اطلاعات اپتوکوپلرها - Optocouplers

معرفی اپتوکوپلرها opto-isolators

اپتوکوپلرها قطعات الکترونیکی هستند که از امواج نور برای ایجاد ایزوله الکتریکی در حین انتقال سیگنال الکتریکی استفاده می کنند. آنها گاهی اوقات به عنوان اپتوکوپلر، فوتوکوپلرها یا جدا کننده های نوری شناخته می شوند.

مبانی اپتوکوپلر

ساخت و ساز

همه اپتوکوپلرها از دو عنصر تشکیل شده اند: یک منبع نور - تقریباً همیشه یک دیود ساطع کننده نور (LED) - و یک حسگر نوری - معمولاً یک مقاومت نوری، فوتودیود، ترانزیستور نوری، یکسو کننده کنترل شده با سیلیکون (SCR) یا ترایاک traiac . هر دو تصویر اپتوکوپلرهای CMOS از این عناصر توسط یک مانع دی الکتریک (غیر رسانا) از هم جدا می شوند. هنگامی که جریان ورودی به LED اعمال می شود، روشن می شود و نور مادون قرمز ساطع می کند. سپس حسگر نوری این نور را تشخیص می دهد و اجازه می دهد تا جریان از سمت خروجی مدار عبور کند. برعکس، هنگامی که LED خاموش است، جریانی از حسگر نوری عبور نمی کند. با این روش، دو جریان عبوری از نظر الکتریکی جدا می شوند.

تصویر زیر عملکرد اصلی یک اپتوکوپلر را توضیح می دهد. در تصویر خاکستری سمت چپ، جریان از طریق پین 1 اعمال نمی‌شود، LED خاموش است و مدار متصل به پایه‌های 4 و 5 هیچ جریانی را تجربه نمی‌کند. هنگامی که برق به مدار ورودی اعمال می شود، LED روشن می شود، سنسور نور را تشخیص می دهد، سوئیچ را می بندد و جریان را در مدار خروجی آغاز می کند، همانطور که در تصویر سمت راست نشان داده شده است.

به عنوان دستگاه های نیمه هادی، کوپلرهای نوری ممکن است به عنوان یکی از چندین فاکتور شکل مختلف تولید شوند.

دستگاه های نصب سطحی (SMT) در بالای برد مدار چاپی (PCB) با استفاده از سیم های کوتاه یا پایانه های تخت نصب می شوند. این محصولات معمولاً کوچک، سبک وزن هستند و امکان مونتاژ خودکار سریع و ارزان را فراهم می کنند.
دستگاه‌های سوراخ‌دار (THT) دارای سرنخ‌های بلندی هستند که از طریق سوراخ‌های روی PCB رزوه می‌شوند و به طرف دیگر لحیم می‌شوند. در حالی که THT به دلیل نیاز اولی به قطعات بزرگ و مونتاژ کار فشرده به آرامی توسط تولید SMT جایگزین می شود، دستگاه های سوراخ دار همچنان قادر به اتصال مکانیکی قوی هستند.
قطعات سرب دار با استفاده از سرب های بلند به PCB ها متصل می شوند.
 

(از چپ به راست) یک بسته THT (DIP)، بسته SMT و بسته سرب دار (TO-78).

اعتبار تصویر: Solarbotics | RoboticLab | دیجی کی

کاربردها

اپتوکوپلرها را می توان برای تعدادی استفاده و کاربردهای مختلف استفاده کرد، از جمله:

• سوئیچینگ ورودی و خروجی، به ویژه در محیط های پر سر و صدا
• منابع تغذیه حالت سوئیچجداسازی سیگنال
• کنترل قدرت
• ارتباطات رایانه شخصی / مودم
• کنترل ترانزیستورها و ترایاک ها TRIACS
   

در حالی که اکثریت قریب به اتفاق کوپلرهای نوری کنترل مدار روشن و خاموش نسبتاً ساده ای را انجام می دهند، پیشرفت های اخیر به دستگاه های "هوشمند" بیشتری اجازه داده است تا سیگنال های رمزگذاری شده را با تغییر روشنایی منبع نور منتقل کنند.

