Оптопары и оптоизоляторы Vishay.
Широкий спектр решений для промышленных задач

Vishay — производитель номер один в мире по инфракрасным компонентам

Vishay Intertechnology, Inc. — мировой лидер в сфере производства дискретных полупроводниковых компонентов (диодов, полевых транзисторов MOSFET, оптоэлектронных) и пассивных электронных компонентов (резисторов, катушек индуктивности и конденсаторов), а также интегральных схем и датчиков. В сфере коммерческих применений компонентов Vishay выделяет шесть ключевых сегментов: промышленность, вычислительную технику, автомобильный, потребительский, телекоммуникационный и медицинский рынки. Список компонентов Vishay и их функций, доступный для каждого из этих сегментов, позволяет при необходимости легко идентифицировать компонент для конкретного применения [1].

Компоненты Vishay широко используются во многих типах электронных устройств и оборудования, в том числе в военном, аэрокосмическом и энергетическом сегментах рынка.

Компания Vishay стала глобальным промышленным лидером в качестве поставщика для этих отраслей благодаря продуктовым и технологическим инновациям, успешной стратегии приобретения брендов и клиентскому сервису «одного окна».

Vishay Intertechnology — мультибрендовая компания: она производит продукцию под такими торговыми марками, как Dale, Sfernice, Draloric, Sprague, Vitramon, Siliconix, General Semiconductor, BCcomponents и Beyschlag. И каждый из обширного портфолио брендов на данный момент является частью одного мирового производителя Vishay.

В свое время компания объединила заводы в 16 странах с общим числом сотрудников свыше 25 тысяч человек, а также офисы продаж по всему миру. Производственные мощности Vishay расположены в Китае и других странах Азии, в Европе, Северной и Южной Америке, а также в Израиле.

Сейчас компания Vishay заявляет о себе как о производителе инфракрасных компонентов номер один в мире, что вполне обоснованно. Линейка продукции оптоэлектронных компонентов включает ИК ресиверы, эмиттеры, трансиверы IrDA, оптопары, твердотельные реле и тач-панели, светодиоды и датчики.

Портфолио оптоэлектроники Vishay

Если охватывать оптоэлектронную продукцию Vishay в полном, а не только ИК-спектре, то она объединяет следующие ключевые группы компонентов:

• ИК-эмиттеры и детекторы.
• Оптические датчики.
• ИК-ресиверы для дистанционного конт-роля.
• Оптопары:
  • фототранзисторы и фототранзисторы в паре Дарлингтона;
  • линейные;
  • фототриаки;
  • высокоскоростные;
  • твердотельные реле;
  • драйверы IGBT и MOSFET.
• Светодиоды и 7‑сегментные дисплеи.
• ИК-модули трансиверов данных.
• Клиентские продукты.

Портфолио оптоэлектронных продуктов Vishay Intertechnology, в частности, включает:

• ИК-ресиверы, используемые для удаленного контроля в потребительской электронике и промышленных применениях для обнаружения объектов в дальнем диапазоне.
• Оптопары (оптроны) и твердотельные реле для оптической изоляции высоковольтных источников от управляющей схемы на низком напряжении, применяемые в промышленности (цикл обратной связи контроля двигателя, контроль клапанов и соленоидов, управление высоковольтными транзисторами IGBT и MOSFET).
• ИК-эмиттеры для телевизионного дистанционного управления, синхронизации 3D ТВ, круиз-контроля и дисплеев HUD в автомобилях, а также детекторов дыма и промышленных применений.
• Фототранзисторы и PIN-фотодиоды разного назначения для детектирования видимого и ИК-света.
• Рефлективные и трансмиссивные оптические датчики для определения присутствия или близости объектов и применения в энкодерах.
• Светодиоды для большого числа автомобильных применений и промышленного освещения, короткодиапазонные ИК-ресиверы и средства беспроводной передачи данных.

Как один из лидирующих в мире производителей ИК-эмиттеров, фотодетекторов, оптопар и оптических датчиков, Vishay Intertechnology сегодня предлагает своим клиентам широкую номенклатуру оптоэлектронной продукции. Поскольку спектр применений инфракрасных компонентов Vishay предназначен как для потребительской, так и для промышленной и автомобильной электроники, предложения компонентов полностью отражают общие тенденции в развитии этих рыночных сегментов. Для ИК-компонентов Vishay характерно сочетание передовых технологических инноваций, конкурентоспособных характеристик и высокого качества продукции наряду с невысокой ценой компонентов, которые производятся в массовых объемах.

Vishay предлагает клиентам широкий спектр компонентов и техническую поддержку. Для этой компании наиболее актуальны промышленные применения оптопар и оптореле, а именно для контроля двигателей, приводов, промышленных процессов, оптической изоляции источников питания и многие другие. Их обзору и посвящена эта статья.

Оптические пары и изоляторы (оптроны) Vishay.
Промышленные применения и предложения

Оптопара, или оптрон, представляет собой электронный прибор, состоящий из излучателя света (обычно светодиода) и фотоприемника (биполярных и полевых фототранзисторов, фотодиодов, фототиристоров, фоторезисторов), связанных оптическим каналом (в настоящее время практически повсеместно — ИК) и, как правило, объединенных в общем корпусе. Оптрон выполняет преобразование электрического сигнала в свет, его передачу по оптическому каналу и последующее преобразование обратно в электрический сигнал.

После того как освещение стало полностью светодиодным (заменив лампы накаливания видимого спектра), получили распространение именно ИК-оптопары.

Сейчас на рынке электронных компонентов много недорогих предложений оптических пар, которые оптимизированы под конкретные применения и выпускаются в отдельном корпусе. Vishay производит множество оптопар и оптических изоляторов, различаемых по назначению, типу выхода и внутренней структуре. Среди них много таких устройств, которые могут быть охарактеризованы как оптопары общего назначения: уникальное и разнообразное сочетание характеристик компонента позволяет разработчику выбрать компонент, оптимально подходящий для конкретной схемы.

Оптопары и изоляторы Vishay сгруппированы в 11 ключевых продуктовых линеек, что позволяет еще легче ориентироваться при их выборе:

• Оптопары/изоляторы с фототранзистором на выходе.
• Оптопары с составным фототранзистором на выходе (пара Дарлингтона) с высоким коэффициентом передачи по току — минимум 500%.
• Оптопары с входом от переменного тока.
• Твердотельные реле SSR.
• Аналоговые ключи.
• Линейные оптопары.
• Оптопары с выходом фотосимистора (фототриаки). Применяются в промышленности для контроля двигателей, а также в офисной и бытовой технике.
• Высокоскоростные оптопары, разработанные для гальванической развязки ВЧ-сигналов.
• Драйверы IGBT и MOSFET.
• Изолированные драйверы IPM.

Большинство из перечисленных устройств, например семейства 4N25, 4N26, 4N27, 4N28 оптопар со стандартным одноканальным выходом транзистора, включает как минимум один источник излучения (что зависит от числа каналов и типа входа), представляющий собой галлий-арсенидный ИК-светодиод, и, в зависимости от типа выхода NPN-фототранзистор (как в семействе 4N25), фотодиод или фототриак.

Эти массовые компоненты Vishay, в частности, используются:

• для источников питания;
• для телекоммуникаций (логическая развязка нуля и «земли»);
• для индикации телефонного звонка;
• для управления герконовым реле.

Самой обширной группой ИК-опто-электроники Vishay являются аналоговые ключи, которые предлагаются практически во всех главных типах конфигураций (SPST, SPDT, DPST, DPDT) и в 20 типах корпусов для поверхностного и штыревого монтажа. Применения включают сбор данных, контроль промышленных процессов, тестирование, измерительные и медицинские системы, а также переключение сигналов в сотовых телефонах, планшетах и видеоиграх.

Для развязки аналоговых цепей также предлагаются два особых семейства линейных оптопар, которые характеризуются сверхвысоким значением линейности характеристики передачи — 0,01%. Такое высокое значение линейности достигается благодаря сложной обратной связи по напряжению, но компоненты довольно просто подключаются к операционным усилителям.

Ряд промышленных применений оптопар заслуживает отдельного детального рассмотрения.

Высоковольтная оптическая изоляция в целях безопасности

Оптопары Vishay, в частности, разработаны для защиты чувствительной управляющей схемы и людей от высоковольтных пиков напряжения (рис. 1, табл. 1, 2). Они изолируют стороны с низким и высоким напряжением посредством использования ИК-эмиттеров для передачи управляющего сигнала к фотодетектору. Поэтому схемы, работающие на низком и высоком напряжении, являются гальванически развязанными. Наиболее часто используемый тип оптопар для этого применения — 4‑выводные. 4‑выводные оптопары Vishay характеризуются низким входным током, высоким изолирующим напряжением, длинным путем тока утечки и расстоянием через изоляцию.

Рис. 1. Оптопары Vishay, разработанные для изоляции низковольтной управляющей схемы и защиты людей от высоковольтных пиков напряжения

Примеры применения:

• Источники питания:
  • изолированные преобразователи постоянного тока;
  • импульсные источники (SMPS);
  • адаптеры переменного тока;
  • преобразователи с постоянным входом и выходом в формате/форм-факторе «кирпича».
• Промышленный ввод/вывод I/O:
  • изолированный управляющий цикл 4–20 мА;
  • изолированная последовательная коммуникация.
• Интеллектуальные сети Smart Grids:
  • детектирование сетевого напряжения;
  • ZC-детектирование (нулевого пересечения, zero crossing);
  • коммуникационная изоляция.
• Промышленная автоматизация:
  • импульсное питание;
  • изоляция ввода/вывода;
  • цикл обратной связи.

