Optočleny, které propojují obvody pomocí optických signálů jako média, jsou aktivním prvkem v oblastech, kde je vysoká přesnost nezbytná, jako je akustika, medicína a průmysl, a to díky své vysoké všestrannosti a spolehlivosti, jako je odolnost a izolace.
Ale kdy a za jakých okolností optočlen funguje a jaký je jeho princip? Nebo když optočlen skutečně používáte ve své vlastní elektronické práci, možná nevíte, jak si ho vybrat a používat. Optočlen se totiž často zaměňuje s „fototranzistorem“ a „fotodiodou“. Proto si v tomto článku představíme, co je optočlen.
Co je to optočlen?
Optočlen je elektronická součástka, jejíž etymologie je optická
vazební člen, což znamená „spojení se světlem“. Někdy je také známý jako optočlen, optický izolátor, optická izolace atd. Skládá se z prvku pro vyzařování světla a prvku pro příjem světla a propojuje vstupní a výstupní obvod pomocí optického signálu. Mezi těmito obvody není žádné elektrické spojení, jinými slovy, jsou v izolačním stavu. Proto je obvodové spojení mezi vstupem a výstupem oddělené a přenáší se pouze signál. Bezpečně spojte obvody s výrazně odlišnými úrovněmi vstupního a výstupního napětí pomocí vysokonapěťové izolace mezi vstupem a výstupem.
Kromě toho, přenosem nebo blokováním tohoto světelného signálu funguje jako spínač. Podrobný princip a mechanismus budou vysvětleny později, ale světelným prvkem optočlenu je LED (světlo emitující dioda).
Od 60. do 70. let 20. století, kdy byly vynalezeny LED diody a jejich technologický pokrok byl významný,optoelektronikase stal boomem. V té době různéoptická zařízeníbyly vynalezeny a fotoelektrický vazební člen byl jedním z nich. Následně optoelektronika rychle pronikla do našich životů.
① Princip/mechanismus
Princip optočlenu spočívá v tom, že prvek vyzařující světlo převádí vstupní elektrický signál na světlo a prvek přijímající světlo přenáší elektrický signál zpět do výstupního obvodu. Prvek vyzařující světlo a prvek přijímající světlo se nacházejí uvnitř bloku externího světla a jsou umístěny proti sobě, aby mohly propouštět světlo.
Polovodič používaný ve světelných prvcích je LED (světelná dioda). Na druhou stranu existuje mnoho druhů polovodičů používaných v zařízeních pro příjem světla, v závislosti na prostředí použití, vnější velikosti, ceně atd., ale obecně se nejčastěji používá fototranzistor.
Když fototranzistory nefungují, provádějí jen málo proudu oproti běžným polovodičům. Když na ně dopadá světlo, fototranzistor generuje na povrchu polovodiče typu P a polovodiče typu N fotoelektromotorickou sílu, díry v polovodiči typu N proudí do oblasti p, volné elektrony v polovodiči v oblasti p proudí do oblasti n a proud poteče.
Fototranzistory nejsou tak citlivé jako fotodiody, ale také zesilují výstupní signál na stovky až tisícinásobek vstupního signálu (v důsledku vnitřního elektrického pole). Jsou proto dostatečně citlivé, aby zachytily i slabé signály, což je výhoda.
Ve skutečnosti je „blokátor světla“, který vidíme, elektronické zařízení se stejným principem a mechanismem.
Světelné přerušovače se však obvykle používají jako senzory a plní svou roli tak, že mezi prvkem vyzařujícím světlo a prvkem přijímajícím světlo vloží předmět blokující světlo. Lze je například použít k detekci mincí a bankovek v prodejních automatech a bankomatech.
② Vlastnosti
Protože optočlen přenáší signály prostřednictvím světla, je izolace mezi vstupní a výstupní stranou důležitým prvkem. Vysoká izolace není snadno ovlivněna šumem, ale také zabraňuje náhodnému toku proudu mezi sousedními obvody, což je mimořádně účinné z hlediska bezpečnosti. Samotná konstrukce je relativně jednoduchá a rozumná.
Díky své dlouhé historii je bohatá produktová řada od různých výrobců také jedinečnou výhodou optočlenů. Protože nedochází k fyzickému kontaktu, je opotřebení mezi součástkami malé a životnost je delší. Na druhou stranu existují také charakteristiky, že světelná účinnost snadno kolísá, protože LED dioda se s postupem času a změnami teploty pomalu zhoršuje.
Zejména když se vnitřní součást průhledného plastu po delší dobu zakalí, nemůže poskytovat velmi dobré světlo. V každém případě je však životnost mechanického kontaktu příliš dlouhá ve srovnání s životností mechanického kontaktu.
Fototranzistory jsou obecně pomalejší než fotodiody, takže se nepoužívají pro vysokorychlostní komunikaci. To však není nevýhoda, protože některé součástky mají na výstupní straně zesilovací obvody pro zvýšení rychlosti. Ve skutečnosti ne všechny elektronické obvody potřebují zvyšovat rychlost.
③ Použití
Fotoelektrické vazební členyse používají hlavně pro spínací operace. Obvod bude napájen zapnutím spínače, ale z hlediska výše uvedených vlastností, zejména izolace a dlouhé životnosti, je vhodný pro scénáře vyžadující vysokou spolehlivost. Například šum je nepřítelem lékařské elektroniky a audio zařízení/komunikačních zařízení.
Používá se také v systémech motorových pohonů. Důvodem pro motor je, že otáčky jsou při provozu řízeny měničem, ale kvůli vysokému výkonu generuje hluk. Tento hluk nejenže způsobí selhání samotného motoru, ale také průtok proudu přes „zem“ a ovlivní periferní zařízení. Zejména zařízení s dlouhým vedením snadno zachytí tento hluk s vysokým výstupem, takže pokud se to stane v továrně, způsobí to velké ztráty a někdy i vážné nehody. Použitím vysoce izolovaných optočlenů pro spínání lze minimalizovat dopad na ostatní obvody a zařízení.
Za druhé, jak vybrat a používat optočleny
Jak použít správný optočlen pro aplikaci v návrhu produktů? Následující vývojáři mikrokontrolérů vám vysvětlí, jak vybrat a používat optočleny.
① Vždy otevírat a vždy zavírat
Existují dva typy optočlenů: typ, u kterého se spínač vypne, když není přivedeno žádné napětí, typ, u kterého se spínač zapne, když je přivedeno napětí, a typ, u kterého se spínač zapne, když není přivedeno žádné napětí. Optočleny se přivedou a vypnou, když je přivedeno napětí.
První se nazývá normálně otevřený a druhý normálně zavřený. Způsob výběru závisí především na tom, jaký typ obvodu potřebujete.
② Zkontrolujte výstupní proud a aplikované napětí
Optočleny mají vlastnost zesilovat signál, ale ne vždy propouštějí napětí a proud podle potřeby. Samozřejmě je to jmenovité, ale ze vstupní strany je třeba přivést napětí podle požadovaného výstupního proudu.
Pokud se podíváme na produktový list, vidíme graf, kde svislá osa představuje výstupní proud (kolektorový proud) a vodorovná osa vstupní napětí (napětí kolektor-emitor). Kolektorový proud se mění v závislosti na intenzitě světla LED, proto přivádějte napětí podle požadovaného výstupního proudu.
Mohli byste si však myslet, že zde vypočítaný výstupní proud je překvapivě malý. Jedná se o hodnotu proudu, kterou lze stále spolehlivě vydávat i po zohlednění opotřebení LED diody v průběhu času, takže je menší než maximální jmenovitý výkon.
Naopak existují případy, kdy výstupní proud není velký. Proto při výběru optočlenu pečlivě zkontrolujte „výstupní proud“ a vyberte produkt, který mu odpovídá.
③ Maximální proud
Maximální vodivostní proud je maximální hodnota proudu, kterou optočlen snese při vedení. Před nákupem se opět musíme ujistit, že víme, jaký výstup projekt potřebuje a jaké je vstupní napětí. Ujistěte se, že maximální hodnota a použitý proud nejsou limity, ale že existuje určitá rezerva.
④ Správně nastavte optočlen
Jakmile si vybereme správný optočlen, pojďme ho použít v reálném projektu. Samotná instalace je snadná, stačí připojit svorky připojené ke každému vstupnímu a výstupnímu obvodu. Je však třeba dbát na to, aby nedošlo k záměně vstupní a výstupní strany. Proto je nutné zkontrolovat také symboly v datové tabulce, abyste po nakreslení desky plošných spojů nezjistili, že je patka fotoelektrického vazebního členu špatně umístěna.
Čas zveřejnění: 29. července 2023