Cặp "quang phát - quang thu" từ lâu đã được sử dụng trong kỹ thuật điện - điện tử. Một bộ phận điện tử trong đó bộ thu và bộ phát được đặt trong cùng một vỏ và có một liên kết quang học giữa chúng được gọi là bộ ghép quang hoặc bộ ghép quang.
Nội dung
Thiết bị Optocoupler
Optocoupler bao gồm một bộ phát quang (emitter), một kênh quang và một bộ thu tín hiệu quang. Bộ truyền quang chuyển đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang học. Máy phát trong hầu hết các trường hợp là đèn LED (các mẫu trước đó sử dụng bóng đèn sợi đốt hoặc đèn neon). Việc sử dụng đèn LED là không có kỷ luật, nhưng chúng bền hơn và đáng tin cậy hơn.
Tín hiệu quang được truyền qua một kênh quang đến máy thu. Kênh bị đóng - khi ánh sáng do máy phát phát ra không đi ra ngoài phần thân của optocoupler. Khi đó tín hiệu do máy thu tạo ra được đồng bộ với tín hiệu ở đầu vào máy phát.Các kênh như vậy là không khí hoặc được lấp đầy bằng một hợp chất quang học đặc biệt. Ngoài ra còn có các bộ ghép ảnh "dài", kênh trong đó cáp quang.
Nếu optocoupler được thiết kế theo cách mà bức xạ được tạo ra, trước khi đến máy thu, rời khỏi vỏ, kênh như vậy được gọi là mở. Với nó, bạn có thể đăng ký các chướng ngại vật phát sinh trên đường đi của chùm ánh sáng.
Bộ tách sóng quang thực hiện chuyển đổi nghịch đảo tín hiệu quang thành tín hiệu điện. Các bộ thu được sử dụng phổ biến nhất là:
- Điốt quang. Thường được sử dụng trong các đường truyền thông kỹ thuật số. Dòng dõi của họ nhỏ.
- Cảm biến quang. Đặc điểm của chúng là khả năng dẫn điện hai chiều của máy thu. Dòng điện qua điện trở có thể đi theo một trong hai chiều.
- Biến trở quang. Một tính năng của các thiết bị như vậy là khả năng kiểm soát dòng điện bóng bán dẫn thông qua bộ truyền quang và thông qua mạch đầu ra. Được sử dụng trong cả chế độ tuyến tính và kỹ thuật số. Một loại bộ ghép quang riêng biệt - với các bóng bán dẫn hiệu ứng trường đối lập song song. Những thiết bị như vậy được gọi là Rơle trạng thái rắn.
- Máy đo quang học. Các bộ ghép quang như vậy được phân biệt bằng cách tăng công suất của các mạch đầu ra và tốc độ chuyển mạch của chúng; các thiết bị như vậy được sử dụng thuận tiện trong việc điều khiển các phần tử của điện tử công suất. Các thiết bị này cũng được phân loại là rơ le trạng thái rắn.
Các microcircuits optocoupler đã trở nên phổ biến - tập hợp các optocouplers với dây buộc trong một gói. Bộ ghép quang như vậy được sử dụng làm thiết bị chuyển mạch và cho các mục đích khác.
Ưu điểm và nhược điểm
Ưu điểm đầu tiên được ghi nhận ở dụng cụ quang học là không có các bộ phận cơ khí.Điều này có nghĩa là trong quá trình hoạt động không có ma sát, mài mòn, đánh lửa các tiếp điểm, như trong rơ le điện cơ. Không giống như các thiết bị khác để cách ly tín hiệu bằng điện (máy biến áp, v.v.), bộ ghép quang có thể hoạt động ở tần số rất thấp, bao gồm cả dòng điện một chiều.
Ngoài ra, ưu điểm của cách ly quang là khả năng ghép điện dung và cảm ứng giữa đầu vào và đầu ra rất thấp. Do đó, xác suất truyền xung và nhiễu tần số cao bị giảm. Việc không có kết nối cơ và điện giữa đầu vào và đầu ra cung cấp khả năng có nhiều giải pháp kỹ thuật để tạo ra các mạch điều khiển và chuyển mạch không tiếp xúc.
Mặc dù có giới hạn trong các thiết kế thực tế về điện áp và dòng điện cho đầu vào và đầu ra, về lý thuyết không có trở ngại cơ bản nào để tăng các đặc tính này. Điều này cho phép bạn tạo optocouplers cho hầu hết mọi tác vụ.
Nhược điểm của bộ ghép quang bao gồm truyền tín hiệu một chiều - không thể truyền tín hiệu quang từ bộ tách sóng quang trở lại máy phát. Điều này gây khó khăn cho việc tổ chức phản hồi theo phản hồi của mạch nhận đối với tín hiệu phát.
Phản ứng của bộ phận nhận có thể bị ảnh hưởng không chỉ bằng cách thay đổi bức xạ của máy phát mà còn do ảnh hưởng đến trạng thái của kênh (sự xuất hiện của các đối tượng bên thứ ba, thay đổi đặc tính quang học của môi trường kênh, v.v.). Tác động như vậy cũng có thể có bản chất không điện. Điều này mở rộng khả năng sử dụng optocouplers. Và tính vô cảm với các trường điện từ bên ngoài cho phép bạn tạo các kênh truyền dữ liệu với khả năng chống nhiễu cao.
Nhược điểm chính của bộ ghép quang là hiệu suất năng lượng thấp liên quan đến suy hao tín hiệu trong quá trình chuyển đổi tín hiệu kép. Ngoài ra, một nhược điểm là độ ồn nội tại cao. Điều này làm giảm độ nhạy của bộ ghép quang và giới hạn phạm vi ứng dụng của chúng khi cần làm việc với tín hiệu yếu.
Khi sử dụng optocouplers, ảnh hưởng của nhiệt độ đến các thông số của chúng cũng phải được tính đến - điều này rất quan trọng. Ngoài ra, nhược điểm của bộ ghép quang bao gồm sự xuống cấp đáng kể của các phần tử trong quá trình hoạt động và sự thiếu công nghệ nhất định trong sản xuất liên quan đến việc sử dụng các vật liệu bán dẫn khác nhau trong một gói.
Đặc điểm của optocouplers
Tham số Optocoupler được chia thành hai loại:
- mô tả đặc tính của thiết bị để truyền tín hiệu;
- đặc trưng cho sự phân tách giữa đầu vào và đầu ra.
Loại đầu tiên là hệ số chuyển nhượng hiện tại. Nó phụ thuộc vào độ phát xạ của đèn LED, độ nhạy của máy thu và đặc tính của kênh quang. Hệ số này bằng tỷ lệ giữa dòng điện đầu ra và dòng điện đầu vào và đối với hầu hết các loại bộ ghép quang là 0,005 ... 0,2. Đối với các phần tử bóng bán dẫn, hệ số chuyển giao có thể đạt đến 1.
Nếu chúng ta coi bộ ghép quang là một bốn cực, thì đặc tính đầu vào của nó hoàn toàn được xác định bởi CVC của bộ phát quang (LED), và đầu ra - bởi đặc tính của bộ thu. Đặc tính truyền qua nói chung là không tuyến tính, nhưng một số loại bộ ghép quang có mặt cắt tuyến tính. Vì vậy, một phần của CVC của optocoupler điốt có độ tuyến tính tốt, nhưng phần này không lớn lắm.
Các phần tử điện trở cũng được đánh giá bằng tỷ số giữa điện trở tối (với dòng điện đầu vào bằng 0) với điện trở sáng. Đối với bộ ghép quang thyristor, một đặc tính quan trọng là dòng điện giữ tối thiểu ở trạng thái mở. Các thông số quan trọng của optocoupler cũng bao gồm tần số hoạt động cao nhất.
Chất lượng của cách ly điện được đặc trưng bởi:
- điện áp lớn nhất được áp dụng cho đầu vào và đầu ra;
- điện áp tối đa giữa đầu vào và đầu ra;
- điện trở cách điện giữa đầu vào và đầu ra;
- năng lực thông hành.
Tham số cuối cùng đặc trưng cho khả năng rò rỉ tín hiệu điện cao tần từ đầu vào đến đầu ra, bỏ qua kênh quang, thông qua điện dung giữa các điện cực.
Có các thông số cho phép bạn xác định khả năng của mạch đầu vào:
- điện áp cao nhất có thể được áp dụng cho các thiết bị đầu cuối đầu vào;
- dòng điện tối đa mà đèn LED có thể chịu được;
- sụt áp trên LED ở dòng điện danh định;
- Điện áp đầu vào ngược - Điện áp phân cực ngược mà đèn LED có thể chịu được.
Đối với mạch đầu ra, các đặc tính này sẽ là dòng điện đầu ra và điện áp tối đa cho phép, cũng như dòng điện rò ở dòng điện đầu vào bằng không.
Phạm vi của optocouplers
Bộ ghép quang có kênh đóng được sử dụng khi vì một lý do nào đó (an toàn điện, v.v.), cần phải tách sóng giữa nguồn tín hiệu và phía nhận. Ví dụ, trong các vòng phản hồi chuyển đổi nguồn điện - tín hiệu được lấy từ đầu ra PSU, cấp cho phần tử bức xạ, độ sáng của phần tử này phụ thuộc vào mức điện áp.Một tín hiệu phụ thuộc vào điện áp đầu ra được lấy từ bộ thu và đưa đến bộ điều khiển PWM.
Một đoạn mạch cung cấp điện máy tính với hai bộ ghép quang được thể hiện trong hình. IC2 optocoupler trên cùng tạo ra phản hồi để ổn định điện áp. IC3 phía dưới hoạt động ở chế độ rời rạc và cấp nguồn cho chip PWM khi có điện áp chờ.
Cách ly Galvanic giữa nguồn và máy thu cũng được yêu cầu bởi một số giao diện điện tiêu chuẩn.
Các thiết bị có kênh mở được sử dụng để tạo cảm biến phát hiện bất kỳ vật thể nào (sự hiện diện của giấy trong máy in), công tắc hành trình, bộ đếm (vật thể trên băng tải, số răng trong bộ điều khiển chuột), v.v.
Rơle trạng thái rắn được sử dụng ở cùng một nơi với rơle thông thường - để chuyển đổi tín hiệu. Nhưng sự lan truyền của chúng bị cản trở bởi điện trở cao của kênh ở trạng thái mở. Chúng cũng được sử dụng làm trình điều khiển cho các phần tử của điện tử trạng thái rắn công suất (bóng bán dẫn hiệu ứng trường mạnh hoặc IGBT).
Optocoupler đã được phát triển hơn nửa thế kỷ trước, nhưng việc sử dụng rộng rãi của nó bắt đầu sau khi đèn LED trở nên hợp lý và rẻ tiền. Giờ đây, tất cả các mô hình bộ ghép quang mới đang được phát triển (đối với hầu hết các bộ vi mạch dựa trên chúng) và phạm vi của chúng chỉ đang mở rộng.
Các bài tương tự:
