Op 2024/08/28 353

Fotokouplers, opto-kopers en opto-isolators uitgelegd

In de wereld van elektronica is het echt belangrijk om ervoor te zorgen dat signalen soepel en veilig van het ene circuit naar het andere kunnen bewegen, vooral wanneer deze circuits werken met verschillende spanningsniveaus of worden beïnvloed door elektrische ruis.Fotokouplers, die ook wel optocouplers of opto-isolators worden genoemd, helpen dit mogelijk te maken.Deze kleine apparaten gebruiken licht om signalen tussen circuits te verzenden terwijl ze gescheiden houden, wat helpt gevoelige onderdelen te beschermen tegen schade.In dit artikel zullen we onderzoeken hoe fotokouters werken, waar ze worden gebruikt en waarom ze vandaag zo nuttig zijn in elektronica.

Catalogus

Afbeelding 1: Component fotokoupler

Fotokouplers begrijpen

Fotocouplers, ook wel optocouplers genoemd of optoisolators, zijn apparaten waarmee signalen van het ene elektrische circuit naar het andere kunnen overgaan, terwijl ze ze van elkaar gescheiden houden.De belangrijkste taak van een fotokoupler is ervoor te zorgen dat signalen van het ene circuit niet interfereren met een ander, vooral wanneer de circuits verschillende spanningsniveaus hebben of wanneer een circuit elektrische ruis kan hebben.Deze scheiding wordt gedaan met behulp van licht, zodat het signaal kan worden doorgegeven zonder een directe elektrische verbinding.

Figuur 2: Dwarsdoorsnede en symbool van een fotocoupler

Delen van een fotokoupler

Een fotokoupler heeft twee hoofdonderdelen:

Licht emitting diode (LED): Het eerste deel is de LED, die aan de invoerzijde staat.Deze LED neemt het elektrische signaal en verandert het in licht, meestal in het infraroodbereik.Infraroodlicht wordt vaak gebruikt omdat het voor dit doel goed werkt en het volgende deel gemakkelijk kan detecteren.

Photodetector: Het tweede deel is de fotodetector, die aan de uitgangskant staat.De fotodetector ontvangt het licht van de LED en verandert het terug in een elektrisch signaal.De fotodetector kan verschillende soorten apparaten zijn, zoals een fototransistor, fotodiode of photodarlington.Het gebruikte type fotodetector heeft invloed op hoe snel het signaal wordt verwerkt, hoe gevoelig het is en hoe sterk het uitgangssignaal zal zijn.

Zowel de LED als de fotodetector bevinden zich in één pakket, dat meestal eruit ziet als een klein geïntegreerd circuit (IC).De LED en de fotodetector zijn fysiek gescheiden, wat erg belangrijk is omdat het ervoor zorgt dat de invoer- en uitvoercircuits niet direct zijn aangesloten.Deze scheiding houdt de circuits veilig tegen elektrische problemen zoals hoge spanning of ruis die gevoelige onderdelen kunnen beschadigen.

Hoe fotocouplers werken?

Een fotokoupler is een apparaat waarmee een signaal tussen twee afzonderlijke circuits kan bewegen, terwijl ze ze elektrisch van elkaar uit elkaar houden.Deze scheiding is zeer nuttig bij het beschermen van delicate, laagspanningsonderdelen tegen hoogspanningspieken en elektrische interferentie.Het proces begint wanneer een spanning wordt toegepast op het ingangscircuit, dat een LED (lichtemitterende diode) in de fotokoupler aandrijft.Deze LED verlicht op, meestal afgeeft van infraroodlicht, dat minder snel wordt verstoord door invloeden van buitenaf.Het licht reist vervolgens over een isolerende barrière om de fotodetector aan de uitgangskant te bereiken.De fotodetector, die een fotodiode, fototransistor of fotothyristor kan zijn, vangt dit licht en verandert het terug in een elektrisch signaal.Dit nieuwe elektrische signaal wordt vervolgens naar het uitgangscircuit verzonden.

