применены два высокоскоростных оптрона (рис. 4). Для питания микросхемы DS 75176A требуется дополнительный источник напряжения VCC2.

Рис. 4. Схема подключения через интерфейс RS-422

Логические оптроны с пропускной способностью 8 Mбод

Данные оптроны применяются в схемах интерфейсов для КМОП схем, для которых важно обеспечить малое потребление энергии. На рис.5 изображена схема интерфейса для обеспечения скорости до 8 Мбод. КМОП микросхема CD4050 (6 канальный буферный усилитель) обеспечивает импульсы выходного тока не менее 0,7мА, что достаточно для управления оптроном HCPL-2300. Форсирующая емкость в 20 пФ необходима для надежного срабатывание излучающего диода во всем рабочем диапазоне температур.

Рис. 5. Типовая схема включения оптрона для КМОП схем

Логические оптроны с пропускной способностью 5 Mбод

Данные оптроны работают в широком диапазоне напряжений (до 20В), имеют малый входной ток. В типовой схеме TTL интерфейса (рис.6) между двумя TTL вентилями применен оптрон с активным выходом HCPL-2201. Выход HCPL-2201 может быть непосредственно подключен ко входу TTL вентиля (внешний резистор привязки не требуется). Оптрон HCPL-2201 позволяет нагружать выход до 4 нагрузок TTL.

Рис. 6. Типовая схема включения оптрона для TTL интерфейса

Обычно, данные оптроны применяются в схемах обратной связи преобразователей напряжения с изолированным выходом (рис. 7).

Рис. 7. Структурная схема включения оптрона в цепи ОС преобразователя DC/DC

Оптроны с пропускной способностью 1 МБод и выходным сигналом, снимаемым непосредственно с выхода фототранзистора

Применение данных оптронов позволяет преобразовывать уровни напряжений в большом диапазоне напряжений. Данные схемы могут заменить импульсные трансформаторы. На рис изображена схема преобразователя TTL уровня (0..5В) к уровню -15В..0В. Данная схема может быть применена для сдвига уровня до напряжений 800В. Для управления излучающим диодом оптрона 6N135/6 используется выход с открытым коллектором микросхемы 74LS405. Оптрон также имеет выход с открытым коллектором. Ток через излучающий диод задается резистором RIN. На выходе оптрона подключается подтягивающий резистор RL. Коэффициент передачи по току CTR оптрона определяется максимальным выходным током оптрона при выходном напряжении (между выв 5 и выв 6) не более 0,5В.

Рис. 8. Типовая схема преобразователя TTL уровня

Оптроны с пропускной способностью 100 кБод и выходным сигналом, снимаемым с выхода транзисторной пары, включенной по схеме Дарлингтона

В данной схеме к линии передачи может быть подключено до восьми оптронов 6N138 независимых приемников на общем расстоянии до 90 м. Все приемники изолированы друг от друга. Первый приемник будет управляться током через фотодиод около 2,7мА, а последний - 1,8мА. Выходные сигналы земли оптронов могут быть электрически разделены. Достоинством схемы является простота, низкая стоимость и возможность множества подключений при передаче сигналов на низких скоростях.

Рис. 9. Типовая схема подключения линейного приемника

3.3 В логические оптроны в пластиковом корпусе

Типовая схема включения для работы с интерфейсом TIA/EIA-232-E на оптроне HCPL-260L. Приемопередатчик DS14C335 работает при напряжении 3,3В. Оптрон HCPL-260L при низкой потребляемой мощности и высоким СМР является идеальным выбором в приложениях передачи данных и микропроцессорных интерфейсах.

Рис. 10. Типовая схема включения для работы с интерфейсом TIA/EIA-232-E

Оптроны в пластиковом корпусе для развязки цифровых сигналов

Семейство HCPL-90xx/-09xx КМОП высокоскоростных цифровых изоляторов обладают высокой устойчивостью к помехам. Данные оптроны работают при напряжениях питания 3.3В и 5В в широком диапазоне температур (от -40°C до 100°C).

