Trong thế giới điện tử hiện đại, khái niệm Opto dần trở nên rõ ràng, nó là cầu nối giữa ánh sáng và điện  mở ra nhiều cơ hội sáng tạo cho các kỹ sư và nhà phát triển. Trong bài viết này, SAVITEL sẽ cùng bạn khám phá những điều cần biết về Opto là gì. Bạn sẽ tìm hiểu về đặc điểm, nguyên lý hoạt động, ứng dụng thực tiễn và những xu hướng phát triển của Opto trong tương lai.

Khái niệm Opto là gì?

Khái niệm Opto là gì? Opto hay còn gọi là optocoupler là một linh kiện quang điện tử dùng để truyền tín hiệu giữa hai mạch khác nhau về điện áp. Điểm nổi bật của opto là khả năng cách ly điện giữa hai đầu vào và đầu ra. Trong Opto không có dòng điện trực tiếp nào đi qua và thay vào đó tín hiệu được truyền qua một chùm ánh sáng.

Khái niệm Opto là gì?

Opto rất hiệu quả với cả tín hiệu điện áp cao bao gồm AC và DC. Sự cách ly tốt giúp Opto trở thành giải pháp an toàn cho nhiều ứng dụng khác nhau. So với các linh kiện truyền thống như rơle hay máy biến áp opto có nhiều ưu điểm hơn. Nhờ sự xuất hiện của Opto, rủi ro của các thiết bị điện đã được giảm thiểu đi rất nhiều.

Đặc điểm của Opto trong hệ thống điện

Opto là một linh kiện quang điện tử có thông số nổi bật là tỷ số truyền dòng điện (CTR). Tỷ số này thể hiện khả năng cách ly của opto giữa dòng điện đầu ra và dòng điện đầu vào. CTR được tính bằng cách chia dòng điện đầu ra IC cho dòng điện đầu vào IF.

Hình ảnh dòng điện đi vào - đi ra trong Opto

Điện áp cách ly giữa đầu vào và đầu ra (Viso) cho biết mức điện áp tối đa mà opto có thể chịu đựng mà không làm hỏng linh kiện. Chênh lệch điện áp này thường dao động từ 500V đến 4kV bảo vệ mạch khỏi các điện áp cao.

Một thông số khác cần lưu ý là điện áp thu - phát cực đại (VCEmax). Đây là điện áp DC tối đa cho phép trên đầu ra của transistor quang. Giá trị này có thể thay đổi từ 20 đến 80V tùy thuộc vào loại opto.

Băng thông của opto cho biết tần số tối đa mà nó có thể truyền tải. Thông thường, băng thông nằm trong khoảng từ 20 đến 500 kHz để opto hoạt động hiệu quả trong nhiều ứng dụng khác nhau.

Thời gian đáp ứng của Opto được chia thành hai phần: thời gian tăng (tr) và thời gian giảm (t*). Đối với đầu ra transistor quang thời gian tăng và giảm thường nằm trong khoảng 2 - 5 micro giây. Thời gian đáp ứng nhanh giúp opto thích ứng tốt với các tín hiệu thay đổi nhanh.

Ký hiệu Opto trong sơ đồ điện tử

Các ký hiệu trên Opto gồm những gì?

Ký hiệu của opto trong sơ đồ điện tử thường được sử dụng để biểu thị các linh kiện quang điện tử như optocouplers hoặc optoisolators. Các ký hiệu này là:

  • Optocoupler: Thường được biểu diễn bằng hình chữ nhật với hai hoặc ba chân. Một chân là đầu vào (đèn LED) và các chân còn lại là đầu ra (transistor quang hoặc cảm biến quang).

  • Diode LED: Dùng để biểu thị phần phát sáng của opto. Ký hiệu thường là một hình tam giác với một đường thẳng đi ra biểu thị dòng điện vào.

  • Phototransistor: Ký hiệu cho phần cảm biến quang, thường được thể hiện dưới dạng một transistor với một mũi tên chỉ vào biểu thị ánh sáng tác động vào.

  • Dấu cách ly: Một đường kẻ đứt có thể được sử dụng để chỉ ra sự cách ly điện giữa các phần của mạch.

Những thông số trên Opto hiển thị

Khi làm việc với opto có một số thông số quan trọng mà bạn cần lưu ý. Những thông số này ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất và khả năng hoạt động của linh kiện trong các ứng dụng điện tử.

Các thông số mà Opto hiển thị là gì?

Tỷ số truyền dòng điện (CTR)

Tỷ số truyền dòng điện (CTR) là một thông số quan trọng của opto. Thông số này thể hiện hiệu quả cách ly giữa đầu vào và đầu ra. CTR được tính bằng cách chia dòng điện đầu ra (Ic) cho dòng điện đầu vào (IF) của đèn LED. Một CTR cao cho thấy khả năng truyền tín hiệu tốt hơn và giảm thiểu nhiễu.

Điện áp đầu vào và đầu ra (Viso)

Điện áp cách ly giữa đầu vào và đầu ra (Viso) là một thông số khác cần chú ý. Đây là mức điện áp tối đa mà opto có thể chịu đựng mà không gây hỏng hóc. Giá trị này thường dao động từ 500V đến 4 kV. Một điện áp cách ly cao giúp bảo vệ linh kiện và mạch điện khỏi các sự cố điện.

Điện áp thu - phát cực đại (VCEmax)

Điện áp thu - phát cực đại (VCEmax) là điện áp DC tối đa mà linh kiện có thể sử dụng trên đầu ra. Thông số này có thể thay đổi từ 20V đến 80V tùy thuộc vào loại opto. Biết được giá trị này giúp bạn chọn đúng linh kiện cho ứng dụng của mình.

Băng thông

Băng thông là tần số tối đa mà opto có thể truyền tải khi hoạt động. Thông số này thường nằm trong khoảng từ 20 kHz đến 500 kHz. Băng thông cao cho phép opto xử lý các tín hiệu nhanh hơn phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu tốc độ cao.

Thời gian đáp ứng

Thời gian đáp ứng của opto rất quan trọng, đặc biệt trong các ứng dụng nhanh. Thời gian này chia thành thời gian tăng (tr) và thời gian giảm (t*). Đối với đầu ra của transistor quang, tr và t* thường nằm trong khoảng 2-5 micro giây. Thời gian đáp ứng nhanh giúp đảm bảo tín hiệu được truyền đi chính xác và kịp thời.

Cấu tạo của opto gồm có các thành phần gì?

Opto là một linh kiện quang điện tử có cấu tạo đơn giản nhưng rất tinh vi. Nó bao gồm hai thành phần chính: phần phát ánh sáng và phần nhận ánh sáng. Cả hai bộ phận này được tích hợp trong một vỏ bọc kín, đảm bảo an toàn và hiệu suất hoạt động.

Cấu tạo của một Opto gồm có cực góp và cực phát quang

Phần phát ánh sáng

Phần phát ánh sáng là một diode phát quang hay còn gọi là LED (Light Emitting Diode). Bộ phận này nằm ở phía đầu vào của opto có nhiệm vụ nhận tín hiệu điện và chuyển đổi tín hiệu này thành ánh sáng hồng ngoại. Ánh sáng này sẽ được sử dụng để truyền tín hiệu đến phần nhận.

Phần nhận ánh sáng

Phần nhận ánh sáng là linh kiện có khả năng phát hiện ánh sáng từ LED. Bộ phận này có thể là photodiode, transistor quang, quang trở, SCR quang hoặc TRIAC quang. Khi nhận được ánh sáng từ phần phát nó sẽ chuyển đổi ánh sáng thành tín hiệu điện. Tín hiệu này sau đó có thể được sử dụng trong mạch điện.

Tích hợp và điều chỉnh

Hai bộ phận phát và nhận ánh sáng được thiết kế để phù hợp với nhau. Việc khớp hai bộ phận đảm bảo rằng chúng có thể hoạt động hiệu quả để tạo ra các bước sóng phù hợp cho việc ghép nối tối đa.  

Ngoài phần phát và phần nhận, một mạch opto còn có thể chứa các linh kiện điện khác. Chẳng hạn có thể có một điện trở nối tiếp với LED để điều chỉnh dòng điện. Ngoài ra, bộ khuếch đại đầu ra cũng có thể được tích hợp để tăng cường tín hiệu đầu ra.

Nguyên lý hoạt động của Opto trong hệ thống điện tử

Nguyên lý hoạt động của opto dựa trên việc chuyển đổi tín hiệu điện thành tín hiệu ánh sáng và ngược lại. Khi có dòng điện chạy qua đèn LED trong opto nó sẽ phát sáng. Ánh sáng này là yếu tố then chốt giúp truyền tín hiệu giữa các mạch.

Khi đèn LED phát sáng, ánh sáng sẽ chiếu vào phần nhận để mở các cực của linh kiện nhận cho phép dòng điện chạy qua. Sự kết nối này tạo ra một mạch hoàn chỉnh để tín hiệu có thể được truyền đi.

Opto hoạt động như thế nào?

Có hai mức độ ánh sáng chính trong quá trình hoạt động:

  • Cường độ ánh sáng mạnh: Khi ánh sáng đủ mạnh, phototransistor sẽ đạt trạng thái bão hòa. Lúc này opto thực hiện việc truyền tín hiệu logic. Đây là ứng dụng chủ yếu của opto trong các mạch điều khiển và giao tiếp.

  • Cường độ ánh sáng yếu: Khi ánh sáng không đủ mạnh phototransistor không đạt trạng thái bão hòa. Trong trường hợp này, opto sẽ chuyển sang chế độ truyền tín hiệu analog. Tín hiệu này thường không ổn định và có đoạn tuyến tính hẹp nên ít được sử dụng.

Nguyên lý hoạt động này giúp opto trở thành một giải pháp lý tưởng cho việc cách ly điện và truyền tín hiệu trong các hệ thống điện tử. Sự kết hợp giữa đèn LED và linh kiện nhận quang tạo ra một cầu nối an toàn giúp bảo vệ các mạch điện khác nhau.

>>> Xem thêm: DSP là gì? Bộ xử lý tín hiệu DSP có công dụng gì?

Phân loại Opto

Opto có thể được chia thành hai loại chính: opto rãnh và opto phản xạ. Mỗi loại có những đặc điểm và ứng dụng riêng phù hợp với các nhu cầu khác nhau trong điện tử.

Opto rãnh

Opto rãnh được thiết kế với một khoảng trống giữa đèn LED phát và transistor quang thu. Khoảng trống này cho phép ánh sáng từ LED truyền trực tiếp đến transistor. Tuy nhiên nếu có vật thể nào đó nằm trong rãnh ánh sáng sẽ bị chặn lại. Tính năng này giúp opto rãnh phát hiện sự hiện diện của vật thể một cách hiệu quả.

Cấu tạo của Opto rãnh rất đơn giản

Loại opto này có thể phát hiện đầu cuối của dải băng để điều khiển tự động. Ngoài ra, opto rãnh còn được dùng trong chuyển mạch giới hạn và phát hiện mức chất lỏng. Nhờ vào cách hoạt động đơn giản và hiệu quả opto rãnh là lựa chọn phổ biến trong các hệ thống tự động hóa.

Opto phản xạ

Opto phản xạ có thiết kế khác biệt. LED phát và transistor quang được đặt cùng phía với cả hai mặt cùng hướng ra bên ngoài. Tín hiệu giữa LED và transistor được truyền qua nguyên tắc phản xạ ánh sáng. Khi có vật thể phản chiếu ánh sáng sẽ quay trở lại và kích hoạt transistor.

Hình ảnh của Opto phản xạ cơ bản

Loại opto này thích hợp cho các ứng dụng như phát hiện vị trí dải băng, đo tốc độ, phát hiện khói và sương mù. Sự linh hoạt trong thiết kế giúp opto phản xạ hoạt động hiệu quả trong nhiều môi trường khác nhau.

Ứng dụng của opto trong hệ thống mạch điện thực tế

Opto được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực của công nghệ điện - điện tử hiện đại. Nhờ vào khả năng cách ly điện và truyền tín hiệu hiệu quả opto đã trở thành một phần quan trọng trong các hệ thống điện tử. Cụ thể hơn các ứng dụng của Opto gồm:

  • Cách ly tín hiệu: Opto thường được sử dụng trong các mạch cần cách ly tín hiệu ở tivi, màn hình LED cỡ lớn, tủ lạnh, máy giặt,... Khi hai mạch cần truyền thông tin nhưng không thể kết nối trực tiếp với nhau, opto là giải pháp lý tưởng. Nó ngăn chặn nhiễu điện từ và bảo vệ các mạch nhạy cảm khỏi các tín hiệu không mong muốn.

  • Hệ thống tự động hóa: Trong các hệ thống tự động hóa opto đóng vai trò quan trọng trong việc phát hiện và điều khiển. Linh kiện này giúp phát hiện vị trí của các bộ phận chuyển động và đảm bảo rằng các quy trình hoạt động chính xác. Ví dụ, opto rãnh thường được dùng để phát hiện đầu cuối trong các băng tải.

  • Thiết bị y tế: Trong thiết bị y tế opto được sử dụng để truyền tín hiệu giữa các bộ phận mà không cần tiếp xúc điện. Opto giúp bảo vệ người bệnh và thiết bị khỏi các rủi ro do nhiễu điện.

  • Công nghệ truyền thông: Trong công nghệ truyền thông, opto được sử dụng để cách ly các tín hiệu truyền tải giữa các thiết bị truyền hình, âm thanh và dữ liệu với nguồn nhiễu bên ngoài.  

