Trong bài này chúng ta sẽ cùng tìm hiểu về opto, cấu tạo và nguyên lý hoạt động của nó. Cách ứng dụng opto trong các mạch điện tử như thế nào?
Opto là gì?
Opto (optocoupler) còn gọi là bộ Opto cách li quang là một phần tử bán dẫn thực hiện truyền tín hiệu giữa hai phần mạch bị cách li với nhau về điện bằng cách sử dụng ánh sáng.
Cách li bằng ghép quang học cho phép tránh được sự xâm nhập điện áp cao tới hệ thống thu nhận tín hiệu. Linh kiện thương phẩm hiện đạt được mức cách li vào-ra là 10 KV và đáp ứng với biến đổi ở mức 10 kV/μs.
Các thuật ngữ photocoupler, optocoupler và opto-isolator thường được sử dụng thay thế cho nhau trong tài liệu kỹ thuật và điện tử. Để đơn giản trong kỹ thuật các kỹ sư chỉ gọi chung là opto cho dễ nhớ.
Về lý thuyết mà nói, có sự khác biệt giữa các thuật ngữ optoisolator và optocoupler. Yếu tố phân biệt giữa bộ ghép quang và bộ cách li quang là ở sự chênh lệch điện áp hiệu dụng giữa đầu vào và đầu ra:
- Opto-coupler: Opto-coupler thường được sử dụng để truyền thông tin kỹ thuật số tương tự giữa các mạch trong khi vẫn duy trì sự cách li về điện ở điện thế lên đến 5000 Vôn.
- Opto-isolator: Bộ cách li quang thường được sử dụng trong hệ thống điện và được sử dụng để truyền thông tin tương tự hoặc kỹ thuật số giữa các mạch có điện thế chênh lệch trên 5000 Vôn.
Cấu tạo của Opto
Về cơ bản, bộ cách li quang bao gồm 2 thành phần chính:
- Phần phát ánh sáng: Linh kiện phát ánh sáng ở phía đầu vào lấy tín hiệu đến rồi chuyển nó thành tín hiệu ánh sáng. Điển hình của bộ phát sáng là một điốt phát quang (LED – Light Emitting Diode).
- Phần nhận ánh sáng: Linh kiện dò/phát hiện ánh sáng trong bộ ghép quang sẽ phát hiện/nhận ánh sáng từ linh kiện ở phần phát và chuyển nó trở lại thành tín hiệu điện. Linh kiện nhận ánh sáng có thể là một photodiode, transistor quang, quang trở, SCR quang hoặc TRIAC quang.
Mặt cắt Photocoupler Planar (trên) và silicone dome (dưới)
Bộ phát và dò ánh sáng được điều chỉnh để phù hợp với nhau, có bước sóng phù hợp để đạt được sự ghép nối tối đa.
Bộ ghép quang cũng có thể chứa các mạch điện khác, Ví dụ: nó có thể bao gồm điện trở nối tiếp với đèn LED. Bộ ghép quang cũng có thể bao gồm bộ khuếch đại đầu ra.
Ký hiệu và phân loại Opto
Ký hiệu của Opto
Các loại Opto thông dụng
Opto P521
Cách xác định chân của opto 521: Chân 1 là gần dấu chấm trên mặt opto ( dấu chấm nhỏ lõm xuống), gần chân 1 là chân 2, đối diện chân 1 là chân 3, bên chân 3 là chân 4.
Trong đó:
- 1 là Anode
- 2 là Cathode
- 3 là Emitter (bộ phát)
- 4 collector (bộ thu)
Opto 4N35
Là linh kiện có 6 chân, cách xác định chân tương tự như P521. Opto này có thể điều khiển bằng cả input quang hoặc tín hiệu điều khiển
- 1 là Anode
- 2 là Cathode
- 3 là NC
- 4 là Emitter
- 5 là Collector
- 6 là Base
Opto pc817
Là linh kiện có 4 chân, cách хác định chân tương tự như P521
Hình bên dưới là sơ đồ chân của opto này. Chúng ta dựa vào chấm tròn trên opto là điểm bắt đầu. Đó là điểm đánh dấu chân dương của LED hồng ngoại từ đó xác định các chân khác theo thứ tự như hình.
Opto rãnh là gì?
Là opto có một khoảng trống (rãnh) giữa LED phát và transistor quang thu; bình thường không có vật cản, ánh sáng từ LED phát sẽ truyền đến transistor thu, nhưng nó sẽ bị chặn lại nếu có vật thể nằm trong rãnh này.
Opto phản xạ là gì?
Là opto mà các LED và transistor quang được đặt cùng phía ở bên trong opto, cả hai mặt của chúng hướng ra bên ngoài. Việc truyền tín hiệu giữa LED phát và transistor thu theo nguyên tắc phản xạ ánh sáng qua vật thể phản chiếu (như lớp sơn kim loại thậm chí là sương, khói …) ở phía bên ngoài có khoảng cách phù hợp với led và transistor quang.
Nguyên lý hoạt động của Opto
Nguyên lý hoạt động của photocoupler đơn giản. Có thể lập bằng linh kiện rời gồm một diode phát quang LED hướng luồng sáng vào cửa sổ của một điốt quang hoặc transistor cảm quang (phototransistor), tất cả gói trong vỏ che kín ánh sáng.
Khi LED phát sáng với cường độ sáng nào đó, thì vùng base của transistor cảm quang tiếp nhận ánh sáng và giảm mức điện trở thuần tương đương của transistor, làm dòng qua transistor Ic tăng. Khi đó sẽ có hai mức độ chính:
- Nếu cường độ sáng đủ mạnh, thì transistor cảm quang đạt trạng thái bão hòa. Photocoupler thực hiện truyền tín hiệu logic, và trong thực tế đây là ứng dụng chủ yếu của photocoupler.
- Nếu cường độ sáng đủ yếu, transistor cảm quang không đạt trạng thái bão hòa. Photocoupler thực hiện truyền tín hiệu analog. Chế độ này có thể được sử dụng nhưng không nhiều, vì rằng đường đặc tuyến quan hệ vào-ra có đoạn tuyến tính khá hẹp, không đảm bảo truyền trung thực tín hiệu.
Các photocoupler thương phẩm được chuẩn hóa các đặc trưng kỹ thuật, đặc biệt là mức độ cách li và tốc độ đáp ứng xung để hoạt động trong các thiết bị số.
Cách kiểm tra Opto hư hỏng
Ở đây chúng ta sẽ kiểm tra một opto khi đang làm việc. Chúng ta sẽ lựa chọn một opto thường được sử dụng nhất (PC123 – 4 chân) để kiểm tra tuy nhiên bạn có thể sử dụng nguyên tắc này cho tất cả các opto khác (lưu ý: Bạn nên kiểm tra các thông số kỹ thuật)
Bước 1:
Xác định các chân theo sơ đồ trên, đầu tiên là cực dương và cực âm của đèn LED (trong trường hợp này là chân 1 và 2) và sau đó sử dụng Ôm kế, điều chỉnh ở thang đo ‘X1Ω’, đo giữa hai chân 1 và 2.
Bạn thấy kết quả có 1 chiều mà kim đồng hồ tăng lên đến một giá trị điện trở và khi đổi chiều thì kim đồng hồ không lên (giống như khi bạn kiểm tra một diode). Nếu bạn nhận được kết quả khác thì tức là đèn LED có vấn đề và bạn cần thay opto khác.
Bước 2:
Nếu đèn LED tốt thì chúng ta tiếp tục kiểm tra transistor quang. Bạn có thể đo bằng Ôm kế giống như đèn LED nhưng đo giữa chân 3 và 4. Khi kim đồng hồ chỉ mức giá trị điện trở cao transistor quang (phototransistor) tốt.
Nếu bạn không đọc được gì, là do hầu hết các transistor quang có điện trở cao nên đồng hồ không đo được; khi gặp phải trường hợp này bạn có thể mắc nối tiếp hai Ôm kế để tăng giá trị thang đo. Tuy nhiên vì không phải ai cũng có 2 đồng hồ đo vì vậy bạn có thể dùng phương pháp thực nghiệm thay thế.
Những thông số cần chú ý
Tỷ số truyền dòng điện (CTR):
Một trong những thông số quan trọng của opto là hiệu quả cách li của nó. Tham số này được tối đa hóa bằng sự kết hợp chặt chẽ giữa đèn LED và đèn quang điện (thường hoạt động ở dải hồng ngoại). Hiệu quả cách li của một opto được xác định một cách dễ dàng bởi tỷ số truyền đầu ra-đầu vào (CTR). Tức là tỷ lệ dòng điện đầu ra của IC (được đo tại đầu thu của transistor quang) chia cho số dòng điện đầu vào IF (dòng vào LED thu).
Điện áp cách li đầu vào và đầu ra (Viso):
Chênh lệch điện áp tối đa giữa đầu vào và đầu ra trong khoảng từ 500V đến 4 kV.
Điện áp thu-phát cực đại (VCEmax) :
Đây là điện áp DC tối đa cho phép có thể sử dụng trên đầu ra các bóng bán dẫn. Giá trị có thể thay đổi từ 20V đến 80V.
Băng thông:
Đây là tần số có thể truyền qua opto khi hoạt động ở chế độ bình thường. Tần số thay đổi trong khoảng từ 20 to 500 kHz.
Thời gian đáp ứng:
Chia làm thời gian tăng tr và thời gian giảm t*. Đối với đầu ra transistor quang, tr và t* thường khoảng từ 2-5us.
Ứng dụng của Opto trong thực tế
Các bộ cách li quang học có thể được sử dụng trong bất kỳ trường hợp mà tín hiệu cần truyền qua giữa hai mạch được cách li với nhau. Sự cách li điện giữa hai mạch (tức là hai mạch không có dây dẫn chung) cần phải có một thiết bị để ngăn chặn nhiễu được tạo ra trong quá trình truyền từ mạch này tới mạch kia.
Điều này rất cần thiết cho việc ghép nối giữa các mạch thu thập thông tin điện áp cao và các mạch logic điện áp thấp. Vì các mạch thông tin hầu như sẽ phải tiếp xúc với các nguồn nhiễu và các mạch logic không thể chịu được các tín hiệu nhiễu này.
Phương pháp ghép quang học là loại bỏ sự cần thiết của một tiếp điểm được điều khiển rơle hoặc một máy biến áp cách li, đây là phương pháp truyền thống cách li điện giữa các mạch. Phương pháp ghép quang học là ưu việt trong nhiều ứng dụng bởi vì nó loại bỏ một số nhược điểm của rơle và máy biến áp.
Các opto hoạt động tốt trên các tín hiệu điện áp cao AC, DC. Do đó bộ chuyển đổi tín hiệu sử dụng ghép nối quang học đôi khi còn được gọi là bộ chuyển đổi tín hiệu chung.
Công tắc cách ly dùng Opto DC (opto thường)
Mạch ứng dụng dùng cách li quang
Nhìn vào sơ đồ trên các bạn sẽ thấy, khi tín hiệu đầu vào ở mức 0V thì đèn LED không có dòng điện chạy qua nên không phát sáng. Photo transistor không dẫn điện và có tổng trở rất lớn. Tín hiệu điện áp rơi trên hết trên chân C của photo transistor là VCC.
Khi tín hiệu đầu vào ở mức 5V thì đèn LED sẽ có dòng điện chạy qua nên phát sáng. Ánh sáng này chiếu vào photo transistor làm nó dẫn điện. Trở kháng lúc này của photo transistor rất bé và nó gần như dẫn thông xuống mass làm tín hiệu điện trên chân C sụt về 0V.
Như vậy, qua ví dụ trên các bạn có thể thấy, có thể dùng opto để một tín hiệu 5V điều khiển một tín hiệu VCC thông qua ánh sáng. Hay nói cách khác, thiết bị này cho phép sử dụng một điện áp nhỏ để điều khiển một điện áp lớn hơn.
Trong mạch ví dụ này, điện trở 270kΩ được kết nối bên ngoài được sử dụng để điều khiển độ nhạy ánh sáng của transistor quang. Giá trị của điện trở có thể được chọn để phù hợp với bộ cách li quang đã chọn và độ nhạy chuyển mạch cần thiết. Tụ điện ngăn chặn mọi đột biến hoặc quá độ điện áp không mong muốn có thể dẫn đến việc kích hoạt sai vào cực nền của transistor quang.
Công tắc cách li quang dùng opto AC (Opto triac )
Ngoài việc phát hiện các tín hiệu DC và dữ liệu, bộ cách li Opto-triac có sẵn cũng cho phép điều khiển thiết bị và đèn dùng nguồn AC. Các bộ ghép quang dùng triac quang như MOC3020, có điện áp định mức khoảng 400 vôn, làm cho chúng lý tưởng cho kết nối nguồn điện trực tiếp và dòng điện tối đa khoảng 100mA.
Đối với các tải được cấp nguồn cao hơn, opto-triac có thể được sử dụng để cung cấp xung cổng cho một triac khác lớn hơn thông qua một điện trở hạn chế dòng điện như hình 5.
Mạch ứng dụng dùng cách li quang
Loại cấu hình bộ cách li quang này tạo thành cơ sở của một ứng dụng rơle trạng thái rắn rất đơn giản có thể được sử dụng để điều khiển bất kỳ tải nào được cấp nguồn từ nguồn AC như đèn và động cơ. Cũng không giống như thyristor (SCR), một triac có khả năng dẫn điện trong cả hai nửa của chu kỳ điện áp nguồn AC với khả năng phát hiện điểm về không cho phép tải nhận đầy đủ công suất mà không cần dòng khởi động lớn khi chuyển đổi tải cảm ứng.
Bộ cách li quang là những thiết bị điện tử tuyệt vời cho phép điều khiển các linh kiện như transistor công suất và triac từ cổng ra của PC, chuyển mạch số hoặc từ tín hiệu dữ liệu điện áp thấp chẳng hạn như tín hiệu từ cổng logic. Ưu điểm chính của opto là khả năng cách li điện cao giữa đầu vào và đầu ra cho phép các tín hiệu kỹ thuật số tương đối nhỏ điều khiển điện áp, dòng điện và công suất AC lớn.
Bộ cách li quang có thể được sử dụng với cả tín hiệu DC và AC với bộ cách li quang sử dụng SCR (thyristor) hoặc triac quang vì các linh kiện cảm quang này được thiết kế chủ yếu cho các ứng dụng điều khiển nguồn AC.
Ưu điểm chính của opto dùng SCR quang và triac quang là cách li hoàn toàn khỏi bất kỳ nhiễu hoặc xung điện áp nào hiện diện trên đường dây cung cấp điện AC cũng như phát hiện điểm về không của dạng sóng hình sin giúp giảm dòng chuyển mạch và dòng khởi động bảo vệ bất kỳ chất bán dẫn công suất nào được sử dụng khỏi quá và sốc nhiệt.
Ưu điểm khi sử dụng Opto quang
Optocouplers và Opto-isolator là những thiết bị điện tử tuyệt vời. Ưu điểm chính của bộ ghép quang là khả năng cách ly điện cao. Opto quang cách ly giữa các thiết bị đầu cuối đầu vào và đầu ra. Nó cho phép các tín hiệu tương đối nhỏ điều khiển điện áp, dòng điện AC lớn hơn nhiều.
Bộ ghép quang có thể được sử dụng với cả tín hiệu DC và AC. Thông thường để điều khiển dòng xoay chiều người ta hay sử dụng bộ ghép quang SCR (thyristor) hoặc triac. Vì vậy thiết bị thu quang chủ yếu được thiết kế cho các ứng dụng điều khiển nguồn AC.
Ưu điểm chính của photo-SCRs và photo-triac là cách ly hoàn toàn. Nó có thể cách ly hoàn toàn khỏi bất kỳ nhiễu hoặc xung điện áp nào. Bên cạnh đó nó còn giúp phát hiện điểm không của dạng sóng hình sin. Điều này giúp giảm dòng chuyển mạch và dòng khởi động. Vì vây có thể bảo vệ bất kỳ tải công suất nào khỏi hiện tượng “sốc điện”.
Lời kết
Opto là một thành phần không thể thiếu trong các mạch cách ly, các mạch có điện áp cao. Sử dụng opto cũng tương đối đơn giản.
Nếu cảm thấy bài viết có ích hay đánh giá và chia sẻ cho bạn bè. Đừng quên tham gia nhóm Nghiện lập trình để cùng trao đổi và kết nối nhé!