โฟโตคัปเปลอร์คืออะไร เลือกใช้และใช้งานอย่างไร?

ออปโตคัปเปลอร์ซึ่งเชื่อมต่อวงจรโดยใช้สัญญาณออปติคัลเป็นสื่อกลาง เป็นองค์ประกอบที่ใช้งานในพื้นที่ที่ต้องการความแม่นยำสูง เช่น อะคูสติก การแพทย์ และอุตสาหกรรม เนื่องจากมีความคล่องตัวและความน่าเชื่อถือสูง เช่น ความทนทานและความเป็นฉนวน

แต่ออปโตคัปเปลอร์จะทำงานเมื่อใดและภายใต้สถานการณ์ใด และมีหลักการอย่างไร หรือเมื่อคุณใช้โฟโตคัปเปลอร์ในงานอิเล็กทรอนิกส์ของคุณเอง คุณอาจไม่รู้ว่าจะเลือกและใช้งานอย่างไร เพราะออปโตคัปเปลอร์มักถูกสับสนกับ “โฟโตทรานซิสเตอร์” และ “โฟโตไดโอด” ดังนั้น บทความนี้จะแนะนำโฟโตคัปเปลอร์คืออะไร
โฟโตคัปเปลอร์คืออะไร?

ออปโตคัปเปลอร์เป็นส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์ที่มีรากศัพท์มาจากคำว่าออปติคัล

คัปเปลอร์ ซึ่งหมายถึง "การเชื่อมต่อกับแสง" บางครั้งเรียกว่า ออปโตคัปเปลอร์, ตัวแยกแสง, ฉนวนแสง ฯลฯ คัปเปลอร์ประกอบด้วยส่วนประกอบเปล่งแสงและส่วนประกอบรับแสง เชื่อมต่อวงจรด้านอินพุตและวงจรด้านเอาต์พุตผ่านสัญญาณแสง ไม่มีการเชื่อมต่อทางไฟฟ้าระหว่างวงจรเหล่านี้ กล่าวอีกนัยหนึ่งคือ อยู่ในสถานะฉนวน ดังนั้น การเชื่อมต่อวงจรระหว่างอินพุตและเอาต์พุตจึงแยกจากกัน และมีเพียงสัญญาณเท่านั้นที่ถูกส่ง เชื่อมต่อวงจรที่มีระดับแรงดันไฟฟ้าอินพุตและเอาต์พุตต่างกันอย่างมีนัยสำคัญอย่างปลอดภัย โดยใช้ฉนวนไฟฟ้าแรงสูงระหว่างอินพุตและเอาต์พุต

นอกจากนี้ โฟโตคัปเปลอร์ยังทำหน้าที่เป็นสวิตช์โดยการส่งหรือบล็อกสัญญาณแสงนี้ หลักการและกลไกโดยละเอียดจะอธิบายในภายหลัง แต่ส่วนประกอบเปล่งแสงของโฟโตคัปเปลอร์คือ LED (ไดโอดเปล่งแสง)

ตั้งแต่ทศวรรษ 1960 ถึง 1970 เมื่อมีการประดิษฐ์ LED และมีความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีอย่างมากออปโตอิเล็กทรอนิกส์กลายเป็นบูม ในเวลานั้นมีหลากหลายอุปกรณ์ออปติคัลถูกประดิษฐ์ขึ้น และตัวเชื่อมต่อแบบโฟโตอิเล็กทริกก็เป็นหนึ่งในนั้น ต่อมา ออปโตอิเล็กทรอนิกส์ก็เข้ามามีบทบาทในชีวิตของเราอย่างรวดเร็ว

① หลักการ/กลไก

หลักการของออปโตคัปเปลอร์คือ อุปกรณ์เปล่งแสงจะแปลงสัญญาณไฟฟ้าขาเข้าเป็นแสง และ อุปกรณ์รับแสงจะส่งสัญญาณไฟฟ้ากลับไปยังวงจรด้านขาออก อุปกรณ์เปล่งแสงและตัวรับแสงจะอยู่ด้านในของบล็อกแสงภายนอก และทั้งสองจะอยู่ตรงข้ามกันเพื่อส่งผ่านแสง

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

เมื่อไม่ทำงาน โฟโตทรานซิสเตอร์จะรับกระแสไฟฟ้าได้น้อยมากเมื่อเทียบกับสารกึ่งตัวนำทั่วไป เมื่อแสงตกกระทบ โฟโตทรานซิสเตอร์จะสร้างแรงเคลื่อนไฟฟ้าโฟโตอิเล็กโทรไลต์บนพื้นผิวของสารกึ่งตัวนำชนิด P และสารกึ่งตัวนำชนิด N โฮลในสารกึ่งตัวนำชนิด N จะไหลเข้าสู่บริเวณ p สารกึ่งตัวนำอิเล็กตรอนอิสระในบริเวณ p จะไหลเข้าสู่บริเวณ n และกระแสไฟฟ้าก็จะไหลผ่าน

โฟโตทรานซิสเตอร์ไม่ได้ตอบสนองได้เร็วเท่าโฟโตไดโอด แต่ก็สามารถขยายสัญญาณเอาต์พุตได้หลายร้อยถึง 1,000 เท่าของสัญญาณอินพุต (เนื่องจากสนามไฟฟ้าภายใน) ดังนั้นจึงมีความไวเพียงพอที่จะรับสัญญาณอ่อนๆ ได้ ซึ่งถือเป็นข้อดี

จริงๆ แล้ว “เครื่องบล็อกแสง” ที่เราเห็นก็เป็นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่มีหลักการและกลไกเหมือนกัน

อย่างไรก็ตาม โดยทั่วไปแล้ว ตัวตัดแสง (light interrupter) จะถูกใช้เป็นเซ็นเซอร์ และทำหน้าที่โดยการส่งวัตถุกั้นแสงระหว่างส่วนเปล่งแสงและส่วนรับแสง ตัวอย่างเช่น สามารถใช้ตรวจจับเหรียญและธนบัตรในเครื่องจำหน่ายสินค้าอัตโนมัติและตู้เอทีเอ็มได้

② คุณสมบัติ

เนื่องจากออปโตคัปเปลอร์ส่งสัญญาณผ่านแสง ฉนวนระหว่างด้านอินพุตและด้านเอาต์พุตจึงเป็นคุณสมบัติหลัก ฉนวนที่สูงไม่ได้รับผลกระทบจากสัญญาณรบกวนได้ง่าย แต่ยังช่วยป้องกันการไหลของกระแสไฟฟ้าโดยไม่ได้ตั้งใจระหว่างวงจรที่อยู่ติดกัน ซึ่งมีประสิทธิภาพอย่างยิ่งในด้านความปลอดภัย นอกจากนี้ โครงสร้างยังค่อนข้างเรียบง่ายและสมเหตุสมผล

ด้วยประวัติศาสตร์อันยาวนาน ผลิตภัณฑ์ที่หลากหลายจากผู้ผลิตหลายรายจึงเป็นข้อได้เปรียบเฉพาะตัวของออปโตคัปเปลอร์ เนื่องจากไม่มีการสัมผัสทางกายภาพ การสึกหรอระหว่างชิ้นส่วนจึงน้อยและมีอายุการใช้งานยาวนานขึ้น ในทางกลับกัน ประสิทธิภาพการส่องสว่างของ LED ก็มีความผันผวนได้ง่ายเช่นกัน เนื่องจาก LED จะค่อยๆ เสื่อมสภาพลงตามกาลเวลาและการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ

โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อส่วนประกอบภายในของพลาสติกใสเกิดความขุ่นเป็นเวลานาน แสงที่ได้จะไม่ดีนัก อย่างไรก็ตาม ไม่ว่ากรณีใด อายุการใช้งานก็ยาวนานเกินไปเมื่อเทียบกับหน้าสัมผัสของหน้าสัมผัสเชิงกล

โดยทั่วไปแล้วโฟโตทรานซิสเตอร์จะช้ากว่าโฟโตไดโอด จึงไม่นิยมใช้ในการสื่อสารความเร็วสูง อย่างไรก็ตาม นี่ไม่ใช่ข้อเสีย เนื่องจากอุปกรณ์บางชิ้นมีวงจรขยายสัญญาณที่ด้านเอาต์พุตเพื่อเพิ่มความเร็ว อันที่จริง วงจรอิเล็กทรอนิกส์ไม่จำเป็นต้องเพิ่มความเร็วทั้งหมด

③ การใช้งาน

คัปเปิลโฟโตอิเล็กทริกส่วนใหญ่ใช้สำหรับการทำงานแบบสวิตชิ่ง วงจรจะได้รับพลังงานจากการเปิดสวิตช์ แต่จากคุณสมบัติข้างต้น โดยเฉพาะอย่างยิ่งฉนวนและอายุการใช้งานที่ยาวนาน จึงเหมาะอย่างยิ่งสำหรับสถานการณ์ที่ต้องการความน่าเชื่อถือสูง ตัวอย่างเช่น เสียงรบกวนเป็นศัตรูของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ทางการแพทย์และอุปกรณ์เครื่องเสียง/อุปกรณ์สื่อสาร

นอกจากนี้ยังใช้ในระบบขับเคลื่อนมอเตอร์อีกด้วย เหตุผลของมอเตอร์คืออินเวอร์เตอร์จะควบคุมความเร็วขณะขับเคลื่อน แต่กลับก่อให้เกิดเสียงรบกวนเนื่องจากกำลังขับสูง เสียงรบกวนนี้ไม่เพียงแต่ทำให้ตัวมอเตอร์เสียหายเท่านั้น แต่ยังไหลผ่าน "กราวด์" ที่ส่งผลกระทบต่ออุปกรณ์ต่อพ่วงอีกด้วย โดยเฉพาะอย่างยิ่งอุปกรณ์ที่มีสายไฟยาวจะรับเสียงที่มีกำลังขับสูงนี้ได้ง่าย ดังนั้นหากเกิดขึ้นในโรงงาน จะทำให้เกิดการสูญเสียพลังงานจำนวนมากและบางครั้งอาจเกิดอุบัติเหตุร้ายแรงได้ การใช้ออปโตคัปเปลอร์ที่มีฉนวนหุ้มสูงในการสลับจะช่วยลดผลกระทบต่อวงจรและอุปกรณ์อื่นๆ

ประการที่สอง วิธีการเลือกและใช้งานออปโตคัปเปลอร์

จะใช้ออปโตคัปเปลอร์ให้เหมาะสมกับการใช้งานในการออกแบบผลิตภัณฑ์ได้อย่างไร วิศวกรพัฒนาไมโครคอนโทรลเลอร์ต่อไปนี้จะอธิบายวิธีการเลือกและใช้งานออปโตคัปเปลอร์

① เปิดเสมอและปิดเสมอ

โฟโตคัปเปลอร์มีสองประเภท: ประเภทที่สวิตช์จะปิด (off) เมื่อไม่มีแรงดันไฟฟ้า ประเภทที่สวิตช์จะเปิด (off) เมื่อมีแรงดันไฟฟ้า และประเภทที่สวิตช์จะเปิดเมื่อไม่มีแรงดันไฟฟ้า ใช้งานและปิดเมื่อแรงดันไฟฟ้าถูกจ่าย

แบบแรกเรียกว่าปกติเปิด และแบบหลังเรียกว่าปกติปิด วิธีการเลือกขึ้นอยู่กับประเภทของวงจรที่คุณต้องการ

② ตรวจสอบกระแสขาออกและแรงดันไฟฟ้าที่ใช้

โฟโตคัปเปลอร์มีคุณสมบัติในการขยายสัญญาณ แต่ไม่สามารถส่งผ่านแรงดันและกระแสไฟฟ้าได้ตามต้องการ แน่นอนว่ามีพิกัดที่กำหนด แต่จำเป็นต้องจ่ายแรงดันจากด้านอินพุตตามกระแสเอาต์พุตที่ต้องการ

หากดูข้อมูลผลิตภัณฑ์ เราจะเห็นแผนภูมิที่แกนตั้งคือกระแสเอาต์พุต (กระแสคอลเลกเตอร์) และแกนนอนคือแรงดันไฟฟ้าอินพุต (แรงดันคอลเลกเตอร์-อิมิตเตอร์) กระแสคอลเลกเตอร์จะแตกต่างกันไปตามความเข้มของแสง LED ดังนั้นควรใช้แรงดันไฟฟ้าตามกระแสเอาต์พุตที่ต้องการ

อย่างไรก็ตาม คุณอาจคิดว่ากระแสเอาต์พุตที่คำนวณได้นั้นน้อยอย่างน่าประหลาดใจ นี่คือค่ากระแสที่ยังคงสามารถส่งออกได้อย่างน่าเชื่อถือหลังจากคำนึงถึงการเสื่อมสภาพของ LED เมื่อเวลาผ่านไป ดังนั้นจึงต่ำกว่าค่าพิกัดสูงสุด

ในทางกลับกัน มีบางกรณีที่กระแสเอาต์พุตไม่สูงนัก ดังนั้น เมื่อเลือกออปโตคัปเปลอร์ ควรตรวจสอบ “กระแสเอาต์พุต” อย่างละเอียดและเลือกผลิตภัณฑ์ที่ตรงกับกระแสเอาต์พุตนั้น

③ กระแสไฟสูงสุด

กระแสการนำไฟฟ้าสูงสุดคือค่ากระแสสูงสุดที่ออปโตคัปเปลอร์สามารถทนได้ขณะนำไฟฟ้า อีกครั้ง เราต้องตรวจสอบให้แน่ใจว่าโครงการต้องการเอาต์พุตเท่าใดและแรงดันไฟฟ้าขาเข้าเท่าใดก่อนที่จะซื้อ ตรวจสอบให้แน่ใจว่าค่าสูงสุดและกระแสที่ใช้ไม่ใช่ขีดจำกัด แต่ควรมีขอบเขตไว้บ้าง

④ ตั้งค่าโฟโตคัปเปลอร์ให้ถูกต้อง

เมื่อเลือกออปโตคัปเปลอร์ที่ถูกต้องแล้ว เรามาลองใช้จริงกัน การติดตั้งนั้นง่ายมาก เพียงแค่เชื่อมต่อขั้วที่เชื่อมต่อกับวงจรด้านอินพุตและเอาต์พุตแต่ละวงจร อย่างไรก็ตาม ควรระมัดระวังอย่าให้ด้านอินพุตและเอาต์พุตอยู่ในตำแหน่งที่ไม่ถูกต้อง ดังนั้น ควรตรวจสอบสัญลักษณ์ในตารางข้อมูลด้วย เพื่อป้องกันไม่ให้ขาของออปโตคัปเปลอร์ผิดพลาดหลังจากวาดแผงวงจรพิมพ์