Optokopplare, som kopplar samman kretsar med hjälp av optiska signaler som medium, är ett aktivt element inom områden där hög precision är oumbärlig, såsom akustik, medicin och industri, tack vare deras höga mångsidighet och tillförlitlighet, såsom hållbarhet och isolering.
Men när och under vilka omständigheter fungerar optokopplaren, och vad är principen bakom den? Eller när du faktiskt använder fotokopplaren i ditt eget elektronikarbete kanske du inte vet hur du ska välja och använda den. Eftersom optokopplare ofta förväxlas med "fototransistor" och "fotodiod". Därför kommer vad en fotokopplare är att presenteras i den här artikeln.
Vad är en fotokopplare?
Optokopplaren är en elektronisk komponent vars etymologi är optisk
kopplare, vilket betyder "koppling med ljus". Ibland även känd som optokopplare, optisk isolator, optisk isolering, etc. Den består av ett ljusemitterande element och ett ljusmottagande element och förbinder ingångssidans krets och utgångssidans krets genom en optisk signal. Det finns ingen elektrisk anslutning mellan dessa kretsar, med andra ord, de är i ett isolerat tillstånd. Därför är kretsanslutningen mellan ingången och utgången separat och endast signalen överförs. Anslut kretsar med signifikant olika in- och utgångsspänningsnivåer säkert, med högspänningsisolering mellan ingång och utgång.
Dessutom, genom att sända eller blockera denna ljussignal, fungerar den som en strömbrytare. Den detaljerade principen och mekanismen kommer att förklaras senare, men fotokopplarens ljusemitterande element är en LED (lysdiod).
Från 1960-talet till 1970-talet, när lysdioder uppfanns och deras tekniska framsteg var betydande,optoelektronikblev en boom. Vid den tiden, olikaoptiska anordningaruppfanns, och den fotoelektriska kopplaren var en av dem. Därefter trängde optoelektroniken snabbt in i våra liv.
① Princip/mekanism
Principen för optokopplaren är att det ljusemitterande elementet omvandlar den elektriska ingångssignalen till ljus, och det ljusmottagande elementet överför ljussignalen tillbaka till utgångskretsen. Det ljusemitterande elementet och det ljusmottagande elementet är placerade på insidan av det externa ljusblocket, och de två är mittemot varandra för att överföra ljus.
Halvledaren som används i ljusemitterande element är lysdiod (LED). Å andra sidan finns det många typer av halvledare som används i ljusmottagande enheter, beroende på användningsmiljö, extern storlek, pris etc., men i allmänhet är den vanligaste fototransistorn.
När de inte fungerar bär fototransistorer lite av den ström som vanliga halvledare gör. När ljuset faller där genererar fototransistorn en fotoelektromotorisk kraft på ytan av P-typ halvledaren och N-typ halvledaren, vilket leder till att hålen i N-typ halvledaren flyter in i p-regionen, medan den fria elektronhalvledaren i p-regionen flyter in i n-regionen, och strömmen kommer att flyta.
Fototransistorer är inte lika känsliga som fotodioder, men de har också effekten att förstärka utsignalen till hundratals till 1 000 gånger insignalen (på grund av det interna elektriska fältet). Därför är de tillräckligt känsliga för att fånga upp även svaga signaler, vilket är en fördel.
Faktum är att den "ljusblockerare" vi ser är en elektronisk apparat med samma princip och mekanism.
Ljusbrytare används dock vanligtvis som sensorer och utför sin roll genom att föra ett ljusblockerande objekt mellan det ljusemitterande elementet och det ljusmottagande elementet. De kan till exempel användas för att detektera mynt och sedlar i varuautomater och bankomater.
② Funktioner
Eftersom optokopplaren överför signaler genom ljus är isoleringen mellan ingångssidan och utgångssidan en viktig egenskap. Hög isolering påverkas inte lätt av brus, men förhindrar också oavsiktligt strömflöde mellan intilliggande kretsar, vilket är extremt effektivt ur säkerhetssynpunkt. Och själva strukturen är relativt enkel och rimlig.
Tack vare sin långa historia är det rika produktsortimentet från olika tillverkare också en unik fördel med optokopplare. Eftersom det inte finns någon fysisk kontakt är slitaget mellan delarna litet och livslängden längre. Å andra sidan finns det också egenskaper som gör att ljusutbytet lätt fluktuerar, eftersom lysdioden långsamt försämras med tiden och temperaturförändringar.
Speciellt när de inre komponenterna i den transparenta plasten blir grumliga under en längre tid, kan det inte ge särskilt bra ljus. Men i vilket fall som helst är livslängden för lång jämfört med den mekaniska kontaktens kontakt.
Fototransistorer är generellt sett långsammare än fotodioder, så de används inte för höghastighetskommunikation. Detta är dock inte en nackdel, eftersom vissa komponenter har förstärkarkretsar på utgångssidan för att öka hastigheten. Faktum är att inte alla elektroniska kretsar behöver öka hastigheten.
③ Användning
Fotoelektriska kopplareanvänds huvudsakligen för switchning. Kretsen strömförsörjs genom att slå på switchen, men med tanke på ovanstående egenskaper, särskilt isolering och lång livslängd, är den väl lämpad för scenarier som kräver hög tillförlitlighet. Till exempel är brus en fiende för medicinsk elektronik och ljudutrustning/kommunikationsutrustning.
Den används också i motorstyrningssystem. Anledningen till motorn är att hastigheten styrs av växelriktaren när den drivs, men den genererar buller på grund av den höga effekten. Detta buller kommer inte bara att orsaka att själva motorn går sönder, utan också att flöda genom "jorden" och påverka kringutrustning. Särskilt utrustning med långa kablar är lätt att fånga upp detta höga ljud, så om det händer i fabriken kommer det att orsaka stora förluster och ibland allvarliga olyckor. Genom att använda högisolerade optokopplare för omkoppling kan påverkan på andra kretsar och enheter minimeras.
För det andra, hur man väljer och använder optokopplare
Hur använder man rätt optokopplare för tillämpningar inom produktdesign? Följande utvecklingsingenjörer för mikrokontroller kommer att förklara hur man väljer och använder optokopplare.
① Alltid öppen och alltid stängd
Det finns två typer av fotokopplare: en typ där strömbrytaren är avstängd (off) när ingen spänning finns, en typ där strömbrytaren är påslagen (off) när spänning finns, och en typ där strömbrytaren är påslagen när det inte finns någon spänning. Sätter på och stänger av när spänning finns.
Den förra kallas normalt öppen, och den senare kallas normalt stängd. Hur man väljer beror först på vilken typ av krets man behöver.
② Kontrollera utströmmen och den pålagda spänningen
Fotokopplare har egenskapen att förstärka signalen, men de leder inte alltid igenom spänning och ström efter behag. Naturligtvis är det märkt, men en spänning måste appliceras från ingångssidan i enlighet med önskad utgångsström.
Om vi tittar på produktdatabladet kan vi se ett diagram där den vertikala axeln är utgångsströmmen (kollektorströmmen) och den horisontella axeln är ingångsspänningen (kollektor-emitterspänningen). Kollektorströmmen varierar beroende på LED-ljusintensiteten, så applicera spänningen enligt önskad utgångsström.
Man kan dock tycka att den beräknade utströmmen här är förvånansvärt liten. Detta är det strömvärde som fortfarande kan matas ut på ett tillförlitligt sätt efter att man tagit hänsyn till lysdiodens försämring över tid, så det är mindre än den maximala märkströmmen.
Tvärtom finns det fall där utgångsströmmen inte är stor. Var därför noga med att kontrollera "utgångsströmmen" noggrant när du väljer optokopplare och välj den produkt som matchar den.
③ Maximal ström
Den maximala ledningsströmmen är det maximala strömvärde som optokopplaren tål vid ledning. Återigen måste vi se till att vi vet hur mycket effekt projektet behöver och vad ingångsspänningen är innan vi köper. Se till att det maximala värdet och den använda strömmen inte är gränser, men att det finns en viss marginal.
④ Ställ in fotokopplaren korrekt
När vi har valt rätt optokopplare kan vi använda den i ett verkligt projekt. Själva installationen är enkel, anslut bara terminalerna som är anslutna till varje ingångskrets och utgångskrets. Var dock försiktig så att ingångs- och utgångssidan inte riktas fel. Därför måste du också kontrollera symbolerna i datatabellen, så att du inte upptäcker att foten på den fotoelektriska kopplaren är fel efter att du ritat kretskortet.
Publiceringstid: 29 juli 2023