اپتوکوپلرها که مدارها را با استفاده از سیگنال‌های نوری به عنوان واسطه به هم متصل می‌کنند، به دلیل تطبیق‌پذیری و قابلیت اطمینان بالا، مانند دوام و عایق بودن، عنصری فعال در حوزه‌هایی هستند که دقت بالا ضروری است، مانند آکوستیک، پزشکی و صنعت.
اما اپتوکوپلر چه زمانی و تحت چه شرایطی کار می‌کند و اصل کار آن چیست؟ یا وقتی واقعاً از فتوکوپلر در کار الکترونیکی خود استفاده می‌کنید، ممکن است ندانید چگونه آن را انتخاب و استفاده کنید. زیرا اپتوکوپلر اغلب با "فوتوترانزیستور" و "فوتودیود" اشتباه گرفته می‌شود. بنابراین، در این مقاله به معرفی فتوکوپلر خواهیم پرداخت.
فتوکوپلر چیست؟
اپتوکوپلر یک قطعه الکترونیکی است که ریشه لغوی آن نوری است.
کوپلر، که به معنی «کوپلینگ با نور» است. گاهی اوقات به عنوان اپتوکوپلر، ایزولاتور نوری، عایق نوری و غیره نیز شناخته می‌شود. این قطعه از یک عنصر ساطع کننده نور و یک عنصر گیرنده نور تشکیل شده است و مدار ورودی و مدار خروجی را از طریق سیگنال نوری به هم متصل می‌کند. هیچ اتصال الکتریکی بین این مدارها وجود ندارد، به عبارت دیگر، در حالت عایق قرار دارند. بنابراین، اتصال مدار بین ورودی و خروجی جداگانه است و فقط سیگنال منتقل می‌شود. مدارهایی با سطوح ولتاژ ورودی و خروجی متفاوت و عایق ولتاژ بالا بین ورودی و خروجی را به طور ایمن وصل کنید.
علاوه بر این، با ارسال یا مسدود کردن این سیگنال نوری، به عنوان یک سوئیچ عمل می‌کند. اصل و مکانیسم دقیق بعداً توضیح داده خواهد شد، اما عنصر ساطع کننده نور فتوکوپلر یک LED (دیود ساطع کننده نور) است.
از دهه ۱۹۶۰ تا ۱۹۷۰، زمانی که ال‌ای‌دی‌ها اختراع شدند و پیشرفت‌های تکنولوژیکی آنها قابل توجه بود،الکترونیک نوریرونق گرفت. در آن زمان، انواع مختلفدستگاه‌های نوریاختراع شدند و کوپلر فوتوالکتریک یکی از آنها بود. متعاقباً، اپتوالکترونیک به سرعت در زندگی ما نفوذ کرد.
۱. اصل/مکانیسم
اصل کار اپتوکوپلر این است که عنصر ساطع کننده نور، سیگنال الکتریکی ورودی را به نور تبدیل می‌کند و عنصر گیرنده نور، سیگنال الکتریکی برگشتی نور را به مدار جانبی خروجی منتقل می‌کند. عنصر ساطع کننده نور و عنصر گیرنده نور در داخل بلوک نور خارجی قرار دارند و این دو برای انتقال نور، روبروی یکدیگر قرار دارند.
نیمه‌رسانای مورد استفاده در عناصر ساطع‌کننده نور، LED (دیود ساطع‌کننده نور) است. از سوی دیگر، انواع مختلفی از نیمه‌رساناها در دستگاه‌های گیرنده نور استفاده می‌شوند که به محیط استفاده، اندازه خارجی، قیمت و غیره بستگی دارند، اما به طور کلی، رایج‌ترین آنها فوتوترانزیستور است.
وقتی فوتوترانزیستورها کار نمی‌کنند، جریان کمی نسبت به نیمه‌رساناهای معمولی از خود عبور می‌دهند. وقتی نور به آنها برخورد می‌کند، فوتوترانزیستور یک نیروی فوتوالکتروموتوری روی سطح نیمه‌رساناهای نوع P و N ایجاد می‌کند، حفره‌های نیمه‌رساناهای نوع N به ناحیه p و نیمه‌رساناهای الکترون آزاد در ناحیه p به ناحیه n جریان می‌یابند و جریان برقرار می‌شود.
