لطالما استخدم الزوج "الباعث البصري - المستقبل البصري" في الإلكترونيات والهندسة الكهربائية. يُطلق على المكون الإلكتروني الذي يوجد فيه جهاز الاستقبال وجهاز الإرسال في نفس السكن ويوجد رابط بصري بينهما ، optocoupler أو optocoupler.
جهاز Optocoupler
يتكون optocoupler من مرسل بصري (باعث) وقناة بصرية ومستقبل إشارة بصرية. يقوم المرسل الضوئي بتحويل الإشارة الكهربائية إلى إشارة ضوئية. جهاز الإرسال في معظم الحالات هو LED (النماذج السابقة استخدمت المصابيح المتوهجة أو النيون). استخدام مصابيح LED غير مبدئي ، لكنها أكثر متانة وموثوقية.
تنتقل الإشارة الضوئية عبر قناة بصرية إلى جهاز الاستقبال. القناة مغلقة - عندما لا يتجاوز الضوء المنبعث من جهاز الإرسال جسم وحدة optocoupler. ثم تتم مزامنة الإشارة التي تم إنشاؤها بواسطة جهاز الاستقبال مع الإشارة عند إدخال جهاز الإرسال.هذه القنوات هي الهواء أو مملوءة بمركب بصري خاص. هناك أيضًا optocouplers "طويل" ، القناة التي يوجد فيها الألياف البصرية.
إذا تم تصميم optocoupler بطريقة تجعل الإشعاع المتولد ، قبل الوصول إلى المستقبل ، يترك السكن ، فإن هذه القناة تسمى مفتوحة. باستخدامه ، يمكنك تسجيل العوائق التي تنشأ في مسار شعاع الضوء.
يقوم جهاز الكشف الضوئي بالتحويل العكسي للإشارة الضوئية إلى إشارة كهربائية. أكثر أجهزة الاستقبال شيوعًا هي:
- الثنائيات الضوئية. تستخدم عادة في خطوط الاتصال الرقمية. نسبهم صغيرة.
- مقاومات ضوئية. ميزتها هي التوصيل ثنائي الاتجاه للمستقبل. يمكن للتيار عبر المقاوم أن يذهب في أي اتجاه.
- الترانزستورات الضوئية. تتمثل إحدى ميزات هذه الأجهزة في القدرة على التحكم في تيار الترانزستور من خلال جهاز الإرسال البصري ومن خلال دائرة الإخراج. تستخدم في الوضعين الخطي والرقمي. نوع منفصل من optocouplers - مع الترانزستورات ذات التأثير الميداني المتوازي. تسمى هذه الأجهزة مرحلات الحالة الصلبة.
- Photothyristors. تتميز أجهزة optocouplers هذه بزيادة طاقة دوائر الإخراج وسرعة تبديلها ؛ تُستخدم هذه الأجهزة بشكل ملائم في التحكم في عناصر إلكترونيات الطاقة. يتم تصنيف هذه الأجهزة أيضًا على أنها مرحلات الحالة الصلبة.
أصبحت الدوائر الدقيقة Optocoupler على نطاق واسع - مجموعات من optocoupler مع الربط في حزمة واحدة. تُستخدم مقارنات البصريات هذه كأجهزة تبديل ولأغراض أخرى.
المميزات والعيوب
الميزة الأولى التي لوحظت في الأدوات البصرية هي عدم وجود أجزاء ميكانيكية.هذا يعني أنه أثناء التشغيل لا يوجد احتكاك أو تآكل أو شرارة ملامسات ، كما هو الحال في المرحلات الكهروميكانيكية. على عكس الأجهزة الأخرى للعزل الجلفاني للإشارات (المحولات ، إلخ) ، يمكن أن تعمل optocouplers عند ترددات منخفضة جدًا ، بما في ذلك التيار المباشر.
