Optocouplers, die circuits verbinden met behulp van optische signalen als medium, zijn een element dat actief is in gebieden waar hoge precisie onmisbaar is, zoals akoestiek, geneeskunde en industrie, vanwege hun hoge veelzijdigheid en betrouwbaarheid, zoals duurzaamheid en isolatie.
Maar wanneer en onder welke omstandigheden werkt de optocoupler, en wat is het principe erachter? Of als u de fotocoupler daadwerkelijk in uw eigen elektronicawerk gebruikt, weet u misschien niet hoe u deze moet kiezen en gebruiken. Omdat optocoupler vaak wordt verward met "fototransistor" en "fotodiode". Daarom zal in dit artikel worden geïntroduceerd wat een fotocoupler is.
Wat is een fotokoppelaar?
De optocoupler is een elektronische component waarvan de etymologie optisch is
coupler, wat ‘koppeling met licht’ betekent. Soms ook bekend als optocoupler, optische isolator, optische isolatie, enz. Het bestaat uit een lichtgevend element en een lichtontvangend element, en verbindt het ingangscircuit en het uitgangscircuit via een optisch signaal. Er is geen elektrische verbinding tussen deze circuits, met andere woorden, ze bevinden zich in een geïsoleerde staat. Daarom is de circuitverbinding tussen de ingang en uitgang gescheiden en wordt alleen het signaal verzonden. Sluit circuits met aanzienlijk verschillende ingangs- en uitgangsspanningsniveaus veilig aan, met hoogspanningsisolatie tussen ingang en uitgang.
Door dit lichtsignaal uit te zenden of te blokkeren, fungeert het bovendien als schakelaar. Het gedetailleerde principe en mechanisme zullen later worden uitgelegd, maar het lichtgevende element van de fotokoppelaar is een LED (lichtgevende diode).
Vanaf de jaren zestig tot de jaren zeventig, toen leds werden uitgevonden en hun technologische vooruitgang aanzienlijk was,opto-elektronicawerd een hausse. Destijds diverseoptische apparatenwerden uitgevonden, en de foto-elektrische koppeling was daar een van. Vervolgens drong opto-elektronica snel door in ons leven.
① Principe/mechanisme
Het principe van de optocoupler is dat het lichtemitterende element het elektrische ingangssignaal omzet in licht, en het lichtontvangende element het elektrische lichtsignaal terugstuurt naar het uitgangscircuit. Het lichtuitzendende element en het lichtontvangende element bevinden zich aan de binnenkant van het blok met extern licht, en de twee bevinden zich tegenover elkaar om licht door te laten.
De halfgeleider die wordt gebruikt in lichtgevende elementen is de LED (lichtgevende diode). Aan de andere kant worden er veel soorten halfgeleiders gebruikt in lichtontvangende apparaten, afhankelijk van de gebruiksomgeving, de externe afmetingen, de prijs, enz., maar over het algemeen is de fototransistor de meest gebruikte.
Als ze niet werken, transporteren fototransistoren weinig van de stroom die gewone halfgeleiders doen. Wanneer het licht daar invalt, genereert de fototransistor een foto-elektromotorische kracht op het oppervlak van de halfgeleider van het P-type en de halfgeleider van het N-type, de gaten in de halfgeleider van het N-type stromen in het p-gebied, de vrije elektronenhalfgeleider in het p-gebied stroomt in het n-gebied, en de stroom zal vloeien.
Fototransistoren reageren niet zo snel als fotodiodes, maar ze versterken ook de uitvoer tot honderden tot duizend keer het ingangssignaal (vanwege het interne elektrische veld). Daarom zijn ze gevoelig genoeg om zelfs zwakke signalen op te vangen, wat een voordeel is.
In feite is de ‘lichtblokkering’ die we zien een elektronisch apparaat met hetzelfde principe en mechanisme.
Lichtonderbrekers worden echter meestal gebruikt als sensoren en vervullen hun rol door een lichtblokkerend object tussen het lichtuitzendende element en het lichtontvangende element te laten passeren. Het kan bijvoorbeeld worden gebruikt om munten en bankbiljetten in automaten en geldautomaten te detecteren.
② Kenmerken
Omdat de optocoupler signalen doorgeeft via licht, is de isolatie tussen de ingangszijde en de uitgangszijde een belangrijk kenmerk. Hoge isolatie wordt niet gemakkelijk beïnvloed door ruis, maar voorkomt ook dat er onbedoelde stroom vloeit tussen aangrenzende circuits, wat uiterst effectief is in termen van veiligheid. En de structuur zelf is relatief eenvoudig en redelijk.
Vanwege de lange geschiedenis is het rijke productassortiment van verschillende fabrikanten ook een uniek voordeel van optocouplers. Doordat er geen fysiek contact is, is de slijtage tussen de onderdelen klein en is de levensduur langer. Aan de andere kant zijn er ook kenmerken die ervoor zorgen dat de lichtopbrengst gemakkelijk fluctueert, omdat de LED langzaam zal verslechteren met het verstrijken van de tijd en temperatuurveranderingen.