اپتوکوپلرها شبیه رله ها و ترانسفورماتورهای ایزوله هستند و اغلب عملکردهای مرتبطی را انجام می دهند، اما چندین تفاوت و مزیت متمایز دارند. کوپلرهای نوری معمولا:

کوچکتر و سبکتر از رله هستند
قابلیت تعویض بسیار سریعتر
برای فعال سازی به جریان سوئیچینگ بسیار کمتری نیاز است
به دلیل ساختار جامد خود، به خصوص در مقایسه با رله های الکترومکانیکی، حداقل خستگی را ارائه می دهند
به دلایل ذکر شده در بالا، کوپلرهای نوری در دستگاه های دیجیتال یا میکروالکترونیکی که نیاز به سوئیچینگ سریع دارند و از انتقال ولتاژ پایین استفاده می کنند بسیار رایج هستند.

ویدئوی زیر ساختار اولیه اپتوکوپلرها، کاربردهای اولیه آنها و شباهت آنها به رله را توضیح می دهد.

اعتبار ویدئو: myvideoisonutube / CC BY-SA 4.0

انواع اپتوکوپلر

انواع Optocoupler بر اساس نوع آشکارساز مورد استفاده تعیین می شوند که در زیر توضیح داده شده است. انواع خاصی ویژگی های متفاوتی دارند و بنابراین برای کاربردهای خاص مناسب ترند. کوپلرهای نوری اغلب با "نوع خروجی" نامیده می شوند. به عنوان مثال، یک دستگاه فوتوترانزیستور ممکن است یک اپتوکوپلر "با خروجی ترانزیستور نوری" نامیده شود.

فوتوسل

اپتوکوپلرهای فتوسل که به عنوان جداکننده های اپتو مقاومتی نیز شناخته می شوند، اولین طراحی اپتوکوپلر را نشان می دهند. آنها از یک لامپ رشته ای، لامپ نئون یا LED به عنوان منبع نور خود و از مقاومت نوری سولفید کادمیوم (CS) یا سلنید کادمیوم (CSe) به عنوان آشکارساز استفاده می کنند. فتوسل ها به دلیل سوئیچینگ بسیار آهسته (از 5 تا 200 میلی ثانیه) تا حد زیادی منسوخ شده اند و در دوران اوج خود در شبکه های تلفن، دستگاه های فتوکپی و برنامه های اتوماسیون صنعتی استفاده می شدند. با این حال، آنها در بین کوپلرهای نوری منحصر به فرد هستند زیرا آنها غیر قطبی هستند و بنابراین برای عملیات AC و DC مناسب هستند. کوپلرهای نوری فتوسل هنوز در مقادیر کم برای استفاده به عنوان کنترل کننده های بهره ارزان یا کمپرسور در محصولات خاص مانند تقویت کننده های گیتار و آلات موسیقی الکترونیک تولید می شوند. اپتو ایزولاتورهای LED مقاومتی گاهی اوقات به عنوان Vactrols شناخته می شوند.

فتودیود

کوپلرهای نوری فوتودیود از LED به عنوان منبع نور و فتودیود به عنوان آشکارساز استفاده می کنند. آنها قادر به سوئیچینگ بسیار سریع هستند، 

نسبت انتقال جریان آنها - نسبت بین جریان خروجی و جریان ورودی که باعث آن شده است - معمولاً بسیار پایین است و اغلب کمتر از 1٪ است. کوپلرهای نوری فوتودیود را می توان با درایورهای LED یکپارچه و تقویت کننده های بافر برای دستیابی به سوئیچینگ بسیار سریع که تاخیر در خروجی LED را جبران می کند، تجهیز کرد. این دستگاه ها به عنوان کوپلرهای منطقی کامل شناخته می شوند.

فوتوترانزیستور

مانند دستگاه های فوتودیود، اپتوکوپلرهای ترانزیستور نوری دارای منابع نور LED هستند. مدارهای خروجی آنها توسط یک فوتوترانزیستور دوقطبی یا یک فوتوترانزیستور دارلینگتون کنترل می شود. هر دو نوع فوتو ترانزیستور فقط در یک جهت می توانند هدایت شوند، که آنها را فقط برای استفاده DC و همچنین در کنترلرها و کاربردهای انتقال سیگنال مناسب می کند. اپتوکوپلرهای ترانزیستوری کندتر از انواع فوتودیود هستند اما بسیار سریعتر از فتوسل ها هستند. بسته به بایاس هر دستگاه، دستگاه‌های ترانزیستوری می‌توانند طیف وسیعی از نسبت‌های انتقال جریان را داشته باشند و هر دو نوع برای افزایش جریان ورودی مناسب هستند. برای این منظور، اپتوکوپلرهای ترانزیستوری دوقطبی معمولاً می توانند تا 120 درصد جریان ورودی خود را خروجی دهند، در حالی که دستگاه های دارلینگتون قادر به خروجی تا 600 درصد هستند.

دو شکل زیر یک ترانزیستور نوری (سمت چپ) و یک ترانزیستور دارلینگتون (راست) را نشان می دهد. توجه داشته باشید که دستگاه دارلینگتون از دو ترانزیستور دوقطبی روی هم در پیکربندی دارلینگتون تشکیل شده است.

                           شماتیک فوتوترانزیستور شماتیک Photodarlington

اعتبار تصویر: Power Topics | ای بی

SCR و Triac

دو خروجی رایج اپتوکوپلر SCR و Triac هستند. هر دو نوع دارای نسبت انتقال جریان بالا هستند و معمولاً برای کنترل مدارهای AC با ولتاژ بالاتر استفاده می شوند.

دستگاه های SCR ایزوله شده از یک یکسو کننده کنترل شده با سیلیکون (SCR) به عنوان آشکارساز خود استفاده می کنند. این اپتوکوپلرها معمولاً به عنوان دستگاه های افزایش دهنده استفاده می شوند و دارای سرعت سوئیچینگ آهسته تا متوسط هستند.

دستگاه های تریاک ایزوله شده دارای خروجی تریاک (تریود برای جریان متناوب) هستند. تریاک ها از نظر ساخت شبیه به SCR ها هستند، اما در حالی که SCR ها فقط جریان جریان را در یک جهت می دهند، تریاک ها امکان جریان را در هر دو جهت می دهند. مانند SCR های اپتو ایزوله، اپتوکوپلرهای تریاک معمولاً دارای نسبت انتقال جریان بسیار بالایی هستند.

مشخصات و پارامترهای انتخاب

مشخصات ورودی/خروجی

اپتوکوپلرها اغلب با تنظیمات مدار ورودی و خروجی آنها مشخص می شوند. برای مثال، مشخصات ورودی شامل اطلاعات مربوط به منبع نور، مانند جریان رو به جلو، اتلاف توان یا طول موج LED است. مشخصات خروجی اغلب شامل اطلاعات مشابه در مورد آشکارساز دستگاه است. یکی از مشخصات مشترک هر دو مدار ولتاژ جداسازی است.

ولتاژ ایزوله گاهی اوقات به عنوان ولتاژ جداسازی ورودی به خروجی نامیده می شود و یکی از مهم ترین مشخصات اپتوکوپلر است. ولتاژ جداسازی حداکثر ولتاژی را نشان می‌دهد که می‌توان به مدارهای ورودی و خروجی اعمال کرد و در عین حال ایزوله الکتریکی را حفظ کرد.

نسبت Current-transfer انتقال-جریان

نسبت انتقال جریان یا CTR، رابطه بین جریان خروجی و جریان ورودی که باعث آن شده است را توصیف می کند. این مقدار حداقلی است که به صورت درصدی از جریان ورودی بیان می شود. مشخصات CTR معمولی حدود 10-50٪ است. این دستگاه ها مشابه ترانسفورماتورهای ایزوله کاهنده عمل می کنند. اپتوکوپلرهای طراحی شده برای افزایش جریان به مدار خروجی، اغلب آنهایی که خروجی photodarlington دارند، می توانند به 600٪ یا بیشتر برسند. نسبت انتقال جریان زمانی به حداکثر مقدار خود می رسد که منبع نور ورودی روشن ترین باشد. دانستن CTR دستگاه برای پیکربندی آن به منظور کنترل موثر جریان خروجی ضروری است.

استانداردها

اپتوکوپلرها ممکن است طوری طراحی و ساخته شوند که یک یا چند استاندارد را رعایت کنند. به طور خاص، خانواده استانداردهای SMD 5962 شامل طرح‌های مختلف محصول اپتوکوپلر می‌شود که مطابق با MIL PRF 38534 (مشخصات عمومی برای میکرو مدارها) است.

مرجع :

Electronics Tutorials - Optocoupler

Tronix Stuff - Introduction to the Optocoupler