ایزولاتور نوری چیست؟

اپتو ایزولاتور (opto-isolator) یا کوپلر نوری (optocoupler) یا فوتوکوپلر (photocoupler) یا عایق نوری (optical isolator) یک وسیله الکترونیکی است که برای انتقال سیگنال‌های الکتریکی وسیله امواج نوری طراحی بین دو مدار مجزا به شده است تا به این وسیله یک عایق الکتریکی بین ورودی و خروجی ایجاد کند.

اپتو ایزولاتور‌ها از تاثیر ولتاژ‌های بالا بر سیستم دریافت سیگنال جلوگیری می‌کنند. اپتو ایزولاتور‌های موجود در بازار در برابر ولتاژ ورودی به خروجی تا ۱۰ کیلوولت و ولتاژ گذرا با سرعت ۱۰ کیلوولت بر میکروثانیه ایستادگی می‌کنند.

یک نوع معمول از اپتوکوپلر شامل یک LED و یک فوتوترانزیستور (phototransistor) در یک پکیج می‌باشد. اپتو ایزولاتور‌ها معمولا برای انتقال دیجیتال (روشن/خاموش) سیگنال استفاده می‌شوند، اما برخی از تکنیک‌ها امکان استفاده از سیگنال‌های آنالوگ (تناسبی) را فراهم می‌کنند.



دیاگرام شماتیک یک اپتو ایزولاتور؛ نشان‌دهنده منبع نور (LED) در سمت چپ، مانع دی‌الکتریک در وسط و سنسور (فتورزیستور) در سمت راست است.

کارکرد اپتو ایزولاتور‌ها

یک اپتو ایزولاتور شامل بخش‌های اصلی زیر است:

منبع (تابنده) نور که تقریبا همیشه یک دیود نوری (LED) نزدیک به فروسرخ می‌باشد و سیگنال ورودی الکتریکی را به نور تبدیل می‌کند.
کانال نوری بسته یا کانال دی‌الکتریک
فتوسنسور (photosensor) که نور ورودی را تشخیص داده و یا خود به طور مستقیم انرژی الکتریکی تولید و یا این که جریان الکتریکی یک منبع تغذیه (power supply) خارجی را تنظیم می‌کند.

سنسور می‌تواند یک مقاومت نوری (photoresistor)، یک دیود نوری (photodiode)، یک ترانزیستور نوری (phototransistor)، یک یکسوساز کنترلی سیلیکونی (silicon-controlled rectifier) یا SCR و یا یک ترایاک (TRIAC) باشد. از آن‌جا که LED‌ها می‌توانند علاوه بر تابش نور آن را احساس نیز بکنند، ساخت اپتو ایزولاتور متقارن دوسویه امکان‌پذیر است. یک کوپلر نوری رله حالت جامد (solid state relay) شامل یک اپتو ایزولاتور دیود نوری است که یک کلید برق را به حرکت در می‌آورد. کلید نوری چاک‌دار (slotted optical switch) شامل یک منبع نور و یک سنسور است. کانال‌های نوری باز اجازه می‌دهند که مدولاسیون نور توسط اجسام خارجی، مانع از شدن مسیر نور و یا انعکاس نور به سنسور شود.



ایزولاسیون الکتریکی

تجهیزات الکترونیکی و خطوط سیگنال و انتقال برق ممکن است در معرض نوسان ولتاژ ناشی از تخلیه الکترواستاتیکی، انتقال فرکانس رادیویی، تغییر پالس و آشفتگی در منبع تغذیه قرار گیرند. حملات رعد و برق از راه دور می‌تواند نوسانات تا ۱۰ کیلوولت، یک هزار بار بیش از محدودیت‌های ولتاژ از بسیاری از قطعات الکترونیکی را القا کنند. البته یک مدار می‌تواند به صورتی طراحی شود که ولتاژ بالا را تحمل کند، ولی در این صورت نیاز به روش‌های ایمن و قابل اعتمادی دارد که قطعات ولتاژ بالای خود را با قطعات کم ولتاژ در کنار هم قرار دهد.

وظیفه اصلی اپتو ایزولاتور جلوگیری از ولتاژ‌های بالا و ولتاژ‌های گذرا به صورتی است که افزایش در یک بخش از سیستم نتواند بخش‌های دیگر را مختل یا خراب کند. از لحاظ تاریخی این وظیفه بر عهده ترانسفورماتور‌های ایزولاسیون (isolation transformers) گذاشته شده بود که از کوپلینگ القایی بین سمت‌های ورودی و خروجی استفاده می‌کنند. ترانسفورماتور‌ها و اپتو ایزولاتور تنها دو کلاس از دستگاه‌های الکترونیکی هستند که ارایه کننده حفاظت تقویت‌شده (reinforced protection) هستند و برای تجهیزات و کاربران انسانی این تجهیزات محافظت ایجاد می‌کنند. این دستگاه‌ها دارای یک مانع جداسازی فیزیکی هستند، اما حفاظتی معادل با ایزولاسیون دوبل (double isolation) فراهم می‌کنند.

ایمنی، آزمایش و تایید اپتو ایزولاتور‌ها به وسیله استاندارد‌های ملی و بین‌المللی همانند IEC ۶۰۷۴۷-۵-۲، EN (CENELEC) ۶۰۷۴۷-۵-۲، UL۱۵۷۷ و ... تنظیم شده است. مشخصات منتشر شده اپتو ایزولاتور‌ها توسط تولیدکنندگان همواره حداقل یکی از این چارچوب‌های قانونی را دنبال می‌کند.

اپتو ایزولاتور سمت‌های ورودی و خروجی را با یک پرتو نوری که توسط جریان ورودی تنظیم می‌شود به هم متصل؛ سیگنال ورودی مفید را تبدیل به نور می‌کند؛ آن را از درون کانال دی الکتریک عبور می‌دهد؛ در سمت خروجی آن را می‌گیرد و تبدیل به سیگنال الکتریکی می‌کند. بر خلاف ترانسفورماتور‌ها (transformers) که انرژی را در هر دو جهت عبور می‌دهند و تلفات بسیار کمی دارند، اپتو ایزولاتور‌ها یک‌سویه هستند و نمی‌توانند توان را انتقال دهند. اپتو ایزولاتور‌های معمولی تنها می‌توانند جریان انرژی که در حال حاضر در سمت خروجی موجود است را تنظیم کنند. بر خلاف ترانسفورماتور، اپتو ایزولاتور می‌تواند سیگنال‌های DC و یا آهسته را از خود عبور دهد و نیازی به امپدانس‌های تطبیقی بین سمت‌های ورودی و خروجی ندارد.

جانمایی فیزیکی یک اپتو ایزولاتور در درجه اول به ولتاژ جداسازی مورد نظر بستگی دارد. دستگاه‌های با رتبه کم‌تر از چند کیلوولت دارای ساختمان مسطح یا ساندویچی هستند. قالب سنسور به طور مستقیم در قاب جلویی پکیج نصب شده است. این سنسور با یک ورق شیشه‌ای یا پلاستیکی شفاف پوشیده شده است که بر روی آن قالب LED قرار دارد. پرتو LED رو به پایین شلیک می‌شود. برای کمینه کردن تلفات نور، طیف جذبی مفید سنسور باید با طیف خروجی از LED که تقریبا همواره در نزدیک مادون قرمز قرار دارد، مطابقت داشته باشد. کانال نوری تا اندازه ممکن برای ولتاژ شکست مورد نظر نازک ساخته می‌شود.



برش جانمایی‌های مسطح (در بالا) و گنبدی (در پایین). ابعاد نسبی LED به رنگ قرمز و سنسور به رنگ سبز به صورت اغراق شده نشان داده شده‌اند.

اپتو ایزولاتور‌های با رتبه ۲.۵ تا ۶ کیلوولت از یک طرح متفاوت به نام گنبد سیلیکونی (silicone dome) استفاده می‌کنند. در این‌جا LED و قالب‌های سنسور بر روی طرف مقابل پکیج قرار گرفته‌اند. LED به صورت افقی به سنسور شلیک می‌کند. LED، سنسور و فاصله بین آن‌ها در یک حباب یا گنبد از سیلیکون شفاف محصور شده‌اند. گنبد به عنوان یک بازتابنده عمل می‌کند و تمام نور سرگردان را نگه می‌دارد و آن را بر روی سطح سنسور بازتاب می‌دهد که باعث کمینه شدن تلفات در یک کانال نوری نسبتا طولانی می‌شود.



انواع اپتو ایزولاتور‌ها