فتوترانزیستورها به اندازه فتودیودها حساس نیستند، اما آنها نیز اثر تقویت سیگنال خروجی را صدها تا ۱۰۰۰ برابر سیگنال ورودی (به دلیل میدان الکتریکی داخلی) دارند. بنابراین، آنها به اندازه کافی حساس هستند که حتی سیگنال‌های ضعیف را نیز تشخیص دهند، که این یک مزیت است.
در واقع، «مسدودکننده نوری» که می‌بینیم، یک دستگاه الکترونیکی با همان اصل و مکانیسم است.
با این حال، قطع کننده‌های نور معمولاً به عنوان حسگر استفاده می‌شوند و با عبور یک جسم مسدود کننده نور بین عنصر ساطع کننده نور و عنصر گیرنده نور، نقش خود را ایفا می‌کنند. به عنوان مثال، می‌توان از آن برای تشخیص سکه و اسکناس در دستگاه‌های فروش خودکار و خودپردازها استفاده کرد.
② ویژگی‌ها
از آنجایی که اپتوکوپلر سیگنال‌ها را از طریق نور منتقل می‌کند، عایق‌بندی بین سمت ورودی و سمت خروجی یک ویژگی اصلی است. عایق‌بندی بالا به راحتی تحت تأثیر نویز قرار نمی‌گیرد، بلکه از جریان تصادفی بین مدارهای مجاور نیز جلوگیری می‌کند که از نظر ایمنی بسیار مؤثر است. و خود ساختار نسبتاً ساده و معقول است.
با توجه به سابقه طولانی آن، طیف وسیعی از محصولات تولیدکنندگان مختلف نیز از مزایای منحصر به فرد اپتوکوپلرها است. از آنجا که هیچ تماس فیزیکی وجود ندارد، سایش بین قطعات کم و طول عمر آنها بیشتر است. از سوی دیگر، ویژگی‌هایی نیز وجود دارد که باعث می‌شود بازده نوری به راحتی نوسان کند، زیرا LED با گذشت زمان و تغییرات دما به آرامی خراب می‌شود.
مخصوصاً وقتی که اجزای داخلی پلاستیک شفاف برای مدت طولانی کدر شوند، نمی‌توانند نور خیلی خوبی داشته باشند. با این حال، در هر صورت، عمر آنها در مقایسه با تماس تماسی مکانیکی خیلی طولانی است.
ترانزیستورهای نوری عموماً کندتر از دیودهای نوری هستند، بنابراین برای ارتباطات پرسرعت استفاده نمی‌شوند. با این حال، این یک عیب محسوب نمی‌شود، زیرا برخی از قطعات دارای مدارهای تقویت‌کننده در سمت خروجی برای افزایش سرعت هستند. در واقع، همه مدارهای الکترونیکی نیازی به افزایش سرعت ندارند.
③ طریقه استفاده
کوپلرهای فوتوالکتریکعمدتاً برای عملیات سوئیچینگ استفاده می‌شوند. مدار با روشن کردن سوئیچ تغذیه می‌شود، اما از نظر ویژگی‌های فوق، به ویژه عایق‌بندی و عمر طولانی، برای سناریوهایی که نیاز به قابلیت اطمینان بالا دارند، بسیار مناسب است. به عنوان مثال، نویز دشمن الکترونیک پزشکی و تجهیزات صوتی/تجهیزات ارتباطی است.
همچنین در سیستم‌های درایو موتور استفاده می‌شود. دلیل وجود موتور این است که سرعت آن هنگام راه‌اندازی توسط اینورتر کنترل می‌شود، اما به دلیل خروجی بالا نویز ایجاد می‌کند. این نویز نه تنها باعث خرابی خود موتور می‌شود، بلکه از طریق "زمین" نیز جریان می‌یابد و بر لوازم جانبی تأثیر می‌گذارد. به طور خاص، تجهیزاتی با سیم‌کشی طولانی به راحتی این نویز خروجی بالا را دریافت می‌کنند، بنابراین اگر در کارخانه اتفاق بیفتد، باعث تلفات زیاد و گاهی اوقات حوادث جدی می‌شود. با استفاده از اپتوکوپلرهای عایق‌بندی شده برای سوئیچینگ، می‌توان تأثیر آن بر مدارها و دستگاه‌های دیگر را به حداقل رساند.
دوم، نحوه انتخاب و استفاده از اپتوکوپلرها
چگونه از اپتوکوپلر مناسب برای کاربرد در طراحی محصول استفاده کنیم؟ مهندسان توسعه میکروکنترلر در ادامه نحوه انتخاب و استفاده از اپتوکوپلرها را توضیح خواهند داد.
۱. همیشه باز و همیشه بسته
دو نوع فتوکوپلر وجود دارد: نوعی که در آن سوئیچ وقتی ولتاژ اعمال نمی‌شود خاموش (off) می‌شود، نوعی که در آن وقتی ولتاژ اعمال می‌شود روشن (off) می‌شود، و نوعی که در آن سوئیچ وقتی ولتاژی وجود ندارد روشن می‌شود. اعمال کنید و وقتی ولتاژ اعمال می‌شود خاموش شوید.
اولی را معمولاً باز و دومی را معمولاً بسته می‌نامند. نحوه انتخاب، اولاً به نوع مداری که نیاز دارید بستگی دارد.
② جریان خروجی و ولتاژ اعمال شده را بررسی کنید
فتوکوپلرها خاصیت تقویت سیگنال را دارند، اما همیشه ولتاژ و جریان را به دلخواه از خود عبور نمی‌دهند. البته مقدار آن نامی است، اما لازم است ولتاژی از سمت ورودی با توجه به جریان خروجی مورد نظر اعمال شود.
اگر به برگه اطلاعات محصول نگاهی بیندازیم، می‌توانیم نموداری را ببینیم که در آن محور عمودی جریان خروجی (جریان کلکتور) و محور افقی ولتاژ ورودی (ولتاژ کلکتور-امیتر) است. جریان کلکتور با توجه به شدت نور LED تغییر می‌کند، بنابراین ولتاژ را با توجه به جریان خروجی مورد نظر اعمال کنید.
با این حال، ممکن است فکر کنید که جریان خروجی محاسبه شده در اینجا به طرز شگفت انگیزی کوچک است. این مقدار جریانی است که پس از در نظر گرفتن فرسودگی LED در طول زمان، هنوز هم می‌تواند به طور قابل اعتمادی خروجی داده شود، بنابراین کمتر از حداکثر مقدار مجاز است.
برعکس، مواردی وجود دارد که جریان خروجی زیاد نیست. بنابراین، هنگام انتخاب اپتوکوپلر، حتماً «جریان خروجی» را با دقت بررسی کنید و محصولی را انتخاب کنید که با آن مطابقت داشته باشد.
③ حداکثر جریان
حداکثر جریان هدایت، حداکثر مقدار جریانی است که اپتوکوپلر می‌تواند هنگام هدایت تحمل کند. باز هم، قبل از خرید باید مطمئن شویم که می‌دانیم پروژه به چه میزان خروجی نیاز دارد و ولتاژ ورودی چقدر است. مطمئن شوید که حداکثر مقدار و جریان مورد استفاده محدودیت نیستند، بلکه حاشیه‌ای وجود دارد.
④ فتوکوپلر را به درستی تنظیم کنید
پس از انتخاب اپتوکوپلر مناسب، بیایید از آن در یک پروژه واقعی استفاده کنیم. نصب آن آسان است، فقط ترمینال‌های متصل به هر مدار ورودی و مدار خروجی را وصل کنید. با این حال، باید مراقب باشید که سمت ورودی و سمت خروجی اشتباه قرار نگیرند. بنابراین، باید نمادهای موجود در جدول داده‌ها را نیز بررسی کنید تا پس از رسم برد PCB متوجه اشتباه بودن پایه کوپلر فوتوالکتریک نشوید.
زمان ارسال: ۲۹ ژوئیه ۲۰۲۳