Thiết kế PCB: Hướng dẫn về Optocoupler cho Bố cục PCB của bạn

Created: Tháng Mười 31, 2017
Updated: Tháng Mười 2, 2020

Circuitry

Bạn có phải là người ít nhất bấm nút báo thức hoãn giấc ngủ hai lần trước khi miễn cưỡng thức dậy từ giấc ngủ ngon lành của mình không? Vợ tôi khẳng định rằng tôi có lẽ giữ kỷ lục thế giới về việc bấm nút báo thức hoãn giấc ngủ vì tôi làm điều đó mà thậm chí không cần mở mắt. Nhưng có những lúc tiếng chuông báo thức lần thứ ba bí ẩn không vang lên và việc bắt đầu ngày mới đúng giờ trở thành một trận chiến thua cuộc.

Trong lĩnh vực điện tử, các hệ thống nhúng thường phụ thuộc vào mạch optocoupler để nhận tín hiệu đầu vào từ các cảm biến hoặc công tắc bên ngoài. Một cách nào đó, chúng giống như đồng hồ báo thức của vi điều khiển. Lý tưởng nhất, tất cả các tín hiệu được chuyển tiếp chính xác đến vi điều khiển. Tuy nhiên, khi biểu tượng của optocouplers không được triển khai đúng cách, vi điều khiển đôi khi có thể bỏ lỡ tín hiệu đầu vào hoặc phát hiện sai tín hiệu khi không có đầu vào nào được kích hoạt. Trong hướng dẫn thiết kế PCB optoisolator này, chúng ta sẽ thảo luận cách thiết lập một bố cục PCB optocoupler thành công. Nhưng trước tiên, hãy nhớ lại cách hoạt động của hướng dẫn thiết kế optocoupler trong hướng dẫn optocoupler này.

Hướng dẫn Optoisolator: Nguyên tắc cơ bản của một PCB Optocoupler

Optocoupler hay còn gọi là bộ cách ly quang điện là các linh kiện điện tử tách biệt tín hiệu đầu vào thông qua giao diện quang học. Dạng cơ bản nhất của optocoupler bao gồm một LED hồng ngoại và một phototransistor trong một mạch tích hợp đơn. LED hồng ngoại được bật khi dòng điện chạy qua và cường độ phụ thuộc vào biên độ của dòng điện. Phototransistor được kích hoạt bởi ánh sáng LED, điều này tạo ra một kết nối ngắn giữa cực thu (collector) và cực phát (emitter) của nó.

LED hồng ngoại và phototransistor thường được tách biệt bởi kính hoặc không khí. Điều này tạo ra sự cách ly điện của <10kV trên bố trí mạch in optocoupler. Kết quả là, mạch optocoupler là lựa chọn lý tưởng để cách ly các hệ thống nhúng khỏi sự nhiễu điện từ môi trường tín hiệu đầu vào.

Ngoài việc bảo vệ hệ thống nhúng khỏi nhiễu điện, optocoupler còn được sử dụng để tách biệt hệ thống điện áp thấp và điện áp cao. Ví dụ, photo-triac, một biến thể của optocoupler, có thể được sử dụng để điều khiển các thiết bị điện áp cao AC. Ví dụ, một động cơ AC. Điều này loại bỏ rủi ro của các lỗi mạch có thể gây hại cho vi điều khiển và các linh kiện đi kèm của thiết bị.

Single Phase Magnetic Induction Motor.
Một optocoupler có thể giảm nguy cơ hư hỏng do điện áp cao.

Hướng dẫn Optoisolator PCB: Những Sai Lầm Với Optocoupler

Optocoupler là một linh kiện thụ động đơn giản mà hầu hết các nhà thiết kế đều gặp phải. Việc khiến cho một PCB optocoupler hoạt động không phải là chuyện quá khó; tuy nhiên, có một vài sai lầm trong thiết kế làm mất đi mục đích sử dụng của nó hoặc gây ra tín hiệu đầu vào không ổn định.

