מהו פוטוקאפלר, כיצד לבחור ולהשתמש בו?

מצמדים אופטיים, המחברים מעגלים באמצעות אותות אופטיים כמדיום, הם אלמנט פעיל בתחומים בהם דיוק גבוה הוא הכרחי, כגון אקוסטיקה, רפואה ותעשייה, בשל הרבגוניות והאמינות הגבוהות שלהם, כגון עמידות ובידוד.

אבל מתי ובאילו נסיבות פועל המצמד האופטי, ומה העיקרון העומד מאחוריו? או שכאשר אתם משתמשים בפועל במצמד הפוטואלקטרי בעבודתכם האלקטרונית, ייתכן שלא תדעו כיצד לבחור ולהשתמש בו. מכיוון שלעתים קרובות מתבלבלים בין מצמד אופטי לבין "פוטו-טרנזיסטור" ו"פוטודיודה". לכן, במאמר זה נציג את מהות המונח "מצמד פוטואלקטרי".
מהו פוטו-קאפלר?

האופטו-מצמד הוא רכיב אלקטרוני שהאטימולוגיה שלו היא אופטית

מצמד, שפירושו "צימוד עם אור". לעיתים ידוע גם כמצמד אופטי, מבודד אופטי, בידוד אופטי וכו'. הוא מורכב מאלמנט פולט אור ואלמנט קולט אור, ומחבר את מעגל צד הקלט למעגל צד הפלט באמצעות אות אופטי. אין חיבור חשמלי בין מעגלים אלה, במילים אחרות, הם במצב של בידוד. לכן, חיבור המעגל בין הקלט לפלט נפרד ורק האות מועבר. חברו בצורה מאובטחת מעגלים עם רמות מתח קלט ופלט שונות באופן משמעותי, עם בידוד מתח גבוה בין הקלט לפלט.

בנוסף, על ידי שידור או חסימה של אות אור זה, הוא פועל כמתג. העיקרון והמנגנון המפורטים יוסברו בהמשך, אך רכיב הפולט האור של הפוטו-קופלר הוא LED (דיודה פולטת אור).

משנות ה-60 ועד שנות ה-70, כאשר הומצאו נורות הלד וההתקדמות הטכנולוגית שלהן הייתה משמעותית,אופטואלקטרוניקההפך לפריחה. באותה תקופה, מגווןמכשירים אופטייםהומצאו, והמצמד הפוטואלקטרי היה אחד מהם. לאחר מכן, אופטואלקטרוניקה חדרה במהירות לחיינו.

① עיקרון/מנגנון

העיקרון של המצמד האופטי הוא שרכיב פולט האור ממיר את האות החשמלי הקלט לאור, ורכיב קולט האור מעביר את האות החשמלי בחזרה למעגל בצד הפלט. רכיב פולט האור ורכיב קולט האור נמצאים בצד הפנימי של גוש האור החיצוני, והשניים נמצאים זה מול זה על מנת להעביר אור.

המוליך למחצה המשמש באלמנטים פולטי אור הוא LED (דיודה פולטת אור). מצד שני, ישנם סוגים רבים של מוליכים למחצה המשמשים במכשירים קולטי אור, בהתאם לסביבת השימוש, גודל חיצוני, מחיר וכו', אך באופן כללי, הנפוץ ביותר הוא פוטוטרנזיסטור.

כאשר אינם פועלים, פוטוטרנזיסטורים נושאים מעט מאוד מהזרם שמעבירים מוליכים למחצה רגילים. כאשר אור פוגע שם, הפוטוטרנזיסטור מייצר כוח פוטו-אלקטרו-מוטיבטיבי על פני השטח של מוליך למחצה מסוג P ומוליך למחצה מסוג N, החורים במוליך למחצה מסוג N זורמים לאזור p, מוליך למחצה אלקטרונים חופשיים באזור p זורמים לאזור n, והזרם יזרום.

פוטוטרנזיסטורים אינם מגיבים כמו פוטודיודות, אך יש להם גם את האפקט של הגברת הפלט פי מאות עד פי אלף מאות ...

למעשה, "חוסם האור" שאנו רואים הוא מכשיר אלקטרוני בעל אותו עיקרון ומנגנון.

עם זאת, מפסקים אור משמשים בדרך כלל כחיישנים ומבצעים את תפקידם על ידי העברת עצם חוסם אור בין הרכיב הפולט אור לרכיב הקולט אור. לדוגמה, ניתן להשתמש בהם לגילוי מטבעות ושטרות כסף במכונות אוטומטיות ובכספומטים.

② תכונות

מכיוון שהמצמד האופטי מעביר אותות דרך אור, הבידוד בין צד הקלט לצד הפלט הוא מאפיין מרכזי. בידוד גבוה אינו מושפע בקלות מרעש, אך גם מונע זרימת זרם מקרית בין מעגלים סמוכים, דבר יעיל ביותר מבחינת בטיחות. והמבנה עצמו פשוט יחסית וסביר.

בשל ההיסטוריה הארוכה שלה, מגוון המוצרים העשיר של יצרנים שונים הוא גם יתרון ייחודי של מצמדים אופטיים. מכיוון שאין מגע פיזי, הבלאי בין החלקים קטן, ואורך החיים ארוך יותר. מצד שני, ישנם גם מאפיינים שבהם יעילות האור משתנה בקלות, מכיוון שה-LED מתדרדר בהדרגה עם חלוף הזמן ושינויי הטמפרטורה.

במיוחד כאשר הרכיב הפנימי של הפלסטיק השקוף הופך עכור במשך זמן רב, האור לא יכול להיות טוב במיוחד. עם זאת, בכל מקרה, אורך החיים ארוך מדי בהשוואה למגע המכאני.

פוטוטרנזיסטורים בדרך כלל איטיים יותר מפוטודיודות, ולכן הם אינם משמשים לתקשורת במהירות גבוהה. עם זאת, אין בכך חיסרון, שכן בחלק מהרכיבים יש מעגלי הגברה בצד הפלט כדי להגביר את המהירות. למעשה, לא כל המעגלים האלקטרוניים צריכים להגביר את המהירות.

③ שימוש

מצמדים פוטואלקטרייםמשמשים בעיקר להפעלת מיתוג. המעגל יופעל על ידי הפעלת המתג, אך מנקודת מבט של המאפיינים הנ"ל, במיוחד בידוד וחיים ארוכים, הוא מתאים היטב לתרחישים הדורשים אמינות גבוהה. לדוגמה, רעש הוא אויב של אלקטרוניקה רפואית וציוד אודיו/תקשורת.

הוא משמש גם במערכות הנעת מנועים. הסיבה למנוע היא שהמהירות נשלטת על ידי הממיר כאשר הוא מונע, אך הוא מייצר רעש עקב התפוקה הגבוהה. רעש זה לא רק יגרום לכשל המנוע עצמו, אלא גם יזרום דרך "האדמה" ויפגע בציוד היקפי. בפרט, ציוד עם חיווט ארוך קליט בקלות את רעש התפוקה הגבוה הזה, כך שאם זה קורה במפעל, זה יגרום להפסדים גדולים ולעיתים יגרום לתאונות קשות. באמצעות מצמדים אופטיים מבודדים מאוד למיתוג, ניתן למזער את ההשפעה על מעגלים והתקנים אחרים.

שנית, כיצד לבחור ולהשתמש במצמדים אופטיים

כיצד להשתמש במצמד אופטי מתאים ליישומים בתכנון מוצר? מהנדסי פיתוח המיקרו-בקרים הבאים יסבירו כיצד לבחור ולהשתמש במצמדים אופטיים.

① תמיד פתוח ותמיד סגור

ישנם שני סוגים של פוטו-קאפלרים: סוג שבו המתג כבוי (off) כאשר אין מתח, סוג שבו המתג מופעל (off) כאשר יש מתח, וסוג שבו המתג מופעל כאשר אין מתח. הפעלה וכבה כאשר יש מתח.

הראשון נקרא פתוח בדרך כלל, והשני נקרא סגור בדרך כלל. כיצד לבחור, ראשית, תלוי בסוג המעגל שאתה צריך.

② בדוק את זרם המוצא ואת המתח המופעל

למצמדים פוטואלקטריים יש את התכונה של הגברת האות, אך הם לא תמיד מעבירים מתח וזרם כרצונם. כמובן, זה מדורג, אך יש להפעיל מתח מצד הקלט בהתאם לזרם המוצא הרצוי.

אם נסתכל על גיליון הנתונים של המוצר, נוכל לראות טבלה שבה הציר האנכי הוא זרם המוצא (זרם קולקטור) והציר האופקי הוא מתח הכניסה (מתח קולקטור-פולט). זרם הקולקטור משתנה בהתאם לעוצמת אור הלד, לכן יש להפעיל את המתח בהתאם לזרם המוצא הרצוי.

עם זאת, ייתכן שתחשבו שזרם המוצא המחושב כאן קטן באופן מפתיע. זהו ערך הזרם שעדיין ניתן להפיק באופן אמין לאחר התחשבות בהידרדרות של נורת ה-LED לאורך זמן, ולכן הוא נמוך מהדירוג המרבי.

להיפך, ישנם מקרים בהם זרם המוצא אינו גדול. לכן, בעת בחירת האופטו-מצמד, יש לוודא בדקתם היטב את "זרם המוצא" ובחירת המוצר המתאים לו.

③ זרם מרבי

זרם ההולכה המרבי הוא ערך הזרם המרבי שהאופטו-מצמד יכול לעמוד בו בזמן הולכה. שוב, עלינו לוודא שאנו יודעים כמה פלט הפרויקט דורש ומהו מתח הכניסה לפני שאנו קונים. ודאו שהערך המרבי והזרם המשמש אינם מגבלות, אלא שיש מרווח מסוים.

④ הגדר את הפוטו-מצמד בצורה נכונה

לאחר שבחרנו את המצמד האופטי הנכון, בואו נשתמש בו בפרויקט אמיתי. ההתקנה עצמה קלה, פשוט חברו את ההדקים המחוברים לכל מעגל בצד הקלט ולכל מעגל בצד הפלט. עם זאת, יש להיזהר לא לכוון לא נכון את צד הקלט וצד הפלט. לכן, עליכם לבדוק גם את הסמלים בטבלת הנתונים, כדי שלא תגלו שרגלית המצמד הפוטואלקטרי שגויה לאחר שרטוט לוח המעגל המודפס.