OPTO quang là gì? Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Trong lĩnh vực điện tử bạn không thể không biết đến Octo Quang. Nó cấu tạo thế nào? Ứng dụng ra sao cùng tìm hiểu với Baotriso1 bạn nhé!

 

Opto quang là gì?

Opto (optocoupler) hay còn gọi là bộ Opto cách li quang là một phần tử bán dẫn thực hiện việc 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 việc xâm nhập điện áp cao tới hệ thống thu nhận tín hiệu. Hiện linh kiện thương phẩm đạt được mức cách li vào-ra là 10 KV và đáp ứng với biến đổi ở mức 10 kV/μs.

Về lý thuyết, có sự khác biệt giữa các thuật ngữ optoisolator và optocoupler. Yếu tố để 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: Được sử dụng để truyền thông tin kỹ thuật số tương tự giữa các mạch khi vẫn duy trì sự cách li về điện ở điện thế lên đến 5000V.
• Opto-isolator: Bộ cách li quang thường được sử dụng trong hệ thống điện và được dùng để truyền thông tin tương tự hoặc kỹ thuật số giữa các mạch có điện thế chênh lệch trên 5000V.

Cấu tạo của Opto

Về cơ bản, bộ cách li quang có cấu tạo gồm 2 thành phần chính: Phần phát sáng và phần nhận sáng.

• Phần phát ánh sáng:  Linh kiện phát ánh sáng ở phía đầu vào lấy tín hiệu đến sau đó chuyển nó thành tín hiệu ánh sáng. Đặc trưng 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 rồi chuyển nó trở lại thành tín hiệu điện. Bộ phận nhận ánh sáng có thể là một photodiode, transistor quang, quang trở, SCR quang hay TRIAC quang.

Hình ảnh mặt cắt Photocoupler Planar (trên) và silicone dome (dưới)

Bộ phát và dò ánh sáng được điều chỉnh sao cho phù hợp với nhau, và có bước sóng phù hợp để đạt được sự ghép nối tối đa.

Bộ ghép quang cũng có thể chứa các mạch điện khác, thí dụ: nó có thể gồm điện trở nối tiếp với đèn LED. Bộ ghép quang có thể bao gồm bộ khuếch đại đầu ra.

Ký hiệu và phân loại Opto

Ký hiệu của Opto

Có các loại Opto thông dụng như sau

• Opto P521

Ta xác định chân của opto 521 như sau: Chân 1 là chân gần dấu chấm trên mặt opto ( đặc điểm dấu chấm: nhỏ lõm xuống), gần chân 1 là chân 2, đối diện với chân 1 là chân 3, bên chân 3 chính là chân 4.

Trong đó:

• 1: chính là Anode
• 2: chính là Cathode
• 3: chính là Emitter (bộ phát)
• 4: chính là collector (bộ thu)

– Opto 4N35 có hình như dưới đây

OPTO 4N35 là linh kiện có 6 chân và cách xác định chân tương tự như P521. Opto 4N35 có thể điều khiển bằng cả input quang hoặc tín hiệu điều khiển

• 1 chính là Anode
• 2 chính là Cathode
• 3 chính là NC
• 4 chính là Emitter
• 5 chính là Collector
• 6 chính là Base

Opto pc817

Là thiết bị linh kiện có 4 chân, cách хác định chân giống như P521

Hình bên dưới đây là sơ đồ chân của opto này. Ta dựa vào chấm tròn trên opto là điểm bắt đầu. Đây là điểm đánh dấu chân dương của LED hồng ngoại để từ đó xác định các chân khác theo thứ tự như hình vẽ.

Opto rãnh

Opto rãnh là opto có một khoảng trống (rãnh) ở giữa LED phát và transistor quang thu; nếu không có vật cản, ánh sáng từ LED phát sẽ truyền đến transistor thu, nhưng nó sẽ bị chặn lại khi có vật thể nằm trong rãnh này.

Opto phản xạ

Đây là opto mà các LED và transistor quang được đặt ở cùng phía bên trong opto, cả hai mặt của chúng đều hướng ra bên ngoài. Việc truyền tín hiệu giữa LED phát và transistor thu phải theo nguyên tắc phản xạ ánh sáng qua vật thể phản chiếu (như lớp sơn kim loại, có thể là sương, khói …) ở phía bên ngoài có khoảng cách phù hợp so với led và transistor quang.

Nguyên lý hoạt động của Opto

Photocoupler có nguyên lý hoạt động đơn giản. Có thể tạo 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 được gói trong vỏ che kín ánh sáng.

Khi LED phát sáng với cường độ sáng nào đó, thì vùng base của transistor cảm quang sẽ tiếp nhận ánh sáng và giảm mức điện trở thuần tương đương của transistor, làm cho dòng qua transistor Ic tăng. Lúc đó sẽ có hai mức độ chính:

– Transistor cảm quang sẽ đạt trạng thái bão hòa nếu cường độ sáng đủ mạnh. Photocoupler thực hiện nhiệm vụ truyền tín hiệu logic, và trong thực tế đây là ứng dụng chủ yếu của photocoupler.

– Nếu với cường độ sáng yếu, transistor cảm quang không đạt trạng thái bão hòa. Lúc này Photocoupler thực hiện truyền tín hiệu analog. Chế độ này có thể được sử dụng tuy nhiên không nhiều, nguyên nhân là do đường đặc tuyến quan hệ vào-ra có đoạn tuyến tính khá hẹp, không thể đảm bảo truyền trung thực tín hiệu.

Các photocoupler thương phẩm được chuẩn hóa các đặc trưng kỹ thuật, nhất 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 như sau:

Chúng ta sẽ kiểm tra một opto khi đang làm việc. Ta sẽ lựa chọn một opto thường hay được sử dụng nhất (PC123 – 4 chân) để kiểm tra và có thể sử dụng nguyên tắc này cho tất cả các opto khác (chú ý: Nên kiểm tra các thông số kỹ thuật)

– Bước 1:

Ta 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),  sau đó sử dụng Ôm kế, điều chỉnh ở thang đo ‘X1Ω’ để đo giữa hai chân 1 và 2.

Ta 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 (tương tự như khi ta kiểm tra một diode). Nếu nhận được kết quả khác thì tức là đèn LED có vấn đề và ta cần thay thế một opto khác.

Bước 2:

Nếu đèn LED ở trạng thái tốt thì chúng ta tiếp tục kiểm tra transistor quang. Ta có thể đo bằng Ôm kế giống như đèn LED nhưng là đo giữa chân 3 và chân 4. Khi kim đồng hồ chỉ mức giá trị điện trở cao là transistor quang (phototransistor) tốt.

Nếu ta không đọc được gì, nguyên nhân là do hầu hết các transistor quang có điện trở cao nên đồng hồ không đo được. Khi gặp trường hợp này ta 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 thế có thể dùng phương pháp thực nghiệm thay thế.

Những thông số cần được chú ý

Tỷ số truyền dòng điện (CTR):

Một trong những thông số quan trọng của opto đó là hiệu quả cách li của nó. Tham số này được tối đa hóa bởi 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 có thể xác định một cách dễ dàng ở tỷ số truyền đầu ra-đầu vào (CTR). Đây chính 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):

Khoảng chênh lệch điện áp tối đa giữa đầu vào và đầu ra là từ 500V đến 4 kV.

Điện áp thu-phát cực đại (VCEmax) :

Đây là điện áp DC tối đa được cho phép có thể sử dụng trên đầu ra các bóng bán dẫn. Giá trị này có thể thay đổi từ 20V đến 80V.

Băng thông:

Băng thông là tần số có thể truyền qua opto khi hoạt động ở chế độ bình thường. Tần số này thay đổi trong khoảng từ 20 to 500 kHz.

Thời gian đáp ứng:

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 trong khoảng từ 2-5us.

Ứng dụng của Opto quang trong thực tế

Các bộ cách li quang học được sử dụng trong các trường hợp mà tín hiệu cần truyền qua giữa hai mạch được cách li với nhau. Sự cách li điện giữa hai mạch (nghĩa là hai mạch không có dây dẫn chung) cần có một thiết bị để ngăn chặn nhiễu tạo ra trong quá trình truyền từ mạch này tới mạch kia.

Điều này khá cần thiết cho việc ghép nối giữa các mạch thu thập thông tin điện áp cao và các mạch logic điện áp thấp. Các mạch thông tin hầu như đều phải tiếp xúc với các nguồn nhiễu nhưng các mạch logic không thể chịu được các tín hiệu nhiễu này.

Phương pháp ghép quang học tức là loại bỏ sự cần thiết của một tiếp điểm được điều khiển rơle hoặc một máy biến áp cách li, đây chính là phương pháp truyền thống để cách li điện giữa các mạch. Phương pháp ghép quang học là tối ưu trong nhiều ứng dụng bởi vì nó loại bỏ một số nhược điểm của rơle và máy biến áp.

Các opto hoạt động tốt ở các tín hiệu điện áp cao AC, DC. Do đó bộ chuyển đổi tín hiệu sử dụng ghép nối quang học đôi lúc còn được gọi là bộ chuyển đổi tín hiệu chung.

Công tắc cách ly dùng Opto DC (opto thường)

Sơ đồ trên là mạch ứng dụng dùng cách ly quang

Qua sơ đồ trên ta thấy, khi tín hiệu đầu vào ở mức 0V thì đèn LED không có dòng điện chạy qua cho nên không phát sáng. Photo transistor không dẫn điện và có tổng trở khá lớn. Tín hiệu điện áp rơi hết trên chân C của photo transistor là VCC.

Khi tín hiệu đầu vào ở mức 5V thì đèn LED có dòng điện chạy qua nên sẽ phát sáng. Ánh sáng này chiếu vào photo transistor làm cho nó dẫn điện. Trở kháng lúc này của photo transistor khá nhỏ và nó gần như dẫn thông xuống mass làm tín hiệu điện trên chân C sụt về 0V.

Qua ví dụ trên ta nhận thấy, có thể dùng opto để một tín hiệu 5V điều khiển một tín hiệu VCC thông qua ánh sáng. Hay có thể nói, 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 để điều khiển độ nhạy ánh sáng của transistor quang. Giá trị của điện trở 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 sẽ 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 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 400V, làm cho chúng lý tưởng cho kết nối với nguồn điện trực tiếp và dòng điện tối đa khoảng 100mA.

Với các tải được cấp nguồn cao hơn, opto-triac có thể được dùng để cung cấp xung cổng cho một triac khác lớn hơn thông qua một điện trở hạn chế dòng điện như hình dưới.

Sơ đồ 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 dùng để điều khiển bất kỳ tải nào được cấp nguồn từ nguồn AC như là  đèn và động cơ. Không giống như thyristor (SCR), một triac có thể 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 ly quang là những thiết bị điện tử khá tốt 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 như tín hiệu từ cổng logic. Ưu điểm chính của opto đó 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 dùng 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 lớn nhất của opto dùng SCR quang và triac quang chính 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 cho 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.
Xem thêm: AOcto Quang là linh kiện hay hỏng khi sửa chữa bếp từ

Ưu điểm khi sử dụng Opto quang

Optocouplers và Opto-isolator đều là những thiết bị điện tử rất tuyệt vời. Ưu điểm tối ưu nhất của bộ ghép quang là khả năng cách ly điện cao. Opto quang cách ly giữa thiết bị đầu cuối đầu vào và đầu ra. 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. Để điều khiển dòng xoay chiều người ta thường sử dụng bộ ghép quang SCR (thyristor) hoặc triac. Vì thế 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 sự cách ly hoàn toàn.  Nó có khả năng cách ly hoàn toàn khỏi bất kỳ nhiễu hoặc xung điện áp nào. Ngoài ra, nó còn giúp phát hiện điểm không của dạng sóng hình sin. Chính điều này giúp giảm dòng chuyển mạch và dòng khởi động. Vì thế có khả năng bảo vệ bất kỳ tải công suất nào khỏi hiện tượng “sốc điện”.

Lời kết

Nói chung Opto là một thành phần không thể thiếu ở trong các mạch cách ly, các mạch có điện áp cao. Việc sử dụng opto quang cũng tương đối đơn giản.