اپتوکوپلر چیست؟ انواع اپتوکوپلر و کاربرد در AC/DC

سلام. آموزش اپتوکوپلر چیست؟ انواع و کاربرد در AC/DC را آماده کردیم.

اپتو کوپلر چیست؟

اپتوکوپلر (optocoupler) یک مولفه ی الکتریکی است که سیگنال های الکتریکی را بین دو مدار جدا از هم منتقل میکند. به آن اپتوایزولاتور(opto-isolator)، فتوکوپلر(photocoupler) یا اپتیمال ایزولاتور(optimal isolator) هم می‌گویند.

اکثرا در مدارها، به خصوص مدارهای ولتاژ پایین یا حساس به نویز از اپتوکوپلر برای ایزوله کردن مدار و جلوگیری از امکان برخورد الکتریکی یا جدا کردن نویز های ناخواسته استفاده می‌شود. در بازار میتوان اپتوکوپلر 10 تا 20  کیلو وات با ظرفیت مقاومت ولتاژ ورودی به خروجی(با مشخصه ی ناپایدار با 25 کیلو وات) را تهیه کرد.

اتصال یک LED با استفاده از اپتوکوپلر در ویدیو زیر قابل مشاهده است.

در این پیاده سازی میتوان از اپتوکوپلر دارای ترانزیستور فوتو در میکروکنترلر برای تشخیص پالس ها و توقف ها استفاده کرد.

ساختار داخلی اپتوکوپلر

این ساختار داخلی یک اپتوکوپلر است. در سمت چپ پین های ۱ و ۲ نمایش داده شده‌اند که به یک  LED متصل هستند. این LED نور فرو سرخ را به سمت ترانزیستور حساس به نور منتشر می‌کند. مانند ترانزیستور پیوندی دوقطبی، ترانزیستور نوری خروجی مدار را با استفاده از جمع کننده و منتشر کننده ی خود تغییر می‌دهد. قدرت LED مستقیما ترانزیستور نوری را کنترل میکند. از آن‌جایی که LED میتواند با مدار متفاوتی هم کنترل شود و ترانزیستور نوری مدار های متفاوتی را می‌تواند کنترل کند، پس اپتوکوپلر میتواند دو مدار جدا را کنترل کند. هم‌چنین فاصله ی بین ترانزیستور نوری و LED نور فروسرخ یک فضای شفاف و نارسانا قرار دارد که باعث ایزوله شدن دو مدار از هم می‌شود. این فضای خالی بین LED و ترانزیستور نوری را میتوان با استفاده از شیشه، هوا یا یک پلاستیک شفاف ایجاد کرد که در آن صورت جداسازی الکتریکی در آن 25 کیلو وات و یا بیشتر است.

انواع اپتوکوپلر

مدل های مختلف بسیار زیادی از اپتوکوپلرها با توجه به نیاز و توانایی های تغییر در دسترس هستند. با توجه به کاربرد به صورت کلی چهار مدل اپتوکوپلر موجود است.

1. اپتوکوپلر هایی که از ترانزیستور نوری استفاده میکنند. Photo Transistor
2. اپتوکوپلر هایی که از ترانزیستور فتو-دارلینگتون استفاده میکنند. Photo Darlington Transistor
3. اپتوکوپلر هایی که از  photo TRIAC استفاده میکنند. Photo TRIAC
4. اپتوکوپلر هایی که از  photo SCR استفاده میکنند. Photo SCR

اپتوکوپلر با فوتو ترانزیستور

در تصویر بالا ساختمان داخلی یک ترانزیستور فوتو  نمایش داده شده است. نوع ترانزیستور می تواند PNP یا NPN باشد.

ترانزیستور  فوتو بسته به موجودیت پین خروجی میتواند دو نوع داشته باشد. در تصویر دوم سمت چپ یک پین اضافی وجود دارد که در داخل به پایه ی ترانزیستور متصل است. پین ۶ برای کنترل حساسیت فوتو ترانزیستور استفاده می‌شود. اغلب این پین را به زمین یا بار منفی با مقاومت بالا متصل می‌کنند. در این شکل طراحی، خروجی اشتباه که به علت نویز یا مسائل دیگر به وجود می‌آید را میتوان کنترل کرد.

