اپتوکوپلر (Optocoupler) چیست؟ — به زبان ساده

در آموزش‌های قبلی مجله فرادرس درباره ترانسفورماتورها دیدیم که این تجهیزات علاوه بر افزایش یا کاهش ولتاژ، یک ایزولاسیون الکتریکی بین ولتاژ سمت اولیه و سمت ثانویه ایجاد می‌کنند. به عبارت دیگر، ترانسفورماتورها با تزویج الکترومغناطیسی و گردش شار در هسته لایه‌ لایه آهنی خود یک ایزولاسیون یا جداسازی بین منبع ورودی و بار خروجی ایجاد می‌کنند. این ایزوله‌سازی بین ورودی و خروجی را می‌توان با استفاده از نور و قطعه الکترونیکی بسیار ارزشمندی به نام اپتوکوپلر (Optocoupler) نیز انجام داد. در این آموزش، درباره اپتوکوپلر بحث خواهیم کرد.

اپوتوکوپلر چیست؟

طراحی پایه یک اپتوکوپلر که اپتوایزولاتور (Opto-Isolator) نیز نامیده می‌شود، از یک LED که نور فروسرخ یا مادون قرمز تولید می‌کند و یک قطعه نیمه‌هادی حساس به نور که برای آشکارسازی نور فروسرخ به کار می‌رود تشکیل شده است.

فیلم آموزش الکترونیک صنعتی و مبدل ها در فرادرس

کلیک کنید

هر دو قطعه LED و قطعه حساس به نور در یک محفظه تاریک قرار داده شده‌اند و پایه‌های فلزی برای اتصال الکتریکی دارند.

یک اپتوکوپلر یا اپتوایزولاتور از یک فرستنده یا امیتر نوری، یک LED و یک گیرنده حساس به نور تشکیل شده است. گیرنده می‌تواند یک فتودیود، فتوترانزیستور،‌ مقاومت نوری یا فتورزیستور، SCR یا تریستور نوری (فتوتریستور) یا ترایاک نوری (فتوترایاک) باشد.

اپتوکوپلر فتوترانزیستوری

فتوترانزیستور شکل زیر را در نظر بگیرید. جریان سیگنال منبع از LED ورودی عبور می‌کند و سبب تولید نور فروسرخ در آن می‌شود که شدت آن متناسب با سیگنال الکتریکی است. این نور منتشر شده به بیس فتوترانزیستور می‌رسد و باعث روشن شدن آن می‌شود. در نتیجه، فتوترانزیستور مانند یک ترانزیستور دو قطبی عادی کار خواهد کرد.

بیس فتوترانزیستور می‌تواند باز (بدون اتصال) باشد تا حساسیت به انرژی نور فروسرخ LED حداکثر شود. همچنین می‌توان پایه بیس را از طریق یک مقاومت بزرگ زمین کرد و حساسیت سوئیچینگ را کنترل نمود و آن را نسبت به نویزهای الکتریکی خارجی و تغییرات ناگهانی ولتاژ آن پایدارتر و مقاوم‌تر کرد.

وقتی جریان گذرنده از LED قطع شود، انتشار نور فروسرخ نیز متوقف شده و فتوترانزیستور از هدایت باز می‌ایستد. از فتوترانزیستور می‌توان برای سوئیچ کردن جریان در مدار خروجی استفاده کرد. پاسخ طیفی LED و قطعه حساس به نور تطابق زیادی با هم دارند و از طریق یک حائل شفاف مانند شیشه، پلاستیک یا هوا از یکدیگر جدا شده‌اند. از آن‌جایی که اتصال الکتریکی مستقیمی بین ورودی و خروجی یک اپتوکوپلر وجود ندارد، تا حدود $$ 10\, \text {kV}$$ ایزولاسیون الکتریکی وجود دارد.

اپتوکوپلرها در چهار نوع مختلف در دسترس هستند که هر کدام یک منبع LED فروسرخ دارند، اما قطعه حساس به نور آن‌ها با هم متفاوت است. این چهار اپتوکوپلر عبارتند از:

• فتوتراتزیستوری (Photo-Transistor)
• فتودارلینگتونی (Photo-Darlington)
• فوتوتریستوری (Photo-SCR)
• فتوترایاکی (Photo-Triac)

چهار اپتوکوپلر مذکور در شکل زیر نشان داده شده‌اند.

فتوترانزیستور و فتودارلینگتون اغلب در مدارهای DC به کار می‌روند، در حالی که فتوتریستور و فتوترایاک در مدارهای AC مورد استفاده قرار می‌گیرند. البته انواع ترکیب‌های منبع-سنسور دیگری مانند ال‌ای‌دی-فتودیود، ال‌ای‌دی-لیزر، لامپ-فتورزیستور نیز وجود دارند.

اپتوکوپلرهای ساده را می‌توان با استفاده از قطعات مجزا ساخت. برای این کار باید یک LED و یک فتوترانزیستور را مطابق شکل زیر در یک لوله پلاستیکی محکم یا روکش حرارتی (شرینگ) قرار دهیم. مزیت این اپتوکوپلر دست‌ساز این است که می‌توان لوله را با هر طول دلخواهی برید و حتی آن را خم کرد. واضح است که لوله با سطح داخلی انعکاسی، نسبت به لوله‌ای با درون تاریک بازدهی بیشتری دارد.

کاربرد اپتوکوپلر

اپتوکوپلرها برای سوئیچ کردن قطعات الکترونیکی بزرگتر مانند ترانزیستورها و ترایاک‌ها در جداسازی بین سیگنال کنترل ولتاژ پایین (مانند آردوینو (Arduino) یا میروکنترلر) و سیگنال خروجی جریان اصلی با ولتاژ بالا مورد استفاده قرار می‌گیرند.

فیلم آموزش الکترونیک قدرت – شبیه سازی در متلب و سیمولینک در فرادرس

کلیک کنید

از کاربردهای مشترک اپتوکوپلرها می‌توان به سوئیچینگ ورودی/خروجی میکروپروسسورها، کنترل توان DC و AC، ارتباطات کامپیوتری، ایزوله‌سازی سیگنال و تنظیم منبع توان که مشکل حلقه‌های جریان زمین دارند اشاره کرد. سیگنال الکتریکی که فرستاده می‌شود می‌تواند آنالوگ (خطی) یا دیجیتال (پالسی) باشد.

اپتوکوپلر برای آشکارسازی عملکرد سوئیچ یا نوع دیگری از سیگنال ورودی دیجیتال به کار می‌رود. اگر سوئیچ یا سیگنالی که باید آشکارسازی شود در یک محیط نویزی الکتریکی باشد، ارزش اپتوکوپلر مشخص‌تر خواهد شد. خروجی اپتوکوپلر را می‌توان برای کار کردن یک مدار خارجی، نور یا یک کامپیوتر یا میکروپروسسور مورد استفاده قرار داد.

شکل زیر یک سوئیچ DC اپتوترانزیستوری را نشان می‌دهد.

در مدار شکل بالا، مقاومت خارجی $$270\, \mathrm{k\Omega}$$ برای کنترل حساسیت ناحیه بیس فتوترانزیستور به کار می‌رود. مقدار این مقاومت را می‌توان با توجه به قطعه فتوکوپلر انتخاب شده و مقدار حساسیت سوئیچینگ لازم تعیین کرد. خازن از هرگونه تغییرات و ضربه‌های ناخواسته ناشی از تریگر اشتباه بیس اپتوترانزیستور جلوگیری می‌کند.

مشابه آشکارسازی سیگنال‌ها و داده‌های DC، ایزولاتورهای اپتوترایاک نیز برای مدارهای AC وجود دارند. اپتوترایاک‌هایی مانند $$ \text {MOOC 3020}$$ ولتاژی در حدود $$400$$ ولت دارند که آن‌ها را گزینه‌ای ایده‌آل برای اتصال مستقیم و جریان حداکثر حدود $$100$$ میلی‌آمپر قرار داده است. در بارهایی با توان بزرگتر، اپتوترایاک برای پالس گیت یک ترایاک بزرگتر و همراه با یک مقاومت محدودکننده به کار می‌رود.

این نوع پیکربندی اپتوکوپلر اساس یک رله حالت جامد بسیار ساده را تشکیل می‌دهد که می‌توان از آن برای کنترل هر بار AC مانند لامپ یا موتور استفاده کرد. همچنین، برخلاف یک تریستور، ترایاک قابلیت هدایت هر دو نیم‌موج AC را با آشکارسازی عبور از صفر دارد که موجب می‌شود بار بتواند همه توان را بدون جریان هجومی در هنگام سوئیچینگِ بارهای القایی دریافت کند.

اپتوکوپلرها و اپتوایزولاتورها قطعات الکترونیکی بسیار مفیدی هستند که با استفاده از آن‌ها می‌توان پورت‌های خروجی یک PC، سوئیچ دیجیتال یا سیگنال داده ولتاژ پایین مانند یک گیت منطقی را کنترل کرد. مزیت اصلی اپتوکوپلرها ایزولاسیون الکتریکی بالای آن‌ها بین ترمینال‌های ورودی و خروجی است که موجب می‌شود بتوانیم با سیگنال‌های دیجیتال تقریباً کوچک، ولتاژها و جریان‌ها و توان‌های AC بزرگ را کنترل کنیم.

از یک اپتوکوپلر می‌توان برای سیگنال‌های DC و AC استفاده کرد. اپتوکوپلرهایی که در آن‌ها یک تریستور یا ترایاک به عنوان قطعه آشکارساز نوری استفاده شده است، برای کاربردهای کنترل توان AC به کار می‌روند. مزیت اصلی یک فتوتریستور و فتوترایاک ایزوله بودن کامل نسبت به هرگونه نویز یا ضربه ولتاژ در منبع توان AC و آشکارسازی عبور از صفر شکل موج سینوسی است که جریان‌های سوئیچینگ و هجومی را کاهش داده و از نیمه‌هادی‌های قدرت در برابر فشار و شوک گرمایی محافظت می‌کند.

اگر این مطلب برای شما مفید بوده است، آموزش‌های زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

• IGBT چیست؟ — به زبان ساده
• یکسوساز تمام موج — به زبان ساده
• دیود زنر — به زبان ساده

^^