Optocoupler, còn gọi là opto cách ly, opto quang, bộ cách ly quang, opto isolator hoặc photocoupler, là linh kiện dùng ánh sáng để truyền tín hiệu giữa hai mạch điện nhưng không nối điện trực tiếp với nhau.
Nói đơn giản, optocoupler giúp một mạch điều khiển điện áp thấp như MCU, PLC hoặc IC nguồn có thể giao tiếp với mạch công suất, mạch điện áp cao hoặc môi trường nhiễu mà vẫn đảm bảo cách ly an toàn.
Trong thực tế, optocoupler xuất hiện rất nhiều trong nguồn xung, PLC, mạch điều khiển relay, biến tần, module công nghiệp, thiết bị điện tử dân dụng và các hệ thống AIoT công nghiệp.

Cấu tạo

Opto quang bao gồm hai thành phần chính:

Phần Phát Ánh Sáng

• Điốt phát quang (LED): Đây là bộ phận nằm ở đầu vào, có nhiệm vụ chuyển đổi tín hiệu điện thành ánh sáng. Khi có dòng điện chạy qua, LED phát ra ánh sáng.

Phần Nhận Ánh Sáng

• Linh kiện dò/Phát hiện ánh sáng: Bộ phận này nhận ánh sáng từ LED và chuyển đổi thành tín hiệu điện. Các linh kiện có thể bao gồm:
  
  • Photodiode: Chuyển đổi ánh sáng thành điện.
  • Transistor quang: Tăng cường tín hiệu điện từ ánh sáng.
  • Quang trở: Biến đổi điện trở theo cường độ ánh sáng.
  • SCR Quang hoặc TRIAC: Sử dụng trong các ứng dụng điều khiển công suất.

Đặc điểm

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 của IC cho dòng điện đầu vào IF.

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 500 V 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 ở đầu ra của transistor quang. Giá trị này có thể thay đổi từ 20 đến 80 V 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 của 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.

Nguyên lý hoạt động

Nguyên lý hoạt động của opto (optocoupler) dựa trên sự kích hoạt của một dãy các thành phần quang điện tử, thường là một đèn LED (Light Emitting Diode) và một phototransistor hoặc photodiode.

Khi một dòng điện nhỏ đi qua hai đầu của đèn LED trong opto, đèn sẽ phát ra ánh sáng. Ánh sáng này sau đó sẽ kích hoạt phototransistor hoặc photodiode, mở cho dòng điện chạy qua. Quá trình này tạo ra hai mức độ chính của ánh sáng:

Cường độ ánh sáng đủ mạnh: Trong trường hợp này, transistor cảm quang đạt trạng thái bão hòa, khiến optocoupler truyền tín hiệu logic. Điều này có thể được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng như truyền tín hiệu điều khiển.

Cường độ ánh sáng yếu: Trong trường hợp này, transistor cảm quang không đạt trạng thái bão hòa. Optocoupler phải truyền tín hiệu analog. Tuy nhiên, chế độ này có đoạn tuyến tính hẹp và tín hiệu truyền dẫn có thể không được đảm bảo chính xác. Do đó, chế độ này thường không được sử dụng rộng rãi.

Các loại Opto

1. Opto rãnh

Opto rãnh có một khoảng trống (rãnh) giữa LED phát và transistor quang thu; bình thường, không có vật cản, ánh sáng từ LED phát sẽ truyền đến transistor thu, nhưng nó sẽ bị chặn lại nếu có vật thể nằm trong rãnh này. Do đó, opto rãnh được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau, bao gồm phát hiện đầu cuối dải băng, chuyển mạch giới hạn và phát hiện mức chất lỏng.

2. Opto phản xạ

Các LED và transistor quang được đặt cùng phía ở bên trong opto, với cả hai mặt của chúng hướng ra bên ngoài. Việc truyền tín hiệu giữa LED phát và transistor thu theo nguyên tắc phản xạ ánh sáng qua vật thể phản chiếu (như lớp sơn kim loại, thậm chí là sương, khói …) ở phía bên ngoài, với khoảng cách phù hợp với led và transistor quang. Do đó, opto phản xạ có thể được sử dụng trong các ứng dụng như phát hiện vị trí dải băng, đo tốc độ, hoặc phát hiện khói hoặc sương mù, v.v.

