OPTOCOUPLERS ELLER OPTOISOLATORS är enheter som möjliggör effektiv överföring av likströmsignal och annan data över två kretssteg och samtidigt upprätthåller en utmärkt nivå av elektrisk isolering mellan dem.
Optokopplare blir särskilt användbara där en elektrisk signal krävs för att skickas över två kretssteg, men med en extrem grad av elektrisk isolering över stegen.
Optokopplingsanordningar fungerar som logiknivåomvandling mellan två kretsar.Den har förmågan att blockera brusöverföring över de integrerade kretsarna, för att isolera logiska nivåer från högspänningsledning och för att eliminera jordslingor.
Optokopplare blir en effektiv ersättning för reläer och för transformatorer för gränssnitt mellan digitala kretssteg.
Dessutom visar sig optokopplarens frekvensrespons vara ojämförlig i analoga kretsar.
Optokopplare Intern konstruktion
Internt innehåller en optokopplare en infraröd eller IR-sändare-LED (normalt byggd med galliumarsenid). Denna IR-LED är optiskt kopplad till en angränsande kiselfotodetektoranordning som i allmänhet är en fototransistor, en fotodiod eller något liknande ljuskänsligt element). Dessa två kompletterande anordningar är hermetiskt inbäddade i en ogenomskinlig ljussäker förpackning.
Ovanstående figur visar en dissekerad vy av ett typiskt sex-stifts dual-in-line (DIP) optokopplingschip. När terminalerna som är anslutna till IR-lysdioden förses med en lämplig framåtförspänd spänning avger den internt en infraröd strålning inom våglängden mellan 900 och 940 nanometer.
Denna IR-signal faller på den intilliggande fotodetektorn som normalt är en NPN-fototransistor (som har en känslighet inställd i samma våglängd) och den leder omedelbart och skapar en kontinuitet över dess samlar- / emitterterminaler.
Som framgår av bilden är IR-lysdioden och fototransistorn monterade på intilliggande armar på en blyram.
Ledramen är i form av stansning huggen ut från fin ledande plåt med flera grenliknande ytbehandlingar. De isolerade substraten som ingår för att förstärka anordningen skapas med hjälp av de inre grenarna. Respektive pinout av DIP utvecklas på motsvarande sätt från de yttre grenarna.
När de ledande anslutningarna har upprättats mellan munstyckshöljet och lämpliga blyramstiften förseglas utrymmet som omger IR-lampan och fototransistorn i ett transparent IR-stött harts som beter sig som ett 'ljusrör' eller optisk vågledare mellan två IR-enheter.
Hela monteringen formas slutligen i ett ljuståligt epoxiharts som bildar DIP-förpackningen. Vid avslut är bultramens stiftanslutningar snyggt böjda nedåt.
Optocoupler Pinout
Diagrammet ovan visar pinout-diagrammet för den typiska optokopplaren i DIP-paketet. Enheten är också känd som opto-isolator eftersom ingen ström är involverad mellan de två chipsen, snarare endast ljussignaler, och också för att IR-sändaren och IR-detektorn har 100% elektrisk isolering och isolering.
De andra populära namnen som är associerade med den här enheten är fotokopplare eller fotokopplade isolatorer.
Vi kan se att basen på den interna IR-transistorn avslutas vid stift 6 på IC. Denna bas lämnas normalt inte kopplad eftersom huvudsyfte med enheterna är att koppla de två kretsarna genom en isolerad intern IR-ljussignal.
Likaså är stiftet 3 en öppen eller en icke ansluten pinout och är inte relevant. Det är möjligt att omvandla den interna IR-fototransistorn till en fotodiod helt enkelt genom att kortsluta och ansluta basstiftet 6 med emitterstiftet 4.
Ovanstående funktion kan dock inte vara tillgänglig i en 4-stifts optokopplare eller flerkanalsoptokopplare.
Optokopplare Egenskaper
Optokopplare uppvisar en mycket användbar egenskap och det är dess ljuskopplingseffektivitet som kallas nuvarande överföringsförhållande eller CTR.
Detta förhållande förbättras med ett idealt matchande IR-LED-signalspektrum med dess intilliggande fototransistor-detekteringsspektrum.
CTR definieras sålunda som förhållandet mellan utström och ingångsström, vid en nominell förspänningsnivå för en specifik optokopplingsanordning. Det representeras av en procent:
CTR = Iced/ Jagfx 100%
När specifikationen föreslår en CTR på 100% hänvisar det till en utgångsströmöverföring på 1 mA för varje mA ström till IR-lysdioden. Minimivärden för CTR kan visa variationer mellan 20 och 100% för olika optokopplare.
De faktorer som kan variera CTR beror på de momentana specifikationerna för in- och utmatningsspänning och ström till enheten.
Figuren ovan visar det karakteristiska diagrammet för en optokopplare intern fototransistors utström (ICB) mot ingångsström (IF) när en VCB på 10 V appliceras över dess samlare / basstift.
Viktiga Specifikationer för OptoCoupler
Några av de väsentliga specifikationerna för optokopplare kan studeras från nedanstående data:
Isolationsspänning (Viso) : Det definieras som den absoluta maximala växelspänningen som kan finnas över optokopplarens ingångs- och utgångskretssteg utan att skada enheten. Standardvärdena för denna parameter kan ligga mellan 500 V och 5 kV RMS.
DU ÄR: det kan förstås som den maximala likspänningen som kan appliceras över enhetens fototransistoruttag. Vanligtvis kan detta ligga mellan 30 och 70 volt.
Om : Det är den maximala kontinuerliga likströmsströmmen som kan strömma i IR-lysdiod eller INETTO . Det är standardvärdena för strömhanteringskapacitet som specificeras för en fototransistorutgång från optokopplaren, som kan ligga mellan 40 och 100 mA.
Rise / fall time : Denna parameter definierar den logiska hastigheten för optokopplingsresponsen över den interna IR-lysdioden och fototransistorn. Detta kan vanligtvis vara från 2 till 5 mikrosekunder för både uppgång och nedgång. Detta berättar också om optokopplarenhetens bandbredd.
Optokopplare grundläggande konfiguration
Bilden ovan visar en grundläggande optokopplingskrets. Mängden ström som kan passera genom fototransistorn bestäms av den applicerade främre förspänningsströmmen för IR-lysdioden eller INETTOtrots att de är helt åtskilda.
Medan omkopplaren S1 hålls öppen strömmar strömmen genom INETTOinhiberas, vilket innebär att ingen IR-energi är tillgänglig för fototransistorn.
Detta gör enheten helt inaktiv och orsakar nollspänning att utvecklas över utgångsmotståndet R2.
När S1 är stängd tillåts ström att strömma genom INETTOoch R1.
Detta aktiverar IR-lysdioden som börjar sända IR-signaler på fototransistorn så att den kan slå PÅ, och i sin tur får en utspänning att utvecklas över R2.
Denna grundläggande optokopplingskrets svarar specifikt bra på ON / OFF-omkopplingsingångssignaler.
Om så krävs kan kretsen ändras för att fungera med analoga insignaler och generera motsvarande analoga utsignaler.
Typer av optokopplare
Fototransistorn för vilken optokopplare som helst kan komma med många olika utgångsförstärknings- och arbetsspecifikationer. Schemat som förklaras nedan visar sex andra former av optokopplarvarianter som har sina egna specifika kombinationer av IRED och utgångsfotodetektor.
Den första varianten ovan indikerar en dubbelriktad ingångs- och fototransistorutgång optokopplare schematisk med ett par back-to-back anslutna gallium-arsenid IRED för koppling av ingångs växelströmssignaler, och också för att skydda mot omvänd polaritet ingång.
Vanligtvis kan denna variant uppvisa en lägsta CTR på 20%.
Nästa typ ovan illustrerar en optokopplare vars effekt förstärks med en kiselbaserad foto-darlington-förstärkare. Detta gör att den kan producera högre utström jämfört med den andra normala optokopplaren.
På grund av Darlington-elementet vid utgången kan denna typ av optokopplare producera minst 500% CTR när kollektor-till-emitter-spänningen är cirka 30 till 35 volt. Denna storlek verkar vara ungefär tio gånger högre än en vanlig optokopplare.
Dessa kanske inte är lika snabba som de andra normala enheterna och det kan vara en betydande avvägning när du arbetar med en fotodarlingtonkopplare.