Рис. 11. Типовая схема логического изолятора

Оптроны в пластиковом корпусе со встроенным драйвером

В схемах управления электроприводом и управления источниками питания между силовыми устройствами и микроконтроллером управляющие сигналы должны быть развязаны. Также в таких схемах должны контролироваться токи и напряжения. Фирмой Avago Technologies для таких применений разработаны драйверы MOSFET/IGBT и оптически-развязанные усилители. Благодаря малой задержке передачи сигнала обеспечивается меньшее время нечувствительности и улучшается производительность инверторов и точность управления двигателем. Лучшее подавление синфазного сигнала предотвращает самопроизвольное открывание IGBT-транзисторов и гарантирует надёжную работу в "шумных" условиях.

Рис. 12. Применение драйверов IGBT и изолирующих усилителей в системе управления приводом

Линейные приемники в пластиковом корпусе

Оптроны HCPL-2602/12 состоят из излучающего диода со схемой регулятора тока и фотодетектора с высоким усилением. Схема регулятора тока на входе исполняет роль терминатора в схемах линейного приемника. Более высокое пороговое напряжение на входном диоде улучшает помехоустойчивость. На рисунке изображен несбалансированный линейный приемник. TTL уровни преобразуются в дифференциальный сигнал и передаются по витой паре. Диод Шоттки улучшает задержки по включению и выключению.

Рис. 13. Типовая схема включения линейного приемника

Приемопередатчики в пластиковом корпусе для 20 мА токовых ОС

Передача данных между электронным оборудованием, расстояние между которым более метра может быть обеспечена при использовании оптронов HCPL-4100 (передатчика) и HCPL-4200 (приемника). Данные изделия разработаны специально для работы с интерфейсом 20 мА токовая петля. Они легко согласуются в схемах с уровнями TTL и КМОП логики.

Рис. 14. Структурные схемы передатчика (а) и приемника (б) для работы в оборудовании связи

AC-DC логические интерфейсы в пластиковом корпусе

При реализации интерфейса из среды с высокими электрическими помехами к системе управления, часто желательно обеспечить некоторый порог срабатывания. Оптрон HCPL-3700 как раз обеспечивает такую возможность. В данном оптроне реализована возможность детектирования переменного/постоянного (AC/DC) напряжения или тока. Входной буфер с высоким усилением обеспечивает высокую чувствительность. На входе оптрона необходима только пара последовательно включенных резистора RX/2 необходимых для ограничения тока. Переменный сигнал (АС) можно отфильтровать при помощи конденсатора, устанавливаемого на входе или выходе оптрона. Значение резистора RX определяет уровень срабатывания по напряжению. Встроенный диодный мост и схема гистерезиса уменьшает число внешних элементов.

Рис. 15. Типовая схема включения преобразователи AC/DC с цифровым выходом

Высоколинейные аналоговые оптроны в пластиковом корпусе

Оптроны HCNR200/1 являются основными блоками при построении высоколинейных аналоговых каналов с обеспечением высокой изоляции. Внутри оптрона находятся излучающий диод LED и два фотодиода. Выходной ток фотодиодов прямопропорционален излучающему потоку LED. Эти высокоскоростные изолирующие усилители обычно применяют в цепях обратной связи импульсных источников питания, в схемах измерения скорости/положения двигателей.

Рис. 16. Типовая схема включения аналогового оптрона

Широкополосные оптроны в пластиковом корпусе для передачи аналоговых и видео сигналов

Оптроны HCPL-4562 и HCNW 4562 рекомендованы для работы с широкополосными аналоговыми сигналами (до 15 МГц). Схема обнаружения пиковых значений позволяет расширить диапазон частот, в котором коэффициент усиления достаточно постоянен. Коэффициент усиления, общая топология и выбор режима по постоянному току выбраны таким образом, чтобы максимально расширить рабочий частотный диапазон.

Рис. 17. Типовая схема включения широкополосного оптрона для передачи аналоговых и видео сигналов

Оптроны общего применения в пластиковом корпусе с выходным сигналом, снимаемым непосредственно с выхода фототранзистора

Данные оптроны широко применяются в в импульсных источниках питания в цепях обратных связей (рис. 18.а). Они обеспечивают высокий уровень изоляции, уменьшают сложность схемы. Также широко используются для обеспечения изоляции различных интерфейсов. В этом случае часто применяются многоканальные оптроны.

Рис. 18. Структурная схема импульсного источника питания (а) и программируемый контроллер ввода/вывода

Фирма Avago Technologies, поставляя широкий ассортимент оптоэлектронных приборов и предлагая приборы самых различных классов, последовательно продолжает расширять их номенклатуру.

Литература

1. www.avagotech.com