انواع اپتوکوپلر و کاربردهای آنها در مدارهای AC و DC

اپتوکوپلر یک قطعه‌ی الکترونیکی است و کار آن انتقال سیگنال‌های الکتریکی بین دو مداری است که از هم ایزوله شده‌اند. این قطعه را با نام‌های اپتو-ایزولاتور، فوتوکوپلر و ایزولاتور اپتیکی (نوری) نیز می‌شناسند.

معمولا در مدارها، مخصوصا در آنهایی که از ولتاژهای پایین استفاده می‌کنند یا حساسیت بسیار بالایی به نویز دارند، از اپتوکوپلر استفاده می‌شود تا آنها را از هم ایزوله کنند و احتمال تاثیرگذاری‌شان بر یک‌دیگر و ایجاد اختلال در عملکردهایشان را خنثی کنند. با این ایزولاسیون از طرفی سیگنال‌های ناخواسته‌ی آنها بر همدیگر حذف می‌شود، و از طرفی امکان تبادل سیگنال‌های ضروری نیز فراهم است.

در بازارهای فعلی می‌توان به اپتوکوپلرهایی با ظرفیت ولتاژ 10kV به 20kV از ورودی به خروجی و سرعت انتقال ولتاژ 25kV/uS دسترسی داشت.

ساختار داخلی اپتوکوپلر

عکس فوق ساختار داخلی اپتوکوپلر را به خوبی نشان می‌دهد. پایه‌های 1 و 2 که در سمت چپ قرار دارند، در داخل به یک LED متصل هستند. این LED امواج مادون قرمز نوری را به ترانزیستور حساس به نوری که در سمت راست قرار دارد ارسال می‌کند. همان‌طور که می‌بینیم کلکتور و امیتر این ترانزیستور ( درست مانند یک ترانزیستور BjT معمولی) به پایه‌های 4 و 3 متصل هستند و به همین علت این ترانزیستور می‌تواند خروجی اپتوکوپلر را تغییر دهد. این تغییر براساس شدت نوری است که LED با توجه به پایه‌های ورودی و سیگنال متصل به آنها  منتشر می‌کند. از روی همین شکل می‌توان فهمید که یک اپتوکوپلر چگونه می‌تواند بین دو مدار بدون آنکه به هم متصل باشند، تبادل سیگنال ایجاد کند. کافی است مدار اول به پایه‌های 1 و 2 متصل باشند و مدار دوم به پایه‌های 3 و4. مدار دوم به راحتی سیگنال‌های لازم را از مدار اول دریافت خواهد کرد. حتی در داخل خود اپتوکوپلر هم هیچ اتصالی بین LED و ترانزیستور حساس به نور وجود ندارد و فاصله‌ی کافی در بین آنها  لحاظ شده است. این فاصله معمولا با موادی نارسانا مانند شیشه، هوا یا پلاستیک‌های شفاف پر می‌شود. در این حالت حتی تا 10kV یا بیشتر هم بین دو مدار ایزولاسیون ایجاد می‌شود.

انواع اپتوکوپلرها

انواع مختلفی از اپتوکوپلرها متناسب با نیازها و کاربردهای مختلف و قدرت سوییچینگی که دارند، در بازار وجود دارد. براساس کاربردها، می‌توان این انواع مختلف را در چهار گروه دسته‌بندی کرد.

1. اپتوکوپلرهایی که از فوتو ترانزیستورها استفاده می‌کنند.
2. اپتوکوپلرهایی که از ترانزیستورهای فوتودار لینگتون استفاده می‌کنند.
3. اپتوکوپلرهایی که از فوتو تریک (photo TRIAK)ها استفاده می‌کنند.
4. اپتوکوپلرهایی که از فوتو SCRها استفاده می‌کنند.

اپتوکوپلر با فوتو ترانزیستور

تصاویر فوق ساختار داخلی اپتوکوپلری را نشان می‌دهند که در آن از فوتو ترانزیستور استفاده شده است. ترانزیستور استفاده شده می‌تواند از نوع NPN یا PNP باشد.

همان‌طور که در تصویر می‌بینید، خود این نوع ترانزیستورها می‌توانند بسته به تعداد پین‌های خروجی‌ای که دارند، دو دسته باشند. در اپتوکوپلری که در سمت راست تصویر قرار دارد، یک پین اضافه در سمت خروجی داریم که با شماره‌ی 6 مشخص شده است و در داخل به پایه‌ی base ترانزیستور متصل است. کاربرد این پایه در کنترل میزان حساست فوتو ترانزیستور است. معمولا آن را به ولتاژ زمین یا یک ولتاژ منفی وصل می‌کنند تا سیگنال‌های حالت گذار مدارها و یا نویزها به خوبی قابل کنترل باشند.

نکته‌ی مهمی که در استفاده از این نوع اپتوکوپلرها وجود دارد این است که پیش از استفاده از آنها، ماکسیسم ریت (rate) ترانزیستور را بدانیم.

