اپتوکوپلر ( Optocoupler ) و انواع مدارهای کاربردی

بازگشت به آموزشگاه

مقدمه

اپتوکوپلرها در کنار دیودهای TVS یا ( ESD Protection Diode ) دو دسته بزرگ از قطعات الکترونیکی هستند که جهت محافظت از مدار در برابر ولتاژهای لحظه ای بالا ( شوک ها و جرقه های در حد کیلو ولت ) محافظت از آسیب های الکترواستاتیکی ناشی از تماس اجسام عایق یا فیلتر کردن نویزهای ناخواسته در محیط های نویزی استفاده می شود. همچنین اپتوکوپلر ها علاوه بر محافظت همانند ترانس ها میتوانند با ایجاد دو سمت اولیه و ثانویه موجب ایزوله سازی ( جداسازی ورودی از خروجی ) شوند. همچنین یکی دیگر از کاربردهای مهم اپتوکوپلر ها در راه اندازی ( درایو کردن ) بار های AC و DC بزرگ با جریان های بالا توسط میکروکنترلر می باشد. در این مقاله به بررسی عملی این دسته از قطعات الکترونیکی خواهیم پرداخت و انواع مدارهای مبتنی بر آن را ارائه خواهیم کرد.


اپتوکوپلر (Optocoupler) چیست ؟

اپتوکوپلر یا اپتوایزولاتور (Opto-Isolator) یکی از قطعات الکترونیکی است که از یک فرستنده و یک گیرنده نوری مهر و موم شده و کوپل شده درون یک محفظه تاریک تشکیل شده است که با استفاده از نور، سیگنال های الکتریکی را بین دو مدار مجزا انتقال می دهد. شکل زیر شماتیک مداری یک نوع اپتوکوپلر و دو نمونه آی سی اپتوکوپلر معروف را نشان می دهد.

همانطور که در شکل فوق مشاهده می کنید یک اپتوکوپلر از دو واحد مجزا ارسال / دریافت نور تشکیل شده است. فرستنده نوری می تواند نور فروسرخ یا مادون قرمز تولید کند و گیرنده نوری یک قطعه نیمه‌هادی حساس به نور است که برای آشکارسازی نور ارسال شده به کار می‌رود. گیرنده می‌تواند یک فتودیود، فتوترانزیستور،‌ مقاومت نوری یا فتورزیستور، SCR یا تریستور نوری (فتوتریستور) یا ترایاک نوری (فتوترایاک) باشد. شکل زیر برشی از یک آی سی اپتوکوپلری را نشان می دهد.

همانطور که در شکل فوق مشاهده می کنید بین فرستنده و گیرنده یک کانال نوری وجود دارد که از یک ماده رسانای نور به نام کانال دی الکتریک ( dielectrical channel ) تشکیل شده است که باعث هدایت نور ساطع شده از منبع به سمت گیرنده می شود. علت نامگذاری اپتوکوپلر نیز همین است چرا که در یک اپتوکوپلر فرستنده و گیرنده از نظر نوری ( اپتیکی ) به یکدیگر کوپل شده اند.

اپتوکوپلرها را می‌توان با استفاده از قطعات مجزا از هم نیز ساخت. برای این کار باید یک IR 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.

از کاربردهای متداول اپتوکوپلرها میتوان به موارد زیر اشاره کرد:

  • راه اندازی ( درایو ) ترانزیستور ها، ماسفت ها و ترایاک های ولتاژ / جریان بالای DC یا AC توسط میکروکنترلر و کنترل توان انتقالی به بار DC یا AC مورد نظر
  • کنترل ولتاژ های آنالوگ یا دیجیتال بالاتر توسط ولتاژ آنالوگ یا دیجیتال پایین تر و بالعکس
  • ایزولاسیون (جداسازی) سیگنال های آنالوگ یا دیجیتال هم ولتاژ یا غیر هم ولتاژ از یکدیگر مخصوصا در محیط های نویزی

نحوه عملکرد اپتوکوپلر در مدار

اپتوکوپلر 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. وقتی جریان گذرنده از LED قطع شود، انتشار نور فروسرخ نیز متوقف شده و فتوترانزیستور از هدایت باز می‌ایستد.

