Optoerottimet, jotka yhdistävät piirejä optisten signaalien avulla, ovat aktiivinen elementti alueilla, joilla korkea tarkkuus on välttämätöntä, kuten akustiikassa, lääketieteessä ja teollisuudessa, niiden suuren monipuolisuuden ja luotettavuuden, kuten kestävyyden ja eristyksen, ansiosta.
Mutta milloin ja missä olosuhteissa optoerotin toimii, ja mikä on sen taustalla oleva periaate? Tai kun itse asiassa käytät optoerotinlaitetta omassa elektroniikkatyössäsi, et ehkä tiedä, miten sitä valitaan ja käytetään. Optoerotin sekoitetaan usein "fototransistoriin" ja "fotodiodiin". Siksi tässä artikkelissa esitellään, mikä optoerotin on.
Mikä on fotokytkin?
Optokytkin on elektroninen komponentti, jonka etymologia on optinen
kytkin, joka tarkoittaa "kytkentää valoon". Tunnetaan joskus myös nimillä optokytkin, optinen eristin, optinen eristys jne. Se koostuu valoa emittoivasta elementistä ja valoa vastaanottavasta elementistä ja yhdistää tulopuolen piirin ja lähtöpuolen piirin optisen signaalin kautta. Näiden piirien välillä ei ole sähköistä yhteyttä, toisin sanoen ne ovat eristetyssä tilassa. Siksi tulon ja lähdön välinen piiriyhteys on erillinen ja vain signaali lähetetään. Yhdistä turvallisesti piirit, joilla on merkittävästi erilaiset tulo- ja lähtöjännitetasot, käyttämällä korkeajännitteistä eristystä tulon ja lähdön välillä.
Lisäksi se toimii kytkimenä lähettämällä tai estämällä tämän valosignaalin. Yksityiskohtainen periaate ja mekanismi selitetään myöhemmin, mutta optokytkimen valoa emittoiva elementti on LED (valodiodi).
1960-luvulta 1970-luvulle, jolloin ledit keksittiin ja niiden teknologinen kehitys oli merkittävää,optoelektroniikkasiitä tuli buumi. Tuolloin erilaisetoptiset laitteetkeksittiin, ja valosähköinen kytkin oli yksi niistä. Myöhemmin optoelektroniikka valtasi nopeasti osaksi elämäämme.
① Periaate/mekanismi
Optokytkimen periaate on, että valoa emittoiva elementti muuntaa sisään tulevan sähköisen signaalin valoksi ja valoa vastaanottava elementti lähettää valon takaisin sähköiseen signaaliin lähtöpuolen piiriin. Valoa emittoiva elementti ja valoa vastaanottava elementti sijaitsevat ulkoisen valolohkon sisäpuolella ja vastakkain valon lähettämiseksi.
Valoa emittoivissa elementeissä käytetty puolijohde on LED (valoa emittoiva diodi). Toisaalta valoa vastaanottavissa laitteissa käytetään monenlaisia puolijohteita käyttöympäristöstä, ulkoisesta koosta, hinnasta jne. riippuen, mutta yleisesti ottaen yleisimmin käytetty on fototransistori.
Kun fototransistorit eivät toimi, niiden virta on vain vähän tavallisten puolijohteiden virtaa. Kun valo osuu niihin, fototransistori tuottaa fotosähkömotorisen voiman P-tyypin ja N-tyypin puolijohteen pinnalle. N-tyypin puolijohteen aukot virtaavat p-alueelle, p-alueen vapaat elektronit virtaavat n-alueelle, ja virta kulkee.
Fototransistorit eivät ole yhtä herkkiä kuin fotodiodit, mutta ne myös vahvistavat lähtösignaalin satoja tai jopa 1 000 kertaa tulosignaalin suuruiseksi (sisäisen sähkökentän ansiosta). Siksi ne ovat riittävän herkkiä poimimaan jopa heikkoja signaaleja, mikä on etu.
Itse asiassa näkemämme ”valonesto” on elektroninen laite, jolla on sama periaate ja mekanismi.
Valonkatkaisimia käytetään kuitenkin yleensä antureina, ja ne toimivat kuljettamalla valoa estävän esineen valoa emittoivan ja valoa vastaanottavan elementin välissä. Niitä voidaan käyttää esimerkiksi kolikoiden ja setelien havaitsemiseen myyntiautomaateissa ja pankkiautomaateissa.
② Ominaisuudet
Koska optoerotin lähettää signaaleja valon kautta, tulopuolen ja lähtöpuolen välinen eristys on tärkeä ominaisuus. Hyvä eristys ei ole helposti kohinalle altis, ja se estää myös tahattoman virran kulun vierekkäisten piirien välillä, mikä on erittäin tehokasta turvallisuuden kannalta. Ja itse rakenne on suhteellisen yksinkertainen ja järkevä.
Pitkän historiansa ja eri valmistajien runsaan tuotevalikoiman ansiosta optoerottimien ainutlaatuinen etu on myös niiden etu. Koska fyysistä kosketusta ei ole, osien välinen kuluminen on vähäistä ja käyttöikä pidempi. Toisaalta niillä on myös ominaisuuksia, joiden vuoksi valotehokkuus vaihtelee helposti, koska LEDin laatu heikkenee hitaasti ajan kuluessa ja lämpötilan muuttuessa.
Erityisesti silloin, kun läpinäkyvän muovin sisäosat ovat pitkään sameutuneet, valo ei ole kovin hyvä. Joka tapauksessa käyttöikä on kuitenkin liian pitkä verrattuna mekaanisen koskettimen käyttöikään.
Fototransistorit ovat yleensä hitaampia kuin fotodiodit, joten niitä ei käytetä suurnopeustietoliikenteeseen. Tämä ei kuitenkaan ole haitta, koska joissakin komponenteissa on lähtöpuolella vahvistuspiirejä nopeuden lisäämiseksi. Itse asiassa kaikkien elektronisten piirien ei tarvitse lisätä nopeutta.
③ Käyttö
Valosähköiset kytkimetkäytetään pääasiassa kytkentätoimintaan. Piiri saa virtaa kytkemällä kytkimen päälle, mutta edellä mainittujen ominaisuuksien, erityisesti eristyksen ja pitkän käyttöiän, kannalta se sopii hyvin tilanteisiin, joissa vaaditaan suurta luotettavuutta. Esimerkiksi kohina on lääketieteellisen elektroniikan ja ääni-/viestintälaitteiden vihollinen.
Sitä käytetään myös moottorikäyttöjärjestelmissä. Moottorin käyttötarkoituksena on, että invertteri ohjaa nopeutta moottorin käydessä, mutta se tuottaa kohinaa suuren tehon vuoksi. Tämä kohina ei ainoastaan aiheuta moottorin vikaantumista, vaan myös virtaa "maan" läpi vaikuttaen oheislaitteisiin. Erityisesti pitkäjohdotuksella varustetut laitteet poimivat helposti tämän suuren tehon kohinan, joten jos se tapahtuu tehtaalla, se aiheuttaa suuria häviöitä ja joskus vakavia onnettomuuksia. Käyttämällä erittäin eristettyjä optoerottimia kytkentään voidaan minimoida vaikutus muihin piireihin ja laitteisiin.
Toiseksi, miten valita ja käyttää optoerottimia
Kuinka käyttää oikeaa optoerottimia tuotesuunnittelussa? Seuraavat mikrokontrollerien kehitysinsinöörit selittävät, miten optoerottimia valitaan ja käytetään.
① Aina auki ja aina kiinni
Optokytkimiä on kahdenlaisia: tyyppi, jossa kytkin kytkeytyy pois päältä (pois päältä), kun jännitettä ei ole kytketty, tyyppi, jossa kytkin kytkeytyy päälle (pois päältä), kun jännitettä kytketään, ja tyyppi, jossa kytkin kytkeytyy päälle, kun jännitettä ei ole. Kytkeytyy päälle ja sammuu, kun jännitettä kytketään.
Ensimmäistä kutsutaan normaalisti avoimeksi ja jälkimmäistä normaalisti suljetuksi. Valinta riippuu ensinnäkin tarvitsemastasi virtapiiristä.
② Tarkista lähtövirta ja käytetty jännite
Optokytkimillä on kyky vahvistaa signaalia, mutta ne eivät aina välitä jännitettä ja virtaa mielin määrin. Tietenkin ne ovat mitoitettuja, mutta tulopuolelle on syötettävä jännite halutun lähtövirran mukaan.
Jos katsomme tuotetietolomaketta, voimme nähdä kaavion, jossa pystysuora akseli on lähtövirta (kollektorivirta) ja vaakasuora akseli on tulojännite (kollektori-emitterijännite). Kollektorivirta vaihtelee LED-valon voimakkuuden mukaan, joten käytä jännitettä halutun lähtövirran mukaisesti.
Saatat kuitenkin ajatella, että tässä laskettu lähtövirta on yllättävän pieni. Tämä on virta-arvo, joka voidaan edelleen luotettavasti tuottaa, kun otetaan huomioon LEDin heikkeneminen ajan myötä, joten se on pienempi kuin suurin sallittu arvo.
Päinvastoin, on tapauksia, joissa lähtövirta ei ole suuri. Siksi optoerottimen valinnassa on tärkeää tarkistaa huolellisesti lähtövirta ja valita sitä vastaava tuote.
③ Suurin virta
Suurin johtumisvirta on suurin virta-arvo, jonka optoerotin kestää johtaessaan. Jälleen kerran meidän on varmistettava, että tiedämme projektissa tarvittavan tehon ja tulojännitteen ennen ostamista. Varmista, että suurin arvo ja käytetty virta eivät ole rajoituksia, vaan että on jonkin verran liikkumavaraa.
④ Aseta optokytkin oikein
Kun olet valinnut oikean optokytkimen, käytämme sitä todellisessa projektissa. Asennus itsessään on helppoa, kytke vain tulo- ja lähtöpuolen piiriin kytketyt liittimet. On kuitenkin oltava varovainen, ettei tulo- ja lähtöpuoli ole väärin päin. Siksi sinun on myös tarkistettava datataulukon symbolit, jotta et huomaa optokytkimen jalan olevan väärässä piirilevyn piirtämisen jälkeen.
Julkaisun aika: 29.7.2023