Optočleny, ktoré spájajú obvody pomocou optických signálov ako média, sú aktívnym prvkom v oblastiach, kde je vysoká presnosť nevyhnutná, ako je akustika, medicína a priemysel, a to vďaka svojej vysokej všestrannosti a spoľahlivosti, ako je odolnosť a izolácia.
Ale kedy a za akých okolností optočlen funguje a aký je jeho princíp? Alebo keď optočlen skutočne používate vo vlastnej elektronickej práci, možno neviete, ako si ho vybrať a používať. Optočlen sa totiž často zamieňa s „fototranzistorom“ a „fotodiódou“. Preto si v tomto článku predstavíme, čo je optočlen.
Čo je to optočlen?
Optočlen je elektronická súčiastka, ktorej etymológia je optická
väzobná jednotka, čo znamená „spojenie so svetlom“. Niekedy sa nazýva aj optočlen, optický izolátor, optická izolácia atď. Skladá sa z prvku vyžarujúceho svetlo a prvku prijímajúceho svetlo a spája vstupný obvod s výstupným obvodom prostredníctvom optického signálu. Medzi týmito obvodmi nie je žiadne elektrické spojenie, inými slovami, sú v stave izolácie. Preto je spojenie obvodu medzi vstupom a výstupom oddelené a prenáša sa iba signál. Bezpečne spojte obvody s výrazne odlišnými úrovňami vstupného a výstupného napätia s vysokonapäťovou izoláciou medzi vstupom a výstupom.
Okrem toho, prenosom alebo blokovaním tohto svetelného signálu funguje ako spínač. Podrobný princíp a mechanizmus budú vysvetlené neskôr, ale prvok vyžarujúci svetlo optočlenu je LED (svetlo emitujúca dióda).
Od 60. do 70. rokov 20. storočia, keď boli vynájdené LED diódy a ich technologický pokrok bol významný,optoelektronikasa stal boomom. V tom čase rôzneoptické zariadeniaboli vynájdené a fotoelektrický väzobný člen bol jedným z nich. Následne optoelektronika rýchlo prenikla do našich životov.
① Princíp/mechanizmus
Princíp optočlenu spočíva v tom, že prvok vyžarujúci svetlo premieňa vstupný elektrický signál na svetlo a prvok prijímajúci svetlo prenáša elektrický signál späť do výstupného obvodu. Prvok vyžarujúci svetlo a prvok prijímajúci svetlo sa nachádzajú vo vnútri bloku vonkajšieho svetla a sú umiestnené oproti sebe, aby prenášali svetlo.
Polovodič používaný v prvkoch emitujúcich svetlo je LED (svetlo emitujúca dióda). Na druhej strane existuje mnoho druhov polovodičov používaných v zariadeniach na príjem svetla v závislosti od prostredia použitia, vonkajšej veľkosti, ceny atď., ale vo všeobecnosti sa najčastejšie používa fototranzistor.
Keď fototranzistory nefungujú, prenášajú málo prúdu ako bežné polovodiče. Keď na ne dopadne svetlo, fototranzistor generuje fotoelektromotorickú silu na povrchu polovodiča typu P a polovodiča typu N, diery v polovodiči typu N prúdia do oblasti p, voľné elektróny v polovodiči typu p prúdia do oblasti n a prúd preteká.
Fototranzistory nie sú tak citlivé ako fotodiódy, ale majú tiež vplyv na zosilnenie výstupu na stovky až 1 000-násobok vstupného signálu (vďaka vnútornému elektrickému poľu). Preto sú dostatočne citlivé na to, aby zachytili aj slabé signály, čo je výhoda.
V skutočnosti je „blokátor svetla“, ktorý vidíme, elektronické zariadenie s rovnakým princípom a mechanizmom.
Prerušovače svetla sa však zvyčajne používajú ako senzory a plnia svoju úlohu tak, že medzi prvok vyžarujúci svetlo a prvok prijímajúci svetlo vložia predmet blokujúci svetlo. Môžu sa napríklad použiť na detekciu mincí a bankoviek v predajných automatoch a bankomatoch.
② Funkcie
Keďže optočlen prenáša signály prostredníctvom svetla, izolácia medzi vstupnou a výstupnou stranou je dôležitou vlastnosťou. Vysoká izolácia nie je ľahko ovplyvnená šumom, ale zároveň zabraňuje náhodnému toku prúdu medzi susednými obvodmi, čo je mimoriadne účinné z hľadiska bezpečnosti. Samotná konštrukcia je relatívne jednoduchá a rozumná.
Vďaka svojej dlhej histórii je bohatý sortiment produktov od rôznych výrobcov tiež jedinečnou výhodou optočlenov. Pretože nedochádza k fyzickému kontaktu, opotrebovanie medzi súčiastkami je malé a životnosť je dlhšia. Na druhej strane existujú aj charakteristiky, že svetelná účinnosť ľahko kolíše, pretože LED dióda sa s postupom času a zmenami teploty pomaly zhoršuje.
