Tìm hiểu chung về Opto
1. Opto là gì?
2. Cấu tạo opto
3. Nguyên lý làm việc của opto
4. Phân loại opto
5. Cách đo kiểm tra opto sống chết
6. Những thông số cần chú ý khi sử dụng Opto
7. Ứng dụng của Opto trong thực tế
8. Ưu điểm khi sử dụng Opto quang
1. Opto là gì?
Opto (optocoupler) còn được gọi là bộ opto cách ly quang hay opto quang. Opto là một linh kiện quang điện tử có chức năng truyền tín hiệu điều khiển giữa hai mạch hoạt động ở mức điện áp khác nhau bằng cách sử dụng ánh sáng.
Bên cạnh đó, opto còn có chức năng cách ly điện giữa các mạch đầu vào và đầu ra. Nơi tiếp xúc duy nhất giữa đầu vào và đầu ra ở opto là một chùm ánh sáng. Điện trở cách ly giữa hai mạch có thể lên đến hàng ngàn MΩ. Vậy nên opto được ứng dụng trong các thiết bị, hệ thống có điện áp cao và hiệu điện thế của hai mạch có sự chênh lệch lớn.
2. Cấu tạo opto
Sau khi tìm hiểu opto quang là gì hay optocoupler là gì, chúng ta cùng tìm hiểu cấu tạo của opto có những bộ phận nào.
Cấu tạo opto quang gồm hai thành phần chính:
• Phần phát ánh sáng: thường là một điốt phát quang (LED - Light Emitting Diode). Bộ phận này nằm ở phía đầu vào. Chúng có nhiệm vụ lấy tín hiệu đến rồi chuyển tín hiệu này thành tín hiệu ánh sáng.
• Phần nhận ánh sáng: Đây là linh kiện dò/ phát hiện ánh sáng nằm trong bộ ghép quang. Bộ phận này sẽ phát hiện/ nhận ánh sáng từ phần phát và chuyển nó thành tín hiệu điện. Linh kiện này có thể là một photodiode, transistor quang, quang trở, SCR quang hoặc TRIAC quang.
Sau khi tìm hiểu opto quang là gì hay optocoupler là gì, chúng ta cùng tìm hiểu cấu tạo của opto có những bộ phận nào.
Cấu tạo opto quang gồm hai thành phần chính:
• Phần phát ánh sáng: thường là một điốt phát quang (LED - Light Emitting Diode). Bộ phận này nằm ở phía đầu vào. Chúng có nhiệm vụ lấy tín hiệu đến rồi chuyển tín hiệu này thành tín hiệu ánh sáng.
• Phần nhận ánh sáng: Đây là linh kiện dò/ phát hiện ánh sáng nằm trong bộ ghép quang. Bộ phận này sẽ phát hiện/ nhận ánh sáng từ phần phát và chuyển nó thành tín hiệu điện. Linh kiện này có thể là một photodiode, transistor quang, quang trở, SCR quang hoặc TRIAC quang.
3. Nguyên lý làm việc của opto
Sau khi biết khái niệm opto là gì và cấu tạo của opto quang là gì, ta sẽ tìm hiểu nguyên lý làm việc của nó. Khi một dòng điện nhỏ đi qua hai đầu của đèn Led có trong opto sẽ làm đèn phát sáng. Khi đèn phát sáng sẽ kết nối hai cực của photo transistor hay photo diode mở cho dòng điện chạy qua. Trong đó, ta sẽ có hai mức độ ánh sáng chính:
• Nếu cường độ ánh sáng đủ mạnh: transistor cảm quang sẽ đạt trạng thái bão hòa. Lúc này, photocoupler thực hiện truyền tín hiệu logic. Thực tế, tình huống này là ứng dụng chủ yếu của photocoupler.
• Nếu cường độ ánh sáng đủ yếu: transistor cảm quang sẽ không đạt trạng thái bão hòa. Photocoupler phải thực hiện truyền tín hiệu analog. Chế độ này có đoạn tuyến tính khá hẹp, tín hiệu truyền cũng không đảm bảo. Vì vậy, chế độ này có được dùng nhưng không nhiều.
Sau khi biết khái niệm opto là gì và cấu tạo của opto quang là gì, ta sẽ tìm hiểu nguyên lý làm việc của nó. Khi một dòng điện nhỏ đi qua hai đầu của đèn Led có trong opto sẽ làm đèn phát sáng. Khi đèn phát sáng sẽ kết nối hai cực của photo transistor hay photo diode mở cho dòng điện chạy qua. Trong đó, ta sẽ có hai mức độ ánh sáng chính:
• Nếu cường độ ánh sáng đủ mạnh: transistor cảm quang sẽ đạt trạng thái bão hòa. Lúc này, photocoupler thực hiện truyền tín hiệu logic. Thực tế, tình huống này là ứng dụng chủ yếu của photocoupler.
• Nếu cường độ ánh sáng đủ yếu: transistor cảm quang sẽ không đạt trạng thái bão hòa. Photocoupler phải thực hiện truyền tín hiệu analog. Chế độ này có đoạn tuyến tính khá hẹp, tín hiệu truyền cũng không đảm bảo. Vì vậy, chế độ này có được dùng nhưng không nhiều.
4. Phân loại opto
Người ta chia optocoupler thành hai loại: opto rãnh và opto phản xạ. Cụ thể như sau:
Opto rãnh
Opto là gì? Opto rãnh là gì? Đây là loại opto có một khoảng trống ở giữa đèn Led phát sáng và transistor quang thu.Thông thường, khi không có vật cản, ánh sáng Led phát ra sẽ truyền đến transistor thu. Nhưng nếu có vật thể nằm trong rãnh này, ánh sáng sẽ bị chặn lại. Vì vậy, opto rãnh được dùng trong các thiết bị như: đầu cuối dải băng, chuyển mạch giới hạn, phát hiện mức chất lỏng,...
Người ta chia optocoupler thành hai loại: opto rãnh và opto phản xạ. Cụ thể như sau:
Opto rãnh
Opto là gì? Opto rãnh là gì? Đây là loại opto có một khoảng trống ở giữa đèn Led phát sáng và transistor quang thu.Thông thường, khi không có vật cản, ánh sáng Led phát ra sẽ truyền đến transistor thu. Nhưng nếu có vật thể nằm trong rãnh này, ánh sáng sẽ bị chặn lại. Vì vậy, opto rãnh được dùng trong các thiết bị như: đầu cuối dải băng, chuyển mạch giới hạn, phát hiện mức chất lỏng,...
Opto phản xạ
Đèn Led và transistor quang được để ở bên trong opto. Cả hai mặt của đèn Led và transistor quang đều hướng ra bên ngoài. Việc truyền tin giữa đèn Led và transistor thu sẽ theo nguyên tắc phản xạ ánh sáng qua vật thể phản chiếu ở phía ngoài, có khoảng cách phù hợp với Led và transistor quang. Do đó, opto phản xạ thường được dùng cho các thiết bị như: phát hiện vị trí dải băng, đo tốc độ, phát hiện khói, phát hiện sương mù,...
Đèn Led và transistor quang được để ở bên trong opto. Cả hai mặt của đèn Led và transistor quang đều hướng ra bên ngoài. Việc truyền tin giữa đèn Led và transistor thu sẽ theo nguyên tắc phản xạ ánh sáng qua vật thể phản chiếu ở phía ngoài, có khoảng cách phù hợp với Led và transistor quang. Do đó, opto phản xạ thường được dùng cho các thiết bị như: phát hiện vị trí dải băng, đo tốc độ, phát hiện khói, phát hiện sương mù,...
5. Cách đo kiểm tra opto sống chết
Bạn chọn opto quang thường được dùng nhiều nhất là PC123 – 4 chân để kiểm tra. Các bước làm sẽ thực hiện ngay trong lúc opto đang làm việc. Thao tác đo và kiểm tra opto như sau:
Bước 1: Kiểm tra đèn Led
Dựa theo sơ đồ, bạn xác định các chân của opto. Đầu tiên, bạn tìm cực dương và cực âm của đèn LED ( theo sơ đồ thì là chân 1 và chân 2). Sau đó dùng Ôm kế điều chỉnh thang đo ‘X1Ω’. Sau đó đo giữa hai chân 1 và chân 2.
Bạn chọn opto quang thường được dùng nhiều nhất là PC123 – 4 chân để kiểm tra. Các bước làm sẽ thực hiện ngay trong lúc opto đang làm việc. Thao tác đo và kiểm tra opto như sau:
Bước 1: Kiểm tra đèn Led
Dựa theo sơ đồ, bạn xác định các chân của opto. Đầu tiên, bạn tìm cực dương và cực âm của đèn LED ( theo sơ đồ thì là chân 1 và chân 2). Sau đó dùng Ôm kế điều chỉnh thang đo ‘X1Ω’. Sau đó đo giữa hai chân 1 và chân 2.
Nếu kết quả có 1 chiều mà kim đồng hồ tăng lên đến một giá trị điện trở. Khi đổi chiều thì kim đồng hồ không lên. Nghĩa là đèn Led của opto quang hoạt động bình thường. Còn nếu bạn nhận được kết quả khác, nghĩa là đèn Led đã xảy ra vấn đề. Và bạn cần phải thay một opto khác.
Bước 2: Kiểm tra transistor quang
Nếu đèn Led hoạt động tốt, chúng ta tiến hành kiểm tra transistor quang. Bạn dùng Ôm kế đo giữa chân 3 và chân 4. Nếu kim đồng hồ chỉ mức giá trị điện trở cao tức là transistor quang (phototransistor) tốt.
Nếu không có kết quả, thường do các transistor quang có điện trở cao khiến Ôm kế không đo được. Với tình huống này, bạn mắc nối tiếp hai Ôm kế để tăng giá trị thang đo. Nếu không có hai Ôm kế, bạn có thể dùng phương pháp thực nghiệm để kiểm tra opto.
Phương pháp thực nghiệm
Cách đo opto quang theo phương pháp thực nghiệm như sau
Bước 1: Điều chỉnh Ôm kế về thang đo X1KΩ hoặc X10KΩ. Sau đó, chạm các đầu đo của máy đo với emitter và collector (3 và 4). Trong đó, que đỏ nối với chân Collector (4) và que đen nối với Emitter (3).
Bước 2: Mắc nối tiếp một điện trở khoảng 300Ω với cực dương của đèn LED.
Bước 3: Bật nguồn điện và tăng điện áp từ 0 đến 3 volt. Trên Ôm kế sẽ hiển thị giá trị điện trở đầu ra giảm khi điện áp đầu vào tăng và ngược lại.
Bước 2: Kiểm tra transistor quang
Nếu đèn Led hoạt động tốt, chúng ta tiến hành kiểm tra transistor quang. Bạn dùng Ôm kế đo giữa chân 3 và chân 4. Nếu kim đồng hồ chỉ mức giá trị điện trở cao tức là transistor quang (phototransistor) tốt.
Nếu không có kết quả, thường do các transistor quang có điện trở cao khiến Ôm kế không đo được. Với tình huống này, bạn mắc nối tiếp hai Ôm kế để tăng giá trị thang đo. Nếu không có hai Ôm kế, bạn có thể dùng phương pháp thực nghiệm để kiểm tra opto.
Phương pháp thực nghiệm
Cách đo opto quang theo phương pháp thực nghiệm như sau
Bước 1: Điều chỉnh Ôm kế về thang đo X1KΩ hoặc X10KΩ. Sau đó, chạm các đầu đo của máy đo với emitter và collector (3 và 4). Trong đó, que đỏ nối với chân Collector (4) và que đen nối với Emitter (3).
Bước 2: Mắc nối tiếp một điện trở khoảng 300Ω với cực dương của đèn LED.
Bước 3: Bật nguồn điện và tăng điện áp từ 0 đến 3 volt. Trên Ôm kế sẽ hiển thị giá trị điện trở đầu ra giảm khi điện áp đầu vào tăng và ngược lại.
Ngoài việc dùng ôm kế, bạn có thể sử dụng đồng hồ vạn năng để thực hiện cách kiểm tra opto quang. Các mẫu đồng hồ đo điện hiện đại, có cách dùng đơn giản, cho kết quả đo nhanh chóng và chính xác. Bạn sẽ dễ dàng đo và kiểm tra opto quang sống hay chết. Bạn có thể tham khảo các mẫu đồng hồ đo điện đa năng sau: Kyoritsu 1009, Kyoritsu 1021R, Kyoritsu 1109S,...
6. Những thông số cần chú ý khi sử dụng Opto
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.
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.
7. Ứng dụng của Opto trong thực tế
Opto (bộ cách li quang học) được sử dụng nhiều trong công nghiệp cụ thể là bộ chuyển đổi tín hiệu giữa các thiết bị có điện áp cao (công tắc giới hạn) và các mạch logic điện áp thấp. Các bộ cách ly quang học có thể được sử dụng trong các trường hợp mà giữa hai mạch cần được cách ly với nhau. Sự cách ly điện giữa hai mạch 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.
Trong nhiều ứng dụng, mạch điện tử triac và triac chịu sự điều khiển của các hệ thống điện tử nhạy cảm. Ví dụ, một hệ thống vi xử lý được lập trình để bật và tắt động cơ, đèn và máy sưởi cần phải có một thiết bị cách ly chúng nhằm giảm nhiễu dòng điện đến các thiết bị điện tử điều khiển và có thể bảo vệ nó trong trường hợp SCR hoặc TRIAC bị hư hỏng.
Opto (bộ cách li quang học) được sử dụng nhiều trong công nghiệp cụ thể là bộ chuyển đổi tín hiệu giữa các thiết bị có điện áp cao (công tắc giới hạn) và các mạch logic điện áp thấp. Các bộ cách ly quang học có thể được sử dụng trong các trường hợp mà giữa hai mạch cần được cách ly với nhau. Sự cách ly điện giữa hai mạch 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.
Trong nhiều ứng dụng, mạch điện tử triac và triac chịu sự điều khiển của các hệ thống điện tử nhạy cảm. Ví dụ, một hệ thống vi xử lý được lập trình để bật và tắt động cơ, đèn và máy sưởi cần phải có một thiết bị cách ly chúng nhằm giảm nhiễu dòng điện đến các thiết bị điện tử điều khiển và có thể bảo vệ nó trong trường hợp SCR hoặc TRIAC bị hư hỏng.
8. Ưu điểm khi sử dụng Opto quang
- 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”.
- 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”.