  • Phát hiện khói và an ninh: Các cảm biến quang có thể phát hiện sự thay đổi trong ánh sáng giúp phát hiện khói hoặc vật thể lạ. Tác dụng này của Opto tạo ra một lớp bảo vệ bổ sung trong các ứng dụng an ninh.

Cách kiểm tra và xác nhận Opto bị hư hỏng ra sao?

Kiểm tra opto là một bước quan trọng để xác định xem linh kiện có hoạt động tốt hay không. Ví dụ đơn giản nhất bạn kiểm tra Opto PC123 4 chân như sau:

Cách kiểm tra Opto bị hỏng được thực hiện như thế nào?

Bước 1: Kiểm tra đèn LED

Đầu tiên bạn xác định các chân của opto chân 1 và 2 thường là cực dương và cực âm của đèn LED. Sử dụng một ôm kế điều chỉnh về thang đo ‘X1Ω’ để đo điện trở giữa chân 1 và chân 2.

Khi đo bạn sẽ thấy kim đồng hồ tăng lên đến một giá trị điện trở trong một chiều. Nếu bạn đổi chiều mà kim không lên là đèn LED đang hoạt động tốt. Nếu kết quả khác có thể đèn LED đã hỏng.  

Bước 2: Kiểm tra phần transistor quang

Nếu đèn LED hoạt động bình thường bạn tiếp tục kiểm tra phần transistor quang. Đo điện trở giữa chân 3 và chân 4 bằng ôm kế. Nếu kim đồng hồ chỉ mức giá trị điện trở cao có nghĩa là phototransistor đang hoạt động tốt.

Trong trường hợp bạn không đọc được giá trị nào có thể do transistor quang có điện trở rất cao. Khi gặp tình huống này bạn có thể mắc nối tiếp hai ôm kế để tăng giá trị thang đo. Tuy nhiên nếu bạn không có hai đồng hồ hãy thử phương pháp thực nghiệm.

Phương pháp thực nghiệm: Bạn có thể cấp nguồn cho đèn LED và quan sát xem có ánh sáng phát ra hay không. Nếu có ánh sáng nghĩa là đèn LED hoạt động tốt. Tiếp theo bạn sử dụng một thiết bị đo để kiểm tra tín hiệu đầu ra từ transistor. Nếu có tín hiệu, phototransistor đang hoạt động bình thường.

Các loại Opto thông dụng được dùng nhiều nhất hiện nay

Opto là linh kiện quang điện tử có nhiều loại. Mỗi loại có cấu tạo và đặc điểm riêng, phù hợp với nhu cầu sử dụng khác nhau. Dưới đây là một số loại opto thông dụng mà bạn có thể gặp trong thực tế. 

Opto P521

Opto P521

Opto P521 là một trong những loại opto thông dụng. Để xác định chân của opto này, bạn cần chú ý đến dấu chấm trên mặt linh kiện. Chân 1 nằm gần dấu chấm nhỏ lõm xuống. Chân 2 nằm ngay cạnh chân 1. Chân 3 đối diện với chân 1 và chân 4 nằm bên cạnh chân 3.

  • Chân 1: Anode

  • Chân 2: Cathode

  • Chân 3: Emitter (bộ phát)

  • Chân 4: Collector (bộ thu)

Opto 4N35

Opto 4N35

Opto 4N35 là linh kiện có 6 chân rất hiệu quả trong việc truyền tín hiệu giữa các mạch. Cách xác định chân tương tự như opto P521.

  • Chân 1: Anode

  • Chân 2: Cathode

  • Chân 3: NC (không kết nối)

  • Chân 4: Emitter

  • Chân 5: Collector

  • Chân 6: Base

Opto pc817

Opto pc817

Opto PC817 là linh kiện quang dùng trong các mạch điều khiển và tự động hóa, ứng dụng cần cách ly điện. Cấu tạo của opto PC817 có 4 chân. Cách xác định chân cũng tương tự như P521.

  • Chân 1: Anode

  • Chân 2: Cathode

  • Chân 3: Emitter

  • Chân 4: Collector

Công tắc sử dụng dùng Opto DC (opto thường)

Công tắc cách ly dùng opto DC là một giải pháp hiệu quả trong việc điều khiển tín hiệu. Nguyên lý hoạt động của nó rất đơn giản nhưng mang lại nhiều lợi ích.  

Nguyên lý hoạt động

Khi tín hiệu đầu vào ở mức 0V đèn LED trong opto không có dòng điện chạy qua. Kết quả là đèn LED không phát sáng. Photo transistor không dẫn điện bởi tổng trở đang rất lớn. Lúc này điện áp rơi trên chân C của photo transistor sẽ là VCC.

Mạch Opto thường

Khi tín hiệu đầu vào chuyển lên mức 5V đèn LED sẽ bắt đầu nhận dòng điện. Dòng điện này làm cho đèn phát sáng. Ánh sáng từ LED chiếu vào photo transistor khiến nó dẫn điện. Tổng trở của phototransistor giảm xuống rất thấp. Tín hiệu điện áp trên chân C sẽ sụt về gần 0V.

Thiết kế mạch

Trong thiết kế mạch một điện trở 270kΩ thường được kết nối bên ngoài. Điện trở này giúp điều chỉnh độ nhạy ánh sáng của phototransistor. Giá trị của điện trở có thể được lựa chọn tùy theo loại opto và mức độ nhạy cần thiết.

Ngoài ra việc sử dụng một tụ điện trong mạch có tác dụng ngăn chặn các đột biến hoặc quá độ điện áp không mong muốn. Tác dụng này giúp tránh việc bạn kích hoạt sai vào cực nền của transistor quang.

Công tắc cách ly quang dùng opto AC (Opto triac)

Công tắc cách ly quang sử dụng opto triac là một giải pháp hiệu quả cho thiết bị sử dụng nguồn AC. Loại linh kiện này giúp phát hiện tín hiệu và điều khiển tải mà không cần tiếp xúc trực tiếp với điện áp cao.

Nguyên lý hoạt động

Opto triac như MOC3020 có điện áp định mức khoảng 400V giúp nó lý tưởng khi kết nối trực tiếp với nguồn điện. Dòng điện tối đa mà nó có thể xử lý lên đến khoảng 100mA. Khi tín hiệu điều khiển được áp dụng vào đèn LED của opto triac, ánh sáng phát ra sẽ kích hoạt triac bên trong để dòng điện chạy qua tải.

Mạch Opto triac

Thiết kế mạch

Mạch ứng dụng dùng opto triac tạo thành cơ sở cho rơle trạng thái rắn. Loại mạch này có thể điều khiển bất kỳ tải nào được cấp nguồn từ nguồn AC. Khác với thyristor (SCR) triac có khả năng dẫn điện trong cả hai nửa của chu kỳ điện áp AC. Nghĩa là nó có thể nhận công suất đầy đủ mà không cần dòng khởi động lớn.

Ưu điểm khi sử dụng Opto trong mạch điện tử

Opto quang là thiết bị điện tử mang lại nhiều lợi ích nổi bật. Một trong những ưu điểm quan trọng nhất là khả năng cách ly điện cao, ngoài ra còn có một số ưu điểm rất tích cực khác dưới đây:

Khả năng làm việc với nhiều loại tín hiệu

Opto quang hoạt động hiệu quả với cả tín hiệu DC và AC. Đặc biệt, trong các ứng dụng điều khiển dòng xoay chiều người ta thường sử dụng opto SCR (thyristor) hoặc triac. Các thiết bị này được thiết kế để xử lý nguồn AC mang lại hiệu quả cao trong các hệ thống điện.

Cách ly hoàn toàn

Một trong những ưu điểm lớn của opto là khả năng cách ly hoàn toàn khỏi nhiễu và xung điện áp. Ưu điểm này của Opto giảm thiểu rủi ro hư hỏng cho các linh kiện điện tử khác trong mạch xuống mức thấp nhất. Ngoài ra, opto quang còn giúp phát hiện điểm không của dạng sóng hình sin. Tính năng này rất quan trọng trong việc giảm dòng chuyển mạch và dòng khởi động.

Bảo vệ tải công suất

Việc sử dụng opto quang giúp bảo vệ tải công suất khỏi hiện tượng “sốc điện” trong các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao. Opto quang đảm bảo rằng các linh kiện công suất sẽ hoạt động ổn định ngay cả khi có biến động trong mạch.

Đơn giản hóa thiết kế mạch

Opto quang cũng giúp đơn giản hóa thiết kế mạch. Bằng cách sử dụng opto, bạn có thể dễ dàng kết nối các phần khác nhau của hệ thống mà không cần lo lắng về sự cố chập cháy.

Tóm lại Opto là gì đã được SAVITEL thông tin rất cụ thể cho bạn đọc tìm hiểu. Opto mang lại nhiều ưu điểm vượt trội trong các ứng dụng điện tử. Việc sử dụng opto quang sẽ giúp bạn cải thiện hiệu suất và an toàn của hệ thống điện của mình. Hãy cân nhắc sử dụng thiết bị này để tận dụng những lợi ích mà nó mang lại.