Was ist ein Optokoppler:Funktionsweise und mehr

Was ist ein Optokoppler? Als PCB-Designer, Ingenieur oder Bastler haben Sie eine große Auswahl an Schaltern, Relais und Kopplern, um Ihre PCB anzupassen. Bei all den auf dem Markt verfügbaren PCB-Komponenten und -Optionen ist es schwierig zu entscheiden, welche am besten zu Ihrem Projekt passen.

Sie fragen sich zum Beispiel vielleicht, was ein Optokoppler macht und wie er sich von anderen Relais unterscheidet. Dies soll der folgende Leitfaden verdeutlichen. Darin untersuchen wir den Optokoppler, seine verschiedenen Typen und wie er Ihnen und Ihrem Projekt zugute kommen kann.

Was ist ein Optokoppler

Optokoppler haben viele Namen. Sie können es als Optoisolator, Optokoppler, Optokoppler, optischer Isolator oder einfach nur Optokoppler bezeichnen. Einige Leute können sie sogar als Optionen bezeichnen. Dennoch sind Optokoppler integrierte elektronische Bauelemente. Im Allgemeinen bestehen die einfachsten Typen aus einem rechteckigen Körper mit vier Stiften. Jeder Stift ist eine Unterkomponente. Der erste Stift ist die Anode , die zweite ist die Kathode , der dritte ist der Sammler, und der vierte ist der Emitter .

LTV-816 1-Kanal-Opto-Isolator

Quelle:Wikimedia Commons

Zusätzlich gibt es eine kreisförmige Vertiefung an der Ecke des Hauptkörpers in der Nähe des ersten Stifts. Es ermöglicht uns, die verschiedenen Pins zu identifizieren. Der Körper enthält auch einen Text mit der Teilenummer des Optokopplers. Dementsprechend verwenden wir es, um den Typ des Optokopplers zu identifizieren und finden auch das Datenblatt des Herstellers.

Dennoch ist der Optokoppler im Wesentlichen ein Halbleiterrelais, das zwei separate elektronische Schaltungen miteinander verbindet. Der erste Stromkreis wird über die ersten beiden Pins (Pin 1 und 2) verbunden, während der zweite Stromkreis mit den letzten beiden Pins (Pin 3 und 4) verbunden wird. Dadurch kann die erste Schaltung die zweite Schaltung steuern.

Es ist leicht, einen Optokoppler aufgrund seines Aussehens mit einem integrierten Schaltkreis/Mikrochip (IC) zu verwechseln. Dies gilt insbesondere für TRIAC-Optokoppler.

Elektronische Mikrochips auf weißem Hintergrund

Wie funktioniert ein Optokoppler?

Wir können den Optokoppler verwenden, um elektronische Signale zwischen zwei isolierten Schaltkreisen zu übertragen. Dies ist eines seiner wichtigeren Attribute. Manchmal können in einem Stromkreis Spannungsspitzen und Rauschen auftreten. Ohne den Optokoppler, der die Schaltkreise isoliert, können sich diese Störungen auf den zweiten Schaltkreis ausbreiten und eine Zerstörung verursachen. Der Optokoppler verhindert, dass dieser Schaden in beiden Kreisen auftritt.

Außerdem lässt der Optokoppler aufgrund seiner Halbleitermaterialien nur Elektronen in eine Richtung fließen. Folglich können die beiden miteinander verbundenen Schaltkreise unterschiedliche Spannungen und Ströme verwenden.

Darüber hinaus ermöglicht es Ihnen, die Fähigkeiten Ihres Geräts zu erweitern. Dies liegt vor allem daran, wie es die galvanische Trennung zwischen zwei getrennten Stromkreisen erleichtert. Zum Beispiel könnten wir dem zweiten Schaltkreis einen Transistor hinzufügen, ohne den ersten in einer Konfiguration mit zwei Schaltkreisen zu stören. Dies würde es Ihnen ermöglichen, noch höhere Spannungs- und Strombeträge zu steuern. Darüber hinaus könnte es Ihnen möglicherweise ermöglichen, die Schaltungssteuerung durch Hinzufügen elektronischer Komponenten zu automatisieren.

