คู่ "ตัวส่งสัญญาณออปติคัล - ตัวรับแสง" ถูกนำมาใช้ในด้านอิเล็กทรอนิกส์และวิศวกรรมไฟฟ้ามานานแล้ว ส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์ที่เครื่องรับและเครื่องส่งสัญญาณอยู่ในตัวเรือนเดียวกันและมีการเชื่อมโยงทางแสงระหว่างกันเรียกว่าออปโตคัปเปลอร์หรือออปโตคัปเปลอร์
อุปกรณ์ออปโตคัปเปลอร์
ออปโตคัปเปลอร์ประกอบด้วยตัวส่งสัญญาณออปติคัล (อิมิตเตอร์) ช่องสัญญาณออปติคัลและตัวรับสัญญาณออปติคัล โฟโตทรานสมิตเตอร์จะแปลงสัญญาณไฟฟ้าเป็นสัญญาณออปติคัล เครื่องส่งสัญญาณส่วนใหญ่เป็น LED (รุ่นก่อนหน้านี้ใช้หลอดไส้หรือหลอดนีออน) การใช้ LED นั้นไม่มีหลักการ แต่มีความทนทานและเชื่อถือได้มากกว่า
สัญญาณแสงจะถูกส่งผ่านช่องสัญญาณออปติคัลไปยังเครื่องรับ ช่องปิด - เมื่อแสงที่ปล่อยออกมาจากเครื่องส่งไม่เกินร่างกายของออปโตคัปเปลอร์ จากนั้นสัญญาณที่สร้างโดยเครื่องรับจะซิงโครไนซ์กับสัญญาณที่อินพุตของเครื่องส่งสัญญาณช่องดังกล่าวเป็นอากาศหรือเติมด้วยสารออปติกพิเศษ นอกจากนี้ยังมีออปโตคัปเปลอร์ "ยาว" ซึ่งเป็นช่องทางที่ ใยแก้วนำแสง.
หากออปโตคัปเปลอร์ได้รับการออกแบบในลักษณะที่รังสีที่สร้างขึ้นก่อนที่จะถึงตัวรับออกจากตัวเรือนช่องดังกล่าวจะเรียกว่าเปิด ด้วยคุณสามารถบันทึกสิ่งกีดขวางที่เกิดขึ้นในเส้นทางของลำแสงได้
เครื่องตรวจจับแสงจะทำการแปลงสัญญาณออปติคัลกลับเป็นสัญญาณไฟฟ้า เครื่องรับที่ใช้บ่อยที่สุดคือ:
- โฟโตไดโอด มักใช้ในสายสื่อสารดิจิทัล เชื้อสายของพวกเขามีขนาดเล็ก
- โฟโตรีซีสเตอร์ คุณลักษณะของพวกเขาคือการนำไฟฟ้าสองทางของเครื่องรับ กระแสที่ไหลผ่านตัวต้านทานสามารถไปในทิศทางใดทิศทางหนึ่ง
- โฟโต้ทรานซิสเตอร์ คุณลักษณะของอุปกรณ์ดังกล่าวคือความสามารถในการควบคุมกระแสทรานซิสเตอร์ทั้งผ่านออปโตทรานสมิตเตอร์และผ่านวงจรเอาท์พุท ใช้ในโหมดเชิงเส้นและดิจิตอล ออปโตคัปเปลอร์แยกประเภท - พร้อมทรานซิสเตอร์เอฟเฟกต์สนามตรงข้ามขนาน อุปกรณ์ดังกล่าวเรียกว่า โซลิดสเตตรีเลย์.
