PCB-Design: Ein Optokoppler-Tutorial für Ihr PCB-Layout

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In der Elektronik verlassen sich eingebettete Systeme oft auf Optokoppler-Schaltungen, um Eingangssignale von externen Sensoren oder Schaltern zu empfangen. In gewisser Weise sind sie wie die Wecker der Mikrocontroller. Idealerweise werden alle Signale genau an den Mikrocontroller weitergeleitet. Wenn jedoch das Symbol der Optokoppler nicht richtig implementiert ist, kann der Mikrocontroller manchmal Eingangssignale verpassen oder fälschlicherweise Signale erkennen, wenn keine Eingänge ausgelöst werden. In diesem PCB-Design-Optoisolator-Tutorial werden wir besprechen, wie man ein erfolgreiches Optokoppler-PCB-Layout einrichtet. Aber zuerst erinnern wir uns daran, wie ein Optokoppler-Design-Leitfaden in diesem Optokoppler-Tutorial funktioniert.

Optoisolator-Tutorial: Grundprinzipien eines Optokoppler-PCB

Optokoppler oder Optoisolatoren sind elektronische Bauteile, die Eingangssignale durch eine optische Schnittstelle isolieren. Die einfachste Form eines Optokopplers besteht aus einer Infrarot-LED und einem Fototransistor innerhalb eines einzigen integrierten Schaltkreises. Die Infrarot-LED wird eingeschaltet, wenn elektrischer Strom durchfließt, und die Intensität hängt von der Amplitude des Stroms ab. Der Fototransistor wird durch das LED-Licht aktiviert, was eine kurze Verbindung zwischen seinem Kollektor und Emitter verursacht.

Die Infrarot-LED und der Fototransistor sind oft durch Glas oder Luft getrennt. Dies ermöglicht eine elektrische Isolation von <10kV über das Optokoppler-PCB-Layout. Daher sind Optokopplerschaltungen eine ideale Wahl, um eingebettete Systeme vor elektrischer Störung zu isolieren, die aus der Umgebung des Eingangssignals stammt.

Neben dem Schutz des eingebetteten Systems vor elektrischem Rauschen werden Optokoppler auch verwendet, um Niederspannungs- und Hochspannungssysteme voneinander zu trennen. Zum Beispiel kann ein Foto-Triac, eine Variante von Optokopplern, verwendet werden, um Geräte mit hoher Wechselspannung zu steuern. Zum Beispiel einen Wechselstrommotor. Dies eliminiert das Risiko von Schaltungsfehlern, die Schäden am Mikrocontroller und seinen begleitenden Komponenten für das Gerät verursachen können.

PCB Optoisolator Tutorial: Fehler bei Optokopplern

Der Optokoppler ist eine einfache passive Komponente, auf die die meisten Designer stoßen. Einen Optokoppler-PCB zum Funktionieren zu bringen, ist keine Raketenwissenschaft; es gibt jedoch ein paar Designfehler, die den Zweck der Verwendung zunichte machen oder die zu instabilen Eingangssignalen führen.

1. Das Versäumnis, die Masseverbindungen des Optokoppler-PCBs zu trennen.

Im grundlegenden Layout des Optokoppler-PCBs besteht der integrierte Schaltkreis (IC) aus zwei Massepins. Einer ist mit der Infrarot-LED verbunden und der andere mit dem Fototransistor. Ein Fehler ist es, beide Massen beim Verlegen des PCBs zusammenzuschließen. In meiner Ingenieurserfahrung bin ich sogar bei elektronischen Steuerungen, die in Maschinen verwendet werden, darauf gestoßen.

Der Hauptgrund für die Verwendung eines Optokopplers ist die sichere Trennung zweier Schaltkreise. Wenn die externe Masse mit dem PCB verbunden wird, können jegliche Massestörungen aus der Schaltung direkt auf den empfindlichen an Bord befindlichen Schaltkreis gekoppelt werden. Stattdessen sollte eine separate Signalverbindung für die externen Massepins erstellt und dedizierte Anschlüsse für die Eingangsmassekabel vorgesehen werden.

2. Die Verwendung des falschen Werts für den Strombegrenzungswiderstand

Neben der Anwendung der richtigen Ausgangsspannung benötigt die Infrarot-LED des Optokopplers einen ausreichenden Strom, um ordnungsgemäß zu funktionieren. Der Wert des minimalen Vorwärtsstroms kann aus dem Stromübertragungsverhältnis-Diagramm des jeweiligen Optokopplers entnommen werden. Wenn der Strombegrenzungswiderstand auf dem Mindestwert des Optokopplers arbeitet, kann sich der Fototransistor unregelmäßig verhalten. Zum Beispiel werden von 10 gültigen Eingaben von den Schaltern nur ein Teil erkannt.

Andererseits sollte der Wert des Begrenzungswiderstands nicht zu niedrig sein. Dies dient dazu, ein Durchbrennen der Infrarot-LED zu verhindern. Wie bei normalen LEDs hat die Infrarot-LED einen maximalen Vorwärtsstrom, der nicht überschritten werden sollte. Dies macht die Auswahl des richtigen Strombegrenzungswiderstands zu einem entscheidenden Schritt, um einen zuverlässigen Betrieb der Optokoppler-PCB zu gewährleisten.

3. Die falsche Auswahl des Optokopplers

So allgemein es auch scheinen mag, nicht alle Optokoppler sind gleich gebaut. Zum Beispiel wird der Opto-Triac zur Steuerung einer Wechselstromlast verwendet und der Opto-Darlington ist ideal für Situationen, in denen nur eine kleine Menge an Eingangsstrom erzeugt wird. Eine weitere Überlegung ist die Kollektor-Emitter-Durchbruch-Ausgangsspannung, die für verschiedene Modelle von Optokopplern variieren kann.

Aber wenn Sie nur einen Optokoppler-Designleitfaden für normale Eingangsisolatoren verwenden, werden Modelle wie der PC817 den Trick tun. Sie werden auch weniger Zeit mit dem Erstellen von Footprints verbringen, da die generische Optokoppler-Elektronikkomponente in Ihrer PCB-Designsoftware den Trick tun wird. Wenn Sie auf ein einfach zu bedienendes PCB-Layout-Tool zugreifen müssen, das alles enthält, was benötigt wird, um hochwertige, herstellbare Leiterplatten zu bauen, suchen Sie nicht weiter als CircuitMaker. Zusätzlich zu einfach zu bedienender PCB-Designsoftware haben alle CircuitMaker-Nutzer Zugang zu einem persönlichen Arbeitsbereich auf der Altium 365 Plattform. Sie können Ihre Design-Daten in der Cloud hochladen und speichern, und Sie können Ihre Projekte über Ihren Webbrowser auf einer sicheren Plattform leicht einsehen.

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