تعتبر المقرنات الضوئية، التي تربط الدوائر باستخدام الإشارات الضوئية كوسيلة، عنصرًا فعالًا في المجالات التي لا غنى فيها عن الدقة العالية، مثل الصوتيات والطب والصناعة، نظرًا لتعدد استخداماتها وموثوقيتها العالية، مثل المتانة والعزل.
ولكن متى وفي أي ظروف يعمل المقرن الضوئي، وما هو مبدأ عمله؟ أو عند استخدام المقرن الضوئي في أعمالك الإلكترونية، قد لا تعرف كيفية اختياره واستخدامه. إذ غالبًا ما يُخلط بين المقرن الضوئي و"الترانزستور الضوئي" و"الصمام الثنائي الضوئي". لذلك، سنتناول في هذه المقالة ماهية المقرن الضوئي.
ما هو جهاز الفوتوكبلر؟
المقرن البصري هو مكون إلكتروني أصله بصري
مُقرِّن، أي "الاقتران بالضوء". يُعرف أحيانًا أيضًا باسم المُقرِّن الضوئي، أو العازل الضوئي، أو العازل الضوئي، إلخ. يتكون من عنصر باعث للضوء وعنصر مُستقبل للضوء، ويربط دائرة الإدخال بدائرة الإخراج عبر إشارة ضوئية. لا يوجد اتصال كهربائي بين هاتين الدائرتين، أي أنهما في حالة عزل. لذلك، يكون اتصال الدائرة بين الإدخال والإخراج منفصلًا، وتُنقل الإشارة فقط. وصِّل الدوائر بمستويات جهد إدخال وإخراج مختلفة بشكل كبير، مع عزل عالي الجهد بين الإدخال والإخراج.
بالإضافة إلى ذلك، يعمل هذا المُقرن الضوئي كمفتاح، وذلك بإرسال أو حجب إشارة الضوء. سيتم شرح المبدأ والآلية بالتفصيل لاحقًا، ولكن عنصر إصدار الضوء في المُقرن الضوئي هو الصمام الثنائي الباعث للضوء (LED).
من الستينيات إلى السبعينيات، عندما تم اختراع مصابيح LED وكان التقدم التكنولوجي الخاص بها كبيرًا،الإلكترونيات البصريةأصبحت طفرة. في ذلك الوقت، ظهرت العديد منالأجهزة البصريةتم اختراع العديد من الأجهزة، وكان المُقرن الكهروضوئي أحدها. بعد ذلك، تغلغلت الإلكترونيات الضوئية بسرعة في حياتنا.
① المبدأ/الآلية
مبدأ المقرن الضوئي هو أن عنصر إصدار الضوء يحوّل الإشارة الكهربائية الداخلة إلى ضوء، بينما يرسل عنصر استقبال الضوء الإشارة الكهربائية العكسية إلى دائرة الإخراج. يقع عنصر إصدار الضوء وعنصر استقبال الضوء داخل كتلة الضوء الخارجي، وهما متقابلان لنقل الضوء.
أشباه الموصلات المستخدمة في العناصر الباعثة للضوء هي الصمام الثنائي الباعث للضوء (LED). من ناحية أخرى، تُستخدم أنواع عديدة من أشباه الموصلات في أجهزة استقبال الضوء، حسب بيئة الاستخدام، والحجم الخارجي، والسعر، وغيرها، ولكن بشكل عام، يُعدّ الترانزستور الضوئي الأكثر استخدامًا.
عندما لا تعمل، تحمل الترانزستورات الضوئية تيارًا ضئيلًا مقارنةً بأشباه الموصلات العادية. عند سقوط الضوء عليها، تُولّد الترانزستورات الضوئية قوة دافعة كهروضوئية على سطحي شبه الموصل من النوع P وشبه الموصل من النوع N، فتتدفق الثقوب في شبه الموصل من النوع N إلى المنطقة p، بينما يتدفق شبه الموصل ذي الإلكترونات الحرة في المنطقة p إلى المنطقة n، ويتدفق التيار.
لا تتمتع الترانزستورات الضوئية باستجابة عالية كالثنائيات الضوئية، ولكنها تُضخّم أيضًا إشارة الخرج إلى ما بين مئات وألف ضعف إشارة الدخل (بسبب المجال الكهربائي الداخلي). ولذلك، فهي حساسة بما يكفي لالتقاط حتى الإشارات الضعيفة، وهذه ميزة.
في الواقع، فإن "حاجب الضوء" الذي نراه هو جهاز إلكتروني له نفس المبدأ والآلية.
ومع ذلك، تُستخدم عادةً قواطع الضوء كمستشعرات، وتؤدي وظيفتها بتمرير جسم مانع للضوء بين العنصر المُصدر للضوء والعنصر المُستقبل له. على سبيل المثال، يمكن استخدامها للكشف عن العملات المعدنية والأوراق النقدية في آلات البيع وأجهزة الصراف الآلي.
② الميزات
بما أن المقرن الضوئي ينقل الإشارات عبر الضوء، فإن العزل بين طرفي الإدخال والإخراج يُعد ميزةً أساسية. فالعزل العالي لا يتأثر بسهولة بالضوضاء، كما يمنع تدفق التيار العرضي بين الدوائر المتجاورة، مما يضمن سلامة فائقة. كما أن هيكله بسيط ومعقول نسبيًا.
بفضل تاريخها العريق، تُعدّ تشكيلة المنتجات الغنية من مختلف المصنّعين ميزةً فريدةً للمقرّنات الضوئية. فنظرًا لعدم وجود تلامس مادي، يكون التآكل بين الأجزاء ضئيلًا، وعمرها الافتراضي أطول. من ناحية أخرى، تتميز هذه المصابيح بسهولة تقلب كفاءتها الضوئية، إذ تتدهور تدريجيًا مع مرور الوقت وتغيرات درجة الحرارة.
