Optokoppler, die Schaltkreise mit optischen Signalen als Medium verbinden, sind aufgrund ihrer hohen Vielseitigkeit und Zuverlässigkeit, wie Haltbarkeit und Isolierung, ein aktives Element in Bereichen, in denen hohe Präzision unverzichtbar ist, wie etwa in der Akustik, Medizin und Industrie.
Doch wann und unter welchen Umständen funktioniert der Optokoppler und welches Prinzip steckt dahinter?Oder wenn Sie den Optokoppler tatsächlich in Ihrer eigenen Elektronikarbeit verwenden, wissen Sie möglicherweise nicht, wie Sie ihn auswählen und verwenden sollen.Denn Optokoppler wird oft mit „Fototransistor“ und „Fotodiode“ verwechselt.Daher wird in diesem Artikel vorgestellt, 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 Element und einem lichtempfangenden Element und verbindet den eingangsseitigen Schaltkreis und den ausgangsseitigen Schaltkreis über ein optisches Signal.Es besteht keine elektrische Verbindung zwischen diesen Stromkreisen, d. h. sie befinden sich im Zustand der Isolation.Daher ist die Schaltungsverbindung zwischen Eingang und Ausgang getrennt und es wird nur das Signal übertragen.Schließen Sie Stromkreise mit deutlich unterschiedlichen Eingangs- und Ausgangsspannungspegeln sicher an, mit Hochspannungsisolierung zwischen Eingang und Ausgang.
Darüber hinaus fungiert es durch das Senden oder Blockieren dieses Lichtsignals als Schalter.Das detaillierte Prinzip und der Mechanismus werden später erklärt, aber das lichtemittierende Element des Fotokopplers ist eine LED (lichtemittierende Diode).
Von den 1960er bis 1970er Jahren, als LEDs erfunden wurden und ihre technologischen Fortschritte bedeutend waren,Optoelektronikwurde zum Boom.Damals verschiedeneoptische Gerätewurden erfunden, und der fotoelektrische Koppler war einer davon.Anschließend drang die Optoelektronik schnell in unser Leben ein.
① Prinzip/Mechanismus
Das Prinzip des Optokopplers besteht darin, dass das lichtemittierende Element das elektrische Eingangssignal in Licht umwandelt und das lichtempfangende Element das elektrische Lichtsignal zurück an die ausgangsseitige Schaltung überträgt.Das lichtemittierende Element und das lichtempfangende Element befinden sich im Inneren des Außenlichtblocks und die beiden liegen einander gegenüber, um Licht zu übertragen.
Der in lichtemittierenden Elementen verwendete Halbleiter ist die LED (Leuchtdiode).Andererseits gibt es je nach Einsatzumgebung, äußerer Größe, Preis usw. viele Arten von Halbleitern, die in lichtempfangenden Geräten verwendet werden, aber im Allgemeinen ist der Fototransistor der am häufigsten verwendete.
Im Ruhezustand führen Fototransistoren nur wenig Strom wie gewöhnliche Halbleiter.Wenn dort Licht einfällt, erzeugt der Fototransistor eine fotoelektromotorische Kraft auf der Oberfläche des P-Typ-Halbleiters und des N-Typ-Halbleiters, die Löcher im N-Typ-Halbleiter fließen in den p-Bereich und die freien Elektronen des Halbleiters fließen in den p-Bereich in den n-Bereich, und der Strom fließt.
Fototransistoren reagieren nicht so schnell wie Fotodioden, haben aber auch den Effekt, dass sie das Ausgangssignal auf das Hundert- bis Tausendfache des Eingangssignals verstärken (aufgrund des internen elektrischen Felds).Daher sind sie empfindlich genug, um auch schwache Signale zu erfassen, was ein Vorteil ist.
Tatsächlich ist der „Lichtblocker“, den wir sehen, ein elektronisches Gerät mit dem gleichen Prinzip und Mechanismus.
Lichtunterbrecher werden jedoch üblicherweise als Sensoren verwendet und erfüllen ihre Aufgabe, indem sie ein lichtblockierendes Objekt zwischen dem lichtemittierenden Element und dem lichtempfangenden Element hindurchführen.Beispielsweise können damit Münzen und Banknoten in Verkaufsautomaten und Geldautomaten erkannt werden.
② Funktionen
Da der Optokoppler Signale durch Licht überträgt, ist die Isolierung zwischen der Eingangsseite und der Ausgangsseite ein wesentliches Merkmal.Eine hohe Isolierung wird nicht so leicht durch Rauschen beeinträchtigt, verhindert aber auch einen unbeabsichtigten Stromfluss zwischen benachbarten Stromkreisen, was im Hinblick auf die Sicherheit äußerst effektiv ist.Und die Struktur selbst ist relativ einfach und vernünftig.
