The Engineering Mindset
Optocoupler là gì?
Optocouplers là các thành phần điện tử được tích hợp trông giống như thế này.
Chúng còn được gọi là bộ tách quang, bộ cách ly quang học và bộ ghép quang. Trong phiên bản này, chúng tôi có thân chính với 4 chân. Chân 1 là cực dương, chân 2 ở cực âm, chân 3 là cực thu và chân 4 là cực phát.
Chúng tôi cũng có một vết lõm hình tròn nhỏ ở phần thân bên cạnh chân 1 và chúng tôi sử dụng điều này để xác định các chân khác nhau. Trên cơ thể chúng tôi cũng có một số văn bản, đây là số bộ phận. Chúng tôi sử dụng điều này để xác định loại optocoupler và cũng tìm bảng dữ liệu của nhà sản xuất.
Thiết bị này về cơ bản là một rơle trạng thái rắn kết nối hai mạch riêng biệt. Mạch một được kết nối qua các chân 1 và 2, mạch thứ hai được kết nối qua các chân 3 và 4. Điều này cho phép mạch 1 điều khiển mạch 2. Chúng ta cũng có thể sử dụng nó để chuyển tín hiệu qua các chân, nhưng hai mạch đều được cách ly về điện. khác.
Tại sao điều đó lại quan trọng? Bởi vì xung điện áp và nhiễu trên một mạch sẽ không phá hủy hoặc làm gián đoạn mạch kia. Vì vậy, các mạch của chúng tôi được bảo vệ. Chúng cũng sẽ chỉ cho phép các điện tử di chuyển theo một hướng do các vật liệu bán dẫn bên trong.
Do đó, hai mạch có thể sử dụng điện áp và dòng điện khác nhau do có sự tách biệt. Chúng ta có thể mở rộng khả năng của thiết bị bằng cách thêm các thành phần khác như bóng bán dẫn vào đầu ra của mạch hai. Điều này cho phép chúng tôi kiểm soát điện áp và dòng điện thậm chí cao hơn và tự động hóa điều khiển mạch.
Làm thế nào nó hoạt động?
Có một vài biến thể của optocouplers nhưng chúng tôi sẽ gắn bó với phiên bản quang bán dẫn cơ bản cho bài viết này. Khi chúng ta nhìn vào biểu tượng của optocoupler này, chúng ta thấy có một biểu tượng LED ở bên trái và ở bên phải biểu tượng trông rất giống với một bóng bán dẫn, đó là bởi vì nó là một phiên bản sửa đổi của một bóng bán dẫn được gọi là phototransistor. Các thiết bị đầu cuối được đặt tên là bộ thu và bộ phát, giống như một bóng bán dẫn bình thường, ngoại trừ chúng ta đang thiếu chân đế.
Trong mạch bán dẫn thông thường, chúng ta có mạch chính và mạch điều khiển. Bóng bán dẫn đang chặn dòng điện trong mạch chính nên đèn tắt. Khi chúng ta đặt một điện áp nhỏ vào chân đế, điều này sẽ làm bật bóng bán dẫn và nó sẽ cho phép dòng điện chạy trong mạch chính, do đó đèn chính sẽ bật sáng.
Bằng cách chúng tôi đã trình bày chi tiết cách hoạt động của bóng bán dẫn trong bài viết trước của chúng tôi, hãy nhấp vào ĐÂY.
Các bóng bán dẫn trong optocoupler hoạt động hơi khác một chút. Nó cũng chặn dòng điện trong mạch chính nhưng nó hoạt động như một máy thu. Khi ánh sáng phát ra từ đèn LED chạm vào bóng bán dẫn, bóng bán dẫn sẽ bật và cho phép dòng điện chạy trong mạch chính.
Vì vậy, khi mạch 1 hoàn thành, đèn LED sẽ bật. Điều này chiếu một chùm ánh sáng xuyên qua, chiếu vào bóng bán dẫn. Bóng bán dẫn phát hiện điều này và bật, cho phép dòng điện chạy trong mạch 2. Chúng tôi kiểm soát đơn giản điều này bằng cách bật và tắt đèn LED bên trong. Điện trở quang hoạt động giống như một chất cách điện, ngăn chặn dòng điện, trừ khi nó tiếp xúc với ánh sáng.
Cả đèn LED và bóng bán dẫn đều được bao bọc bên trong vỏ máy nên chúng ta không thể nhìn thấy chúng, nhưng chúng ta có thể thấy chúng hoạt động như thế nào với các mạch đơn giản này, chúng ta sẽ trình bày ở phần sau của bài viết.
Vậy làm thế nào để đèn LED bật bóng bán dẫn? Bên trong phototransistor, chúng ta có các lớp vật liệu bán dẫn khác nhau. Có loại N và loại P, chúng được xếp vào nhau. Loại N và loại P đều được làm bằng silicon, nhưng chúng đã được trộn với các vật liệu khác để thay đổi tính chất điện của chúng. Loại N đã được trộn với một vật liệu cung cấp cho nó rất nhiều electron bổ sung cũng như không cần thiết. Chúng tự do di chuyển xung quanh các nguyên tử khác. Loại P đã được trộn với một vật liệu khác có ít electron hơn. Vì vậy, nó có rất nhiều không gian trống, nơi các electron có thể di chuyển đến.
Khi các vật liệu liên kết với nhau, một hàng rào điện sẽ phát triển và ngăn các điện tử di chuyển. Tuy nhiên, khi đèn LED được bật, nó sẽ phát ra một hạt khác được gọi là photon. Các bức ảnh va vào vật liệu loại P và đánh bật các electron xuyên qua rào cản và vào vật liệu loại N. Các điện tử ở rào cản đầu tiên bây giờ cũng sẽ có thể thực hiện bước nhảy và do đó một dòng điện được phát triển. Khi đèn LED tắt, các photon ngừng đánh bật các electron qua rào cản và do đó dòng điện trong mặt thứ cấp dừng lại.
Vì vậy, chúng ta có thể điều khiển một mạch thứ cấp chỉ cần sử dụng một chùm ánh sáng.
Điều này hoạt động nhờ vào vật liệu bán dẫn. Trong dây thông thường, đồng là chất dẫn điện và cao su là chất cách điện. Các electron có thể dễ dàng chảy qua đồng nhưng chúng có thể 'chảy qua chất cách điện cao su. Nhìn vào mô hình cơ bản của một vật dẫn kim loại, chúng ta có hạt nhân ở tâm với được bao quanh bởi một số vỏ quỹ đạo giữ các electron. Mỗi lớp vỏ chứa một số electron tối đa và một electron cần một lượng năng lượng nhất định để được chấp nhận vào mỗi lớp vỏ, những hạt ở xa hạt nhân nhất có năng lượng nhiều nhất.
Vỏ ngoài cùng được gọi là vỏ hóa trị, một vật dẫn có từ 1 đến 3 điện tử trong vỏ hóa trị của nó. Các electron được giữ cố định bởi hạt nhân, nhưng có một lớp vỏ khác được gọi là vùng dẫn. Nếu một điện tử có thể đạt đến vùng dẫn này, thì nó có thể thoát ra khỏi nguyên tử và di chuyển đến các nguyên tử khác.
Với một nguyên tử kim loại, chẳng hạn như đồng, vỏ hóa trị và vùng dẫn chồng lên nhau, do đó, rất dễ dàng cho một điện tử bứt ra tự do và di chuyển sang nguyên tử khác. Với một chất cách điện, lớp vỏ ngoài cùng được đóng gói, có rất ít hoặc không có chỗ cho một electron tham gia. Hạt nhân có một lực bám chặt vào các electron và vùng dẫn ở xa nên các electron không thể chạm tới vùng này để thoát ra. Do đó dòng điện không thể chạy qua vật liệu này. Tuy nhiên, chất bán dẫn thì khác, nó có quá nhiều electron trong lớp vỏ hóa trị để nó có thể trở thành chất dẫn điện, vì vậy nó hoạt động giống như một chất cách điện. Tuy nhiên, vùng dẫn khá gần, vì vậy nếu chúng ta cung cấp cho các electron một số năng lượng bên ngoài, một số electron sẽ thu được đủ năng lượng để nhảy vào vùng dẫn và trở nên tự do. Vì vậy,
Mạch 1 LED và LDR
Mạch đầu tiên chúng ta sẽ xem xét sử dụng một điện trở phụ thuộc ánh sáng và một đèn LED trắng. LDR thay đổi điện trở của nó tùy thuộc vào lượng ánh sáng mà nó được tiếp xúc. Trong bóng tối nó có điện trở rất cao, trong ánh sáng chói nó có điện trở rất thấp.
Đèn LED màu trắng này được đánh giá là 20mA, nếu tôi kết nối nó với nguồn điện để bàn DC, chúng tôi thấy nó yêu cầu 3V để đạt được 20mA.
Khi tôi kiểm tra LDR này, chúng tôi thấy rằng với ánh sáng mờ, nó có điện trở khoảng 40 kiloohm. Khi tôi giấu nó trong tay, nó vào khoảng 4 megaohm và với hai tay che hoàn toàn nó, nó vào khoảng 9 megaoh. Tuy nhiên, khi tôi chiếu đèn LED trắng lên LDR, nó chỉ khoảng 66 ohms. Nếu tôi quấn các ngón tay của mình xung quanh chúng, nó khoảng 70 ohms.
Vì vậy, trên mạch sơ cấp ta cần một đèn LED trắng có hiệu điện thế giảm 3V và sử dụng dòng điện 0,02A. Chúng tôi sẽ kiểm soát điều này bằng một công tắc và sử dụng pin 9V để cấp nguồn cho mạch. Điện trở được tìm thấy bằng 9V trừ 3V của đèn LED, bằng 6V. Đây sẽ là điện áp giảm của điện trở. Dòng điện trong mạch là 0,02A nên 6V chia cho 0,02A là 300 ôm.
Bây giờ, nó sẽ hoạt động tốt ở 0,02A nhưng tôi sẽ sử dụng giá trị điện trở cao hơn một chút để giảm dòng điện của đèn LED, điều này cũng sẽ làm giảm một chút độ sáng của đèn LED. Tôi sẽ sử dụng một điện trở 330 Ohm và một điện trở 22Ω Ohm kết hợp để tạo thành điện trở 352 ohm. 6V chia cho 352 ohms là 0,017A.
Tôi đặt các thành phần vào mạch và nó trông như thế này. Dòng điện sẽ chạy qua mạch như thế này, được hiển thị bằng cách sử dụng dòng điện thông thường. Khi tôi nhấn công tắc, đèn LED sẽ sáng.
Ở phía thứ cấp, chúng ta có một đèn LED màu đỏ với điện áp giảm là 2V và dòng điện là 0,02A, điều này sẽ bật để cho biết mạch đang hoạt động. Chúng tôi đặt LDR đối diện với đèn LED trắng, điều này sẽ cung cấp điện trở khoảng 70Ω ohms khi tiếp xúc với ánh sáng. Để tìm điện trở cho đèn LED, chúng ta chỉ cần thực hiện 9V trừ 2V được 7V. 7V chia cho 0,02A là 350 ohms. 350 trừ đi 70 ohms cho LDR là 280 Ohms. Thay vì điều này, tôi sẽ sử dụng hai điện trở 150 ohm tương đương với 300 ohms. Vì vậy, giả sử LDR là 70 ohms, chúng tôi có điện trở 370 ohms. 7V chia cho 370 ohms là 0,019A.
Vì vậy, tôi đặt các thành phần ở phía thứ cấp của mạch và nó trông như thế này. Lưu ý rằng đèn LED màu đỏ đang bật, đó là do LDR đang nhận ánh sáng xung quanh từ phòng. Nếu bạn lấy một số băng dính điện, hãy cắt một vài miếng nhỏ và quấn chúng xung quanh cả LDR và đèn LED.
Điều này chặn ánh sáng xung quanh của căn phòng và đèn LED hiện đã tắt. Khi tôi nhấn nút trên mạch chính, đèn LED màu trắng sẽ bật, điều này chiếu ánh sáng trên LDR làm bật đèn LED màu đỏ ở phía thứ cấp.
Mạch 2 - Bộ phát và thu hồng ngoại
Vấn đề với mạch 1 là ánh sáng tự nhiên đã kích hoạt mạch. Vì vậy, chúng tôi sẽ sử dụng bộ phát và bộ thu hồng ngoại thay thế cho mạch này.
Ở mặt chính, chúng tôi có một bộ phát hồng ngoại, cái tôi đang sử dụng được đánh giá là 30mA nhưng tôi sẽ sử dụng dòng điện ít hơn cái này. Khi tôi kiểm tra đèn LED, chúng tôi thấy ở 1,2V, nó có dòng điện là 0,02A. Vì vậy, chúng tôi sẽ sử dụng giá trị này. Nhân tiện, nếu bạn nhìn vào cái này bằng mắt của bạn, bạn sẽ không thấy bất kỳ ánh sáng nào vì nó là tia hồng ngoại và con người không thể nhìn thấy tia hồng ngoại, vì vậy bạn sẽ cho rằng nó tắt nhưng không phải vậy. Nếu bạn sử dụng camera của điện thoại, bạn sẽ thấy nó thực sự được bật. Bạn có thể tự kiểm tra điều này bằng cách sử dụng điều khiển từ xa của TV vì nó cũng sử dụng tia hồng ngoại.
Vì vậy, ở phía sơ cấp, chúng ta có một nguồn cung cấp 9V và một bộ phát LED hồng ngoại có điện áp giảm 1,2V. Chúng tôi đặt một đèn LED màu đỏ vào mạch điện để báo khi nào mạch được kích hoạt, đơn giản vì chúng ta không thể nhìn thấy tia hồng ngoại. Điều này có điện áp giảm là 2V và nhu cầu hiện tại là 0,02A, do đó, 9v trừ 2V trừ 1,2V là 5,8V. Dòng điện của mạch sẽ là 0,02A nên 5,8V ÷ chia cho 0,02A là 290Ω Ohms. Tôi không có điện trở 290 ohm nên tôi sẽ sử dụng điện trở 270 và 22 ohm. Điều này mang lại 292 Ohms. 5,8V chia cho 292 Ohms là 0,01986A vì vậy điều đó là tốt. Chúng tôi cũng sẽ sử dụng một công tắc để kiểm soát điều này.
Khi tôi kết nối các thành phần vào mạch nó trông như thế này. Khi tôi nhấn công tắc, đèn LED màu đỏ sẽ bật và đèn LED hồng ngoại phát ra một chùm ánh sáng.
Ở phía thứ cấp, chúng tôi có đèn LED thu, đèn này được đánh giá lên đến 1,4V và 30mA. Chúng tôi sẽ bao gồm một đèn LED màu đỏ ở bên này để cho biết khi mạch được kích hoạt. Điều này có một điện áp giảm 2V và có một dòng điện 0,02A. Vì vậy, chúng ta có 9v trên nguồn cung cấp, trừ đi 2V, trừ đi 1,4V là 5,6V. 5,6 chia cho 0,02A là 280 ohms. Tôi sẽ sử dụng 270 ohm và 10 ohm để đạt được 280 ohm cần thiết.
Tôi đặt các thành phần này vào mạch và nó trông như thế này. Bộ phát và bộ thu đối diện nhau và ở gần nhau. Khi tôi nhấn công tắc, đèn LED chính màu đỏ sẽ bật và bộ phát sẽ chiếu một chùm ánh sáng hồng ngoại vào bộ thu. Máy thu phát hiện điều này và cho phép dòng điện chạy qua nên đèn led màu đỏ bên thứ cấp cũng bật sáng.
Circuit 3 Optocoupler Circuit.
Mạch thứ ba sử dụng bộ ghép quang PC817.
Phía đầu vào sử dụng đèn LED bên trong, đèn LED định mức 1,2V và 20mA. Tôi có thể kết nối một với nguồn điện DC và thấy ở 1.2V, dòng điện là 0.02A, vì vậy chúng tôi sẽ sử dụng giá trị này. Ở phía đầu vào chúng ta sẽ sử dụng một công tắc để điều khiển mạch và đèn LED màu đỏ để báo khi nào mạch được kích hoạt. Điều này có một điện áp giảm 2V và một dòng điện 0,02A. Vì vậy, với nguồn cung cấp 9V, 9V trừ 2V, trừ 1,2V là 5,8V. 5,8V chia cho 0,02A là 290 ohms. Tôi sẽ sử dụng một điện trở 270 ohm và 22 ohm để tạo ra 292 ohm. 5,8V chia cho 292 ohms là 0,01986A vì vậy điều này là tốt.
Tôi đặt các thành phần vào bảng mạch và nó trông như thế này. Khi tôi nhấn công tắc, đèn LED màu đỏ sẽ bật.
Đối với mặt thứ cấp, optocoupler được đánh giá cho dòng điện tối đa là 50mA. Chúng ta sẽ chỉ sử dụng một đèn LED màu đỏ ở phía thứ cấp có điện áp giảm 2V và dòng điện là 0,02A. Phía thứ cấp sẽ có một nguồn cung cấp 9V với cực dương được kết nối với bộ thu và bộ phát được kết nối với cực âm. Chúng ta phải sử dụng một điện trở nếu không optocoupler sẽ bị phá hủy.
Nhìn vào bảng dữ liệu của nhà sản xuất, chúng ta thấy một biểu đồ với điện áp cực phát của bộ thu dòng điện v của bộ thu. Dòng thu là 20mA từ đèn LED màu đỏ của chúng tôi. Vì vậy, đọc biểu đồ, chúng tôi di chuyển qua cho đến khi chúng tôi chạm vào dòng 20ma, điều này cho thấy điện áp bộ phát cực thu là 2V.
Chúng ta có nguồn cung cấp 9V, vì vậy 9V trừ 2V cho đèn LED và 2V cho bộ phát cực thu bán dẫn, bằng 5V. 5V chia cho dòng thu 0,02A là 250 ohms. Tôi không có điện trở 250 ohm vì vậy tôi sẽ sử dụng điện trở 100 ohm và 150 ohm, kết hợp để tạo thành 250 ohm.
Vì vậy, tôi đặt các thành phần vào mạch và chúng trông như thế này. Mặt thứ cấp tắt, nhưng, khi tôi nhấn công tắc, đèn LED màu đỏ bên chính bật sáng, đèn LED bên trong optocoupler bật và chùm ánh sáng chạm vào phototransistor bên trong, cho phép dòng điện chạy qua phía thứ cấp. đèn đỏ thứ cấp hiện đang bật.
