Optoizolatory, czyli elementy łączące obwody wykorzystujące jako medium sygnały optyczne, są elementami stosowanymi w dziedzinach, w których wymagana jest wysoka precyzja, takich jak akustyka, medycyna i przemysł. Wynika to z ich dużej uniwersalności i niezawodności, np. trwałości i izolacji.
Ale kiedy i w jakich okolicznościach działa transoptor i na czym polega jego zasada działania? Albo, gdy faktycznie używasz transoptora w swojej pracy z elektroniką, możesz nie wiedzieć, jak go wybrać i używać. Ponieważ transoptor jest często mylony z „fototranzystorem” i „fotodiodą”. Dlatego w tym artykule przybliżymy, czym jest transoptor.
Czym jest fotoizolator?
Optoizolator to element elektroniczny, którego etymologia jest optyczna
Sprzęgacz, co oznacza „sprzęganie 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. Pomiędzy tymi obwodami nie ma połączenia elektrycznego, co oznacza, że są one izolowane. Dlatego połączenie między wejściem a wyjściem jest oddzielne, a przesyłany jest tylko sygnał. Bezpieczne łączenie obwodów o znacząco różnych poziomach napięcia wejściowego i wyjściowego, z izolacją wysokonapięciową między wejściem a wyjściem.
Ponadto, transmitując lub blokując ten sygnał świetlny, działa on jak przełącznik. Szczegółowa zasada i mechanizm działania zostaną wyjaśnione później, ale elementem emitującym światło w transoptorze 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 przekształca wejściowy sygnał elektryczny na światło, a element odbierający światło przekazuje ten sygnał elektryczny z powrotem do obwodu wyjściowego. Element emitujący światło i element odbierający światło znajdują się wewnątrz bloku światła zewnętrznego i są ustawione naprzeciwko siebie, aby umożliwić transmisję światła.
Półprzewodnikiem stosowanym w elementach emitujących światło jest dioda LED (dioda elektroluminescencyjna). Z drugiej strony, istnieje wiele rodzajów półprzewodników stosowanych w urządzeniach odbiorczych, w zależności od środowiska użytkowania, rozmiaru zewnętrznego, ceny itp., ale generalnie najczęściej stosowanym jest fototranzystor.
Gdy fototranzystory nie pracują, przewodzą niewiele prądu w porównaniu ze zwykłymi półprzewodnikami. 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, a półprzewodnik ze swobodnymi elektronami z obszaru p przepływają do obszaru n, co powoduje przepływ prądu.
Fototranzystory nie są tak czułe jak fotodiody, ale wzmacniają sygnał wyjściowy setki do tysiąca razy w stosunku do sygnału wejściowego (dzięki wewnętrznemu polu elektrycznemu). Dzięki temu są wystarczająco czułe, aby wychwycić nawet słabe sygnały, co jest ich zaletą.
W rzeczywistości „blokada światła”, którą widzimy, jest urządzeniem elektronicznym, którego zasada działania i mechanizm są takie same.
Jednak przerywacze światła są zazwyczaj używane jako czujniki i pełnią swoją funkcję, przepuszczając obiekt blokujący światło między elementem emitującym światło a elementem odbierającym światło. Na przykład, mogą być używane do wykrywania monet i banknotów w automatach vendingowych i bankomatach.
② Funkcje
Ponieważ optoizolator przesyła sygnały za pomocą światła, izolacja między stroną wejściową a wyjściową jest jego kluczową cechą. Wysoka izolacja jest odporna na zakłócenia, a jednocześnie zapobiega przypadkowemu przepływowi prądu między sąsiednimi obwodami, co jest niezwykle skuteczne pod względem bezpieczeństwa. Sama konstrukcja jest stosunkowo prosta i przemyślana.
Ze względu na swoją długą historię, bogata oferta produktów różnych producentów stanowi również unikalną zaletę optoizolatorów. Brak fizycznego kontaktu sprawia, że zużycie elementów jest niewielkie, a żywotność dłuższa. Z drugiej strony, ich cechą charakterystyczną jest to, że wydajność świetlna ulega wahaniom, ponieważ dioda LED stopniowo pogarsza się wraz z upływem czasu i zmianami temperatury.
Zwłaszcza, gdy wewnętrzna część przezroczystego tworzywa sztucznego przez długi czas zmętnieje, może to utrudniać jego prawidłowe działanie. Jednak w każdym przypadku żywotność jest zbyt długa w porównaniu z trwałością styków mechanicznych.
