Un optocuplor este o componentă electronică care interconectează două circuite electrice separate prin intermediul unei interfețe optice sensibile la lumină.

Știm din tutorialele despre Transformatoare că ele nu pot oferi doar o tensiune mai mică, ci și o "izolare electrică" între tensiunea mai mare pe partea primară și tensiunea mai mică pe partea secundară.

Cu alte cuvinte, transformatoarele izolează tensiunea de intrare din primar de tensiunea de ieșire din secundar folosind cuplarea electromagnetică și acest lucru se realizează utilizând fluxul magnetic care circulă în interiorul miezului lor laminat din fier.

Dar putem oferi izolație electrică între o sursă de intrare și o sarcină de ieșire utilizând doar lumina, utilizând o componentă electronică foarte comună și valoroasă numită Optocuplor.

Schema de bază a unui optocuplor, cunoscut și ca opto-izolator, constă într-un LED care produce o lumină infraroșie și un dispozitiv foto-sensibil semiconductor care este utilizat pentru a detecta fasciculul infraroșu emis. Atât LED-ul, cât și dispozitivul foto-sensibil sunt închise într-un corp sau un ambalaj ușor etanș, cu picioare metalice pentru conexiuni, electrice așa cum se arată.

Un optocuplor sau un opto-isolator constă dintr-un emițător de lumină, LED și un receptor sensibil la lumină, care poate fi o fotodiodă, foto-tranzistor, fotorezistor, foto-SCR sau un foto-TRIAC, funcționarea de bază a unui optocuplor fiind foarte simplu de înțeles.

Optocuplor cu fototranzistor

Să presupunem un dispozitiv foto-tranzistor, așa cum este arătat. Curentul de la semnalul sursă trece prin LED-ul de intrare care emite o lumină infraroșie a cărei intensitate este proporțională cu semnalul electric. Această lumină emisă cade pe baza foto-tranzistorului, determinându-l să comute ON și să conducă în mod similar cu un tranzistor bipolar normal.

Conexiunea bază a foto-tranzistorului poate fi lăsată deschisă (neconectată) pentru o sensibilitate maximă la energia luminii infraroșii a LED-ului sau conectată la masă printr-un rezistor de înaltă valoare extern adecvat pentru a controla sensibilitatea la comutare, făcându-l mai stabil și rezistent la declanșare falsă de către zgomote electrice externe sau tranziții de tensiune.

Când curentul care circulă prin LED-ul este întrerupt, lumina emisă în infraroșu este întreruptă, provocând încetarea conducției foto-tranzistorului. Foto-tranzistorul poate fi utilizat pentru comutarea curentului în circuitul de ieșire. Răspunsul spectral al LED-ului și al dispozitivului fotosensibil sunt foarte apropiate, fiind separate de un mediu transparent, cum ar fi sticla, plasticul sau aerul. Deoarece nu există o conexiune electrică directă între intrarea și ieșirea unui optocuplor, se realizează o izolație electrică de până la 10 kV.

Optocuploarele sunt disponibile în patru tipuri generale, fiecare având o sursă LED cu infraroșu, dar cu dispozitive foto-sensibile diferite. Cele patru optocuploare sunt numite: Foto-tranzistor, Foto-darlington, Foto-SCR și Foto-triac, după cum se arată mai jos.

Tipuri de optocuploare

Dispozitivele foto-tranzistor și foto-darlington sunt utilizate în principal în circuitele DC, în timp ce foto-SCR și foto-triac permit să fie controlate circuitele de alimentate AC. Există multe alte tipuri de combinații sursă-senzor, cum ar fi perechi LED-fotodiodă, LED-LASER, lampă-fotorezistor, optocuploare reflectorizante și cu fantă.

Optocuploare simple realizate manual pot fi construite folosind componente individuale. Un LED și un foto-tranzistor sunt introduse într-un tub din plastic rigid sau sunt încastrate în tuburi termocontractabile așa cum se arată. Avantajul acestui optocuplor realizat acasă este acela că tuburile pot fi tăiate la orice lungime doriți și chiar îndoite la colțuri. Evident, tuburile cu un interior reflexiv ar fi mai eficiente decât tuburile negre întunecate.

Optocuploare făcute manual

Aplicații ale optocuploarelor

Optocuploarele și opto-izolatoarele pot fi utilizate singure sau pot comuta o serie de alte dispozitive electronice mai mari, cum ar fi tranzistoarele și triacurile, realizând izolarea electrică necesară între un semnal de control al tensiunii mai mic, de exemplu unul de la un Arduino sau un microcontroler, și un semnal de ieșire de curent mult mai mare sau de rețea.

Aplicațiile obișnuite pentru optocuploare includ comutarea intrare/ieșire a microprocesorului, controlul puterii DC și AC, comunicațiile PC, izolarea semnalului și reglarea sursei de alimentare care suferă de bucle de masă de curent etc. Semnalul electric transmis poate fi fie analogic (liniar) sau digital (impulsuri).

În această aplicație, optocuplorul este utilizat pentru a detecta funcționarea comutatorului sau alt tip de semnal digital de intrare. Acest lucru este util dacă comutatorul sau semnalul detectat se află într-un mediu cu zgomot electric. Ieșirea poate fi utilizată pentru a opera un circuit extern, lumină sau ca intrare la un PC sau la un microprocesor.

Un comutator DC opto-tranzistor

Pe lângă detectarea semnalelor și datelor DC, sunt disponibili și izolatorii opto-triac care permit controlul echipamentelor alimentate AC și al lămpilor de rețea. Triacurile opto-cuplate, cum ar fi MOC 3020, au valori de tensiune nominală de aproximativ 400 de volți, făcându-le ideale pentru conectarea directă la rețea și un curent maxim de aproximativ 100 mA. Pentru sarcini cu putere mai mare, opto-triac-ul poate fi utilizat pentru a furniza pulsul de poartă la un alt triac mai mare printr-un rezistor de limitare a curentului, așa cum se arată.

Aplicație Optocuplor pentru triac

Acest tip de configurație a optocuplorului formează baza unei aplicații foarte simple de releu solid-state care poate fi utilizată pentru a controla orice sarcină alimentată de la rețeaua AC, cum ar fi lămpile și motoarele. De asemenea, spre deosebire de un tiristor (SCR), un triac este capabil să conducă în ambele alternanțe ale ciclului AC de rețea cu detecția trecerii prin zero, permițând sarcinii să primească întreaga putere fără curenții mari de aprindere atunci când comută sarcini inductive.

Optocuploarele și opto-izolatoarele sunt dispozitive electronice mari care permit ca dispozitive precum tranzistoarele de putere și triacurile să fie controlate de la un port de ieșire al PC-ului, un comutator digital sau de la un semnal de date de joasă tensiune cum ar fi cel de la o poartă logică. Principalul avantaj al optocuploarelor este izolarea lor electrică ridicată între bornele de intrare și ieșire, permițând semnalelor digitale relativ mici să controleze tensiuni, curenți și putere AC mult mai mari.

Un optocuplor poate fi utilizat atât cu semnale DC cât și AC, cu optocuploare care folosesc un SCR (tiristor) sau un triac deoarece dispozitivul de foto-detecție este proiectat în principal pentru aplicații de control al puterii AC. Principalul avantaj al foto-SCR și al foto-triacelor este izolarea completă de orice zgomot sau vârfuri de tensiune prezente pe linia de alimentare AC, precum și detecția trecerii prin zero a formei de undă sinusoidale, care reduce curenții de comutare și de aprindere, protejând orice semiconductori de putere utilizați de stres termic și șoc.