بالإضافة إلى ذلك ، فإن ميزة العزلة الضوئية هي الاقتران السعوي المنخفض للغاية والحثي بين المدخلات والمخرجات. نتيجة لذلك ، يتم تقليل احتمال إرسال النبضات والتداخل عالي التردد. يوفر عدم وجود اتصال ميكانيكي وكهربائي بين المدخلات والمخرجات إمكانية وجود مجموعة متنوعة من الحلول التقنية لإنشاء دوائر تحكم وتحويل بدون تلامس.
على الرغم من محدودية التصميمات الحقيقية من حيث الجهد والتيار للمدخلات والمخرجات ، من الناحية النظرية لا توجد عقبات أساسية لزيادة هذه الخصائص. يتيح لك ذلك إنشاء optocouplers لأي مهمة تقريبًا.
تشمل عيوب مقارنات البصريات إرسال إشارة في اتجاه واحد - من المستحيل إرسال إشارة ضوئية من جهاز الكشف الضوئي إلى جهاز الإرسال. هذا يجعل من الصعب تنظيم التغذية الراجعة وفقًا لاستجابة الدائرة المستقبلة لإشارة المرسل.
يمكن أن يتأثر رد فعل الجزء المستقبل ليس فقط بتغيير إشعاع المرسل ، ولكن أيضًا بالتأثير على حالة القناة (ظهور كائنات طرف ثالث ، وتغيير الخصائص البصرية لوسط القناة ، وما إلى ذلك). يمكن أن يكون هذا التأثير أيضًا ذا طبيعة غير كهربائية. هذا يوسع إمكانيات استخدام optocouplers. وتتيح لك الحساسية تجاه المجالات الكهرومغناطيسية الخارجية إنشاء قنوات نقل بيانات ذات مناعة عالية من الضوضاء.
يتمثل العيب الرئيسي في optocouplers في كفاءة الطاقة المنخفضة المرتبطة بخسائر الإشارة أثناء تحويل الإشارة المزدوجة. ومن العيوب أيضًا ارتفاع مستوى الضوضاء الجوهرية. هذا يقلل من حساسية optocouplers ويحد من نطاق تطبيقها حيث يلزم العمل بإشارات ضعيفة.
عند استخدام optocouplers ، يجب أيضًا مراعاة تأثير درجة الحرارة على معلماتها - إنه أمر مهم. بالإضافة إلى ذلك ، تشمل عيوب optocouplers تدهورًا ملحوظًا في العناصر أثناء التشغيل ونقصًا معينًا في التكنولوجيا في الإنتاج المرتبط باستخدام مواد أشباه الموصلات المختلفة في حزمة واحدة.
خصائص optocouplers
تنقسم معلمات Optocoupler إلى فئتين:
- توصيف خصائص الجهاز لإرسال إشارة ؛
- توصيف الفصل بين المدخلات والمخرجات.
الفئة الأولى هي معامل التحويل الحالي. يعتمد ذلك على انبعاثية LED وحساسية جهاز الاستقبال وخصائص القناة البصرية. هذا المعامل يساوي نسبة تيار الإخراج إلى تيار الإدخال وبالنسبة لمعظم أنواع optocouplers هو 0.005 ... 0.2. بالنسبة لعناصر الترانزستور ، يمكن أن يصل معامل النقل إلى 1.
إذا اعتبرنا optocoupler بمثابة أربعة أقطاب ، فإن خاصية الإدخال الخاصة به يتم تحديدها بالكامل بواسطة CVC للباعث البصري (LED) ، والإخراج - من خلال خاصية المستقبل. عادةً ما تكون خاصية التمرير غير خطية ، لكن بعض أنواع مقابس البصريات لها أقسام خطية. لذلك ، جزء من CVC من optocoupler الصمام الثنائي له خطية جيدة ، لكن هذا القسم ليس كبيرًا جدًا.
يتم أيضًا تقييم عناصر المقاوم من خلال نسبة المقاومة المظلمة (مع تيار دخل يساوي الصفر) إلى مقاومة الضوء. بالنسبة لمثبتات البصريات الثايرستور ، فإن السمة المهمة هي الحد الأدنى للتيار المستمر في الحالة المفتوحة. تشمل المعلمات المهمة للمقرن البصري أيضًا أعلى تردد تشغيل.
تتميز جودة العزل الجلفاني بما يلي:
- أقصى جهد مطبق على المدخلات والمخرجات ؛
- أقصى جهد بين المدخلات والمخرجات ؛
- مقاومة العزل بين المدخلات والمخرجات ؛
- قدرة المرور.
تحدد المعلمة الأخيرة قدرة إشارة كهربائية عالية التردد على التسرب من المدخلات إلى المخرجات ، وتجاوز القناة الضوئية ، من خلال السعة بين الأقطاب الكهربائية.
هناك معلمات تسمح لك بتحديد إمكانيات دائرة الإدخال:
- أعلى جهد يمكن تطبيقه على أطراف الإدخال ؛
- الحد الأقصى للتيار الذي يمكن أن يتحمله LED ؛
- انخفاض الجهد عبر الصمام عند التيار المقنن ؛
- جهد الإدخال العكسي - جهد قطبية عكسي يمكن لمصباح LED تحمله.
بالنسبة لدائرة الخرج ، ستكون هذه الخصائص هي الحد الأقصى المسموح به لتيار الإخراج والجهد ، بالإضافة إلى تيار التسرب عند تيار إدخال صفري.
نطاق optocouplers
يتم استخدام Optocouplers مع قناة مغلقة حيث ، لسبب ما (السلامة الكهربائية ، وما إلى ذلك) ، يكون الفصل مطلوبًا بين مصدر الإشارة وجانب الاستقبال. على سبيل المثال ، في حلقات التغذية الراجعة تبديل إمدادات الطاقة - يتم أخذ الإشارة من خرج PSU ، ويتم تغذيتها إلى العنصر المشع ، حيث يعتمد سطوعها على مستوى الجهد.يتم أخذ إشارة اعتمادًا على جهد الخرج من جهاز الاستقبال وتغذيتها إلى وحدة التحكم PWM.
يظهر في الشكل جزء من دائرة إمداد طاقة الكمبيوتر مع اثنين من أدوات التوصيل البصري. ينشئ optocoupler IC2 العلوي ردود فعل تعمل على استقرار الجهد. يعمل IC3 السفلي في وضع منفصل ويزود الطاقة لشريحة PWM عندما يكون الجهد الاحتياطي موجودًا.
مطلوب أيضًا عزل كلفاني بين المصدر والمستقبل من خلال بعض الواجهات الكهربائية القياسية.
تُستخدم الأجهزة ذات القناة المفتوحة لإنشاء أجهزة استشعار لاكتشاف أي كائنات (وجود ورق في الطابعة) ، ومفاتيح حدية ، وعدادات (كائنات على الناقل ، وعدد أسنان التروس في معالجات الماوس) ، إلخ.
تستخدم مرحلات الحالة الصلبة في نفس مكان المرحلات التقليدية - لتبديل الإشارات. لكن انتشارها يعوقه المقاومة العالية للقناة في الحالة المفتوحة. يتم استخدامها أيضًا كمحركات لعناصر إلكترونيات الحالة الصلبة للطاقة (تأثير المجال القوي أو ترانزستورات IGBT).
تم تطوير optocoupler منذ أكثر من نصف قرن ، ولكن بدأ استخدامه على نطاق واسع بعد أن أصبحت مصابيح LED ميسورة التكلفة وغير مكلفة. الآن يتم تطوير جميع الطرز الجديدة من optocouplers (في الغالب ، الدوائر الدقيقة القائمة عليها) ، ويتوسع نطاقها فقط.
مقالات مماثلة:
