光电耦合器的工作原理
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什么是光耦合器?
光耦合器是看起来像这样的集成电子元件。
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它们也被称为光隔离器、光隔离器和光电耦合器。在这个版本中,我们的主体带有 4 个引脚。引脚 1 为阳极,引脚 2 为阴极,引脚 3 为集电极,引脚 4 为发射极。
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我们在管脚 1 旁边的主体中还有一个小的圆形凹痕,我们用它来识别不同的管脚。在车身上我们还有一些文字,这是零件号。我们使用它来识别光耦合器的类型并找到制造商的数据表。
该设备基本上是一个固态继电器,可将两个独立的电路互连。电路一连接在引脚 1 和 2 之间,第二个电路连接在引脚 3 和 4 之间。这允许电路 1 控制电路 2。我们也可以用它来传输信号,但两个电路彼此电隔离其他。
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为什么这很重要?因为一个电路上的电压尖峰和噪声不会破坏或干扰另一个电路。因此,我们的电路受到保护。由于内部的半导体材料,它们也将只允许电子沿一个方向流动。
由于分离,这两个电路因此可以使用不同的电压和电流。我们可以通过向电路二的输出添加其他组件(例如晶体管)来扩展设备的功能。这使我们能够控制更高的电压和电流并自动化电路控制。
它是如何工作的?
光耦合器有多种变体,但本文将坚持使用基本的光电晶体管版本。当我们查看这个光耦合器的符号时,我们看到左侧有一个 LED 符号,右侧的符号看起来非常类似于晶体管,这是因为它是被称为光电晶体管的晶体管的改进版本。端子被命名为集电极和发射极,就像普通晶体管一样,只是我们缺少基极引脚。
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在普通的晶体管电路中,我们有主电路和控制电路。晶体管阻止主电路中的电流,因此灯熄灭。当我们在管脚上施加一个小电压时,这将打开晶体管并允许电流在主电路中流动,因此主灯打开。
顺便说一下,我们在上一篇文章中详细介绍了晶体管的工作原理,请单击此处。
光耦合器内的晶体管的工作原理略有不同。它还可以阻止主电路中的电流,但它充当接收器。当 LED 发出的光照射到晶体管上时,这将打开它并允许电流在主电路中流动。
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因此,当电路 1 完成时,LED 亮起。这会发出一束光,它击中晶体管。晶体管检测到这一点并打开,允许电流在电路 2 中流动。我们通过打开和关闭内部 LED 来简单地控制它。光电晶体管就像一个绝缘体,阻止电流流动,除非它暴露在光线下。
LED 和晶体管都封装在外壳内,所以我们看不到它们,但我们可以看到它们如何与这些简单的电路一起工作,我们将在本文后面进行介绍。
那么LED是如何开启晶体管的呢?在光电晶体管内部,我们有不同的半导体材料层。有N型和P型,夹在一起。N型和P型均由硅制成,但它们都与其他材料混合以改变其电气特性。N 型已与一种材料混合,这为其提供了许多额外的和不需要的电子。这些可以自由移动到其他原子。P 型已与另一种电子较少的材料混合。所以,这有很多电子可以移动的空白空间。
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当材料连接在一起时,会形成电势垒并阻止电子流动。但是,当 LED 开启时,它会发出另一种称为光子的粒子。照片击中 P 型材料并将电子撞击到势垒上并进入 N 型材料。第一个势垒处的电子现在也能够进行跳跃,因此产生了电流。一旦 LED 关闭,光子就会停止撞击电子越过势垒,因此次级侧的电流停止。
因此,我们可以仅使用一束光来控制次级电路。
这是因为半导体材料。在普通电线中,铜是导体,橡胶是绝缘体。电子可以很容易地流过铜,但它们不能流过橡胶绝缘体。看一下金属导体的基本模型,我们在中心有一个原子核,周围有许多轨道壳层,这些壳层包含电子。每个壳层拥有最大数量的电子,一个电子需要一定量的能量才能被每个壳层接受,离原子核最远的那些能量最大。
最外层的壳称为价壳,导体的价壳中有 1 到 3 个电子。电子由原子核固定在适当的位置,但还有另一个称为导带的壳层。如果一个电子可以到达这个导带,那么它就可以脱离原子并移动到其他原子。
对于金属原子,例如铜,价壳层和导带重叠,因此电子很容易脱离并移动到另一个原子。使用绝缘体时,最外层的外壳被挤满,几乎没有空间供电子加入。原子核紧紧抓住电子,而导带距离很远,因此电子无法到达导带以逃逸。因此电流不能流过这种材料。但是,半导体则不同,它的价壳层中的电子太多,无法成为导体,因此它的作用类似于绝缘体。但是,导带非常接近,所以如果我们给电子提供一些外部能量,一些电子就会获得足够的能量,从而跳入导带并变得自由。所以,
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电路 1 LED 和 LDR
我们将看到的第一个电路使用一个光敏电阻器和一个白色 LED。LDR 的电阻取决于它暴露在多少光线下。在黑暗中它具有非常高的电阻,在明亮的光线中它具有非常低的电阻。
这个白色 LED 的额定电流为 20mA,如果我将它连接到直流工作台电源,我们看到它需要 3V 才能达到 20mA。
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当我测试这个 LDR 时,我们看到在昏暗的灯光下它的电阻约为 40 千欧。当我把它藏在手里时,它大约是 4 兆欧,用两只手完全覆盖它时,它大约是 9 兆欧。但是,当我将白色 LED 照射到 LDR 上时,其电阻约为 66 欧姆。如果我用手指环绕它们,大约是 70 欧姆。
因此,在初级电路上,我们需要一个电压降为 3V 并使用 0.02A 电流的白光 LED。我们将用一个开关控制它并使用 9V 电池为电路供电。电阻为 LED 的 9V 减去 3V,等于 6V。这将是电阻器的压降。电路电流为 0.02A,因此 6V 除以 0.02A 为 300 欧姆。
现在,它可以在 0.02A 下正常工作,但我将使用稍高的电阻值来降低 LED 的电流,这也会稍微降低 LED 的亮度。我将使用一个 330 欧姆和一个 22 欧姆的电阻器,它们结合起来形成 352 欧姆的电阻。6V 除以 352 欧姆为 0.017A。
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我将组件放入电路中,它看起来像这样。电流将像这样流过电路,使用常规电流显示。当我按下开关时,LED 亮起。
在次级侧,我们有一个压降为 2V 和电流为 0.02A 的红色 LED,它会亮起表示电路正在工作。我们将 LDR 放置在白色 LED 的对面,当暴露在光线下时,这将提供大约 70Ω 欧姆的电阻。要找到 LED 的电阻,我们只需要做 9V 减去 2V,即 7V。7V 除以 0.02A 是 350 欧姆。LDR 的 350 减去 70 欧姆是 280 欧姆。取而代之的是,我将使用两个等于 300 欧姆的 150 欧姆电阻器。因此,假设 LDR 为 70 欧姆,我们有 370 欧姆的电阻。7V 除以 370 欧姆为 0.019A。
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所以,我将组件放在电路的次级侧,它看起来像这样。请注意红色 LED 亮起,这是因为 LDR 正在接收来自房间的环境光。如果你拿一些电工胶带,剪下几小块并将它们包裹在 LDR 和 LED 上。
这阻挡了房间的环境光,LED 现在关闭。当我按下初级电路上的按钮时,白色 LED 亮起,这会照亮 LDR,从而打开次级侧的红色 LED。
电路 2 – 红外发射器和接收器
电路 1 的问题是自然光激活了电路。因此,对于该电路,我们将使用红外发射器和接收器代替。