Det kan också ha en minskad mängd av den effektiva bandbredden med ungefär en faktor tio. Branschstandardversioner av photoDarlington-optokopplare är 4N29 till 4N33 och 6N138 och 6N139.
Du kan också få dem som dubbla och fyrkanaliga fotodarlington-kopplingar.
Det tredje schemat visar ovan en optokopplare med en IRED- och en MOSFET-fotosensor med dubbelriktad linjär utgång. Isolationsspänningsområdet för denna variant kan vara så högt som 2500 volt RMS. Spänningsområdet för nedbrytning kan ligga inom 15 till 30 volt, medan uppgångs- och falltiderna är cirka 15 mikrosekunder vardera.
Nästa variant ovan visar en grundläggande SCR eller tyristor baserad optofotosensor. Här styrs utgången via en SCR. Isolationsspänningen för kopplingarna av OptoSCR-typ är vanligtvis cirka 1000 till 4000 volt RMS. Den har en minsta blockeringsspänning på 200 till 400 V. De högsta påslagen (Ifr) kan vara cirka 10 mA.
Bilden ovan visar en optokopplare med fototriac-utgång. Denna typ av Thyristor-baserade utgångskopplare har i allmänhet en framspärrande spänning (VDRM) på 400 V.
Optokopplare med Schmitt trigger-egenskap finns också. Denna typ av optokopplare visas ovan som inkluderar en IC-baserad optosensor med en Schmitt-trigger IC som kommer att omvandla en sinusvåg eller någon form av pulsad insignal till rektangulär utspänning.
Dessa IC-fotodetektorbaserade enheter är faktiskt utformade för att fungera som en multivibratorkrets. Isolationsspänningar kan variera mellan 2500 och 4000 volt.
Startström anges vanligtvis mellan 1 och 10 mA. Lägsta och högsta tillförda arbetsnivå är mellan 3 och 26 volt och den maximala hastigheten för datahastighet (NRZ) är 1 MHz.
Applikationskretsar
Optokopplarnas interna funktion liknar exakt hur en diskret inrättad IR-sändare och mottagare fungerar.
Ingångsströmstyrning
Precis som alla andra lysdioder behöver IR-lysdioden för en optokopplare också ett motstånd för att kontrollera ingångsströmmen till säkra gränser. Detta motstånd kan anslutas på två grundläggande sätt med optokopplingslampan, som visas nedan:
Motståndet kan läggas i serie antingen med IROD: s anodterminal (a) eller katodterminal (b).
AC-optokopplare
I våra tidigare diskussioner lärde vi oss att för AC-ingång rekommenderas AC-optokopplare. Vilken standard optokopplare som helst kan dock också konfigureras säkert med en AC-ingång genom att lägga till en extern diod till IRED-ingångar, vilket bevisas i följande diagram.
Denna design säkerställer också säkerheten för enheten mot oavsiktliga omvända ingångsspänningsförhållanden.
Digital eller analog konvertering
För att få en digital eller analog konvertering vid utgången från optokopplaren kan ett motstånd läggas till i serie med optotransistorns samlingsstift eller emitterstiftet, vilket visas nedan:
Konvertera till Fototransistor eller Fotodiod
Som anges nedan kan en vanlig 6-stifts DIP-optokopplarens utgående fototransistor konverteras till en fotodiodutgång genom att ansluta transistorns basstift 6 på dess fototransistor med jord och genom att hålla sändaren okopplad eller kortsluta den med stift 6 .
Denna konfiguration orsakar en signifikant ökning av insignalens stigningstid, men resulterar också i en drastisk minskning av CTR-värdet ner till 0,2%.
Optokopplare Digital gränssnitt
Optokopplare kan vara utmärkta när det gäller digital signalgränssnitt, som drivs på olika försörjningsnivåer.
Optokopplare kan användas för gränssnitt mellan digitala IC: er över identiska TTL-, ECL- eller CMOS-familjer och på samma sätt över dessa chipfamiljer.
Optokopplare är också favoriterna när det gäller gränssnitt mellan persondatorer eller mikrokontroller och andra mainframe-datorer, eller massor som motorer, reläer , solenoid, lampor etc. Nedanstående diagram illustrerar gränssnittsdiagrammet för en optokopplare med TTL-kretsar.