Die Struktur eines Optokopplers

Optokoppler gibt es in einer Vielzahl von Typen und Konfigurationen. Der besseren Verständlichkeit halber konzentrieren wir uns jedoch hauptsächlich auf die Fototransistor-Version.

Fototransistor-Optokoppler-Schaltplan

Quelle:Wikimedia Commons

Das obige Diagramm zeigt einen Fototransistor, der zwei Schaltkreise verbindet. Wenn Sie sich den Phototransistor-Teil des Diagramms genau ansehen, werden Sie feststellen, dass sich auf der linken Seite ein LED-Symbol befindet:

Bild des LED-Symbols

Quelle:Wikimedia Commons

Im Gegensatz dazu steht rechts ein Transistorsymbol:

Bild des Transistorsymbols

Quelle:Wikimedia Commons

Wir können den obigen Zahlen leicht entnehmen, dass ein Fototransistor eine modifizierte Version eines normalen Transistors ist. Außerdem können Sie verstehen, warum wir die (dritten und vierten) Anschlüsse auf der Transistorseite Kollektoren nennen und Emitter . Darüber hinaus können Sie auch sehen, warum wir den ersten und zweiten Anschluss Anode nennen und Kathoden .

Transistoren haben im Allgemeinen drei Anschlüsse. Allerdings gibt es hier einen kleinen Unterschied. Der Basisstift in einer normalen Transistorschaltung fehlt in der Fototransistorschaltung. Dies liegt daran, dass der Transistor in einem Optokoppler etwas anders funktioniert. Anstatt elektronische Signale vom Basisstift zu verwenden, verwendet der Transistor in einem Optokoppler Licht von der LED.

Das Licht scheint von der LED und trifft auf den Transistor, schaltet ihn ein und lässt Strom in den Hauptstromkreis fließen. Sie reagieren auf optische Eingaben und nicht nur auf elektrischen Eingangsstrom. Optokoppler gibt es in zwei gängigen Topologien. Die inneren Komponenten können entweder übereinander oder nebeneinander sitzen.

Optokoppler-Topologien

Quelle:Wikimedia Commons

Während wir das Innenleben des Fototransistors nicht sehen können (es sei denn, er ist durchscheinend), können wir mit einer einfachen Schaltung unseren eigenen erstellen. Wir werden das weiter unten in diesem Leitfaden untersuchen. Aber lassen Sie uns zuerst die anderen Optokopplertypen untersuchen.

Optokopplertypen

Optokoppler zwischen einer Pinzette gehalten.

Es gibt sechs gebräuchlichste Arten von Transistoren. Sie sind:

• Widerstands-Optokoppler: Dies waren die frühesten Optokoppler. Sie verwenden Glühlampen, Neonlampen und GaAs-Infrarot-LEDs als Lichtquellen. Außerdem verwenden sie Cadmiumsulfid als Transistormaterial. Die Leute bezeichnen diese Art von Optokopplern auch als Vactrols.
  Da es sich um ein älteres lichtempfindliches Gerät handelt, sind sie etwas langsamer als modernere Formen von Optokopplern. Aus diesem Grund sind sie so gut wie veraltet.
• Dioden-Optokoppler: Dioden-Optokoppler verwenden Galliumarsenid-Infrarot-LEDs als Lichtquellen und Silizium-Fotodioden als Rezeptoren. Das macht sie zur schnellsten Art von Optokopplern – insbesondere, wenn sie PIN-Dioden verwenden.
• Transistor-Optokoppler: Sie verwenden ebenso wie Dioden-Optokoppler GaAs-Infrarot-LEDs als Lichtquellen. Als Sensoren verwenden sie jedoch entweder bipolare Silizium-Fototransistoren oder Darlington-Fototransistoren. Dadurch sind ihre Übertragungsraten und Reaktionszeiten schneller als bei resistiven Optokopplern, aber langsamer als bei Dioden-Optokopplern.
• Optisch isolierter SRC: Optoisolierte SRCs verwenden Infrarot-LEDs zusammen mit siliziumgesteuerten Gleichrichtern. Ihre Übertragungsgeschwindigkeiten können variieren. Sie sind jedoch in keiner Konfiguration so schnell wie diodenbasierte Optokoppler. Trotzdem haben sie immer noch eine ordentliche Reaktionszeit und Übertragungsrate.
• Optisch isolierter TRIAC: Diese Optokopplertypen verwenden als Sensortyp eine Triode für Wechselstrom (TRIAC). Dies ist zusätzlich zu ihrer GaAs-Infrarot-LED als Lichtquelle. Sie haben zwar keine schnellen Übertragungsraten, aber sehr hohe Stromübertragungsverhältnisse.
• Solid-State-Relais: Halbleiterrelais verwenden einen Stapel von GaAs-Infrarot-LEDs als Lichtquellen. Darüber hinaus verwenden sie einen Stapel von Fotodioden, die entweder ein Paar MOSFETs oder einen einzelnen IGBT als Sensoren ansteuern. Sie können sehr hohe Übertragungsgeschwindigkeiten und unbegrenzte Stromübertragungsverhältnisse haben.

So erstellen Sie eine einfache Optokopplerschaltung

Optokoppler zwischen einer Pinzette vor einer Platine gehalten

Teileliste:

• 50–100 K Ohm Lichtabhängiger Widerstand (LDR)
• 3 V 0,02 A Weißlicht emittierende Diode (LED)
• 2 V 0,02 A Rote Leuchtdiode (LED)
• 9-V-Batterie x 2
• Wechseln
• 300-Ohm-Widerstand
• 150-Ohm-Widerstand x 2 (oder 300-Ohm-Widerstand)

Erklärung und Anleitung:

Rote LED und Optokoppler

Dieser einfache Optokoppler verwendet einen einfachen lichtabhängigen Widerstand (LDR) und eine weiße LED. Der LDR variiert seinen Lastwiderstand basierend auf der Lichteinwirkung. Dadurch hat es bei Dunkelheit einen sehr hohen Widerstand. Umgekehrt, wenn wir es hellem Licht aussetzen, hat es einen geringen Widerstand. In diesem Zusammenhang wird es als unsere Fotodiode fungieren.

Im Primärkreis benötigen wir eine weiße LED, die einen Spannungsabfall von 3 Volt hat und 0,02 Ampere verbraucht. Als nächstes verwenden wir eine 9-Volt-Batterie als Stromversorgung und steuern die Schaltung mit einem Schalter. Da das weiße LED-Licht einen Strom von 3 Volt benötigt, benötigen wir einen Widerstand mit einem Abfall von 6 Volt. Daher muss der Widerstand einen Widerstand von 300 Ohm haben ( (9 V – 3 V) ÷ 0,02 A).

Ihr Primärkreis besteht also aus der Batterie, die positiv mit dem Schalter, dem Widerstand und dem weißen LED-Licht verbunden ist. Sie können ein Steckbrett oder einen Draht verwenden, um die Komponenten zu verbinden. Insgesamt fungiert dies als unser Regelkreis.

Wir haben eine rote LED mit einem Spannungsabfall von 2 Volt und einem elektrischen Strom von 0,02 Ampere im Sekundärkreis.

Wir werden es als Indikator verwenden, um anzuzeigen, wann die Schaltung funktioniert. Zusätzlich verbinden wir den LDR mit dieser Schaltung. Offensichtlich muss der LDR neben dem weißen LED-Licht sitzen.

Der LDR liefert einen Widerstand von ungefähr 70 Ohm, wenn wir ihn dem Licht der LED aussetzen. Sie müssen den LDR mit der roten LED verbinden. Um den Sekundärkreis mit Strom zu versorgen, verwenden wir eine weitere 9-Volt-Batterie. Auch hier benötigen wir einen Widerstand, um die Spannung zu senken, damit die LED effektiv arbeiten kann. Wir empfehlen die Verwendung von zwei 150-Ohm-Widerständen. Ein 300-Ohm-Widerstand ist jedoch auch in Ordnung.

Sobald Sie mit dem Aufbau der Schaltung fertig sind, müssen Sie jedoch etwas schwarzes Klebeband um den LDR und die weiße LED wickeln. Sie müssen sicherstellen, dass Sie sie verbinden. Dadurch wird das Umgebungslicht im Raum blockiert. Alternativ können Sie die Schaltung auch in einem komplett abgedunkelten Raum testen.

Wenn Sie die Taste für den Primärkreis (Eingangskreis) drücken, leuchtet die weiße LED auf. Dann leuchtet es gegen den LDR, wodurch die rote LED im Ausgangskreis eingeschaltet wird. Das Licht der weißen LED funktioniert wie ein elektrisches Signal in einem Schalter. Dieses Projekt ist einfach genug, um das Innenleben eines Optokopplers zu veranschaulichen. Sie können es jedoch verbessern, indem Sie einen Infrarotsender zusammen mit einem Empfänger implementieren. Anstelle von sichtbarem Licht würde dieses Projekt Infrarotlicht verwenden.

Optokoppler-Anwendungen

Kleine PCB-Baugruppe mit IC, Kondensator, Optokoppler und anderen Halbleitern

Nachdem wir nun verstanden haben, wie Optokoppler funktionieren, können wir jetzt untersuchen, wo wir sie anwenden können. Wir können Optokoppler als einfache lichtaktivierte Schalter verwenden. Doch welche elektronischen Geräte und Geräte passen am besten zu ihnen? Hier ist eine Liste, wo wir Optokoppler verwenden könnten:

• Magnetventile
• Motorsteuerung
• Glühlampendimmer
• Mikroprozessoren
• Lampenvorschaltgeräte
• AC-Erkennung
• Spannungsisolierung
• Elektromagnetischer Schalter
• Mikrocontroller

Optokoppler-Vorteile

Eine Reihe von Optokopplern

Warum sollten Sie Optokoppler anstelle von elektromechanischen Relais oder Schaltern verwenden? Hier sind nur einige der Vorteile:

• Sie ermöglichen die Übertragung elektrischer Signale in eine Richtung
• Optokoppler machen Ihre Projekte zuverlässiger, indem sie störfester gemacht werden
• Sie können die elektrische Isolierung zwischen mehreren Schaltkreisen erleichtern
• Optokoppler können die Eingangs- und Ausgangsabschnitte Ihres Projekts trennen und so die Fehlersuche erleichtern
• Sie reduzieren externe Ausgangssignale im Eingangsbereich Ihrer Schaltung
• Optokoppler ermöglichen es Ihnen, große Wechselstromkreise mit kleinen digitalen Signalen zu steuern
• Ermöglicht es Ihnen, ein analoges Signal zwischen zwei getrennten Schaltkreisen zu übertragen
• Sie ermöglichen es Ihnen, Hochspannungskomponenten mit Niederspannungsgeräten zu verbinden
• Optokoppler können dazu beitragen, elektrisches Rauschen von Signalen zu reduzieren oder vollständig zu eliminieren
• Ermöglicht es Ihnen, elektronische Geräte zu entwerfen und zu bauen, die widerstandsfähiger gegen Spannungsspitzen, Spannungsstöße und Blitzeinschläge sind

Schlussfolgerung

Im obigen Text haben wir eine leicht verständliche und ausführliche Anleitung zu Optokopplern bereitgestellt. Wenn Sie diesen Abschnitt des Handbuchs erreicht haben, haben Sie ein tieferes Verständnis von Optokopplern. Trotzdem hoffen wir, dass Sie diesen Leitfaden als hilfreich empfunden haben. Wie immer danke fürs Lesen.