- โฟโตไทริสเตอร์ ออปโตคัปเปลอร์ดังกล่าวโดดเด่นด้วยกำลังที่เพิ่มขึ้นของวงจรเอาท์พุตและความเร็วในการสวิตชิ่งอุปกรณ์ดังกล่าวใช้ในการควบคุมองค์ประกอบของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังอย่างสะดวก อุปกรณ์เหล่านี้ยังถูกจัดประเภทเป็นโซลิดสเตตรีเลย์
ไมโครชิปออปโตคัปเปลอร์เป็นที่แพร่หลาย - การประกอบออปโตคัปเปลอร์พร้อมสายรัดในแพ็คเกจเดียว ออปโตคัปเปลอร์ดังกล่าวใช้เป็นอุปกรณ์สวิตชิ่งและเพื่อวัตถุประสงค์อื่น
ข้อดีและข้อเสีย
ข้อได้เปรียบประการแรกที่ระบุไว้ในเครื่องมือเกี่ยวกับการมองเห็นคือการไม่มีชิ้นส่วนทางกลซึ่งหมายความว่าในระหว่างการใช้งานจะไม่มีแรงเสียดทาน การสึกหรอ การเกิดประกายไฟของหน้าสัมผัส เช่นเดียวกับในรีเลย์ระบบเครื่องกลไฟฟ้า ออปโตคัปเปลอร์ต่างจากอุปกรณ์อื่นๆ สำหรับการแยกสัญญาณด้วยไฟฟ้า (หม้อแปลง ฯลฯ) ออปโตคัปเปลอร์สามารถทำงานได้ที่ความถี่ต่ำมาก รวมถึงกระแสตรง
นอกจากนี้ ข้อดีของการแยกแสงคือคัปปลิ้งแบบ capacitive และ inductive coupling ที่ต่ำมากระหว่างอินพุตและเอาต์พุต ด้วยเหตุนี้ความน่าจะเป็นของการส่งแรงกระตุ้นและการรบกวนความถี่สูงจึงลดลง การขาดการเชื่อมต่อทางกลและทางไฟฟ้าระหว่างอินพุตและเอาต์พุตทำให้มีความเป็นไปได้ในการแก้ปัญหาทางเทคนิคที่หลากหลายสำหรับการสร้างวงจรควบคุมและสวิตชิ่งแบบไม่สัมผัส
แม้จะมีข้อจำกัดในการออกแบบจริงในแง่ของแรงดันและกระแสสำหรับอินพุตและเอาต์พุต ในทางทฤษฎีแล้ว ไม่มีอุปสรรคพื้นฐานในการเพิ่มคุณสมบัติเหล่านี้ สิ่งนี้ช่วยให้คุณสร้างออปโตคัปเปลอร์สำหรับเกือบทุกงาน
ข้อเสียของออปโตคัปเปลอร์รวมถึงการส่งสัญญาณทางเดียว - เป็นไปไม่ได้ที่จะส่งสัญญาณออปติคัลจากตัวตรวจจับแสงกลับไปยังเครื่องส่งสัญญาณ ทำให้ยากต่อการจัดระบบป้อนกลับตามการตอบสนองของวงจรรับสัญญาณต่อสัญญาณเครื่องส่ง
ปฏิกิริยาของส่วนรับไม่เพียงแต่ได้รับอิทธิพลจากการเปลี่ยนการแผ่รังสีของตัวส่งสัญญาณเท่านั้น แต่ยังส่งผลต่อสถานะของช่องสัญญาณด้วย (ลักษณะที่ปรากฏของวัตถุของบริษัทอื่น การเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติทางแสงของสื่อช่องสัญญาณ ฯลฯ) ผลกระทบดังกล่าวอาจมีลักษณะที่ไม่ใช่ไฟฟ้าได้เช่นกัน สิ่งนี้ขยายความเป็นไปได้ของการใช้ออปโตคัปเปลอร์ และความไม่รู้สึกไวต่อสนามแม่เหล็กไฟฟ้าภายนอกช่วยให้คุณสร้างช่องรับส่งข้อมูลที่มีการป้องกันสัญญาณรบกวนสูง
ข้อเสียเปรียบหลักของออปโตคัปเปลอร์คือประสิทธิภาพพลังงานต่ำที่เกี่ยวข้องกับการสูญเสียสัญญาณระหว่างการแปลงสัญญาณสองเท่า ข้อเสียคือระดับเสียงที่แท้จริงสูง ซึ่งจะช่วยลดความไวของออปโตคัปเปลอร์และจำกัดขอบเขตของแอปพลิเคชันที่ต้องการทำงานกับสัญญาณอ่อน
เมื่อใช้ออปโตคัปเปลอร์ต้องคำนึงถึงอิทธิพลของอุณหภูมิที่มีต่อพารามิเตอร์ด้วย - เป็นสิ่งสำคัญ นอกจากนี้ ข้อเสียของออปโตคัปเปลอร์ยังรวมถึงการเสื่อมสภาพอย่างเห็นได้ชัดขององค์ประกอบระหว่างการใช้งานและการขาดเทคโนโลยีในการผลิตที่เกี่ยวข้องกับการใช้วัสดุเซมิคอนดักเตอร์ต่างๆ ในแพ็คเกจเดียว
ลักษณะของออปโตคัปเปลอร์
พารามิเตอร์ออปโตคัปเปลอร์แบ่งออกเป็นสองประเภท:
- การกำหนดคุณสมบัติของอุปกรณ์ในการส่งสัญญาณ
- การกำหนดลักษณะการแยกระหว่างอินพุตและเอาต์พุต
ประเภทแรกคือค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายโอนปัจจุบัน ขึ้นอยู่กับการแผ่รังสีของ LED ความไวของเครื่องรับและคุณสมบัติของช่องสัญญาณออปติคัล ค่าสัมประสิทธิ์นี้เท่ากับอัตราส่วนของกระแสไฟขาออกต่อกระแสอินพุตและสำหรับออปโตคัปเปลอร์ส่วนใหญ่คือ 0.005 ... 0.2 สำหรับองค์ประกอบทรานซิสเตอร์ ค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายโอนสามารถเข้าถึง 1
หากเราพิจารณาว่าออปโตคัปเปลอร์เป็นแบบสี่ขั้ว แสดงว่าลักษณะอินพุตของมันถูกกำหนดโดย CVC ของออปโต-อิมิตเตอร์ (LED) และเอาต์พุต - โดยลักษณะของตัวรับ ลักษณะการส่งผ่านโดยทั่วไปไม่เป็นเชิงเส้น แต่ออปโตคัปเปลอร์บางประเภทมีส่วนที่เป็นเส้นตรง ดังนั้นส่วนหนึ่งของ CVC ของไดโอดออปโตคัปเปลอร์มีความเป็นเส้นตรงที่ดี แต่ส่วนนี้ไม่ใหญ่มาก
องค์ประกอบของตัวต้านทานยังได้รับการประเมินโดยอัตราส่วนของความต้านทานความมืด (โดยที่กระแสอินพุตเท่ากับศูนย์) ต่อความต้านทานแสง สำหรับออปโตคัปเปลอร์ของไทริสเตอร์ คุณลักษณะที่สำคัญคือกระแสไฟจับยึดขั้นต่ำในสถานะเปิด พารามิเตอร์ที่สำคัญของออปโตคัปเปลอร์ยังรวมถึงความถี่ในการทำงานสูงสุดด้วย
คุณภาพของการแยกด้วยไฟฟ้ามีลักษณะดังนี้:
- แรงดันไฟฟ้าสูงสุดที่ใช้กับอินพุตและเอาต์พุต
- แรงดันไฟฟ้าสูงสุดระหว่างอินพุตและเอาต์พุต
- ความต้านทานของฉนวนระหว่างอินพุตและเอาต์พุต
- ความจุทางเดิน
