Optokoppelaars: Functie, Typen en Praktische Toepassingen

Wat is een Optokoppelaar?

Als PCB-ontwerper, ingenieur of hobbyist beschikt u over een grote verscheidenheid aan schakelaars, relais en koppelaars om uw printplaat aan te passen. Met al de beschikbare PCB-componenten en opties op de markt, is het lastig te beslissen wat het beste past bij uw project.

U vraagt zich misschien af wat een optokoppelaar doet en hoe het verschilt van een ander relais. Deze gids legt dat uit. We verkennen de optokoppelaar, de verschillende typen en hoe deze uw project kan ten goede komen.

Hoe werkt een Optokoppelaar?

Optokoppelaars gaan bij veel namen: optoisolator, fotokoppelaar, optische koppelaar, optische isolator of simpelweg optokoppelaar. Sommige noemen ze zelfs 'opties'. Toch zijn optokoppelaars geïntegreerde elektronische componenten. De meest basale typen bestaan uit een rechthoekige behuizing met vier pennen. Elke pin is een subcomponent: de eerste is de anode, de tweede de kathode, de derde de collector en de vierde de emitter.

Daarnaast bevindt zich een cirkelvormige inkeping op de hoek van de behuizing, dicht bij de eerste pin. Hierdoor kunnen we de verschillende pennen identificeren. De behuizing bevat ook tekst met het typenummer van de optokoppelaar, waarmee we het type kunnen identificeren en de datasheet van de fabrikant kunnen raadplegen.

Essentieel is een optokoppelaar een solid-state relais dat twee afzonderlijke elektronische schakelingen met elkaar verbindt. De eerste schakeling wordt aangesloten over de eerste twee pennen (pin 1 en 2), terwijl de tweede schakeling verbindt met de laatste twee pennen (pin 3 en 4). Hierdoor kan de eerste schakeling de tweede besturen.

Het is gemakkelijk om een optokoppelaar te verwarren met een geïntegreerde schakeling (IC) vanwege het uiterlijk. Dit geldt met name voor TRIAC-optokoppelaars.

De Structuur van een Optokoppelaar

Optokoppelaars komen in een grote verscheidenheid aan typen en configuraties. Om het begrijpelijk te houden, richten we ons voornamelijk op de fototransistor-versie.

Het bovenstaande diagram toont een fototransistor die twee schakelingen verbindt. Als u goed kijkt naar het fototransistor-gedeelte, zult u een LED-symbool aan de linkerkant opmerken, en een transistorsymbool aan de rechterkant.

Een fototransistor is een aangepaste versie van een normale transistor. U kunt nu begrijpen waarom de (derde en vierde) aansluitingen aan de transistor-kant collectoren en emitteren worden genoemd, en waarom de eerste en tweede aansluitingen anode en kathoden heten.

Transistoren hebben doorgaans drie aansluitingen. Er is echter een klein verschil: de basispin in een normale transistorschakeling ontbreekt in de fototransistorschakeling. Dit komt doordat de transistor in een optokoppelaar anders werkt. In plaats van elektronische signalen van de basispin, gebruikt de transistor in een optokoppelaar licht van de LED.

Het licht schijnt van de LED en valt op de transistor, die wordt ingeschakeld en stroom laat vloeien in de hoofdelektrische schakeling. Ze reageren op optische input in plaats van alleen op elektrische inputstroom. Optokoppelaars komen in twee veelvoorkomende topologieën: de binnenste componenten kunnen bovenop elkaar of naast elkaar zitten.

Hoewel we de binnenwerking van de fototransistor niet kunnen zien (tenzij deze doorzichtig is), kunnen we er eenvoudig zelf een maken met een simpele schakeling. We verkennen dat verderop in deze gids. Maar laten we eerst de andere optokoppelaar-typen bekijken.

Optokoppelaar Typen

Er zijn zes meest voorkomende typen optokoppelaars:

• Resistieve Optokoppelaar: Dit waren de vroegste optokoppelaars. Ze gebruiken gloeilampen, neonlampen en GaAs-infrarood-LED's als lichtbronnen. Daarnaast gebruiken ze cadmiumsulfide als transistor-materiaal. Men noemt deze typen ook vactrols. Omdat ze oudere fotogevoelige apparaten zijn, zijn ze langzamer dan modernere vormen van optokoppelaars, waardoor ze vrijwel verouderd zijn.
• Dioden-Optokoppelaar: Dioden-optokoppelaars gebruiken galliumarsenide-infrarood-LED's als lichtbronnen en silicium-fotodioden als receptor. Dit maakt ze het snelste type optokoppelaars, vooral wanneer ze PIN-dioden gebruiken.
• Transistor-Optokoppelaar: Net als dioden-optokoppelaars gebruiken ze GaAs-infrarood-LED's als lichtbronnen. Echter, ze gebruiken bipolaire silicium-fototransistoren of Darlington-fototransistoren als sensoren. Hierdoor zijn hun overdrachtsnelheden en reactietijden sneller dan resistieve optokoppelaars, maar langzamer dan dioden-optokoppelaars.
• Optogeïsoleerde SRC: Optogeïsoleerde SRC's gebruiken infrarood-LED's samen met silicium-gecontroleerde gelijkrichters. Hun overdrachtssnelheden kunnen variëren, maar ze zijn in geen configuratie zo snel als dioden-gebaseerde optokoppelaars. Toch hebben ze een redelijke reactietijd en overdrachtsnelheid.
• Optogeïsoleerde TRIAC: Deze typen optokoppelaars gebruiken een triode voor wisselstroom (TRIAC) als sensortype, naast hun GaAs-infrarood-LED als lichtbron. Hoewel ze geen snelle overdrachtsnelheden hebben, bezitten ze zeer hoge stroomoverdrachtsverhoudingen.
• Solid-State Relais: Solid-state relais gebruiken een stapel van GaAs-infrarood-LED's als lichtbronnen. Daarnaast gebruiken ze een stapel fotodioden die een paar MOSFET's of een enkele IGBT als sensoren aansturen. Ze kunnen zeer hoge overdrachtssnelheden en oneindige stroomoverdrachtsverhoudingen hebben.

Hoe een Simpele Optokoppelaar Schakeling te Maken

Onderdelenlijst:

• 50-100K Ohm Lichtgevoelige Weerstand (LDR)
• 3V 0.02A Witte Licht Emittende Diode (LED)
• 2V 0.02A Rode Licht Emittende Diode (LED)
• 9V batterij x 2
• Schakelaar
• 300 Ohm Weerstand
• 150 Ohm Weerstand x 2 (of 300 Ohm weerstand)

Uitleg en Instructies:

Deze simpele optokoppelaar gebruikt een lichtgevoelige weerstand (LDR) en een witte LED. De LDR varieert zijn belastingweerstand op basis van lichtblootstelling. In duisternis heeft het een zeer hoge weerstand. Integen, wanneer het blootgesteld wordt aan helder licht, heeft het een zeer lage weerstand. In deze context fungeert het als onze fotodiode.

In de primaire schakeling hebben we een witte LED nodig met een spanningsval van 3 volt en 0.02 ampere. We gebruiken een 9-volt batterij als voeding en bedienen de schakeling met een schakelaar. Omdat de witte LED een stroom van 3 volt vereist, hebben we een weerstand met een spanningsval van 6 volt nodig. De weerstand moet dus 300 Ohm weerstand hebben ((9V - 3V) ÷ 0.02A).

Uw primaire schakeling bestaat uit de batterij, die positief verbindt met de schakelaar, weerstand en de witte LED. U kunt een breadboard of draden gebruiken om de componenten te verbinden. Samen fungeert dit als onze besturingsschakeling.

In de secundaire schakeling hebben we een rode LED met een spanningsval van 2 Volt en een elektrische stroom van 0.02 Ampere.

We gebruiken dit als indicator om aan te tonen wanneer de schakeling werkt. Daarnaast verbinden we de LDR met deze schakeling. Natuurlijk moet de LDR naast het witte LED-lichtje worden geplaatst.

De LDR zal een weerstand van ongeveer 70 Ohm leveren wanneer het blootgesteld wordt aan het licht van de LED. U moet de LDR verbinden met de rode LED. Om de secundaire schakeling te voeden, gebruiken we nog een 9-Volt batterij. Opnieuw hebben we een weerstand nodig om de spanning te verlagen, zodat de LED effectief kan werken. We raden aan twee 150 Ohm weerstanden te gebruiken. Eén 300 Ohm weerstand is echter ook prima.

Nadat u de schakeling hebt gebouwd, moet u zwart tape om de LDR en witte LED wikkelen. U moet ervoor zorgen dat u ze verbindt. Dit blokkeert het omgevingslicht in de kamer. Als alternatief kunt u de schakeling testen in een volledig donkere kamer.

Wanneer u op de knop van de primaire schakeling (invoerschakeling) drukt, gaat de witte LED branden. Vervolgens schijnt het licht tegen de LDR, waardoor de rode LED in de uitschakeling aangaat. Het licht van de witte LED fungeert als een elektrisch signaal in een schakelaar. Dit project is eenvoudig genoeg om de binnenwerking van een optokoppelaar te illustreren. U kunt het echter verbeteren door een infrarood-emitter samen met een ontvanger te implementeren. In plaats van zichtbaar licht, zou dit project infraroodlicht gebruiken.

Optokoppelaar Toepassingen

Nu we begrijpen hoe optokoppelaars werken, kunnen we verkennen waar we ze kunnen toepassen. We kunnen optokoppelaars gebruiken als simpele lichtgeactiveerde schakelaars. Maar welke elektronische apparaten en systemen passen het beste? Hier is een lijst van toepassingen:

• Solenoid-besturing
• Motorbesturing
• Gloeilamp-dimmers
• Microprocessoren
• Lampballasten
• AC-detectie
• Spanningsisolatie
• Elektromagnetische schakelaar
• Microcontrollers

Voordelen van Optokoppelaars

Waarom zou u optokoppelaars willen gebruiken in plaats van electromechanische relais of schakelaars? Hier zijn enkele voordelen:

• Ze faciliteren een eenrichtingsverkeer van elektrischen signalen
• Optokoppelaars maken uw projecten betrouwbaarder door ze bestand te maken tegen interferentie
• Ze kunnen galvanische isolatie tussen meerdere schakelingen faciliteren
• Optokoppelaars scheiden de in- en uitgangsdelen van uw project, wat foutopsporing vergemakkelijkt
• Ze verminderen externe uitingangssignalen op de invoersectie van uw schakeling
• Optokoppelaars staan u toe grote AC-schakelingen te besturen met kleine digitale signalen
• Staat u toe een analoog signaal over te dragen tussen twee afzonderlijke schakelingen
• Ze maken het mogelijk om hoogspanningscomponenten te interfaccen met laagspanningsapparaten
• Optokoppelaars kunnen helpen elektrische ruis van signalen te verminderen of volledig te elimineren
• Staat u toe elektronische apparaten te ontwerpen die bestand zijn tegen voedingsspiekers, spanningspieken en bliksemslagen

Conclusie

In deze tekst hebben we een eenvoudig te begrijpen en diepgaande gids over optokoppelaars gegeven. Als u dit gedeelte bereikt, heeft u een dieper begrip van optokoppelaars. We hopen dat u deze gids nuttig heeft gevonden. Wie altijd, bedankt voor het lezen.