در این مقاله با عملکرد و کاربرد اپتوکوپلر در مدارهای الکترونیکی آشنا میشید و مداری طراحی میکنیم که با استفاده از اپتوکوپلر 4N35 و ترانزیستور BC37 یک رله رو با استفاده از پایه ی خروجی میکرو قطع و وصل کنیم.
فهرست
– فوتوترانزیستور به عنوان سوئیچ
– اپتوکوپلر 4N35 و ترانزیستور BC327 برای قطع و وصل رله با میکروکنترلر
عملکرد اپتوکوپلر
اپتوکوپلر یک قطعه ی الکترونیکی هست که سیگنال الکتریکی رو با استفاده از نور مادون قرمز بین دور مدار که از هم ایزوله هستند انتقال میده. اپتوکوپلر ها شامل یک منبع نور ( مثلا led یا لیزر ) در ورودی و یک نیمه هادی حساس به نور در خروجی هستند. وقتی جریان از این led عبور کنه و led روشن بشه، خروجی اپتوکوپلر فعال میشه. اپتوکوپلر ها با توجه به نوع ورودی و خروجی انواع مختلفی دارند.
اپتوکوپلرهای فوتو-ترانزیستور و فوتو-دارلینگتون در مدارهای dc و اپتوکوپلرهای فوتو-SCR و فوتو-ترایاک برای کنترل مدارهای AC استفاده میشن.
اپتوکوپلر فوتوترانزیستور ، Phototransistor Optocoupler
در شکل زیر یک اپتوکوپلر فوتوترانزیستور رو میبینید، در ورودی عبور جریان از led باعث روشن شدن led میشه. شدت نور تولید شده به مقدار جریان ورودی وابسته است. نور منتشر شده از led به بیس ترانزیستور NPN میتابه و باعث فعال شدن ترانزیستور میشه. ترانزیستور NPN در خروجی مشابه یک ترانزیستور عادی رفتار میکنه، با این تفاوت که در ترانزیستور معمولی جریان کلکتور-امیتر وابسته به جریان بیس هست ولی در فوتوترانزیستور جریان کلکتور-امیتر وابسته به جریان عبوری از led هست.
در بعضی اپتوکوپلر ها یک پین برای بیس ترانزیستور هم وجود داره که میتونیم با یک مقاومت این پین رو به زمین وصل کنیم تا حساسیت تحریک ترانزیستور رو تنظیم کنیم یا به جایی وصلش نکنیم.
فوتوترانزیستور به عنوان سوئیچ
در ادامه بایاس کردن اپتوکوپلر رو برای عملکرد به عنوان سوئیچ بررسی میکنیم. عملکرد به عنوان سوئیچ یعنی قراره از اپتوکوپلر برای قطع و وصل کردن یک ولتاژ استفاده کنیم. در مثال زیر با تغییر وضعیت ورودی از 0 ولت به 5 ولت، ولتاژ خروجی از 12 ولت به 0 ولت تغییر داده میشه.
عملکرد فوتوترانزیستور به عنوان سوئیچ مشابه عملکرد ترانزیستور های BJT هست. برای اینکه یک فوتوترانزیستور به عنوان سوئیچ کار کنه، مشابه ترانزیستورهای BJT باید عملکردش بین حالت های اشباع و قطع تنظیم بشه. در ترانزیستورهای BJT جریان بیس باید به حد کافی بالا بشه تا ترانزیستور در حالت اشباع کار کنه، در فوتوترانزیستورها جریان فوروارد led، فوتوترانزیستور رو به حالت اشباع میبره. در ترانزیستورهای BJT جریان بیس و کلکتور با نسبت بتا یا گین ترانزیستور به هم مربوط میشن ولی در اپتوکوپلرها اسم این نسبت current transfer ratio یا CRT نام داره ( نسبت انتقال جریان ) .
برای بایاس کردن فوتوترانزیستور در حالت اشباع باید جریان فوروارد led رو به حد کافی بالا ببریم. برای تنظیم جریان فوروارد led هم باید مقدار مقاومتی که با led سری شده رو محاسبه کنیم.
