โฟโตคัปเปลอร์คืออะไร วิธีเลือกและใช้งานโฟโตคัปเปลอร์อย่างไร?

ออปโตคัปเปลอร์ ซึ่งเชื่อมต่อวงจรโดยใช้สัญญาณแสงเป็นสื่อกลาง เป็นองค์ประกอบที่ใช้งานในด้านต่างๆ ที่ต้องการความแม่นยำสูง เช่น ด้านเสียง การแพทย์ และอุตสาหกรรม เนื่องจากมีความอเนกประสงค์และความน่าเชื่อถือสูง เช่น ความทนทานและการเป็นฉนวนที่ดี

แต่เมื่อใดและภายใต้สถานการณ์ใดที่ออปโตคัปเปลอร์ทำงาน และหลักการเบื้องหลังมันคืออะไร? หรือเมื่อคุณใช้งานออปโตคัปเปลอร์ในงานอิเล็กทรอนิกส์ของคุณเอง คุณอาจไม่รู้วิธีเลือกและใช้งาน เพราะออปโตคัปเปลอร์มักถูกเข้าใจผิดว่าเป็น “โฟโตทรานซิสเตอร์” และ “โฟโตไดโอด” ดังนั้น บทความนี้จะแนะนำว่าออปโตคัปเปลอร์คืออะไร
โฟโตคัปเปลอร์คืออะไร?

ออปโตคัปเปลอร์เป็นชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ที่มีรากศัพท์มาจากคำว่า "ออปติคอล"

คัปเปลอร์ (coupler) หมายถึง “การเชื่อมต่อด้วยแสง” บางครั้งอาจเรียกอีกอย่างว่า ออปโตคัปเปลอร์ (optocoupler), ตัวแยกแสง (optical isolator), ฉนวนแสง (optical insulation) เป็นต้น ประกอบด้วยองค์ประกอบเปล่งแสงและองค์ประกอบรับแสง และเชื่อมต่อวงจรด้านอินพุตและวงจรด้านเอาต์พุตผ่านสัญญาณแสง โดยไม่มีการเชื่อมต่อทางไฟฟ้าใดๆ ระหว่างวงจรเหล่านี้ กล่าวอีกนัยหนึ่งคืออยู่ในสภาวะเป็นฉนวน ดังนั้นการเชื่อมต่อวงจรระหว่างอินพุตและเอาต์พุตจึงแยกจากกัน และมีการส่งผ่านเฉพาะสัญญาณเท่านั้น สามารถเชื่อมต่อวงจรที่มีระดับแรงดันไฟฟ้าอินพุตและเอาต์พุตแตกต่างกันอย่างมากได้อย่างปลอดภัย โดยมีฉนวนแรงดันสูงระหว่างอินพุตและเอาต์พุต

นอกจากนี้ การส่งผ่านหรือการปิดกั้นสัญญาณแสงนี้ยังทำหน้าที่เป็นสวิตช์อีกด้วย หลักการและกลไกโดยละเอียดจะอธิบายในภายหลัง แต่ส่วนประกอบที่เปล่งแสงของโฟโตคัปเปลอร์คือ LED (ไดโอดเปล่งแสง)

ตั้งแต่ทศวรรษ 1960 ถึง 1970 ซึ่งเป็นช่วงที่คิดค้นหลอด LED และมีการพัฒนาทางเทคโนโลยีอย่างมีนัยสำคัญออปโตอิเล็กทรอนิกส์กลายเป็นช่วงเฟื่องฟู ในเวลานั้น มีหลากหลายอุปกรณ์ทางแสงมีการประดิษฐ์อุปกรณ์ต่างๆ ขึ้น และตัวเชื่อมต่อแบบโฟโตอิเล็กทริกก็เป็นหนึ่งในนั้น ต่อมา เทคโนโลยีอิเล็กโทรออปติกก็เข้ามามีบทบาทในชีวิตของเราอย่างรวดเร็ว

① หลักการ/กลไก

หลักการทำงานของออปโตคัปเปลอร์คือ ตัวเปล่งแสงจะแปลงสัญญาณไฟฟ้าขาเข้าให้เป็นแสง และตัวรับแสงจะส่งสัญญาณแสงกลับเป็นสัญญาณไฟฟ้าไปยังวงจรด้านเอาต์พุต ตัวเปล่งแสงและตัวรับแสงจะอยู่ภายในบล็อกแสงภายนอก และทั้งสองส่วนจะอยู่ตรงข้ามกันเพื่อให้สามารถส่งผ่านแสงได้

สารกึ่งตัวนำที่ใช้ในองค์ประกอบเปล่งแสงคือ LED (ไดโอดเปล่งแสง) ในทางกลับกัน มีสารกึ่งตัวนำหลายชนิดที่ใช้ในอุปกรณ์รับแสง ขึ้นอยู่กับสภาพแวดล้อมการใช้งาน ขนาดภายนอก ราคา ฯลฯ แต่โดยทั่วไปแล้ว สารกึ่งตัวนำที่ใช้กันมากที่สุดคือโฟโตทรานซิสเตอร์

เมื่อไม่ได้ทำงาน โฟโตทรานซิสเตอร์จะนำกระแสไฟฟ้าน้อยมากเมื่อเทียบกับสารกึ่งตัวนำทั่วไป เมื่อมีแสงตกกระทบ โฟโตทรานซิสเตอร์จะสร้างแรงเคลื่อนไฟฟ้าจากแสงบนพื้นผิวของสารกึ่งตัวนำชนิด P และชนิด N ประจุบวกในสารกึ่งตัวนำชนิด N จะไหลเข้าสู่บริเวณ p และอิเล็กตรอนอิสระในบริเวณ p จะไหลเข้าสู่บริเวณ n ทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าไหล

โฟโตทรานซิสเตอร์ตอบสนองได้ไม่ไวเท่าโฟโตไดโอด แต่ก็มีคุณสมบัติในการขยายสัญญาณเอาต์พุตให้มากขึ้นหลายร้อยถึง 1,000 เท่าของสัญญาณอินพุต (เนื่องจากสนามไฟฟ้าภายใน) ดังนั้นจึงมีความไวเพียงพอที่จะรับสัญญาณที่อ่อนมากได้ ซึ่งถือเป็นข้อดี

อันที่จริงแล้ว "อุปกรณ์กันแสง" ที่เราเห็นนั้นก็คืออุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่มีหลักการและกลไกเดียวกัน

อย่างไรก็ตาม โดยทั่วไปแล้ว ตัวกั้นแสงมักถูกใช้เป็นเซ็นเซอร์ และทำหน้าที่โดยการวางวัตถุที่กั้นแสงไว้ระหว่างองค์ประกอบที่ปล่อยแสงและองค์ประกอบที่รับแสง ตัวอย่างเช่น สามารถใช้ตรวจจับเหรียญและธนบัตรในเครื่องขายสินค้าอัตโนมัติและตู้เอทีเอ็มได้

② คุณสมบัติ

เนื่องจากออปโตคัปเปลอร์ส่งสัญญาณผ่านแสง ฉนวนระหว่างด้านอินพุตและด้านเอาต์พุตจึงเป็นคุณสมบัติสำคัญ ฉนวนที่ดีจะช่วยป้องกันสัญญาณรบกวนได้ดี และยังป้องกันกระแสไฟฟ้าไหลผ่านวงจรที่อยู่ติดกันโดยไม่ตั้งใจ ซึ่งมีประสิทธิภาพอย่างมากในด้านความปลอดภัย และโครงสร้างของมันก็ค่อนข้างเรียบง่ายและเหมาะสม

เนื่องจากมีประวัติการใช้งานมายาวนาน ผลิตภัณฑ์ที่หลากหลายจากผู้ผลิตหลายรายจึงเป็นข้อได้เปรียบที่โดดเด่นของออปโตคัปเปลอร์ เนื่องจากไม่มีการสัมผัสทางกายภาพ การสึกหรอระหว่างชิ้นส่วนจึงน้อย และอายุการใช้งานยาวนานขึ้น อย่างไรก็ตาม ก็มีข้อเสียคือประสิทธิภาพการส่องสว่างอาจผันผวนได้ง่าย เนื่องจาก LED จะค่อยๆ เสื่อมสภาพลงตามกาลเวลาและการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ

โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อส่วนประกอบภายในที่เป็นพลาสติกใสเกิดการขุ่นมัวเป็นเวลานาน จะทำให้แสงส่องผ่านได้ไม่ดีนัก อย่างไรก็ตาม ในทุกกรณี อายุการใช้งานก็ยาวนานกว่าการสัมผัสทางกลมาก

โดยทั่วไปแล้ว โฟโตทรานซิสเตอร์จะทำงานช้ากว่าโฟโตไดโอด ดังนั้นจึงไม่เหมาะสำหรับการสื่อสารความเร็วสูง อย่างไรก็ตาม นี่ไม่ใช่ข้อเสียเปรียบ เนื่องจากบางส่วนประกอบมีวงจรขยายสัญญาณที่ด้านเอาต์พุตเพื่อเพิ่มความเร็ว อันที่จริงแล้ว วงจรอิเล็กทรอนิกส์ทุกวงจรไม่จำเป็นต้องเพิ่มความเร็วเสมอไป

③ วิธีใช้

ตัวเชื่อมต่อโฟโตอิเล็กทริกโดยส่วนใหญ่แล้วจะใช้สำหรับการสวิตช์การทำงาน วงจรจะได้รับพลังงานเมื่อเปิดสวิตช์ แต่จากมุมมองของคุณลักษณะข้างต้น โดยเฉพาะอย่างยิ่งฉนวนและอายุการใช้งานที่ยาวนาน จึงเหมาะอย่างยิ่งสำหรับสถานการณ์ที่ต้องการความน่าเชื่อถือสูง ตัวอย่างเช่น เสียงรบกวนเป็นศัตรูตัวฉกาจของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ทางการแพทย์และอุปกรณ์เสียง/อุปกรณ์สื่อสาร

นอกจากนี้ยังใช้ในระบบขับเคลื่อนมอเตอร์ด้วย เหตุผลที่ใช้กับมอเตอร์ก็คือ ความเร็วจะถูกควบคุมโดยอินเวอร์เตอร์เมื่อทำงาน แต่จะเกิดเสียงรบกวนเนื่องจากเอาต์พุตสูง เสียงรบกวนนี้ไม่เพียงแต่จะทำให้มอเตอร์เสียหายเท่านั้น แต่ยังไหลผ่าน "กราวด์" ส่งผลกระทบต่ออุปกรณ์ต่อพ่วงด้วย โดยเฉพาะอย่างยิ่ง อุปกรณ์ที่มีสายไฟยาวจะรับสัญญาณรบกวนเอาต์พุตสูงนี้ได้ง่าย ดังนั้นหากเกิดขึ้นในโรงงาน จะทำให้เกิดความเสียหายอย่างมากและบางครั้งอาจก่อให้เกิดอุบัติเหตุร้ายแรงได้ การใช้ออปโตคัปเปลอร์ที่มีฉนวนสูงในการสวิตช์จะช่วยลดผลกระทบต่อวงจรและอุปกรณ์อื่นๆ ได้

ประการที่สอง วิธีการเลือกและใช้งานออปโตคัปเปลอร์

จะเลือกใช้ออปโตคัปเปลอร์ที่เหมาะสมสำหรับการออกแบบผลิตภัณฑ์ได้อย่างไร? วิศวกรพัฒนาไมโครคอนโทรลเลอร์ต่อไปนี้จะอธิบายวิธีการเลือกและใช้งานออปโตคัปเปลอร์

① เปิดตลอดเวลาและปิดตลอดเวลา

โฟโตคัปเปลอร์มีสองประเภท ได้แก่ ประเภทที่สวิตช์จะปิด (ปิด) เมื่อไม่มีแรงดันไฟฟ้า ประเภทที่สวิตช์จะเปิด (ปิด) เมื่อมีแรงดันไฟฟ้า และประเภทที่สวิตช์จะเปิดเมื่อไม่มีแรงดันไฟฟ้า โดยจะเปิดและปิดเมื่อมีแรงดันไฟฟ้า

แบบแรกเรียกว่าแบบเปิดปกติ และแบบหลังเรียกว่าแบบปิดปกติ การเลือกใช้ขึ้นอยู่กับชนิดของวงจรที่คุณต้องการเป็นอันดับแรก

② ตรวจสอบกระแสเอาต์พุตและแรงดันไฟฟ้าที่จ่าย

โฟโตคัปเปลอร์มีคุณสมบัติในการขยายสัญญาณ แต่ไม่ได้หมายความว่าจะส่งผ่านแรงดันและกระแสไฟฟ้าได้ตามต้องการเสมอไป แน่นอนว่ามีการกำหนดค่าไว้แล้ว แต่จำเป็นต้องจ่ายแรงดันจากด้านอินพุตให้สอดคล้องกับกระแสไฟฟ้าขาออกที่ต้องการ

หากเราดูที่เอกสารข้อมูลผลิตภัณฑ์ เราจะเห็นแผนภูมิที่แกนตั้งแสดงกระแสเอาต์พุต (กระแสคอลเลคเตอร์) และแกนนอนแสดงแรงดันอินพุต (แรงดันคอลเลคเตอร์-อีมิเตอร์) กระแสคอลเลคเตอร์จะเปลี่ยนแปลงไปตามความเข้มของแสง LED ดังนั้นจึงต้องปรับแรงดันให้เหมาะสมกับกระแสเอาต์พุตที่ต้องการ

อย่างไรก็ตาม คุณอาจคิดว่ากระแสเอาต์พุตที่คำนวณได้นี้ค่อนข้างน้อยอย่างน่าประหลาดใจ นี่คือค่ากระแสที่ยังคงสามารถจ่ายได้อย่างน่าเชื่อถือหลังจากคำนึงถึงการเสื่อมสภาพของ LED ตามเวลา ดังนั้นจึงน้อยกว่าค่าสูงสุดที่กำหนดไว้

ในทางตรงกันข้าม ก็มีบางกรณีที่กระแสเอาต์พุตไม่สูงมาก ดังนั้น เมื่อเลือกใช้ออปโตคัปเปลอร์ ควรตรวจสอบ "กระแสเอาต์พุต" อย่างละเอียด และเลือกผลิตภัณฑ์ที่ตรงกับความต้องการนั้น

③ กระแสสูงสุด

กระแสไฟฟ้าสูงสุดที่ตัวนำไฟฟ้าแบบออปโตคัปเปลอร์สามารถรับได้ขณะนำไฟฟ้า คือค่ากระแสไฟฟ้าสูงสุดที่ตัวออปโตคัปเปลอร์สามารถรับได้ อีกครั้ง เราต้องแน่ใจว่าเรารู้ว่าโครงการต้องการเอาต์พุตเท่าใดและแรงดันไฟฟ้าขาเข้าเป็นเท่าใดก่อนที่จะซื้อ ตรวจสอบให้แน่ใจว่าค่าสูงสุดและกระแสไฟฟ้าที่ใช้ไม่ใช่ข้อจำกัด แต่ควรมีระยะเผื่อไว้บ้าง

④ ตั้งค่าโฟโตคัปเปลอร์ให้ถูกต้อง

เมื่อเลือกออปโตคัปเปลอร์ที่เหมาะสมแล้ว มาลองใช้ในโครงการจริงกัน การติดตั้งนั้นง่าย เพียงแค่เชื่อมต่อขั้วต่อที่ต่อกับวงจรด้านอินพุตและวงจรด้านเอาต์พุตแต่ละด้าน อย่างไรก็ตาม ควรระมัดระวังอย่าต่อด้านอินพุตและด้านเอาต์พุตผิดด้าน ดังนั้น คุณต้องตรวจสอบสัญลักษณ์ในตารางข้อมูลด้วย เพื่อป้องกันไม่ให้พบว่าขาของออปโตคัปเปลอร์ผิดตำแหน่งหลังจากออกแบบแผงวงจรพิมพ์ (PCB)