تعتبر أجهزة التوصيل الضوئي، التي تربط الدوائر باستخدام الإشارات الضوئية كوسيط، عنصرًا نشطًا في المجالات التي لا غنى فيها عن الدقة العالية، مثل الصوتيات والطب والصناعة، وذلك نظرًا لتعدد استخداماتها وموثوقيتها العالية، مثل المتانة والعزل.
لكن متى وتحت أي ظروف يعمل المُقترن الضوئي، وما هو المبدأ الذي يقوم عليه؟ أو عند استخدامك للمُقترن الضوئي في أعمالك الإلكترونية، قد لا تعرف كيفية اختياره واستخدامه. لأن المُقترن الضوئي غالبًا ما يُخلط بينه وبين "الترانزستور الضوئي" و"الصمام الثنائي الضوئي". لذلك، سنشرح في هذه المقالة ماهية المُقترن الضوئي.
ما هو جهاز اقتران الصور؟
المُقترن الضوئي هو مُكوّن إلكتروني أصله البصري
الموصل الضوئي، الذي يعني "الاقتران بالضوء"، يُعرف أحيانًا باسم العازل الضوئي أو العازل البصري، وما إلى ذلك. يتكون من عنصر باعث للضوء وعنصر مستقبل له، 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 منفصلاً، ويتم نقل الإشارة فقط. يُستخدم لتوصيل الدوائر ذات مستويات جهد الإدخال والإخراج المختلفة بشكل كبير، مع عزل الجهد العالي بين الإدخال والإخراج.
بالإضافة إلى ذلك، يعمل هذا الجهاز كمفتاح من خلال إرسال أو حجب إشارة الضوء هذه. سيتم شرح المبدأ والآلية بالتفصيل لاحقًا، ولكن عنصر انبعاث الضوء في جهاز اقتران الضوء هو الصمام الثنائي الباعث للضوء (LED).
من الستينيات إلى السبعينيات، عندما تم اختراع مصابيح LED وشهدت تطورات تكنولوجية كبيرة،الإلكترونيات الضوئيةوتحولت إلى طفرة. في ذلك الوقت، كانت هناك العديد منالأجهزة البصريةتم اختراعها، وكان الموصل الكهروضوئي أحدها. بعد ذلك، سرعان ما توغلت الإلكترونيات الضوئية في حياتنا.
① المبدأ/الآلية
يعتمد مبدأ عمل المقرن الضوئي على قيام عنصر باعث للضوء بتحويل الإشارة الكهربائية الداخلة إلى ضوء، ثم يقوم عنصر مستقبل للضوء بنقل الإشارة الكهربائية الضوئية إلى دائرة الخرج. يقع كل من عنصر باعث الضوء وعنصر مستقبل الضوء داخل كتلة الضوء الخارجي، وهما متقابلان لضمان نقل الضوء.
أشباه الموصلات المستخدمة في العناصر الباعثة للضوء هي الصمام الثنائي الباعث للضوء (LED). من جهة أخرى، توجد أنواع عديدة من أشباه الموصلات المستخدمة في الأجهزة المستقبلة للضوء، وذلك تبعًا لبيئة الاستخدام والحجم الخارجي والسعر، وما إلى ذلك، ولكن بشكل عام، يُعد الترانزستور الضوئي الأكثر شيوعًا.
عندما لا تعمل الترانزستورات الضوئية، فإنها تحمل تيارًا ضئيلاً مقارنةً بأشباه الموصلات العادية. وعندما يسقط الضوء عليها، تولد الترانزستورات الضوئية قوة دافعة ضوئية على سطح شبه الموصل من النوع P وشبه الموصل من النوع N، فتتدفق الفجوات في شبه الموصل من النوع N إلى المنطقة p، وتتدفق الإلكترونات الحرة في شبه الموصل من النوع p إلى المنطقة n، فيبدأ التيار بالتدفق.
لا تتمتع الترانزستورات الضوئية بنفس سرعة استجابة الثنائيات الضوئية، ولكنها تتميز بقدرتها على تضخيم الإشارة الخارجة إلى مئات أو حتى ألف ضعف الإشارة الداخلة (بفضل المجال الكهربائي الداخلي). ولذلك، فهي حساسة بما يكفي لالتقاط حتى الإشارات الضعيفة، وهذا يُعد ميزة.
في الواقع، إن "حاجب الضوء" الذي نراه هو جهاز إلكتروني له نفس المبدأ والآلية.
مع ذلك، تُستخدم قواطع الضوء عادةً كمستشعرات، وتؤدي وظيفتها بتمرير جسم حاجب 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.
٢- الميزات
بما أن العازل الضوئي ينقل الإشارات عبر الضوء، فإن العزل بين جانب الإدخال وجانب الإخراج يُعدّ ميزةً أساسية. فالعزل العالي لا يتأثر بسهولة بالتشويش، كما أنه يمنع تدفق التيار العرضي بين الدوائر المتجاورة، وهو أمر بالغ الأهمية من حيث السلامة. ويتميز تركيبه بالبساطة والكفاءة.
بفضل تاريخها العريق، تُعدّ تشكيلة المنتجات الواسعة من مختلف الشركات المصنّعة ميزةً فريدةً للمقرنات الضوئية. ولأنها لا تتلامس مع بعضها البعض، فإنّ التآكل بين أجزائها ضئيل، ما يُطيل عمرها. مع ذلك، من خصائصها أيضًا سهولة تذبذب كفاءة الإضاءة، إذ تتدهور مصابيح LED تدريجيًا مع مرور الوقت وتغيّرات درجة الحرارة.