Gränssnitt TTL IC med optokopplare
Här kan vi se att IRED för optokopplaren är ansluten över + 5V och TTL-grindutgången, istället för det vanliga sättet som ligger mellan TTL-utgången och marken.
Detta beror på att TTL-grindarna är klassade för att producera mycket låga utströmmar (cirka 400 uA), men är specificerade för att sänka ström med en ganska hög hastighet (16 mA). Därför möjliggör ovanstående anslutning optimal aktiveringsström för IRED när TTL är låg. Men detta betyder också att utgångssvaret kommer att inverteras.
En annan nackdel som finns med TTL-grindutgången är att när dess utgång är HÖG eller logisk 1, kan den producera runt en 2,5 V-nivå, vilket kanske inte räcker för att stänga av IRED helt. Det måste vara minst 4,5 V eller 5 V för att möjliggöra fullständig avstängning av IRED.
För att rätta till detta problem ingår R3 som ser till att IRED stängs av helt när TTL-grindutgången blir HÖG även med 2,5 V.
Samlingens utgångsstift på optokopplaren kan ses är ansluten mellan ingången och jord på TTL IC. Detta är viktigt eftersom en TTL-grindingång måste vara tillräckligt jordad minst under 0,8 V vid 1,6 mA för att möjliggöra en korrekt logik 0 vid grindutgången. Det måste noteras att den inställning som visas i figuren ovan tillåter ett icke-inverterande svar vid utgången.
Gränssnitt CMOS IC med optokopplare
Till skillnad från TTL-motsvarighet har CMOS IC-utgångar möjlighet att källa och sänka tillräckliga strömmar upp till många mA utan problem.
Därför kan dessa IC enkelt gränssnitt med optokopplare IRED antingen i sinkläge eller källläge som visas nedan.
Oavsett vilken konfiguration som väljs på ingångssidan, måste R2 på utgångssidan vara tillräckligt stor för att möjliggöra en full utspänningssvingning mellan logiska 0 och 1-tillstånd vid CMOS-grindutgången.
Gränssnitt Arduino Microcontroller och BJT med optokopplare
Ovanstående figur visar hur man gränssnitt en mikrokontroller eller Arduino utsignal (5 volt, 5 mA) med en relativt hög strömbelastning genom en optokopplare och BJT-steg.
Med en HIGH + 5V-logik från Arduino förblir optokopplaren IRED och fototransistorn avstängda, vilket gör att Q1, Q2 och lastmotorn kan vara påslagen.
Så snart Arduino-utgången blir låg aktiveras optokopplaren IRED och slår på fototransistorn. Detta motiverar omedelbart basförspänningen för Q1, stänger av Q1, Q2 och motorn.
Interfacing analoga signaler med optokopplare
En optokopplare kan också effektivt användas för att koppla ihop analoga signaler över två kretssteg genom att bestämma en tröskelström genom IRED och därefter modulera den med den applicerade analoga signalen.
Följande bild visar hur denna teknik kan användas för att koppla en analog ljudsignal.
Op-förstärkaren IC2 är konfigurerad som en enhetsförstärkningsspänningsföljarkrets. Optokopplingens IRED kan ses riggad till den negativa återkopplingsslingan.
Denna slinga får spänningen över R3 (och därmed strömmen genom IRED) att följa exakt, eller spåra spänningen som appliceras på stift nr 3 på op-förstärkaren, som är den icke-inverterande ingångsstiftet.
Denna pin3 av är op amp inställd på halva matningsspänningen via R1, R2 potential divider nätverk. Detta gör att pin3 kan moduleras med växelströmsignaler som kan vara en ljudsignal och får IRED-belysningen att variera enligt detta ljud eller den modulerande analoga signalen.
Den vilande strömmen eller tomgångsströmmen för IRED-strömmen uppnås vid 1 till 2 mA via R3.
På utgångssidan av optokopplaren bestäms viloströmmen av fototransistorn. Denna ström utvecklar en spänning över potentiometer R4 vars värde behöver justeras så att den genererar en vilande utgång som också är lika med halva matningsspänningen.