在初级侧,我们有一个红外线发射器,我使用的那个额定电流为 30mA,但我将使用比这更少的电流。当我测试 LED 时,我们看到 1.2V 的电流为 0.02A。所以,我们将使用这个值。顺便说一下,如果你用眼睛看这个,你不会看到任何光,因为它是红外线,而人类看不到红外线,所以你会假设它是关闭的,但事实并非如此。如果您使用手机的摄像头,您会看到它实际上已开启。您可以使用电视遥控器自行测试,因为它也使用红外线。
因此,在初级侧,我们有一个 9V 电源和一个压降为 1.2V 的红外 LED 发射器。我们在电路中放置一个红色 LED 来指示电路何时被激活,因为我们看不到红外线。这有 2V 的压降和 0.02A 的电流需求,所以 9v 减去 2V 减去 1.2V 是 5.8V。电路的电流将为 0.02A,因此 5.8V ÷ 除以 0.02A 是 290Ω 欧姆。我没有 290 欧姆的电阻器,所以我将使用 270 和 22 欧姆的电阻器。这给出了 292 欧姆。5.8V 除以 292 欧姆是 0.01986A,所以没问题。我们还将使用一个开关来控制它。
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当我将组件连接到电路中时,它看起来像这样。当我按下开关时,红色 LED 亮起,红外 LED 发出一束光。
在次级侧,我们有接收器 LED,该 LED 的额定电压高达 1.4V 和 30mA。我们将在这一侧包含一个红色 LED,以指示电路何时被激活。它的压降为 2V,电流为 0.02A。所以,我们在电源上有 9v,减去 2V,减去 1.4V 是 5.6V。5.6 除以 0.02A 是 280 欧姆。我将使用 270 欧姆和 10 欧姆来获得所需的 280 欧姆。
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我将这些组件放入电路中,它看起来像这样。发射器和接收器相对且靠近。当我按下开关时,主红色 LED 灯亮起,发射器向接收器发出一束红外光。接收器检测到这一点并允许电流流动,因此次级侧红色 LED 也会打开。
电路 3 光耦合器电路。
第三个电路使用PC817光耦合器。
输入端使用内部 LED,LED 额定电压为 1.2V 和 20mA。我可以将一个连接到直流电源,看到 1.2V 时电流为 0.02A,因此我们将使用此值。在输入端,我们将使用一个开关来控制电路和一个红色 LED 来指示电路何时被激活。这具有 2V 的压降和 0.02A 的电流。所以用 9V 电源,9V 减去 2V,减去 1.2V 就是 5.8V。5.8V 除以 0.02A 是 290 欧姆。我将使用一个 270 欧姆和一个 22 欧姆的电阻来制作 292 欧姆。5.8V 除以 292 欧姆是 0.01986A,所以这很好。
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我将组件放入电路板,它看起来像这样。当我按下开关时,红色 LED 将亮起。
对于次级侧,光耦合器的额定电流最大为 50mA。我们将在次级侧使用红色 LED,其电压降为 2V,电流为 0.02A。次级侧将有一个 9V 电源,正极连接到集电极,发射极连接到负极。我们必须使用电阻器,否则会损坏光耦合器。
查看制造商的数据表,我们看到了一个带有集电极电流 v 的集电极发射极电压的图表。我们的红色 LED 的集电极电流为 20mA。所以阅读我们移动的图表,直到我们到达 20ma 线,这表明集电极发射极电压为 2V。
我们有一个 9V 电源,因此 9V 减去 LED 的 2V 和晶体管集电极发射极的 2V,等于 5V。5V除以0.02A的集电极电流为250欧姆。我没有 250 欧姆的电阻器,所以我将使用 100 欧姆和 150 欧姆的电阻器,它们组合形成 250 欧姆。
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所以我将组件放入电路中,它们看起来像这样。次级侧关闭,但是,当我按下开关时,初级侧红色 LED 开启,光耦合器内部的 LED 开启,光束击中内部光电晶体管,从而允许电流在次级侧流动,因此二级红色 LED 灯亮起。