В портфолио Vishay представлены оптопары с постоянным входным током I_F на 5 мА (VO617A, VOM617A, VOL617A, VOS617A) и 1 мА (VO618A, VOM618A, VOL618A, VOS618A) (табл. 1).

Оптопары с переменным входным током IF также выпускаются с входом на 5 мА (VOS627 А) и 1 мА (VOL628A, VOS628A) (табл. 2). Всего в портфолио Vishay входит 17 наименований оптопар, которые могут работать в цепи переменного тока как малого, так и высокого уровня. Их основное назначение — определение момента нулевого пересечения переменного напряжения.

Компания Vishay непрерывно обновляет линейку своей продукции. Например, VOL628A — сравнительно новый оптрон (в низкопрофильном корпусе LSOP‑4), предназначенный для гальванической изоляции сигналов и защиты слаботочных цепей в оборудовании различного назначения. Входная часть VOL628A выполнена в виде двух встречно-параллельных инфракрасных светодиодов, что позволяет ему работать и с сигналами переменного тока. Оба светодиода оптически связаны с выходным фототранзистором.

Промышленные твердотельные реле — готовые однокомпонентные высокоинтегрированные решения

Оптроны с полевым транзистором также называют оптореле или твердотельным реле. Vishay предлагает широкий диапазон высокоинтегрированных решений твердотельных реле (Solid State Relay, SSR) (рис. 2, табл. 3). Они доступны в корпусах DIP, SDIP (DIP с SMD-выводами) и SMD. Выходное напряжение составляет от 60 до 400 В, а диапазон тока — от 100 мА до 2 A.

Примеры применения:

• реле ввода/вывода программируемых логических контроллеров;
• замещение высоковольтных механических реле;
• промышленные тестеры;
• интегрированные промышленные сенсорные модули;
• сварочное оборудование;
• контроллеры нагревателей.

Рис. 2. Оптические твердотельные реле — готовые однокомпонентные высокоинтегрированные решения для промышленных задач:
а) оптическая схема;
б) пример применения

Особенности Vishay SSR в этих применениях:

• низкий выходной ток утечки;
• постоянное напряжение нагрузки;
• отсутствие подвижных частей;
• малый форм-фактор;
• отсутствие контактной дуговой сварки;
• высокое напряжение изоляции (5,3 кВ);
• штыревые и SMD-корпуса.

Оптопары, как правило, используются для передачи информации, а оптореле — для переключения сигнальных или силовых цепей, в которых в качестве переключающего элемента служит транзистор (MOSFET или IGBT).

В частности, взамен маломощных твердотельных реле используются оптопары с составным фототранзистором на выходе (пара Дарлингтона) с высоким коэффициентом передачи по току — минимум 500%, а дополнительный вывод базы фототранзистора позволяет оптимизировать соотношение между скоростью работы и коэффициентом передачи по току.

Автономные драйверы PV MOSFET

Автономные драйверы PV MOSFET дают возможность клиентам на уровне платы выполнять простое и недорогое замещение высокомощных механических релейных модулей SSR, используя минимум компонентов.

Примеры применения:

• промышленный контроль двигателей;
• замещение SSR;
• контроллеры нагревателей;
• контроллеры вентиляторов;
• контроллеры насосов;
• драйверы соленоидов.

Рис. 3. Автономные драйверы PV MOSFET — однокомпонентные решения для промышленных задач:
а) оптическая схема;
б) внешний вид;
в) двунаправленного драйвера MOSFET

Как драйверы MOSFET, SSR от Vishay отличаются отсутствием необходимости во вторичном питании со стороны драйвера и малым форм-фактором. На рис. 3 приведены однокомпонентные решения на их основе, а в таблице 4 — их краткие характеристики.

Оптически изолированные драйверы IGBT/MOSFET

Vishay также выпускает оптически изолированные драйверы IGBT/MOSFET для промышленных приводов, работающих от постоянного и переменного тока. В частности, оптоизолированные драйверы IGBT компании Vishay позволяют клиентам изолировать силовые части высокомощных переключающих схем (рис. 4, табл. 5). Поэтому такие компоненты можно использовать для разработки схем, которые безопасны и устойчивы к электромагнитным помехам.

Рис. 4. Оптически изолированные драйверы IGBT/MOSFET для промышленных приводов:
а) оптическая схема;
б) внешний вид;
в) схема применения

Примеры применения:

• промышленные ШИМ-приводы, работающие с переменной скоростью;
• ШИМ-контроллеры нагревателей;
• ШИМ-контроллеры вентиляторов;
• ШИМ-драйверы соленоидов.

Особенности Vishay SSR в этих применениях:

• малое время задержки;
• работа от высокого напряжения V_CC;
• низкий среднеквадратический ток;
• привод с высоким выходным током;
• высокая шумовая изоляция;
• безопасная изоляция от высокого напряжения;
• изолированные промышленные коммуникации.
• Фототриаки для контроля двигателей

Фотодетектор в фототриаке представляет собой фоточувствительный триак, обычно называемый оптотриаком. Фототриаки используются для включения и выключения переменных нагрузок. Включение излучающего ИК-диода позволяет току течь к переменной нагрузке. Фототриаки (табл. 6) используются как управляемые кремниевые выпрямители (Silicon-Controlled Rectifier, SCR) или как предрайверы триака.

Как правило, они применяются для контроля двигателей, работающих на переменном токе. Как оптопары, они изолируют управляющую схему на низком напряжении и людей от основных высоковольтных функциональных блоков.

Различают фототриаки с переходом через ноль и ненулевым переходом, что соответствует тому, когда переключается выходной ток. Если фототриак переключается не при переходе через ноль, тогда выходной ток включается при активизации ИК-светодиода, вне зависимости от фазы переменного напряжения. На рис. 5б, в желтая линия соответствует входному току, а розовая линия — выходному току. Включению высокого уровня входного тока (on) соответствует немедленное включение выходного тока. Для фототриака с переходом через ноль предусмотрено, что выходной ток включается не немедленно, а только при активизации ИК-светодиода и переходе через ноль сигнала переменного напряжения, что также показано на рис. 5б, в. Оба характеризуются выключением фототриака, когда ИК-эмиттер выключается и переменное напряжение проходит через ноль.

Рис. 5. Фототриаки для контроля промышленных двигателей:
а) оптическая схема;
б, в) сравнение сигнальных временных диаграмм оптосимисторов, включаемых без перехода через ноль (б) и с переходом через ноль (в)

Высокоскоростные оптопары

Высокоскоростные оптопары Vishay позволяют разработчикам изолировать промышленные коммуникационные шины, такие как RS485, Profibus, SPI и др. (рис. 6, табл. 7).

Рис. 6. Примеры оптических схем высокоскоростных промышленных оптопар

Оптоэлектроника Vishay обеспечивает не только изоляцию для безопасности, но и шумовую изоляцию, обычную для промышленного окружения.

Примеры применения включают изолированные шины: RS485; Profibus; CAN; SPI; 4–20 мА. В этих применениях Vishay SSR имеют следующие ключевые признаки:

• скорость данных до 10 Мбит/с;
• высокая шумовая изоляция;
• высокое напряжение изоляции;
• широкое разнообразие корпусов;
• выходы с открытым коллектором и двухтактный выходной каскад.

Драйверы IGBT для управления солнечными и ветровыми источниками энергии

Оптически изолированные драйверы IGBT используются для изоляции схемы с высоким напряжением инвертора (преобразователя DC/AC) от управляющей схемы с низким напряжением (рис. 7). Изоляция необходима для обеспечения безопасности, так как на входе и выходе инвертора — высокое напряжение, а управляющая схема, доступная пользователю, должна функционировать на низком напряжении. Оптически изолированные драйверы IGBT также позволяют разработчикам ограждать контрольные схемы от шумов схем с высоким напряжением и током, что повышает характеристики, снижает размер продукта и упрощает дизайн устройства.

Рис. 7. Пример применения оптически изолированных драйверов IGBT в схемах управления солнечными и ветровыми источниками энергии

Примеры оптически изолированных драйверов IGBT для этих применений — VO3120 и VO3150A (табл. 8).

Заключение

Vishay Intertechnology — один из лидирующих в мире производителей ИК-эмиттеров, фотодетекторов, оптопар и оптических датчиков. Какой бы тип оптоэлектронного компонента ни потребовался клиенту — PIN-фотодиод, датчик окружающего света, ИК-ресивер или оптопара для оптической изоляции, у Vishay всегда найдется подходящее решение. Компания предлагает клиентам широкий спектр компонентов и техническую поддержку, а важнейшим для Vishay стало применение оптопар и оптореле для контроля двигателей, приводов, промышленных процессов и оптической изоляции источников питания.

Помимо актуальности выбранной группы продуктов, обратим внимание разработчиков также на то, что Vishay — это крупный, вертикально интегрированный производитель оптоэлектроники, имеющий 30‑летний опыт выпуска и корпусирования эмиттеров и детекторов, по которым имеются актуальные обзорные и справочные материалы на русском и английском языке [2]. Инженеры и дистрибьюторы компании охотно оказывают техническую помощь в вопросах, касающихся выбора и применения любого типа оптоэлектронной продукции, предлагая в том числе бесплатные образцы для опытного клиентского тестирования функциональности и качества инновационных компонентов следующего поколения.