1. Không Tách Biệt Các Kết Nối Đất PCB Optocoupler.

Trong bố cục PCB optocoupler cơ bản, mạch tích hợp (IC) bao gồm hai chân đất. Một được kết nối với LED hồng ngoại và cái kia được kết nối với phototransistor. Một sai lầm là kết nối cả hai đất lại với nhau khi định tuyến PCB. Trong kinh nghiệm kỹ thuật của tôi, tôi đã gặp phải điều này ngay cả trong các bộ điều khiển điện tử được sử dụng trong máy móc.

Lý do chính để sử dụng optocoupler là để tách biệt an toàn hai mạch. Khi đất ngoại vi được kết nối với PCB, bất kỳ nhiễu đất nào từ mạch có thể trực tiếp kết nối với mạch nhạy cảm trên bo mạch. Thay vào đó, hãy tạo một kết nối tín hiệu riêng biệt cho các chân đất ngoại vi và phân bổ các kết nối chuyên dụng cho dây đất đầu vào.

2. Sử Dụng Giá Trị Sai Cho Điện Trở Giới Hạn Dòng

Ngoài việc áp dụng điện áp đầu ra phù hợp, LED hồng ngoại của optocoupler cần có dòng điện đủ mạnh để hoạt động đúng cách. Giá trị của dòng điện tiến hành tối thiểu có thể được tham khảo từ biểu đồ Tỷ lệ Chuyển giao Dòng điện của optocoupler tương ứng. Nếu điện trở hạn chế dòng điện hoạt động ở giá trị tối thiểu của optocoupler, phototransistor có thể hoạt động không ổn định. Ví dụ, trong 10 tín hiệu đầu vào hợp lệ từ các công tắc, chỉ một phần của chúng được phát hiện.

Mặt khác, giá trị của điện trở hạn chế không nên quá thấp. Điều này nhằm ngăn chặn LED hồng ngoại bị hỏng. Giống như LED thông thường, LED hồng ngoại có dòng điện tiến hành tối đa không nên vượt quá. Điều này làm cho việc chọn điện trở hạn chế dòng điện đúng cách trở thành bước quan trọng trong việc đảm bảo hoạt động PCB optocoupler đáng tin cậy.

Image of purple light
Như tên gọi, cần đủ dòng điện để làm sáng LED hồng ngoại

3. Chọn Sai Optocoupler

Dù có vẻ chung chung, không phải tất cả optocoupler đều được tạo ra như nhau. Ví dụ, opto-triac được sử dụng để điều khiển tải AC và opto-Darlington lý tưởng cho các tình huống chỉ cần một lượng nhỏ dòng điện đầu vào được tạo ra. Một yếu tố khác cần xem xét là điện áp đột phá Collector-Emitter, có thể thay đổi đối với các mô hình optocoupler khác nhau.

Nhưng nếu bạn chỉ sử dụng hướng dẫn thiết kế optocoupler cho các bộ cách ly đầu vào thông thường, các mô hình như PC817 sẽ làm được việc. Bạn cũng sẽ mất ít thời gian hơn để tạo các footprint vì linh kiện điện tử optocoupler chung trong phần mềm thiết kế PCB của bạn sẽ làm được việc. Khi bạn cần truy cập vào công cụ thiết kế bố trí PCB dễ sử dụng bao gồm mọi thứ cần thiết để xây dựng các bảng mạch in chất lượng cao, có thể sản xuất được, không cần tìm đâu xa hơn CircuitMaker. Ngoài phần mềm thiết kế PCB dễ sử dụng, tất cả người dùng CircuitMaker đều có quyền truy cập vào không gian làm việc cá nhân trên nền tảng Altium 365. Bạn có thể tải lên và lưu trữ dữ liệu thiết kế của mình trên đám mây, và bạn có thể dễ dàng xem các dự án của mình qua trình duyệt web trên một nền tảng an toàn.

Bắt đầu sử dụng CircuitMaker ngay hôm nay và hãy chờ đón CircuitMaker Pro từ Altium mới.

Related Resources

Tài liệu kỹ thuật liên quan

Back to Home
Thank you, you are now subscribed to updates.