در قدم اول جریان مورد نیاز کلکتور رو محاسبه کنید. سپس با استفاده از CTR که در دیتاشیت فوتوترانزیستور نوشته شده جریان فوروارد led رو محاسبه کنید. در انتها مقدار مقاومت سری شده با led رو طوری انتخاب کنید که جریان فوروارد led حداقل دو برابر مقدار محاسبه شده با استفاده از CTR باشه، تا مطمئن بشیم اپتوکوپلر در حالت اشباع کار میکنه.
استفاده از اپتوکوپلر 4N35 و ترانزیستور BC327 برای قطع و وصل رله با میکروکنترلر
اگر بخواهیم از اپتوکوپلر 4N35 برای قطع و وصل رله توسط پایه ی میکروکنترلر استفاده کنیم، مدارش به شکل زیر هست. یک طرف رله به 12 ولت وصله و طرف دیگه وقتی led توسط پایه ی میکرو روشن بشه از طریق کلکتور فوتوترانزیستور 4n35 به زمین وصل میشه. ولی از این مدار نمیشه استفاده کرد.
CTR فوتوترانزیستور 4N35 رو در دیتاشیت میبینید که مقدارش 100 هست. با توجه به اینکه رله برای وصل شدن به 30 میلی آمپر جریان نیاز داره و جریان کلکتور باید 30 میلی آمپر باشه، برای اینکه فوتوترانزیستور در حالت اشباع کار کنه ، جریان فوروارد باید 60 میلی آمپر باشه که نمیتونیم این جریان رو از پایه ی میکرو تامین کنیم و همچنین جریان فوروارد 60 میلی آمپر برای خود فوتوترانزیستور 4N35 هم زیاده. در جدول maximum rating در دیتاشیت 4n35 مقدار ماکزیمم جریان فوروارد 50 میلی آمپر هست.
برای خیلی از اپتوکوپلرها ضریب تقویت جریان کم هست ، کاربرد اپتوکوپلر هم تقویت جریان نیست، بلکه ایزوله کردن هست. برای رفع مشکل جریان از یک ترانزیستور PNP استفاده میکنیم، در اینجا BC237.. اپتوکوپلر ترانزیستور رو فعال میکنه و ترانزیستور رله رو روشن میکنه و مدارش مشابه شکل زیر هست. در ادامه باید ترانزیستور و اپتوکوپلر رو در حالت اشباع بایاس کنیم، برای این منظور باید مقدار مقاومت های R1 و R2 محاسبه بشه.
ابتدا مقاومت R2 رو محاسبه میکنیم ، این مقاومت باید طوری انتخاب بشه که جریان بیس ترانزیستور BC327 به حد کافی بالا باشه تا این ترانزیستور در حالت اشباع کار کنه.
رله برای روشن شدن به 30mA جریان نیاز داره که این جریان کلکتور ترانزیستور BC327 هست.جریان کلکتور رو تقسیم بر بتا میکنیم (که برای ترانزیستور BC327 حداقل مقدار بتا 160 هست) و برای بدست آوردن جریان بیس جریان کلکتور تقسیم بر بتا رو 5 برابر میکنیم تا مطمئن بشیم ترانزیستور در حالت اشباع کار میکنه. معادله ی ولتاژ رو در امتداد خط نقطه چین مینویسیم و با توجه به جریان بیس مقدار مقاومت R2 محاسبه میشه.
جریان کلکتور اپتوکوپلر 4N35 همون جریان بیس ترانزیستور BC327 هست . جریان کلکتور رو تقسیم بر CTR میکنیم و برای اینکه مطمئن بشیم اپتوکوپلر در حالت اشباع کار میکنه این مقدار رو در 5 ضرب میکنیم تا جریان فوروارد اپتوکوپلر بدست بیاد. معادله ولتاژ رو در راستای خط نقطه چین مینویسیم و با توجه به جریان بیس مقدار مقاومت R1 محاسبه میشه.
تصویر مدار:
