Optokoppler, die Schaltkreise über optische Signale verbinden, sind aufgrund ihrer hohen Vielseitigkeit und Zuverlässigkeit sowie Haltbarkeit und Isolierung ein aktives Element in Bereichen, in denen hohe Präzision unabdingbar ist, wie etwa in der Akustik, Medizin und Industrie.
Doch wann und unter welchen Umständen funktioniert ein Optokoppler und welches Prinzip steckt dahinter? Auch wenn Sie einen Fotokoppler in Ihrer Elektronikarbeit verwenden, wissen Sie möglicherweise nicht, wie Sie ihn auswählen und verwenden sollen. Optokoppler werden oft mit „Fototransistor“ und „Fotodiode“ verwechselt. Daher wird in diesem Artikel erläutert, was ein Fotokoppler ist.
Was ist ein Optokoppler?
Der Optokoppler ist eine elektronische Komponente, deren Etymologie optisch ist
Koppler, was „Kopplung mit Licht“ bedeutet. Manchmal auch als Optokoppler, optischer Isolator, optische Isolierung usw. bekannt. Er besteht aus einem lichtemittierenden und einem lichtempfangenden Element und verbindet Eingangs- und Ausgangsschaltung über ein optisches Signal. Zwischen diesen Schaltungen besteht keine elektrische Verbindung, sie sind also isoliert. Daher ist die Schaltungsverbindung zwischen Eingang und Ausgang getrennt, und nur das Signal wird übertragen. Sichere Verbindung von Schaltungen mit deutlich unterschiedlichen Eingangs- und Ausgangsspannungspegeln durch Hochspannungsisolierung zwischen Eingang und Ausgang.
Darüber hinaus fungiert er durch das Durchlassen oder Blockieren dieses Lichtsignals als Schalter. Das detaillierte Prinzip und der Mechanismus werden später erläutert, aber das lichtemittierende Element des Optokopplers ist eine LED (Leuchtdiode).
Von den 1960er bis zu den 1970er Jahren, als LEDs erfunden wurden und ihre technologischen Fortschritte bedeutend waren,Optoelektronikerlebte einen Boom. Zu dieser Zeitoptische Gerätewurden erfunden, und der Photokoppler war einer davon. Anschließend drang die Optoelektronik schnell in unser Leben ein.
① Prinzip/Mechanismus
Das Prinzip des Optokopplers besteht darin, dass das Licht emittierende Element das elektrische Eingangssignal in Licht umwandelt und das Licht empfangende Element das elektrische Lichtsignal an die Ausgangsschaltung zurücksendet. Das Licht emittierende Element und das Licht empfangende Element befinden sich im Inneren des externen Lichtblocks und stehen sich gegenüber, um Licht zu übertragen.
Der in lichtemittierenden Elementen verwendete Halbleiter ist die LED (Leuchtdiode). Andererseits gibt es viele Arten von Halbleitern für lichtempfangende Geräte, abhängig von Einsatzumgebung, Größe, Preis usw., aber im Allgemeinen wird der Fototransistor am häufigsten verwendet.
Im Ruhezustand leiten Fototransistoren nur einen geringen Strom als herkömmliche Halbleiter. Bei Lichteinfall erzeugt der Fototransistor eine photoelektromotorische Kraft auf der Oberfläche des p-Typ-Halbleiters und des n-Typ-Halbleiters. Die Löcher im n-Typ-Halbleiter fließen in die p-Region, die freien Elektronen im Halbleiter der p-Region in die n-Region, und es fließt Strom.
Fototransistoren reagieren zwar nicht so schnell wie Fotodioden, verstärken das Ausgangssignal aber aufgrund des internen elektrischen Felds um das Hundert- bis Tausendfache des Eingangssignals. Daher sind sie empfindlich genug, um auch schwache Signale zu erfassen, was ein Vorteil ist.
Tatsächlich handelt es sich bei dem abgebildeten „Lichtblocker“ um ein elektronisches Gerät mit demselben Prinzip und Mechanismus.
Lichtunterbrecher werden jedoch üblicherweise als Sensoren eingesetzt und erfüllen ihre Funktion, indem sie ein lichtblockierendes Objekt zwischen dem lichtemittierenden und dem lichtempfangenden Element hindurchführen. Sie können beispielsweise zur Erkennung von Münzen und Banknoten in Verkaufsautomaten und Geldautomaten eingesetzt werden.
② Funktionen
Da der Optokoppler Signale durch Licht überträgt, ist die Isolierung zwischen Eingangs- und Ausgangsseite ein wichtiges Merkmal. Eine hohe Isolierung wird nicht leicht durch Rauschen beeinträchtigt, verhindert aber auch einen unbeabsichtigten Stromfluss zwischen benachbarten Schaltkreisen, was hinsichtlich der Sicherheit äußerst effektiv ist. Und die Struktur selbst ist relativ einfach und sinnvoll.
Aufgrund ihrer langen Geschichte und der umfangreichen Produktpalette verschiedener Hersteller ist ein weiterer einzigartiger Vorteil von Optokopplern. Da kein physischer Kontakt besteht, ist der Verschleiß zwischen den Teilen gering und die Lebensdauer länger. Andererseits schwankt die Lichtausbeute leicht, da die LED mit der Zeit und Temperaturschwankungen langsam nachlässt.
Insbesondere wenn die inneren Komponenten des transparenten Kunststoffs über einen längeren Zeitraum trüb werden, kann dies zu einer schlechten Lichtverteilung führen. Die Lebensdauer ist jedoch im Vergleich zum mechanischen Kontaktkontakt in jedem Fall zu lang.
Fototransistoren sind im Allgemeinen langsamer als Fotodioden und werden daher nicht für Hochgeschwindigkeitskommunikation eingesetzt. Dies ist jedoch kein Nachteil, da einige Komponenten ausgangsseitig über Verstärkerschaltungen zur Geschwindigkeitserhöhung verfügen. Tatsächlich ist eine höhere Geschwindigkeit nicht für alle elektronischen Schaltungen erforderlich.
③ Verwendung
Optoelektronische Kopplerwerden hauptsächlich für Schaltvorgänge verwendet. Der Stromkreis wird durch Einschalten des Schalters mit Strom versorgt. Aufgrund der oben genannten Eigenschaften, insbesondere der Isolierung und der langen Lebensdauer, eignet er sich jedoch gut für Szenarien, die eine hohe Zuverlässigkeit erfordern. Beispielsweise ist Rauschen der Feind von medizinischer Elektronik und Audio-/Kommunikationsgeräten.
Es wird auch in Motorantriebssystemen eingesetzt. Der Grund dafür ist, dass die Drehzahl des Motors beim Betrieb durch den Wechselrichter gesteuert wird. Aufgrund der hohen Leistung erzeugt er jedoch Geräusche. Diese Geräusche führen nicht nur zum Ausfall des Motors selbst, sondern fließen auch über die Erde und beeinträchtigen Peripheriegeräte. Insbesondere Geräte mit langen Kabeln nehmen diese hohen Ausgangsgeräusche leicht auf. Wenn dies in der Fabrik auftritt, führt dies zu hohen Verlusten und manchmal zu schweren Unfällen. Durch den Einsatz hochisolierter Optokoppler zum Schalten können die Auswirkungen auf andere Schaltkreise und Geräte minimiert werden.
Zweitens, wie man Optokoppler auswählt und verwendet
Wie verwendet man den richtigen Optokoppler für die Anwendung im Produktdesign? Die folgenden Mikrocontroller-Entwicklungsingenieure erklären die Auswahl und Verwendung von Optokopplern.
① Immer offen und immer geschlossen
Es gibt zwei Arten von Optokopplern: einen Typ, bei dem der Schalter ausgeschaltet (aus) ist, wenn keine Spannung anliegt, einen Typ, bei dem der Schalter eingeschaltet (aus) ist, wenn eine Spannung anliegt, und einen Typ, bei dem der Schalter eingeschaltet (aus) ist, wenn keine Spannung anliegt. Anlegen und ausschalten, wenn Spannung anliegt.
Ersteres wird als Schließer bezeichnet, letzteres als Öffner. Die Wahl hängt zunächst davon ab, welche Art von Schaltung Sie benötigen.
② Überprüfen Sie den Ausgangsstrom und die angelegte Spannung
Optokoppler haben die Eigenschaft, das Signal zu verstärken, leiten Spannung und Strom aber nicht immer beliebig weiter. Zwar ist die Nennspannung gegeben, jedoch muss eingangsseitig eine Spannung entsprechend dem gewünschten Ausgangsstrom angelegt werden.
Im Produktdatenblatt finden wir ein Diagramm, in dem die vertikale Achse den Ausgangsstrom (Kollektorstrom) und die horizontale Achse die Eingangsspannung (Kollektor-Emitter-Spannung) darstellt. Der Kollektorstrom variiert je nach LED-Lichtintensität. Legen Sie daher die Spannung entsprechend dem gewünschten Ausgangsstrom an.
Der hier berechnete Ausgangsstrom erscheint jedoch überraschend gering. Es handelt sich um den Stromwert, der auch unter Berücksichtigung der Abnutzung der LED im Laufe der Zeit noch zuverlässig ausgegeben werden kann. Er liegt also unter der maximalen Nennleistung.
Im Gegenteil, es gibt Fälle, in denen der Ausgangsstrom nicht groß ist. Achten Sie daher bei der Auswahl des Optokopplers sorgfältig auf den „Ausgangsstrom“ und wählen Sie das passende Produkt aus.
③ Maximaler Strom
Der maximale Leitungsstrom ist der maximale Stromwert, den der Optokoppler im leitenden Zustand aushalten kann. Auch hier müssen wir vor dem Kauf sicherstellen, dass wir wissen, wie viel Leistung das Projekt benötigt und wie hoch die Eingangsspannung ist. Stellen Sie sicher, dass der Maximalwert und der verwendete Strom keine Grenzen darstellen, sondern einen gewissen Spielraum bieten.
④ Stellen Sie den Optokoppler richtig ein
Nachdem wir den richtigen Optokoppler ausgewählt haben, setzen wir ihn in einem realen Projekt ein. Die Installation selbst ist einfach: Verbinden Sie einfach die Klemmen der Eingangs- und Ausgangsschaltung. Achten Sie jedoch darauf, Eingangs- und Ausgangsseite nicht zu vertauschen. Überprüfen Sie daher auch die Symbole in der Datentabelle, damit Sie nach dem Zeichnen der Leiterplatte nicht feststellen, dass der Fuß des Optokopplers falsch ist.
Beitragszeit: 29. Juli 2023