Bộ ghép quang, kết nối các mạch bằng tín hiệu quang làm môi trường truyền dẫn, là một thành phần hoạt động trong các lĩnh vực đòi hỏi độ chính xác cao như âm học, y học và công nghiệp, do tính linh hoạt và độ tin cậy cao như độ bền và khả năng cách điện.
Nhưng khi nào và trong hoàn cảnh nào thì bộ ghép quang hoạt động, và nguyên lý đằng sau nó là gì? Hoặc khi bạn thực sự sử dụng bộ ghép quang trong công việc điện tử của riêng mình, bạn có thể không biết cách chọn và sử dụng nó. Bởi vì bộ ghép quang thường bị nhầm lẫn với “phototransistor” và “photodiode”. Do đó, bộ ghép quang là gì sẽ được giới thiệu trong bài viết này.
Bộ ghép quang là gì?
Bộ ghép quang là một linh kiện điện tử có nguồn gốc từ quang học
coupler, có nghĩa là “ghép nối với ánh sáng”. Đôi khi còn được gọi là optocoupler, optical isolator, optical insulation, v.v. Nó bao gồm phần tử phát sáng và phần tử thu sáng, và kết nối mạch phía đầu vào và mạch phía đầu ra thông qua tín hiệu quang. Không có kết nối điện giữa các mạch này, nói cách khác, ở trạng thái cách điện. Do đó, kết nối mạch giữa đầu vào và đầu ra là riêng biệt và chỉ có tín hiệu được truyền đi. Kết nối an toàn các mạch có mức điện áp đầu vào và đầu ra khác biệt đáng kể, với cách điện điện áp cao giữa đầu vào và đầu ra.
Ngoài ra, bằng cách truyền hoặc chặn tín hiệu ánh sáng này, nó hoạt động như một công tắc. Nguyên lý và cơ chế chi tiết sẽ được giải thích sau, nhưng thành phần phát sáng của bộ ghép quang là LED (điốt phát sáng).
Từ những năm 1960 đến những năm 1970, khi đèn LED được phát minh và những tiến bộ công nghệ của chúng rất đáng kể,quang điện tửđã trở thành một sự bùng nổ. Vào thời điểm đó, nhiềuthiết bị quang họcđã được phát minh, và bộ ghép quang điện là một trong số đó. Sau đó, quang điện tử nhanh chóng thâm nhập vào cuộc sống của chúng ta.
① Nguyên lý/cơ chế
Nguyên lý của bộ ghép quang là phần tử phát sáng chuyển đổi tín hiệu điện đầu vào thành ánh sáng, và phần tử thu sáng truyền tín hiệu điện trở lại mạch điện đầu ra. Phần tử phát sáng và phần tử thu sáng nằm ở bên trong khối ánh sáng bên ngoài, và hai phần tử đối diện nhau để truyền ánh sáng.
Chất bán dẫn được sử dụng trong các thành phần phát sáng là LED (điốt phát sáng). Mặt khác, có nhiều loại chất bán dẫn được sử dụng trong các thiết bị thu sáng, tùy thuộc vào môi trường sử dụng, kích thước bên ngoài, giá cả, v.v., nhưng nói chung, loại được sử dụng phổ biến nhất là phototransistor.
Khi không hoạt động, phototransistor mang ít dòng điện hơn so với chất bán dẫn thông thường. Khi ánh sáng chiếu vào đó, phototransistor tạo ra một suất điện động quang trên bề mặt của chất bán dẫn loại P và chất bán dẫn loại N, các lỗ trống trong chất bán dẫn loại N chảy vào vùng p, chất bán dẫn electron tự do trong vùng p chảy vào vùng n và dòng điện sẽ chảy.
Transistor quang không phản ứng nhanh như diode quang, nhưng chúng cũng có tác dụng khuếch đại tín hiệu đầu ra lên đến hàng trăm đến 1.000 lần tín hiệu đầu vào (do trường điện bên trong). Do đó, chúng đủ nhạy để thu được ngay cả những tín hiệu yếu, đây là một lợi thế.
Trên thực tế, “thiết bị chặn ánh sáng” mà chúng ta thấy là một thiết bị điện tử có nguyên lý và cơ chế tương tự.
Tuy nhiên, bộ phận ngắt ánh sáng thường được sử dụng như cảm biến và thực hiện vai trò của chúng bằng cách truyền một vật thể chặn ánh sáng giữa phần tử phát sáng và phần tử thu sáng. Ví dụ, nó có thể được sử dụng để phát hiện tiền xu và tiền giấy trong máy bán hàng tự động và máy ATM.
② Tính năng
Vì bộ ghép quang truyền tín hiệu qua ánh sáng nên lớp cách điện giữa đầu vào và đầu ra là một tính năng chính. Lớp cách điện cao không dễ bị ảnh hưởng bởi tiếng ồn, đồng thời cũng ngăn ngừa dòng điện vô tình chảy giữa các mạch liền kề, cực kỳ hiệu quả về mặt an toàn. Và bản thân cấu trúc tương đối đơn giản và hợp lý.
Do lịch sử lâu đời, danh mục sản phẩm phong phú của nhiều nhà sản xuất khác nhau cũng là một lợi thế độc đáo của bộ ghép quang. Vì không có tiếp xúc vật lý nên độ mòn giữa các bộ phận nhỏ và tuổi thọ dài hơn. Mặt khác, cũng có đặc điểm là hiệu suất phát sáng dễ dao động, vì đèn LED sẽ dần suy giảm theo thời gian và nhiệt độ thay đổi.