Den spårningsmodulerade ljudutgångssignalekvivalenten extraheras över potentiometern R4 och frikopplas genom C2 för vidare bearbetning.
Gränssnitt Triac med optokopplare
Optokopplare kan idealiskt användas för att skapa en perfekt isolerad koppling över en låg DC-styrkrets och en hög AC-nätbaserad triac-styrkrets.
Vi rekommenderar att DC-ingångens marksida är ansluten till en korrekt jordledning.
Hela installationen kan ses i följande diagram:
Ovanstående design kan användas för en isolerad styrning av nätströmslampor , värmare, motorer och andra liknande laster. Denna krets är inte nollkorsningskontrollerad inställning, vilket betyder att ingångsutlösaren kommer att få triac att växla vid någon punkt av växelströmsformen.
Här skapar nätverket bildat av R2, D1, D2 och C1 en 10 V potentialskillnad härledd från växelströmsingången. Denna spänning används för utlöser triac genom Q1 när ingångssidan slås PÅ genom att stänga omkopplaren S1. Betydelse så länge S1 är öppen är optokopplaren av på grund av en nollbasförspänning för Q1, vilket håller triac avstängd.
När S1 stängs aktiveras IRED, som slår på Q1. Q1 ansluter därefter 10 V DC till grinden för triacen som slår på triacen, och så småningom också slår på den anslutna belastningen.
Nästa krets ovan är utformad med en monolitisk nollspänningsomkopplare av kisel, CA3059 / CA3079. Dessa kretsar tillåter triac att utlösas synkront, det är bara under nollspänningskorsning av vågformen för växelströmscykeln.
När S1 trycks in reagerar opampen endast på den om triac-ingångens växelströmscykel är nära några mV nära nollkorsningslinjen. Om ingångsutlösaren görs medan växelströmmen inte är nära nollgenomgångslinjen, väntar op-förstärkaren tills vågformen når nollgenomgången och först då utlöser triac via en positiv logik från dess pin4.
Denna omkopplingsfunktion för nollkorsning skyddar de anslutna från plötslig enorm strömuppgång och spik, eftersom påslaget görs vid nollkorsningsnivån och inte när växelströmmen är vid sina högre toppar.
Detta eliminerar också onödigt RF-brus och störningar i kraftledningen. Denna trioc-baserade nollkorsningsomkopplare för optokopplare kan effektivt användas för att göra SSR eller halvledarreläer .
PhotoSCR och PhotoTriacs Optocoupler-applikation
Optokopplare som har sin fotodetektor i form av photoSCR och photo-Triac-utgång klassas vanligtvis med lägre utström.
Till skillnad från andra optokopplingsenheter har optoTriac eller optoSCR en ganska hög kapacitet för överspänningsström (pulserad) som kan vara mycket högre än deras nominella RMS-värden.
För SCR-optokopplare kan överspänningsströmsspecifikationen vara så hög som 5 ampere, men detta kan vara i form av en 100 mikrosekund pulsbredd och en arbetscykel inte mer än 1%.
Med triac-optokopplare kan överspänningsspecifikationen vara 1,2 ampere, som endast måste hålla i 10 mikrosekunder med en maximal arbetscykel på 10%.
Följande bilder visar några applikationskretsar med triac-optokopplare.
I det första diagrammet kan photoTriac ses konfigurerad för att aktivera lampan direkt från växelströmsledningen. Här måste lampan vara märkt till mindre än 100 mA RMS och ett maximalt startströmsförhållande lägre än 1,2 ampere för säker användning av optokopplaren.
Den andra designen visar hur photoTriac optokopplare kan konfigureras för att utlösa en slav Triac och därefter aktivera en belastning enligt varje föredragen effekt. Denna krets rekommenderas att endast användas med motståndsbelastningar som glödlampor eller värmeelement.
Den tredje figuren ovan illustrerar hur de två övre kretsarna kan modifieras för hantering av induktiva laster som motorer. Kretsen består av R2, C1 och R3 som genererar en fasförskjutning på Triacs gate-nätverk.
Detta gör att triacen kan gå igenom en korrekt utlösande åtgärd. Motstånd R4 och C2 introduceras som ett snubbernätverk för att undertrycka och kontrollera överspetsar på grund av induktiva EMF: er.
I alla ovanstående applikationer måste R1 dimensioneras så att IRED-enheten försörjs med minst 20 mA framström för korrekt utlösning av triac-fotodetektorn.
Speed Counter eller RPM Detector Application
Ovanstående figurer förklarar ett par unika anpassade optokopplingsmoduler som kan användas för hastighetsräknare eller RPM-mätning.
Det första konceptet visar en anpassad slitsad kopplings-avbrytare-enhet. Vi kan se en slits i form av ett luftspalt placeras mellan IRED och fototransistorn, som är monterade på separata lådor som vetter mot varandra över luftspaltspåret.
Normalt kan den infraröda signalen passera över kortplatsen utan några blockeringar medan modulen drivs. Vi vet att infraröda signaler kan blockeras helt genom att placera ett ogenomskinligt objekt i dess väg. I den diskuterade applikationen, när ett hinder som hjul eker får röra sig genom slitsen, orsakar avbrott i passagen av IR-signalerna.
Dessa konverteras därefter till klockfrekvens över utgången från fototransistorterminalerna. Denna utgångsklockfrekvens varierar beroende på hjulets hastighet och kan bearbetas för de nödvändiga mätningarna. .
Den angivna slitsen kan ha en bredd på 3 mm (0,12 tum). Fototransistorn som används inuti modulen har en fototransistor bör specificeras med en minsta CTR på cirka 10% i 'öppet' tillstånd.
Modulen är faktiskt en kopia av en standard optokopplare med en inbäddad IR och en fotomotstånd, är den enda skillnaden, här är dessa diskret hopmonterade i en separat låda med en luftspaltplats som separerar dem.
Den första modulen ovan kan användas för att mäta varv eller som en varvräknare. Varje gång hjulfliken passerar spåret på optokopplaren stängs fototransistorn av och genererar ett enda antal.
Den bifogade andra konstruktionen visar en optokopplingsmodul utformad för att svara på reflekterade IR-signaler.
IRED och fototransistorn är installerade i separata fack i modulen så att de normalt inte kan 'se' varandra. De två enheterna är dock monterade på ett sådant sätt att båda delar en gemensam fokalvinkel som är 5 mm (0,2 tum) bort.
Detta gör det möjligt för avbrytarmodulen att upptäcka närliggande rörliga objekt som inte kan sättas in i en tunn plats. Denna typ av reflektoroptomodul kan användas för att räkna passagen av stora föremål över transportband eller föremål som glider ner i ett matarrör.
I den andra figuren ovan kan vi se modulen appliceras som en varvräknare som detekterar de reflekterade IR-signalerna mellan IRED och fototransistorn genom spegelreflektorerna monterade på den motsatta ytan av den roterande skivan.
Separationen mellan optokopplarmodulen och den roterande skivan är lika med 5 mm brännvidd för emitterdetektorparet.
De reflekterande ytorna på hjulet kan tillverkas med metallfärg eller tejp eller glas. Dessa anpassade diskreta optokopplingsmoduler kan också användas effektivt räkning av motoraxelhastighet , och motoraxelns varvtal eller rotation per minut mätning etc. Det ovan förklarade konceptet för fotostoppare och fotreflektorer kan byggas med valfri opto-detektoranordning, såsom en fotodarlington-, photoSCR- och photoTriac-enhet, enligt specifikationerna för konfigurationen av utgångskretsen.
Dörr / fönsterlarm
Ovanstående förklarade optoisolator-avbrytarmodul kan också vara effektivt som ett dörr- eller fönsterintrångslarm, vilket visas nedan:
Denna krets är effektivare och enklare att installera än den konventionella intrångslarm för magnetiskt vassrelä .
Här använder kretsen en IC 555-timers som en one-shot-timer för att slå alarm.
Luftspalten på optoisolatorn är blockerad med en spak typ av tillbehör, som också är integrerad i fönstret eller dörren.
I händelse av att dörren öppnas eller fönstret öppnas, tas blockeringen i spåret bort och LED-IR når fototransistorerna och aktiverar ett skott monostabil IC 555-scen .
IC 555 utlöser omedelbart piezo-summern som varnar angående intrånget.
Tidigare: LDR-kretsar och arbetsprincip Nästa: Ice Warning Circuit for Automobiles
