Gli optoaccoppiatori, che collegano circuiti utilizzando segnali ottici come mezzo, sono un elemento attivo in aree in cui è indispensabile un'elevata precisione, come l'acustica, la medicina e l'industria, grazie alla loro elevata versatilità e affidabilità, come durata e isolamento.
Ma quando e in quali circostanze funziona l'accoppiatore ottico e qual è il principio alla base?Oppure, quando usi effettivamente il fotoaccoppiatore nel tuo lavoro di elettronica, potresti non sapere come sceglierlo e usarlo.Perché l'accoppiatore ottico viene spesso confuso con "fototransistor" e "fotodiodo".Pertanto, in questo articolo verrà introdotto cos'è un fotoaccoppiatore.
Cos'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 fotoaccoppiatore, isolatore ottico, isolamento ottico, ecc. È costituito da un elemento emettitore di luce e da un elemento ricevente la luce e collega il circuito del lato di ingresso e il circuito del lato di uscita tramite il segnale ottico.Non esiste alcun collegamento elettrico tra questi circuiti, in altre parole, in uno stato di isolamento.Pertanto, il collegamento circuitale tra ingresso e uscita è separato e viene trasmesso solo il segnale.Collega in modo sicuro circuiti con livelli di tensione di ingresso e di uscita significativamente diversi, con isolamento ad alta tensione tra ingresso e uscita.
Inoltre, trasmettendo o bloccando questo segnale luminoso, funge da interruttore.Il principio e il meccanismo dettagliati verranno spiegati più avanti, 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,optoelettronicaè diventato un boom.A quel tempo, varidispositivi otticifurono inventati e l'accoppiatore fotoelettrico fu uno di questi.Successivamente, l'optoelettronica è penetrata rapidamente nelle nostre vite.
① Principio/meccanismo
Il principio dell'accoppiatore ottico è che l'elemento emettitore di luce converte il segnale elettrico in ingresso in luce e l'elemento di ricezione della luce trasmette il segnale elettrico di ritorno della luce al circuito del lato di uscita.L'elemento emettitore di luce e l'elemento ricevente la luce si trovano all'interno del blocco di luce esterna e sono uno di fronte all'altro per trasmettere la luce.
Il semiconduttore utilizzato negli elementi emettitori di luce è il LED (diodo a emissione luminosa).D'altro canto, esistono molti tipi di semiconduttori utilizzati nei dispositivi di ricezione della 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 funzionano, i fototransistor trasportano poca corrente rispetto ai normali semiconduttori.Quando la luce incidente lì, il fototransistor genera una forza fotoelettromotrice sulla superficie del semiconduttore di tipo P e del semiconduttore di tipo N, le lacune del semiconduttore di tipo N fluiscono nella regione p, il semiconduttore di elettroni liberi nella regione p scorre nella regione n e la corrente scorrerà.
I fototransistor non sono reattivi come i fotodiodi, ma hanno anche l'effetto di amplificare l'uscita da centinaia a 1.000 volte il segnale di ingresso (a causa del campo elettrico interno).Pertanto, sono abbastanza sensibili da captare anche i segnali deboli, il che è un vantaggio.
In effetti, il “bloccaluce” che vediamo è un dispositivo elettronico con lo stesso principio e meccanismo.
Tuttavia, gli interruttori luminosi vengono solitamente utilizzati come sensori e svolgono il loro ruolo facendo passare un oggetto che blocca la luce tra l'elemento emettitore di luce e l'elemento ricevente la luce.Può essere utilizzato, ad esempio, per rilevare monete e banconote nei distributori automatici e negli sportelli bancomat.
② Caratteristiche
Poiché il fotoaccoppiatore trasmette segnali attraverso la luce, l'isolamento tra il lato di ingresso e quello di uscita è una caratteristica importante.L'elevato isolamento non è facilmente influenzato dal rumore, ma impedisce anche il flusso accidentale di corrente tra circuiti adiacenti, il che è estremamente efficace in termini di sicurezza.E la struttura stessa è relativamente semplice e ragionevole.
Grazie alla sua lunga storia, anche la ricca gamma di prodotti di vari produttori rappresenta un vantaggio unico degli accoppiatori ottici.Poiché non c'è contatto fisico, l'usura tra le parti è ridotta e la durata è più lunga.D'altra parte, ci sono anche caratteristiche per cui l'efficienza luminosa è facile da variare, perché il LED si deteriora lentamente con il passare del tempo e con i cambiamenti di temperatura.
Soprattutto quando i componenti interni della plastica trasparente diventano opachi per lungo tempo, la luce non può essere molto buona.In ogni caso, però, la durata è troppo lunga rispetto al contatto del contatto meccanico.
I fototransistor sono generalmente più lenti dei fotodiodi, quindi non vengono utilizzati per le comunicazioni ad alta velocità.Tuttavia questo non è uno svantaggio, poiché alcuni componenti sono dotati di circuiti di amplificazione sul lato di uscita per aumentare la velocità.Infatti, non tutti i circuiti elettronici necessitano di aumentare la velocità.
③ Utilizzo
Accoppiatori fotoelettricivengono utilizzati principalmente per operazioni di commutazione.Il circuito verrà energizzato accendendo l'interruttore, ma dal punto di vista delle caratteristiche sopra indicate, in particolare isolamento e lunga durata, ben si adatta a scenari che richiedono elevata affidabilità.Ad esempio, il rumore è nemico dell'elettronica medica e delle apparecchiature audio/di comunicazione.
Viene utilizzato anche nei sistemi di azionamento del motore.Il motivo del motore è che la velocità è controllata dall'inverter quando viene azionato, ma genera rumore a causa dell'elevata potenza.Questo rumore non solo causerà il guasto del motore stesso, ma fluirà anche attraverso la “terra” influenzando le periferiche.In particolare, le apparecchiature con cavi lunghi captano facilmente questo rumore ad alto rendimento, quindi se si verifica in fabbrica, causerà grandi perdite e talvolta gravi incidenti.Utilizzando fotoaccoppiatori 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 accoppiatori ottici
Come utilizzare il fotoaccoppiatore giusto per l'applicazione nella progettazione del prodotto?I seguenti ingegneri sviluppatori di microcontroller spiegheranno come selezionare e utilizzare i fotoaccoppiatori.
① Apri sempre e chiudi sempre
Esistono due tipi di fotoaccoppiatori: un tipo in cui l'interruttore è spento (spento) quando non viene applicata tensione, un tipo in cui l'interruttore è acceso (spento) quando viene applicata una tensione e un tipo in cui l'interruttore si accende quando non c'è tensione.Applicare e spegnere quando viene applicata la tensione.
Il primo è detto normalmente aperto, il secondo è detto normalmente chiuso.Come scegliere, dipende innanzitutto dal tipo di circuito di cui hai bisogno.
② Controllare la corrente di uscita e la tensione applicata
I fotoaccoppiatori hanno la proprietà di amplificare il segnale, ma non sempre passano attraverso la tensione e la corrente a piacimento.Naturalmente è dimensionato, ma è necessario applicare una tensione dal lato di ingresso in base alla corrente di uscita desiderata.
Se guardiamo la scheda tecnica del prodotto, possiamo vedere un grafico in cui l'asse verticale è la corrente di uscita (corrente di collettore) e l'asse orizzontale è la tensione di ingresso (tensione collettore-emettitore).La corrente del collettore varia in base all'intensità della luce del LED, quindi applicare la tensione in base alla corrente di uscita desiderata.
Tuttavia, potresti pensare che la corrente di uscita qui calcolata sia sorprendentemente piccola.Questo è il valore corrente che può ancora essere emesso in modo affidabile dopo aver preso in considerazione il deterioramento del LED nel tempo, quindi è inferiore alla potenza massima.
Al contrario, ci sono casi in cui la corrente di uscita non è elevata.Pertanto, quando si sceglie l'accoppiatore ottico, assicurarsi di controllare attentamente la "corrente di uscita" e scegliere il prodotto che la corrisponde.
③ Corrente massima
La corrente di conduzione massima è il valore di corrente massimo che il fotoaccoppiatore può sopportare durante la conduzione.Ancora una volta, dobbiamo assicurarci di sapere di quanta produzione ha bisogno il progetto e qual è la tensione in ingresso prima di acquistare.Assicurarsi che il valore massimo e la corrente utilizzata non siano limiti, ma che ci sia un certo margine.
④ Impostare correttamente il fotoaccoppiatore
Dopo aver scelto il fotoaccoppiatore giusto, usiamolo in un progetto reale.L'installazione in sé è semplice, basta collegare i terminali collegati a ciascun circuito lato ingresso e circuito lato uscita.Tuttavia, è necessario prestare attenzione a non orientare in modo errato il lato di ingresso e il lato di uscita.Pertanto, è necessario controllare anche i simboli nella tabella dati, in modo da non scoprire che il piedino dell'accoppiatore fotoelettrico è sbagliato dopo aver disegnato la scheda PCB.
Orario di pubblicazione: 29 luglio 2023