خاصةً عندما يصبح المكون الداخلي للبلاستيك الشفاف معتمًا لفترة طويلة، قد لا يكون الضوء جيدًا. ومع ذلك، على أي حال، فإن عمره الافتراضي طويل جدًا مقارنةً بعمر التلامس الميكانيكي.
تُعدّ الترانزستورات الضوئية أبطأ عمومًا من الثنائيات الضوئية، لذا لا تُستخدم في الاتصالات عالية السرعة. مع ذلك، لا يُعدّ هذا عيبًا، إذ تحتوي بعض المكونات على دوائر تضخيم في جانب الخرج لزيادة السرعة. في الواقع، لا تحتاج جميع الدوائر الإلكترونية إلى زيادة السرعة.
③ الاستخدام
المقارنات الكهروضوئيةتُستخدم هذه الدوائر الكهربائية بشكل أساسي في عمليات التبديل. يتم تنشيط الدائرة بتشغيل المفتاح، ولكن من حيث الخصائص المذكورة أعلاه، وخاصة العزل وطول العمر، فهي مناسبة تمامًا للتطبيقات التي تتطلب موثوقية عالية. على سبيل المثال، يُعدّ التشويش عدوًا للأجهزة الإلكترونية الطبية ومعدات الصوت/الاتصالات.
يُستخدم هذا النظام أيضًا في أنظمة تشغيل المحركات. والسبب في ذلك هو أن سرعة المحرك تُتحكم بها بواسطة العاكس أثناء التشغيل، إلا أنه يُولّد ضوضاءً نتيجةً لارتفاع خرج الطاقة. هذه الضوضاء لا تُؤدي فقط إلى تلف المحرك نفسه، بل تنتقل أيضًا عبر "الأرضي" مُؤثرةً على الأجهزة الطرفية. على وجه الخصوص، تُعدّ المعدات ذات الأسلاك الطويلة أكثر عرضةً لالتقاط هذه الضوضاء عالية الخرج، لذا فإن حدوثها في المصنع قد يُسبب خسائر فادحة، وقد يُؤدي أحيانًا إلى حوادث خطيرة. باستخدام مُقترنات ضوئية عالية العزل للتبديل، يُمكن تقليل تأثيرها على الدوائر والأجهزة الأخرى إلى أدنى حد.
ثانيًا، كيفية اختيار واستخدام أجهزة اقتران الضوء
كيفية استخدام العازل الضوئي المناسب لتطبيقات تصميم المنتجات؟ سيشرح مهندسو تطوير المتحكمات الدقيقة التاليون كيفية اختيار العوازل الضوئية واستخدامها.
① افتح دائمًا وأغلق دائمًا
يوجد نوعان من أجهزة اقتران الضوء: نوع ينقطع فيه التيار عند عدم وجود جهد كهربائي، ونوع آخر ينقطع فيه التيار عند وجود جهد كهربائي، ونوع ثالث ينقطع فيه التيار عند وجود جهد كهربائي.
يُطلق على النوع الأول اسم الدائرة المفتوحة عادةً، بينما يُطلق على النوع الثاني اسم الدائرة المغلقة عادةً. ويعتمد اختيار النوع المناسب أولاً على نوع الدائرة المطلوبة.
٢- تحقق من تيار الخرج والجهد المطبق
تتميز المقارنات الضوئية بقدرتها على تضخيم الإشارة، لكنها لا تسمح دائمًا بمرور الجهد والتيار بشكل تلقائي. صحيح أنها مصممة وفقًا لقيمتها، إلا أنه يجب تطبيق جهد من جانب الإدخال بما يتناسب مع تيار الخرج المطلوب.
إذا نظرنا إلى ورقة بيانات المنتج، فسنجد مخططًا يمثل فيه المحور الرأسي تيار الخرج (تيار المجمع) والمحور الأفقي جهد الدخل (جهد المجمع-الباعث). يتغير تيار المجمع تبعًا لشدة إضاءة الصمام الثنائي الباعث للضوء (LED)، لذا يجب تطبيق الجهد وفقًا لتيار الخرج المطلوب.
مع ذلك، قد يبدو لك أن تيار الخرج المحسوب هنا صغيرٌ بشكلٍ مُثير للدهشة. هذه هي قيمة التيار التي يُمكن إخراجها بشكلٍ موثوق بعد الأخذ في الاعتبار تدهور أداء الصمام الثنائي الباعث للضوء (LED) بمرور الوقت، لذا فهي أقل من الحد الأقصى المُقدّر.
على النقيض من ذلك، توجد حالات يكون فيها تيار الخرج منخفضًا. لذا، عند اختيار العازل الضوئي، تأكد من فحص "تيار الخرج" بدقة واختيار المنتج الذي يتوافق معه.
③ الحد الأقصى للتيار
يمثل تيار التوصيل الأقصى أعلى قيمة تيار يتحملها العازل الضوئي أثناء التوصيل. لذا، من الضروري التأكد من معرفة مقدار الطاقة المطلوبة للمشروع وجهد الدخل قبل الشراء. تأكد من أن القيمة القصوى والتيار المستخدم ليسا حدًا أقصى، بل هامش أمان.
④ اضبط الموصل الضوئي بشكل صحيح
بعد اختيار الموصل الضوئي المناسب، لنستخدمه في مشروع عملي. عملية التركيب سهلة، ما عليك سوى توصيل الأطراف المتصلة بدائرة كل من المدخلات والمخرجات. مع ذلك، يجب توخي الحذر لتجنب عكس اتجاه المدخلات والمخرجات. لذا، عليك مراجعة الرموز في جدول البيانات، حتى لا تكتشف خطأً في توصيل قاعدة الموصل الضوئي بعد تصميم لوحة الدوائر المطبوعة.
تاريخ النشر: 29 يوليو 2023