Najmä ak sa vnútorná zložka priehľadného plastu dlhodobo zakalí, nemôže poskytovať veľmi dobré svetlo. V každom prípade je však životnosť mechanického kontaktu príliš dlhá v porovnaní s kontaktom.
Fototranzistory sú vo všeobecnosti pomalšie ako fotodiódy, takže sa nepoužívajú na vysokorýchlostnú komunikáciu. To však nie je nevýhoda, pretože niektoré súčiastky majú na výstupnej strane zosilňovacie obvody na zvýšenie rýchlosti. V skutočnosti nie všetky elektronické obvody potrebujú zvyšovať rýchlosť.
③ Použitie
Fotoelektrické spojkysa používajú hlavne na spínanie. Obvod sa napája zapnutím spínača, ale z hľadiska vyššie uvedených charakteristík, najmä izolácie a dlhej životnosti, je vhodný pre scenáre vyžadujúce vysokú spoľahlivosť. Napríklad šum je nepriateľom lekárskej elektroniky a audio zariadení/komunikačných zariadení.
Používa sa aj v systémoch motorových pohonov. Dôvodom je, že motor je pri jeho pohone riadený meničom, ale kvôli vysokému výkonu generuje hluk. Tento hluk nielenže spôsobí poruchu samotného motora, ale aj tok cez „zem“ a ovplyvňuje periférie. Najmä zariadenia s dlhým vedením ľahko zachytávajú tento hluk s vysokým výstupom, takže ak sa to stane v továrni, spôsobí to veľké straty a niekedy aj vážne nehody. Použitím vysoko izolovaných optočlenov na prepínanie je možné minimalizovať vplyv na iné obvody a zariadenia.
Po druhé, ako si vybrať a používať optočleny
Ako použiť správny optočlen pre aplikácie v dizajne produktov? Nasledujúci vývojári mikrokontrolérov vysvetlia, ako vybrať a používať optočleny.
① Vždy otvorené a vždy zatvorené
Existujú dva typy optočlenov: typ, pri ktorom sa spínač vypne, keď nie je pripojené žiadne napätie, typ, pri ktorom sa spínač zapne, keď je pripojené napätie, a typ, pri ktorom sa spínač zapne, keď nie je pripojené žiadne napätie. Optočleny sa pripájajú a vypínajú, keď je pripojené napätie.
Prvý sa nazýva normálne otvorený a druhý normálne zatvorený. Spôsob výberu závisí v prvom rade od toho, aký typ obvodu potrebujete.
② Skontrolujte výstupný prúd a pripojené napätie
Optočleny majú tú vlastnosť, že zosilňujú signál, ale nie vždy prepúšťajú napätie a prúd podľa potreby. Samozrejme, je to menovité, ale zo vstupnej strany je potrebné priviesť napätie podľa požadovaného výstupného prúdu.
Ak sa pozrieme na technický list produktu, vidíme graf, kde vertikálna os predstavuje výstupný prúd (kolektorový prúd) a horizontálna os predstavuje vstupné napätie (napätie kolektor-emitor). Kolektorový prúd sa mení v závislosti od intenzity svetla LED diódy, preto privádzajte napätie podľa požadovaného výstupného prúdu.
Možno si však myslíte, že vypočítaný výstupný prúd je prekvapivo malý. Ide o hodnotu prúdu, ktorú je stále možné spoľahlivo vydávať aj po zohľadnení opotrebovania LED diódy v priebehu času, takže je menšia ako maximálny výkon.
Naopak, existujú prípady, keď výstupný prúd nie je veľký. Preto pri výbere optočlenu nezabudnite starostlivo skontrolovať „výstupný prúd“ a vybrať si produkt, ktorý mu zodpovedá.
③ Maximálny prúd
Maximálny vodivý prúd je maximálna hodnota prúdu, ktorú optočlen znesie pri vedení. Pred kúpou sa opäť musíme uistiť, že vieme, aký výstup projekt potrebuje a aké je vstupné napätie. Uistite sa, že maximálna hodnota a použitý prúd nie sú obmedzeniami, ale že existuje určitá rezerva.
④ Správne nastavte optočlen
Po výbere správneho optočlenu ho použijeme v reálnom projekte. Samotná inštalácia je jednoduchá, stačí pripojiť svorky pripojené ku každému vstupnému a výstupnému obvodu. Treba však dbať na to, aby ste nezamenili vstupnú a výstupnú stranu. Preto je potrebné skontrolovať aj symboly v tabuľke údajov, aby ste po nakreslení dosky plošných spojov nezistili, že nožička fotoelektrického člena je nesprávna.
Čas uverejnenia: 29. júla 2023