โฟโตคัปเปลอร์คืออะไร จะเลือกและใช้โฟโตคัปเปลอร์ได้อย่างไร?

ออปโตคัปเปลอร์ซึ่งเชื่อมต่อวงจรโดยใช้สัญญาณแสงเป็นสื่อ เป็นองค์ประกอบที่ทำงานในพื้นที่ที่ขาดความแม่นยำสูง เช่น อะคูสติก การแพทย์ และอุตสาหกรรม เนื่องจากมีความสามารถรอบด้านและความน่าเชื่อถือสูง เช่น ความทนทานและฉนวน

แต่ออปโตคัปเปลอร์จะทำงานเมื่อใดและภายใต้สถานการณ์ใด และอะไรคือหลักการที่อยู่เบื้องหลัง หรือเมื่อคุณใช้โฟโตคัปเปลอร์ในงานอิเล็กทรอนิกส์ของคุณเองจริงๆ คุณอาจไม่รู้ว่าจะเลือกและใช้งานอย่างไร เพราะออปโตคัปเปลอร์มักสับสนกับ "โฟโตทรานซิสเตอร์" และ "โฟโตไดโอด" ดังนั้นโฟโตคัปเปลอร์คืออะไรเราจะแนะนำในบทความนี้
โฟโตคัปเปลอร์คืออะไร?

ออปโตคัปเปลอร์เป็นส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์ที่มีนิรุกติศาสตร์เกี่ยวกับแสง

Coupler ซึ่งหมายถึง "การเชื่อมต่อกับแสง" บางครั้งเรียกอีกอย่างว่าออปโตคัปเปลอร์ ตัวแยกแสง ฉนวนกันแสง ฯลฯ ประกอบด้วยองค์ประกอบเปล่งแสงและองค์ประกอบรับแสง และเชื่อมต่อวงจรด้านอินพุตและวงจรด้านเอาต์พุตผ่านสัญญาณแสง ไม่มีการเชื่อมต่อทางไฟฟ้าระหว่างวงจรเหล่านี้ กล่าวอีกนัยหนึ่ง ในสถานะของฉนวน ดังนั้นการเชื่อมต่อวงจรระหว่างอินพุตและเอาต์พุตจึงแยกจากกันและส่งสัญญาณเท่านั้น เชื่อมต่อวงจรอย่างปลอดภัยด้วยระดับแรงดันไฟฟ้าอินพุตและเอาต์พุตที่แตกต่างกันอย่างมาก พร้อมฉนวนไฟฟ้าแรงสูงระหว่างอินพุตและเอาต์พุต

นอกจากนี้การส่งหรือปิดกั้นสัญญาณไฟนี้จะทำหน้าที่เป็นสวิตช์ หลักการและกลไกโดยละเอียดจะอธิบายในภายหลัง แต่องค์ประกอบการเปล่งแสงของโฟโตคัปเปลอร์คือ LED (ไดโอดเปล่งแสง)

ตั้งแต่ปี 1960 ถึง 1970 เมื่อไฟ LED ถูกประดิษฐ์ขึ้นและความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีมีความสำคัญออปโตอิเล็กทรอนิกส์กลายเป็นความเจริญ ต่างๆในสมัยนั้นอุปกรณ์ออปติคัลถูกประดิษฐ์ขึ้น และตัวต่อโฟโตอิเล็กทริคก็เป็นหนึ่งในนั้น ต่อจากนั้นออปโตอิเล็กทรอนิกส์ก็แทรกซึมเข้ามาในชีวิตของเราอย่างรวดเร็ว

① หลักการ/กลไก

หลักการของออปโตคัปเปลอร์คือองค์ประกอบเปล่งแสงจะแปลงสัญญาณไฟฟ้าอินพุตเป็นแสง และองค์ประกอบรับแสงจะส่งสัญญาณไฟฟ้าแสงด้านหลังไปยังวงจรด้านเอาต์พุต องค์ประกอบเปล่งแสงและองค์ประกอบรับแสงอยู่ที่ด้านในของบล็อกแสงภายนอก และทั้งสองอยู่ตรงข้ามกันเพื่อส่งผ่านแสง

เซมิคอนดักเตอร์ที่ใช้ในองค์ประกอบเปล่งแสงคือ LED (ไดโอดเปล่งแสง) ในทางกลับกัน มีสารกึ่งตัวนำหลายประเภทที่ใช้ในอุปกรณ์รับแสง ขึ้นอยู่กับสภาพแวดล้อมการใช้งาน ขนาดภายนอก ราคา ฯลฯ แต่โดยทั่วไปแล้วที่นิยมใช้กันมากที่สุดคือโฟโต้ทรานซิสเตอร์

เมื่อไม่ทำงาน โฟโตทรานซิสเตอร์จะส่งกระแสไฟเพียงเล็กน้อยเหมือนกับที่เซมิคอนดักเตอร์ทั่วไปทำ เมื่อแสงตกกระทบที่นั่น โฟโตทรานซิสเตอร์จะสร้างแรงโฟโตอิเล็กโตรโมทีฟบนพื้นผิวของเซมิคอนดักเตอร์ชนิด P และเซมิคอนดักเตอร์ชนิด N รูในเซมิคอนดักเตอร์ชนิด N จะไหลเข้าสู่บริเวณ p ส่วนเซมิคอนดักเตอร์อิเล็กตรอนอิสระในบริเวณ p จะไหล เข้าสู่บริเวณ n แล้วกระแสน้ำจะไหล

โฟโตทรานซิสเตอร์ไม่ตอบสนองเท่ากับโฟโตไดโอด แต่ยังมีผลในการขยายเอาต์พุตเป็นหลายร้อยถึง 1,000 เท่าของสัญญาณอินพุต (เนื่องจากสนามไฟฟ้าภายใน) ดังนั้นพวกมันจึงมีความไวพอที่จะรับสัญญาณได้แม้แต่สัญญาณอ่อนๆ ซึ่งเป็นข้อได้เปรียบ

จริงๆ แล้ว “ตัวกั้นแสง” ที่เราเห็นนั้นเป็นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่มีหลักการและกลไกเดียวกัน

อย่างไรก็ตาม ตัวขัดขวางแสงมักจะใช้เป็นเซ็นเซอร์และทำหน้าที่โดยการส่งผ่านวัตถุที่กั้นแสงระหว่างองค์ประกอบที่เปล่งแสงและองค์ประกอบที่รับแสง ตัวอย่างเช่น สามารถใช้ตรวจจับเหรียญและธนบัตรในตู้จำหน่ายสินค้าอัตโนมัติและตู้เอทีเอ็ม

② คุณสมบัติ

เนื่องจากออปโตคัปเปลอร์ส่งสัญญาณผ่านแสง ฉนวนระหว่างด้านอินพุตและด้านเอาต์พุตจึงเป็นคุณสมบัติที่สำคัญ ฉนวนสูงไม่ได้รับผลกระทบจากเสียงรบกวนได้ง่าย แต่ยังป้องกันกระแสไฟฟ้าไหลโดยไม่ตั้งใจระหว่างวงจรที่อยู่ติดกัน ซึ่งมีประสิทธิภาพอย่างมากในแง่ของความปลอดภัย และโครงสร้างเองก็ค่อนข้างเรียบง่ายและสมเหตุสมผล

เนื่องจากมีประวัติอันยาวนาน กลุ่มผลิตภัณฑ์ที่หลากหลายจากผู้ผลิตหลายรายจึงเป็นข้อได้เปรียบที่เป็นเอกลักษณ์ของออปโตคัปเปลอร์ เนื่องจากไม่มีการสัมผัสทางกายภาพ การสึกหรอระหว่างชิ้นส่วนจึงมีน้อยและมีอายุการใช้งานยาวนานขึ้น ในทางกลับกัน ยังมีคุณลักษณะที่ประสิทธิภาพการส่องสว่างผันผวนได้ง่าย เนื่องจาก LED จะค่อยๆ เสื่อมลงตามกาลเวลาและการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ

โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อส่วนประกอบภายในของพลาสติกใสเป็นเวลานาน มีเมฆมาก จะทำให้แสงไม่ดีมาก อย่างไรก็ตาม ไม่ว่าในกรณีใด อายุการใช้งานจะยาวนานเกินไปเมื่อเทียบกับหน้าสัมผัสของหน้าสัมผัสทางกล

โดยทั่วไปโฟโตทรานซิสเตอร์จะช้ากว่าโฟโตไดโอด ดังนั้นจึงไม่ได้ใช้สำหรับการสื่อสารความเร็วสูง อย่างไรก็ตาม นี่ไม่ใช่ข้อเสีย เนื่องจากส่วนประกอบบางอย่างมีวงจรขยายสัญญาณที่ฝั่งเอาต์พุตเพื่อเพิ่มความเร็ว ที่จริงแล้ววงจรอิเล็กทรอนิกส์บางวงจรไม่จำเป็นต้องเพิ่มความเร็ว

3 การใช้งาน

ข้อต่อโฟโตอิเล็กทริคส่วนใหญ่จะใช้สำหรับการดำเนินการสลับ วงจรจะได้รับพลังงานโดยการเปิดสวิตช์ แต่จากมุมมองของคุณลักษณะข้างต้น โดยเฉพาะฉนวนและอายุการใช้งานที่ยาวนาน เหมาะอย่างยิ่งกับสถานการณ์ที่ต้องการความน่าเชื่อถือสูง ตัวอย่างเช่น เสียงเป็นศัตรูกับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ทางการแพทย์และอุปกรณ์เครื่องเสียง/อุปกรณ์สื่อสาร

นอกจากนี้ยังใช้ในระบบขับเคลื่อนมอเตอร์อีกด้วย สาเหตุของมอเตอร์คือความเร็วจะถูกควบคุมโดยอินเวอร์เตอร์เมื่อขับเคลื่อน แต่จะสร้างเสียงรบกวนเนื่องจากมีเอาต์พุตสูง เสียงนี้ไม่เพียงแต่ทำให้มอเตอร์ทำงานผิดปกติเท่านั้น แต่ยังไหลผ่าน "กราวด์" ที่ส่งผลต่ออุปกรณ์ต่อพ่วงอีกด้วย โดยเฉพาะอย่างยิ่งอุปกรณ์ที่มีสายไฟยาวจะรับสัญญาณเสียงเอาท์พุตสูงได้ง่าย ดังนั้นหากเกิดขึ้นในโรงงาน ก็จะทำให้เกิดการสูญเสียครั้งใหญ่และบางครั้งก็ทำให้เกิดอุบัติเหตุร้ายแรงได้ การใช้ออปโตคัปเปลอร์ที่มีฉนวนสูงในการสลับสามารถลดผลกระทบต่อวงจรและอุปกรณ์อื่นๆ ให้เหลือน้อยที่สุด

ประการที่สอง วิธีการเลือกและใช้ออปโตคัปเปลอร์

จะใช้ออปโตคัปเปลอร์ที่เหมาะสมสำหรับการใช้งานในการออกแบบผลิตภัณฑ์ได้อย่างไร วิศวกรพัฒนาไมโครคอนโทรลเลอร์ต่อไปนี้จะอธิบายวิธีเลือกและใช้ออปโตคัปเปลอร์

1. เปิดและปิดทุกครั้ง

โฟโตคัปเปลอร์มีสองประเภท: ประเภทที่สวิตช์ปิด (ปิด) เมื่อไม่มีการใช้แรงดันไฟฟ้า ประเภทที่สวิตช์เปิด (ปิด) เมื่อใช้แรงดันไฟฟ้า และประเภทที่สวิตช์เปิด จะเปิดขึ้นเมื่อไม่มีแรงดันไฟฟ้า ใช้และปิดเมื่อใช้แรงดันไฟฟ้า

