Wat is het werkingsprincipe van de fotokoppeling?

Wat is het werkingsprincipe van fotokoppelaar?

Invoering

Fotokoppelaars, ook wel optocouplers genoemd, zijn essentiële apparaten die in verschillende elektronische circuits worden gebruikt om hoogspannings- en laagspanningscomponenten te isoleren. Ze maken de overdracht van elektrische signalen tussen deze componenten mogelijk, terwijl ze elektrisch geïsoleerd blijven. Dit artikel heeft tot doel een uitgebreid inzicht te geven in het werkingsprincipe van fotokoppelaars.

Grondbeginselen van fotokoppelaars

Een fotokoppelaar bestaat uit twee hoofdelementen: een lichtemitterende diode (LED) en een fotodetector, die een fotodiode, fototransistor of zelfs een lichtgevoelige veldeffecttransistor (PhotoFET) kan zijn. De LED straalt licht uit wanneer deze voorwaarts gericht is, en de fotodetector neemt dit licht waar. Door gebruik te maken van licht in plaats van directe elektrische verbindingen kan isolatie tussen de in- en uitgangszijde worden bereikt.

Werkend principe

Wanneer er een spanning wordt aangelegd over de LED aan de ingangszijde van de fotokoppelaar, zendt deze licht uit als gevolg van de recombinatie van elektronen-gatparen in het halfgeleidermateriaal. Dit licht gaat door het transparante inkapselingsmateriaal rond de LED en valt op de fotodetector aan de uitgangszijde.

De fotodetector is ontworpen om het invallende licht om te zetten in een elektrisch signaal. Het mechanisme voor deze conversie hangt af van het type fotodetector dat in de fotokoppelaar wordt gebruikt. Laten we de werkingsprincipes van enkele veel voorkomende fotodetectoren eens nader bekijken.

Op fotodioden gebaseerde fotokoppelaars

Een van de meest voorkomende soorten fotodetectoren die in fotokoppelaars worden gebruikt, is de fotodiode. Een fotodiode is een halfgeleiderapparaat dat bij blootstelling aan licht stroom genereert. In een fotokoppelaar is de fotodiode in sperrichting ingesteld om een ​​uitputtingsgebied binnen zijn pn-overgang te creëren.

Wanneer het invallende licht op de fotodiode valt, genereert het elektron-gatparen binnen het uitputtingsgebied. Het elektrische veld binnen het uitputtingsgebied scheidt vervolgens de ladingen, waardoor een fotostroom ontstaat die evenredig is met de intensiteit van het invallende licht. Deze fotostroom kan worden gebruikt als uitgangssignaal of worden gebruikt om andere circuits te besturen.

Op fototransistor gebaseerde fotokoppelaars

Een andere veelgebruikte fotodetector in fotokoppelaars is de fototransistor. Een fototransistor is een drielaagse bipolaire junctietransistor (BJT) met een extra lichtgevoelig basisgebied. Dit basisgebied, ook wel de collectorovergang genoemd, wordt blootgesteld aan het binnenkomende licht.

Wanneer lichtfotonen de collectorovergang raken, exciteren ze de halfgeleideratomen en creëren ze elektron-gatparen. Deze draaggolven dragen bij aan de basisstroom van de transistor, wat uiteindelijk resulteert in een grotere collectorstroom. Daarom hangt de collectorstroom van de fototransistor af van de intensiteit van het invallende licht, waardoor dit kan fungeren als uitgangssignaal of als regelcircuitwerking.

Kenmerken en toepassingen van fotokoppelaars

Fotokoppelaars bieden verschillende voordelen waardoor ze zeer gewild zijn in diverse elektronische toepassingen. Enkele opvallende kenmerken en toepassingen van fotokoppelaars zijn onder meer:

1. Elektrische isolatie: Het belangrijkste kenmerk van fotokoppelaars is hun vermogen om elektrische isolatie te bieden tussen verschillende componenten van een circuit. Deze isolatie zorgt ervoor dat hoge spanningen of transiënten aan de ene kant de componenten aan de andere kant niet beïnvloeden.

2. Ruisonderdrukking: Door lichtsignalen te gebruiken in plaats van directe elektrische verbindingen, verminderen fotokoppelaars op effectieve wijze ruis en common-mode-interferentie in circuits. Dit is vooral handig in sectoren zoals telecommunicatie en vermogenselektronica.

3. Signaalniveau verschuiven: Fotokoppelaars kunnen worden gebruikt om signaalniveaus tussen verschillende spanningsdomeinen te verschuiven. Door gebruik te maken van een geschikt stuurcircuit kan de uitvoer van een fotokoppelaar worden aangepast om te voldoen aan de vereisten van stroomafwaartse circuits.

4. Schakelen en Controle: Fotokoppelaars kunnen fungeren als schakelaars en stuursignalen leveren aan verschillende apparaten. In vermogenselektronicatoepassingen worden bijvoorbeeld vaak fotokoppelaars gebruikt om poortsignalen voor vermogenstransistoren aan te sturen, waardoor veilig en geïsoleerd schakelen wordt gegarandeerd.

5. Data communicatie: Fotokoppelaars worden veelvuldig gebruikt in toepassingen die gegevensoverdracht vereisen, zoals tussen microcontrollers en randapparatuur, of in netwerken die elektrische isolatie vereisen.

6. Industriële automatie: In industriële automatiseringssystemen, waar hoge spanningen en gevoelige besturingscircuits naast elkaar bestaan, worden fotokoppelaars vaak gebruikt om veilige en betrouwbare communicatie te garanderen terwijl de isolatie tussen verschillende componenten behouden blijft.

Conclusie

Fotokoppelaars spelen een cruciale rol in elektronische circuits door te zorgen voor elektrische isolatie en betrouwbare signaaloverdracht tussen verschillende spanningsdomeinen. Hun werkingsprincipe, voornamelijk gebaseerd op de interactie tussen LED's en verschillende soorten fotodetectoren, maakt een breed scala aan toepassingen in diverse industrieën mogelijk. Inzicht in de basisprincipes van fotokoppelaars en hun kenmerken kan ingenieurs helpen efficiënte en robuuste elektronische circuits te ontwerpen die voldoen aan de eisen van moderne elektronische systemen.