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什么是光耦合器?光耦合器的工作原理是什么?

返回列表 來源:燦科盟 瀏覽:- 發(fā)布日期:2021-11-03 14:23:43【

什么是光耦合器?光耦合器的工作原理是什么?

了解光耦合器。在本文中,我們將了解它們?nèi)绾斡糜诳刂齐娐?、它們?nèi)绾喂ぷ饕约叭绾卧O(shè)計(jì)一些簡(jiǎn)單的光耦合器電路來展示其工作原理。

什么是光耦合器?

光耦合器是看起來像這樣的集成電子元件。


什么是光耦合器?光耦合器的工作原理是什么?

它們也被稱為光隔離器、光隔離器和光電耦合器。在這個(gè)版本中,我們的主體帶有 4 個(gè)引腳。引腳 1 為陽極,引腳 2 為陰極,引腳 3 為集電極,引腳 4 為發(fā)射極。


什么是光耦合器?光耦合器的工作原理是什么?

我們?cè)诠苣_ 1 旁邊的主體中還有一個(gè)小的圓形凹痕,我們用它來識(shí)別不同的管腳。在車身上我們還有一些文字,這是零件號(hào)。我們使用它來識(shí)別光耦合器的類型并找到制造商的數(shù)據(jù)表。

該設(shè)備基本上是一個(gè)固態(tài)繼電器,可將兩個(gè)獨(dú)立的電路互連。電路一連接在引腳 1 和 2 之間,第二個(gè)電路連接在引腳 3 和 4 之間。這允許電路 1 控制電路 2。我們也可以用它來傳輸信號(hào),但兩個(gè)電路彼此電隔離其他。


什么是光耦合器?光耦合器的工作原理是什么?

為什么這很重要?因?yàn)橐粋€(gè)電路上的電壓尖峰和噪聲不會(huì)破壞或干擾另一個(gè)電路。因此,我們的電路受到保護(hù)。由于內(nèi)部的半導(dǎo)體材料,它們也將只允許電子沿一個(gè)方向流動(dòng)。

由于分離,這兩個(gè)電路因此可以使用不同的電壓和電流。我們可以通過向電路二的輸出添加其他組件(例如晶體管)來擴(kuò)展設(shè)備的功能。這使我們能夠控制更高的電壓和電流并自動(dòng)化電路控制。

它是如何工作的?

光耦合器有多種變體,但本文將堅(jiān)持使用基本的光電晶體管版本。當(dāng)我們查看這個(gè)光耦合器的符號(hào)時(shí),我們看到左側(cè)有一個(gè) LED 符號(hào),右側(cè)的符號(hào)看起來非常類似于晶體管,這是因?yàn)樗潜环Q為光電晶體管的晶體管的改進(jìn)版本。端子被命名為集電極和發(fā)射極,就像普通晶體管一樣,只是我們?nèi)鄙倩鶚O引腳。


什么是光耦合器?光耦合器的工作原理是什么?

在普通的晶體管電路中,我們有主電路和控制電路。晶體管阻止主電路中的電流,因此燈熄滅。當(dāng)我們?cè)诠苣_上施加一個(gè)小電壓時(shí),這將打開晶體管并允許電流在主電路中流動(dòng),因此主燈打開。

順便說一下,我們?cè)谏弦黄恼轮性敿?xì)介紹了晶體管的工作原理,請(qǐng)單擊此處。

光耦合器內(nèi)的晶體管的工作原理略有不同。它還可以阻止主電路中的電流,但它充當(dāng)接收器。當(dāng) LED 發(fā)出的光照射到晶體管上時(shí),這將打開它并允許電流在主電路中流動(dòng)。


什么是光耦合器?光耦合器的工作原理是什么?

因此,當(dāng)電路 1 完成時(shí),LED 亮起。這會(huì)發(fā)出一束光,它擊中晶體管。晶體管檢測(cè)到這一點(diǎn)并打開,允許電流在電路 2 中流動(dòng)。我們通過打開和關(guān)閉內(nèi)部 LED 來簡(jiǎn)單地控制它。光電晶體管就像一個(gè)絕緣體,阻止電流流動(dòng),除非它暴露在光線下。

LED 和晶體管都封裝在外殼內(nèi),所以我們看不到它們,但我們可以看到它們?nèi)绾闻c這些簡(jiǎn)單的電路一起工作,我們將在本文后面進(jìn)行介紹。

那么LED是如何開啟晶體管的呢?在光電晶體管內(nèi)部,我們有不同的半導(dǎo)體材料層。有N型和P型,夾在一起。N型和P型均由硅制成,但它們都與其他材料混合以改變其電氣特性。N 型已與一種材料混合,這為其提供了許多額外的和不需要的電子。這些可以自由移動(dòng)到其他原子。P 型已與另一種電子較少的材料混合。所以,這有很多電子可以移動(dòng)的空白空間。


什么是光耦合器?光耦合器的工作原理是什么?

當(dāng)材料連接在一起時(shí),會(huì)形成電勢(shì)壘并阻止電子流動(dòng)。但是,當(dāng) LED 開啟時(shí),它會(huì)發(fā)出另一種稱為光子的粒子。照片擊中 P 型材料并將電子撞擊到勢(shì)壘上并進(jìn)入 N 型材料。第一個(gè)勢(shì)壘處的電子現(xiàn)在也能夠進(jìn)行跳躍,因此產(chǎn)生了電流。一旦 LED 關(guān)閉,光子就會(huì)停止撞擊電子越過勢(shì)壘,因此次級(jí)側(cè)的電流停止。

因此,我們可以僅使用一束光來控制次級(jí)電路。

這是因?yàn)榘雽?dǎo)體材料。在普通電線中,銅是導(dǎo)體,橡膠是絕緣體。電子可以很容易地流過銅,但它們不能流過橡膠絕緣體。看一下金屬導(dǎo)體的基本模型,我們?cè)谥行挠幸粋€(gè)原子核,周圍有許多軌道殼層,這些殼層包含電子。每個(gè)殼層擁有最大數(shù)量的電子,一個(gè)電子需要一定量的能量才能被每個(gè)殼層接受,離原子核最遠(yuǎn)的那些能量最大。

最外層的殼稱為價(jià)殼,導(dǎo)體的價(jià)殼中有 1 到 3 個(gè)電子。電子由原子核固定在適當(dāng)?shù)奈恢?,但還有另一個(gè)稱為導(dǎo)帶的殼層。如果一個(gè)電子可以到達(dá)這個(gè)導(dǎo)帶,那么它就可以脫離原子并移動(dòng)到其他原子。

對(duì)于金屬原子,例如銅,價(jià)殼層和導(dǎo)帶重疊,因此電子很容易脫離并移動(dòng)到另一個(gè)原子。使用絕緣體時(shí),最外層的外殼被擠滿,幾乎沒有空間供電子加入。原子核緊緊抓住電子,而導(dǎo)帶距離很遠(yuǎn),因此電子無法到達(dá)導(dǎo)帶以逃逸。因此電流不能流過這種材料。但是,半導(dǎo)體則不同,它的價(jià)殼層中的電子太多,無法成為導(dǎo)體,因此它的作用類似于絕緣體。但是,導(dǎo)帶非常接近,所以如果我們給電子提供一些外部能量,一些電子就會(huì)獲得足夠的能量,從而跳入導(dǎo)帶并變得自由。所以,


什么是光耦合器?光耦合器的工作原理是什么?

電路 1 LED 和 LDR

我們將看到的第一個(gè)電路使用一個(gè)光敏電阻器和一個(gè)白色 LED。LDR 的電阻取決于它暴露在多少光線下。在黑暗中它具有非常高的電阻,在明亮的光線中它具有非常低的電阻。

這個(gè)白色 LED 的額定電流為 20mA,如果我將它連接到直流工作臺(tái)電源,我們看到它需要 3V 才能達(dá)到 20mA。


什么是光耦合器?光耦合器的工作原理是什么?