همچنین قبل از استفاده از اپتوکوپلر با  ترانزیستور فوتو، کاربر باید بیشترین درجه ی ترانزیستور  را بداند. اپتوکوپلر های با ترانزیستور فوتو ای که بیشترین استفاده را دارند عبارتند از: PC816، PC817، LTV847PH. اپتوکوپلر با ترانزیستور فوتو در ایزوله کردن مدار وابسته جریان مستقیم استفاده می‌شود.

اپتوکوپلر دارای ترانزیستور فتو دارلینگتون

در تصویر بالا دو نوع سمبل وجود دارد. ساختار داخلی اپتوکوپلر با فتو-دارلینگتون در تصویر قابل مشاهده است.

ترانزیستور دارلینگتون یک جفت ترانزیستور است، به طوری که یک ترانزیستور پایه ی دیگری را کنترل می‌کند. این پیاده سازی ترانزیستور توانایی دریافت بالایی را فراهم میکند. طبق معمول LED موج فروسرخ را از خود منتشر میکند و به سمت پایه ی ترانزیستور دیگر برای کنترل آن هدایت می‌کند.

همچنین این نوع اپتوکوپلر در مدار های جریان مستقیم هم برای ایزوله کردن قابل استفاده است. پین ششم که در داخل به پایه ی ترانزیستور متصل است همانطور که در بخش  ترانزیستور فوتو گفته شد، برای کنترل حساسیت ترانزیستور استفاده می‌شود. نمونه هایی از اپتوکوپلر با ترانزیستور فتو-دارلینگتون عبارتند از :

4N32 , 4N33 , H21B1 , H21B2 , H21B3

اپتوکوپلر فتو ترایاک

در تصویر بالا ساختمان داخلی اپتوکوپلر با ترانزیستور ترایاک نمایش داده شده است.

ترایاک عموما در مدار جریان متناوب یا مواقعی که تغییر کردن نیاز است استفاده میشود. LED میتواند با جریان مستقیم کنترل شود، و از ترایاک جریان متناوب را کنترل می‌کند. در این مورد اپتوکوپلر امکان ایزوله کردن را به خوبی فراهم می‌کند. این پیاده سازی برای یک ترانزیستور ترایاک است. نمونه های اپتوکوپلر هایی که از ترانزیستور فتو-ترایاک استفاده می‌کنند عبارتند از:

IL420 , 4N35

‌اپتوکوپلر با فوتو SRC

اس‌آر‌سی که به آن تریستور هم میگویند، مخفف کنترل یکسو کننده ی سیلیکونی است. در تصویر بالا ساختمان داخلی یک اپتوکوپلر با فوتو-اس‌آر‌سی قابل مشاهده است. همانند اپتوکوپلر های دیگر LED موج فروسرخ از خود منتشر می‌کند. اس‌آر‌سی با قدرت LED کنترل میشود. اپتوکوپلر با فوتو-اس‌آر‌سی در مدار جریان متناوب استفاده میشود.

کاربرد های اپتوکوپلر

همانطور که گفته شد، برخی از اپتوکوپلر ها در مدارهای جریان مستقیم و برخی دیگر در مدار های جریان متناوب استفاده می‌شوند. از آن‌جایی که اپتوکوپلر اجازه‌ی اتصال الکتریکی مستقیم بین دو قسمت را نمی‌دهد، کاربرد اصلی اپتوکوپلر جداسازی ایزوله کردن دو مدار از هم است.

مانند ترانزیستور، میتوان از اپتوکوپلر هم به عنوان تغییر دهنده استفاده کرد. از اپتوکوپلر میتوان در میکروکنترلرها در جایی که پالس های دیجیتال یا اطلاعات آنالوگ را از یک مدار با ولتاژ بالا نیاز داریم، برای ایزوله کردن این دو از هم استفاده‌ کرد.

از اپتوکوپلر میتوان برای تشخیص جریان متناوب و کنترل مدار های جریان مستقیم استفاده کرد. در ادامه سراغ برخی کاربردهای اپتو ترانزیستور ها می‌رویم.

اپتوکوپلر برای تغییر جریان و سوئیچ در مدار DC

در مدار بالا، از یک اپتوکوپلر دارای ترانزیستور فوتو استفاده شده که همانند یک ترانزیستور معمولی عمل می‌کند. در مدار بالا از یک اپتوکوپلر PC817 دارای ترانزیستور فوتو کم هزینه استفاده شده است. LED نور فروسرخ با کلید s1 کنترل می‌شود. زمانی که کلید متصل است، باتری 9 ولت جریان را با گذر از مقاومت 10 کیلو‌اهمی برای LED فراهم می‌کند. شدت با مقاومت R1 کنترل می‌شود. اگر مقدار مقاومت را کاهش دهیم، شدت نور LED زیاد می شود که باعث میشود مقدار زیادی هم به ترانزیستور می‌رسد.

از سوی دیگر ترانزیستور یک ترانزیستور فوتو است که توسط LED نور فروسرخ داخلی کنترل می‌شود. زمانی که نور فروسرخ را منتشر می‌کند، ترانزیستور فوتو عمل کرده و خروجی VOUT برابر 0 می‌شود. باید به خاطر داشت که جریان ترانزیستور برابر 50 میلی‌آمپر است. مقاومت R2 خروجی VOUT را برابر با 5 ولت می‌کند. مقاومت R2 یک مقاومت بالاکش است.

اپتوکوپلر برای تشخیص ولتاژ AC

مدار دیگری برای تشخیص ولتاژ متناوب در تصویر قابل مشاهده است. LED نور فروسرخ با استفاده از دو مقاومت ۱۰۰ کیلو‌اهمی کنترل می‌شود. علت استفاده از دو مقاومت ۱۰۰ کیلو‌اهمی به جای یک مقاومت ۲۰۰ کیلو‌اهمی، امنیت بیشتر مدار در شرایط اتصال کوتاه است. LED به خط خروجی L و خط خنثی N وصل شده است. زمانی که کلید S1 بسته می شود، LED شروع به انتشار نور فروسرخ می‌کند. ترانزیستور فوتو عکس‌العمل نشان میدهد و VOUT را از ۵ ولت به ۰ ولت تبدیل می‌کند.

در این پياده‌سازی، اپتوکوپلر می‌تواند جایی که تشخیص جریان متناوب مورد نیاز است به مدار ولتاژ پایین متصل شود، مثل بخش میکروکنترلر. تا به الان، مدار اول برای کنترل و تغییر جریان مستقیم و مدار دوم برای تشخیص جریان متناوب یا تغییر و کنترل مدار جریان مستقیم است. در ادامه مدار جریان مستقیمی که مدار جریان متناوب را کنترل می‌کند را بررسی می‌کنیم.

اپتوکوپلر برای کنترل مدار جریان AC با استفاده از مدار DC

در مدار بالا، همانند قبل LED با استفاده از یک باتری 9 ولتی، مقاومت 10 کیلو اهمی و وضعیت کلید کنترل می‌شود. از طرف دیگر یک اپتوکوپلر دارای فوتو-ترایاک استفاده شده است که لامپ جریان متناوب را با خروجی جریان متناوب کنترل می‌کند. مقاومت 68R برای کنترل کردن  ترایاک BT136 استفاده شده است که آن هم با استفاده از فوتو-ترایاک در بخش اپتوکوپلر کنترل می‌شود.

این شکل پياده‌سازی برای کنترل لوازم الکتریکی با استفاده از مدار ولتاژ پایین استفاده می‌شود. در شکل بالا از IL420 استفاده شده است که یک اپتوکوپلر دارای فوتو-ترایاک است.

علاوه بر این نوع مدار، از اپتوکوپلر می‌توان برای ارسال اطلاعات اتصال کوتاه ثانویه و یا شرایط جریان بیش از حد استفاده کرد.