Optik sinyalleri ortam olarak kullanarak devreleri birbirine bağlayan optokuplörler, dayanıklılık ve yalıtım gibi yüksek çok yönlülük ve güvenilirlik özelliklerinden dolayı akustik, tıp ve endüstri gibi yüksek hassasiyetin vazgeçilmez olduğu alanlarda aktif bir unsurdur.
Peki optokuplör ne zaman ve hangi koşullar altında çalışır ve arkasındaki prensip nedir? Ya da kendi elektronik çalışmalarınızda optokuplörü gerçekten kullandığınızda, nasıl seçeceğinizi ve kullanacağınızı bilemeyebilirsiniz. Çünkü optokuplör genellikle "fototransistör" ve "fotodiyot" ile karıştırılır. Bu nedenle, bu makalede optokuplörün ne olduğu tanıtılacaktır.
Fotokuplör nedir?
Optokuplör, etimolojisi optik olan elektronik bir bileşendir.
"Işıkla birleştirme" anlamına gelen kuplör, bazen optokuplör, optik izolatör, optik izolasyon vb. olarak da bilinir. Işık yayan eleman ve ışık alan elemandan oluşur ve giriş tarafı devresi ile çıkış tarafı devresini optik sinyal yoluyla birbirine bağlar. Bu devreler arasında elektriksel bağlantı yoktur, başka bir deyişle, yalıtım durumundadırlar. Bu nedenle, giriş ve çıkış arasındaki devre bağlantısı ayrıdır ve yalnızca sinyal iletilir. Giriş ve çıkış voltaj seviyeleri önemli ölçüde farklı olan devreleri güvenli bir şekilde bağlar ve giriş ile çıkış arasında yüksek voltaj izolasyonu sağlar.
Ayrıca, bu ışık sinyalini ileterek veya engelleyerek bir anahtar görevi görür. Ayrıntılı prensip ve mekanizma daha sonra açıklanacaktır, ancak fotokuplörün ışık yayan elemanı bir LED'dir (ışık yayan diyot).
1960'lardan 1970'lere kadar, LED'lerin icat edildiği ve teknolojik gelişmelerin önemli olduğu dönemde,optoelektronikBu durum büyük bir patlamaya dönüştü. O zamanlar çeşitlioptik cihazlarFotoelektrik kuplör de bunlardan biriydi ve sonrasında optoelektronik hızla hayatımızın bir parçası haline geldi.
① İlke/mekanizma
Optokuplörün çalışma prensibi, ışık yayan elemanın giriş elektrik sinyalini ışığa dönüştürmesi ve ışık alan elemanın da ışığı geri elektrik sinyali olarak çıkış devresine iletmesidir. Işık yayan eleman ve ışık alan eleman, dış ışık bloğunun içinde bulunur ve ışığı iletmek için birbirlerine zıt yönde konumlandırılırlar.
Işık yayan elemanlarda kullanılan yarı iletken LED'dir (ışık yayan diyot). Öte yandan, ışık alıcı cihazlarda kullanım ortamına, dış boyutuna, fiyatına vb. bağlı olarak birçok farklı yarı iletken türü kullanılır, ancak genel olarak en yaygın kullanılanı fototransistördür.
Çalışmadıkları zaman, fototransistörler sıradan yarı iletkenlerin taşıdığı akımın çok azını taşırlar. Işık oraya düştüğünde, fototransistör P tipi yarı iletken ve N tipi yarı iletken yüzeyinde fotoelektromotor kuvvet oluşturur; N tipi yarı iletkendeki delikler p bölgesine akar, p bölgesindeki serbest elektronlar n bölgesine akar ve akım akar.
Fototransistörler fotodiyotlar kadar hızlı tepki vermezler, ancak (içsel elektrik alanı nedeniyle) çıkış sinyalini giriş sinyalinin yüzlerce ila 1000 katına kadar yükseltme etkisine sahiptirler. Bu nedenle, zayıf sinyalleri bile algılayabilecek kadar hassastırlar, bu da bir avantajdır.
Aslında gördüğümüz "ışık engelleyici" de aynı prensip ve mekanizmaya sahip elektronik bir cihazdır.
Ancak, ışık engelleyiciler genellikle sensör olarak kullanılır ve ışık yayan eleman ile ışık alan eleman arasına ışık engelleyici bir nesne yerleştirerek görevlerini yerine getirirler. Örneğin, otomatlarda ve ATM'lerde madeni paraları ve banknotları tespit etmek için kullanılabilir.
② Özellikler
Optokuplör sinyalleri ışık yoluyla ilettiği için, giriş ve çıkış tarafları arasındaki yalıtım önemli bir özelliktir. Yüksek yalıtım, gürültüden kolayca etkilenmemesini sağlar ve ayrıca bitişik devreler arasında kazara akım akışını önleyerek güvenlik açısından son derece etkilidir. Ayrıca yapısı da nispeten basit ve mantıklıdır.
Uzun geçmişi nedeniyle, çeşitli üreticilerin zengin ürün yelpazesi de optokuplörlerin benzersiz bir avantajıdır. Fiziksel temas olmadığı için parçalar arasındaki aşınma azdır ve kullanım ömrü daha uzundur. Öte yandan, LED'lerin zamanla ve sıcaklık değişimleriyle yavaş yavaş bozulması nedeniyle ışık verimliliğinin dalgalanması gibi özellikleri de vardır.