Aufgrund ihrer langen Geschichte ist auch die reichhaltige Produktpalette verschiedener Hersteller ein einzigartiger Vorteil von Optokopplern.Da kein physischer Kontakt besteht, ist der Verschleiß zwischen den Teilen gering und die Lebensdauer länger.Andererseits gibt es auch Merkmale, bei denen die Lichtausbeute leicht schwankt, da die LED im Laufe der Zeit und bei Temperaturänderungen langsam altert.
Besonders wenn die innere Komponente des transparenten Kunststoffs über einen längeren Zeitraum trüb wird, kann das Licht nicht besonders gut sein.Allerdings ist die Lebensdauer im Vergleich zum Kontaktkontakt des mechanischen Kontakts auf jeden Fall zu lang.
Fototransistoren sind im Allgemeinen langsamer als Fotodioden und werden daher nicht für Hochgeschwindigkeitskommunikation verwendet.Dies stellt jedoch keinen Nachteil dar, da einige Komponenten ausgangsseitig über Verstärkungsschaltungen verfügen, um die Geschwindigkeit zu erhöhen.Tatsächlich müssen nicht alle elektronischen Schaltkreise die Geschwindigkeit erhöhen.
③ Verwendung
Photoelektrische Kopplerwerden hauptsächlich für den Schaltbetrieb eingesetzt.Der Stromkreis wird durch Einschalten des Schalters mit Strom versorgt, ist aber im Hinblick auf die oben genannten Eigenschaften, insbesondere Isolierung und lange Lebensdauer, gut für Szenarien geeignet, die eine hohe Zuverlässigkeit erfordern.Lärm ist beispielsweise der Feind von medizinischer Elektronik und Audiogeräten/Kommunikationsgeräten.
Es wird auch in Motorantriebssystemen verwendet.Der Grund für den Motor liegt darin, dass die Drehzahl beim Antrieb vom Wechselrichter gesteuert wird, er aber aufgrund der hohen Leistung Geräusche erzeugt.Dieses Geräusch führt nicht nur zum Ausfall des Motors selbst, sondern strömt auch durch die „Erde“ und beeinflusst die Peripheriegeräte.Insbesondere bei Geräten mit langer Verkabelung ist es leicht, dieses hohe Ausgangsrauschen aufzunehmen. Wenn es also in der Fabrik auftritt, kann es zu großen Verlusten und manchmal auch zu schweren Unfällen kommen.Durch die Verwendung hochisolierter Optokoppler zum Schalten können die Auswirkungen auf andere Schaltkreise und Geräte minimiert werden.
Zweitens, wie man Optokoppler auswählt und verwendet
Wie nutzt man den richtigen Optokoppler für die Anwendung im Produktdesign?Die folgenden Mikrocontroller-Entwicklungsingenieure erklären Ihnen, wie Sie Optokoppler auswählen und verwenden.
① Immer öffnen und immer schließen
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 ausgeschaltet ist ist eingeschaltet, wenn keine Spannung anliegt.Anlegen und ausschalten, wenn Spannung anliegt.
Ersteres wird als normalerweise offen bezeichnet, letzteres als normalerweise geschlossen.Die Auswahl 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, lassen Spannung und Strom jedoch nicht immer beliebig durch.Natürlich ist es Nennwert, allerdings muss entsprechend dem gewünschten Ausgangsstrom eingangsseitig eine Spannung angelegt werden.
Wenn wir uns das Produktdatenblatt ansehen, können wir ein Diagramm sehen, in dem die vertikale Achse den Ausgangsstrom (Kollektorstrom) und die horizontale Achse die Eingangsspannung (Kollektor-Emitter-Spannung) darstellt.Der Kollektorstrom variiert entsprechend der LED-Lichtintensität. Legen Sie daher die Spannung entsprechend dem gewünschten Ausgangsstrom an.
Allerdings könnte man meinen, dass der hier berechnete Ausgangsstrom überraschend klein ist.Dies ist der Stromwert, der unter Berücksichtigung der Verschlechterung der LED im Laufe der Zeit immer noch zuverlässig ausgegeben werden kann und daher unter dem maximalen Nennwert liegt.
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 dazu passende Produkt aus.
③ Maximaler Strom
Der maximale Leitungsstrom ist der maximale Stromwert, dem der Optokoppler im leitenden Zustand standhalten 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 Grenzwerte darstellen, sondern dass ein gewisser Spielraum vorhanden ist.
④ Stellen Sie den Optokoppler richtig ein
Nachdem wir den richtigen Optokoppler ausgewählt haben, verwenden wir ihn in einem realen Projekt.Die Installation selbst ist einfach. Schließen Sie einfach die an jeden Eingangs- und Ausgangskreis angeschlossenen Klemmen an.Es sollte jedoch darauf geachtet werden, dass die Eingangs- und Ausgangsseite nicht falsch ausgerichtet sind.Daher müssen Sie auch die Symbole in der Datentabelle überprüfen, damit Sie nach dem Zeichnen der Leiterplatte nicht feststellen, dass der Fotokopplerfuß falsch ist.
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 29. Juli 2023