โฟโตคัปเปลอร์คืออะไร เลือกใช้และใช้งานโฟโตคัปเปลอร์อย่างไร?

ออปโตคัปเปลอร์ซึ่งเชื่อมต่อวงจรโดยใช้สัญญาณออปติคอลเป็นสื่อ ถือเป็นองค์ประกอบที่ใช้งานในพื้นที่ที่ต้องใช้ความแม่นยำสูง เช่น ด้านอะคูสติก การแพทย์ และอุตสาหกรรม เนื่องจากมีความคล่องตัวและความน่าเชื่อถือสูง เช่น ความทนทานและเป็นฉนวนไฟฟ้า

แต่เมื่อใดและภายใต้สถานการณ์ใดที่ออปโตคัปเปลอร์จะทำงาน และมีหลักการอย่างไร หรือเมื่อคุณใช้โฟโตคัปเปลอร์ในการทำงานอิเล็กทรอนิกส์ของคุณเอง คุณอาจไม่รู้ว่าจะเลือกและใช้งานอย่างไร เนื่องจากออปโตคัปเปลอร์มักถูกสับสนกับ “โฟโตทรานซิสเตอร์” และ “โฟโตไดโอด” ดังนั้น โฟโตคัปเปลอร์คืออะไรจะแนะนำในบทความนี้
โฟโตคัปเปลอร์คืออะไร?

ออปโตคัปเปลอร์เป็นส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์ที่มีรากศัพท์มาจากคำว่าออปติคอล

คัปเปิล ซึ่งหมายถึง "การเชื่อมต่อกับแสง" บางครั้งเรียกว่าออปโตคัปเปิล ตัวแยกแสง ฉนวนแสง ฯลฯ ประกอบด้วยองค์ประกอบเปล่งแสงและองค์ประกอบรับแสง และเชื่อมต่อวงจรด้านอินพุตและวงจรด้านเอาต์พุตผ่านสัญญาณแสง ไม่มีการเชื่อมต่อไฟฟ้าระหว่างวงจรเหล่านี้ กล่าวอีกนัยหนึ่ง ในสถานะของฉนวน ดังนั้น การเชื่อมต่อวงจรระหว่างอินพุตและเอาต์พุตจึงแยกจากกัน และส่งสัญญาณเท่านั้น เชื่อมต่อวงจรที่มีระดับแรงดันไฟฟ้าอินพุตและเอาต์พุตต่างกันอย่างมีนัยสำคัญอย่างปลอดภัยด้วยฉนวนแรงดันไฟฟ้าสูงระหว่างอินพุตและเอาต์พุต

นอกจากนี้ การส่งหรือบล็อกสัญญาณแสงนี้ยังทำหน้าที่เป็นสวิตช์อีกด้วย หลักการและกลไกโดยละเอียดจะอธิบายในภายหลัง แต่ส่วนประกอบเปล่งแสงของโฟโตคัปเปลอร์คือ LED (ไดโอดเปล่งแสง)

ตั้งแต่ทศวรรษ 1960 ถึง 1970 เมื่อมีการประดิษฐ์ LED และมีความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีอย่างมากออปโตอิเล็กทรอนิกส์กลายเป็นบูม ในช่วงเวลานั้น มีหลากหลายอุปกรณ์ออปติคอลถูกประดิษฐ์ขึ้น และคัปเปลอร์โฟโตอิเล็กทริกก็เป็นหนึ่งในนั้น ต่อมา ออปโตอิเล็กทรอนิกส์ก็เข้ามามีบทบาทในชีวิตของเราอย่างรวดเร็ว

① หลักการ/กลไก

หลักการของออปโตคัปเปลอร์คือองค์ประกอบเปล่งแสงจะแปลงสัญญาณไฟฟ้าอินพุตเป็นแสง และองค์ประกอบรับแสงจะส่งสัญญาณไฟฟ้ากลับของแสงไปยังวงจรด้านเอาต์พุต องค์ประกอบเปล่งแสงและองค์ประกอบรับแสงจะอยู่ภายในบล็อกแสงภายนอก และทั้งสองจะอยู่ตรงข้ามกันเพื่อส่งแสง

สารกึ่งตัวนำที่ใช้ในองค์ประกอบเปล่งแสงคือ LED (ไดโอดเปล่งแสง) ในทางกลับกัน มีสารกึ่งตัวนำหลายประเภทที่ใช้ในอุปกรณ์รับแสง ขึ้นอยู่กับสภาพแวดล้อมการใช้งาน ขนาดภายนอก ราคา ฯลฯ แต่โดยทั่วไป สารกึ่งตัวนำที่ใช้กันมากที่สุดคือโฟโตทรานซิสเตอร์

เมื่อไม่ทำงาน โฟโตทรานซิสเตอร์จะรับกระแสไฟฟ้าได้เพียงเล็กน้อยเมื่อเทียบกับเซมิคอนดักเตอร์ทั่วไป เมื่อแสงตกกระทบที่บริเวณดังกล่าว โฟโตทรานซิสเตอร์จะสร้างแรงเคลื่อนไฟฟ้าโฟโตบนพื้นผิวของเซมิคอนดักเตอร์ชนิด P และเซมิคอนดักเตอร์ชนิด N โฮลในเซมิคอนดักเตอร์ชนิด N จะไหลเข้าสู่บริเวณ p เซมิคอนดักเตอร์อิเล็กตรอนอิสระในบริเวณ p จะไหลเข้าสู่บริเวณ n และกระแสไฟฟ้าจะไหลผ่าน

โฟโตทรานซิสเตอร์ไม่ตอบสนองเท่ากับโฟโตไดโอด แต่ยังสามารถขยายสัญญาณเอาต์พุตได้เป็นร้อยถึง 1,000 เท่าของสัญญาณอินพุต (เนื่องมาจากสนามไฟฟ้าภายใน) ดังนั้น โฟโตทรานซิสเตอร์จึงมีความไวเพียงพอที่จะรับสัญญาณที่อ่อนได้ ซึ่งถือเป็นข้อดี

จริงๆ แล้ว “เครื่องกั้นแสง” ที่เราเห็นก็เป็นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่มีหลักการและกลไกเหมือนกัน

อย่างไรก็ตาม โดยทั่วไปแล้ว ตัวขัดขวางแสงจะใช้เป็นเซ็นเซอร์และทำหน้าที่โดยส่งวัตถุกั้นแสงระหว่างองค์ประกอบเปล่งแสงและองค์ประกอบรับแสง ตัวอย่างเช่น สามารถใช้ตรวจจับเหรียญและธนบัตรในตู้จำหน่ายสินค้าอัตโนมัติและตู้ ATM ได้

② คุณสมบัติ

เนื่องจากออปโตคัปเปลอร์ส่งสัญญาณผ่านแสง ฉนวนระหว่างด้านอินพุตและด้านเอาต์พุตจึงเป็นคุณสมบัติหลัก ฉนวนที่สูงจะไม่ได้รับผลกระทบจากสัญญาณรบกวนได้ง่าย แต่ยังป้องกันการไหลของกระแสไฟฟ้าโดยไม่ได้ตั้งใจระหว่างวงจรที่อยู่ติดกัน ซึ่งมีประสิทธิภาพอย่างยิ่งในด้านความปลอดภัย และโครงสร้างนั้นค่อนข้างเรียบง่ายและสมเหตุสมผล

เนื่องจากมีประวัติศาสตร์ยาวนาน ผลิตภัณฑ์ที่หลากหลายจากผู้ผลิตต่างๆ จึงเป็นข้อได้เปรียบเฉพาะตัวของออปโตคัปเปลอร์ เนื่องจากไม่มีการสัมผัสทางกายภาพ การสึกหรอระหว่างชิ้นส่วนจึงน้อยและมีอายุการใช้งานยาวนานขึ้น ในทางกลับกัน ยังมีลักษณะเฉพาะอีกประการหนึ่งคือประสิทธิภาพการส่องสว่างผันผวนได้ง่าย เนื่องจาก LED จะเสื่อมสภาพลงอย่างช้าๆ เมื่อเวลาผ่านไปและอุณหภูมิเปลี่ยนแปลง

โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อส่วนประกอบภายในของพลาสติกใสขุ่นมัวเป็นเวลานาน จะไม่สามารถให้แสงได้ดีนัก อย่างไรก็ตาม ในทุกกรณี อายุการใช้งานจะยาวนานเกินไปเมื่อเทียบกับการสัมผัสของการสัมผัสทางกล

โดยทั่วไปแล้วโฟโตทรานซิสเตอร์จะทำงานช้ากว่าโฟโตไดโอด ดังนั้นจึงไม่ค่อยได้ใช้ในการสื่อสารความเร็วสูง อย่างไรก็ตาม นี่ไม่ใช่ข้อเสีย เนื่องจากส่วนประกอบบางส่วนมีวงจรขยายสัญญาณที่ด้านเอาต์พุตเพื่อเพิ่มความเร็ว ในความเป็นจริง วงจรอิเล็กทรอนิกส์ไม่จำเป็นต้องเพิ่มความเร็วทั้งหมด

③ การใช้งาน

คัปเปิลไฟฟ้าส่วนใหญ่ใช้สำหรับการทำงานแบบสวิตชิ่ง วงจรจะได้รับพลังงานจากการเปิดสวิตช์ แต่จากมุมมองของคุณสมบัติข้างต้น โดยเฉพาะฉนวนและอายุการใช้งานที่ยาวนาน จึงเหมาะอย่างยิ่งสำหรับสถานการณ์ที่ต้องการความน่าเชื่อถือสูง ตัวอย่างเช่น เสียงรบกวนเป็นศัตรูของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ทางการแพทย์และอุปกรณ์เสียง/อุปกรณ์สื่อสาร

นอกจากนี้ยังใช้ในระบบขับเคลื่อนมอเตอร์ เหตุผลของมอเตอร์คือความเร็วจะถูกควบคุมโดยอินเวอร์เตอร์เมื่อขับเคลื่อน แต่จะสร้างเสียงรบกวนเนื่องจากเอาต์พุตสูง เสียงรบกวนนี้จะไม่เพียงแต่ทำให้ตัวมอเตอร์เสียหายเท่านั้น แต่ยังไหลผ่าน "กราวด์" ที่ส่งผลกระทบต่ออุปกรณ์ต่อพ่วง โดยเฉพาะอย่างยิ่ง อุปกรณ์ที่มีสายไฟยาวจะรับเสียงรบกวนเอาต์พุตสูงนี้ได้ง่าย ดังนั้นหากเกิดขึ้นในโรงงาน จะทำให้เกิดการสูญเสียครั้งใหญ่และบางครั้งอาจเกิดอุบัติเหตุร้ายแรงได้ การใช้ออปโตคัปเปลอร์ที่มีฉนวนหุ้มสูงสำหรับการสลับจะช่วยลดผลกระทบต่อวงจรและอุปกรณ์อื่นๆ ได้

2. วิธีการเลือกและใช้งานออปโตคัปเปลอร์

จะใช้ออปโตคัปเปลอร์ให้เหมาะกับการใช้งานในการออกแบบผลิตภัณฑ์ได้อย่างไร วิศวกรพัฒนาไมโครคอนโทรลเลอร์ต่อไปนี้จะอธิบายวิธีการเลือกและใช้ออปโตคัปเปลอร์

① เปิดเสมอและปิดเสมอ

โฟโตคัปเปลอร์มี 2 ประเภท คือ ประเภทที่ปิดสวิตช์เมื่อไม่มีแรงดันไฟ ประเภทที่ปิดสวิตช์เมื่อแรงดันไฟจ่าย และประเภทที่ปิดสวิตช์เมื่อไม่มีแรงดันไฟจ่าย จ่ายและปิดสวิตช์เมื่อแรงดันไฟจ่าย

แบบแรกเรียกว่าปกติเปิด และแบบหลังเรียกว่าปกติปิด วิธีการเลือกขึ้นอยู่กับประเภทของวงจรที่คุณต้องการก่อน

② ตรวจสอบกระแสไฟขาออกและแรงดันไฟฟ้าที่ใช้

โฟโตคัปเปลอร์มีคุณสมบัติในการขยายสัญญาณ แต่ไม่สามารถส่งผ่านแรงดันไฟและกระแสไฟฟ้าได้ตามต้องการ แน่นอนว่ามีการกำหนดระดับ แต่ต้องใช้แรงดันไฟจากด้านอินพุตตามกระแสไฟขาออกที่ต้องการ

หากเราดูแผ่นข้อมูลผลิตภัณฑ์ เราจะเห็นแผนภูมิที่แกนแนวตั้งคือกระแสเอาต์พุต (กระแสคอลเลกเตอร์) และแกนแนวนอนคือแรงดันไฟฟ้าอินพุต (แรงดันไฟฟ้าคอลเลกเตอร์-ตัวปล่อย) กระแสคอลเลกเตอร์จะเปลี่ยนแปลงตามความเข้มของแสง LED ดังนั้นควรใช้แรงดันไฟฟ้าตามกระแสเอาต์พุตที่ต้องการ

อย่างไรก็ตาม คุณอาจคิดว่ากระแสไฟขาออกที่คำนวณได้นั้นน้อยอย่างน่าประหลาดใจ นี่คือค่ากระแสไฟที่ยังคงสามารถส่งออกได้อย่างน่าเชื่อถือหลังจากคำนึงถึงความเสื่อมสภาพของ LED เมื่อเวลาผ่านไป ดังนั้นจึงน้อยกว่าค่าพิกัดสูงสุด

ในทางกลับกัน มีบางกรณีที่กระแสเอาต์พุตไม่มาก ดังนั้น เมื่อเลือกออปโตคัปเปลอร์ โปรดตรวจสอบ "กระแสเอาต์พุต" อย่างระมัดระวัง และเลือกผลิตภัณฑ์ที่ตรงกัน

③ กระแสไฟสูงสุด

กระแสการนำไฟฟ้าสูงสุดคือค่ากระแสสูงสุดที่ออปโตคัปเปลอร์สามารถทนได้เมื่อนำไฟฟ้า อีกครั้ง เราต้องแน่ใจว่าเราทราบเอาต์พุตที่โครงการต้องการและแรงดันไฟฟ้าขาเข้าเป็นเท่าใดก่อนที่จะซื้อ ตรวจสอบให้แน่ใจว่าค่าสูงสุดและกระแสที่ใช้ไม่ใช่ขีดจำกัด แต่ต้องมีขอบเขตอยู่บ้าง

④ ตั้งค่าโฟโตคัปเปลอร์ให้ถูกต้อง

เมื่อเลือกออปโตคัปเปลอร์ที่ถูกต้องแล้ว เรามาใช้งานจริงกันเลย การติดตั้งนั้นง่ายมาก เพียงแค่เชื่อมต่อขั้วต่อที่เชื่อมต่อกับวงจรด้านอินพุตและด้านเอาต์พุตแต่ละวงจร อย่างไรก็ตาม ควรระวังอย่าให้ด้านอินพุตและด้านเอาต์พุตวางผิดทิศทาง ดังนั้น คุณต้องตรวจสอบสัญลักษณ์ในตารางข้อมูลด้วย เพื่อที่คุณจะไม่พบว่าขาของออปโตคัปเปลอร์นั้นผิดหลังจากวาดแผงวงจรพิมพ์