Das Paar aus optischem Sender und optischem Empfänger wird seit langem in der Elektronik und Elektrotechnik verwendet. Ein elektronisches Bauteil, bei dem sich der Empfänger und der Sender im selben Gehäuse befinden und eine optische Verbindung zwischen ihnen besteht, wird als Optokoppler oder Optokoppler bezeichnet.
Inhalt
Optron Entwurf
Optrons bestehen aus einem optischen Sender (Emitter), einem optischen Kanal und einem optischen Empfänger. Der Lichtsender wandelt ein elektrisches Signal in ein optisches Signal um. Der Sender ist in den meisten Fällen eine LED (frühere Modelle verwendeten Glühbirnen oder Neonröhren). Die Verwendung von LEDs ist nicht entscheidend, aber sie sind langlebiger und zuverlässiger.
Das optische Signal wird über einen optischen Kanal zum Empfänger übertragen. Der Kanal kann geschlossen sein, wenn das vom Sender ausgestrahlte Licht das Gehäuse des Optokopplers nicht verlässt. Das vom Empfänger erzeugte Signal wird dann mit dem Signal am Eingang des Senders synchronisiert. Diese Kanäle können mit Luft oder mit einer speziellen optischen Verbindung gefüllt sein. Es gibt auch "lange" Optokoppler, bei denen der Kanal Glasfaseroptik.
Wenn der Optokoppler so konstruiert ist, dass die erzeugte Strahlung das Gehäuse verlässt, bevor sie den Empfänger erreicht, spricht man von einem offenen Kanal. Er kann verwendet werden, um Hindernisse im Weg des Lichtstrahls zu erkennen.
Der Photodetektor wandelt das optische Signal wieder in ein elektrisches Signal um. Die gebräuchlichsten Empfangsgeräte sind:
- Fotodioden. Wird in der Regel in digitalen Kommunikationsleitungen verwendet. Sie haben eine kleine lineare Spannweite.
- Photoresistoren. Ihre Besonderheit ist die beidseitige Leitfähigkeit des Empfängers. Der Strom kann in beide Richtungen durch den Widerstand fließen.
- Fototransistoren. Ein Merkmal dieser Geräte ist die Möglichkeit, den Transistorstrom über den Optotransistor sowie über den Ausgangskreis zu steuern. Sie werden sowohl im linearen als auch im digitalen Modus verwendet. Eine andere Art von Optokopplern sind solche mit parallel geschalteten Feldeffekttransistoren. Diese Geräte werden als Halbleiterrelais.
- Photothyristoren. Diese Optokoppler zeichnen sich durch eine erhöhte Ausgangsleistung und Schaltgeschwindigkeit aus und eignen sich für die Steuerung von Leistungselektronik. Diese Geräte werden auch als Halbleiterrelais eingestuft.
Häufig verwendete Optokoppler-Mikroschaltungen sind Optokoppler-Baugruppen mit Optokoppler-Verbindungen im selben Gehäuse. Optokoppler werden als Schaltgeräte und für andere Zwecke verwendet.
Vorteile und Nachteile
Der erste Vorteil von Optokopplern ist, dass sie keine mechanischen Teile haben. Das bedeutet, dass während des Betriebs keine Reibung, kein Verschleiß und keine Funkenbildung der Kontakte wie bei elektromechanischen Relais auftreten. Im Gegensatz zu anderen galvanischen Signaltrennvorrichtungen (Transformatoren usw.) können Optokoppler bei sehr niedrigen Frequenzen, einschließlich Gleichstrom, arbeiten.
Ein weiterer Vorteil von optischen Isolatoren ist die sehr geringe kapazitive und induktive Kopplung zwischen Eingang und Ausgang. Dadurch wird die Wahrscheinlichkeit der Übertragung von Impulsen und hochfrequenten Störungen verringert. Das Fehlen einer mechanischen und elektrischen Kopplung zwischen Eingang und Ausgang bietet eine Vielzahl von Lösungsmöglichkeiten für berührungslose Steuer- und Schaltkreise.
Obwohl reale Entwürfe hinsichtlich der Spannung und des Stroms für den Eingang und den Ausgang begrenzt sind, gibt es keine grundlegenden theoretischen Hindernisse für eine Erhöhung dieser Eigenschaften. Dadurch ist es möglich, Optokoppler für nahezu jede Anwendung zu entwickeln.
Einer der Nachteile von Optokopplern ist die einseitige Übertragung von Signalen - es ist nicht möglich, das optische Signal vom Photodetektor zurück zum Sender zu übertragen. Das macht es schwierig, die Rückkopplung des Empfängerkreises an das Sendersignal anzupassen.
Die Antwort des Empfangsteils kann nicht nur durch Änderung der Emission des Senders, sondern auch durch Beeinflussung des Zustands des Kanals (Auftreten von Fremdobjekten, Änderungen der optischen Eigenschaften des Kanalmediums usw.) beeinflusst werden. Diese Beeinflussung kann auch nicht-elektrischer Natur sein. Dies erweitert die Möglichkeiten der Verwendung von Optokopplern. Die Unempfindlichkeit gegenüber externen elektromagnetischen Feldern ermöglicht es, Datenkanäle mit hoher Störfestigkeit zu schaffen.
Der Hauptnachteil von Optokopplern ist die geringe Energieeffizienz aufgrund der Signalverluste, die mit der doppelten Umwandlung des Signals verbunden sind. Ein weiterer Nachteil ist der hohe Eigengeräuschpegel. Dies verringert die Empfindlichkeit von Optokopplern und beschränkt die Anwendung auf schwache Signale.
Bei der Verwendung von Optokopplern muss auch der Einfluss der Temperatur auf ihre Parameter berücksichtigt werden - er ist erheblich. Zu den Nachteilen der Optokoppler gehören außerdem eine spürbare Verschlechterung der Elemente während des Betriebs und ein gewisser Mangel an Technologie in der Produktion, der mit der Verwendung verschiedener Halbleitermaterialien in ein und demselben Gehäuse zusammenhängt.
Eigenschaften von Optokopplern
Die Spezifikationen von Optokopplern werden in zwei Kategorien unterteilt:
- Charakterisierung der Eigenschaften des Geräts zur Übertragung eines Signals;
- die die Entkopplung zwischen Eingang und Ausgang charakterisieren.
Die erste Kategorie ist der Stromübertragungskoeffizient. Sie hängt vom Emissionsgrad der LED, von der Empfindlichkeit des Empfängers und von den Eigenschaften des optischen Kanals ab. Dies ist das Verhältnis von Ausgangsstrom zu Eingangsstrom und beträgt bei den meisten Optokopplertypen 0,005 bis 0,2. Transistorelemente können eine Verstärkung von bis zu 1 haben.
Betrachtet man einen Optokoppler als Quadrupol, so wird seine Eingangscharakteristik vollständig durch die Ausgangscharakteristik des Optoemitters (LED) und die Ausgangscharakteristik des Empfängers bestimmt. Die Ausgangscharakteristik ist im Allgemeinen nichtlinear, aber einige Optokopplertypen haben lineare Abschnitte. Ein Dioden-Optokoppler hat beispielsweise eine gute Linearität, aber dieser Bereich ist nicht sehr groß.
Widerstandselemente werden auch nach dem Verhältnis von Dunkelwiderstand (bei einem Eingangsstrom von Null) zu Lichtwiderstand bewertet. Ein wichtiges Merkmal von Thyristor-Optokopplern ist der Mindesthaltestrom im offenen Zustand. Die höchste Betriebsfrequenz ist ebenfalls ein wichtiges Merkmal des Optokopplers.
Die Qualität der galvanischen Trennung ist gekennzeichnet durch:
- die größte Spannung, die am Eingang und am Ausgang anliegt;
- die höchste Spannung zwischen dem Eingang und dem Ausgang;
- Isolationswiderstand zwischen Eingang und Ausgang;
- Durchleitungskapazität.
Der letztgenannte Parameter charakterisiert die Fähigkeit eines elektrischen Hochfrequenzsignals, durch die Kapazität zwischen den Elektroden vom Eingang zum Ausgang zu gelangen, wobei der optische Kanal umgangen wird.
Es gibt Parameter, die die Leistungsfähigkeit des Eingangskreises bestimmen:
- Die höchste Spannung, die an die Eingangsleitungen angelegt werden kann;
- Der höchste Strom, den die LED verarbeiten kann;
- Der Spannungsabfall an der LED bei Nennstrom;
- Umgekehrte Eingangsspannung - die Spannung mit umgekehrter Polarität, die die LED verarbeiten kann.
Für den Ausgangskreis sind diese Merkmale der höchstzulässige Ausgangsstrom und die höchstzulässige Ausgangsspannung sowie der Leckstrom bei einem Eingangsstrom von Null.
Anwendungen für Optokoppler
Optokoppler mit geschlossenem Kanal werden eingesetzt, wenn aus bestimmten Gründen (elektrische Sicherheit usw.) eine Entkopplung zwischen Signalquelle und Empfänger erforderlich ist. Zum Beispiel in den Rückkopplungskreisen von von getakteten Stromversorgungen - Das Signal wird dem Ausgang des Netzteils entnommen und dem Leuchtkörper zugeführt, dessen Helligkeit von der Höhe der Spannung abhängt. Ein von der Ausgangsspannung abhängiges Signal wird vom Empfänger abgenommen und dem PWM-Regler zugeführt.
Die Abbildung zeigt ein schematisches Schema eines Computer-Netzteils mit zwei Optokopplern. Der obere Optokoppler IC2 liefert die spannungsstabilisierende Rückkopplung. Der untere IC3 arbeitet im diskreten Modus und versorgt den PWM-IC mit Strom, wenn die Standby-Spannung vorhanden ist.
Eine galvanische Trennung zwischen Quelle und Empfänger ist auch bei einigen elektrischen Standardschnittstellen erforderlich.
Geräte mit offenem Kanal werden für Sensoren zur Objekterkennung (Vorhandensein von Papier in einem Drucker), Endschalter, Zähler (Gegenstände auf einem Förderband, Anzahl der Zähne in einer Maus usw.) usw. verwendet.
Halbleiterrelais werden wie herkömmliche Relais zum Schalten von Signalen verwendet. Ihre Verwendung wird jedoch durch den hohen Widerstand des Kanals im offenen Zustand eingeschränkt. Sie werden auch als Treiber für Elemente der Halbleiter-Leistungselektronik (Hochleistungs-Feldeffekt- oder IGBT-Transistoren) verwendet.
Das Optron wurde vor über einem halben Jahrhundert entwickelt, fand aber erst weite Verbreitung, als LEDs verfügbar und preiswert wurden. Jetzt werden alle neuen Optokopplermodelle (vor allem Mikroschaltungen auf ihrer Grundlage) entwickelt, und der Anwendungsbereich wird immer größer.
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