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Fotokupplungen, Opto-Coupler & Opto-Isolatoren erklärten

In der Welt der Elektronik ist es wirklich wichtig sicherzustellen, dass sich die Signale reibungslos und sicher von einer Schaltung zu einer anderen bewegen können, insbesondere wenn diese Schaltkreise mit unterschiedlichen Spannungsniveaus funktionieren oder von elektrischen Rauschen beeinflusst werden.Fotokupplungen, die auch Optokoppler oder Opto-Isolatoren genannt werden, tragen dazu bei, dies zu erreichen.Diese kleinen Geräte senden Licht, um Signale zwischen Schaltungen zu senden und sie getrennt zu halten, was dazu beiträgt, empfindliche Teile vor Schäden zu schützen.In diesem Artikel werden wir untersuchen, wie Fotokupplungen funktionieren, wo sie verwendet werden und warum sie heute in der Elektronik so nützlich sind.

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Abbildung 1: Fotokomponente

Fotokoppel verstehen

Fotokupplungen, auch Optokoppler genannt oder Optoisolatoren, sind Geräte, die es Signalen ermöglichen, von einem elektrischen Schaltkreis zum anderen zu gelangen, während sie voneinander getrennt bleiben.Die Hauptaufgabe eines Photokopplers besteht darin, sicherzustellen, dass Signale aus einer Schaltung nicht die andere stören, insbesondere wenn die Schaltungen unterschiedliche Spannungsniveaus haben oder wenn eine Schaltung elektrisches Geräusch aufweist.Diese Trennung erfolgt mit Licht, sodass das Signal ohne direkte elektrische Verbindung weitergegeben werden kann.

Abbildung 2: Querschnittsansicht und Symbol eines Photokopplers

Teile eines Photokopplers

Ein Fotokoppler hat zwei Hauptteile:

Licht emittierende Diode (LED): Der erste Teil ist die LED, die sich auf der Eingangsseite befindet.Diese LED nimmt das elektrische Signal und verwandelt es in Licht, normalerweise im Infrarotbereich.Infrarotlicht wird oft verwendet, weil es für diesen Zweck gut funktioniert und für den nächsten Teil leicht zu erkennen ist.

Fotodetektor: Der zweite Teil ist der Fotodetektor, der sich auf der Ausgangsseite befindet.Der Fotodetektor empfängt das Licht aus der LED und verwandelt es wieder in ein elektrisches Signal.Der Fotodetektor kann verschiedene Arten von Geräten sein, z.Die Art des verwendeten Fotodetektors beeinflusst, wie schnell das Signal verarbeitet wird, wie empfindlich es ist und wie stark das Ausgangssignal sein wird.

Sowohl der LED als auch der Fotodetektor befinden sich in einem Paket, das normalerweise wie eine kleine integrierte Schaltung (IC) aussieht.Die LED und der Fotodetektor sind physikalisch getrennt, was sehr wichtig ist, da die Eingangs- und Ausgangskreise nicht direkt angeschlossen sind.Diese Trennung hält die Schaltkreise vor elektrischen Problemen wie hoher Spannung oder Rauschen, die empfindliche Teile beschädigen könnten.

Wie funktionieren Fotokupplungen?

Ein Photokoppler ist ein Gerät, mit dem sich ein Signal zwischen zwei separaten Schaltungen bewegen kann, während sie elektrisch voneinander abheben.Diese Trennung ist sehr hilfreich, um zarte, niedrige Spannungsteile vor Hochspannungsspitzen und elektrischen Störungen zu schützen.Der Vorgang beginnt, wenn eine Spannung auf den Eingangskreis angewendet wird, der eine LED (leichte Diode) innerhalb des Photokopplers versorgt.Diese LED leuchtet auf und gibt normalerweise das Infrarotlicht ab, was weniger wahrscheinlich durch äußere Einflüsse gestört ist.Das Licht wandert dann über eine Isolierbarriere, um den Fotodetektor auf der Ausgangsseite zu erreichen.Der Fotodetektor, der ein Photodiode, einen Phototransistor oder ein Photothyristor sein könnte, fängt dieses Licht auf und verwandelt es wieder in ein elektrisches Signal.Dieses neue elektrische Signal wird dann an den Ausgangskreis gesendet.

Der Isolierschicht Zwischen der LED und dem Fotodetektor hält die Eingangs- und Ausgangsschaltungen voneinander entfernt.Diese Trennung hilft, die Teile mit niedrigem Volt vor Hochspannungsspitzen oder elektrischen Geräuschen vor Schaden zu schützen.Das Licht, das durch die Isolierschicht verläuft, ermöglicht es dem Signal, sich ohne physischen oder elektrischen Kontakt von einer Seite zur anderen zu bewegen, sodass die Schaltkreise miteinander kommunizieren können.

Sobald der Fotodetektor das Licht von der LED empfängt, wandelt es das Licht wieder in ein elektrisches Signal um.Dieses Ausgangssignal entspricht elektronisch wie dem Eingangssignal, kann jedoch je nach benötigtes, wofür es benötigt wird.Das Signal wird dann vom Ausgangskreis verwendet, um die erforderliche Aufgabe auszuführen.

Anwendungen von Fotokupplungen

Fotokupplungen werden in verschiedenen elektronischen Geräten häufig verwendet, da sie sowohl Isolierungen als auch eindeutige Signalübertragung liefern.

Im Sicherheitsschutz dienen Photokoppler als Barriere zwischen Hochspannungs- und Niederspannungsschaltungen.Diese Isolation verhindert, dass Hochspannungsstschwarzen empfindliche Teile schädigen, was in Einstellungen, in denen Leistungsspitzen häufig sind, sehr nützlich ist.

Wenn es darum geht, das Geräusch zu reduzieren, sind Fotokuppler unglaublich nützlich.Sie helfen dabei, die Auswirkungen elektrischer Störungen zu minimieren und sicherzustellen, dass das gesendete Signal klar und stetig bleibt.

In Schnittstellenschaltungen ermöglichen Photokoppler es für verschiedene Teile eines Systems, die in verschiedenen Spannungsniveaus arbeiten, um sicher zu kommunizieren.Durch die Verwendung eines Photokopplers können Sie Schaltkreise ohne Schäden durch Spannungsunterschiede verbinden.

Fotokupplungen sind auch ein wesentlicher Bestandteil der Schaltnetzmittel.In diesen Anwendungen halten sie die Steuerteile von den Hochspannungsausgängen getrennt, um sicherzustellen, dass die Kontrollsignale auch unter schwierigen elektrischen Bedingungen stabil und zuverlässig bleiben.

Opto-Koppler- und Opto-Isolator-Pakete

Abbildung 3: Opto-Koppler- und Opto-Isolator-Pakete

Fotokupplungen, auch als Opto-Kopplungen oder Opto-Isolatoren bekannt, sind elektronische Teile, mit denen Licht zwischen zwei Schaltungen gesendet werden muss, die getrennt gehalten werden müssen.Diese Trennung hilft, zu verhindern, dass hohe Spannungen die Schaltung, die das Signal empfängt, beschädigt wird.Das Design und die Verpackung dieser Teile ändern sich, je nachdem, ob sie in Situationen mit niedriger Spannung oder Hochspannung verwendet werden.

Niederspannungsanwendungen: Bei Niederspannungsaufbauten befinden sich normalerweise in Paketen, die wie Standard-Dual-in-Line-Pakete (DIL-Line) integrierten Schaltungen (ICs) oder SOIC (SOIC) aussehen, die wie Standard-Dual-In-Line-Pakete (ICS) aussehen.Diese Formate werden üblicherweise in der Surface Mount Technology (SMT) verwendet, wodurch sie einfach in moderne, kompakte elektronische Designs einfügen können.Die Verpackung ermöglicht es dem Teil, in gedruckten Leiterplatten (PCBs) einfach enthalten zu sein und gleichzeitig verschiedene Abschnitte einer Schaltung getrennt zu halten.

Hochspannungsanwendungen: Für Hochspannungssituationen werden Opto-Isolatoren häufig mit stärkeren Verpackungen ausgelegt, um höhere Isolationsspannungen zu bewältigen.Diese Pakete können rechteckig oder zylindrisch sein und können mehr Schutz als Standard -IC -Pakete bieten.Diese Funktion ist nützlich in Stromversorgungssystemen oder anderen Setups, bei denen die Spannungsdifferenz zwischen Schaltungen groß sein kann und zusätzliche Sicherheitsmaßnahmen erfordert.

Photokoppler -Terminologie und Symbole

Abbildung 4: Schaltschaltymbol eines Photokopplers

Während "Opto-Coppler" und "Opto-Isolator" oft als dasselbe verwendet werden, gibt es kleine Unterschiede zwischen ihnen, basierend darauf, wie sie verwendet werden:

Opto-Couple Normalerweise bezieht sich auf Teile, die in Systemen verwendet werden, bei denen der Spannungsunterschied zwischen Schaltungen nicht über 5.000 Volt beträgt.Diese Teile werden häufig zum Senden von analogen oder digitalen Signalen über separate Schaltungen in verschiedenen elektronischen Setups hinweg verwendet.

Opto-Isolatoren sind speziell für die Verwendung in Hochleistungssystemen hergestellt, bei denen die Spannungsdifferenz mehr als 5.000 Volt betragen kann.Der Hauptauftrag ist ähnlich - Signale während der Aufrechterhaltung der elektrischen Trennung -, aber diese Teile werden für die anspruchsvolleren elektrischen Aufbauten in Stromverteilung und industriellen Systemen erstellt.

In Schaltplänen zeigt das Symbol für einen Opto-Koppler typischerweise eine LED (die als Sender fungiert) auf einer Seite und einen Phototransistor oder Photodarlington (der als Empfänger fungiert) auf der anderen Seite.Dieses Symbol zeigt, wie das Teil im Inneren funktioniert, und zeigt, wie Licht verwendet wird, um eine elektrische Verbindung zwischen den separaten Schaltungen zu erzeugen.Die LED gibt Licht ab, wenn der Strom durch sie fließt, was dann vom Phototransistor aufgenommen wird, sodass das Signal durchlaufen wird, während die Schaltungen elektrisch getrennt bleiben.

Schlüsselspezifikationen von Fotokupplern

Abbildung 5: Photokoppler-Eingangs-Output-Timing- und Collector-Emitter-Spannungseigenschaften

Bei der Auswahl eines Photokopplers ist es hilfreich, seine wichtigsten Funktionen zu verstehen, um sicherzustellen, dass es Ihren Anforderungen entspricht.

Stromübertragungsverhältnis (CTR): Dies ist das Verhältnis des Ausgangsstroms zum Eingangsstrom.Einfacher wird angezeigt, wie viel Strom auf der Eingangsseite auf die Ausgangsseite übertragen wird.Die CTR -Werte können je nach Art des Photokopplers von 10% bis über 5.000% variieren.Ein höheres CTR bedeutet, dass das Gerät effektiver beim Übergeben des Signals vom Eingang zur Ausgabe effektiver ist, was für Anwendungen wichtig ist, bei denen eine präzise Signalsteuerung erforderlich ist.

Bandbreite: Diese Funktion gibt die maximale Geschwindigkeit an, mit der der Photokoppler Daten verarbeiten kann.Phototransistorbasierte Photokoppler haben normalerweise eine Bandbreite von etwa 250 kHz, was sie für viele gemeinsame Verwendungen geeignet macht.Wenn Sie jedoch etwas schneller benötigen, seien Sie sich bewusst, dass Photodarlington-basierte Fotokoppler aufgrund ihres Designs möglicherweise langsamer sein könnten, was sich darauf auswirkt, wie schnell sie reagieren.

Eingabestrom: Dies bezieht sich auf die Menge des Stroms, die zur Stromversorgung der LED auf der Eingangsseite des Photokopplers erforderlich sind.Der Eingangsstrom ist ein wichtiger Faktor, da er beeinflusst, wie viel Strom das Gerät verwendet und wie gut es mit den anderen Teilen Ihres Schaltkreises funktioniert.

Ausgangsvorrichtung Maximale Spannung: Bei auftransistorbasierten Photokopplern ist dies die höchste Spannung, die der Ausgangstransistor verarbeiten kann.Es ist wichtig sicherzustellen, dass diese Spannung höher ist als die maximale Spannung, die Ihre Anwendung verwendet, um das Gerät zu beschädigen.

Unterschiede zwischen Photokopplern und Festkörperstaatenrelais

Abbildung 6: Photokoppler und Festkörperrelais

Fotokupplungen und Solid-State Relais (SSRs) Beide verwenden Licht, um Signale zu isolieren, sie werden jedoch aufgrund ihres Designs auf unterschiedliche Weise verwendet.

Fotokupplungen werden in der Regel in Situationen mit geringer Leistung verwendet, in denen das Hauptziel darin besteht, Signale zu übertragen und zu isolieren.Sie sind ideal, um empfindliche elektronische Teile vor Hochspannungsspitzen oder Rauschen zu schützen und sicherzustellen, dass das Signal sauber von einem Teil der Schaltung zum anderen geleitet wird.

Solid-State Relays (SSRs) hingegen sind so ausgelegt, dass sie höhere Stromniveaus wechseln.Im Gegensatz zu Fotokupplern haben SSRs häufig zusätzliche Teile wie Schleifschutz und Null-Crossing-Schaltanlagen (für Wechselstromsignale), wodurch das elektrische Rauschen reduziert wird und das Relais länger hält.SSRs sind normalerweise größer, und da sie höhere Ströme verarbeiten, benötigen sie häufig Kühlkörper, um Wärme- und Schraubklemmen für sichere Verbindungen zu verwalten.

Abschluss

Fotokupplungen helfen, die Schaltkreise sicher zu halten und gut zu funktionieren, indem Signale durchlaufen werden, während die Schaltkreise getrennt werden.Sie schützen Niederspannungsschaltungen vor Hochspannungsspitzen und reduzieren elektrische Rauschen, was sie bei vielen elektronischen Geräten sehr hilfreich macht.Unabhängig davon, ob sie einfach Signale zwischen Schaltkreisen oder komplexeren Stromversorgungssystemen übergeben, wählt es einen großen Unterschied, wie gut ein elektronisches System funktioniert.Wenn die Technologie weiter voranschreitet, werden diese Geräte weiterhin sehr hilfreich sein und als Beschützer unserer elektronischen Geräte fungieren.

Häufig gestellte Fragen [FAQ]

1. Was ist die Anwendung eines Opto-Isolators?

Die Anwendung eines Opto-Isolators besteht darin, verschiedene Teile eines Schaltkreises getrennt zu halten und gleichzeitig die Signale zwischen ihnen zu verabschieden.Dies schützt empfindliche Teile einer Schaltung vor Hochspannungsspitzen oder elektrischen Geräuschen.Opto-Isolatoren werden häufig in Stromversorgungen, Mikrocontroller-Schnittstellen und industriellen Steuerungssystemen verwendet, um eine Beschädigung von Komponenten mit niedrigem Spannungsbetrag zu verhindern.

2. Wann sollten Sie einen Opto-Isolator verwenden?

Sie sollten einen Opto-Isolator verwenden, wenn Sie Teile einer Schaltung mit hohen Spannungsstößen oder elektrischen Rauschen schützen müssen.Es ist auch nützlich, wenn verschiedene Teile Ihres Systems zusammenarbeiten müssen, ohne direkt verbunden zu sein.Dies ist hilfreich, wenn Schaltungen unterschiedliche Bodenniveaus haben oder aus Sicherheitsgründen elektrisch getrennt bleiben müssen.

3. Was ist der Hauptzweck eines Optokopplers?

Der Hauptzweck eines Optokopplers besteht darin, die Signale zwischen zwei separaten Schaltungen mit Licht passieren zu lassen und die Schaltkreise elektrisch voneinander zu trennen.Dies verhindert, dass Hochspannungsschaltungen die Beeinträchtigung von Schaltkreisen mit niedrigen Spannung beeinflussen, was dazu beiträgt, empfindliche Teile vor beschädigten Teilen zu schützen.

4. Warum sollten Sie einen Optokoppler anstelle eines Relais verwenden?

Sie würden einen Optokoppler anstelle eines Relais verwenden, wenn Sie schnelleres Umschalten, eine längere Lebensdauer und einen leiseren Betrieb benötigen.Im Gegensatz zu Relais haben Optokoppler keine beweglichen Teile, sodass sie schneller und länger dauern können.Sie nehmen auch weniger Platz ein und bieten eine bessere elektrische Isolation.

5. Was sind die Nachteile von Optokoppler?

Die Nachteile von Optokopplern umfassen ihre begrenzte Fähigkeit, hohen Strom und Spannung im Vergleich zu Relais zu bewältigen.Einige Optokoppler, insbesondere solche mit Phototransistoren, können langsamer reagieren.Sie können sich auch im Laufe der Zeit abnutzen, weil sich die LED in Inside verschlechtert.Optokoppler sind möglicherweise nicht die beste Wahl, um sehr hohe Leistung zu kontrollieren, bei denen Relais oder Festkörperrelais besser funktionieren würden.