當(dāng)我測(cè)試這個(gè) LDR 時(shí),我們看到在昏暗的燈光下它的電阻約為 40 千歐。當(dāng)我把它藏在手里時(shí),它大約是 4 兆歐,用兩只手完全覆蓋它時(shí),它大約是 9 兆歐。但是,當(dāng)我將白色 LED 照射到 LDR 上時(shí),其電阻約為 66 歐姆。如果我用手指環(huán)繞它們,大約是 70 歐姆。

因此,在初級(jí)電路上,我們需要一個(gè)電壓降為 3V 并使用 0.02A 電流的白光 LED。我們將用一個(gè)開關(guān)控制它并使用 9V 電池為電路供電。電阻為 LED 的 9V 減去 3V,等于 6V。這將是電阻器的壓降。電路電流為 0.02A,因此 6V 除以 0.02A 為 300 歐姆。

現(xiàn)在,它可以在 0.02A 下正常工作,但我將使用稍高的電阻值來降低 LED 的電流,這也會(huì)稍微降低 LED 的亮度。我將使用一個(gè) 330 歐姆和一個(gè) 22 歐姆的電阻器,它們結(jié)合起來形成 352 歐姆的電阻。6V 除以 352 歐姆為 0.017A。


什么是光耦合器?光耦合器的工作原理是什么?

我將組件放入電路中,它看起來像這樣。電流將像這樣流過電路,使用常規(guī)電流顯示。當(dāng)我按下開關(guān)時(shí),LED 亮起。

在次級(jí)側(cè),我們有一個(gè)壓降為 2V 和電流為 0.02A 的紅色 LED,它會(huì)亮起表示電路正在工作。我們將 LDR 放置在白色 LED 的對(duì)面,當(dāng)暴露在光線下時(shí),這將提供大約 70Ω 歐姆的電阻。要找到 LED 的電阻,我們只需要做 9V 減去 2V,即 7V。7V 除以 0.02A 是 350 歐姆。LDR 的 350 減去 70 歐姆是 280 歐姆。取而代之的是,我將使用兩個(gè)等于 300 歐姆的 150 歐姆電阻器。因此,假設(shè) LDR 為 70 歐姆,我們有 370 歐姆的電阻。7V 除以 370 歐姆為 0.019A。


什么是光耦合器?光耦合器的工作原理是什么?

所以,我將組件放在電路的次級(jí)側(cè),它看起來像這樣。請(qǐng)注意紅色 LED 亮起,這是因?yàn)?LDR 正在接收來自房間的環(huán)境光。如果你拿一些電工膠帶,剪下幾小塊并將它們包裹在 LDR 和 LED 上。

這阻擋了房間的環(huán)境光,LED 現(xiàn)在關(guān)閉。當(dāng)我按下初級(jí)電路上的按鈕時(shí),白色 LED 亮起,這會(huì)照亮 LDR,從而打開次級(jí)側(cè)的紅色 LED。

電路 2 – 紅外發(fā)射器和接收器

電路 1 的問題是自然光激活了電路。因此,對(duì)于該電路,我們將使用紅外發(fā)射器和接收器代替。

在初級(jí)側(cè),我們有一個(gè)紅外線發(fā)射器,我使用的那個(gè)額定電流為 30mA,但我將使用比這更少的電流。當(dāng)我測(cè)試 LED 時(shí),我們看到 1.2V 的電流為 0.02A。所以,我們將使用這個(gè)值。順便說一下,如果你用眼睛看這個(gè),你不會(huì)看到任何光,因?yàn)樗羌t外線,而人類看不到紅外線,所以你會(huì)假設(shè)它是關(guān)閉的,但事實(shí)并非如此。如果您使用手機(jī)的攝像頭,您會(huì)看到它實(shí)際上已開啟。您可以使用電視遙控器自行測(cè)試,因?yàn)樗彩褂眉t外線。

因此,在初級(jí)側(cè),我們有一個(gè) 9V 電源和一個(gè)壓降為 1.2V 的紅外 LED 發(fā)射器。我們?cè)陔娐分蟹胖靡粋€(gè)紅色 LED 來指示電路何時(shí)被激活,因?yàn)槲覀兛床坏郊t外線。這有 2V 的壓降和 0.02A 的電流需求,所以 9v 減去 2V 減去 1.2V 是 5.8V。電路的電流將為 0.02A,因此 5.8V ÷ 除以 0.02A 是 290Ω 歐姆。我沒有 290 歐姆的電阻器,所以我將使用 270 和 22 歐姆的電阻器。這給出了 292 歐姆。5.8V 除以 292 歐姆是 0.01986A,所以沒問題。我們還將使用一個(gè)開關(guān)來控制它。


什么是光耦合器?光耦合器的工作原理是什么?

