مدار واسط ورودی با استفاده از ادوات نوری (کلیدهای نوری شکاف دار)

مدار واسط ورودی با استفاده از ادوات نوری (کلیدهای نوری شکاف دار):
تزویج کننده نوری یا اپوتوکوپلر (Optocoupler) یک المان الکترونیکی است که از یک LED و یک وسیله حساس به نور مانند فتودیود یا فتوترانزیستور تشکیل شده و در یک جعبه بسته بندی شده اند.

همان طور که در مقاله اپتوکوپلر در مطالب پیشین مجله فرادرس دیدیم، یک اپتوکوپلر دو مدار الکتریکی مجزا را با استفاده از رابطه های نوری حساس به روشنایی به یکدیگر متصل می کند.

بنابراین، با استفاده از نور می توان دو مدار با ولتاژ و توان متفاوت را به صورت موثری به یکدیگر لینک کرد، بدون این که از نظر الکتریکی بر هم تأثیر بگذارند.

کلیدهای نوری (Optical Switches) یا Opto-Switches نوعی دیگر از ادوات کلیدزنی نوری هستند که می توانند به عنوان واسط ورودی مورد استفاده قرار بگیرند.

یکی از مزایای استفاده از کلیدهای نوری در این است که می توان از آن ها در مدارات واسط ورودی برای سطوح خطرناک ولتاژ، در پین های ورودی میکروکنترلرها، PICها و سایر مدارات دیجیتال مشابه استفاده کرد.

مزیت دیگر کلیدهای نوری این است که می توان از آن ها برای شناسایی یا تشخیص اشیا با استفاده از نور استفاده کرد.

در این حالت، اگرچه اجزا به صورت الکتریکی از یکدیگر مجزا هستند، اما با استفاده از نور به یکدیگر تزویج شده اند و در نتیجه درجه بالایی از ایزولاسیون، معمولا از 2 تا 5 کیلو ولت، ایجاد می شود.

کلیدهای نوری دارای انواع مختلفی هستند و برای استفاده در گستره وسیعی از کاربردهای مدار واسط ورودی طراحی شده اند.

یکی از متداول ترین کاربردهای کلید نوری یا اپتوکوپلر در تشخیص اشیا متحرک یا ثابت است. پیکربندی های فتوترانزیستور و فتودارلینگتون (Photodarlington) بسیاری از ویژگی های مورد نیاز برای کلیدهای نوری را فراهم می کنند، بنابراین پرکاربردترین نوع کلیدهای نوری مورد استفاده هستند.

در تصویر زیر نمایی از یک کلید نوری شکاف دار (Slotted Optical Switch) را می توان مشاهده کرد.

در این نوع کلید نوری، معمولا یک ولتاژ DC برای درایو یک LED مورد استفاده قرار می گیرد. LED سیگنال ورودی را به انرژی نورانی مادون قرمز تبدیل می کند.

این نور پس از انتشار، توسط فتوترانزیستورها در سمت دیگر گپ ایزولاسیون، منعکس و جمع آوری می شود و سپس دوباره به یک سیگنال خروجی تبدیل می شود. در کلیدهای نوری معمولی، افت ولتاژ LED در بایاس مستقیم و در جریان متداول ورودی 5 تا 20 میلی آمپر، برابر با 1٫2 تا 1٫6 ولت خواهد بود.

این افت ولتاژ برابر با یک مقاومت سری با مقدار 180 تا 470 اهم در نظر گرفته می شود. مدار داخلی یک کلید نوری شکاف دار در تصویر زیر دیده می شود.

دیسک های شکافٰ دار و گردان به صورت گسترده در انکودرهای موقعیت، انکودرهای شفت و در ماوس های کامپیوتری مورد استفاده قرار می گیرند و مدار واسط ورودی فوق العاده ای را ایجاد می کنند.

دیسک گردان دارای تعدادی شکاف های شفاف بر روی یک فضای مات (Opaque) است که تعداد این شکاف ها نشان دهنده رزولوشن انکودر بر درجه چرخش در نظر گرفته می شود. دیسک های انکودر معمولی، دارای رزولوشن بالاتر از 256 پالس یا 8 بیت بر درجه چرخش هستند.

در طول یک چرخش دیسک، نور مادون قرمز LED از طریق شکاف به فتوترانزیستور برخورد می کند و هر گاه با فضاهای مات دیسک گردان برخورد کند، دریافت نور مسدود می شود.

این روال منجر به خاموش و روشن شدن ترانزیستور در طول دریافت و انسداد نور از دیسک گردان می شود.

مقاومتR1جریان LED را تنظیم می کند. مقاومت پول آپR2باعث می شود منبع تغذیهVC، هنگام خاموش بودن ترانزیستور به ورودی اشمیت تریگر متصل شود و یک خروجی LOW یا سطح صفر منطقی تولید شود.

زمانی که دیسک می چرخد و به فضای شکاف دار می رسد، نور مادون قرمز LED به فتوترانزیستور برخورد می کند و ترمینال های کلکتور به امیتر را به زمین متصل می کند و یک ورودی سطح LOW برای اشمیت تریگر فراهم می کند.

در نتیجه خروجی اشمیت تریگر به سطح HIGH یا یک منطقی می رود. اگر خروجی معکوس کننده به یک شمارنده دیجیتال یا یک انکودر متصل می شد، می توانستیم موقعیت شفت را تعیین کنیم و یا تعداد چرخش های شفت را بشماریم تا سرعت چرخش شفت در دقیقه را به دست آوریم.