Fototranzystory są generalnie wolniejsze niż fotodiody, dlatego nie są wykorzystywane do szybkiej komunikacji. Nie jest to jednak wadą, ponieważ niektóre komponenty posiadają obwody wzmacniające po stronie wyjściowej, które zwiększają prędkość. W rzeczywistości nie wszystkie układy elektroniczne muszą zwiększać prędkość.
③ Zastosowanie
Sprzęgła fotoelektryczneSą one głównie wykorzystywane do operacji przełączania. Obwód będzie zasilany poprzez włączenie przełącznika, ale z punktu widzenia powyższych cech, zwłaszcza izolacji i długiej żywotności, doskonale nadaje się do zastosowań wymagających wysokiej niezawodności. Na przykład, hałas jest wrogiem elektroniki medycznej oraz sprzętu audio/komunikacyjnego.
Jest on również stosowany w układach napędowych silników elektrycznych. Silnik wykorzystuje falownik do sterowania prędkością obrotową, ale generuje hałas ze względu na wysoką moc wyjściową. Hałas ten może nie tylko spowodować awarię samego silnika, ale także przedostać się przez „masę”, oddziałując na urządzenia peryferyjne. W szczególności urządzenia z długim okablowaniem są podatne na ten wysoki poziom hałasu wyjściowego, więc jeśli wystąpi on w fabryce, spowoduje duże straty, a czasami nawet poważne wypadki. Zastosowanie wysoce izolowanych optoizolatorów do przełączania pozwala zminimalizować wpływ tego zjawiska na inne obwody i urządzenia.
Po drugie, jak wybierać i stosować optoizolatory
Jak wybrać odpowiedni optoizolator do zastosowania w projektowaniu produktu? Poniżsi inżynierowie rozwoju mikrokontrolerów wyjaśnią, jak dobierać i stosować optoizolatory.
① Zawsze otwieraj i zawsze zamykaj
Istnieją dwa rodzaje transoptorów: typ, w którym przełącznik jest wyłączany (off), gdy nie jest przyłożone napięcie, typ, w którym przełącznik jest włączany (off), gdy jest przyłożone napięcie, oraz typ, w którym przełącznik jest włączany, gdy nie ma napięcia. Przyłożenie i wyłączenie następuje po przyłożeniu napięcia.
Pierwszy z nich nazywa się normalnie otwartym, a drugi normalnie zamkniętym. Wybór zależy przede wszystkim od rodzaju układu, którego potrzebujesz.
② Sprawdź prąd wyjściowy i napięcie przyłożone
Fotoizolatory mają właściwość wzmacniania sygnału, ale nie zawsze przepuszczają napięcie i prąd zgodnie z potrzebami. Oczywiście, ich parametry są określone, ale napięcie musi być przyłożone od strony wejściowej, zgodnie z pożądanym prądem wyjściowym.
Jeśli spojrzymy na kartę katalogową produktu, zobaczymy wykres, gdzie oś pionowa przedstawia prąd wyjściowy (prąd kolektora), a oś pozioma napięcie wejściowe (napięcie kolektor-emiter). Prąd kolektora zmienia się w zależności od natężenia światła diody LED, dlatego należy zastosować napięcie zgodne z pożądanym prądem wyjściowym.
Można by jednak pomyśleć, że obliczony tutaj prąd wyjściowy jest zaskakująco niski. Jest to wartość prądu, która nadal może być niezawodnie generowana po uwzględnieniu zużycia diody LED z upływem czasu, a zatem jest niższa od maksymalnej wartości znamionowej.
Z drugiej strony, zdarzają się przypadki, w których prąd wyjściowy nie jest duży. Dlatego wybierając optoizolator, należy dokładnie sprawdzić „prąd wyjściowy” i wybrać produkt, który będzie do niego pasował.
③ Maksymalny prąd
Maksymalny prąd przewodzenia to maksymalna wartość prądu, jaką optoizolator może wytrzymać podczas przewodzenia. Ponownie, przed zakupem musimy upewnić się, że znamy zapotrzebowanie projektu na moc wyjściową i napięcie wejściowe. Upewnij się, że wartość maksymalna i prąd użytego urządzenia nie są limitami, ale że istnieje pewien margines bezpieczeństwa.
④ Ustaw poprawnie fotoizolator
Po wybraniu odpowiedniego optoizolatora, możemy go wykorzystać w rzeczywistym projekcie. Sama instalacja jest prosta – wystarczy podłączyć zaciski 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 po narysowaniu płytki PCB nie okazało się, że stopka fotoizolatora jest nieprawidłowa.
Czas publikacji: 29 lipca 2023 r.