Оптопары и оптроны: принцип работы, виды и применение
Закрытые, щелевые и открытые оптроны: как устроена связка излучателя с приёмником и какие задачи она решает.
Из чего состоит оптопара
Оптопара - это излучатель света и приёмник, работающие вместе. Излучателем может быть любой источник видимого или невидимого спектра, на практике это светодиод или лазер. Приёмником служит фототранзистор или фотодиод, реже камера. Если оба элемента собраны в одном корпусе, устройство называют оптроном. Встречается и вариант из двух отдельных приборов, разнесённых на расстояние. Принцип в любом случае один: излучатель посылает сигнал, приёмник его регистрирует.
Три схемы работы
Первая схема: приёмник просто фиксирует, светит излучатель или нет. Так передают информацию между двумя цепями, не связанными электрически, и такое включение называют гальванической развязкой. Сигнал может иметь напряжение 12 В или 220 В, а принимающая сторона - работать на логике 3,3 В, и ей ничто не угрожает.
Вторая схема: излучатель светит постоянно, а контролируется наличие преграды между ним и приёмником. Это более точная и долговечная замена механическим концевым выключателям. В более дорогих 3D-принтерах именно так определяются крайние положения печатающего узла и стола.
Третья схема работает на отражение: излучатель и приёмник не направлены друг на друга, и свет попадает на приёмник только после отражения от поверхности. Так определяют наличие поверхности или её свойства, например цвет. На этом принципе построены роботы, следующие по чёрной линии.
Закрытый оптрон
Конструктивно оптроны делятся на те же три вида: закрытые, щелевые и открытые. Закрытый оптрон представляет собой корпус со входом и выходом, внутри которого находятся светодиод и фототранзистор.
На вход подаётся напряжение, на выходе транзистор оказывается открыт или закрыт, что легко перевести в логический ноль или единицу. На входе обязателен токоограничивающий резистор: излучатель по свойствам - обычный светодиод с очень малым внутренним сопротивлением и без резистора быстро перегорит. Читается выход так же, как кнопка: периодическим опросом или по аппаратному прерыванию.
Типичное применение - управление реле. Что бы ни происходило в силовой части, вплоть до сгорания реле от перегрузки или короткого замыкания, на сигнальную сторону это не повлияет.
Выпускаются многоканальные оптроны с несколькими независимыми входами и выходами. Они экономят место, а с несложными дополнительными компонентами позволяют собирать логические схемы. Есть симметричные оптроны, у которых по одному сигналу открывается сразу несколько транзисторов, и асимметричные, где одни транзисторы открываются, а другие закрываются.
Цифровые оптроны выдают готовый логический сигнал, допускают широкий диапазон напряжений, содержат элементы бинарной логики и срабатывают за наносекунды, тогда как обычные - за микросекунды. Это существенно при скоростной передаче данных.
Щелевой оптрон и разнесённая пара
Щелевой оптрон может иметь любую форму и размер, но в нём всегда есть оптическая щель между источником и приёмником. Луч проходит через неё и перекрывается внешним объектом. Помимо замены концевиков, такие оптроны применяются в оптических энкодерах; частный случай - шариковая компьютерная мышь.
Пара из двух отдельных устройств - по сути тот же щелевой оптрон без общего корпуса. Размер «щели» ограничен мощностью излучателя и прозрачностью среды. Излучателем обычно служит лазер, луч которого сохраняет форму, размер и яркость на больших расстояниях. Так контролируют перемещение крупных объектов на производстве и строят охранные системы. Ещё одно применение - фотосъёмка: луч, натянутый над поверхностью воды и связанный с фотовспышкой, позволяет поймать момент входа предмета в воду без скоростной камеры.
Дребезга на выходе оптрона теоретически нет: обычный оптрон не успевает его передать, а у цифрового есть встроенный гистерезис. На практике мерцание возможно, если край объекта, проходящего через щель, неровный и движется медленно. Подавляют его так же, как дребезг кнопки, проще всего программно, подбирая паузы между опросами.
Открытый оптрон
Открытый оптрон известен как датчик препятствий и датчик чёрной линии. Излучатель и приёмник у него направлены в одну сторону. Обычно используется инфракрасный спектр, чтобы уменьшить влияние внешней засветки.
Важное отличие от остальных видов - регулировка чувствительности приёмника подстроечным потенциометром. Для датчика препятствий она определяет дистанцию срабатывания (чем выше чувствительность, тем дальше), для датчика линии - необходимую контрастность линии относительно фона.
Расстояние такой датчик не измеряет: сигнал у него бинарный. Примерное положение преграды можно получить от нескольких датчиков, настроенных на разные дистанции, например чтобы заранее сбросить скорость робота или конвейера перед точной остановкой. Роботу для езды по линии хватит одного датчика, но двигаться он будет медленно, то и дело теряя линию. Два датчика дают довольно устойчивое распознавание, четыре и более позволяют ездить быстро.