Optokoppelaars, die circuits verbinden met behulp van optische signalen als medium, zijn een actief onderdeel in gebieden waar hoge precisie onmisbaar is, zoals akoestiek, geneeskunde en industrie, vanwege hun grote veelzijdigheid en betrouwbaarheid, zoals duurzaamheid en isolatie.
Maar wanneer en onder welke omstandigheden werkt een optocoupler, en wat is het principe erachter? Of, als u een optocoupler in uw eigen elektronicaproject gebruikt, weet u misschien niet hoe u deze moet kiezen en gebruiken. Optocouplers worden namelijk vaak verward met fototransistors en fotodiode. Daarom leggen we in dit artikel uit wat een optocoupler precies is.
Wat is een fotokoppelaar?
De optocoupler is een elektronisch component waarvan de etymologie afkomstig is van de optische component.
Een koppelaar, wat "koppeling met licht" betekent, wordt soms ook wel optocoupler, optische isolator of optische isolatie genoemd. Het bestaat uit een lichtgevend element en een lichtontvangend element en verbindt het ingangscircuit met het uitgangscircuit via een optisch signaal. Er is geen elektrische verbinding tussen deze circuits, met andere woorden, ze bevinden zich in een geïsoleerde toestand. De circuitverbinding tussen de ingang en de uitgang is dus gescheiden en alleen het signaal wordt verzonden. Het maakt een veilige verbinding mogelijk tussen circuits met significant verschillende ingangs- en uitgangsspanningen, dankzij de hoogspanningsisolatie tussen ingang en uitgang.
Bovendien fungeert het, door dit lichtsignaal door te laten of te blokkeren, als een schakelaar. Het precieze principe en mechanisme worden later uitgelegd, maar het lichtemitterende element van de fotokoppelaar is een LED (lichtemitterende diode).
Van de jaren zestig tot de jaren zeventig, toen leds werden uitgevonden en de technologische vooruitgang op dit gebied aanzienlijk was,opto-elektronicawerd een hausse. In die tijd waren er diverseoptische apparatenEr werden diverse technologieën uitgevonden, waaronder de foto-elektrische koppelaar. Vervolgens drong de 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 dit lichtsignaal weer terugstuurt naar het uitgangscircuit. Het lichtemitterende element en het lichtontvangende element bevinden zich aan de binnenzijde van het blok met extern licht en zijn tegenover elkaar geplaatst om licht door te geven.
De halfgeleider die in lichtemitterende elementen wordt gebruikt, is de LED (lichtemitterende diode). Aan de andere kant zijn er veel soorten halfgeleiders die in lichtontvangende apparaten worden gebruikt, afhankelijk van de gebruiksomgeving, de afmetingen, de prijs, enzovoort, maar over het algemeen is de fototransistor de meest gebruikte.
Wanneer fototransistors niet in werking zijn, geleiden ze slechts een klein deel van de stroom die gewone halfgeleiders geleiden. Wanneer er licht op valt, wekt de fototransistor een foto-elektromotorische kracht op aan het oppervlak van de p-type halfgeleider en de n-type halfgeleider. De gaten in de n-type halfgeleider stromen naar het p-gebied, de vrije elektronen in de p-zone stromen naar het n-gebied, en er zal stroom gaan vloeien.
Fototransistors reageren minder snel dan fotodiodes, maar ze versterken het uitgangssignaal wel honderden tot duizend keer (door het interne elektrische veld). Daardoor zijn ze gevoelig genoeg om zelfs zwakke signalen op te pikken, 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 functie door een lichtblokkerend object tussen het lichtemitterende en het lichtontvangende element te plaatsen. Ze kunnen bijvoorbeeld worden gebruikt om munten en bankbiljetten in automaten en geldautomaten te detecteren.
② Kenmerken
Omdat de optocoupler signalen via licht verzendt, is de isolatie tussen de ingangs- en uitgangszijde een cruciaal aspect. Een hoge isolatiewaarde is minder gevoelig voor ruis en voorkomt bovendien onbedoelde stroomdoorgang tussen aangrenzende circuits, wat de veiligheid ten goede komt. De constructie zelf is bovendien relatief eenvoudig en doordacht.
Door hun lange geschiedenis en het brede productaanbod van diverse fabrikanten zijn optocouplers een uniek voordeel. Omdat er geen fysiek contact is, is de slijtage tussen de onderdelen minimaal en de levensduur langer. Een nadeel is echter dat de lichtopbrengst kan fluctueren, omdat de LED na verloop van tijd en door temperatuurschommelingen langzaam verslechtert.
Vooral wanneer de interne componenten van het transparante plastic na verloop van tijd troebel worden, kan het licht niet meer goed doorlaten. De levensduur is echter in elk geval veel langer dan bij mechanisch contact.
Fototransistors zijn over het algemeen trager dan fotodiodes, waardoor ze niet geschikt zijn voor snelle communicatie. Dit is echter geen nadeel, aangezien sommige componenten versterkingscircuits aan de uitgangszijde hebben om de snelheid te verhogen. Bovendien hoeven niet alle elektronische circuits de snelheid te verhogen.
③ Gebruik
Foto-elektrische koppelaarsZe worden voornamelijk gebruikt voor schakeltoepassingen. Het circuit wordt geactiveerd door de schakelaar om te zetten, maar gezien de bovengenoemde eigenschappen, met name isolatie en lange levensduur, zijn ze 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 snelheid van de motor wordt geregeld door de frequentieomvormer, maar deze genereert ruis door het hoge uitgangsvermogen. Deze ruis kan niet alleen leiden tot defecten aan de motor zelf, maar kan ook via de "aarde" worden doorgegeven en randapparatuur beïnvloeden. Vooral apparatuur met lange bedrading is gevoelig voor deze hoge ruis, waardoor dit in een fabriek grote verliezen en soms zelfs ernstige ongelukken kan veroorzaken. Door gebruik te maken van sterk geïsoleerde optocouplers voor de schakeling kan de impact op andere circuits en apparaten worden geminimaliseerd.
Ten tweede, hoe kies en gebruik je optocouplers?
Hoe kies je de juiste optocoupler voor een toepassing in productontwerp? De volgende microcontroller-ontwikkelaars leggen uit hoe je optocouplers selecteert en gebruikt.
① Altijd open en altijd gesloten
Er zijn twee soorten optokoppelaars: een type waarbij de schakelaar uit staat wanneer er geen spanning wordt aangelegd, een type waarbij de schakelaar aan staat wanneer er spanning wordt aangelegd, en een type waarbij de schakelaar aan staat wanneer er geen spanning is en uit staat wanneer er spanning wordt aangelegd.
De eerste wordt normaal open genoemd, en de tweede normaal gesloten. De keuze hangt allereerst af van het type circuit dat je nodig hebt.
② Controleer de uitgangsstroom en de aangelegde spanning.
Fotokoppelaars hebben de eigenschap het signaal te versterken, maar laten niet altijd naar believen spanning en stroom door. Uiteraard is er een nominale waarde, maar er moet wel een spanning aan de ingangszijde worden aangelegd die overeenkomt met de gewenste uitgangsstroom.
Als we naar het productinformatieblad kijken, zien we een grafiek waarin de verticale as de uitgangsstroom (collectorstroom) weergeeft en de horizontale as de ingangsspanning (collector-emitterspanning). De collectorstroom varieert afhankelijk van de lichtintensiteit van de LED, dus pas de spanning aan op basis van de gewenste uitgangsstroom.
Je zou echter kunnen denken dat de hier berekende uitgangsstroom verrassend laag is. Dit is de stroomwaarde die nog steeds betrouwbaar kan worden geleverd, rekening houdend met de slijtage van de LED in de loop der tijd, en is dus lager dan de maximale waarde.
Integendeel, er zijn gevallen waarin de uitgangsstroom niet groot is. Let er daarom bij de keuze van een optocoupler goed op dat de uitgangsstroom wordt gemeten en kies een product dat daarop aansluit.
③ Maximale stroomsterkte
De maximale geleidingsstroom is de maximale stroomsterkte die de optocoupler kan verdragen tijdens geleiding. Ook hier geldt dat we moeten weten hoeveel vermogen het project nodig heeft en wat de ingangsspanning is voordat we tot aankoop overgaan. Zorg ervoor dat de maximale waarde en de gebruikte stroomsterkte geen beperkingen vormen, maar dat er enige marge is.
④ Stel de fotokoppelaar correct in.
Nu we de juiste optocoupler hebben gekozen, gaan we hem in een echt project gebruiken. De installatie zelf is eenvoudig: verbind de aansluitingen met de respectievelijke ingangs- en uitgangscircuits. Let er echter op dat u de ingangs- en uitgangszijde niet verwisselt. Controleer daarom ook de symbolen in de datatabel, zodat u na het ontwerpen van de printplaat niet voor verrassingen komt te staan wat betreft de aansluiting van de optocoupler.
Geplaatst op: 29 juli 2023