بیس فتوترانزیستور ( پایه شماره 6 ) می‌تواند باز (بدون اتصال) باشد تا حساسیت به انرژی نور IR LED حداکثر شود. اما اگر این پایه را با استفاده از یک مقاومت بزرگ به منفی یا زمین متصل کنیم، حساسیت ترانزیستور قابل کنترل شده و جلوی تحریکات ناشی از ناپایداری های الکتریکی و نویزها مقاوم تر می گردد. فتوترانزیستور مورد استفاده، بسته به نوع خروجی می تواند PNP یا NPN باشد. از فتوترانزیستور می‌توان برای سوئیچ کردن جریان در مدار خروجی استفاده کرد. از آن‌جایی که اتصال الکتریکی مستقیمی بین ورودی و خروجی یک اپتوکوپلر وجود ندارد، تا حدود 10kV ایزولاسیون الکتریکی بین ورودی و خروجی وجود دارد.


پارامترهای مهم در یک اپتوکوپلر

مهمترین پارامتر یک اپتوکوپلر بهره وری ( efficiency ) می باشد. به منظور افزایش بهره وری اپتوکوپلر طیف IR LED و گیرنده نوری را تا جای ممکن نزدیک به هم میسازند. به منظور اندازه گیری بهره وری یک اپتوکوپلر راحت ترین روش محاسبه نسبت جریان انتقال یافته خروجی به جریان ورودی است. به این نسبت current transfer ratio یا CTR هم گفته می شود که از فرمول CTR = IC/IF محاسبه می گردد. که در آن IC جریان کلکتور فتوترانزیستور خروجی و IF جریان LED در حالت وصل ( Forward ) می باشد. در عمل این پارامتر به صورت یک عدد بین صفر و یک یا به صورت درصد بیان می شود. در اپتوکوپلر های ساده این پارامتر در محدوده 20 تا 100 درصد است. البته مقدار CTR واقعی به مقادیر جریان ورودی و خروجی اپتوکوپلر و مقدار ولتاژ تغذیه (VC) فوتوترانزیستور بستگی دارد. شکل زیر نمودار سه مقدار معمول از جریان خروجی / ورودی را در مقادیر مختلف VC نشان می دهد.

البته باید در نظر داشت به علت تغییر در تابش نور LED و گین فوتوترانزیستور، مقادیر واقعی پارامتر CTR از حالت معمول خود فاصله معنا داری دارد برای مثال یک اپتوکوپلر با مقدار CTR=60% در عمل میتواند CTR بین 30 تا 90 درصد داشته باشد.

دیگر پارامترهای مهم در یک اپتوکوپلر عبارتند از :

  • ولتاژ ایزوله ISOLATION VOLTAGE : حداکثر ولتاژ DC مجاز که میتواند اپتوکوپلر بین ورودی و خروجی تحمل نماید که معمولا بین 500 ولت تا 4 کیلو ولت متغیر است.
  • ولتاژ کلکتور امیتر ماکزیمم VCE(MAX) : حداکثر ولتاژ DC مجاز که میتواند بین کلکتور و امیتر فوتوترانزیستور خروجی قرار گیرد که معمولا بین 20 تا 80 ولت متغیر است.
  • جریان مستقیم ماکزیمم IF(MAX) : حداکثر جریان DC مجاز که میتواند در LED ورودی جریان یابد که معمولا بین 40 تا 100 میلی آمپر می باشد.
  • پهنای باند BANDWIDTH : حداکثر فرکانس سیگنال ورودی که میتواند بدون مشکل به خروجی در حالت نرمال انتقال یابد که معمولا بین 20 تا 500 کیلوهرتز می باشد.

شکل زیر مقایسه بین پارامترهای انواع مختلف اپتوکوپلر را نشان می دهد.


دسته بندی انواع اپتوکوپلر ها

اپتوکوپلرها توسط سازندگان مختلف در اشکال و انواع متفاوت تولید می شود. که در بسته بندی های تک کانال دو کانال و چهار کانال یافت می شوند. شکل زیر این موضوع را نشان می دهد.

همانطور که مشاهده می کنید در بسته بندی تک کانال بیس فتوترانزیستور به صورت پین خارجی در دسترس است. از آن جایی که این پایه در مدارات اپتوکوپلری در حالت معمولی مدار باز است، در بسته بندی های دو کانال و چهار کانال به صورت خارجی در دسترس نیست. البته باید توجه داشت در شرایطی که بیس فتوترانزیستور باز باشد حداقل مقدار CTR به 20% و پهنای باند به 300 کیلوهرتز می رسد که با اتصال کوتاه کردن بیس و امیتر ( پایه های 4 و 6 ) در آی سی تک کانال فتوترانزیستور به فتودیود تبدیل می شود و در این حالت CTR به 0.2 درصد افت پیدا می کند اما پهنای باند به 30 مگاهرتز می رسد.