Vooral als de interne component van het transparante plastic lange tijd troebel wordt, kan het geen goed licht zijn. De levensduur is echter in ieder geval te lang vergeleken met het contactcontact van het mechanische contact.
Fototransistors zijn over het algemeen langzamer dan fotodiodes en worden daarom niet gebruikt voor snelle communicatie. Dit is echter geen nadeel, aangezien sommige componenten versterkingscircuits aan de uitgangszijde hebben om de snelheid te verhogen. In feite hoeven niet alle elektronische circuits de snelheid te verhogen.
③ Gebruik
Foto-elektrische koppelingenworden voornamelijk gebruikt voor schakelbedrijf. Het circuit wordt bekrachtigd door de schakelaar aan te zetten, maar vanuit het oogpunt van de bovenstaande kenmerken, met name isolatie en lange levensduur, is het zeer geschikt voor scenario's die een hoge betrouwbaarheid vereisen. Lawaai is bijvoorbeeld de vijand van medische elektronica en audioapparatuur/communicatieapparatuur.
Het wordt ook gebruikt in motoraandrijfsystemen. De reden voor de motor is dat het toerental door de omvormer wordt geregeld wanneer deze wordt aangedreven, maar dat deze door het hoge vermogen geluid genereert. Dit geluid zorgt er niet alleen voor dat de motor zelf uitvalt, maar stroomt ook door de “grond” en beïnvloedt de randapparatuur. Vooral apparatuur met lange bedrading pikt dit hoge uitgangsgeluid gemakkelijk op, dus als dit in de fabriek gebeurt, zal dit grote verliezen veroorzaken en soms ernstige ongelukken veroorzaken. Door gebruik te maken van sterk geïsoleerde optocouplers voor het schakelen, kan de impact op andere circuits en apparaten worden geminimaliseerd.
Ten tweede: hoe u optocouplers kiest en gebruikt
Hoe gebruikt u de juiste optocoupler voor toepassing in productontwerp? De volgende ontwikkelingsingenieurs voor microcontrollers zullen uitleggen hoe u optocouplers selecteert en gebruikt.
① Altijd open en altijd dicht
Er zijn twee soorten fotokoppelaars: een type waarbij de schakelaar wordt uitgeschakeld (uit) als er geen spanning op staat, een type waarbij de schakelaar wordt ingeschakeld (uit) als er wel spanning op staat, en een type waarbij de schakelaar wordt ingeschakeld als er geen spanning is. Aanbrengen en uitschakelen wanneer er spanning op staat.
De eerste wordt normaal open genoemd en de laatste heet normaal gesloten. Hoe je moet kiezen, hangt eerst af van wat voor soort circuit je nodig hebt.
② Controleer de uitgangsstroom en de aangelegde spanning
Fotocouplers hebben de eigenschap het signaal te versterken, maar laten niet altijd spanning en stroom door. Uiteraard is dit een nominale waarde, maar er moet vanaf de ingangszijde een spanning worden aangelegd in overeenstemming met de gewenste uitgangsstroom.
Als we naar het productgegevensblad kijken, zien we een grafiek waarbij de verticale as de uitgangsstroom (collectorstroom) is en de horizontale as de ingangsspanning (collector-emitterspanning). De collectorstroom varieert afhankelijk van de intensiteit van het LED-licht, dus pas de spanning aan volgens de gewenste uitgangsstroom.
Je zou echter kunnen denken dat de hier berekende uitgangsstroom verrassend klein is. Dit is de huidige waarde die nog steeds betrouwbaar kan worden weergegeven nadat rekening is gehouden met de verslechtering van de LED in de loop van de tijd, en is dus lager dan de maximale beoordeling.
Integendeel, er zijn gevallen waarin de uitgangsstroom niet groot is. Zorg er daarom voor dat u bij het kiezen van de optocoupler zorgvuldig de “uitgangsstroom” controleert en het product kiest dat daarbij past.
③ Maximale stroom
De maximale geleidingsstroom is de maximale stroomwaarde die de optocoupler bij geleiding kan weerstaan. Nogmaals, we moeten ervoor zorgen dat we weten hoeveel output het project nodig heeft en wat de ingangsspanning is voordat we kopen. Zorg ervoor dat de maximale waarde en de gebruikte stroom geen limiet zijn, maar dat er enige marge is.
④ Stel de fotokoppelaar correct in
Nadat we de juiste optocoupler hebben gekozen, gaan we deze in een echt project gebruiken. De installatie zelf is eenvoudig: sluit gewoon de klemmen aan die zijn aangesloten op elk circuit aan de ingangszijde en aan de uitgangszijde. Er moet echter op worden gelet dat de invoerzijde en de uitvoerzijde niet verkeerd worden oriënteerd. Daarom moet u ook de symbolen in de gegevenstabel controleren, zodat u na het tekenen van de printplaat niet zult ontdekken dat de voet van de foto-elektrische koppeling verkeerd is.
Posttijd: 29 juli 2023