Chúng ta biết rằng máy biến áp không chỉ có thể tăng lên (hoặc giảm xuống) điện áp xoay chiều mà còn có khả năng “cách ly điện” giữa điện áp cao hơn bên phía sơ cấp và điện áp thấp hơn ở phía thứ cấp.
Nói cách khác, máy biến áp cách ly điện áp đầu vào sơ cấp với điện áp đầu ra thứ cấp bằng cách sử dụng ghép điện từ và điều này được thực hiện bằng cách sử dụng từ thông tuần hoàn trong lõi sắt nhiều lớp của chúng.
Nhưng chúng ta cũng có thể cách ly điện giữa nguồn tín hiệu ngõ vào và tải đầu ra chỉ bằng ánh sáng bằng cách sử dụng một linh kiện điện tử rất phổ biến và hữu dụng được gọi là bộ ghép quang (Opto-coupler) hay bộ cách ly quang (Opto-isolator).
Cách ly quang là một linh kiện quang điện tử chuyên dùng để truyền tín hiệu điều khiển giữa hai mạch điện có sự chênh lệch cao về điện áp thông qua ánh sáng mà không cần liên hệ với nhau bằng tín hiệu điện.
Cấu tạo bên trong của bộ ghép quang
Về cơ bản, bộ cách ly quang bao gồm 2 thành phần chính:
- Phần phát ánh sáng: Linh kiện phát ánh sáng ở phía đầu vào lấy tín hiệu đến rồi chuyển nó thành tín hiệu ánh sáng. Điển hình 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 và chuyển nó trở lại thành tín hiệu điện. Linh kiện nhận ánh sáng có thể là một photodiode, transistor quang, quang trở, SCR quang hoặc TRIAC quang.
Hình 1: Hình dạng và cấu tạo của bộ ghép quang
Bộ phát và dò ánh sáng được điều chỉnh để phù hợp với nhau, có bước sóng phù hợp để đạt được sự ghép nối tối đa.
Bộ ghép quang cũng có thể chứa các mạch điện khác, Ví dụ: nó có thể bao gồm điện trở nối tiếp với đèn LED. Bộ ghép quang cũng có thể bao gồm bộ khuếch đại đầu ra.
Hoạt động của cách ly quang
Giả sử một bộ cách lý quang sử dụng transistor quang như hình 2. Dòng điện từ tín hiệu nguồn đi qua đèn LED ở đầu vào phát ra ánh sáng hồng ngoại có cường độ tỷ lệ với tín hiệu điện.
Hình 2: Bộ cách ly quang dùng transistor quang
Ánh sáng phát ra từ LED này chiếu vào cực nền của transistor quang, làm cho nó dẫn theo cách tương tự như transistor lưỡng cực bình thường.
Cực nền của transistor quang có thể được để hở (không kết nối) để có độ nhạy tối đa với năng lượng ánh sáng hồng ngoại của đèn LED hoặc kết nối với đất thông qua một điện trở bên ngoài có giá trị phù hợp để điều chỉnh độ nhạy chuyển mạch, làm cho linh kiện hoạt động ổn định hơn và chống sai kích hoạt bởi nhiễu điện bên ngoài hoặc quá độ điện áp.
Khi dòng điện chạy qua đèn LED bị ngắt thì ánh sáng hồng ngoại được phát ra từ LED cũng bị cắt, làm cho transistor quang ngừng dẫn. Transistor quang có thể được sử dụng để đóng ngắt dòng điện trong mạch đầu ra. Đáp ứng quang phổ của đèn LED và thiết bị cảm quang được thiết kế sao cho khớp với nhau và đặt tách rời nhau trong một môi trường trong suốt như thủy tinh, nhựa hoặc không khí. Vì không có kết nối điện trực tiếp giữa đầu vào và đầu ra của bộ ghép quang, nên có thể đạt được cách ly điện lên đến 10kV.
Các loại cách ly quang
Có nhiều loại Opto khác nhau được bán trên thị trường dựa trên nhu cầu và khả năng chuyển mạch của chúng. Tùy thuộc vào việc sử dụng, chủ yếu có bốn loại cách ly quang sau đây, mỗi loại đều có nguồn LED hồng ngoại nhưng với các linh kiện cảm quang khác nhau.
- Bộ ghép quang dùng photo-quang (Hình 3a)
- Bộ ghép quang dùng photo-darlington (Hình 3b)
- Bộ ghép quang dùng photo-SCR (Hình 3c)
- Bộ ghép quang dùng photo-triac (Hình 3d)
Hình 3: Các loại cách ly quang
Các loại opto dùng photo-transistor và photo-darlington chủ yếu được sử dụng trong các mạch DC trong khi SCR quang và triac quang cho phép điều khiển các mạch điện AC. Ngoài ra, có nhiều loại kết hợp bộ phát quang và cảm biến quang khác, chẳng hạn như LED-photodiode, LED-LASER, đèn-quang trở, bộ ghép quang phản xạ và có rãnh.
Các ứng dụng của cách ly quang
Bộ ghép quang hay bộ cách ly quang có thể được sử dụng độc lập hoặc để điều khiển một loạt các thiết bị điện tử lớn hơn khác như transistor và triac, cung cấp cách ly điện cần thiết giữa tín hiệu điều khiển điện áp thấp hơn, ví dụ tín hiệu từ Arduino hoặc vi điều khiển, với tín hiệu đầu ra có điện áp hoặc dòng điện cao hơn nhiều.
Các ứng dụng phổ biến của bộ ghép quang bao gồm chuyển mạch đầu vào / đầu ra của bộ vi xử lý, điều khiển nguồn DC và AC, truyền thông PC, cách ly tín hiệu, v.v. Tín hiệu điện được truyền có thể là tín hiệu tương tự (tuyến tính) hoặc kỹ thuật số (xung).
Trong ứng dụng này, bộ cách lý quang được sử dụng để phát hiện trạng thái đóng/mở của công tắc hoặc một loại tín hiệu số ở ngõ vào. Điều này rất hữu ích nếu công tắc hoặc tín hiệu đang được dò nằm trong môi trường nhiễu điện. Đầu ra có thể được sử dụng để điều khiển mạch bên ngoài, ánh sáng hoặc làm đầu vào cho PC hoặc bộ vi xử lý.
Công tắc DC dùng cách lý quang
Hình 4: Mạch ứng dụng dùng cách ly quang
Nhìn vào sơ đồ trên các bạn sẽ thấy, khi tín hiệu đầu vào ở mức 0V thì đèn LED không có dòng điện chạy qua nên không phát sáng. Photo transistor không dẫn điện và có tổng trở rất lớn. Tín hiệu điện áp rơi trên hết trên chân C của photo transistor là VCC.
Khi tín hiệu đầu vào ở mức 5V thì đèn LED sẽ có dòng điện chạy qua nên phát sáng. Ánh sáng này chiếu vào photo transistor làm nó dẫn điện. Trở kháng lúc này của photo transistor rất bé và nó gần như dẫn thông xuống mass làm tín hiệu điện trên chân C sụt về 0V.
Như vậy, qua ví dụ trên các bạn có thể thấy, có thể dùng opto để một tín hiệu 5V điều khiển một tín hiệu VCC thông qua ánh sáng. Hay nói cách khác, 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 được sử dụng để điều khiển độ nhạy ánh sáng của transistor quang. Giá trị của điện trở có thể được chọn để phù hợp với bộ cách ly 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 có thể dẫn đến việc kích hoạt sai vào cực nền của transistor quang.
Bộ cách ly quang dùng triac quang
Ngoài việc phát hiện các tín hiệu DC và dữ liệu, bộ cách ly Opto-triac có sẵn cũng 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 400 vôn, làm cho chúng lý tưởng cho kết nối nguồn điện trực tiếp và dòng điện tối đa khoảng 100mA. Đối với các tải được cấp nguồn cao hơn, opto-triac có thể được sử dụng để cung cấp xung cổng cho một triac khác lớn hơn thông qua một điện trở hạn chế dòng điện như hình 5.
Hình 5: Mạch ứng dụng dùng cách ly quang
Loại cấu hình bộ cách ly quang này tạo thành cơ sở của một ứng dụng rơle trạng thái rắn rất đơn giản có thể được sử dụng để điều khiển bất kỳ tải nào được cấp nguồn từ nguồn AC như đèn và động cơ. Cũng không giống như thyristor (SCR), một triac có khả năng 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 tuyệt vời 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 chẳng hạn như tín hiệu từ cổng logic. Ưu điểm chính của opto là khả năng cách ly 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 ly quang có thể được sử dụng với cả tín hiệu DC và AC với bộ cách ly 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 chính của opto dùng SCR quang và triac quang là cách ly 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 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.
Các loại Opto thông dụng hiện nay
Opto PC817
Hình 6: Hình dạng và sơ đồ chân PC817
Cách xác định chân của opto PC817: Chân 1 là chân gần với dấu chấm trên mặt opto (dấu tròn nhỏ lõm xuống), gần chân 1 là chân 2, đối diện chân 1 là chân 4, cạnh chân 4 là chân 3.
Trong đó:
Chân 1: Anode
Chân 2: Cathode
Chân 3: Emitter
Chân 4: Collector
Opto 4N35
4N35 là linh kiện có 6 chân, cách xác định chân tương tự như P521
Chân 1: Anode
Chân 2: Cathode
Chân 3: NC (No connected)
Chân 4: Emitter
Chân 5: Collector
Chân 6: Base
Opto P521
Opto P521 có 4 chân, cách xác định chân tương tự như PC817.
Kết luận
Bộ ghép quang (opto) là một mạch tích hợp gồm hai linh kiện thu quang và phát quang. Trong đó, linh kiện phát quang luôn là LED còn linh kiện thu quang có thể là photodiode, phototransistor, photo-darlington, photo-SCR,…Ứng dụng thường gặp của opto là dùng để cách ly mạch điều khiển và mạch công suất.