العازل الضوئي

📅 آخر تحديث: ٢٥ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٥ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 6 صور
الموسوعة الحرة
رسم تخطيطي لعازل ضوئي يوضح مصدر الضوء (LED) على اليسار، والحاجز العازل في المنتصف، والمستشعر (الترانزستور الضوئي) على اليمين [ ملاحظة 1 ]

العازل الضوئي (ويُسمى أيضًا المُقترن الضوئي أو العازل البصري ) هو مُكوّن إلكتروني ينقل الإشارات الكهربائية بين دائرتين معزولتين باستخدام الضوء. [ 1 ] تمنع العوازل الضوئية الفولتية العالية من التأثير على النظام المُستقبل للإشارة. [ 2 ] تتحمل العوازل الضوئية المتوفرة تجاريًا فولتية دخل-خرج تصل إلى 10 كيلو فولت [ 3 ] وتقلبات الفولتية بسرعة تصل إلى 25 كيلو فولت/ ميكروثانية . [ 4 ]  

يتكون أحد أنواع العوازل الضوئية الشائعة من ثنائي باعث للضوء (LED) وترانزستور ضوئي في غلاف معتم واحد. تشمل الأنواع الأخرى من تركيبات المصدر والمستشعر ثنائي باعث للضوء مع ثنائي ضوئي ، وثنائي باعث للضوء مع ليزر حساس للضوء ( LASCR) ، ومصباح مع مقاوم ضوئي . عادةً ما تنقل العوازل الضوئية إشارات رقمية (تشغيل/إيقاف) ويمكن أن تعمل كمفتاح إلكتروني ، ولكن بعض التقنيات تسمح باستخدامها مع الإشارات التناظرية.

تاريخ

أُدركت أهمية الربط البصري بين باعث ضوئي صلب وكاشف شبه موصل لأغراض العزل الكهربائي عام 1963 على يد أكمنكالنس وآخرون (براءة اختراع أمريكية رقم 3,417,249). وطُرحت العوازل الضوئية القائمة على المقاومات الضوئية عام 1968. وهي الأبطأ، ولكنها أيضًا الأكثر خطية ، ولا تزال تحتفظ بحصة سوقية متخصصة في صناعات الصوت والموسيقى. أدى تسويق تقنية الصمام الثنائي الباعث للضوء (LED) بين عامي 1968 و1970 إلى طفرة في الإلكترونيات الضوئية ، وبحلول نهاية السبعينيات، طورت هذه الصناعة جميع الأنواع الرئيسية من العوازل الضوئية. تستخدم غالبية العوازل الضوئية المتوفرة في السوق مستشعرات الترانزستور الضوئي السيليكوني ثنائي القطب. [ 5 ] وتحقق هذه العوازل سرعة نقل بيانات متوسطة، كافية لتطبيقات مثل تخطيط كهربية الدماغ . [ 6 ] أما أسرع العوازل الضوئية فتستخدم ثنائيات PIN في وضع التوصيل الضوئي .

عملية

يحتوي العازل الضوئي على مصدر (باعث) للضوء، وهو في الغالب ثنائي باعث للضوء يعمل بالأشعة تحت الحمراء القريبة (LED)، يحول الإشارة الكهربائية الداخلة إلى ضوء، وقناة بصرية مغلقة (تُسمى أيضًا قناة عازلة [ 7 ] )، ومستشعر ضوئي يكشف الضوء الوارد، إما لتوليد الطاقة الكهربائية مباشرةً، أو لتعديل التيار الكهربائي المتدفق من مصدر طاقة خارجي. يمكن أن يكون المستشعر مقاومًا ضوئيًا ، أو ثنائيًا ضوئيًا ، أو ترانزستورًا ضوئيًا ، أو مقومًا سيليكونيًا متحكمًا به (SCR)، أو ترياك . وبما أن الثنائيات الباعثة للضوء (LED) قادرة على استشعار الضوء بالإضافة إلى إصداره، فمن الممكن بناء عوازل ضوئية متناظرة ثنائية الاتجاه. يحتوي مرحل الحالة الصلبة المقترن ضوئيًا على عازل ضوئي ثنائي ضوئي يُشغل مفتاح طاقة، وهو عادةً زوج متكامل من ترانزستورات MOSFET . يحتوي المفتاح البصري ذو الفتحة على مصدر ضوء ومستشعر، لكن قناته البصرية مفتوحة، مما يسمح بتعديل الضوء بواسطة الأجسام الخارجية التي تعيق مسار الضوء أو تعكس الضوء إلى المستشعر.

العزل الكهربائي

تصميمات مستوية (أعلى) وقبة سيليكونية (أسفل) - مقطع عرضي عبر حزمة قياسية مزدوجة الخط . تم تضخيم الأحجام النسبية لمصباح LED (الأحمر) والمستشعر (الأخضر). [ ملاحظة 2 ] 
مُقترن ضوئي على لوحة دوائر . لاحظ زوج مكثفات الأمان من الفئة Y1 .

قد تتعرض المعدات الإلكترونية وخطوط نقل الإشارات والطاقة لارتفاعات مفاجئة في الجهد الكهربائي ناتجة عن الصواعق ، والتفريغ الكهروستاتيكي ، وموجات الترددات الراديوية ، ونبضات التبديل (الارتفاعات المفاجئة)، واضطرابات إمداد الطاقة. [ 8 ] يمكن أن تُحدث ضربات الصواعق البعيدة ارتفاعات مفاجئة في الجهد تصل إلى 10 كيلوفولت ، أي ألف ضعف حدود الجهد للعديد من المكونات الإلكترونية. [ 9 ] كما يمكن أن تتضمن الدائرة الكهربائية جهودًا عالية بحكم تصميمها، وفي هذه الحالة، تحتاج إلى وسائل آمنة وموثوقة لربط مكوناتها ذات الجهد العالي بمكوناتها ذات الجهد المنخفض. [ 10 ] 

تتمثل الوظيفة الرئيسية للعازل الضوئي في منع الفولتية العالية والتقلبات المفاجئة في الجهد، بحيث لا يؤدي ارتفاع مفاجئ في أحد أجزاء النظام إلى تعطيل أو إتلاف الأجزاء الأخرى. [ 2 ] [ 11 ] تاريخيًا، كانت هذه الوظيفة تُوكل إلى محولات العزل ، التي تستخدم الاقتران الحثي بين جانبي الإدخال والإخراج المعزولين كهربائيًا . تُعد المحولات والعوازل الضوئية الفئتين الوحيدتين من الأجهزة الإلكترونية التي توفر حماية مُعززة - فهي تحمي كلاً من الجهاز والمستخدم البشري الذي يُشغّله. [ 12 ] تحتوي هذه العوازل على حاجز عزل مادي واحد، لكنها توفر حماية تُعادل عزلًا مزدوجًا . [ 12 ] يتم تنظيم سلامة واختبار واعتماد الموصلات الضوئية بواسطة المعايير الوطنية والدولية: IEC 60747-5-2، EN (CENELEC) 60747-5-2، UL 1577، إشعار قبول المكونات CSA رقم 5، إلخ. [ 13 ] تتبع مواصفات العوازل الضوئية التي ينشرها المصنعون دائمًا واحدًا على الأقل من هذه الأطر التنظيمية.

يربط العازل الضوئي جانبي الإدخال والإخراج بشعاع ضوئي مُعدَّل بتيار الإدخال. يحوّل إشارة الإدخال المفيدة إلى ضوء، ويرسلها عبر القناة العازلة ، ثم يستقبل الضوء على جانب الإخراج ويحوله مرة أخرى إلى إشارة كهربائية. على عكس المحولات، التي تنقل الطاقة في كلا الاتجاهين [ ملاحظة 3 ] بخسائر منخفضة جدًا، فإن العوازل الضوئية أحادية الاتجاه (انظر الاستثناءات ) ولا يمكنها نقل الطاقة . [ 14 ] يمكن للعوازل الضوئية النموذجية تعديل تدفق الطاقة الموجودة بالفعل على جانب الإخراج فقط. [ 14 ] على عكس المحولات، يمكن للعوازل الضوئية تمرير التيار المستمر أو الإشارات البطيئة الحركة، ولا تتطلب مطابقة المعاوقات بين جانبي الإدخال والإخراج. [ ملاحظة 4 ] يُعد كل من المحولات والعوازل الضوئية فعالين في كسر حلقات التأريض ، الشائعة في المعدات الصناعية ومعدات المسرح، والناتجة عن تيارات العودة العالية أو المشوشة في أسلاك التأريض . [ 15 ]

يعتمد التصميم المادي للعازل الضوئي بشكل أساسي على جهد العزل المطلوب. تتميز الأجهزة المصممة لتحمل جهد أقل من بضعة كيلوفولت ببنية مستوية (أو شطيرية). [ 16 ] تُركّب رقاقة المستشعر مباشرةً على إطار التوصيل الخاص بغلافها (عادةً ما يكون غلافًا مزدوجًا بستة أو أربعة أطراف ). [ 7 ] يُغطى المستشعر بلوح من الزجاج أو البلاستيك الشفاف، يعلوه رقاقة الصمام الثنائي الباعث للضوء (LED). [ 7 ] ينطلق شعاع الصمام الثنائي الباعث للضوء إلى الأسفل. ولتقليل فقد الضوء، يجب أن يتطابق طيف الامتصاص المفيد للمستشعر مع طيف خرج الصمام الثنائي الباعث للضوء، والذي يقع دائمًا تقريبًا في نطاق الأشعة تحت الحمراء القريبة. [ 17 ] تُصنع القناة الضوئية بأقل سمك ممكن لتحقيق جهد الانهيار المطلوب . [ 16 ] على سبيل المثال، لكي يتحمل جهدًا قصير المدى يصل إلى 3.75 كيلوفولت ونبضات عابرة تصل إلى 1 كيلوفولت/ميكروثانية، يبلغ سمك طبقة البوليميد الشفافة في سلسلة Avago ASSR-300 0.08 مم فقط. [ 18 ] تعتمد جهود الانهيار للتجميعات المستوية على سُمك الصفيحة الشفافة [ 16 ] وتكوين أسلاك التوصيل التي تربط الرقائق بالدبابيس الخارجية. [ 7 ] ينخفض ​​جهد العزل الفعلي داخل الدائرة بشكل أكبر بسبب الزحف على لوحة الدوائر المطبوعة وسطح العبوة. تتطلب قواعد التصميم الآمن حدًا أدنى للخلوص يبلغ 25 مم/كيلوفولت للموصلات المعدنية العارية أو 8.3 مم/كيلوفولت للموصلات المطلية. [ 19 ]     

تستخدم العوازل الضوئية المصنفة للعمل بجهد يتراوح بين 2.5 و 6  كيلوفولت تصميمًا مختلفًا يُسمى قبة السيليكون . [ 20 ] في هذا التصميم، توضع رقائق الصمام الثنائي الباعث للضوء (LED) والمستشعر على جانبين متقابلين من الغلاف؛ حيث يُطلق الصمام الثنائي الباعث للضوء ضوءه أفقيًا باتجاه المستشعر. [ 20 ] يُغلّف الصمام الثنائي الباعث للضوء والمستشعر والفجوة بينهما في كتلة، أو قبة، من السيليكون الشفاف . تعمل القبة كعاكس ، حيث تحجز جميع الأضواء المتناثرة وتعكسها على سطح المستشعر، مما يقلل من الفقد في قناة بصرية طويلة نسبيًا. [ 20 ] في تصميمات القوالب المزدوجة، تُملأ المساحة بين كتلة السيليكون ("القالب الداخلي") والغلاف الخارجي ("القالب الخارجي") بمركب عازل داكن اللون ذي معامل تمدد حراري مطابق . [ 21 ]

أنواع العوازل الضوئية

نوع الجهاز [ ملاحظة 5 ]مصدر الضوء [ 7 ]نوع المستشعر [ 7 ]سرعةنسبة نقل التيار
عازل ضوئي مقاوم (فاكترول)مصباح متوهجالمقاوم الضوئي CdS أو CdSe (LDR)منخفض جداًأقل من 100% [ ملاحظة 6 ]
مصباح نيونقليل
مصباح LED يعمل بالأشعة تحت الحمراء من زرنيخيد الغاليومقليل
عازل ضوئي ثنائيمصباح LED يعمل بالأشعة تحت الحمراء من زرنيخيد الغاليومثنائي ضوئي سيليكونيأعلى مستوى0.1–0.2% [ 22 ]
عازل ضوئي للترانزستورمصباح LED يعمل بالأشعة تحت الحمراء من زرنيخيد الغاليومترانزستور ضوئي ثنائي القطب من السيليكونواسطة2-120% [ 22 ]
ترانزستور دارلينجتون الضوئيواسطة100–600% [ 22 ]
SCR معزول ضوئيًامصباح LED يعمل بالأشعة تحت الحمراء من زرنيخيد الغاليوممقوم سيليكوني متحكم بهمنخفض إلى متوسط>100% [ 23 ]
الترياك المعزول ضوئيًامصباح LED يعمل بالأشعة تحت الحمراء من زرنيخيد الغاليومالترياكمنخفض إلى متوسطمرتفع جداً
مرحل الحالة الصلبةمجموعة من مصابيح LED بالأشعة تحت الحمراء المصنوعة من زرنيخيد الغاليوممجموعة من الثنائيات الضوئية التي تشغل زوجًا من ترانزستورات MOSFET أو ترانزستور IGBTمنخفض إلى مرتفع [ ملاحظة 7 ]غير محدود عمليًا

العوازل الضوئية المقاومة

ظهرت أولى العوازل الضوئية، التي سُوِّقت في الأصل باسم الخلايا الضوئية ، في ستينيات القرن العشرين. استخدمت هذه العوازل مصابيح إضاءة متوهجة مصغرة كمصادر للضوء، ومقاومات ضوئية من كبريتيد الكادميوم (CdS) أو سيلينيد الكادميوم (CdSe) (تُسمى أيضًا المقاومات الضوئية، LDRs) كمستقبلات. في التطبيقات التي لم تكن فيها خطية التحكم مهمة، أو عندما كان التيار المتاح منخفضًا جدًا لتشغيل مصباح متوهج (كما هو الحال في مضخمات الصمامات المفرغة)، استُبدل بمصباح نيون . عُرفت هذه الأجهزة (أو مكون LDR الخاص بها فقط) باسم Vactrols ، نسبةً إلى علامة تجارية لشركة Vactec, Inc. أصبحت العلامة التجارية عامة منذ ذلك الحين ، [ ملاحظة 8 ] ولكن لا تزال شركة PerkinElmer تُصنِّع أجهزة Vactrols الأصلية . [ 24 ] [ ملاحظة 9 ]

يتراوح تأخير تشغيل وإطفاء المصباح المتوهج بين مئات الميلي ثانية ، مما يجعله مرشحًا فعالًا لتمرير الترددات المنخفضة ومقومًا، ولكنه يحد من نطاق تردد التعديل العملي إلى بضعة هرتزات . مع ظهور الثنائيات الباعثة للضوء (LED) في الفترة ما بين عامي 1968 و1970، [ 25 ] استبدل المصنعون المصابيح المتوهجة ومصابيح النيون بمصابيح LED، وحققوا أزمنة استجابة تصل إلى 5 ميلي ثانية وترددات تعديل تصل إلى 250 هرتز. [ 26 ] استمر استخدام اسم Vactrol على الأجهزة التي تعمل بتقنية LED، والتي لا تزال تُنتج بكميات صغيرة حتى عام 2010. [ 27 ]  

تعتمد المقاومات الضوئية المستخدمة في العوازل الضوئية على تأثيرات الحجم في طبقة متجانسة من أشباه الموصلات ؛ ولا توجد بها وصلات pn . [ 28 ] وتتميز المقاومات الضوئية، بشكل فريد بين أجهزة الاستشعار الضوئية، بأنها أجهزة غير قطبية مناسبة لدوائر التيار المتردد أو التيار المستمر. [ 28 ] تنخفض مقاومتها عكسيًا مع شدة الضوء الساقط، من قيمة عالية جدًا إلى قيمة منخفضة قد تصل إلى أقل من 100 أوم. [28] هذه الخصائص جعلت جهاز Vactrol الأصلي جهازًا مناسبًا ورخيصًا للتحكم التلقائي في الكسب والضغط لشبكات الهاتف . تتحمل المقاومات الضوئية بسهولة جهدًا يصل إلى 400 فولت، [ 28 ] مما يجعلها مثالية لتشغيل شاشات الفلورسنت الفراغية . تشمل التطبيقات الصناعية الأخرى آلات التصوير ، والأتمتة الصناعية ، وأجهزة قياس الضوء الاحترافية، وأجهزة قياس التعريض التلقائي . [ 28 ] معظم هذه التطبيقات أصبحت الآن قديمة، لكن العوازل الضوئية المقاومة احتفظت بمكانة في سوق الصوت، وخاصة سوق مكبرات صوت الجيتار . 

تبنى مصنّعو الغيتارات والأورغ الأمريكيون في ستينيات القرن الماضي العازل الضوئي المقاوم كأداة تعديل تريمولو مريحة ورخيصة. استخدمت شركة فيندر في تأثيرات التريمولو المبكرة أنبوبين مفرغين ؛ وبعد عام 1964، استُبدل أحدهما بمقرن ضوئي مصنوع من مقاومة ضوئية ومصباح نيون. [ 29 ] وحتى اليوم، أصبحت أجهزة فاكترول، التي يتم تفعيلها بالضغط على دواسة القدم، شائعة في صناعة الموسيقى. [ 30 ] وقد أجبر نقص أجهزة فاكترول الأصلية من بيركن إلمر مجتمع هواة الغيتار على صنع عوازل ضوئية مقاومة بأنفسهم. [ 31 ] ويفضل عازفو الغيتار حتى الآن التأثيرات المعزولة ضوئيًا لأن فصلها الممتاز بين أرضيات الصوت والتحكم ينتج عنه "جودة صوت عالية بطبيعتها". [ 31 ] ومع ذلك، فإن التشوه الناتج عن المقاومة الضوئية عند مستوى إشارة الخط أعلى من ذلك الناتج عن مضخم صوت احترافي موصول كهربائيًا ومتحكم فيه بالجهد . [ 32 ] يتأثر الأداء سلبًا أيضًا بالتقلبات البطيئة للمقاومة الناتجة عن تاريخ الضوء ، وهو تأثير ذاكرة متأصل في مركبات الكادميوم . تستغرق هذه التقلبات ساعات حتى تستقر، ولا يمكن تعويضها إلا جزئيًا باستخدام التغذية الراجعة في دائرة التحكم. [ 33 ]

عوازل ضوئية ثنائية ضوئية

عازل ضوئي سريع للثنائي الضوئي مزود بدائرة مكبر صوت على جانب الخرج

تستخدم العوازل الضوئية الثنائية مصابيح LED كمصادر للضوء، وثنائيات ضوئية سيليكونية كمستشعرات. عند تطبيق جهد خارجي عكسي على الثنائي الضوئي، يزيد الضوء الساقط من التيار العكسي المار عبره. لا يُولّد الثنائي الطاقة بنفسه، بل يُعدّل تدفق الطاقة من مصدر خارجي. يُسمى هذا النمط من التشغيل بالنمط الكهروضوئي . في المقابل، في غياب جهد خارجي، يُحوّل الثنائي طاقة الضوء إلى طاقة كهربائية بشحن طرفيه بجهد يصل إلى 0.7  فولت. يتناسب معدل الشحن طرديًا مع شدة الضوء الساقط. تُجمع الطاقة بتصريف الشحنة عبر مسار خارجي ذي مقاومة عالية؛ ويمكن أن تصل نسبة نقل التيار إلى 0.2%. [ 22 ] يُسمى هذا النمط من التشغيل بالنمط الكهروضوئي .

تستخدم أسرع العوازل الضوئية ثنائيات PIN في وضع التوصيل الضوئي. تتراوح أزمنة استجابة ثنائيات PIN في نطاق أجزاء من النانوثانية ؛ وتُحدَّد سرعة النظام الإجمالية بتأخيرات في خرج الصمام الثنائي الباعث للضوء (LED) وفي دوائر التحيز. ولتقليل هذه التأخيرات، تحتوي العوازل الضوئية الرقمية السريعة على مشغلات LED ومضخمات خرج خاصة بها مُحسَّنة للسرعة. تُسمى هذه الأجهزة بالعوازل الضوئية المنطقية الكاملة : حيث تُغلَّف مصابيح LED ومستشعراتها بالكامل داخل دائرة منطقية رقمية. [ 34 ] طُرحت عائلة أجهزة Hewlett-Packard 6N137/HPCL2601، المُجهَّزة بمضخمات خرج داخلية، في أواخر سبعينيات القرن الماضي، وحققت سرعات نقل بيانات تصل إلى 10 ميجابايت/ثانية . [ 35 ] ظل هذا المعيار الصناعي قائمًا حتى طرح عائلة Agilent Technologies 7723/0723 بسعة 50 ميجابايت في عام 2002 [ ملاحظة 10 ]. [ 36 ] تحتوي سلسلة العوازل الضوئية 7723/0723 على مشغلات LED بتقنية CMOS ومضخمات CMOS مُخزنة مؤقتًا ، والتي تتطلب مصدرَي طاقة خارجيين مستقلين بقوة 5 فولت لكل منهما. [ 37 ]   

يمكن استخدام العوازل الضوئية ثنائية الصمام لربط الإشارات التناظرية، على الرغم من أن عدم خطيتها يؤدي حتمًا إلى تشويه الإشارة . يستخدم نوع خاص من العوازل الضوئية التناظرية، قدمه بور-براون ، صمامين ضوئيين ومضخم عملياتي على جانب الإدخال لتعويض عدم خطية الصمام الثنائي. يُوصل أحد الصمامين المتطابقين بحلقة التغذية الراجعة للمضخم، مما يحافظ على نسبة نقل التيار الإجمالية عند مستوى ثابت بغض النظر عن عدم الخطية في الصمام الثنائي الثاني (الخرج). [ 38 ]

في 3 يونيو 2011، قُدِّمت فكرة مبتكرة لعازل إشارة تناظرية ضوئية. يتألف التصميم المقترح من جزأين: أحدهما ينقل الإشارة، والآخر يُنشئ تغذية راجعة سالبة لضمان تطابق خصائص إشارة الخرج مع خصائص إشارة الدخل. يتميز هذا العازل التناظري المقترح بخطيته ضمن نطاق واسع من جهد وتردد الدخل. [ 39 ] مع ذلك، فإنّ الموصلات الضوئية الخطية التي تستخدم هذا المبدأ متوفرة منذ سنوات عديدة، مثل IL300. [ 40 ]

تستخدم المرحلات الإلكترونية ذات الحالة الصلبة، المبنية حول مفاتيح MOSFET ، عادةً عازلًا ضوئيًا ثنائيًا ضوئيًا لتشغيل المفتاح. تتطلب بوابة MOSFET شحنة كلية صغيرة نسبيًا للتشغيل، ويكون تيار التسريب فيها منخفضًا جدًا في حالة الاستقرار. يمكن للثنائي الضوئي في الوضع الكهروضوئي توليد شحنة التشغيل في وقت قصير نسبيًا، لكن جهد خرجه أقل بكثير من جهد عتبة MOSFET . للوصول إلى العتبة المطلوبة، تحتوي المرحلات الإلكترونية ذات الحالة الصلبة على مجموعات تصل إلى ثلاثين ثنائيًا ضوئيًا موصولة على التوالي. [ 21 ]

العوازل الضوئية للترانزستور الضوئي

تُعدّ الترانزستورات الضوئية أبطأ بطبيعتها من الثنائيات الضوئية. [ 41 ] فعلى سبيل المثال، يتميز العازل الضوئي 4N35، وهو الأقدم والأبطأ ولكنه لا يزال شائعًا، بزمن صعود وهبوط يبلغ 5 ميكروثانية عند توصيله بحمل 100 أوم [ 42 ] ، كما أن نطاق تردده محدود بحوالي 10 كيلوهرتز، وهو ما يكفي لتطبيقات مثل تخطيط كهربية الدماغ [ 6 ] أو التحكم في عرض نبضة المحرك . [ 43 ] تسمح أجهزة مثل PC-900 أو 6N138، الموصى بها في مواصفات واجهة الآلات الموسيقية الرقمية الأصلية لعام 1983 [ 44 ] ، بسرعات نقل بيانات رقمية تصل إلى عشرات الكيلوبودات. [ 45 ] يجب تحيز الترانزستورات الضوئية وتحميلها بشكل صحيح لتحقيق أقصى سرعاتها، فعلى سبيل المثال، يعمل الترانزستور 4N28 بتردد يصل إلى 50  كيلوهرتز مع التحيز الأمثل، وبتردد أقل من 4  كيلوهرتز بدونه. [ 46 ]

يتطلب تصميم الدوائر باستخدام العوازل الضوئية الترانزستورية مراعاة التقلبات الكبيرة في المعايير الموجودة في الأجهزة المتوفرة تجاريًا. [ 46 ] قد تكون هذه التقلبات مدمرة، على سبيل المثال، عندما يُغير العازل الضوئي في حلقة التغذية الراجعة لمحول التيار المستمر إلى التيار المستمر دالة نقله ، مما يُسبب تذبذبات زائفة، [ 20 ] أو عندما تُسبب التأخيرات غير المتوقعة في العوازل الضوئية قصرًا في أحد جانبي جسر H. [ 47 ] عادةً ما تُدرج بيانات الشركات المصنعة أسوأ القيم الممكنة للمعايير الحرجة فقط؛ وتتجاوز الأجهزة الفعلية هذه التقديرات الأسوأ بطريقة غير متوقعة. [ 46 ] لاحظ بوب بيس أن نسبة نقل التيار في دفعة من ترانزستورات 4N28 يمكن أن تتراوح من 15% إلى أكثر من 100%؛ بينما حددت البيانات حدًا أدنى قدره 10% فقط. يمكن أن تتراوح قيمة بيتا للترانزستور في نفس الدفعة من 300 إلى 3000، مما يؤدي إلى تباين بنسبة 10:1 في عرض النطاق الترددي . [ 46 ]

تُعدّ العوازل الضوئية التي تستخدم ترانزستورات تأثير المجال (FETs) كمستشعرات نادرة، ويمكن استخدامها، مثل الفاكترولات، كمقاييس جهد تناظرية يتم التحكم فيها عن بُعد، شريطة ألا يتجاوز الجهد عبر طرف خرج الترانزستور بضع مئات من الميلي فولت. [ 38 ] تعمل ترانزستورات تأثير المجال الضوئية دون حقن شحنة تبديل في دائرة الخرج، وهو أمر مفيد بشكل خاص في دوائر أخذ العينات والاحتفاظ بها . [ 11 ]

عوازل ضوئية ثنائية الاتجاه

جميع العوازل الضوئية الموصوفة حتى الآن أحادية الاتجاه. تعمل القناة الضوئية دائمًا في اتجاه واحد، من المصدر (الصمام الثنائي الباعث للضوء) إلى المستشعر. لا تستطيع المستشعرات، سواء كانت مقاومات ضوئية أو ثنائيات ضوئية أو ترانزستورات ضوئية، إصدار الضوء. [ ملاحظة 11 ] لكن الصمامات الثنائية الباعثة للضوء، مثل جميع ثنائيات أشباه الموصلات، [ ملاحظة 12 ] قادرة على كشف الضوء الوارد، مما يُتيح إمكانية بناء عازل ضوئي ثنائي الاتجاه من زوج من الصمامات الثنائية الباعثة للضوء. أبسط عازل ضوئي ثنائي الاتجاه هو زوج من الصمامات الثنائية الباعثة للضوء موضوعة وجهًا لوجه ومثبتة معًا بواسطة أنبوب قابل للانكماش الحراري . عند الضرورة، يمكن زيادة المسافة بين الصمامين الثنائيين الباعثين للضوء باستخدام حشوة من الألياف الزجاجية . [ 48 ]

تتميز مصابيح LED ذات الطيف المرئي بكفاءة نقل منخفضة نسبيًا، لذا تُعدّ مصابيح LED المصنوعة من GaAs و GaAs:Si و AlGaAs:Si ذات الطيف القريب من الأشعة تحت الحمراء الخيار الأمثل للأجهزة ثنائية الاتجاه. تتميز العوازل الضوئية ثنائية الاتجاه، المبنية حول أزواج من مصابيح LED المصنوعة من GaAs:Si، بنسبة نقل تيار تبلغ حوالي 0.06% في كلٍ من الوضع الكهروضوئي والوضع التوصيلي الضوئي ، وهي نسبة أقل من العوازل القائمة على الثنائيات الضوئية، [ 49 ] ولكنها عملية بما يكفي للتطبيقات الواقعية. [ 48 ]

أنواع التكوينات

زوج عاكس (يسار) وموصلان مشقوقان مع مسارات الضوء باللون الأرجواني

عادةً ما تكون أجهزة الربط الضوئي ذات تكوين زوج مغلق . يشير هذا التكوين إلى أجهزة الربط الضوئي المغلفة في حاوية معتمة حيث يكون المصدر والمستشعر متقابلين.

تتميز بعض أجهزة الربط الضوئي بتكوين وصلة/قاطع مشقوق . يشير هذا التكوين إلى أجهزة الربط الضوئي التي تحتوي على فتحة مفتوحة بين المصدر والمستشعر، مما يسمح لها بالتأثير على الإشارات الواردة. يُعدّ تكوين الوصلة/القاطع المشقوق مناسبًا لاكتشاف الأجسام، واكتشاف الاهتزازات، والتبديل الخالي من الارتداد.

تتميز بعض أجهزة اقتران الضوء بتكوين الزوج العاكس . يشير هذا التكوين إلى أجهزة اقتران الضوء التي تحتوي على مصدر ضوئي ومستشعر لا يرصد الضوء إلا عند انعكاسه عن جسم ما. يُعدّ تكوين الزوج العاكس مناسبًا لتطوير عدادات السرعة، وأجهزة كشف الحركة، وأجهزة مراقبة الانعكاس.

يُشار إلى التكوينين الأخيرين غالبًا باسم أجهزة الاستشعار الضوئية أو أجهزة الاستشعار الكهروضوئية .

انظر أيضاً

ملحوظات

  1. ↑ تحذف المخططات التخطيطية الواقعية رمز الحاجز، وتستخدم مجموعة واحدة من الأسهم الاتجاهية.
  2. ↑ استنادًا إلى الرسومات المفاهيمية التي نشرها باسو وميمز، صفحة 100. مصابيح LED وأجهزة الاستشعار في العالم الحقيقي أصغر بكثير؛ انظر الصورة في Avago، صفحة 3 كمثال.
  3. ↑ يمكن أن يحتوي المحول على عدد من الملفات حسب الحاجة. يمكن لكل ملف أن يعمل كملف ابتدائي ، يضخ الطاقة إلى قلب مغناطيسي مشترك، أو كملف ثانوي - يلتقط الطاقة المخزنة في القلب.
  4. ↑ يجب أن تتطابق دوائر جانب الإدخال ومؤشر LED، ويجب أن يتطابق جانب الإخراج والمستشعر، ولكن عادةً لا توجد حاجة لمطابقة جانبي الإدخال والإخراج .
  5. ↑ انظر هورويتز وهيل، ص 597، للحصول على قائمة موسعة لأنواع العوازل الضوئية مع رموزها التخطيطية ومواصفاتها النموذجية.
  6. ↑ يتناسب التيار المار عبر المقاومة الضوئية (تيار الخرج) طرديًا مع الجهد المطبق عليها. نظريًا، يمكن أن يتجاوز 100% من تيار الدخل، ولكن عمليًا، يحد تبديد الحرارة وفقًا لقانون جول من نسبة نقل التيار إلى أقل من 100%.
  7. ↑ تتميز المرحلات الإلكترونية منخفضة التكلفة بأوقات تبديل تبلغ عشرات الميلي ثانية. أما المرحلات الإلكترونية الحديثة عالية السرعة مثل سلسلة Avago ASSR-300 (انظر ورقة البيانات ) فتصل أوقات تبديلها إلى أقل من 70 نانو ثانية.
  8. ↑ وفقًا لمكتب براءات الاختراع والعلامات التجارية الأمريكي ، فإن العلامة التجارية المسجلة عام 1969 لـ "خلية ضوئية مدمجة مع مصدر ضوء" قد انتهت صلاحيتها ( رقم السجل في قاعدة بيانات مكتب براءات الاختراع والعلامات التجارية الأمريكي 72318344 ، تاريخ الاطلاع 5 نوفمبر 2010). أما العلامة التجارية نفسها، المسجلة عام 1993 لـ "موصل أنابيب طبية جراحية يُباع كجزء من قسطرة الشفط"، فهي سارية المفعول الآن ومملوكة لشركة مالينكروت ( رقم السجل في قاعدة بيانات مكتب براءات الاختراع والعلامات التجارية الأمريكي 74381130 ، تاريخ الاطلاع 5 نوفمبر 2010).
  9. ↑ استحوذت شركة EG&G (إدجيرتون، جيرميسهاوزن، وجرير، المحدودة)، وهي شركة مقاولات دفاعية، على شركة Vactec في عام 1983. وفي عام 1999، اشترت EG&G شركة PerkinElmer التي كانت مستقلة سابقًا، وغيرت اسمها إلى PerkinElmer (انظر الاستحواذ العكسي ). وتقوم شركة Silonex (قسم من مجموعة Carlyle ) غير ذات صلة، بتسويق عوازلها الضوئية المقاومة للضوء تحت اسم Audiohm Optocouplers .
  10. ↑ يعمل قسم أشباه الموصلات السابق لشركة Agilent Technologies كشركة مستقلة باسم Avago Technologies منذ عام 2005.
  11. ↑ استثناء: يمكن للثنائيات الضوئية المصنوعة من GaAsP الثلاثية والرباعيةأن تولد الضوء. - ميمز، ص 102.
  12. ↑ «حتى الثنائيات الضوئية العادية التي تستخدمها في الدوائر لها تأثير كهروضوئي صغير. وهناك قصص طريفة عن سلوك غريب للدوائر تم إرجاعه في النهاية إلى هذا التأثير.» - هورويتز وهيل ماكولني، ص 184.