當(dāng)我將組件連接到電路中時(shí),它看起來像這樣。當(dāng)我按下開關(guān)時(shí),紅色 LED 亮起,紅外 LED 發(fā)出一束光。

在次級(jí)側(cè),我們有接收器 LED,該 LED 的額定電壓高達(dá) 1.4V 和 30mA。我們將在這一側(cè)包含一個(gè)紅色 LED,以指示電路何時(shí)被激活。它的壓降為 2V,電流為 0.02A。所以,我們?cè)陔娫瓷嫌?9v,減去 2V,減去 1.4V 是 5.6V。5.6 除以 0.02A 是 280 歐姆。我將使用 270 歐姆和 10 歐姆來獲得所需的 280 歐姆。


什么是光耦合器?光耦合器的工作原理是什么?

我將這些組件放入電路中,它看起來像這樣。發(fā)射器和接收器相對(duì)且靠近。當(dāng)我按下開關(guān)時(shí),主紅色 LED 燈亮起,發(fā)射器向接收器發(fā)出一束紅外光。接收器檢測(cè)到這一點(diǎn)并允許電流流動(dòng),因此次級(jí)側(cè)紅色 LED 也會(huì)打開。

電路 3 光耦合器電路。

第三個(gè)電路使用PC817光耦合器。

輸入端使用內(nèi)部 LED,LED 額定電壓為 1.2V 和 20mA。我可以將一個(gè)連接到直流電源,看到 1.2V 時(shí)電流為 0.02A,因此我們將使用此值。在輸入端,我們將使用一個(gè)開關(guān)來控制電路和一個(gè)紅色 LED 來指示電路何時(shí)被激活。這具有 2V 的壓降和 0.02A 的電流。所以用 9V 電源,9V 減去 2V,減去 1.2V 就是 5.8V。5.8V 除以 0.02A 是 290 歐姆。我將使用一個(gè) 270 歐姆和一個(gè) 22 歐姆的電阻來制作 292 歐姆。5.8V 除以 292 歐姆是 0.01986A,所以這很好。


什么是光耦合器?光耦合器的工作原理是什么?

我將組件放入電路板,它看起來像這樣。當(dāng)我按下開關(guān)時(shí),紅色 LED 將亮起。

對(duì)于次級(jí)側(cè),光耦合器的額定電流最大為 50mA。我們將在次級(jí)側(cè)使用紅色 LED,其電壓降為 2V,電流為 0.02A。次級(jí)側(cè)將有一個(gè) 9V 電源,正極連接到集電極,發(fā)射極連接到負(fù)極。我們必須使用電阻器,否則會(huì)損壞光耦合器。

查看制造商的數(shù)據(jù)表,我們看到了一個(gè)帶有集電極電流 v 的集電極發(fā)射極電壓的圖表。我們的紅色 LED 的集電極電流為 20mA。所以閱讀我們移動(dòng)的圖表,直到我們到達(dá) 20ma 線,這表明集電極發(fā)射極電壓為 2V。

我們有一個(gè) 9V 電源,因此 9V 減去 LED 的 2V 和晶體管集電極發(fā)射極的 2V,等于 5V。5V除以0.02A的集電極電流為250歐姆。我沒有 250 歐姆的電阻器,所以我將使用 100 歐姆和 150 歐姆的電阻器,它們組合形成 250 歐姆。


什么是光耦合器?光耦合器的工作原理是什么?

所以我將組件放入電路中,它們看起來像這樣。次級(jí)側(cè)關(guān)閉,但是,當(dāng)我按下開關(guān)時(shí),初級(jí)側(cè)紅色 LED 開啟,光耦合器內(nèi)部的 LED 開啟,光束擊中內(nèi)部光電晶體管,從而允許電流在次級(jí)側(cè)流動(dòng),因此二級(jí)紅色 LED 燈亮起。

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