De isolerende laag Tussen de LED en de fotodetector houdt de invoer- en uitvoercircuits uit elkaar.Deze scheiding helpt de laagspanningsonderdelen te beschermen tegen schade door hoogspanningspieken of elektrische ruis.Door het licht dat door de isolerende laag gaat, kan het signaal van de ene kant naar de andere gaan zonder fysiek of elektrisch contact, waardoor het voor de circuits veilig is om met elkaar te communiceren.

Zodra de fotodetector het licht van de LED ontvangt, zet het het licht terug in een elektrisch signaal.Dit uitgangssignaal is elektronisch hetzelfde als het ingangssignaal, maar het kan worden versterkt of aangepast, afhankelijk van waarvoor het nodig is.Het signaal wordt vervolgens gebruikt door het uitgangscircuit om de vereiste taak uit te voeren.

Toepassingen van fotocouplers

Fotokouplers worden op grote schaal gebruikt in verschillende elektronische apparaten omdat ze zowel isolatie als duidelijke signaaltransmissie bieden.

Bij veiligheidsbescherming dienen fotokoppers als een barrière tussen hoogspannings- en laagspanningscircuits.Dit isolatie stopt met hoogspanningsschommelingen om gevoelige onderdelen te schaden, wat erg nuttig is in instellingen waar stroompieken veel voorkomen.

Als het gaat om het verminderen van ruis, zijn fotocouplers ongelooflijk nuttig.Ze helpen de effecten van elektrische interferentie te minimaliseren, waardoor het verzonden signaal duidelijk en stabiel blijft.

Bij interface -circuits maken fotocouplers het mogelijk voor verschillende delen van een systeem dat op verschillende spanningsniveaus werkt om veilig te communiceren.Door een fotokoupler te gebruiken, kunt u circuits verbinden zonder het risico op schade door spanningsverschillen.

Fotokouplers zijn ook een belangrijk onderdeel van het schakelen van voedingen.In deze toepassingen houden ze de besturingsonderdelen gescheiden van de hoogspanningsuitgangen, zodat de besturingssignalen stabiel en betrouwbaar blijven, zelfs in zware elektrische omstandigheden.

Opto-coupler en opto-isolatorpakketten

Afbeelding 3: Pakketten voor opto-coupler en opto-isolator

Fotokouplers, ook bekend als opto-couplers of opto-isolatoren, zijn elektronische onderdelen die licht gebruiken om elektrische signalen te verzenden tussen twee circuits die gescheiden moeten worden gehouden.Deze scheiding helpt te voorkomen dat hoge spanningen het circuit beschadigen dat het signaal ontvangt.Het ontwerp en de verpakking van deze onderdelen veranderen, afhankelijk van of ze worden gebruikt in laagspannings- of hoogspanningssituaties.

Laagspanningstoepassingen: Bij laagspanningsinstellingen worden opto-couplers meestal te vinden in pakketten die eruit zien als standaard dual-in-line (DIL) geïntegreerde circuits (IC's) of Small Outline Integrated Circuit (SoIc) -pakketten.Deze formaten worden vaak gebruikt in Surface Mount Technology (SMT), waardoor ze gemakkelijk te passen zijn in moderne, compacte elektronische ontwerpen.Met de verpakking kan het onderdeel eenvoudig worden opgenomen in gedrukte printplaten (PCB's), terwijl het nog steeds verschillende secties van een circuit gescheiden houdt.

Hoogspanningstoepassingen: Voor hoogspanningssituaties worden opto-isolatoren vaak ontworpen met sterkere verpakking om hogere isolatiespanningen te verwerken.Deze pakketten kunnen rechthoekig of cilindrisch zijn en worden gemaakt om meer bescherming te bieden dan standaard IC -pakketten.Deze functie is handig in stroomsystemen of andere opstellingen waarbij het spanningsverschil tussen circuits groot kan zijn, waardoor extra veiligheidsmaatregelen nodig zijn.

