Các bộ ghép quang, dùng để kết nối các mạch điện bằng tín hiệu quang học, là một thành phần quan trọng trong các lĩnh vực đòi hỏi độ chính xác cao, như âm học, y học và công nghiệp, nhờ tính linh hoạt và độ tin cậy cao, cũng như độ bền và khả năng cách điện.
Nhưng khi nào và trong những trường hợp 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 mình, bạn có thể không biết cách lựa chọn và sử dụng nó. Bởi vì bộ ghép quang thường bị nhầm lẫn với "transistor quang" và "diode quang". Do đó, bài viết này sẽ giới thiệu về bộ ghép quang là gì.
Bộ ghép quang là gì?
Bộ ghép quang là một linh kiện điện tử có nguồn gốc từ thuật ngữ quang học.
Bộ ghép quang, có nghĩa là "ghép nối bằng ánh sáng". Đôi khi nó còn được gọi là optocoupler, bộ cách ly quang học, cách điện quang học, 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 học. Không có kết nối điện giữa các mạch này, nói cách khác, chúng ở trạng thái cách ly. Do đó, kết nối mạch giữa đầu vào và đầu ra là riêng biệt và chỉ có tín hiệu được truyền đi. Nó kết nối an toàn các mạch có mức điện áp đầu vào và đầu ra khác nhau đáng kể, với khả năng cách điện 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 phần tử phát sáng của bộ ghép quang là một đèn LED (điốt phát quang).
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 nên bùng nổ. Vào thời điểm đó, nhiều loạithiết bị quang họcCác thiết bị quang điện đã 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 hoạt động của optocoupler là phần tử phát quang chuyển đổi tín hiệu điện đầu vào thành ánh sáng, và phần tử thu quang truyền ánh sáng trở lại thành tín hiệu điện đến mạch đầu ra. Phần tử phát quang và phần tử thu quang nằm bên trong khối nguồn sáng ngoài, và hai phần tử này đặt đối diện nhau để truyền ánh sáng.
Loại bán dẫn được sử dụng trong các phần tử phát sáng là LED (điốt phát quang). Mặt khác, có rất nhiều loại 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, các transistor quang dẫn một lượng dòng điện rất nhỏ so với các chất bán dẫn thông thường. Khi có ánh sáng chiếu vào, transistor quang tạo ra một sức 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 sẽ di chuyển vào vùng P, các electron tự do trong chất bán dẫn loại P sẽ di chuyển vào vùng N, và dòng điện sẽ chảy.
Transistor quang không nhạy bằng điốt quang, nhưng chúng cũng có tác dụng khuếch đại tín hiệu đầu ra lên hàng trăm đến 1.000 lần tín hiệu đầu vào (do điện trường bên trong). Vì vậy, chúng đủ nhạy để thu nhận cả những tín hiệu yếu, đây là một ưu điểm.
Thực tế, "thiết bị chắn sáng" mà chúng ta thấy là một thiết bị điện tử hoạt động dựa trên nguyên lý và cơ chế tương tự.
Tuy nhiên, các bộ phận chắn sáng thường được sử dụng như cảm biến và thực hiện chức năng của chúng bằng cách đặt một vật cản 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 Đặc điểm
Vì bộ ghép quang truyền tín hiệu thông qua ánh sáng, nên việc cách ly giữa phía đầu vào và phía đầu ra là một đặc điểm quan trọng. Khả năng cách ly cao giúp mạch không dễ bị ảnh hưởng bởi nhiễu, đồng thời ngăn ngừa dòng điện ngẫu nhiên giữa các mạch liền kề, điều này cực kỳ hiệu quả về mặt an toàn. Và cấu trúc của nó tương đối đơn giản và hợp lý.
Nhờ lịch sử lâu đời và sự đa dạng về sản phẩm của nhiều nhà sản xuất, đây cũng là một lợi thế độc đáo của các optocoupler. Do không có tiếp xúc vật lý, sự hao mòn giữa các bộ phận nhỏ, và tuổi thọ cao hơn. Mặt khác, chúng cũng có đặc điểm là hiệu suất phát quang dễ bị dao động, vì đèn LED sẽ dần suy giảm theo thời gian và sự thay đổi nhiệt độ.
Đặc biệt khi các thành phần bên trong của nhựa trong suốt bị mờ đục trong thời gian dài, khả năng truyền ánh sáng sẽ không còn tốt. Tuy nhiên, dù sao thì tuổi thọ của nó vẫn rất dài so với tiếp xúc cơ học.
Transistor quang thường chậm hơn điốt quang, vì vậy chúng không được sử dụng cho truyền thông tốc độ cao. Tuy nhiên, đây không phải là một nhược điểm, vì một số linh kiện 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 Cách sử dụng
Bộ ghép quang điệnChúng chủ yếu được sử dụng cho các thao tác chuyển mạch. Mạch sẽ được cấp điện khi bật công tắc, nhưng xét về các đặc điểm nêu trên, đặc biệt là khả năng cách điện và tuổi thọ cao, chúng rất phù hợp với các trường hợp đòi hỏi độ tin cậy cao. Ví dụ, nhiễu 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 điều khiển động cơ. Lý do là tốc độ của động cơ được điều khiển bởi biến tần khi hoạt động, nhưng nó tạo ra tiếng ồn do công suất đầu ra cao. Tiếng ồn này không chỉ gây hỏng động cơ mà còn truyền qua "nối đất" ảnh hưởng đến các thiết bị ngoại vi. Đặc biệt, các thiết bị có dây dẫn dài rất dễ bị ảnh hưởng bởi tiếng ồn đầu ra cao này, vì vậy nếu điều đó 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 các bộ ghép quang có độ cách ly cao để chuyển mạch, tác động lên các mạch và thiết bị khác có thể được giảm thiểu.
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: một loại mà công tắc tắt khi không có điện áp, một loại mà công tắc bật khi có điện áp, và một loại mà công tắc bật khi không có điện áp.
Loại thứ nhất được gọi là thường mở, và loại thứ hai được gọi là thường đóng. Việc lựa chọn loại nào phụ thuộc trước hết vào loại mạch điện bạn cần.
② Kiểm tra dòng điện đầu ra và điện áp đặt vào.
Bộ ghép quang có đặc tính khuếch đại tín hiệu, nhưng không phải lúc nào cũng cho phép điện áp và dòng điện đi qua một cách tùy ý. Tất nhiên, nó có công suất định mức, nhưng cần phải cấp điện áp từ phía đầu vào theo dòng điện đầu ra mong muốn.
Nếu xem bảng thông số kỹ thuật sản phẩm, ta có thể thấy biểu đồ trong đó trục tung là dòng điện đầu ra (dòng điện cực góp) và trục hoành là điện áp đầu vào (điện áp cực góp-cực phát). Dòng điện cực góp thay đổi tùy thuộc vào cường độ ánh sáng của LED, vì vậy hãy cấp điện áp theo dòng điện đầu ra mong muốn.
Tuy nhiên, bạn có thể thấy dòng điện đầu ra được tính toán ở đây khá nhỏ. Đây là giá trị dòng điện vẫn có thể được xuất ra một cách đáng tin cậy sau khi tính đến sự suy giảm của đèn LED theo thời gian, vì vậy nó thấp hơn giá trị định mức tối đa.
Ngược lại, có những trường hợp dòng điện đầu ra không lớn. Do đó, khi chọn optocoupler, hãy chắc chắn kiểm tra kỹ “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 biết rõ dự án cần công suất đầu ra bao nhiêu và điện áp đầu vào là bao nhiêu trước khi mua. Hãy chắc chắn rằng giá trị tối đa và dòng điện sử dụng không phải là giới hạn, mà là có một khoảng an toàn nhất định.
④ Lắp đặt bộ ghép quang đúng cách
Sau khi đã chọn được optocoupler phù hợp, hãy sử dụng nó trong một dự án thực tế. Việc lắp đặt khá dễ dàng, chỉ cần kết nối các đầu cực với mạch phía đầu vào và mạch phía đầu ra. Tuy nhiên, cần cẩn thận để không lắp sai cực đầu vào và cực đầu ra. Do đó, bạn cũng phải kiểm tra các ký hiệu trong bảng dữ liệu để tránh trường hợp lắp sai chân của optocoupler sau khi thiết kế mạch in.
Thời gian đăng bài: 29/7/2023