Das Paar "optischer Sender - optischer Empfänger" wird seit langem in der Elektronik und Elektrotechnik verwendet. Als Optokoppler oder Optokoppler wird ein elektronisches Bauteil bezeichnet, bei dem sich Empfänger und Sender im gleichen Gehäuse befinden und zwischen ihnen eine optische Verbindung besteht.
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Optokoppler-Gerät
Der Optokoppler besteht aus einem optischen Sender (Emitter), einem optischen Kanal und einem optischen Signalempfänger. Der Fotosender wandelt das elektrische Signal in ein optisches um. Der Sender ist in den meisten Fällen eine LED (frühere Modelle verwendeten Glüh- oder Neonlichtbirnen). Die Verwendung von LEDs ist prinzipienlos, aber sie sind langlebiger und zuverlässiger.
Das optische Signal wird über einen optischen Kanal zum Empfänger übertragen. Der Kanal ist geschlossen - wenn das vom Sender emittierte Licht nicht über den Körper des Optokopplers hinausgeht. Dann wird das vom Empfänger erzeugte Signal mit dem Signal am Sendereingang synchronisiert.Solche Kanäle sind Luft oder mit einer speziellen optischen Verbindung gefüllt. Es gibt auch "lange" Optokoppler, in denen der Kanal liegt Glasfaser.
Wenn der Optokoppler so ausgelegt ist, dass die erzeugte Strahlung, bevor sie den Empfänger erreicht, das Gehäuse verlässt, wird ein solcher Kanal als offen bezeichnet. Damit können Sie Hindernisse registrieren, die im Weg des Lichtstrahls entstehen.
Der Photodetektor führt die inverse Umwandlung des optischen Signals in ein elektrisches durch. Die am häufigsten verwendeten Empfänger sind:
- Fotodioden. Wird normalerweise in digitalen Kommunikationsleitungen verwendet. Ihre Abstammung ist klein.
- Fotowiderstände. Ihr Merkmal ist die Zwei-Wege-Leitfähigkeit des Empfängers. Der Strom durch den Widerstand kann in beide Richtungen gehen.
- Fototransistoren. Ein Merkmal solcher Geräte ist die Fähigkeit, den Transistorstrom sowohl über einen Optotransmitter als auch über die Ausgangsschaltung zu steuern. Wird sowohl im linearen als auch im digitalen Modus verwendet. Eine separate Art von Optokopplern - mit parallel gegenüberliegenden Feldeffekttransistoren. Solche Geräte werden genannt Halbleiterrelais.
- Photothyristoren. Solche Optokoppler zeichnen sich durch eine erhöhte Leistung der Ausgangsschaltungen und ihre Schaltgeschwindigkeit aus; solche Geräte werden bequem zur Steuerung von Elementen der Leistungselektronik verwendet. Diese Geräte werden auch als Halbleiterrelais kategorisiert.
Optokoppler-Mikroschaltungen sind weit verbreitet - Baugruppen von Optokopplern mit Umreifung in einem Paket. Solche Optokoppler werden als Schaltgeräte und für andere Zwecke verwendet.
Vorteile und Nachteile
Der erste Vorteil, der bei optischen Instrumenten festgestellt wird, ist das Fehlen mechanischer Teile.Dies bedeutet, dass während des Betriebs keine Reibung, kein Verschleiß und keine Kontaktfunken wie bei elektromechanischen Relais auftreten. Im Gegensatz zu anderen Geräten zur galvanischen Trennung von Signalen (Transformatoren usw.) können Optokoppler bei sehr niedrigen Frequenzen, einschließlich Gleichstrom, arbeiten.
Der Vorteil der optischen Trennung ist außerdem die sehr geringe kapazitive und induktive Kopplung zwischen Ein- und Ausgang. Dadurch wird die Übertragungswahrscheinlichkeit von Impuls- und Hochfrequenzstörungen reduziert. Das Fehlen einer mechanischen und elektrischen Verbindung zwischen Ein- und Ausgang bietet die Möglichkeit vielfältiger technischer Lösungen zur Schaffung berührungsloser Steuer- und Schaltkreise.
Trotz der Einschränkungen in realen Designs in Bezug auf Spannung und Strom für Ein- und Ausgang gibt es theoretisch keine grundlegenden Hindernisse für die Erhöhung dieser Eigenschaften. Damit lassen sich Optokoppler für nahezu jede Aufgabe erstellen.
Zu den Nachteilen von Optokopplern gehört die Signalübertragung in eine Richtung - es ist unmöglich, ein optisches Signal vom Fotodetektor zurück zum Sender zu übertragen. Dies macht es schwierig, eine Rückkopplung entsprechend der Antwort der Empfangsschaltung auf das Sendersignal zu organisieren.
Die Reaktion des Empfangsteils kann nicht nur durch Veränderung der Abstrahlung des Senders, sondern auch durch Beeinflussung des Zustands des Kanals (Erscheinen fremder Objekte, Veränderung der optischen Eigenschaften des Kanalmediums etc.) beeinflusst werden. Ein solcher Aufprall kann auch nichtelektrischer Natur sein. Dies erweitert die Einsatzmöglichkeiten von Optokopplern. Und die Unempfindlichkeit gegenüber externen elektromagnetischen Feldern ermöglicht es Ihnen, Datenübertragungskanäle mit hoher Störfestigkeit zu erstellen.
Der Hauptnachteil von Optokopplern ist die geringe Energieeffizienz in Verbindung mit Signalverlusten bei der Signaldoppelwandlung. Ebenfalls nachteilig ist der hohe Eigenrauschpegel. Dies verringert die Empfindlichkeit von Optokopplern und schränkt den Anwendungsbereich dort ein, wo mit schwachen Signalen gearbeitet werden muss.
Bei der Verwendung von Optokopplern muss auch der Einfluss der Temperatur auf ihre Parameter berücksichtigt werden - er ist erheblich. Zu den Nachteilen von Optokopplern zählen außerdem eine merkliche Degradation der Elemente im Betrieb und ein gewisser Technologiemangel in der Produktion, der mit der Verwendung verschiedener Halbleitermaterialien in einem Gehäuse einhergeht.
Eigenschaften von Optokopplern
Optokopplerparameter fallen in zwei Kategorien:
- Charakterisieren der Eigenschaften des Geräts zum Übertragen eines Signals;
- Charakterisierung der Entkopplung zwischen Eingang und Ausgang.
Die erste Kategorie ist der aktuelle Transferkoeffizient. Sie hängt vom Emissionsgrad der LED, der Empfindlichkeit des Empfängers und den Eigenschaften des optischen Kanals ab. Dieser Koeffizient entspricht dem Verhältnis des Ausgangsstroms zum Eingangsstrom und beträgt für die meisten Optokopplertypen 0,005 ... 0,2. Bei Transistorelementen kann der Übertragungskoeffizient 1 erreichen.
Wenn wir den Optokoppler als vierpolig betrachten, wird seine Eingangscharakteristik vollständig durch den CVC des Optokopplers (LED) und der Ausgang durch die Charakteristik des Empfängers bestimmt. Die Durchgangscharakteristik ist im Allgemeinen nicht linear, aber einige Arten von Optokopplern haben lineare Abschnitte. Ein Teil des CVC des Dioden-Optokopplers hat also eine gute Linearität, aber dieser Abschnitt ist nicht sehr groß.
Widerstandselemente werden auch durch das Verhältnis von Dunkelwiderstand (bei einem Eingangsstrom gleich Null) zu Hellwiderstand bewertet. Für Thyristor-Optokoppler ist eine wichtige Eigenschaft der minimale Haltestrom im offenen Zustand. Zu den wesentlichen Parametern des Optokopplers gehört auch die höchste Betriebsfrequenz.
Die Qualität der galvanischen Trennung ist gekennzeichnet durch:
- die maximale an Eingang und Ausgang angelegte Spannung;
- maximale Spannung zwischen Eingang und Ausgang;
- Isolationswiderstand zwischen Eingang und Ausgang;
- Durchgangskapazität.
Der letzte Parameter charakterisiert die Fähigkeit eines elektrischen Hochfrequenzsignals, unter Umgehung des optischen Kanals durch die Kapazität zwischen den Elektroden vom Eingang zum Ausgang zu streuen.
Es gibt Parameter, mit denen Sie die Fähigkeiten der Eingangsschaltung bestimmen können:
- die höchste Spannung, die an die Eingangsanschlüsse angelegt werden kann;
- der maximale Strom, dem die LED standhalten kann;
- Spannungsabfall über der LED bei Nennstrom;
- Rückwärtseingangsspannung - Rückwärtspolaritätsspannung, der die LED standhalten kann.
Für die Ausgangsschaltung sind diese Eigenschaften der maximal zulässige Ausgangsstrom und die maximal zulässige Ausgangsspannung sowie der Leckstrom bei einem Eingangsstrom von Null.
Anwendungsbereich von Optokopplern
Optokoppler mit geschlossenem Kanal werden dort eingesetzt, wo aus irgendeinem Grund (elektrische Sicherheit usw.) eine Entkopplung zwischen der Signalquelle und der Empfangsseite erforderlich ist. Zum Beispiel in Rückkopplungsschleifen Schaltnetzteile - Das Signal wird vom Ausgang des Netzteils abgenommen und dem Strahler zugeführt, dessen Helligkeit vom Spannungspegel abhängt.Vom Empfänger wird ein von der Ausgangsspannung abhängiges Signal abgenommen und dem PWM-Controller zugeführt.
In der Abbildung ist ein Fragment einer Computer-Stromversorgungsschaltung mit zwei Optokopplern dargestellt. Der obere Optokoppler IC2 erzeugt eine Rückkopplung, die die Spannung stabilisiert. Der untere IC3 arbeitet im diskreten Modus und versorgt den PWM-Chip 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 verwendet, um Sensoren zur Erkennung von Objekten (Papier im Drucker), Endschalter, Zähler (Objekte auf dem Förderband, Anzahl der Zahnradzähne in Mausmanipulatoren) usw. zu erstellen.
Halbleiterrelais werden an der gleichen Stelle wie herkömmliche Relais verwendet - zum Schalten von Signalen. Ihre Ausbreitung wird jedoch durch den hohen Widerstand des Kanals im offenen Zustand behindert. Sie werden auch als Treiber für Elemente der Leistungs-Festkörperelektronik (leistungsstarke Feldeffekt- oder IGBT-Transistoren) verwendet.
Der Optokoppler wurde vor mehr als einem halben Jahrhundert entwickelt, aber seine weit verbreitete Verwendung begann, nachdem LEDs erschwinglich und kostengünstig wurden. Jetzt werden alle neuen Modelle von Optokopplern entwickelt (zum größten Teil darauf basierende Mikroschaltungen), und ihr Anwendungsbereich wird nur erweitert.
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