Che cos'è un fotoaccoppiatore, come sceglierlo e utilizzarlo?

Gli optoaccoppiatori, che collegano circuiti utilizzando segnali ottici come mezzo di trasmissione, 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, quali durata e isolamento.

Ma quando e in quali circostanze funziona un optoaccoppiatore e qual è il principio di funzionamento? Oppure, quando si utilizza un fotoaccoppiatore nei propri progetti di elettronica, potrebbe non essere chiaro come sceglierlo e utilizzarlo. Questo perché l'optoaccoppiatore viene spesso confuso con il "fototransistor" e il "fotodiodo". Pertanto, in questo articolo verrà spiegato cos'è un fotoaccoppiatore.
Che cos'è un fotoaccoppiatore?

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

Accoppiatore, che significa "accoppiamento tramite luce". Talvolta noto anche come optoaccoppiatore, isolatore ottico, ecc., è costituito da un elemento emettitore di luce e un elemento ricevente di luce e collega il circuito di ingresso con quello di uscita tramite un segnale ottico. Non vi è 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. Consente di collegare in modo sicuro circuiti con livelli di tensione di ingresso e di uscita significativamente diversi, con un elevato isolamento di tensione tra ingresso e uscita.

Inoltre, trasmettendo o bloccando questo segnale luminoso, funge da interruttore. Il principio e il meccanismo dettagliati verranno spiegati in seguito, ma l'elemento emettitore di luce del fotoaccoppiatore è un LED (diodo a emissione di luce).

Dagli anni '60 agli anni '70, quando furono inventati i LED e i loro progressi tecnologici furono significativi,optoelettronicadivenne un boom. In quel periodo, varidispositivi otticiFurono inventati diversi dispositivi, tra cui l'accoppiatore fotoelettrico. Successivamente, l'optoelettronica si diffuse rapidamente nelle nostre vite.

① Principio/meccanismo

Il principio di funzionamento dell'optoaccoppiatore si basa sulla conversione del segnale elettrico in ingresso in luce da parte dell'elemento emettitore di luce, e sulla successiva ritrasmissione del segnale luminoso al circuito di uscita da parte dell'elemento ricevente. L'elemento emettitore e l'elemento ricevente sono posizionati all'interno del blocco di luce esterna, uno di fronte all'altro, per consentire la trasmissione della luce.

Il semiconduttore utilizzato negli elementi emettitori di luce è il LED (diodo a emissione di luce). D'altra parte, esistono molti tipi di semiconduttori utilizzati nei dispositivi riceventi la luce, 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 sono attraversati da una quantità di corrente molto inferiore rispetto ai semiconduttori ordinari. 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 nel semiconduttore di tipo N fluiscono nella regione P, gli elettroni liberi nel semiconduttore di tipo P fluiscono nella regione N, generando così il flusso di corrente.

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

In realtà, il “filtro antiluce” che vediamo è un dispositivo elettronico che funziona secondo lo stesso principio e meccanismo.

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

② Caratteristiche

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

Grazie alla sua lunga storia, la ricca gamma di prodotti di vari produttori rappresenta un vantaggio unico per gli optoaccoppiatori. Poiché non vi è contatto fisico, l'usura tra le parti è minima e la durata è maggiore. D'altra parte, vi è anche la caratteristica che l'efficienza luminosa tende a fluttuare, poiché il LED si deteriora lentamente con il passare del tempo e le variazioni di temperatura.

Soprattutto quando il componente interno della plastica trasparente, dopo un lungo periodo di tempo, diventa opaco, la luce potrebbe non essere molto buona. Tuttavia, in ogni caso, la durata è comunque molto lunga rispetto al contatto meccanico.

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

③ Utilizzo

Accoppiatori fotoelettriciVengono utilizzati principalmente per operazioni di commutazione. Il circuito viene alimentato azionando l'interruttore, ma dal punto di vista delle caratteristiche sopra menzionate, in particolare l'isolamento e la lunga durata, sono particolarmente 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 dei motori. Il motivo per cui il motore è in funzione è che la velocità viene controllata dall'inverter quando è in funzione, ma genera rumore a causa dell'elevata potenza in uscita. Questo rumore non solo può causare il guasto del motore stesso, ma può anche propagarsi attraverso la "massa" influenzando le periferiche. In particolare, le apparecchiature con cablaggi lunghi sono facilmente soggette a questo rumore ad alta potenza, quindi se si verifica in fabbrica, può causare ingenti danni e talvolta gravi incidenti. Utilizzando optoaccoppiatori altamente isolati 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 l'accoppiatore ottico più adatto per la progettazione di un prodotto? I seguenti ingegneri esperti nello sviluppo di microcontrollori spiegheranno come selezionare e utilizzare gli accoppiatori ottici.

① Sempre aperto e sempre chiuso

Esistono due tipi di fotoaccoppiatori: un tipo in cui l'interruttore è spento (off) quando non viene applicata alcuna tensione, un tipo in cui l'interruttore è acceso (off) quando viene applicata una tensione e un tipo in cui l'interruttore è acceso quando non c'è tensione. Si attivano e si disattivano quando viene applicata la tensione.

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

② Verificare la corrente di uscita e la tensione applicata

I fotoaccoppiatori hanno la proprietà di amplificare il segnale, ma non sempre consentono il passaggio di tensione e corrente a piacimento. Certo, sono nominali, ma è necessario applicare una tensione in ingresso in base alla corrente di uscita desiderata.

Consultando la scheda tecnica del prodotto, possiamo osservare 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, pertanto è necessario applicare la tensione corrispondente alla corrente di uscita desiderata.

Tuttavia, potreste pensare che la corrente di uscita calcolata qui sia sorprendentemente bassa. Questo è il valore di corrente che può ancora essere erogata in modo affidabile, tenendo conto del deterioramento del LED nel tempo, quindi è inferiore al valore massimo nominale.

Al contrario, esistono casi in cui la corrente di uscita non è elevata. Pertanto, nella scelta dell'optoaccoppiatore, è fondamentale verificare attentamente la "corrente di uscita" e selezionare il prodotto più adatto.

③ Corrente massima

La corrente di conduzione massima è il valore massimo di corrente che l'optoaccoppiatore può sopportare durante la conduzione. Anche in questo caso, prima dell'acquisto, è fondamentale conoscere la corrente di uscita richiesta dal progetto e la tensione di ingresso. Assicuratevi che il valore massimo e la corrente utilizzata non rappresentino dei limiti, ma che vi sia un certo margine di sicurezza.

④ Impostare correttamente il fotoaccoppiatore

Dopo aver scelto l'accoppiatore ottico più adatto, proviamo a utilizzarlo in un progetto reale. L'installazione è semplice: basta collegare i terminali al circuito di ingresso e a quello di uscita. Tuttavia, è fondamentale prestare attenzione a non confondere l'ingresso con l'uscita. Pertanto, è necessario verificare i simboli nella tabella dati, per evitare di posizionare in modo errato il piedino dell'accoppiatore fotoelettrico dopo aver disegnato il circuito stampato.