Özellikle şeffaf plastiğin iç bileşeni uzun süre kullanıldığında bulanıklaşır ve ışık geçirgenliği azalır. Ancak her durumda, mekanik kontaklara kıyasla kullanım ömrü çok uzundur.
Fototransistörler genellikle fotodiyotlardan daha yavaştır, bu nedenle yüksek hızlı iletişimde kullanılmazlar. Bununla birlikte, bu bir dezavantaj değildir, çünkü bazı bileşenlerin çıkış tarafında hızı artırmak için yükseltme devreleri bulunur. Aslında, tüm elektronik devrelerin hızı artırması gerekmez.
③ Kullanım
Fotoelektrik kuplörlerEsas olarak anahtarlama işlemleri için kullanılırlar. Devre, anahtar açıldığında enerjilenir, ancak yukarıdaki özellikler, özellikle yalıtım ve uzun ömür açısından, yüksek güvenilirlik gerektiren senaryolar için oldukça uygundur. Örneğin, gürültü tıbbi elektronik ve ses/iletişim ekipmanlarının düşmanıdır.
Ayrıca motor sürücü sistemlerinde de kullanılır. Bunun nedeni, motorun çalıştırıldığında hızının invertör tarafından kontrol edilmesi, ancak yüksek çıkış nedeniyle gürültü üretmesidir. Bu gürültü sadece motorun kendisinin arızalanmasına neden olmakla kalmaz, aynı zamanda "topraklama" yoluyla çevre birimleri de etkiler. Özellikle uzun kablolamaya sahip ekipmanlar bu yüksek çıkış gürültüsünü kolayca alır, bu nedenle fabrikada meydana gelirse büyük kayıplara ve bazen ciddi kazalara neden olur. Anahtarlama için yüksek yalıtımlı optokuplörler kullanılarak, diğer devreler ve cihazlar üzerindeki etki en aza indirilebilir.
İkinci olarak, optokuplörlerin nasıl seçileceği ve kullanılacağı.
Ürün tasarımında doğru optokuplör nasıl kullanılır? Aşağıdaki mikrodenetleyici geliştirme mühendisleri, optokuplörlerin nasıl seçileceğini ve kullanılacağını açıklayacak.
① Her zaman açık ve her zaman kapalı
İki tür fotokuplör vardır: voltaj uygulanmadığında anahtarın kapandığı (off) bir tür, voltaj uygulandığında anahtarın açıldığı (off) bir tür ve voltaj uygulanmadığında anahtarın açıldığı (off) bir tür.
Birincisine normalde açık, ikincisine ise normalde kapalı denir. Seçim, öncelikle ne tür bir devreye ihtiyacınız olduğuna bağlıdır.
② Çıkış akımını ve uygulanan voltajı kontrol edin.
Fotokuplörler sinyali yükseltme özelliğine sahiptir, ancak her zaman voltaj ve akımı istenildiği gibi iletmezler. Elbette, nominal değerleri vardır, ancak istenen çıkış akımına göre giriş tarafından bir voltaj uygulanması gerekir.
Ürün veri sayfasına baktığımızda, dikey eksende çıkış akımı (kollektör akımı) ve yatay eksende giriş voltajı (kollektör-emiter voltajı) gösteren bir tablo görüyoruz. Kollektör akımı LED ışık yoğunluğuna göre değiştiğinden, istenen çıkış akımına göre voltaj uygulanmalıdır.
Ancak, burada hesaplanan çıkış akımının şaşırtıcı derecede küçük olduğunu düşünebilirsiniz. Bu, LED'in zamanla bozulması dikkate alındıktan sonra bile güvenilir bir şekilde çıkış verilebilen akım değeridir, bu nedenle maksimum değerden daha düşüktür.
Tam tersine, çıkış akımının büyük olmadığı durumlar da vardır. Bu nedenle, optokuplör seçerken "çıkış akımını" dikkatlice kontrol edin ve buna uygun ürünü seçin.
③ Maksimum akım
Maksimum iletim akımı, optokuplörün iletim halindeyken dayanabileceği maksimum akım değeridir. Yine, satın almadan önce projenin ne kadar çıkışa ihtiyaç duyduğunu ve giriş voltajının ne olduğunu bildiğimizden emin olmalıyız. Maksimum değerin ve kullanılan akımın sınırlayıcı değil, bir miktar güvenlik payı olduğundan emin olun.
④ Fotokuplörü doğru şekilde ayarlayın.
Doğru optokuplörü seçtikten sonra, onu gerçek bir projede kullanalım. Kurulumu kolaydır, sadece giriş tarafı devresine ve çıkış tarafı devresine bağlı terminalleri bağlamanız yeterlidir. Ancak, giriş tarafı ve çıkış tarafının yanlış yönlendirilmemesine dikkat edilmelidir. Bu nedenle, PCB kartını çizdikten sonra fotoelektrik kuplör ayağının yanlış olduğunu fark etmemek için veri tablosundaki sembolleri de kontrol etmelisiniz.
Yayın tarihi: 29 Temmuz 2023