Optocouplers, die circuits verbinden met behulp van optische signalen als medium, zijn een element dat vooral in sectoren waar een hoge precisie onmisbaar is, zoals akoestiek, geneeskunde en industrie, wordt toegepast vanwege hun grote veelzijdigheid en betrouwbaarheid, duurzaamheid en isolatie.
Maar wanneer en onder welke omstandigheden werkt een optocoupler, en wat is het principe erachter? Of wanneer u de fotocoupler daadwerkelijk in uw eigen elektronica gebruikt, weet u misschien niet hoe u hem moet kiezen en gebruiken. Dit komt doordat de term optocoupler vaak wordt verward met "fototransistor" en "fotodiode". Daarom leggen we in dit artikel uit wat een fotocoupler is.
Wat is een fotokoppelaar?
De optocoupler is een elektronisch onderdeel waarvan de etymologie optisch is
Koppeling, wat "koppeling met licht" betekent. Soms ook wel optocoupler, optische isolator, optische isolatie, enz. genoemd. Het bestaat uit een lichtgevend en lichtontvangend element en verbindt het ingangs- en uitgangscircuit via een optisch signaal. Er is geen elektrische verbinding tussen deze circuits, met andere woorden, ze bevinden zich in een geïsoleerde toestand. Daarom is de circuitverbinding tussen de ingang en de uitgang gescheiden en wordt alleen het signaal verzonden. Verbind circuits met aanzienlijk verschillende ingangs- en uitgangsspanningen veilig met hoogspanningsisolatie tussen de ingang en de uitgang.
Bovendien fungeert het als schakelaar door dit lichtsignaal door te geven of te blokkeren. Het gedetailleerde principe en mechanisme worden later uitgelegd, maar het lichtgevende element van de fotokoppelaar is een LED (light emitting diode).
Van de jaren zestig tot de jaren zeventig, toen leds werden uitgevonden en hun technologische vooruitgang aanzienlijk was,opto-elektronicawerd een bloeiperiode. In die tijd waren er verschillendeoptische apparatenwerden uitgevonden, en de foto-elektrische koppelaar was er daar één van. Vervolgens drong opto-elektronica snel door in ons leven.
① Principe/mechanisme
Het principe van de optocoupler is dat het lichtgevende element het elektrische ingangssignaal omzet in licht, en het lichtontvangende element het elektrische signaal terugstuurt naar het uitgangscircuit. Het lichtgevende element en het lichtontvangende element bevinden zich aan de binnenkant van het blok met extern licht en staan tegenover elkaar om licht door te laten.
De halfgeleider die in lichtgevende elementen wordt gebruikt, is de led (light-emitting diode). Aan de andere kant worden er in lichtgevende apparaten verschillende soorten halfgeleiders gebruikt, afhankelijk van de gebruiksomgeving, externe afmetingen, prijs, enz., maar over het algemeen is de fototransistor de meest gebruikte.
Wanneer ze niet werken, voeren fototransistoren nauwelijks stroom door zoals gewone halfgeleiders. Wanneer het licht daarop valt, genereert de fototransistor een foto-elektromotorische kracht op het oppervlak van de P-type en N-type halfgeleider. De gaten in de N-type halfgeleider stromen naar het p-gebied, de vrije elektronenhalfgeleider in het p-gebied stroomt naar het n-gebied en de stroom zal gaan lopen.
Fototransistoren reageren minder snel dan fotodiodes, maar versterken het uitgangssignaal wel honderden tot duizend keer het ingangssignaal (dankzij het interne elektrische veld). Daardoor zijn ze gevoelig genoeg om zelfs zwakke signalen op te pikken, wat een voordeel is.
In feite is de ‘lichtblokker’ die wij zien een elektronisch apparaat met hetzelfde principe en mechanisme.
Lichtonderbrekers worden echter meestal gebruikt als sensoren en vervullen hun functie door een lichtblokkerend object tussen het lichtgevende en het lichtontvangende element te plaatsen. Ze kunnen bijvoorbeeld worden gebruikt om munten en bankbiljetten in verkoopautomaten en geldautomaten te detecteren.
② Kenmerken
Omdat de optocoupler signalen via licht doorgeeft, is de isolatie tussen de ingangs- en uitgangszijde een belangrijk kenmerk. Een hoge isolatiewaarde wordt niet snel aangetast door ruis, maar voorkomt ook onbedoelde stroom tussen aangrenzende circuits, wat uiterst effectief is op het gebied van veiligheid. Bovendien is de structuur zelf relatief eenvoudig en doordacht.
Door de lange geschiedenis en het rijke productaanbod van diverse fabrikanten is optocouplers ook een uniek voordeel. Doordat er geen fysiek contact is, is de slijtage tussen de onderdelen minimaal en de levensduur langer. Aan de andere kant zijn er ook eigenschappen die de lichtopbrengst gemakkelijk laten fluctueren, omdat de LED langzaam achteruitgaat door tijd en temperatuurschommelingen.
Vooral wanneer de interne component van het transparante plastic gedurende lange tijd troebel wordt, kan het geen goede lichtopbrengst hebben. De levensduur is echter in ieder geval te lang in vergelijking met het contact met het mechanische contact.
Fototransistoren 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. Sterker nog, niet alle elektronische schakelingen hoeven de snelheid te verhogen.
③ Gebruik
Foto-elektrische koppelingenWorden voornamelijk gebruikt voor schakeloperaties. Het circuit wordt van stroom voorzien door de schakelaar in te schakelen, maar vanwege de bovengenoemde eigenschappen, met name isolatie en een lange levensduur, is het zeer geschikt voor situaties die een hoge betrouwbaarheid vereisen. Ruis is bijvoorbeeld de vijand van medische elektronica en audio-/communicatieapparatuur.
Het wordt ook gebruikt in motoraandrijfsystemen. De reden hiervoor is dat de motorsnelheid wordt geregeld door de omvormer wanneer deze wordt aangestuurd, maar dat de hoge output ruis genereert. Deze ruis veroorzaakt niet alleen uitval van de motor zelf, maar stroomt ook door de "aarde" en beïnvloedt zo de randapparatuur. Vooral apparatuur met lange bedrading pikt deze hoge outputruis gemakkelijk op. Als dit in de fabriek gebeurt, kan dit grote verliezen en soms zelfs ernstige ongevallen 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 kiest en gebruikt u optocouplers?
Hoe gebruik je de juiste optocoupler voor toepassing in productontwerp? Deze microcontrollerontwikkelaars leggen uit hoe je optocouplers selecteert en gebruikt.
① Altijd open en altijd dicht
Er zijn twee soorten fotokoppelaars: een type waarbij de schakelaar wordt uitgeschakeld (uit) wanneer er geen spanning is, een type waarbij de schakelaar wordt ingeschakeld (uit) wanneer er spanning is, en een type waarbij de schakelaar wordt ingeschakeld wanneer er geen spanning is. De schakelaar wordt ingeschakeld en uitgeschakeld wanneer er spanning is.
De eerste wordt normaal open genoemd, de tweede normaal gesloten. De keuze hangt allereerst af van het type circuit dat u nodig hebt.
② Controleer de uitgangsstroom en de aangelegde spanning
Fotokoppelaars hebben de eigenschap het signaal te versterken, maar geven niet altijd naar wens spanning en stroom door. Natuurlijk is dit wel gespecificeerd, maar er moet aan de ingangszijde een spanning worden aangelegd die overeenkomt met de gewenste uitgangsstroom.
Als we naar het productgegevensblad kijken, zien we een grafiek met op de verticale as de uitgangsstroom (collectorstroom) en op de horizontale as de ingangsspanning (collector-emitterspanning). De collectorstroom varieert afhankelijk van de lichtintensiteit van de led, dus pas de spanning toe op basis van de gewenste uitgangsstroom.
U zou echter kunnen denken dat de hier berekende uitgangsstroom verrassend laag is. Dit is de stroomwaarde die nog steeds betrouwbaar kan worden afgegeven, rekening houdend met de slijtage van de LED in de loop van de tijd, en is dus lager dan de maximale nominale waarde.
Er zijn daarentegen gevallen waarbij de uitgangsstroom niet groot is. Controleer daarom bij het kiezen van een optocoupler zorgvuldig de "uitgangsstroom" en kies het product dat daarbij past.
③ Maximale stroom
De maximale geleidingsstroom is de maximale stroomwaarde die de optocoupler kan verdragen tijdens geleiding. Nogmaals, we moeten ervoor zorgen dat we weten hoeveel output het project nodig heeft en wat de ingangsspanning is voordat we tot aanschaf overgaan. Zorg ervoor dat de maximale waarde en de gebruikte stroom geen limieten zijn, maar dat er wel enige marge is.
④ Stel de fotokoppelaar correct in
Nadat u de juiste optocoupler hebt gekozen, kunt u deze in een echt project gebruiken. De installatie zelf is eenvoudig: sluit gewoon de klemmen aan die op elk ingangs- en uitgangscircuit zijn aangesloten. Let er echter op dat u de ingangs- en uitgangszijde niet verkeerd plaatst. Controleer daarom ook de symbolen in de gegevenstabel, zodat u na het tekenen van de printplaat niet merkt dat de voet van de foto-elektrische koppelaar verkeerd staat.
Plaatsingstijd: 29-07-2023