Cos'è un fotoaccoppiatore, come sceglierlo e utilizzarlo?

Gli optoaccoppiatori, che collegano i circuiti utilizzando segnali ottici come mezzo, sono un elemento attivo in settori in cui è indispensabile un'elevata precisione, come l'acustica, la medicina e l'industria, grazie alla loro elevata versatilità e affidabilità, come la durata e l'isolamento.

Ma quando e in quali circostanze funziona un fotoaccoppiatore, e qual è il principio alla base? Oppure, quando si utilizza effettivamente un fotoaccoppiatore nei propri dispositivi elettronici, si potrebbe non sapere come sceglierlo e utilizzarlo. Questo perché il fotoaccoppiatore viene spesso confuso con "fototransistor" e "fotodiodo". Pertanto, in questo articolo spiegheremo cos'è un fotoaccoppiatore.
Che cosa è un fotoaccoppiatore?

L'optoaccoppiatore è un componente elettronico la cui etimologia è ottica

Accoppiatore, che significa "accoppiamento con la luce". A volte noto anche come optoaccoppiatore, isolatore ottico, isolamento ottico, ecc. È costituito da un elemento emettitore di luce e da un elemento ricevitore di luce e collega il circuito di ingresso e quello di uscita tramite segnale ottico. Non esiste alcuna connessione elettrica tra questi circuiti, in altre parole, si trovano in uno stato di isolamento. Pertanto, la connessione del circuito tra ingresso e uscita è separata e viene trasmesso solo il segnale. Collega in modo sicuro circuiti con livelli di tensione di ingresso e uscita significativamente diversi, con isolamento ad alta tensione tra ingresso e uscita.

Inoltre, trasmettendo o bloccando questo segnale luminoso, agisce da interruttore. Il principio e il meccanismo dettagliati saranno spiegati più avanti, ma l'elemento che emette luce del fotoaccoppiatore è un LED (diodo a emissione luminosa).

Dagli anni '60 agli anni '70, quando furono inventati i LED e i loro progressi tecnologici furono significativi,optoelettronicadivenne un boom. A quel tempo, varidispositivi otticifurono inventati, e l'accoppiatore fotoelettrico fu uno di questi. Successivamente, l'optoelettronica penetrò rapidamente nelle nostre vite.

① Principio/meccanismo

Il principio dell'optoaccoppiatore è che l'elemento emettitore di luce converte il segnale elettrico in ingresso in luce, mentre l'elemento ricevitore di luce trasmette il segnale elettrico di ritorno al circuito di uscita. L'elemento emettitore di luce e l'elemento ricevitore di luce si trovano all'interno del blocco di luce esterna e sono posizionati uno di fronte all'altro per trasmettere la luce.

Il semiconduttore utilizzato negli elementi a emissione luminosa è il LED (diodo a emissione luminosa). D'altra parte, esistono molti tipi di semiconduttori utilizzati nei dispositivi a ricezione luminosa, a seconda dell'ambiente di utilizzo, delle dimensioni esterne, del prezzo, ecc., ma in generale, il più comunemente utilizzato è il fototransistor.

Quando non sono in funzione, i fototransistor trasportano una quantità di corrente inferiore a quella dei normali semiconduttori. Quando la luce incide su di essi, il fototransistor genera una forza fotoelettromotrice sulla superficie del semiconduttore di tipo P e di tipo N: le lacune del semiconduttore di tipo N fluiscono nella regione p, gli elettroni liberi del semiconduttore nella regione p fluiscono nella regione n, generando corrente.

I fototransistor non sono reattivi come i fotodiodi, ma hanno anche l'effetto di amplificare il segnale in uscita da centinaia a migliaia di volte rispetto a quello in ingresso (a causa del campo elettrico interno). Pertanto, sono sufficientemente sensibili da captare anche segnali deboli, il che rappresenta un vantaggio.

In realtà, il “blocco della luce” che vediamo è un dispositivo elettronico con lo stesso principio e meccanismo.

Tuttavia, gli interruttori di luce sono solitamente utilizzati come sensori e svolgono la loro funzione inserendo un oggetto che blocca la luce tra l'elemento emettitore e quello ricevente. Ad esempio, possono essere utilizzati per rilevare monete e banconote nei distributori automatici e negli sportelli bancomat.

② Caratteristiche

Poiché l'optoaccoppiatore trasmette segnali attraverso la luce, l'isolamento tra il lato di ingresso e quello di uscita è una caratteristica fondamentale. Un isolamento elevato non è facilmente influenzato dal rumore, ma impedisce anche il flusso di corrente accidentale tra circuiti adiacenti, il che è estremamente efficace in termini di sicurezza. La struttura stessa è relativamente semplice e ragionevole.

Grazie alla loro lunga storia, la vasta gamma di prodotti di diversi produttori rappresenta un ulteriore vantaggio esclusivo degli optoaccoppiatori. L'assenza di contatto fisico riduce l'usura tra i componenti e ne prolunga la durata. D'altro canto, l'efficienza luminosa è soggetta a fluttuazioni, poiché il LED si deteriora lentamente con il passare del tempo e le variazioni di temperatura.

Soprattutto quando il componente interno della plastica trasparente diventa opaco per lungo tempo, la luce non è ottimale. Tuttavia, in ogni caso, la durata è troppo lunga rispetto a quella dei contatti meccanici.

I fototransistor sono generalmente più lenti dei fotodiodi, quindi non vengono utilizzati per comunicazioni ad alta velocità. Tuttavia, questo non rappresenta uno svantaggio, poiché alcuni componenti dispongono di circuiti di amplificazione sul lato di uscita per aumentare la velocità. In effetti, non tutti i circuiti elettronici necessitano di aumentare la velocità.

③ Utilizzo

Accoppiatori fotoelettriciSono utilizzati principalmente per operazioni di commutazione. Il circuito viene alimentato accendendo l'interruttore, ma, in base alle caratteristiche sopra menzionate, in particolare l'isolamento e la lunga durata, sono adatti a scenari che richiedono un'elevata affidabilità. Ad esempio, il rumore è il nemico dell'elettronica medicale e delle apparecchiature audio/di comunicazione.

Viene utilizzato anche nei sistemi di azionamento motore. Il motivo per cui il motore è azionato è che la velocità è controllata dall'inverter, ma genera rumore a causa dell'elevata potenza in uscita. Questo rumore non solo causa guasti al motore stesso, ma si propaga anche attraverso la "terra" influenzando le periferiche. In particolare, le apparecchiature con cavi lunghi sono facilmente soggette a questo rumore ad alta potenza, quindi se si verifica in fabbrica, causerà ingenti perdite e talvolta incidenti gravi. Utilizzando optoaccoppiatori ad alto isolamento per la commutazione, è possibile ridurre al minimo l'impatto su altri circuiti e dispositivi.

In secondo luogo, come scegliere e utilizzare gli optoaccoppiatori

Come utilizzare il corretto optoaccoppiatore per la progettazione di prodotti? I seguenti ingegneri sviluppatori di microcontrollori spiegheranno come selezionare e utilizzare gli optoaccoppiatori.

① Aprire sempre e chiudere sempre

Esistono due tipi di fotoaccoppiatori: un tipo in cui l'interruttore si spegne (off) quando non viene applicata alcuna tensione, un tipo in cui l'interruttore si accende (off) quando viene applicata una tensione e un tipo in cui l'interruttore si accende (off) quando non viene applicata alcuna tensione. Si accendono e si spengono quando viene applicata una tensione.

Il primo è detto normalmente aperto, il secondo è detto normalmente chiuso. La scelta dipende innanzitutto dal tipo di circuito di cui si ha bisogno.

② Controllare la corrente di uscita e la tensione applicata

I fotoaccoppiatori hanno la proprietà di amplificare il segnale, ma non sempre permettono il passaggio di tensione e corrente a piacimento. Naturalmente, la loro potenza è nominale, ma è necessario applicare una tensione dal lato di ingresso in base alla corrente di uscita desiderata.

Osservando la scheda tecnica del prodotto, possiamo vedere un grafico in cui l'asse verticale rappresenta la corrente di uscita (corrente di collettore) e l'asse orizzontale la tensione di ingresso (tensione collettore-emettitore). La corrente di collettore varia in base all'intensità luminosa del LED, quindi applicare la tensione in base alla corrente di uscita desiderata.

Tuttavia, si potrebbe pensare che la corrente di uscita calcolata qui sia sorprendentemente bassa. Questo è il valore di corrente che può ancora essere erogato in modo affidabile dopo aver tenuto conto del deterioramento del LED nel tempo, quindi è inferiore al valore massimo.

Al contrario, ci sono casi in cui la corrente di uscita non è elevata. Pertanto, quando si sceglie un optoaccoppiatore, assicurarsi di controllare attentamente la "corrente di uscita" e scegliere il prodotto più adatto.

③ Corrente massima

La corrente di conduzione massima è il valore massimo di corrente che l'optoaccoppiatore può sopportare in conduzione. Anche in questo caso, dobbiamo assicurarci di conoscere la potenza in uscita richiesta dal progetto e la tensione in ingresso prima dell'acquisto. Assicuratevi che il valore massimo e la corrente utilizzata non siano limiti, ma che ci sia un margine.

④ Impostare correttamente il fotoaccoppiatore

Dopo aver scelto l'optoaccoppiatore corretto, usiamolo in un progetto reale. L'installazione è semplice: basta collegare i terminali a ciascun circuito di ingresso e di uscita. Tuttavia, è necessario prestare attenzione a non orientare erroneamente il lato di ingresso e il lato di uscita. Pertanto, è necessario controllare anche i simboli nella tabella dei dati, in modo da non riscontrare errori nella posizione del piedino dell'accoppiatore fotoelettrico dopo aver disegnato la scheda PCB.