Оптопара принцип работы, оптроны принцип работы
Что такое оптопара – электронно-оптический аппарат (прибор), в котором присутствуют источник светового излучения и приемник того же излучения – фотоприемник, которые в свою очередь связаны конструктивно электрическими и оптическими связями.
В практическом применении наибольшего распространения нашли оптроны (в последнее время приобрели название оптопары), в которых нет электрических связей между приемником и излучателем, а есть только оптическая связь. По сложности составляющих структурных схем в оптронных изделиях различают 2 группы приборов:
- Оптопара – полупроводниковый оптическо-электронный прибор, в котором оптическая связь обеспечивает изоляцию входа и выхода излучающего и принимающего элементов.
- Электронно-оптическая микросхема, которая состоит из определенного количества оптопар и так называемых усилителей, которые имеют электрическое соединение с элементами оптронов.
Рисунок 1 – Общий вид оптопары в герметичном корпусе
Принцип работы оптопары
Основное предназначение оптопары заключается в развязке сигнальных цепей гальваническим методом.
Принцип действия оптопары для всех видов фотоприемников и излучательных элементов практически одинаковый и состоит в следующем: формируемый электрический сигнал на входе в излучатель, трансформируется в поток света, который далее принимается фотоэлементом и меняет проводимость последнего – меняя его сопротивление.
Другими словами принцип действия оптрона заключается в двойном трансформировании энергии.
Как работают оптронные устройства
Рассмотрим работу двух видов оптронных устройств: оптическо-электронное и оптическое.
Работа оптическо-электронного аппарата основывается на превращении энергии света в электрическую. Переход энергии происходит при помощи твердого тела и процессов электрических фотоэффектов и сияния («горения», «свечения») при воздействии электрического поля.
Эффект фотоэлектричества означает, что твердое тело может излучать электроны под действием фотонов.
Функционирование оптического устройства происходит при тесном взаимодействии электромагнитного испускания и твердого тела.
Схемы работы оптопар
Применение оптопар (оптронов) позволяет решать множество задач, в частности контроль значений параметров от различных датчиков – уровень, влажность, концентрация и т.д); использование в устройствах автоматики и релейных защит электрооборудования; в диагностических аппаратах. В тех или иных случаях схемы включения оптопар отличны друг от друга.
В качестве примера приведем несколько линейных схем:
Рисунок 2 – Линейная развязка аналогового сигнала с помощью оптронов: 01- оптопары; У1, У2 — усилители
Передача аналоговых сигналов осуществляется по развязанной гальванически цепи с использованием двух одинаковых оптронов, один из которых предназначен осуществляет обратную связь.
Рисунок 3 – Развязка между блоков U1- оптопара; VT1 – транзистор; R2 – сопротивление
Часто применяется в радиотехнике. Выходной сигнал Блока 1 подается на Блок 2 посредством оптопары-диода. В случае использования в Блоке 2 микросхемы с небольшим током на входе, то усилитель не требуется и оптопара-диод работает в фотогенерирующем режиме.
Рисунок 4 – Реле оптоэлектронное
Сигналы от фотоприемника оптопары удобно и практично использовать на воздействие исполнительных механизмов опять же через гальваническую развязку (к примеру: включение света, электродвигателе и другого оборудования).
На рисунке 4 изображена схема полупроводникового разомкнутого реле. Коммутация тока происходит в реле. Транзистор оптопары принимает фотосигнал и открывает VT1, VT2 транзисторы, далее включается нагрузка.
Устройство оптронов
В качестве излучателя используется светодиод, который размещается сверху в металлическом корпусе. В нижней части расположен фотоприемник (кремниевый кристалл). Свободное пространство заполняется затвердевающей массой, которая полностью прозрачна. Последняя покрыта отражателем для направления лучей, чтобы не рассеивались лучи за пределы зоны приемника.
Как правило, вывода оптронов заливаются жидким стеклом. Верхняя и нижняя часть крышки корпуса соединяются при помощи сварки.
Оптрон-резистор практически не отличается от вышеописанной конструкции. В нем используется в качестве излучателя лампа накала, а приемник выполнен из кадмия селенистого.
Применение оптопар
На сегодняшнее время оптопары очень хорошо изучены и широко распространены в различных сферах деятельности. Особое место применения оптронов в схемах для логического согласования различных блоков, которые содержат элементы с исполнительными органами.
Как уже было сказано, ранее оптроны применяются для гальванической развязки в цепях с отличными блоками, преобразования и модуляции импульсов для управления аппаратами, контроля и управления, сигнализации и защиты электрического оборудования и процессов (счетчики, коммутаторы, реле, электрические измерительные устройства).
Достоинства и недостатки оптопар
К основным достоинствам оптронов относится следующее:
- управление различного рода объектами осуществляется бесконтактно;
- разнообразие и гибкость управления;
- абсолютная невосприимчивость и независимость от посторонних электромагнитных волн, что не создает дополнительных помех в работе;
- возможность использования, как импульса, так и постоянного сигнала;
- возможность изменения выходного сигнала за счет воздействия на вещество оптоканала (из этого следует возможность использования датчиков различных типов);
- конструктивная и физическая совместимость с иными электронными и полупроводниковыми аппаратами и приборами;
- с точки зрения пропускания оптопары, то в низких частотах нет ограничений.
К недостаткам оптронов относятся:
- достаточно на высоком уровне потребляемая мощность, вызванная двойной трансформацией энергии (электрический ток – световой поток – электрический ток;
- сравнительно невысокий КПД переходных процессов;
- снижение качества параметров в процессе длительного времени;
- высокий уровень шумовых характеристик;
- достаточно сложно реализовать обратную связь из-за разностью выходных и входных схем.
Источник
Принцип работы и проверка оптических датчиков
Современная промышленная автоматика обеспечивает сложные и ответственные индустриальные процессы. Устойчивая работа системы обеспечивается включением высокотехнологичных компонентов, каждый из которых выполняют предупредительную, срабатывающую, блокирующую или иную функцию. Особое место в промышленных системах отдается оптическим датчикам. Самое известное применение фотоэлектрической аппаратуры – регулятор уровня освещенности. Реакция прибора на сумерки – включение осветительной техники.
Название и терминология
PhotoCell Sensor. Фото- или фотоэлектрический датчик – все это названия группы устройств, срабатывающих на свет или изменение его параметров. Вторичной функцией аппаратуры является передача соответствующего сигнала (оповещения) в систему индустриальной поддержки. Индикативные возможности датчиков определяется его устройством и областью применения. Сегодня в практике индустриального оснащения применяется широкий спектр оборудования, оснащенного бесконтактными, рефлекторными, диффузными и другими типами датчиков.
Принцип действия
Основными составляющими электронной аппаратуры, поддерживающей работу по преобразованию световых волн, являются:
- Источник излучения – специальный диод, который генерирует сигналы;
- Приемник света – фотодиод, реагирующий на определенные значения излучения. Используется для улавливания отраженных от различных поверхностей волн, сгенерированных ранее источником излучения;
- Преобразователь электронного типа. Переводит определенные датчиком параметры световой энергии в сигналы, доступные для чтения смежной аппаратурой.
Работа датчиков строится на принципе улавливания отраженных волн от различных предметов обстановки. Длина световых волн и их интенсивность как параметры, позволяют определить измеряемые PhotoCell Sensor величины для последующей передачи в контрольный центр.
Оптические датчики выполняют достаточно широкий спектр задач, стоящих перед современными промышленными предприятиями. Кроме контроля уровня освещенности аппаратные средства обеспечивают поддержку бесконтактных изменений, в том числе обнаружения объектов, перемещающихся на высокой скорости. Представители промышленности при заказе датчиков на производство заранее знают условия эксплуатации и необходимый для оснащения тип аппаратуры.
С раздельным приемником и передатчиком
Этот вид аппаратуры считается одним из самых надёжных. Внушительная дальность работы и устойчивость к помехам. В стандартной комплектации датчики устроены так, что приемник и передатчик заключены в одном корпусе. В раздельном виде устройства активные модули могут быть разнесены на несколько десятков метров. Передатчик с автономным питанием, по сути, выполняет одну функцию. Сам же датчик с приемником включается в систему промышленной автоматики. Основной сферой применения контрольно-измерительной аппаратуры с раздельными приемником и передатчиком является охранная деятельность. Известно использование датчиков на производствах с сильно загрязненным воздухом или примесями газов.
Рефлекторный
Основной задачей это группы устройств является обнаружение объектов, находящихся в зоне перекрытия оптического излучения. Активный модуль датчиков состоит из коммутационного элемента релейного типа или полупроводникового диода. В корпусе аппаратуры заключены излучатель и принимающий блок излучения в инфракрасном спектре. Принцип срабатывания следующий: как только в зону покрытия излучателя попадает контролируемый предмет, рефлектор отражает соответствующий сигнал. Для обеспечения стабильной работы устройства предусмотрены защитные модули, предупреждающие засвечивание и переполюсовку при организации сетевого питания.
Диффузный
Основным назначением аппаратуры является конечное выключение цепи. Бесконтактные датчики диффузные обнаруживают объекты различных форм вне зависимости от материала исполнения. Отличительная особенность приборов состоит в возможности установления отдельных элементов технологического оборудования.
Конструктивно датчик включает приёмник и излучатель в одном корпусе. Благодаря эффекту диффузного отражения на работу прибора не оказывает влияния засветка, переполюсовка или необходимость точной фокусировки. Датчики определяют местоположение объекта даже в зоне максимального приближения.
Конструкции
Оптические датчики, как правило, имеют компактный форм-фактор. В зависимости от предназначения и применяемой технологии приборы могут иметь выносные модули. Производители рекомендуют использовать совместимое внешнее оборудование. Основными модулями датчиков остаются излучатель и приемник.
Щелевые
Состоит из пары оппозитно расположенных приемника и излучателя на одной платформе. Корпус датчика имеет U-образный вид. В устройстве реализован принцип барьерного срабатывания. При попадании объекта в область контроля происходит прерывание и фиксация события. Щелевые или вилочные аппараты успешно справляются с пересчетом предметов, перемещающихся на высокой скорости. Конструкция датчиков позволяет экономить свободное пространство за счет прокладки только одного питающего кабеля.
Прямоугольные
Особое расположение основных модулей исключает чувствительность к фоновым излучениям. Высокое качество оптики, используемой в оснащении, обеспечивает точный и быстрый пересчет объектов.
Устройства могут комплектоваться экранами защиты или системой охлаждения. таким образом функциональность устройств может быть расширена до работы с разогретыми объектами. Кроме того, форм-фактор прямоугольных датчиков обеспечивает их устойчивую работу в дорожной инфраструктуре.
В цилиндрическом корпусе
Внешне устройство напоминает свечу зажигания. В цилиндрическом корпусе размещаются приемник и излучатель. Срабатывание датчика происходит каждый раз при попадании контролируемых объектов с последующим преломлением светового потока. Поставляется с аксессуарами, обеспечивающими легкий монтаж на место эксплуатации – крепежными пластинами, зажимным блоком и уголками.
Подключение и виды выходного сигнала
Присоединение датчиков осуществляется к исполнительной автоматике. Это могут быть программаторы, управляющие платы охранных или противопожарных систем. Собственно, схема подключения напрямую зависит от того, каким будет выходной сигнал. Общая классификация включений устройства в цепь, следующая:
- На контактную группу сухого типа, нормально разомкнутые или замкнутые;
- С питанием от блока сигнализации;
- С подачей энергии по отдельной линии на релейные датчики.
Специфические модели
Разработки в области контрольно-измерительной аппаратуры позволяют обеспечивать потребности различных видов производств. Сегодня датчики могут обнаруживать не только сам объект в зоне видимости, но и узнавать тип нанесенной на них метки.
Световая решетка
Излучатель, включенный в конструкцию датчиков, формирует устойчивое инфракрасное поле двумерного массива. При прохождении через рабочую область происходит идентификация не только самого объекта, но и других его параметров: массы, размера, прозрачности и прочих характеристик.
Световой барьер
Фотоэлектрические датчики положения используются для точного подсчета продукции на индустриальных конвейерах. Приемник и излучатель в конструкции разнесены для создания непрерывного луча. Прерывание барьера сигнализирует о том, что через поле прошла единица продукции.
Лазерный
Для решения задач по измерению малых скоростей объектов и величин предметов целесообразно использовать лазерные устройства. Этот тип датчиков отличает технология устройства излучателя, по которой генерируется световой поток. Предназначается для использования внутри помещений.
Оптоволоконный
В этом типе датчиков реализована технология оптоволоконной связи. По нему происходит передача данных, а также она используется в качестве детектирующего элемента. Конструкция устойчива к дефектам электрической сети.
Аналоговый
Вид аппаратного устройства происходит от интерфейса, используемого для передачи сведения о замеченных в поле излучателя объектах. Выходной сигнал представляет собой ток определенной силы, по которой определяются дискретное позиционирование и другие параметры объекта.
Оптический датчик пламени
Устройство применяется для контроля наличия пламени в промышленных горелках. Датчик питается от искрозащищенного блока, который входит в комплект поставки. Используется преимущественно на предприятиях нефтегазовой промышленности.
Как проверить
Контрольно-измерительная аппаратура перед вводом в эксплуатацию должна быть проверена на работоспособность. Сделать это можно при помощи специальной техники, на стенде. Также часто используется эмпирический метод. Для этого прибор включают на месте и наблюдают за его поведением.
Неисправности и уход
Дефекты для этого типа аппаратуры крайне редки. Нарушение работоспособности может происходить по следующим причинам:
- Механические повреждения, в том числе обрывы в цепи питания;
- Выход из строя внутренних компонентов;
- Сбой настроек (большинству датчиков требуется калибровка);
- Нарушение полярности.
Своевременное сервисное обслуживание и замена неисправных компонентов обеспечат долгий срок службы изделий и отсутствие простоев на производстве.
В век наших технологий я отдаю предпочтение с раздельным приемником и передатчиком. Там более надежная конструкция.
Источник