Fotokoupler -terminologie en symbolen

Figuur 4: Circuitdiagramsymbool van een fotokoupler

Hoewel "Opto-Coupler" en "Opto-Isolator" vaak worden gebruikt om hetzelfde te betekenen, zijn er kleine verschillen tussen hen op basis van hoe ze worden gebruikt:

Optope-couple Verwijst meestal naar onderdelen die worden gebruikt in systemen waar het spanningsverschil tussen circuits niet meer dan 5.000 volt duurt.Deze onderdelen worden vaak gebruikt voor het verzenden van analoge of digitale signalen over afzonderlijke circuits in verschillende elektronische opstellingen.

Opto-isolators zijn speciaal gemaakt voor gebruik in krachtige systemen waar het spanningsverschil meer dan 5.000 volt kan zijn.De belangrijkste taak is vergelijkbaar - om signalen te verzenden terwijl de elektrische scheiding wordt behouden - maar deze onderdelen zijn gemaakt om de meer veeleisende elektrische opstellingen te verwerken die worden gevonden in stroomverdeling en industriële systemen.

In circuitdiagrammen toont het symbool voor een opto-koppeler meestal een LED (die als de zender werkt) aan de ene kant en een fototransistor of fotodarlington (die op de andere kant als ontvanger fungeert).Dit symbool laat zien hoe het onderdeel aan de binnenkant werkt en laat zien hoe licht wordt gebruikt om een ​​elektrische link te maken tussen de afzonderlijke circuits.De LED geeft licht af wanneer de stroom erdoorheen stroomt, die vervolgens wordt opgepikt door de fototransistor, waardoor het signaal door kan gaan terwijl de circuits elektrisch gescheiden blijven.

Belangrijke specificaties van fotocouplers

Afbeelding 5: Fotokoupler-ingang-output timing en collector-emitterspanningskenmerken

Bij het kiezen van een fotokoupler is het handig om de belangrijkste kenmerken te begrijpen om ervoor te zorgen dat deze aan uw behoeften voldoet.

Stroomoverdrachtsverhouding (CTR): Dit is de verhouding van uitgangsstroom en ingangstroom.In eenvoudiger termen laat het zien hoeveel stroom aan de invoerzijde wordt overgebracht naar de uitvoerzijde.CTR -waarden kunnen sterk variëren, van 10% tot meer dan 5.000%, afhankelijk van het type fotocoupler.Een hogere CTR betekent dat het apparaat effectiever is om het signaal van invoer naar uitgang door te geven, wat belangrijk is voor toepassingen waar precieze signaalregeling nodig is.

Bandbreedte: Deze functie vertelt u de maximale snelheid waarmee de fotokoupler gegevens kan verwerken.Fototransistor-gebaseerde fotocouplers hebben meestal een bandbreedte van ongeveer 250 kHz, waardoor ze geschikt zijn voor veel gemeenschappelijke toepassingen.Als u echter iets sneller nodig hebt, houd er dan rekening mee dat fotocouplers gebaseerde fotocouplers misschien langzamer kunnen zijn vanwege hun ontwerp, wat beïnvloedt hoe snel ze reageren.

Invoerstroom: Dit verwijst naar de hoeveelheid stroom die nodig is om de LED aan de invoerzijde van de fotokoupler van stroom te voorzien.De invoerstroom is een belangrijke factor omdat deze beïnvloedt hoeveel vermogen het apparaat gebruikt en hoe goed het werkt met de andere delen van uw circuit.

Uitvoerapparaat Maximale spanning: Voor fotocouplers op basis van transistor is dit de hoogste spanning die de uitgangstransistor aankan.Het is belangrijk om ervoor te zorgen dat deze spanningsclassificatie hoger is dan de maximale spanning die uw toepassing zal gebruiken, om het apparaat te voorkomen.

Verschillen tussen fotocouplers en relais voor vaste toestand

Figuur 6: Fotokoupler en vaste statenrelais

Fotokouplers en Solid-state relais (SSR's) Beide gebruiken licht om signalen te isoleren, maar ze worden op verschillende manieren gebruikt op basis van hun ontwerp.

Fotokouplers worden over het algemeen gebruikt in situaties met lage kracht waar het hoofddoel is om signalen te verzenden en te isoleren.Ze zijn ideaal voor het beschermen van gevoelige elektronische onderdelen tegen hoogspanningspieken of ruis, waardoor het signaal netjes van het ene deel van het circuit naar het andere wordt doorgegeven.

Solid-state relais (SSR's) zijn daarentegen ontworpen om hogere vermogensniveaus te wisselen.In tegenstelling tot fotokouplers hebben SSR's vaak extra onderdelen zoals overspanningsbeveiliging en nul-kruisingschakeling (voor AC-signalen), waardoor de elektrische ruis wordt verminderd en het relais langer duurt.SSR's zijn meestal groter en omdat ze hogere stromen afhandelen, hebben ze vaak koellichamen nodig om warmte- en schroefterminals te beheren voor beveiligde verbindingen.

Conclusie

Fotokouplers helpen circuits veilig te houden en goed te werken door signalen door te laten terwijl de circuits gescheiden houden.Ze beschermen laagspanningscircuits tegen hoogspanningspieken en verminderen elektrische ruis, waardoor ze op veel elektronische apparaten zeer nuttig zijn.Of ze worden gebruikt om eenvoudig signalen tussen circuits of in meer complexe energiesystemen door te geven, het kiezen van de juiste fotocoupler-of het nu een standaard opto-koppel of een sterkere opto-isolator is-kan een groot verschil maken in hoe goed een elektronisch systeem werkt.Naarmate de technologie blijft vorderen, blijven deze apparaten zeer nuttig en fungeren ze als beschermers van onze elektronische apparaten.

Veelgestelde vragen [FAQ]

1. Wat is de toepassing van een opto-isolator?

De toepassing van een opto-isolator is om verschillende delen van een circuit gescheiden te houden, terwijl signalen ertussen kunnen passeren.Dit helpt gevoelige delen van een circuit te beschermen tegen hoogspanningspieken of elektrische ruis.Opto-isolatoren worden vaak gebruikt in voedingen, microcontroller-interfaces en industriële controlesystemen om schade aan laagspanningscomponenten te voorkomen.

2. Wanneer moet u een opto-isolator gebruiken?

U moet een opto-isolator gebruiken wanneer u laagspanningsonderdelen van een circuit moet beschermen tegen hoge spanningstieken of elektrische ruis.Het is ook handig wanneer verschillende delen van uw systeem moeten samenwerken zonder direct verbonden te zijn.Dit is handig wanneer circuits verschillende grondniveaus hebben of wanneer ze om veiligheidsredenen elektrisch gescheiden moeten blijven.

3. Wat is het primaire doel van een optocoupler?

Het primaire doel van een optocoupler is om signalen tussen twee afzonderlijke circuits te laten passeren met behulp van licht, terwijl de circuits elektrisch uit elkaar worden gehouden.Dit voorkomt dat hoogspanningscircuits niet-spanningscircuits beïnvloeden, waardoor delicate onderdelen worden beschadigd om te worden beschadigd.

4. Waarom zou u een optocoupler gebruiken in plaats van een relais?

U zou een optocoupler gebruiken in plaats van een relais wanneer u sneller schakelen nodig hebt, een langere levensduur en stillere werking.In tegenstelling tot relais hebben optocouplers geen bewegende delen, zodat ze sneller kunnen schakelen en langer kunnen duren.Ze nemen ook minder ruimte in beslag en bieden een betere elektrische isolatie.

5. Wat zijn de nadelen van optocouplers?

De nadelen van optocouplers omvatten hun beperkte vermogen om hoge stroom en spanning af te handelen in vergelijking met relais.Sommige optocouplers, vooral die met fototransistors, kunnen langzamer zijn om te reageren.Ze kunnen ook na verloop van tijd verslijten omdat de LED binnenin degradeert.Optocouplers zijn misschien niet de beste keuze voor het beheersen van zeer hoog vermogen, waarbij relais of solid-state relais beter zouden werken.