Химия - Резисторная оптопара - Практическое применение

Реле переменного тока

Оптопары с высокоомными фоторезисторами, допускающие работу в цепях переменного напряжения 220 В, могут быть использованы в качестве маломощных реле постоянного или переменного тока c нормально разомкнутыми «контактами». Такие РО — «почти идеальные устройства» для управления электролюминесцентными индикаторами: последовательная цепь из фоторезистора оптопары и переключаемой нагрузки подключается непосредственно к сети переменного тока.

Простые делители напряжения

Последовательное, параллельное и последовательно-параллельное включение.

В простейших схемах регулятора уровня сигнала фоторезистор оптопары включается в верхнее или в нижнее плечо делителя напряжения.

Последовательное включение обеспечивает больший диапазон регулирования на постоянном токе и низких частотах. Управление затруднено крайней нелинейностью зависимости сопротивления от управляющего тока. Сужение динамического диапазона из-за паразитной ёмкости ощутимо уже на частотах в сотни Гц. Скорость нарастания коэффициента передачи делителя существенно выше скорости его уменьшения. При низких коэффициентах передачи делителя практически всё напряжение источника сигнала падает на фоторезистор, порождая относительно высокие нелинейные искажения.

Шунтирующее включение имеет более гладкую передаточную характеристику, меньший уровень нелинейных искажений, но глубина регулировки коэффициента передачи ограничена уровнем −60 дБ. Это ограничение снимается при последовательном соединении двух шунтирующих делителей. Передаточная характеристика двухкаскадного шунта остаётся достаточно гладкой, если управляющий ток задаётся потенциометром с антилогарифмической характеристикой. Скорость нарастания коэффициента передачи существенно медленнее скорости его уменьшения.

Наилучшее сочетание гладкой передаточной характеристики, малых искажений, большого диапазона регулировки и практически равных скоростей нарастания и уменьшения коэффициента передачи достигается в последовательно-параллельных схемах, составленных из двух оптопар и одного последовательного резистора. Излучатели верхней и нижней РО в такой схеме запитываются комплементарными токами от диодно-резисторного делителя, подобранного под характеристики используемых оптопар. Частотные ограничения таких схем аналогичны последовательному включению РО..

Прецизионные делители напряжения

Дистанционно управляемый регулятор уровня с линейной зависимостью коэффициента усиления от управляющего напряжения.

Схемы, задающие управляющее напряжение делителя, могут эффективно компенсировать тепловой дрейф светодиода РО, но не способны компенсировать эффект памяти и тепловой дрейф фоторезистора. Для компенсации процессов, происходящих в фоторезисторе, необходим второй фоторезистор, находящийся в тех же условиях, что и основной прибор. Если напряжение на каждом из двух фоторезисторов относительно невелико, то можно полагать, что температуры их кристаллов равны, «световая история» идентична, и, как следствие — их сопротивления равны друг другу.

Наилучшую точность слежения обеспечивают двухрезисторные оптопары, в которых основной и контрольный фоторезисторы сформированы на общем кристалле. Также возможно использование двух обычных оптопар, излучатели которых соединены последовательно.

Контрольный фоторезистор включается в делитель стабилизированного напряжения или измерительный мост. Усилитель ошибки сравнивает напряжение на средней точке делителя с целевым значением и корректирует ток излучателя так, чтобы напряжение не средней точке равнялось целевому. Различные схемы цепи обратной связи позволяют реализовать пропорциональную, обратно-пропорциональную, кусочно-линейную, логарифмическую и т. д. передаточные характеристики схемы. В наиболее простом случае реализуется линейная характеристика, эквивалентная схеме аналогового умножителя.

Схемы автоматического регулирования

Компрессор телефонного сигнала.

В СССР малогабаритные РО использовались в компрессорах звукового сигнала в дальней телефонной связи. Лампа накаливания РО подключалась к выходу операционного усилителя, фоторезистор включался в делитель напряжения обратной связи неинвертирующего усилителя на ОУ. В зависимости от выходного напряжения, коэффициент усиления схемы изменялся от 1:1 до 1:10.

Аналогичные схемы с регулируемыми постоянными времени управляющей цепи по сей день применяются в профессиональном звуковом оборудовании. По заявлению Applied Research & Technology, ламповые компрессоры с оптопарами Vactrol обеспечивают время нарастания сигнала от 0.25 мс, время спада от 150 мс при К_НИ=0,1 % и уровне шума −99 dBu.

В США РО производства General Electric используются в силовых стабилизаторах напряжения переменного тока промышленного и военного назначения. Стабилизаторы GE строятся на базе автотрансформатора, управляемого парой силовых тиристорных сборок. Лампа накаливания оптопары, защищённая балластным резистором, подключается к выходу переменного тока. Лампа выделяет среднеквадратичное значение выходного напряжения, практически не реагируя на кратковременные выбросы напряжения и длительные искажения формы синусоиды, характерные для промышленных электросетей. Кадмиевый фоторезистор оптопары включен в одно из плеч измерительного моста, выделяющего сигнал ошибки в цепи обратной связи.

Гитарные усилители и синтезаторы

Упрощённая схема модулятора гитарного усилителя.

В первом усилителе Fender c эффектом тремоло, выпущенном в 1955 году, генератор тремоло управлял напряжением смещения предвыходного каскада. Сигнал генератора неизбежно проходил на выход усилителя, порождая заметные призвуки. В начале 1960-х годов Fender и Gibson применили в качестве модулятора тремоло оптопару, фоторезистор которой подключался через блокирующий конденсатор и регулирующий потенциометр между выходом предусилителя и общим проводом. При протекании тока через лампу фоторезистор шунтировал выход предусилителя на землю, и уровень выходного сигнала падал. В этой схеме прохождение управляющего сигнала на выход было исключено. Глубина модуляции регулировалась относительно низкоомным потенциометром, вынесенным на лицевую панель. Независимо от положения потенциометра, модулятор существенно снижал коэффициент усиления предшествующего каскада, поэтому предусилитель должен был иметь запас по усилению, а физический разрыв цепи модулятора менял не только уровень, но и тембр усилителя.

В усилителях Gibson фоторезистором управляла лампа накаливания, требовавшая относительно больших токов. Раскачкой оптопары заведовал «токовый» триод 6С4 или половина двойного триода 12AU7. Fender заменил лампу накаливания на неоновую лампу, что позволило повысить частоту модуляции и раскачивать оптопару маломощным триодом. Однако, в отличие от плавного вибрато усилителей Gibson, неоновая лампа Fender работала в ключевом режиме, что делало эффект менее благозвучным. По этой причине независимые производители гитарных эффектов предпочли использовать лампы накаливания.

Аналоговый синтезатор на модулях EAR и Doepfer. Четвёртый и пятый модули слева в нижнем ряду — управляемые фильтры нижних частот на оптопарах Vactrol.

В 1968 году Darr назвал модулятор на оптопаре «новым методом» связи генератора тремоло и усилителя, но дни оптопары в массовом производстве были уже сочтены. Рок-музыка потребовала выходных мощностей, практически не достижимых в ламповой схемотехнике, и к 1967 году основные производители гитарных усилителей перешли на транзисторные схемы. В течение нескольких лет Gibson использовал продолжал использовать оптопару тремоло в транзисторных усилителях. В транзисторном усилителе Gibson G100A оптопара была задействована в ином качестве — там она по сигналу педали или внешнего генератора плавно подключала диодный ограничитель сигнала. Вскоре, однако, оптопара были вытеснена полевым транзистором в режиме управляемого сопротивления.

Схемотехнически, РО — простой и удобный инструмент перестройки по частоте генераторов, фильтров и усилителей в аналоговых синтезаторах. Особенно проста реализация управляемых напряжением RC-фильтров Саллена-Ки: даже без использования обратной связи по модулирующему сигналу, оптопара обеспечивает близкую к линейной зависимость частоты среза от управляющего тока. Однако из-за ограниченного частотного диапазона РО не позволяет реализовать все возможности этих модулей. Поэтому большинство синтезаторов 1970-х и 1980-х годов использовали иные схемные решения. Выпуск модулей синтезаторов на РО продолжают Electro-Acoustic Research и Doepfer.

Триггеры на оптопарах

Ячейка памяти на оптопаре с токовым управлением. Кратковременный переброс ключа в верхнее или нижнее положение защёлкивает выход в низком или в высоком состоянии.

Последовательное включение светодиода и низкоомного фоторезистора превращает РО в бистабильную ячейку, управляемую импульсами тока. Светодиод оптопары может служить визуальным индикатором состояния защёлки. При включении питания ток через светодиод и фоторезистор равен нулю, напряжение на выходе ячейки приближается к напряжению питания. При подаче на светодиод импульса втекающего тока светодиод загорается, сопротивление фоторезистора падает, выходное напряжение падает до уровня около 2 В. Ячейка защёлкивается во включенном состоянии. Для перевода её в выключенное состояние необходимо кратковременно закоротить светодиод на землю. Сопротивление фоторезистора возрастает, на выходе вновь устанавливается высокий уровень.

Радиосвязь

РО используются в любительской радиосвязи как прецизионные, дистанционно регулируемые терминаторы антенн Бевериджа и фидерных линий. В типичной конфигурации, РО размещается в герметичном ящике на дальнем конце антенны. Регулируя ток через излучатель РО, оператор настраивает антенну на максимальное подавление нуля кардиоиды излучения. По утверждению Connelly, подстройка оптопарой подавляет нуль эффективнее, чем подбор фиксированного сопротивления. Во время грозы провода, через которые протекает управляющий ток РО, подвержены опасным перенапряжениям. Их необходимо шунтировать на землю неоновыми лампочками или аналогичными защитными разрядниками.