خاصةً عندما يصبح الجزء الداخلي من البلاستيك الشفاف غائمًا لفترة طويلة، فلا يمكن أن يوفر إضاءة جيدة. ومع ذلك، على أي حال، فإن عمره الافتراضي طويل جدًا مقارنةً بعمر التلامس الميكانيكي.
عادةً ما تكون الترانزستورات الضوئية أبطأ من الثنائيات الضوئية، لذا لا تُستخدم في الاتصالات عالية السرعة. مع ذلك، لا يُعد هذا عيبًا، إذ تحتوي بعض المكونات على دوائر تضخيم على جانب المخرج لزيادة السرعة. في الواقع، لا تحتاج جميع الدوائر الإلكترونية إلى زيادة السرعة.
③ الاستخدام
مقرنات كهروضوئيةتُستخدم بشكل رئيسي في عمليات التبديل. تُنشَّط الدائرة عند تشغيل المفتاح، ولكن بفضل خصائصها المذكورة أعلاه، وخاصةً العزل والعمر الطويل، فهي مناسبة تمامًا للحالات التي تتطلب موثوقية عالية. على سبيل المثال، تُعتبر الضوضاء عدوًا للإلكترونيات الطبية ومعدات الصوت/الاتصالات.
يُستخدم أيضًا في أنظمة تشغيل المحركات. ويعود سبب استخدام المحرك إلى تحكم العاكس في سرعته عند تشغيله، إلا أنه يُصدر ضوضاءً بسبب ارتفاع خرجه. لا يقتصر تأثير هذه الضوضاء على تعطل المحرك نفسه فحسب، بل يمتد أيضًا إلى الأجهزة الطرفية "الأرضية" المؤثرة. وبشكل خاص، يسهل على المعدات ذات الأسلاك الطويلة التقاط هذا الضجيج العالي الناتج، لذا إذا حدث في المصنع، فسيؤدي ذلك إلى خسائر فادحة، وأحيانًا إلى حوادث خطيرة. باستخدام مقرنات ضوئية عالية العزل للتبديل، يمكن تقليل تأثيرها على الدوائر والأجهزة الأخرى.
ثانيًا، كيفية اختيار واستخدام مقرنات الضوء
كيف تستخدم المقرنات الضوئية المناسبة لتصميم المنتجات؟ سيشرح مهندسو تطوير المتحكمات الدقيقة التاليون كيفية اختيار المقرنات الضوئية واستخدامها.
① افتح دائمًا وأغلق دائمًا
هناك نوعان من المُقرِّنات الضوئية: نوع يُطفأ فيه المفتاح عند عدم وجود جهد، ونوع يُشغَّل فيه المفتاح عند وجود جهد، ونوع يُشغَّل فيه المفتاح عند عدم وجود جهد. يُطبَّق ويُطفأ عند وجود جهد.
يُطلق على النوع الأول اسم "مفتوح عادةً"، بينما يُطلق على النوع الثاني اسم "مغلق عادةً". يعتمد اختيار النوع الأول على نوع الدائرة التي تحتاجها.
② التحقق من تيار الخرج والجهد المطبق
تتميز المقرنات الضوئية بخاصية تضخيم الإشارة، لكنها لا تمرر دائمًا الجهد والتيار حسب الحاجة. بالطبع، للجهد والتيار قيمة مُصنّفة، ولكن يجب تطبيق جهد من جهة الدخل وفقًا لتيار الخرج المطلوب.
إذا نظرنا إلى ورقة بيانات المنتج، فسنرى مخططًا يُمثل فيه المحور الرأسي تيار الخرج (تيار المجمع) والمحور الأفقي جهد الدخل (جهد المجمع-الباعث). يختلف تيار المجمع باختلاف شدة إضاءة LED، لذا يُطبّق الجهد وفقًا لتيار الخرج المطلوب.
ومع ذلك، قد تظن أن تيار الخرج المحسوب هنا صغيرٌ بشكلٍ مفاجئ. هذه هي قيمة التيار التي يُمكن إخراجها بشكلٍ موثوقٍ بعد مراعاة تدهور الصمام الثنائي الباعث للضوء (LED) بمرور الوقت، لذا فهي أقل من الحد الأقصى.
على العكس، هناك حالات يكون فيها تيار الخرج صغيرًا. لذلك، عند اختيار المُقرِّن الضوئي، تأكد من فحص "تيار الخرج" بعناية واختيار المنتج المُناسب له.
③ الحد الأقصى للتيار
أقصى تيار توصيل هو أقصى قيمة تيار يتحملها المقرن الضوئي عند التوصيل. مرة أخرى، يجب التأكد من معرفة مقدار الخرج الذي يحتاجه المشروع وجهد الدخل قبل الشراء. تأكد من أن القيمة القصوى والتيار المستخدم ليسا حدودًا، بل هامشًا.
④ اضبط مقرن الصورة بشكل صحيح
بعد اختيار المُقرن الضوئي المناسب، لنستخدمه في مشروع عملي. التركيب سهل للغاية، ما عليك سوى توصيل الأطراف المتصلة بكل دائرة إدخال ودائرة إخراج. مع ذلك، يجب الحرص على عدم وضع طرفي الإدخال والإخراج بشكل خاطئ. لذلك، يجب عليك أيضًا التحقق من الرموز في جدول البيانات، حتى لا تجد خطأً في قاعدة المُقرن الضوئي بعد رسم لوحة الدوائر المطبوعة.
وقت النشر: ٢٩ يوليو ٢٠٢٣