Ký hiệu

Ký hiệu 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 hướng ánh sáng tác động vào.
• Dấu cách ly: Một đường kẻ đứt có thể được sử dụng để chỉ sự cách ly điện giữa các phần của mạch.

Ứng dụng

Opto (optocoupler) được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghiệp và điện tử với các ứng dụng chính sau:

• Bảo vệ và cách ly: Trong các hệ thống điện tử, opto được sử dụng để cách ly giữa mạch điều khiển và mạch công suất. Điều này đảm bảo rằng khi các sự cố xảy ra trên một mạch, như chập cháy hoặc tăng áp đột ngột, không ảnh hưởng đến các thành phần khác trong hệ thống.
• Chuyển đổi tín hiệu: Opto được sử dụng để chuyển đổi tín hiệu giữa các thiết bị hoạt động ở điện áp cao và các mạch logic hoạt động ở điện áp thấp. Điều này giúp giữ cho các mạch logic điện áp thấp không bị ảnh hưởng bởi biến động điện áp từ các thiết bị hoạt động ở điện áp cao.
• Cách ly nhiễu: Trong các ứng dụng nơi mà sự cách ly giữa hai mạch là cần thiết để ngăn chặn nhiễu, opto được sử dụng để ngăn chặn nhiễu được truyền từ một mạch sang mạch khác. Điều này đặc biệt quan trọng khi kết nối giữa các mạch thu thập thông tin điện áp cao và các mạch logic điện áp thấp, nơi các tín hiệu nhiễu có thể gây ra sự cố hoặc lỗi trong hệ thống.

Optocoupler trong nguồn xung thường được dùng trong mạch hồi tiếp điện áp.
Trong nhiều bộ nguồn AC/DC, phần sơ cấp nối với điện lưới, còn phần thứ cấp là điện áp đầu ra an toàn hơn như 5 V, 12 V hoặc 24 V. Hai phần này cần cách ly điện.

Tuy nhiên, IC điều khiển ở phía sơ cấp vẫn cần biết điện áp đầu ra ở phía thứ cấp có ổn định hay không. Đây là lúc optocoupler được sử dụng.

Trong mạch nguồn xung phổ biến, optocoupler thường được kết hợp với IC tham chiếu như TL431 để truyền tín hiệu hồi tiếp từ thứ cấp về sơ cấp. Nhờ đó, nguồn có thể được điều chỉnh để duy trì điện áp đầu ra ổn định.

Optocoupler dùng trong mạch hồi tiếp nguồn xung cần được chọn cẩn thận vì CTR, độ ổn định theo nhiệt độ và đặc tính lão hóa của LED có thể ảnh hưởng đến khả năng hồi tiếp.

Nếu chọn sai opto trong mạch nguồn, nguồn có thể bị dao động, điện áp ra không ổn định, khó khởi động hoặc hoạt động chập chờn.

Opto cách ly PLC và mạch công nghiệp‍

Trong PLC và tủ điện công nghiệp, optocoupler thường được dùng để cách ly tín hiệu input/output.
Ví dụ thực tế:

• PLC nhận tín hiệu từ cảm biến tiệm cận 24 VDC.
• PLC nhận tín hiệu từ công tắc hành trình.
• MCU trong module AIoT cần đọc trạng thái từ thiết bị công nghiệp.
• Bộ điều khiển cần xuất tín hiệu sang relay, SSR hoặc driver.

Opto cách ly PLC giúp giảm rủi ro nhiễu từ tải công suất, motor, contactor hoặc dây tín hiệu dài truyền ngược về mạch xử lý.
Với opto cách ly tín hiệu MCU với PLC, cần kiểm tra kỹ mức điện áp, dòng LED đầu vào, tốc độ tín hiệu và kiểu ngõ ra để tránh đọc sai trạng thái.