در یک دسته بندی اپتوکوپلرها از نظر نوع کانال کوپلینگ می توانند ساختار مسطح یا دو طبقه ای داشته باشند. شکل زیر این موضوع را نشان می دهد.

در دسته بندی دیگر اپتوکوپلرها از نظر نوع کانال کوپلینگ می توانند ساختار مهر و موم شده یا غیر مهر و موم شده داشته باشند. در شکل زیر دو نوع از اپتوکوپلر های غیر مهر و موم شده نشان داده شده است. در شکل سمت چپ اپتوکوپلر شکاف دار ( Slotted Optocoupler ) نمایش داده شده است که دارای شکافی بین LED و سنسور گیرنده نور است. در حالت عادی نور به راحتی از شکاف عبور کرده و بدون اینکه میرایی قابل توجهی پیدا کند به گیرنده می رسد اما میتوان با قرار دادن یک جسم مات درون شکاف، کانال را به طور کامل مسدود کرد. TCST1103 نمونه معروف از اپتوکوپلر شکاف دار می باشد که کاربردهایی نظیر تشخیص انتهای نوار و تشخیص سطح مایع دارد. در شکل سمت راست اپتوکوپلر بازتابی ( Reflective Optocoupler ) نمایش داده شده است. در این اپتوکوپلر ها LED و سنسور گیرنده نور هر دو در یک جهت رو بیرون و به سمت یک نقطه مشترک طوری قرار گرفته اند که حضور جسم بازتابنده در نزدیکی خود را تشخیص می دهد. CNY70 و TCRT5000 دو نمونه معروف از اپتوکوپلر بازتابی هستند که کاربردهایی نظیر تشخیص دود، تشخیص رنگ، شمارش دور موتور دارد. همچنین از این اپتوکوپلرها در ربات های مسیریاب جهت تشخیص خط مشکی از سفید استفاده می شود.

پارامتر ولتاژ ایزوله در اپتوکوپلرهای شکاف دار و بازتابی به دلیل عدم وجود کانال مشخص نشده است. اما برای اپتوکوپلر شکاف دار شکل زیر که دارای پهنای شکاف 3 میلی متر است و از یک فوتوترانزیستور در خروجی استفاده می کند مقدار CTR حداقل 10٪ و پهنای باند 300kHz می باشد. همچنین برای اپتوکوپلر بازتابی شکل زیر که دارای خروجی فوتودارلینگتون می باشد پهنای باند مفید 20 کیلوهرتز می باشد. همچنین هنگامی که LED ورودی در حداکثر جریان خود یعنی 40 میلی آمپر کار می کند، دستگاه دارای مقدار CTR حداقل 0.5٪ در فاصله بازتابش 5 میلی متر از یک سطح با بازدهی بازتابشی 90٪ می باشد.

همچنین اپتوکوپلرها را میتوان از نظر نوع سنسور نورانی گیرنده شان به چهار نوع مختلف زیر دسته بندی کرد :

  • فتوتراتزیستوری (Photo-Transistor) : همانند PC816, PC817, LTV817, K847PH
  • فتودارلینگتونی (Photo-Darlington) : همانند N32, 4N33, H21B1, H21B2, H21B3
  • فوتوتریستوری (Photo-SCR) : همانند MOC3071، IL400، MOC3072
  • فتوترایاکی (Photo-Triac) : همانند IL420 ، 4N35

تمامی انواع فوق عملکرد مشابهی دارند و تفاوت آن ها در کاربردشان است به طوری که اولا اپتوکوپلر های فتوترانزیستوری و فتودارلینگتونی اغلب در مدارهای DC به کار می‌روند، در حالی که اپتوکوپلرهای فتوتریستوری و فتوترایاکی اغلب در مدارهای AC مورد استفاده قرار می‌گیرند. و ثانیا از اپتوکوپلرهای فتوترانزیستوری در مدارهای با جریان های کم ( همان جریانی که ترانزیستورهای BJT توانایی عبور آن را دارند ) فتودارلینگتونی در مدارهای با جریان متوسط و از اپتوکوپلرهای فتوتریستوری و فتوترایاکی در مدارهای با جریان بالا استفاده می شود. همچنین از اپتوکوپلرهای فتوتریستوری و فتوترایاکی در درایورهای AC با توان های بالا نیز استفاده می گردد.