تعدادی از اپتوکوپلرهای پراستفاده در این گروه شامل مواردی چون PC816 ،PC817 ،LTV817 ،K847PH است.

از این نوع اپتوکوپلرها معمولا در ایزولاسیون مدارهای DC استفاده می‌شود.

اپتوکوپلر با فوتو دارلینگتون ترانزیستور

در تصویر فوق دو گونه نمایش از ساختار داخلی این نوع اپتوکوپلرها را می‌بینید. ترانزیستور دارلینگتون در حقیقت یک جفت ترانزیستور است که پایه‌ی base یکی توسط دیگری کنترل می‌شود. این آرایش موجب بالا رفتن بهره می‌شود. اصل عملکرد اپتوکوپلر در اینجا نیز مانند حالت معمول است و استفاده از آرایش دارلینگتون تاثیری بر روند آن ندارد. یعنی LED امواج مادون قرمز نوری منتشر کرده و از این طریق امواج خود را به ترانزیستور منتقل می‌کند.

از این گونه هم معمولا در ایزولاسیون مدارهای DC استفاده می‌شود. در اینجا هم پین شماره‌ی 6 –در صورت وجود– به base ترانزیستور اول از جفت ترانزیستور دارلینگتون متصل است و به منظور کنترل ترانزیستورها استفاده می‌شود. چند نمونه از اپتوکوپلرهای معروف در این گروه مواردی چون 4N32 ،4N33 ،H21B1 ،H21B2 ،H21B3 هستند.

اپتوکوپلر با photo-TRIAC

تصویر ساختار داخلی این اپتوکوپلرها را نیز در عکس بالا می‌بینیم.

معمولا از TRIAC در مواردی استفاده می‌شود که کنترل AC یا سوییچینگ داریم. در واقع LED با جریان DC کنترل می‌شود و از تریاک برای کنترل مدار AC استفاده می‌‌شود. در این حالت هم ایزولاسیون ایجاد شده بین دو مدار بسیار بالاست و ضریب خطای بسیار کمی دارد. این اپتوکوپلرها یکی از کاربردهای مهم TRIACها محسوب می‌شوند.

 از نمونه‌ اپتوکوپلرهایی که در این گروه جای دارند می‌توان areIL420 و 4N35 را نام برد.

اپتوکوپلر با فوتو SCR

SCR خلاصه‌شده‌ی عبارت Silicon controlled rectifier است. معمولا از SCRها به عنوان تریستور (Thyristor) هم یاد می‌شود. در تصویر بالا ساختار داخلی اپتوکوپلری را می‌بینیم که در آن از SCR استفاده شده است. در این گروه هم مانند سه گروه قبلی LED موجود در سمت چپ، امواج مادون قرمز تولید می‌کند و SCR در سمت راست آنها را دریافت کرده و متناسب با شدت امواج کنترل می‌شود.

از این نوع اپتوکوپلرها هم در مدارهای AC استفاده می‌شود. به عنوان مثال‌هایی از آن می‌توان  MOC3071 ،IL400 ،MOC3072 را نام برد.

کاربردهای اپتوکوپلر

همان‌طور که در بخش‌های قبلی هم اشاره کردیم، برخی از اپتوکوپلرها در مدارهای DC و برخی از آنها  در مدارهای AC استفاده می‌شوند. از آن‌جایی که اپتوکوپلرها اتصال مستقیم بین مدارهایی که در دو طرف‌شان قرار می‌گیرند را قطع می‌کنند، می‌توان گفت که اصلی‌ترین کاربرد آنها ایزولاسیون است.

در کاربردهای سوییچینگ هم درست مانند ترانزیستورها، هر جایی که ترانزیستورها برای کاربردهای سوییچینگ استفاده داشته باشند، می‌توان از اپتوکوپلرها نیز استفاده نمود. مثلا در بسیاری از کاربردهای مرتبط با میکروکنترلرها که در آنها  اطلاعات آنالوگ یا پالس‌های دیجیتال از یک منبع ولتاژ بالا دریافت می‌شود، از اپتوکوپلرها استفاده می‌کنند که بین این مدار لتاژ بالا و مدار اصلی ایزولاسیون ایجاد کنند.

در ادامه تعدادی از این کاربردها را با هم بررسی می‌کنیم.

استفاده از اپتوکوپلر در مدار سوییچینگ DC

در مداری که در تصویر فوق داریم، اپتوکوپلری را می‌بینیم که در آن از فوتو ترانزیستور استفاده شده است و درست مانند یک سوییچ معمولی عمل می‌کند. این اپتوکوپلر همانطور که در شماتیک هم درج شده است، از نوع ارزان قیمت PC817 است.

