Optoizolatory, czyli elementy łączące obwody wykorzystujące jako medium sygnały optyczne, są elementami stosowanymi w dziedzinach, w których wymagana jest wysoka precyzja, np. w akustyce, medycynie i przemyśle, ze względu na ich dużą uniwersalność i niezawodność, np. trwałość i izolację.
Ale kiedy i w jakich okolicznościach działa optoizolator i jaka jest jego zasada działania? Albo kiedy faktycznie używasz optoizolatora w swojej pracy z elektroniką, możesz nie wiedzieć, jak go wybrać i używać. Ponieważ optoizolator jest często mylony z „fototranzystorem” i „fotodiodą”. Dlatego w tym artykule przedstawimy, czym jest optoizolator.
Czym jest transoptor?
Optoizolator to element elektroniczny, którego etymologia jest optyczna
coupler, co oznacza „sprzęganie ze światłem”. Czasami nazywany również optoizolatorem, izolatorem optycznym, izolacją optyczną itp. Składa się z elementu emitującego światło i elementu odbierającego światło oraz łączy obwód wejściowy z obwodem wyjściowym za pomocą sygnału optycznego. Nie ma połączenia elektrycznego między tymi obwodami, innymi słowy, w stanie izolacji. Dlatego połączenie obwodu między wejściem i wyjściem jest oddzielne i przesyłany jest tylko sygnał. Bezpiecznie łącz obwody o znacząco różnych poziomach napięcia wejściowego i wyjściowego, z izolacją wysokiego napięcia między wejściem i wyjściem.
Ponadto, przesyłając lub blokując ten sygnał świetlny, działa jak przełącznik. Szczegółowa zasada i mechanizm zostaną wyjaśnione później, ale elementem emitującym światło fotokomórki jest dioda LED (dioda elektroluminescencyjna).
Od lat 60. do 70. XX wieku, kiedy wynaleziono diody LED i nastąpił znaczący postęp technologiczny w ich zakresie,optoelektronikastał się boomem. W tym czasie, różneurządzenia optycznezostały wynalezione, a sprzęgacz fotoelektryczny był jednym z nich. Następnie optoelektronika szybko przeniknęła do naszego życia.
① Zasada/mechanizm
Zasada działania optoizolatora polega na tym, że element emitujący światło zamienia wejściowy sygnał elektryczny na światło, a element odbierający światło przesyła z powrotem sygnał elektryczny światła do obwodu wyjściowego. Element emitujący światło i element odbierający światło znajdują się wewnątrz bloku światła zewnętrznego, a oba są naprzeciw siebie, aby przesyłać światło.
Półprzewodnikiem używanym w elementach emitujących światło jest dioda LED (light-emitting diode). Z drugiej strony istnieje wiele rodzajów półprzewodników używanych w urządzeniach odbierających światło, w zależności od środowiska użytkowania, rozmiaru zewnętrznego, ceny itp., ale ogólnie rzecz biorąc, najczęściej używany jest fototranzystor.
Gdy fototranzystory nie pracują, przenoszą mniej prądu niż zwykłe półprzewodniki. Gdy światło pada na nie, fototranzystor generuje siłę fotoelektromotoryczną na powierzchni półprzewodnika typu P i półprzewodnika typu N, dziury w półprzewodniku typu N przepływają do obszaru p, półprzewodnik o swobodnych elektronach w obszarze p przepływają do obszaru n, a prąd będzie płynął.
Fototranzystory nie są tak czułe jak fotodiody, ale mają również efekt wzmacniania sygnału wyjściowego do setek do 1000 razy w stosunku do sygnału wejściowego (ze względu na wewnętrzne pole elektryczne). Dlatego są wystarczająco czułe, aby wychwycić nawet słabe sygnały, co jest zaletą.
W rzeczywistości „blokada światła”, którą widzimy, jest urządzeniem elektronicznym, które działa na tej samej zasadzie i ma ten sam mechanizm.
Jednakże przerywacze światła są zwykle używane jako czujniki i wykonują swoją rolę, przepuszczając obiekt blokujący światło między elementem emitującym światło a elementem odbierającym światło. Na przykład, może być używany do wykrywania monet i banknotów w automatach vendingowych i bankomatach.
② Funkcje
Ponieważ optoizolator przesyła sygnały za pomocą światła, izolacja między stroną wejściową a stroną wyjściową jest główną cechą. Wysoka izolacja nie jest podatna na zakłócenia, ale zapobiega również przypadkowemu przepływowi prądu między sąsiednimi obwodami, co jest niezwykle skuteczne pod względem bezpieczeństwa. A sama struktura jest stosunkowo prosta i rozsądna.
Ze względu na długą historię, bogata oferta produktów różnych producentów jest również unikalną zaletą optoizolatorów. Ponieważ nie ma fizycznego kontaktu, zużycie między częściami jest niewielkie, a żywotność dłuższa. Z drugiej strony, istnieją również cechy, że wydajność świetlna łatwo ulega wahaniom, ponieważ dioda LED będzie się powoli pogarszać wraz z upływem czasu i zmianami temperatury.
Zwłaszcza gdy wewnętrzny składnik przezroczystego plastiku przez długi czas staje się mętny, nie może być bardzo dobrym światłem. Jednak w każdym przypadku żywotność jest zbyt długa w porównaniu do kontaktu styku mechanicznego.
Fototranzystory są na ogół wolniejsze od fotodiod, więc nie są używane do szybkiej komunikacji. Nie jest to jednak wadą, ponieważ niektóre komponenty mają obwody wzmacniające po stronie wyjściowej, aby zwiększyć prędkość. W rzeczywistości nie wszystkie obwody elektroniczne muszą zwiększać prędkość.
③ Zastosowanie
Sprzęgła fotoelektrycznesą głównie używane do operacji przełączania. Obwód będzie zasilany przez włączenie przełącznika, ale z punktu widzenia powyższych cech, szczególnie izolacji i długiej żywotności, jest on dobrze przystosowany do scenariuszy wymagających wysokiej niezawodności. Na przykład hałas jest wrogiem elektroniki medycznej i sprzętu audio/sprzętu komunikacyjnego.
Jest on również stosowany w układach napędowych silników. Powodem dla którego silnik jest napędzany, jest to, że jego prędkość jest kontrolowana przez falownik, gdy jest napędzany, ale generuje on hałas z powodu wysokiej mocy wyjściowej. Hałas ten nie tylko spowoduje awarię samego silnika, ale także przepłynie przez „uziemienie” wpływając na urządzenia peryferyjne. W szczególności urządzenia z długim okablowaniem łatwo wychwytują ten wysoki hałas wyjściowy, więc jeśli zdarzy się to w fabryce, spowoduje duże straty, a czasami poważne wypadki. Dzięki zastosowaniu wysoce izolowanych optoizolatorów do przełączania, wpływ na inne obwody i urządzenia może zostać zminimalizowany.
Po drugie, jak wybierać i używać optoizolatorów
Jak używać właściwego optoizolatora do zastosowań w projektowaniu produktów? Następujący inżynierowie rozwoju mikrokontrolerów wyjaśnią, jak wybierać i używać optoizolatorów.
① Zawsze otwieraj i zawsze zamykaj
Istnieją dwa typy fotoizolatorów: typ, w którym przełącznik jest wyłączony (off), gdy nie jest przyłożone napięcie, typ, w którym przełącznik jest włączony (off), gdy jest przyłożone napięcie, oraz typ, w którym przełącznik jest włączony, gdy nie ma napięcia. Przyłóż i wyłącz, gdy przyłożone jest napięcie.
Pierwszy nazywa się normalnie otwarty, a drugi normalnie zamknięty. Jak wybrać, zależy najpierw od tego, jakiego rodzaju obwodu potrzebujesz.
② Sprawdź prąd wyjściowy i napięcie przyłożone
Fotoizolatory mają właściwość wzmacniania sygnału, ale nie zawsze przepuszczają napięcie i prąd według woli. Oczywiście, są one znamionowane, ale napięcie musi być przyłożone od strony wejściowej zgodnie z pożądanym prądem wyjściowym.
Jeśli spojrzymy na kartę danych produktu, możemy zobaczyć wykres, gdzie oś pionowa to prąd wyjściowy (prąd kolektora), a oś pozioma to napięcie wejściowe (napięcie kolektor-emiter). Prąd kolektora zmienia się w zależności od intensywności światła LED, więc zastosuj napięcie zgodnie z pożądanym prądem wyjściowym.
Można jednak pomyśleć, że obliczony tutaj prąd wyjściowy jest zaskakująco mały. Jest to wartość prądu, który nadal może być niezawodnie wyprowadzony po uwzględnieniu pogorszenia się stanu diody LED w czasie, więc jest mniejsza od maksymalnej wartości znamionowej.
Wręcz przeciwnie, zdarzają się przypadki, w których prąd wyjściowy nie jest duży. Dlatego wybierając optoizolator, należy dokładnie sprawdzić „prąd wyjściowy” i wybrać produkt, który do niego pasuje.
③ Maksymalny prąd
Maksymalny prąd przewodzenia to maksymalna wartość prądu, jaką optoizolator może wytrzymać podczas przewodzenia. Ponownie, musimy upewnić się, że wiemy, ile mocy wyjściowej potrzebuje projekt i jakie jest napięcie wejściowe, zanim dokonamy zakupu. Upewnij się, że maksymalna wartość i używany prąd nie są limitami, ale że istnieje pewien margines.
④ Ustaw poprawnie fotoizolator
Po wybraniu właściwego optoizolatora, użyjmy go w prawdziwym projekcie. Sama instalacja jest łatwa, wystarczy podłączyć zaciski podłączone do każdego obwodu wejściowego i wyjściowego. Należy jednak uważać, aby nie pomylić orientacji strony wejściowej i wyjściowej. Dlatego należy również sprawdzić symbole w tabeli danych, aby nie okazało się, że stopka fotoizolatora jest nieprawidłowa po narysowaniu płytki PCB.
Czas publikacji: 29-07-2023