Wat is het werkingsprincipe van een fotokoppelaar?

Invoering

Fotokoppelaars, ook wel optokoppelaars of opto-isolatoren genoemd, zijn een type elektronische component waarmee elektrische signalen tussen twee geïsoleerde circuits kunnen worden verzonden zonder directe elektrische verbinding. Ze zijn steeds belangrijker geworden in moderne elektronica vanwege hun vermogen om veilige isolatie te bieden tussen hoogspannings- en laagspanningscircuits, en om elektrische ruis en interferentie te voorkomen. In dit artikel bespreken we het werkingsprincipe van fotokoppelaars en hoe ze algemeen worden gebruikt in elektronica.

Wat is een fotokoppelaar?

Een fotokoppelaar is in wezen een optisch apparaat dat bestaat uit twee delen: een LED (lichtgevende diode) en een fotodetector (meestal een fototransistor of een fotoweerstand) die in één pakket zijn ondergebracht. De LED zendt licht uit in het infrarood (IR) of zichtbare spectrum, dat vervolgens door de fotodetector wordt gedetecteerd en omgezet in een elektrisch signaal. De twee delen worden gescheiden door een opening of een transparant materiaal, dat elke directe elektrische verbinding tussen de twee blokkeert, maar licht wel doorlaat.

Wanneer er een spanning op de LED wordt toegepast, zendt deze licht uit met een specifieke golflengte, meestal in het bereik van 800 nanometer tot 900 nanometer voor IR LED's. Dit licht reist vervolgens door de opening of het transparante materiaal en valt op de fotodetector, die een kleine stroom of spanning genereert als reactie op het licht. Deze stroom of spanning kan vervolgens worden gebruikt om een ​​afzonderlijk circuit te besturen, zoals een transistor of een microcontroller, die galvanisch is geïsoleerd van het oorspronkelijke circuit.

Soorten fotokoppelingen

Er zijn verschillende soorten fotokoppelaars, elk met zijn eigen kenmerken en toepassingen. De meest voorkomende soorten zijn:

1. Fototransistorkoppelingen: In deze koppelingen is de fotodetector een fototransistor, een bipolaire transistor die gevoelig is voor licht. Wanneer licht op het basisgebied van de fototransistor valt, produceert het een stroom in het collector-emitterpad, die kan worden gebruikt om een ​​apart circuit te besturen. Fototransistorkoppelingen zijn doorgaans sneller en gevoeliger dan andere typen koppelingen en kunnen hogere stromen en spanningen aan.

2. Fotoweerstandskoppelingen: In deze koppelingen is de fotodetector een fotoweerstand, een weerstand die zijn weerstand verandert in reactie op licht. Wanneer er licht op de fotoweerstand valt, neemt zijn weerstand af, wat kan worden gebruikt om een ​​apart circuit te regelen. Fotoweerstandskoppelingen zijn doorgaans langzamer en minder gevoelig dan fototransistorkoppelingen en zijn geschikt voor toepassingen met een laag vermogen.

3. Optocouplers met Darlington-uitgang: In deze couplers is de fototransistor in een Darlington-configuratie verbonden met een andere transistor, die een hoge stroomversterking en spanningsisolatie biedt. Darlington-optocouplers zijn geschikt voor toepassingen met hoog vermogen en hoge spanning en kunnen stromen tot enkele ampères en spanningen tot enkele kilovolts aan.

4. Hogesnelheidsoptocouplers: In deze couplers zijn de LED en de fotodetector ontworpen voor hogesnelheidswerking, doorgaans tot meerdere gigabits per seconde. Hogesnelheidsoptocouplers worden gebruikt voor toepassingen zoals glasvezelcommunicatie, gegevensoverdracht en signaalisolatie in hogesnelheidsdigitale circuits.

Toepassingen van fotokoppelaars

Fotokoppelaars worden in een breed scala aan toepassingen in de elektronica gebruikt, zoals:

1. Schakelende voedingen: Bij schakelende voedingen wordt vaak een fotokoppelaar gebruikt om galvanische isolatie te bieden tussen de primaire hoogspanningszijde en de secundaire laagspanningszijde, en om de schakeltransistor in de primaire zijde te regelen.

2. Motorbesturing: In motorregelcircuits wordt vaak een fotokoppelaar gebruikt om de regelsignalen te isoleren van het vermogenscircuit en om het regelcircuit te beschermen tegen hoge spanning en ruis.

3. Audioversterkers: In audioversterkercircuits wordt vaak een fotokoppelaar gebruikt om isolatie te bieden tussen het regelcircuit en de eindversterkertrap en om aardlussen en ruis te voorkomen.

4. Gegevensoverdracht: Bij gegevensoverdrachtsystemen wordt vaak een fotokoppelaar gebruikt om isolatie te bieden tussen de zender en de ontvanger en om elektromagnetische interferentie (EMI) en radiofrequentie-interferentie (RFI) te voorkomen.

5. Medische elektronica: In de medische elektronica wordt vaak een fotokoppelaar gebruikt om isolatie te bieden tussen het patiëntcircuit en het bewakings- of regelcircuit, en om elektrische schokken en interferentie te voorkomen.

Voordelen van fotokoppelingen

Fotokoppelaars bieden verschillende voordelen ten opzichte van traditionele isolatiemethoden in de elektronica, zoals:

1. Veiligheid: Fotokoppelaars zorgen voor een veilige isolatie tussen hoogspannings- en laagspanningscircuits en kunnen elektrische schokken en brand voorkomen.

2. Ruisonderdrukking: Fotokoppelaars kunnen elektrische ruis en interferentie filteren en de signaalkwaliteit en betrouwbaarheid verbeteren.

3. Compactheid: Fotokoppelaars zijn vaak compacter en lichter dan traditionele isolatiemethoden en kunnen ruimte en kosten besparen in elektronische ontwerpen.

4. Snelheid: Fotokoppelaars kunnen op hoge snelheden werken en signalen over grote afstanden verzenden zonder dat dit ten koste gaat van de kwaliteit.

Conclusie

Concluderend zijn fotokoppelaars een belangrijk elektronisch onderdeel dat veilige isolatie en ruisonderdrukking biedt in een breed scala aan toepassingen. Ze zijn eenvoudig te gebruiken, betrouwbaar en bieden verschillende voordelen ten opzichte van traditionele isolatiemethoden. Door het werkingsprincipe en de typen fotokoppelaars te begrijpen, kunnen ontwerpers het juiste onderdeel voor hun specifieke toepassing kiezen en een veilige en betrouwbare werking garanderen.