LED مادون قرمز آن با سوییچ S1 در مدار سمت چپ کنترل می‌شود. با وصل شدن S1، باتری 9 ولتی موجود در این مدار، با واسطه‌ی مقاومت محدود‌کننده‌ی جریان R1، به LED جریان می‌فرستد. در حقیقت شدت جریان ارسال شده به LED، با مقدار مقاومت R1 کنترل می‌شود. اگر مقدار آن را کمتر انتخاب کنیم، جریان بیشتری روانه‌ی LED می‌شود و در نتیجه شدت امواج تولیدی آن نیز بیشتر خواهد شد.

از طرفی، ترانزیستور اپتوکوپلر هم یک فوتو ترانزیستور است و با امواج مادون قرمز ساطع شده از LED کنترل می‌شود. زمانی‌که LED امواج خود را منتشر می‌کند، فوتو ترانزیستور تحت تاثیر این امواج متصل شده و امیتر به زمین متصل می‌شود. در نتیجه Vout برابر با 0 شده و تاثیر ولتاژ بار بر روی خروجی از بین می‌رود.

هم‌چنین با توجه به دیتاشیت این اپتوکوپلر، جریان کلکتور 50mA است که در نتیجه مقاومت پول آپ R2 در موارد زمین نبودن Vout آن را به ولتاژ 5V متصل می‌کند.

می‌توانید عملکرد سوییچینگ LED با استفاده از اپتوکوپلر را در ویدئوی زیر ببینید.

این اپتوکوپلر را با همین آرایش می‌توان با میکروکنترلرها برای تشخیص پالس و وقفه نیز استفاده کرد.

استفاده از اپتوکوپلر در تشخیص ولتاژ AC

مداری که در اینجا داریم، مدار تشخیص ولتاژ AC است. LED مادون قرمز با دو مقاومت 100K کنترل می‌شود. ممکن است بپرسید چرا به جای دو مقاومت 100K از یک مقاومت 200K استفاده نمی‌شود؟ دلیل این امر ایجاد امنیت بیشتر برای مدار در شرایط اتصال کوتاه است. زمانی‌که کلید S1 فشار داده می‌شود، LED شروع به ساطع کردن امواج مادون قرمز می‌کند، در نتیجه ترانزیستور هم واکنش نشان داده و ولتاژ خروجی را از 5V به 0 می‌رساند.

در این آرایش مداری، اپتوکوپلر را می‌توان به مدار ولتاژ پایینی که نیاز به تشخیص ولتاژ AC دارد، مثلا میکروکنترلر، متصل کرد. خروجی Vout به صورت پالس‌های مربعی از ولتاژ بالا به ولتاژ پایین خواهد بود.

بسیار خب مثال‌هایی که تا اینجا داشتیم؛ یک مدار که گفتیم در کنترل و سوییچینگ مدارهای DC کاربرد دارد (مدار اول) و یک مدار هم برای تشخیص AC و کنترل و سوییچینگ DC استفاده می‌شود (مدار دوم). در مثال سوم مداری را بررسی می‌کنیم که در آن بتوانیم یک مدار AC را با یک مدار DC کنترل کنیم.

استفاده از اپتوکوپلر برای کنترل مدار AC با استفاده از مدار DC

در مدار فوق، مجددا LED مادون قرمز را می‌بینیم که توسط یک باتری 9 ولتی، یک مقاومت 10K و یک کلید کنترل می‌شود. در سمت دیگر اپتوکوپلر، از یک photo-TRIAC استفاده شده است. این TRIAC قرار است یک لامپ AC را که به منبع 220  ولت AC متصل است، کنترل کند. همچنین از مقاومت 68R استفاده شده است تا BT136 TRIAC که خود متصل به photo-TRIAC داخل اپتوکوپلر است، کنترل شود.

از این آرایش مداری در دستگاه‌های الکترونیکی‌ای استفاده می‌شود که مدارهای ولتاژ پایین دارند.

همان‌طور که در تصویر نیز مشخص است، اپتوکوپلری که در این حالت استفاده شده است IL420 می‌باشد که یک اپتوکوپلر مبتنی بر photo-TRIAC است.

در انتها بد نیست این نکته را هم اضافه کنیم که از اپتوکوپلرها در منبع تغذیه سوییچینگ (SMPS) نیز استفاده می‌شود تا اطلاعات مربوط به اضافه بار یا اتصال کوتاه در مدار دوم را به مدار اول برساند.

• منبع: ترجمه از سایت circuitdigest.com

اگر آموزش انواع اپتوکوپلر و کاربردهای آنها در مدارهای AC و DC براتون مفید واقع شده ما را نیز دعا کنید و اگر خواستین می‌توانید از محتوا‌ی رایگان آموزشی حمایت مالی کنید. همچنین نظرات، پیشنهادات و درخواست‌های خود را در کامنت‌ها ⇓ بنویسید.

اگر این نوشته‌ برایتان مفید بود لطفا کامنت بنویسید.