به دلیل افزایش جریان در فتودارلینگتون، این اپتوکوپلر دارای حداقل مقدار CTR حدود 300 درصد، اما پهنای باند مفید آن فقط 30 کیلوهرتز است.

در تمامی اپتوکوپلر ها پایه های ورودی در یک سمت و پایه های خروجی در سمت دیگر قرار دارد و این مسئله باعث حداکثر شدن ایزولاسیون می گردد. بنابراین در هنگام طراحی PCB باید به این نکته توجه کرد که هرچند حداکثر ولتاژ ایزولاسیون 1.5 کیلو ولت است، اما در فاصله بین پین های ورودی و خروجی از ولتاژ های بیشتر از 500 ولت نباید استفاده نمود. شکل زیر نحوه صحیح طراحی PCB را نشان می دهد. همانطور که مشاهده می کنید زمین های ایزوله شده تا ابتدای پایه های اپتوکوپلر امتداد پیدا کرده است و در فاصله بین پایه های ورودی و خروجی خالی از هرگونه مسیری است.


اصول طراحی مدار با اپتوکوپلر فتوترانزیستوری

شکل زیر مدار ساده سوئیچ ولتاژ 18 ولت DC را بوسیله یک اپتوکوپلر فوتوترانزیستوری و سوئیچ ولتاژ 5 ولت DC نشان می دهد.

همانطور که مشاهده می کنید چراغ مادون قرمز (LED) توسط سوئیچ SW1 کنترل می شود. وقتی که سوئیچ SW1 قطع باشد، هیچ جریانی در LED برقرار نمی شود. بنابراین LED نوری ساطع نکرده و فوتوترانزیستور Q1 نیز خاموش است. در نتیجه جریان کلکتور فوتوترانزیستور صفر بوده و ولتاژ سفر به خروجی منتقل می گردد. وقتی که سوئیچ SW1 وصل باشد، منبع 5 ولتی جریان را به سمت LED هدایت می کند. LED نور مادون قرمز را به فوتوترانزیستور ساطع می کند. سپس فوتوترانزیستور فعال شده و ولتاژی در حدود 17.9 را به خروجی Vout منتقل و بار متصل به آن را روشن می کند. همانطور که مشاهده کردید مدار اپتوکوپلر فوتوترانزیستوری برای سوئیچینگ ولتاژ DC شبیه به مدار بایاس یک ترانزیستور معمولی می باشد. با این تفاوت که ورودی LED بوده و شدت جریان گذرنده از آن با استفاده از مقاومت محدود کننده R1 کنترل می شود. با تغییر و کم کردن مقاومت، شدت نور لامپ زیاد و دریافتی ترانزیستور هم زیاد می شود. مقاومت R1 میتواند قبل از LED یا بعد از آن استفاده شود که این دو حالت تفاوتی با هم ندارند. شکل زیر این موضوع را نشان می دهد.

اگر مقاومت R1 از یک حدی بالاتر رود و باعث کاهش شدت نور از یک حدی شود دیگر فوتوترانزیستور روشن نخواهد شد. علاوه بر مقاومت، برای محافظت از LED ورودی اپتوکوپلر از یک دیود خارجی استفاده می شود. قرار گرفتن این دیود در کاربردهای AC به منظور جلوگیری از عبور جریان منفی ضروری است. شکل زیر این موضوع را نشان می دهد.

برای تبدیل جریان به ولتاژ در خروجی اپتوکوپلر از مقاومت R2 استفاده شده است. این مقاومت می تواند به کلکتور یا امیتر فوتوترانزیستور متصل شود. هرچه مقدار این مقاومت بیشتر باشد، حساسیت مدار بیشتر و پهنای باند آن کمتر می شود. شکل زیر این موضوع را نشان می دهد.

توجه داشته باشید که در صورتی که مقاومت R2 همانند مدار شکل زیر در کلکتور قرار گیرد و خروجی مدار از کلکتور باشد، رابطه بین سوئیچ SW1 و ولتاژ خروجی عکس می شود.

در مدار شکل بالا، مقاومت خارجی 270kΩ 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. در مدارهایی که بیس فتوترانزیستور مدار باز نیست میتوان با اتصال کوتاه کردن امیتر و بیس، فتوترانزیستور را به فتودیود تبدیل کرد. این اتصال منجر به افزایش پهنای باند تا 30 مگاهرتز می شود، اما مقدار CTR بسیار کاهش می یابد و به 0.2٪ می رسد. شکل زیر این موضوع را نمایش می دهد.

در مدار فوق اگر مقاومت بین بیس و امیتر قرار گیرد میتوان با تنظیم آن به مقادیر مختلفی از CTR دست پیدا کرد. برای مثال اپتوکوپلر فتودارلینگتونی شکل زیر را در نظر بگیرید. اگر RV1 مدار باز باشد، مقدار CTR همان مقدار نرمال اپتوکوپلر فتودارلینگتونی یعنی حداقل 300٪ است. با اتصال کوتاه شدن RV1، مقدار CTR همان مقدار اپتوکوپلر فتودیودی یعنی 0.2٪ است. بنابراین با تغییر این مقاومت میتوان CTR را از 0.2 درصد تا 300 درصد تغییر داد.


طراحی مدار دیجیتال با اپتوکوپلر فتوترانزیستوری

اپتوکوپلرها قطعات ایده آلی برای استفاده در آن دسته از مدارهای رابط دیجیتالی هستند که دارای منبع های تغذیه متفاوتی در ورودی و خروجی هستند که میتواند به منظور تغییر سطح ولتاژ از دو خانواده TTL و CMOS متفاوت به یکدیگر یا دو هم خانواده ( TTL به TTL یا CMOS به CMOS ) یا جهت راه اندازی موتورها، رله ها، لامپ ها و … توسط رابط خروجی کامپیوترهای خانگی ( یا میکروکنترلرها ) مورد استفاده قرار گیرد. شکل زیر نحوه ارتباط دو مدار TTL را نشان می دهد که با یکدیگر توسط اپتوکوپلر ارتباط غیر معکوس ( non-inverting ) دارد.

این مدار با در نظر گرفتن توانایی تحمل جریان بالای Sink در گیت های TTL ( معمولا 16 میلی آمپر ) و جریان بسیار پایین Source در آن ها ( معمولا 400 میکرو آمپر ) طراحی شده است. ورودی LED اپتوکوپلر و مقاومت R1 از یک سمت به ولتاژ 5 ولت و از طرف دیگر به خروجی گیت مدار منطقی متصل شده است. خروجی گیت TTL در حالت صفر منطقی در حدود 0.4 ولت می باشد و در صورتی که مقاومت پول آپ خارجی ( مقاومت R3 ) استفاده نشود در حالت یک منطقی ولتاژ تا 2.4 ولت ممکن است افت پیدا کند و این افت ولتاژ باعث می شود جریان در LED ورودی اپتوکوپلر صفر نشود. فتوترانزیستور خروجی اپتوکوپلر در سمت راست بین ورودی و زمین گیت TTL قرار گرفته است، چرا که در هنگام فعال شدن فتوترانزیستور ولتاژ تقریبی 0.1 ولت به عنوان منطق صفر وارد گیت TTL می شود.

بر خلاف تکنولوژی TTL خروجی آی سی ها در تکنولوژی CMOS میتوانند در حد چند میلی آمپر جریان Sink و Source داشته باشند. بنابراین در کاربردهای CMOS هم میتوان از مدار مشابه شکل قبل که به صورت پیکربندی Sink می باشد استفاده نمود و هم میتوان آن ها را به صورت پیکربندی Source ( شکل زیر ) طراحی نمود.

در این مدار باید توجه داشت که مقاومت R2 به اندازه کافی بزرگ باشد تا نوسان ولتاژ خروجی بین دو منطق صفر و یک به صورت کامل انجام شود. شکل زیر چگونگی استفاده از اپتوکوپلر برای راه اندازی موتور DC که جریان خروجی کمتر از 1 آمپر دارد، توسط سیگنال خروجی کامپیوتر ( 5 ولت، 5 میلی آمپر ) را نشان می دهد.

همانطور که مشاهده می کنید، خروجی اپتوکوپلر با مقاومت R2 و پایه بیس ترانزیستور Q1 سری شده است. زمانی که خروجی کامپیوتر High شود، ورودی و خروجی اپتوکوپلر هر دو خاموش هستند اما موتور به واسطه Q1 و Q2 روشن می باشد. زمانی که خروجی کامپیوتر Low شود، LED و فتوترانزیستور هر دو روشن می شوند و بنابراین موتور DC و ترانزیستورهای Q1 و Q2 هر سه خاموش می شوند.


طراحی مدار آنالوگ با اپتوکوپلر فتوترانزیستوری

اپتوکوپلرها میتوانند در مدارهای آنالوگ به عنوان رابط سیگنال های آنالوگ با تنظیم جریان گذرنده از LED ورودی اپتوکوپلر و سپس تلفیق کردن آن با سیگنال آنالوگ در سمت خروجی اپتوکوپلر از مداری به مدار دیگر مورد استفاده قرار گیرند. در شکل زیر یک مدار رابط آنالوگ صوتی اپتوکوپلری ( audio-coupling ) نشان داده شده است که از همین تکنیک استفاده می کند.

در این مدار آپ امپ در حالت دنبال کننده ولتاژ ( Voltage Follower ) با گین 1 و فیدبک منفی بسته شده است و ورودی LED اپتوکوپلر درون حلقه فیدبک قرار گرفته است. بنابراین ولتاژ مقاومت R3 و در نتیجه جریان گذرنده از آن دقیقا از ولتاژ اعمال شده به ورودی آپ امپ ( پین 3 ) پیروی می کند. این پایه از آپ امپ توسط مدار تقسیم کننده ولتاژی مقاومت های R1 و R2 دارای ولتاژ DC بایاس معادل نصف منبع تغذیه می باشد که این ولتاژ DC خود به تنهایی و در حالت بدون اعمال ورودی صوتی AC جریانی در حدود 1 تا 2 میلی آمپر در مقاومت R3 ایجاد می کند. در صورت اعمال ولتاژ AC در ورودی صوتی، این ولتاژ با ولتاژ DC قبلی تلفیق شده و به صورت مدوله شده به مقاومت R3 اعمال می شوند. در سمت خروجی اپتوکوپلر جریان ثابتی متناسب با DC اعمالی به ورودی اپتوکوپلر در فتوترانزیستور ایجاد می شود که باعث ایجاد ولتاژ ثابتی در دو سر مقاومت RV1 می گردد که این ولتاژ ثابت باید با تنظیم مقاومت متغیر RV1 به نصف ولتاژ منبع تغذیه خروجی برسد. در نهایت با اعمال سیگنال صوتی AC در ورودی ولتاژی AC متناسب با آن در RV1 ایجاد می شود که بخش DC آن از طریق خازن C2 گرفته شده و در خروجی همان ولتاژ صوتی معادل ولتاژ صوتی ورودی ظاهر می شود.


طراحی مدار ترایاک با اپتوکوپلر فتوترانزیستوری

یکی از کاربردهای ایده آل اپتوکوپلر ها، در انواع مدارهای قدرت و مدارهای کنترل ترایاک های متصل به بارهای AC بزرگ نظیر لامپ ها، موتورها و هیتر ها و کنترل آن توسط ولتاژ پایین ( نظیر میکروکنترلرها ) می باشد. شکل زیر مثالی از این مدارها را نشان می دهد که در آن مقادیر داخل پرانتز در صورت استفاده از ولتاژ 115 ولت AC بایستی استفاده شود. همچنین نوع ترایاک هم با توجه به نوع بار و نوع منبع تغذیه مورد نیاز کاربر انتخاب می شود.

در مدار شکل فوق عملیات سوئیچینگ غیر همزمان اتفاق میوفتد چرا که در آن لحظه روشن شدن اولیه ترایاک و شکل موج ولتاژ AC با یکدیگر همزمان نیستند. همانطور که مشاهده می کنید مقاومت R2، دیود D1، دیود زنر ZD1 و خازن C1 به منظور تبدیل ولتاژ AC به DC و ایجاد ولتاژ 10 ولت DC می باشد که از این ولتاژ جهت اتصال به گیت ترایاک و کنترل سوئیچ زنی استفاده شده است. بنابراین زمانی که SW1 قطع باشد، اپتوکوپلر خاموش بوده و ولتاژ بیس Q1 صفر می گردد در نتیجه ترایاک و بار هر دو خاموش هستند. زمانی که SW1 وصل شود، اپتوکوپلر و ترانزیستور Q1 روشن شده و ولتاژ 10 ولت از طریق مقاومت R3 به گیت ترایاک اعمال می گردد. در نتیجه ترایاک روشن شده و ولتاژ AC به بار اعمال می شود.


اپتوکوپلر های فتوتریستوری و فتوترایاکی

تریستور ها یا SCR ها ( مخفف silicon controlled rectifier ) به همراه ترایاک ها قطعات نیمه هادی شبیه به ترانزیستور هستند که به منظور کنترل توان و سوئیچینگ در مدارهای قدرت و مدارهای AC از آنها استفاده می شود. این قطعات ذاتا حساس به نور هستن و در صورت ساخت بزرگتر گیت ( بیس ) تبدیل به فتوتریستور و فتوترایاک می شوند. همانطور که قبلا هم اشاره شد اپتوکوپلرهای فتوتریستوری و فتوترایاکی با قرار گرفتن یک LED و یک فتوتریستور/فتوترایاک در بسته بندی مهر و موم شده تشکیل می شوند. مزیت استفاده از فوتوترایاک ها و فوتوتریستورها ایجاد ایزولاسیون الکتریکی کامل در مدار است که از هر گونه نویز و نوسانات ولتاژ موجود در خطوط منبع تغذیه AC جلوگیری کرده و از قطعات نیمه هادی مورد استفاده، در برابر شوک های حرارتی محافظت می کند. در شکل زیر این اپتوکوپلر ها نشان داده شده است.

همانطور که مشاهده می کنید در شکل a یک اپتوکوپلر فتوتریستوری و در شکل b یک اپتوکوپلر فتوترایاکی در بسته بندی 6 پایه قرار گرفته است. مشخصات این اپتوکوپلر ها در شکل زیر نشان داده شده است.

همانطور که در جدول فوق مشاهده می کنید جریان خروجی متوسط ( RMS ) این اپتوکوپلر ها محدود هستند به طوری که فتوتریستور دارای حداکثر جریان 300 میلی آمپر و فتو ترایاک دارای حداکثر جریان 100 میلی امپر می باشد. بنابراین از این اپتوکوپلر ها نمیتوان مستقیما جهت کنترل بارهای جریان بالا استفاده کرد. همچنین حداکثر جریان قابل تحمل ( ISURGE ) برای تریستور با اعمال سیگنالی به پهنای پالس 100 میکروثانیه و دیوتی سایکل کمتر از 1 درصد، 5 آمپر و برای ترایاک با اعمال سیگنالی به پهنای پالس 10 میکروثانیه و دیوتی سایکل کمتر از 10 درصد، 1.2 آمپر بدست می آید. برای مثال شکل زیر را در نظر بگیرید که استفاده مستقیم از اپتوترایاک را جهت روشن کردن یک لامپ کوچک AC با جریان 100 میلی آمپر نشان می دهد. مقاومت R1 در این شکل باید طوری انتخاب شود که حداقل 20 میلی آمپر جریان مورد نیاز برای روشن شدن LED را تامین نماید.

در شکل زیر استفاده از اپتوکوپلر فتوترایاکی جهت راه اندازی فتوترایاک و در نتیجه راه اندازی بارهای مقاومتی نظیر لامپ و هیتر نشان داده شده است. در بارهایی با توان بزرگتر، اپتوترایاک برای پالس گیت یک ترایاک بزرگتر و همراه با یک مقاومت محدودکننده به کار می‌رود. استفاده از این مدار برای بارهای سلفی توصیه نمی شود.

برای راه اندازی بارهای سلفی نظیر انواع موتورهای AC میتوان از مدار شکل زیر استفاده نمود که در آن از شبکه R2,C1,R3 به منظور شیفت دادن فاز ولتاژ اعمالی به گیت ترایاک و مطمئن شدن از عملکرد صحیح فعال/غیر فعال شدن ترایاک استفاده می شود و R4,C2 مدار اسنابر ( Snubber ) را تشکیل می دهد که با جلوگیری از ولتاژ/جریان اضافی، توان اتلافی در شبکه سوئیچینگ را کاهش می دهد.

در شکل زیر اپتوترایاک از طریق یک پریز 220 ولتی لامپ AC را کنترل می کند و ترایاک T1 توسط مقاومت R2 و اپتوترایاک موجود در اپتوکوپلر کنترل می شود.
از این پیکربندی برای کنترل برق AC و کنترل وسایل برقی دارای مدار ولتاژ پایین استفاده می شود.

از پیکربندی اپتوکوپلر فتوترایاکی شکل زیر که اساس یک رله حالت جامد ( SSR ) بسیار ساده را تشکیل می‌دهد، می‌توان 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.


اپتوکوپلر های رله ای حالت جامد

رله های حالت جامد یا SSR ( مخفف solid-state relay ) رله هایی هستند که به عنوان جایگزینی برای رله های الکترومکانیکی مورد استفاده قرار می گیرند. عملکرد SSR شبیه رله های الکترومکانیکی می باشد با این تفاوت که در این المان هیچ قسمت متحرکی وجود نداشته و نسبت به آن دارای ابعاد کوچکتری می باشد. عدم قسمت متحرک در SSR موجب افزایش عمر قطعه شده و در مداراتی که تعداد دفعات کلید زدن زیاد می‌باشد کاربرد دارد. اپتوکوپلرهای SSR نسل جدیدی از قطعات الکترونیکی هستند که همانند دیگر اپتوکوپلر ها ایزولاسیون الکتریکی کاملی بین ورودی و خروجی ارائه می دهند. این قطعات همانند رله، سوئیچ الکتریکی هستند که در هنگام باز بودن مقاومت بی نهایت دارد و در هنگام بسته بودن مقاومت بسیار کمی دارد و می تواند جریان متناوب AC یا جریان ثابت DC را بدون اتلاف یا افت ولتاژی عبور دهد. در این رله ها در سمت ورودی یک IR LED و در سمت خروجی دو ماسفت نوع N قرار دارد. در گیت این ماسفت ها 25 فتودیود قرار دارد که با IR LED کوپل شده است و ولتاژ 15 ولتی را در هنگام روشن شدن به گیت ماسفت ها می رساند.

در حال حاضر شرکت زیمنس ( Siemens ) تولیدکننده اصلی اپتوکوپلر SSR می باشد. در گستره تولیدات این شرکت LH1540AT ساده ترین نوع اپتوکوپلرهای SSR می باشد که در بسته بندی 6 پایه ارائه شده است و دارای خروجی تک قطبی می باشد. همچنین این قطعه دارای ولتاژ ایزوله 3.75kV و حداکثر ولتاژ خروجی قابل تحمل 350V می باشد. شکل زیر دیاگرام این قطعه را نشان می دهد.

همانطور که در شکل فوق مشاهده می کنید هر دو سمت ترانزیستورهای ماسفت به صورت پایه در دسترس است و میتواند برای کاربردهای AC به صورت سری و برای کاربردهای DC به صورت موازی در مدار قرار گیرد. زمانی که جریان 5 میلی آمپر از LED ورودی اپتوکوپلر SSR عبور کند، خروجی فعال شده و میتواند بارهای تا حداکثر تا 120 میلی آمپر با مقاومت معادل 25 اهم در حالت AC و نیز بارهای تا حداکثر 250 میلی آمپر با مقاومت معادل 5 اهم در حالت DC را درایو کند. همچنین سرعت سوئیچ زنی در این آی سی حداکثر 1 میلی ثانیه است.


اپتوکوپلرهای خطی

اپتوکوپلر های خطی ( Linear Optocoupler ) از یک منبع نور IR LED و یک یا چند فوتودیود ( یا فتوترانزیستور ) کوپل شده و مهر و موم شده با یکدیگر تشکیل شده است. با تابش نور LED به یکی از فتودیود ها یک سیگنال کنترلی ایزوله شده ایجاد می شود که از این سیگنال در حلقه فیدبک جهت کنترل نور LED استفاده می شود. فوتودیود دیگر سیگنال خروجی اصلی را تولید می کند که به صورت خطی به شار نوری ایجاد شده توسط LED وابسته است. در واقع در اپتوکوپلرهای خطی با اضافه شدن فیدبک می‌توان مشخصات غیر خطی را در اپتوکوپلر ها جبران سازی کرد و یک خروجی خطی تولید کرد. از جمله معروف ترین اپتوکوپلرهای خطی میتوان به IL300 و LOC110 اشاره نمود.

مشخصات و ویژگی ها

  • دقت خطی بودن 0.01%
  • اعوجاج ناشی از هارمونیک 87dB-
  • پهنای باند زیاد ( بیشتر از 200 کیلوهرتز )
  • کوپل کردن سیگنالهای آنالوگ و دیجیتال
  • پایداری در گین های بالا
  • ظرفیت خازنی پایین در ورودی و خروجی
  • در بسته بندی 8 پایه DIP با رعایت PCMCIA و دارای بسته بندی SMD

کاربردها در:

  • تعویض ترانس مودم ها بدون خطا در هنگام تعویض
  • ایزولاسیون تلفن های دیجیتال
  • منابع تغذیه دارای فیدبک ولتاژ / جریان
  • ایزولاسیون سنسورهای پزشکی
  • رابط سیگنال های صوتی
  • ایزولاسیون مبدل های کنترل پروسه

منابع :

https://www.nutsvolts.com/magazine/article/optocoupler-circuits

https://www.electronics-tutorials.ws/blog/optocoupler.html

https://circuitdigest.com/tutorial/opto-coupler-types-working-applications

https://www.eeweb.com/single-linear-optocoupler

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

6 − چهار =

بازگشت به آموزشگاه