Wat is een optocoupler:hoe het werkt en meer?

Wat is een optocoupler? Als PCB-ontwerper, ingenieur of hobbyist heeft u een breed scala aan schakelaars, relais en koppelingen om uw PCB aan te passen. Met alle PCB-componenten en opties die op de markt verkrijgbaar zijn, is het moeilijk om te beslissen welke het beste bij uw project past.

U vraagt ​​zich bijvoorbeeld misschien af ​​wat een optocoupler doet en hoe deze verschilt van elk ander relais. Dit is wat de volgende gids hoopt op te helderen. Daarin zullen we de optocoupler, de verschillende typen ervan, en hoe dit u en uw project ten goede kan komen, onderzoeken.

Wat is een optocoupler

Optocouplers hebben vele namen. Je kunt het een opto-isolator, fotokoppelaar, optische koppelaar, optische isolator of gewoon optocoupler noemen. Sommige mensen noemen ze zelfs opties. Niettemin zijn optocouplers geïntegreerde elektronische componenten. Over het algemeen bestaan ​​de meest basale typen uit een rechthoekig lichaam met vier pinnen. Elke pin is een subcomponent. De eerste pin is de anode , de tweede is de kathode , de derde is de verzamelaar, en de vierde is de zender .

LTV-816 1-kanaals opto-isolator

Bron:Wikimedia Commons

Bovendien is er een cirkelvormige inkeping op de hoek van het hoofdlichaam bij de eerste pin. Het stelt ons in staat om de verschillende pinnen te identificeren. De body bevat ook wat tekst met het onderdeelnummer van de optocoupler. Dienovereenkomstig gebruiken we het om het type optocoupler te identificeren en ook om het gegevensblad van de fabrikant te vinden.

Desalniettemin is de optocoupler in wezen een solid-state relais dat twee afzonderlijke elektronische circuits met elkaar verbindt. Het eerste circuit zal worden aangesloten op de eerste twee pinnen (pin 1 en 2), terwijl het tweede circuit zal worden aangesloten op de laatste twee pinnen (pin 3 en 4). Hierdoor kan het eerste circuit het tweede circuit besturen.

Het is gemakkelijk om een ​​optocoupler te verwarren met een Integrated Circuit/microchip (IC) vanwege zijn uiterlijk. Dit geldt met name voor TRIAC-optocouplers.

Elektronische microchips op een witte achtergrond

Hoe werkt een optocoupler?

We kunnen de optocoupler gebruiken om elektronische signalen over te dragen tussen twee geïsoleerde circuits. Dit is een van de belangrijkste kenmerken. Soms kunnen spanningspieken en ruis optreden in één circuit. Zonder dat de optocoupler de circuits isoleert, kunnen deze storingen zich uitbreiden naar het tweede circuit en vernietiging veroorzaken. De optocoupler voorkomt dat deze schade in beide circuits optreedt.

Bovendien laat de optocoupler elektronen slechts in één richting stromen vanwege de halfgeleidermaterialen. Hierdoor kunnen de twee onderling verbonden circuits verschillende spanningen en stromen gebruiken.

Bovendien kunt u hiermee de mogelijkheden van uw apparaat uitbreiden. Dit is grotendeels te danken aan de manier waarop het galvanische scheiding tussen twee afzonderlijke circuits mogelijk maakt. We zouden bijvoorbeeld een transistor aan het tweede circuit kunnen toevoegen zonder de eerste te verstoren in een configuratie met twee circuits. Hiermee kunt u nog grotere hoeveelheden spanning en stroom regelen. Bovendien zou het u mogelijk in staat kunnen stellen om de circuitbesturing te automatiseren door elektronische componenten toe te voegen.

De structuur van een optocoupler

Optocouplers zijn er in een grote verscheidenheid aan soorten en configuraties. Om het echter begrijpelijker te maken, zullen we ons vooral concentreren op de fototransistorversie.

Fototransistor optocoupler schakelschema

Bron:Wikimedia Commons

Het bovenstaande diagram illustreert een fototransistor die twee circuits verbindt. Als u goed naar het fototransistorgedeelte van het diagram kijkt, ziet u dat er links een LED-symbool is:

Afbeelding van LED-symbool

Bron:Wikimedia Commons

Daarentegen is er rechts een transistorsymbool:

Afbeelding van transistorsymbool

Bron:Wikimedia Commons

We kunnen de bovenstaande cijfers gemakkelijk herkennen dat een fototransistor een aangepaste versie is van een normale transistor. Bovendien kun je begrijpen waarom we de (derde en vierde) terminals aan de transistorzijde collectors noemen en emitters . Verder kunt u ook zien waarom we de eerste en tweede terminals anode . noemen en kathoden .

Transistors hebben over het algemeen drie terminals. Hier is echter een klein verschil. De basispin in een normaal transistorcircuit ontbreekt in het fototransistorcircuit. Dit komt omdat de transistor in een optocoupler iets anders werkt. In plaats van elektronische signalen van de basispin te gebruiken, gebruikt de transistor in een optocoupler licht van de LED.

Het licht schijnt van de LED en raakt de transistor, schakelt deze in en laat stroom vloeien in het elektrische hoofdcircuit. Ze reageren op optische invoer in tegenstelling tot alleen elektrische invoerstroom. Optocouplers zijn er in twee veelvoorkomende topologieën. De binnenste componenten kunnen op elkaar of naast elkaar zitten.

Optocoupler-topologieën

Bron:Wikimedia Commons

Hoewel we de interne werking van de fototransistor niet kunnen zien (tenzij deze doorschijnend is), kunnen we er zelf een maken met behulp van een eenvoudig circuit. We zullen dat verderop in deze gids onderzoeken. Maar laten we eerst eens kijken naar de andere typen optocouplers.

Typen optocoupler

Optocoupler tussen een pincet.

Er zijn zes meest voorkomende typen transistoren. Dit zijn:

• Resistive Optocoupler: Dit waren de eerste optocouplers. Ze gebruiken gloeilampen, neonlampen en GaAs-infrarood-LED's als lichtbronnen. Bovendien gebruiken ze cadmiumsulfide als transistormateriaal. Mensen verwijzen ook naar dit soort optocouplers als vactrols.
  Omdat ze een ouder lichtgevoelig apparaat zijn, zijn ze iets langzamer dan modernere vormen van optocouplers. Daarom zijn ze zo goed als achterhaald.
• Diode Optocoupler: Diode-optocouplers gebruiken galliumarsenide-infrarood-LED's voor lichtbronnen en siliciumfotodiodes als receptoren. Dit maakt ze het snelste type optocouplers, vooral wanneer ze PIN-diodes gebruiken.
• Transistor-optocoupler: Net als diode-optocouplers gebruiken ze ook GaAs-infrarood-LED's als lichtbronnen. Ze gebruiken echter ofwel bipolaire siliciumfototransistors of Darlington-fototransistors als sensoren. Dit maakt hun overdrachtssnelheden en responstijden sneller dan resistieve optocouplers, maar langzamer dan diode-optocouplers.
• Opto-geïsoleerde SRC: Opto-geïsoleerde SRC's gebruiken infrarood-LED's samen met siliciumgestuurde gelijkrichters. Hun overdrachtssnelheden kunnen variëren. Ze zijn echter in geen enkele configuratie zo snel als op diodes gebaseerde optocouplers. Desalniettemin hebben ze nog steeds een behoorlijke responstijd en overdrachtssnelheid.
• Opto-geïsoleerde TRIAC: Dit type optocouplers gebruikt een triode voor wisselstroom (TRIAC) als sensortype. Dit naast hun GaAs infrarood LED als lichtbron. Hoewel ze geen hoge overdrachtssnelheden hebben, hebben ze zeer hoge stroomoverdrachtsverhoudingen.
• Solid-state relais: Solid-state relais gebruiken een stapel GaAs-infrarood-LED's als lichtbronnen. Bovendien gebruiken ze een stapel fotodiodes die ofwel een paar MOSFETS of een enkelvoudige IGBT als sensoren aansturen. Ze kunnen zeer hoge overdrachtssnelheden en onbeperkte stroomoverdrachtsverhoudingen hebben.

Een eenvoudig optocoupler-circuit maken

Optocoupler vastgehouden tussen een pincet voor een PCB

Onderdelenlijst:

• 50-100K Ohm lichtafhankelijke weerstand (LDR)
• 3V 0,02A witte lichtdiode (LED)
• 2V 0,02A rode lichtdiode (LED)
• 9V batterij x 2
• Overschakelen
• 300 Ohm Weerstand
• 150 Ohm Weerstand x 2 (of 300 Ohm Weerstand)

Uitleg en instructies:

Rode LED en optocoupler

Deze eenvoudige optocoupler gebruikt een eenvoudige lichtafhankelijke weerstand (LDR) en een witte LED. De LDR varieert zijn belastingsweerstand op basis van de blootstelling aan licht. Zo heeft het in het donker een zeer hoge weerstand. Omgekeerd, wanneer we het blootstellen aan fel licht, heeft het een magere weerstand. In deze context zal het functioneren als onze fotodiode.

In het primaire circuit hebben we een witte LED nodig die een spanningsval van 3 volt heeft en 0,02 ampère gebruikt. Vervolgens gebruiken we een 9-volt batterij als voeding en regelen we de schakeling met een schakelaar. Omdat het witte LED-licht een stroom van 3 volt vereist, hebben we een weerstand nodig met een val van 6 volt. De weerstand moet dus 300 Ohm weerstand hebben ( (9V – 3V) ÷ 0,02A).

Dus je primaire circuit zal bestaan ​​​​uit de batterij, die positief is aangesloten op de schakelaar, weerstand en het witte LED-lampje. U kunt een breadboard of draad gebruiken om de componenten aan te sluiten. Al met al zal dit fungeren als ons regelcircuit.

We hebben een rode LED met een spanningsval van 2 Volt en een elektrische stroom van 0,02 Ampère op het secundaire circuit.

We gebruiken het als een indicator om te laten zien wanneer het circuit werkt. Bovendien zullen we de LDR op dit circuit aansluiten. Uiteraard moet de LDR naast het witte LED-licht zitten.

De LDR zal een weerstand bieden van ongeveer 70 Ohm wanneer we hem blootstellen aan het licht van de LED. U moet de LDR aansluiten op de rode LED. Om het secundaire circuit van stroom te voorzien, gebruiken we nog een 9-volt batterij. Nogmaals, we hebben een weerstand nodig om de spanning te verlagen, zodat de LED effectief kan werken. We raden aan om twee weerstanden van 150 Ohm te gebruiken. Een weerstand van 300 Ohm is echter ook prima.

Desalniettemin, als je klaar bent met het bouwen van het circuit, moet je wat zwarte tape rond de LDR en witte LED wikkelen. U moet ervoor zorgen dat u ze aansluit. Dit blokkeert het omgevingslicht in de kamer. Als alternatief kunt u de schakeling testen in een volledig donkere kamer.

Wanneer u op de primaire circuitknop (ingangscircuit) drukt, gaat de witte LED branden. Dan zal het een licht schijnen tegen de LDR, waardoor de rode LED in het uitgangscircuit gaat branden. Het licht van de witte LED functioneert als een elektrisch signaal in een schakelaar. Dit project is eenvoudig genoeg om de innerlijke werking van een optocoupler te illustreren. U kunt het echter verbeteren door een infraroodzender samen met een ontvanger te implementeren. In plaats van zichtbaar licht zou dit project infrarood licht gebruiken.

Optocoupler-toepassingen

Kleine PCB-assemblage met IC, condensator, optocoupler en andere halfgeleiders

Nu we begrijpen hoe optocouplers werken, kunnen we onderzoeken waar we ze kunnen toepassen. We kunnen optocouplers gebruiken als eenvoudige licht-geactiveerde schakelaars. Welke elektronische apparatuur en apparaten zouden echter het beste bij hen passen? Hier is een lijst van waar we optocouplers kunnen gebruiken:

• Magneetbedieningen
• Motorbesturing
• Gloeilampdimmers
• Microprocessors
• Lamp-voorschakelapparaten
• AC-detectie
• Spanningsisolatie
• Elektromagnetische schakelaar
• Microcontrollers

Optocoupler-voordelen

Een set optocouplers

Waarom zou je optocouplers willen gebruiken in plaats van elektromechanische relais of schakelaars? Hier zijn slechts enkele van de voordelen:

• Ze vergemakkelijken een eenrichtingsoverdracht van elektrische signalen
• Optocouplers maken uw projecten betrouwbaarder door ze bestand te maken tegen interferentie
• Ze kunnen elektrische isolatie tussen meerdere circuits vergemakkelijken
• Optocouplers kunnen de invoer- en uitvoersecties van uw project scheiden, waardoor het gemakkelijker wordt om problemen op te lossen
• Ze verminderen externe uitgangssignalen op het ingangsgedeelte van uw circuit
• Optocouplers stellen u in staat om grote AC-circuits te besturen door kleine digitale signalen te gebruiken
• Hiermee kunt u een analoog signaal tussen twee afzonderlijke circuits overbrengen
• Hiermee kunt u hoogspanningscomponenten koppelen aan laagspanningsapparaten
• Optocouplers kunnen elektrische ruis uit signalen helpen verminderen of volledig elimineren
• Hiermee kunt u elektronische apparaten ontwerpen en bouwen die beter bestand zijn tegen stroompieken, spanningspieken en blikseminslag

Conclusie

In de bovenstaande tekst hebben we een gemakkelijk te begrijpen en diepgaande gids over optocouplers gegeven. Als je dit gedeelte van de gids hebt bereikt, heb je een beter begrip van optocouplers. Desalniettemin hopen we dat u deze gids nuttig vond. Zoals altijd, bedankt voor het lezen.