Cómo funciona el optoacoplador
Cuando la señal eléctrica se envía al extremo de entrada del optoacoplador, el diodo emisor de luz emite luz a través de la corriente, y el elemento fotosensible se enciende para generar corriente, y CE se enciende cuando hay; no hay señal en el extremo de entrada, el diodo emisor de luz no se enciende. El fototransistor está apagado y CE está cortado. Para cantidades digitales, cuando la entrada es de nivel bajo "0", el fototransistor se apaga y la salida es de nivel alto "1" cuando la entrada es de nivel alto "1", el fototransistor se satura y se enciende, y la salida; es nivel bajo "0". Si la base tiene cables, se pueden cumplir los requisitos de compensación de temperatura y modulación de detección. Este tipo de optoacoplador tiene buen rendimiento, precio bajo y amplia aplicación.
Figura 1 El diagrama de estructura interna del optoacoplador más utilizado Figura 2 El diagrama de estructura interna del optoacoplador Figura 3 El diagrama de estructura interna del optoacoplador Figura 3 El interior del transistor de entrada de LED dual que recibe cuatro Diagrama de estructura del paquete de pines. Figura 4 El diagrama de estructura interna del optoacoplador SCR que recibe el paquete de 6 pines Figura 5 El diagrama de estructura interna del optoacoplador de diodo dual que recibe el paquete de 6 pines.
El optoacoplador puede suprimir eficazmente picos y diversas interferencias de ruido mientras transmite señales, mejorando en gran medida la relación señal-ruido en el canal. Las razones principales son las siguientes:
(1. ) La impedancia de entrada del optoacoplador es muy pequeña, solo unos pocos cientos de ohmios, mientras que la impedancia de la fuente de interferencia es muy grande, generalmente 105 ~ 106ω. Según el principio de división de voltaje, incluso si la amplitud del voltaje de interferencia es grande, el voltaje de ruido alimentado al extremo de entrada del optoacoplador será muy pequeño y solo se puede formar una corriente muy débil. Como no hay suficiente energía, el diodo no puede emitir luz, por lo que se suprime.
(2) No hay conexión eléctrica entre el bucle de entrada y el bucle de salida del optoacoplador, y no hay conexión a tierra; la capacitancia distribuida entre ellos es muy pequeña y la resistencia de aislamiento es muy grande. Es difícil utilizar el optoacoplador para conectar varios ruidos de interferencia que se alimentan de un lado del bucle al otro, evitando así la generación de señales de interferencia acopladas por impedancia.
(3) El optoacoplador puede desempeñar un muy buen papel de seguridad. Incluso si el dispositivo externo falla o incluso la línea de señal de entrada sufre un cortocircuito, el instrumento no se dañará. Porque el circuito de entrada y el circuito de salida del dispositivo optoacoplador pueden soportar altos voltajes de varios miles de voltios.
(4) La velocidad de respuesta del optoacoplador es extremadamente rápida y su tiempo de retardo de respuesta es de solo aproximadamente 10 μs, lo que es adecuado para ocasiones con alta velocidad de respuesta.
Aplicación de la tecnología de aislamiento fotoeléctrico
Aislamiento optoeléctrico en circuito de interfaz de microcomputadora
El microcomputador tiene múltiples puertos de entrada para recibir señales de estado desde dispositivos de campo remotos. Después de que la microcomputadora procesa estas señales, genera varias señales de control y realiza las operaciones correspondientes. Cuando el entorno del sitio es hostil, habrá una mayor interferencia de ruido. Si estas interferencias ingresan al sistema de microcomputadora junto con la señal de entrada, la precisión del control se reducirá y se producirá un mal funcionamiento. Por lo tanto, el optoacoplador se puede utilizar como interfaz entre los extremos de entrada y salida del microordenador para aislar señales y ruido. En la Figura 6 se muestra un circuito optoacoplador típico. Este circuito se utiliza principalmente como interfaz entre la salida de señal digital del "convertidor A/D" y la señal de control del canal directo enviada por la CPU y el circuito analógico, de modo que las rutas de señal entre diferentes sistemas estén conectadas y aisladas eléctricamente. , y sobre esta base, el circuito analógico y el circuito digital se aíslan entre sí para suprimir la diafonía. Figura 6 Principio de cableado del optoacoplador
Para canales de circuito analógico lineal, el fotoacoplador debe tener características de transmisión y transformación lineal, o elegir un par de tubos, usar un circuito complementario para mejorar la linealidad o usar V/F después de la conversión. , se utiliza un optoacoplador digital para el aislamiento.
Aislamiento optoeléctrico en circuitos de accionamiento de potencia
En los sistemas de control por microordenador se utiliza una gran cantidad de interruptores para el control. Estos interruptores generalmente salen a través de las E/S del microordenador, pero la capacidad de accionamiento de las E/S es limitada y generalmente no es suficiente para accionar algunos actuadores magnéticos puntuales. Es necesario agregar un circuito de interfaz del controlador. Para evitar interferencias del microordenador, se deben tomar medidas de aislamiento. Por ejemplo, el circuito principal donde se encuentra el tiristor es generalmente un circuito de alto voltaje de CA con alto voltaje y corriente, y no es fácil conectarlo directamente a la microcomputadora. Los optoacopladores se pueden utilizar para aislar señales de control de microcomputadoras y circuitos de activación SCR. La Figura 7 muestra un circuito de ejemplo. Figura 7 Triac (tiristor)
En los circuitos de control de motores, los optoacopladores también se pueden utilizar para aislar el circuito de control y el circuito de alto voltaje del motor.
El motor se basa en tubos de potencia MOSFET o IGBT para proporcionar corriente de accionamiento. Las señales de control de conmutación de los tubos de potencia y los tubos de alta potencia requieren una etapa amplificadora de aislamiento. En la forma de conexión de la etapa de aislamiento del optoacoplador, la etapa del amplificador y el tubo de alta potencia, se requiere que el optoacoplador tenga un alto voltaje de salida, alta velocidad y supresión de modo alto.
Transmisión aislada de larga distancia
En los sistemas de aplicaciones informáticas, la transmisión de larga distancia es inevitable entre el sistema de medición y control y el equipo medido y controlado. La señal se ve fácilmente afectada por las interferencias. conduce a distorsión o distorsión de las señales de transmisión, además, entre dispositivos de larga distancia conectados por cables largos, a menudo se generan corrientes de bucle de tierra debido a la diferencia de potencial de tierra entre los dispositivos, formando voltajes de interferencia de modo diferencial en el circuito. Para garantizar la confiabilidad de la transmisión a larga distancia, se pueden utilizar medidas de aislamiento del acoplamiento fotoeléctrico para separar las conexiones eléctricas de los dos circuitos, cortar posibles bucles, hacerlos independientes entre sí y mejorar el rendimiento antiinterferencias del sistema de circuito. Si la línea de transmisión es larga y la interferencia de campo es grave, entonces se puede utilizar un optoacoplador de dos etapas para "flotar" completamente la línea larga, como se muestra en la Figura 8.
Figura 8 Procesamiento flotante de optoacoplador para líneas de transmisión largas.
La "flotación" de la línea larga elimina el cable de tierra común entre los dos extremos de la línea larga, lo que no solo elimina efectivamente la interferencia mutua de los voltajes de ruido generados cuando cada corriente pasa a través del cable de tierra común. , pero también resuelve eficazmente el problema de la unidad de línea larga y los problemas de coincidencia de impedancia, al mismo tiempo, también puede proteger el sistema contra daños cuando el dispositivo controlado sufre un cortocircuito;
Aislamiento fotoeléctrico en circuito de detección de cruce por cero
El cruce por cero, es decir, la detección de cruce por cero, se refiere a detectar automáticamente el punto de cruce por cero del voltaje de CA y generar un señal de conducción para permitir que el interruptor electrónico funcione en este punto. Comienza a conducir en cualquier momento. La moderna tecnología de cruce por cero se combina con la tecnología de acoplamiento fotoeléctrico. La Figura 9 es un circuito de detección de cruce por cero que se puede utilizar en un regulador de voltaje de CA controlado numéricamente por computadora de un solo chip.
Figura 9 Detección de cruce por cero
Después de ser limitado por la resistencia R1, el voltaje de 220 V CA se agrega directamente a los terminales de entrada de dos fotoacopladores antiparalelos GD1 y GD2. Durante los semiciclos positivo y negativo de la fuente de alimentación de CA, GD1 y GD2 se encienden respectivamente y U0 genera un nivel bajo. En el momento en que la onda sinusoidal de alimentación de CA cruza cero, GD1 y GD2 no son conductores y U0 genera un nivel alto. Después de que la puerta inversa forma la señal de pulso, se utiliza como señal de solicitud de interrupción del microcontrolador y señal de sincronización de cruce por cero del tiristor.
Cosas a tener en cuenta
(1) Las partes de entrada y salida del fotoacoplador deben utilizar fuentes de alimentación independientes. Si se utiliza una fuente de alimentación en ambos extremos, la función de aislamiento del optoacoplador no tiene sentido.
(2) Cuando se utiliza un fotoacoplador para aislar los canales de entrada y salida, todas las señales (incluidas las señales digitales, las señales de control y las señales de estado) deben aislarse para que no haya conexión eléctrica en ambos lados del aislamiento, de lo contrario este tipo de aislamiento no tiene sentido.