Đặc biệt là khi thành phần bên trong của nhựa trong suốt trong thời gian dài, trở nên đục, nó không thể có ánh sáng tốt. Tuy nhiên, trong mọi trường hợp, tuổi thọ quá dài so với tiếp xúc tiếp xúc của tiếp xúc cơ học.
Phototransistor thường chậm hơn photodiode, do đó chúng không được sử dụng cho truyền thông tốc độ cao. Tuy nhiên, đây không phải là nhược điểm, vì một số thành phần có mạch khuếch đại ở phía đầu ra để tăng tốc độ. Trên thực tế, không phải tất cả các mạch điện tử đều cần tăng tốc độ.
③ Sử dụng
Bộ ghép quang điệnchủ yếu được sử dụng cho hoạt động chuyển mạch. Mạch sẽ được cấp điện bằng cách bật công tắc, nhưng xét về các đặc điểm trên, đặc biệt là khả năng cách điện và tuổi thọ cao, nó rất phù hợp với các tình huống đòi hỏi độ tin cậy cao. Ví dụ, tiếng ồn là kẻ thù của thiết bị điện tử y tế và thiết bị âm thanh/thiết bị truyền thông.
Nó cũng được sử dụng trong các hệ thống truyền động động cơ. Lý do cho động cơ là tốc độ được điều khiển bởi biến tần khi nó được truyền động, nhưng nó tạo ra tiếng ồn do công suất cao. Tiếng ồn này không chỉ khiến bản thân động cơ bị hỏng mà còn truyền qua "đất" ảnh hưởng đến các thiết bị ngoại vi. Đặc biệt, các thiết bị có hệ thống dây điện dài rất dễ phát ra tiếng ồn công suất cao này, vì vậy nếu xảy ra trong nhà máy, nó sẽ gây ra tổn thất lớn và đôi khi gây ra tai nạn nghiêm trọng. Bằng cách sử dụng bộ ghép quang cách điện cao để chuyển mạch, có thể giảm thiểu tác động đến các mạch và thiết bị khác.
Thứ hai, cách lựa chọn và sử dụng bộ ghép quang
Làm thế nào để sử dụng optocoupler phù hợp cho ứng dụng trong thiết kế sản phẩm? Các kỹ sư phát triển vi điều khiển sau đây sẽ giải thích cách lựa chọn và sử dụng optocoupler.
① Luôn mở và luôn đóng
Có hai loại bộ ghép quang: loại công tắc tắt (off) khi không có điện áp, loại công tắc bật (off) khi có điện áp và loại công tắc bật khi không có điện áp. Bật và tắt khi có điện áp.
Cái trước gọi là thường mở, cái sau gọi là thường đóng. Cách lựa chọn, trước tiên phụ thuộc vào loại mạch bạn cần.
② Kiểm tra dòng điện đầu ra và điện áp được áp dụng
Bộ ghép quang có đặc tính khuếch đại tín hiệu, nhưng không phải lúc nào cũng đi qua điện áp và dòng điện theo ý muốn. Tất nhiên, nó được định mức, nhưng cần phải áp dụng điện áp từ phía đầu vào theo dòng điện đầu ra mong muốn.
Nếu chúng ta xem bảng dữ liệu sản phẩm, chúng ta có thể thấy một biểu đồ trong đó trục dọc là dòng điện đầu ra (dòng điện cực góp) và trục ngang là điện áp đầu vào (điện áp cực góp-cực phát). Dòng điện cực góp thay đổi tùy theo cường độ ánh sáng LED, vì vậy hãy áp dụng điện áp theo dòng điện đầu ra mong muốn.
Tuy nhiên, bạn có thể nghĩ rằng dòng điện đầu ra được tính toán ở đây nhỏ một cách đáng ngạc nhiên. Đây là giá trị dòng điện vẫn có thể được đầu ra một cách đáng tin cậy sau khi tính đến sự suy giảm của đèn LED theo thời gian, vì vậy nó nhỏ hơn định mức tối đa.
Ngược lại, có những trường hợp dòng điện đầu ra không lớn. Do đó, khi lựa chọn bộ ghép quang, hãy chắc chắn kiểm tra cẩn thận “dòng điện đầu ra” và chọn sản phẩm phù hợp.
③ Dòng điện tối đa
Dòng điện dẫn tối đa là giá trị dòng điện tối đa mà bộ ghép quang có thể chịu được khi dẫn điện. Một lần nữa, chúng ta cần đảm bảo rằng chúng ta biết dự án cần bao nhiêu đầu ra và điện áp đầu vào là bao nhiêu trước khi mua. Đảm bảo rằng giá trị tối đa và dòng điện được sử dụng không phải là giới hạn, nhưng có một số biên độ.
④ Cài đặt bộ ghép quang đúng cách
Sau khi chọn đúng bộ ghép quang, hãy sử dụng nó trong một dự án thực tế. Bản thân việc lắp đặt rất dễ dàng, chỉ cần kết nối các đầu nối được kết nối với từng mạch đầu vào và mạch đầu ra. Tuy nhiên, cần lưu ý không để nhầm hướng đầu vào và đầu ra. Do đó, bạn cũng phải kiểm tra các ký hiệu trong bảng dữ liệu, để bạn không thấy chân ghép quang điện bị sai sau khi vẽ bảng PCB.
Thời gian đăng: 29-07-2023