اپتوکوپلر یک قطعه الکترونیکی است که دو مدار الکتریکی جداگانه را با استفاده از یک رابط نوری حساس به نور به هم متصل می‌کند.
در مقالات ترانسفورماتورها آموختیم که آنها نه تنها می‌توانند ولتاژ را کاهش (یا افزایش) دهند، بلکه “جداسازی الکتریکی” بین ولتاژ بالاتر در سمت اولیه و ولتاژ پایینتر در سمت ثانویه را نیز فراهم می‌کنند.
به عبارت دیگر، ترانسفورماتورها ولتاژ ورودی اولیه را از ولتاژ خروجی ثانویه با استفاده از کوپلینگ الکترومغناطیسی جدا می‌کنند و این با استفاده از شار مغناطیسی در حال گردش در هسته آهنی چند لایه آنها حاصل می‌شود.
همچنین می‌توانیم با استفاده از یک قطعه الکترونیکی بسیار رایج و ارزشمند به نام اپتوکوپلر، جداسازی الکتریکی بین منبع ورودی و بار خروجی را فقط با استفاده از نور فراهم کنیم.
طراحی اولیه یک اپتوکوپلر، که به عنوان جداساز نوری (Opto-isolator) نیز شناخته می‌شود، شامل یک LED است که نور مادون قرمز تولید می‌کند و یک دستگاه حساس به نور نیمه‌هادی که برای تشخیص پرتو مادون قرمز ساتع شده استفاده می‌شود. هر دوی LED و دستگاه حساس به نور در یک بدنه یا پکیج محکم با پایه‌های فلزی برای اتصالات الکتریکی، همانطور که نشان داده شده است، قرار دارند:
یک اپتوکوپلر یا جداساز نوری شامل یک ساتع کننده نور، LED و یک گیرنده حساس به نور است که می‌تواند یک دیود نوری (فتودیود)، ترانزیستور نوری (فتوترانزیستور)، مقاومت نوری (فتورزیستور)، SCR نوری، یا یک ترایاک نوری (فتوترایاک) با عملکرد اولیه باشد و درک عملکرد یک اپتوکوپلر بسیار ساده است.
اپتوکوپلر فتوترانزیستور (Phototransistor)
یک فتوترانزیستور یا ترانزیستور نوری را فرض کنید (همانطور که نشان داده شده است). جریان از سیگنال منبع از طریق LED ورودی عبور می‌کند که نور مادون قرمزی را که شدت آن متناسب با سیگنال الکتریکی است، ساتع می‌کند.
این نور ساتع شده روی بیس فتوترانزیستور می‌افتد و باعث می‌شود که روشن شود و به روشی مشابه با ترانزیستور دوقطبی معمولی، هدایت کند.
اتصال بیس ترانزیستور نوری را میتوان برای حداکثر حساسیت به انرژی نور مادون قرمز LEDها باز گذاشت (بدون اتصال) یا از طریق یک مقاومت خارجی مناسب با مقدار بالا به زمین متصل کرد تا حساسیت سوئیچینگ را کنترل کند و آن را پایدارتر و در برابر تحریک کاذب توسط نویز الکتریکی خارجی یا تغییرات ولتاژ مقاوم‌تر کند.
هنگامی که جریان عبوری از LED قطع می‌شود، نور مادون قرمز ساطع شده قطع شده و باعث می‌شود که هدایت ترانزیستور نوری متوقف شود. از فتوترانزیستور میتوان برای تغییر جریان در مدار خروجی استفاده کرد. پاسخ طیفی LED و دستگاه حساس به نور با یک محیط شفاف مانند شیشه، پلاستیک یا هوا کاملاً مطابقت دارند. از آنجایی که هیچ ارتباط الکتریکی مستقیمی بین ورودی و خروجی یک اپتوکوپلر وجود ندارد، ایزولاسیون الکتریکی تا 10 کیلو ولت به دست می‌آید.
اپتوکوپلرها در چهار نوع کلی موجود هستند که هر کدام دارای منبع LED مادون قرمز اما با ادوات حساس به نور متفاوت هستند. همانطور که در زیر نشان داده شده است، چهار اپتوکوپلر عبارتند از: فتوترانزیستور، فتودارلینگتون، فتوتریستور یا SCR نوری و فتوترایاک.
انواع اپتوکوپلر
المان‌های فتوترانزیستور و فتودارلینگتون عمدتاً برای استفاده در مدارهای DC هستند در حالی که SCR نوری و فتوترایاک اجازه می‌دهند مدارهای با برق AC کنترل شوند. انواع دیگری از ترکیبات منبع-حسگر (source-sensor) مانند فتودیود-LED، لیزر-LED، جفت مقاومت‌نوری-لامپ، اپتوکوپلرهای بازتابی و شکافدار نیز وجود دارند.
اپتوکوپلرهای خانگی (Home-made) ساده را میتوان با استفاده از اجزای جداگانه ساخت. یک LED و یک فتوترانزیستور در یک لوله پلاستیکی سفت و سخت قرار داده می‌شوند یا همانطور که نشان داده شده در لوله‌های انقباض‌پذیر گرمایی (heat-shrinkable) قرار می‌گیرند. مزیت این اپتوکوپلر خانگی این است که میتوان لوله را به هر طولی که می‌خواهید برش دهید و حتی در گوشه‌ها خم کنید. بدیهی است لوله‌هایی که دارای انعکاس داخلی هستند کارآمدتر از لوله‌های سیاه تیره خواهند بود.
اپتوکوپلر دست ساز خانگی
کاربردهای اپتوکوپلر
اپتوکوپلرها و جداسازهای نوری را میتوان به تنهایی استفاده کرد یا برای سوئیچ کردن طیف وسیعی از دستگاه‌های الکترونیکی بزرگتر مانند ترانزیستورها و ترایاک‌ها استفاده کرد که ایزولاسیون الکتریکی مورد نیاز را بین سیگنال کنترل ولتاژ پایین، به عنوان مثال از یک آردوینو (Arduino) یا میکروکنترلر، و یک سیگنال خروجی ولتاژ یا جریان شبکه بسیار بالاتر فراهم می‌کند.
کاربردهای متداول اپتوکوپلرها شامل سوئیچینگ ورودی/خروجی ریزپردازنده، کنترل برق DC و AC، ارتباطات کامپیوتری، جداسازی سیگنال و تنظیم منبع تغذیه است که از حلقه‌های زمین فعلی رنج می‌برند. سیگنال الکتریکی ارسالی می‌تواند آنالوگ (خطی) یا دیجیتال (پالس) باشد.
در این کاربرد، از اپتوکوپلر برای تشخیص عملکرد سوئیچ یا نوع دیگری از سیگنال ورودی دیجیتال استفاده می‌شود. اگر سوئیچ یا سیگنال در حال شناسایی در محیطی با نویز الکتریکی باشد، این ساختار مفید است. خروجی را میتوان برای راه‌اندازی مدار خارجی، نور یا به عنوان ورودی کامپیوتر یا ریزپردازنده استفاده کرد.
سوییچ DC اپتوکوپلر
در اینجا در این مثال، از مقاومت 270 کیلو اهم متصل خارجی برای کنترل حساسیت ناحیه بیس فتوترانزیستور استفاده می‌شود. مقدار مقاومت را میتوان متناسب با دستگاه اپتوکوپلر انتخابی و میزان حساسیت سوئیچینگ مورد نیاز انتخاب کرد. خازن هر گونه ضربه ناخواسته یا گذرا را از تحریک نادرست بیس ترانزیستورهای نوری متوقف می‌کند.
علاوه بر تشخیص سیگنال‌ها و داده‌های DC، جداسازهای ترایاک نوری یا فتوترایاک نیز در دسترس هستند که به تجهیزات برق AC و لامپ‌های اصلی اجازه کنترل می‌دهند. ترایاکهای کوپل شده نوری مانند MOC 3020 دارای آستانه‌های ولتاژ حدود 400 ولت هستند که آنها را برای اتصال مستقیم به شبکه و حداکثر جریان حدود 100 میلی آمپر ایده‌آل می‌کند. برای بارهای با توان بالاتر، فوتوترایاک ممکن است برای ارائه پالس گیت با یک تریاک بزرگتر دیگر از طریق یک مقاومت محدود کننده جریان استفاده شود.
کاربرد اپتوکوپلر ترایاک
این نوع پیکربندی اپتوکوپلر اساس یک کاربرد رله حالت جامد بسیار ساده را تشکیل میدهد که می‌تواند برای کنترل هر بار برق AC مانند لامپ‌ها و موتورها استفاده شود. همچنین برخلاف تریستور (SCR)، ترایاک می‌تواند در هر دو نیمه چرخه AC اصلی با تشخیص عبور صفر هدایت کند که به بار اجازه میدهد تا هنگام تعویض بارهای القایی، بدون جریان‌های هجومی (inrush currents) سنگین، توان کامل را دریافت کند.
اپتوکوپلرها و جداسازهای نوری المان‌های الکترونیکی فوق‌العاده‌ای هستند که به قطعاتی مانند ترانزیستورها و ترایاکهای قدرت اجازه می‌دهند از درگاه خروجی رایانه شخصی، سوئیچ دیجیتال یا سیگنالهای داده ولتاژ پایین مانند یک گیت منطقی، کنترل شوند. مزیت اصلی کوپلرهای نوری، جداسازی الکتریکی بالای آنها بین پایانه‌های ورودی و خروجی است که به سیگنالهای دیجیتال نسبتا کوچک اجازه میدهد تا ولتاژها، جریان‌ها و توان AC بسیار بزرگ را کنترل کنند.
یک اپتوکوپلر را میتوان با هر دوی سیگنالهای DC و AC استفاده کرد در حالی که اپتوکوپلرها استفاده کننده از SCR (تریستور) یا ترایاک به عنوان دستگاه تشخیص نور در درجه اول برای کاربردهای کنترل برق AC طراحی شده‌اند. مزیت اصلی SCR های نوری و ترایاکهای نوری، جداسازی کامل از هرگونه نویز یا افزایش ولتاژ موجود در خط منبع تغذیه AC و همچنین تشخیص تلاقی صفر شکل موج سینوسی است که جریان‌های سوئیچینگ و هجومی را کاهش میدهد و از نیمه هادی‌های توان استفاده شده در مقابل استرس حرارتی و شوک محافظت می‌کند.