แบบแรกเรียกว่าเปิดตามปกติ และแบบหลังเรียกว่าปิดตามปกติ จะเลือกอย่างไรนั้นขึ้นอยู่กับชนิดของวงจรที่คุณต้องการก่อน

② ตรวจสอบกระแสไฟเอาท์พุตและแรงดันไฟฟ้าที่ใช้

โฟโตคัปเปลอร์มีคุณสมบัติในการขยายสัญญาณ แต่ไม่ได้ผ่านแรงดันและกระแสตามต้องการเสมอไป แน่นอนว่าได้รับการจัดอันดับ แต่ต้องใช้แรงดันไฟฟ้าจากด้านอินพุตตามกระแสเอาต์พุตที่ต้องการ

หากเราดูที่เอกสารข้อมูลผลิตภัณฑ์ เราจะเห็นแผนภูมิโดยที่แกนตั้งคือกระแสไฟขาออก (กระแสคอลเลคเตอร์) และแกนนอนคือแรงดันไฟฟ้าขาเข้า (แรงดันคอลเลกเตอร์-อิมิตเตอร์) กระแสไฟสะสมจะแตกต่างกันไปตามความเข้มของแสง LED ดังนั้นให้ใช้แรงดันไฟฟ้าตามกระแสไฟเอาท์พุตที่ต้องการ

อย่างไรก็ตาม คุณอาจคิดว่ากระแสไฟเอาท์พุตที่คำนวณที่นี่มีขนาดเล็กจนน่าประหลาดใจ นี่คือค่าปัจจุบันที่ยังสามารถส่งออกได้อย่างน่าเชื่อถือหลังจากคำนึงถึงการเสื่อมสภาพของ LED เมื่อเวลาผ่านไป ดังนั้นจึงน้อยกว่าพิกัดสูงสุด

ในทางตรงกันข้ามมีบางกรณีที่กระแสไฟขาออกไม่มาก ดังนั้น เมื่อเลือกออปโตคัปเปลอร์ ต้องแน่ใจว่าได้ตรวจสอบ "กระแสไฟขาออก" อย่างระมัดระวัง และเลือกผลิตภัณฑ์ที่ตรงกัน

3 กระแสสูงสุด

กระแสการนำไฟฟ้าสูงสุดคือค่ากระแสสูงสุดที่ออปโตคัปเปลอร์สามารถทนได้เมื่อดำเนินการ ขอย้ำอีกครั้งว่าเราต้องแน่ใจก่อนว่าโครงการต้องการเอาต์พุตเท่าใด และแรงดันไฟฟ้าอินพุตเป็นเท่าใดก่อนที่เราจะซื้อ ตรวจสอบให้แน่ใจว่าค่าสูงสุดและกระแสที่ใช้ไม่ได้จำกัด แต่มีระยะขอบอยู่บ้าง

④ ตั้งค่าโฟโตคัปเปลอร์อย่างถูกต้อง

เมื่อเลือกออปโตคัปเปลอร์ที่เหมาะสมแล้ว เรามาใช้ในโปรเจ็กต์จริงกันดีกว่า การติดตั้งนั้นง่ายดาย เพียงเชื่อมต่อขั้วต่อที่เชื่อมต่อกับวงจรด้านอินพุตและวงจรด้านเอาท์พุทแต่ละวงจร อย่างไรก็ตาม ควรระมัดระวังไม่ให้ด้านอินพุตและด้านเอาท์พุตคลาดเคลื่อน ดังนั้นคุณต้องตรวจสอบสัญลักษณ์ในตารางข้อมูลด้วยเพื่อไม่ให้พบว่าตีนผีข้อต่อโฟโตอิเล็กทริคผิดหลังจากวาดบอร์ด PCB