اوپتوکوپلر Optocoupler و کاربردهای آن

اوپتوکوپلر Optocoupler و کاربردهای آن

اوپتوکوپلر (Optocoupler) که گاهی به اپتوایزولاتور (Optoisolator) هم معروف است قطعه الکترونیکی است که بصورت آی سی (IC) تولید می شود که وظیفه آن کوپل کردن یا اتصال دو نقطه با استفاده از فرمان های نوری می باشد. به بیان دیگر، مجموعه فرستنده و گیرنده نوری است که در یک مدار سیگنال به نور تبدیل شده و تابش می کند و در سمت دیگر سنسور حساس به نور، این تابش را حس کرده و به سیگنال الکتریکی تبدیل می کند. 

 

توپولوژی ساده اپتوکوپلرها

اپتوکوپلرها از یک دیود نوری یا LED (Light Emitting Diode) به همراه یک فتوترانزیستور (Phototransistor) تشکیل شده اند (یا ممکن است به جای ترانزیستور یه گیت منطقی NAND قرار داده شود) که هردو نسبت به محیط خارج اپتوکوپلر ایزوله هستند، بدین معنی که فتوترانزیستور داخلی تنها می تواند نور ساطع شده توسط دیود نوری داخلی را دریافت کند. بیس فتوترانزیستور توسط نور دریافتی از طرف دیود نوری تحریک می شود و جریان را از خود عبور می دهد.

معمولا در هر اپتوکوپلر حداقل دو پایه برای آند و کاتد دیود نوری و دو پایه هم برای کلکتور و امیتر فتوترانزیستور تعبیه شده است. هرگاه یک ولتاژ ایزولاسیون (معمولا بین سه تا پنج ولت) را با رعایت قطب مثبت و منفی به آند و کاتد اپتوکوپلر متصل کنیم، فتوترانزیستور به محض دریافت نور ساطع شده از دیود نوری تحریک می شود و می تواند جریان را از خود عبور دهد. نکته اصلی در رابطه با قابلیت های این قطعه اینجاست که ولتاژ ایزولاسیون (ولتاژ اعمال شده به دیود نوری) نسبت به ولتاژ عبوری از فتوترانزیستور کاملا ایزوله است و هیچ گونه اتصال فیزیکی میان آن ها برقرار نمی شود.

مثال هایی از کاربرد اپتوکوپلرها

 مثلا می توان یک ولتاژ مثلا پنج ولت را از میکروکنترلر به آند و کاتد اپتوکوپلر اعمال کرد و توسط آن عبور یک ولتاژ بالا یا یک جریان پر از نویز را از فتوترانزیستور کنترل کرد بدون آن که ذره ای از آن نویز وارد مدار اصلی شود و یا در عملکرد میکروکنترلر اختلال ایجاد کند. به عنوان مثال اگر بخواهیم از طریق میکروکنترلر مستقیما به موتوری فرمان بدهیم یا رله ای را فعال کنیم ممکن است عمکرد موتور باعث ایجاد نویز شده و بر روی عملکرد میکروکنترلر یا مدار فرمان تاثیر بگذارد و باعث اختلال در سیستم شود. ولی اپتوکوپلر این دو قسمت را کاملا از هم ایزوله می کند. یکی دیگر از کاربردهای این قطعه استفاده در قسمت فیدبک برخی از منابع تغذیه سوییچینگ است. اگر یک شارژر گوشی موبایل را بازکنید، حتما درون آن یک اپتوکوپلر خواهید دید. یکی دیگر از کاربردهای این قطعه برای حفاظت بخشی از مدار در برابر ولتاژ برگشتی از بخش قدرت است. یعنی به وسیله این IC می توان به راحتی بخش فرمان را که دارای ولتاژ کمی است از بخش قدرت که ولتاژ زیاد است جدا کرد و فرمان را بصورت نوری ارسال کرد که باعث عدم آسیب به مدار می شود.

اپتوکوپلر MOC3020 به جای فتوترانزیستور، دارای خروجی ترایاک می باشد و برای تریگر کردن پایه های ترایاک و کنترل جریان متناوب استفاده می شود. اگر بخواهید با استفاده از میکروکنترلر یک رقص نور ۲۲۰ ولت بسازید، لازم است که خروجی میکرو را به ورودی اپتوترایاک متصل کنید و از خروجی اپتوترایاک نیز برای راه اندازی ترایاک های قوی تر استفاده کنید. همچنین در برخی از مدل ها مانند TLP621-4 چند اپتوکوپلر مجزا درون یک بسته بندی مشترک قرار گرفته اند ولی عملکرد هر یک از آن ها تاثیری بر دیگری ندارد و هر کدام را می توان برای یک کانال کاملا متفاوت استفاده کرد. در بعضی از مدل ها مانند TLP621-4 دیود نوری ورودی ممکن است دوطرفه باشد. برخی دیگر از اپتوکوپلرها مانند H11L1 دارای خروجی اشمیت تریگر می باشند که آن نیز کاربردهای خاص خودش را دارد.

مثلا در شکل بالا، اگر بین پایه های ۱ و ۲ جریان برقرار شود (یعنی پایه ۱ به VCC  و پایه ۲ به GND وصل بشود)، جریان میتواند از پایه ۳ به سمت ۴ برود یعنی بین پایه ۳ و ۴ اتصال برقرار می شود به بیان دیگر می توان گفت که این IC نوعی کلید قطع و وصل هست.

انواع اپتوکوپلر

اپتوکوپلر ترانزیستوری: این قطعه از یک دیود LED و یک ترانزیستور نوری تشکیل شده است.

اپتوکوپلر با گیت NAND: به جای ترانزیستور از گیت منطقی NAND استفاده شده است.

اپتوکوپلر دارلینگتون: دراین قطعه به جای ترانزیستور یک زوج دارلینگتون در مدار قرار دارد.

اپتوکوپلر دیاک: از این قطعه برای تریگر کردن ترایاک استفاده می شود.

توجه: بسیاری از اپتوکوپلرها در کتابخانه پروتئوس وجود ندارند و در شبیه سازی و اجرا ممکن است مشکلاتی ایجاد شود. اگر ولتاژ اعمالی به دیود نوری LED بالا باشد ممکن است این قطعه داغ کرده و بسوزد، برای جلوگیری از این مشکل بهتر است به دیتاشیت (Datasheet) مراجعه کرد.

تست سالم بودن اپتوکوپلرها

روش کلی برای تست این قطعه وجود ندارد مگر انکه بصورت ساده در مدار بسته شود و عملکرد آن مورد بررسی قرار گیرد می توان آزمایشات مقدماتی را در مورد آن به کار برد. دو پایه دیود نوری را با تست بوق (Buzzer) مولتی متر چک کنید تا اتصال کوتاه نباشد. همین کار را برای دو سر خروجی انجام دهید. درشکل نمونه ای مدار قابل استفاده برای اپتوکوپلر نشان داده شده است.

مهمترین اپتوکوپلرهای موجود در بازار

از مهم ترین این قطعات که در بازار موجود است می توان به موارد زیر اشاره کرد.

4N25, 4N26, 4N28, 4N33, 4N38, 6N136SD, 6N137, EL817, MOC217, MOC3023, MOC3051, MOC3063

قیمت این محصول معمولا کم تر از هزار تومان هست.