พารามิเตอร์สุดท้ายระบุถึงความสามารถของสัญญาณไฟฟ้าความถี่สูงที่จะรั่วไหลจากอินพุตไปยังเอาต์พุต โดยผ่านช่องสัญญาณออปติคัล ผ่านความจุระหว่างอิเล็กโทรด
มีพารามิเตอร์ที่ช่วยให้คุณกำหนดความสามารถของวงจรอินพุต:
- แรงดันไฟฟ้าสูงสุดที่สามารถนำไปใช้กับขั้วอินพุต
- กระแสไฟสูงสุดที่ LED สามารถทนได้
- แรงดันตกคร่อม LED ที่พิกัดกระแส;
- Reverse Input Voltage - แรงดันไฟย้อนกลับที่ LED สามารถทนต่อได้
สำหรับวงจรเอาท์พุต ลักษณะเหล่านี้จะเป็นกระแสไฟขาออกและแรงดันไฟสูงสุดที่อนุญาต เช่นเดียวกับกระแสไฟรั่วที่กระแสไฟเข้าเป็นศูนย์
ขอบเขตของออปโตคัปเปลอร์
ออปโตคัปเปลอร์ที่มีช่องสัญญาณแบบปิดถูกนำมาใช้ในกรณีบางอย่าง (ความปลอดภัยทางไฟฟ้า ฯลฯ) จำเป็นต้องมีการแยกส่วนระหว่างแหล่งสัญญาณและด้านรับ ตัวอย่างเช่น ในลูปป้อนกลับ สวิตชิ่งเพาเวอร์ซัพพลาย - สัญญาณถูกนำมาจากเอาต์พุต PSU ที่ป้อนไปยังองค์ประกอบการแผ่รังสีซึ่งความสว่างขึ้นอยู่กับระดับแรงดันไฟฟ้าสัญญาณที่ขึ้นอยู่กับแรงดันไฟขาออกจะถูกนำมาจากเครื่องรับและป้อนไปยังตัวควบคุม PWM
ชิ้นส่วนของวงจรจ่ายไฟของคอมพิวเตอร์ที่มีออปโตคัปเปลอร์สองตัวแสดงอยู่ในรูป ออปโตคัปเปลอร์ IC2 อันดับต้น ๆ จะสร้างข้อเสนอแนะที่ทำให้แรงดันไฟฟ้าคงที่ IC3 ด้านล่างทำงานในโหมดไม่ต่อเนื่องและจ่ายพลังงานให้กับชิป PWM เมื่อมีแรงดันไฟฟ้าสแตนด์บาย
การแยกกัลวานิกระหว่างแหล่งกำเนิดและเครื่องรับยังจำเป็นสำหรับอินเทอร์เฟซทางไฟฟ้ามาตรฐานบางตัว
อุปกรณ์ที่มีช่องเปิดใช้ในการสร้างเซ็นเซอร์สำหรับตรวจจับวัตถุใดๆ (มีกระดาษอยู่ในเครื่องพิมพ์) ลิมิตสวิตช์ ตัวนับ (วัตถุบนสายพานลำเลียง จำนวนฟันเฟืองในการควบคุมเมาส์) เป็นต้น
โซลิดสเตตรีเลย์ถูกใช้ในที่เดียวกับรีเลย์ทั่วไป - สำหรับสวิตชิ่งสัญญาณ แต่การขยายพันธุ์ของพวกมันถูกขัดขวางโดยความต้านทานสูงของช่องสัญญาณในสถานะเปิด พวกเขายังใช้เป็นไดรเวอร์สำหรับองค์ประกอบของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์โซลิดสเตตกำลังสูง (เอฟเฟกต์ภาคสนามอันทรงพลังหรือทรานซิสเตอร์ IGBT)
ออปโตคัปเปลอร์ได้รับการพัฒนาเมื่อกว่าครึ่งศตวรรษก่อน แต่การใช้งานอย่างแพร่หลายเริ่มขึ้นหลังจากที่ LED มีราคาไม่แพงและราคาไม่แพง ตอนนี้ออปโตคัปเปลอร์รุ่นใหม่ทั้งหมดกำลังอยู่ระหว่างการพัฒนา (โดยส่วนใหญ่ไมโครเซอร์กิตจะอิงตามพวกมัน) และขอบเขตของออปโตคัปเปลอร์ก็ขยายออกไปเท่านั้น
บทความที่คล้ายกัน:
