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什么是光耦合器:工作原理等

  • 发表时间:2021-09-02 08:20:25
  • 来源:光耦合器
  • 人气:29

什么是光耦合器,作为 PCB 设计师、工程师或爱好者,您可以使用各种开关、继电器和耦合器来定制您的 PCB。由于市场上有所有PCB 组件和选项,因此很难决定哪种最适合您的项目。

例如,您可能想知道光耦合器的作用以及它与任何其他继电器的不同之处。这是以下指南希望阐明的内容。在其中,我们将探讨光耦合器、其各种类型以及它如何使您和您的项目受益。  

什么是光耦合器

光耦合器有很多名称。您可以将其称为光隔离器、光耦合器、光耦合器、光隔离器或光耦合器。有些人甚至可能将它们称为选项然而,光耦合器是集成电子元件。通常,最基本的类型包括带有四个销的矩形主体。每个引脚都是一个子组件。第一个引脚是阳极,第二个是阴极,第三个是集电极,第四个是发射极

LTV-816 1 通道光隔离器

LTV-816 1 通道光隔离器

资料来源:维基共享资源

此外,在靠近第一个引脚的主体拐角处有一个圆形凹痕。它使我们能够识别不同的引脚。正文还包含一些带有光耦合器部件号的文本。因此,我们使用它来识别光耦合器的类型并查找制造商的数据表。 

然而,光耦合器本质上是一个固态继电器,将两个独立的电子电路互连。第一个电路将连接前两个引脚(引脚 1 和 2),而第二个电路将连接到最后两个引脚(引脚 3 和 4)。这允许第一电路控制第二电路。 

由于其外观,很容易将光耦合器与集成电路/微芯片 ( IC ) 混淆。对于 TRIAC 光耦合器尤其如此。

白色背景中的电子微芯片

白色背景中的电子微芯片

光耦合器如何工作?

我们可以使用光耦合器在两个隔离电路之间传输电子信号。这是其更重要的属性之一。有时,一个电路中可能会出现电压尖峰和噪声。如果没有光耦合器隔离电路,这些中断可能会蔓延到第二个电路并造成破坏。光耦合器可防止在两个电路中发生这种损坏。 

此外,由于其半导体材料,光耦合器将只允许电子沿一个方向流动。因此,这允许两个互连的电路使用不同的电压和电流。

此外,它还允许您扩展设备的功能这主要是由于它如何促进两个独立电路之间的电流隔离。例如,在双电路配置中,我们可以在不干扰第一个电路的情况下向第二个电路添加一个晶体管。这将使您能够控制更高的电压和电流。此外,它可能允许您通过添加电子元件来自动化电路控制。

光耦合器的结构

光耦合器有多种类型和配置。然而,为了使事情更容易理解,我们将主要关注光电晶体管版本。 

光电三极管光耦电路图   

光电三极管光耦电路图   

资料来源:维基共享资源

上图说明了连接两个电路的光电晶体管。如果您仔细查看图表的光电晶体管部分,您会注意到左侧有一个 LED 符号:

LED 符号图像

LED 符号图像

资料来源:维基共享资源

相比之下,右边有一个晶体管符号: 

晶体管符号的图像

晶体管符号的图像

资料来源:维基共享资源

我们可以很容易地发现上面的数字,光电晶体管是普通晶体管的修改版本。此外,您可以理解为什么我们将晶体管侧的集电极发射极上的(第三和第四)端子称为此外,您还可以看到为什么我们将第一个和第二个端子称为阳极阴极

晶体管一般具有三个端子。但是,这里有一个小的区别。光电晶体管电路中缺少普通晶体管电路中的管脚。这是因为光耦合器中的晶体管的工作原理略有不同。光耦合器中的晶体管不使用来自基极引脚的电子信号,而是使用来自 LED 的光。    

LED发出的光照射到晶体管上,将其打开并允许电流在主电路中流动。它们对光输入做出反应,而不仅仅是输入电流。光耦合器有两种常见的拓扑结构。内部组件可以位于彼此的顶部或彼此相邻。

光耦合器拓扑

光耦合器拓扑

资料来源:维基共享资源

虽然我们看不到光电晶体管的内部工作原理(除非它是半透明的),但我们可以使用一个简单的电路来创建我们自己的。我们将在本指南中进一步探讨。但首先,让我们探索其他光耦合器类型。

光耦合器类型

光耦合器夹在一对镊子之间

光耦合器夹在一对镊子之间。

有六种最常见的晶体管类型。他们是:

  • 电阻式光耦合器:这些是最早的光耦合器。他们使用白炽灯泡、霓虹灯和砷化镓红外 LED 作为光源。此外,他们使用硫化镉作为晶体管材料。人们也将这些类型的光耦合器称为 vactrol。
    因为它们是一种较旧的光敏器件,所以它们比更现代的光耦合器形式要慢一些。因此,这就是它们几乎过时的原因。

  •  二极管光电耦合器:二极管光电耦合器使用砷化镓红外 LED 作为光源,使用硅光电二极管作为接收器。这使它们成为最快的光耦合器类型——尤其是当它们使用PIN 二极管时

  • 晶体管光电耦合器:就像二极管光电耦合器一样,它们也使用砷化镓红外 LED 作为光源。然而,它们要么使用双极硅光电晶体管,要么使用达林顿光电晶体管作为传感器。这使得它们的传输速率和响应时间比电阻式光耦合器快,但比二极管光耦合器慢。  

  • 光电隔离 SRC:光电隔离 SRC 使用红外 LED 和可控硅整流器。它们的传输速度可能会有所不同。然而,在任何配置中,它们都不如基于二极管的光耦合器快。尽管如此,它们仍然具有不错的响应时间和传输速率。     

  • 光隔离 TRIAC:这些类型的光耦合器使用交流三极管 (TRIAC) 作为传感器类型。这是对作为光源的 GaAs 红外 LED 的补充。虽然它们没有快速的传输速率,但它们具有非常高的电流传输率。  

  • 固态继电器:固态继电器使用一堆 GaAs 红外 LED 作为光源。此外,他们使用一组光电二极管来驱动一对MOSFETS或单个IGBT作为传感器。它们可以具有非常高的传输速度和无限的电流传输比。        

如何创建一个简单的光耦合器电路

光耦合器夹在 PCB 前面的一对镊子之间

光耦合器夹在PCB前面的一对镊子之间

零件清单:

  •  50-100K 欧姆光敏电阻 (LDR)

  • 3V 0.02A 白光发光二极管(LED)

  • 2V 0.02A 红色发光二极管(LED)

  • 9V 电池 x 2

  • 转变

  • 300欧姆电阻

  • 150 欧姆电阻 x 2(或 300 欧姆电阻)

说明和说明:

红色 LED 和光耦合器

红色 LED 和光耦合器

这个简单的光耦合器使用一个简单的光敏电阻器(LDR) 和一个白色 LED。LDR 根据曝光量改变其负载电阻。因此,在黑暗中,它具有非常高的抵抗力。相反,当我们将其暴露在强光下时,它的电阻很小。在这种情况下,它将用作我们的光电二极管。 

在初级电路中,我们需要一个电压降为 3 伏并使用 0.02 安培的白光 LED。接下来,我们将使用 9 伏电池作为电源并使用开关控制电路。由于白色 LED 灯需要 3 伏电流,因此我们需要一个压降为 6 伏的电阻器。因此,电阻器必须具有 300 欧姆的电阻 ((9V – 3V) ÷ 0.02A)。 

因此,您的初级电路将由电池组成,该电池正连接到开关、电阻器和白色 LED 灯。您可以使用面包板或电线连接组件。总之,这将作为我们的控制电路。 

我们将有一个红色 LED,其电压降为 2 伏特,次级电路上的电流为 0.02 安培。

我们将使用它作为指示器来显示电路何时工作。此外,我们将 LDR 连接到该电路。显然,LDR 需要靠近白色 LED 灯。 

当我们将 LDR 暴露在 LED 的光线下时,它会提供大约 70 欧姆的电阻。您需要将 LDR 连接到红色 LED。为了给次级电路供电,我们将使用另一个 9 伏电池。同样,我们需要一个电阻来降低电压,这样 LED 才能有效工作。我们建议使用两个 150 欧姆的电阻器。但是,一个 300 欧姆的电阻器也可以。 

然而,一旦您完成电路的构建,您就需要在 LDR 和白色 LED 周围缠上一些黑色胶带。您必须确保将它们连接起来。这将阻挡房间内的环境光。或者,您可以在完全黑暗的房间中测试电路。 

当您按下初级电路(输入电路)按钮时,白色 LED 将亮起。然后它会照亮 LDR,这将打开输出电路中的红色 LED。白色 LED 发出的光就像开关中的电信号一样。这个项目很简单,可以说明光耦合器的内部工作原理。但是,您可以通过实现红外发射器和接收器来改进它。该项目将使用红外光代替可见光。     

光耦合器应用

带有 IC、电容器、光耦合器和其他半导体的小型 PCB 组件

带有 IC、电容器、光耦合器和其他半导体的小型PCB 组件

现在我们了解了光耦合器的工作原理,现在我们可以探索可以应用它们的地方。我们可以将光耦合器用作简单的光控开关。但是,哪些电子设备和装置最适合他们?以下是我们可以使用光耦合器的地方的列表:

  • 电磁阀控制

  • 电机控制

  • 白炽灯调光器

  • 微处理器

  • 灯镇流器

  • 交流检测

  • 电压隔离

  • 电磁开关

  • 微控制器

光耦合器的优点

一组光耦

一组光耦

为什么要使用光耦合器而不是机电继电器或开关?以下是一些优点: 

  • 它们促进了电信号的单向传输

  • 光耦合器使您的项目具有抗干扰性,从而使您的项目更加可靠

  • 它们可以促进多个电路之间的电气隔离

  • 光耦合器可以将项目的输入和输出部分分开,从而更容易排除故障

  • 它们减少了电路输入部分的外部输出信号

  • 光耦合器允许您使用小的数字信号来控制大型交流电路

  • 允许您在两个独立的电路之间传输模拟信号

  • 它们允许您将高压组件与低压设备连接起来

  • 光耦合器有助于减少或完全消除信号中的电噪声

  • 允许您设计和构建更能抵抗电源尖峰、电压浪涌和雷击的电子设备   

结论

在上面的文本中,我们提供了一个易于理解和深入的光耦合器指南。如果您已经阅读了本指南的这一部分,您将对光耦合器有更深入的了解。尽管如此,我们希望您发现本指南对您有所帮助。一如既往,感谢您的阅读。