مراجع

  1. ↑ غراف، ص 522.
  2. 1 2 لي وآخرون، ص. 2.
  3. ↑ هاس، ص 145.
  4. ↑ جوفي وكاي سانغ لوك، ص 279.
  5. ↑ غراف، ص 522؛ بيركن إلمر، ص 28.
  6. 1 2 انظر أنانثي، الصفحات 56، 62 للحصول على مثال عملي لتطبيق تخطيط كهربية الدماغ المقترن ضوئيًا.
  7. 1 2 3 4 5 6 ميمز، ص 100.
  8. ↑ هاس، ص 43.
  9. ↑ هاس، ص 60.
  10. ↑ انظر باسو لمناقشة مثل هذا الربط في مصادر الطاقة ذات الوضع المبدل .
  11. 1 2 هورويتز وهيل، ص 595.
  12. 1 2 Jaus، ص 48.
  13. ↑ جاوس، ص 50-51.
  14. 1 2 جوفي وكاي سانغ لوك، ص 277.
  15. ↑ جوفي وكاي سانغ لوك، ص 268، 276.
  16. 1 2 3 ماتاري، ص 174
  17. ↑ الكرة، ص 69.
  18. ↑ شركة أفاجو تكنولوجيز (2007). ASSR-301C و ASSR-302C (ورقة البيانات) . تم الاطلاع عليه بتاريخ 3 نوفمبر 2010.
  19. ↑ بوتريل وآخرون، ص 175.
  20. 1 2 3 4 باسو.
  21. 1 2 شركة فيشاي لأشباه الموصلات.
  22. 1 2 3 4 ماتاري، ص. 177، الجدول 5.1.
  23. ↑ ماتاري، ص 177
  24. ↑ ويبر، ص 190؛ بيركن إلمر، ص 28؛ كولينز، ص 181.
  25. ↑ شوبرت، الصفحات 8-9.
  26. ↑ بيركن إلمر، الصفحات 6-7: "عند 1 قدم شمعة من الإضاءة، تكون أوقات الاستجابة عادةً في نطاق 5 مللي ثانية إلى 100 مللي ثانية."
  27. ↑ ويبر، ص 190؛ بيركن إلمر، ص 2، 7، 28؛ كولينز، ص 181.
  28. 1 2 3 4 5 بيركن إلمر، ص 3
  29. ^ فليجلر وإيش، ص. 28؛ تيجل وسبرونج، ص. 225.
  30. ↑ ويبر، ص 190.
  31. 1 2 كولينز، ص 181.
  32. ↑ بيركين إلمر، الصفحات 35-36؛ سيلونكس، الصفحة 1 (انظر أيضًا مخططات التشوه في الصفحات اللاحقة).
  33. ↑ بيركين إلمر، الصفحات 7، 29، 38؛ سيلونكس، الصفحة 8.
  34. ↑ هورويتز وهيل، ص 596-597.
  35. ↑ بورات وبارنا، ص 464. انظر أيضًا المواصفات الكاملة للأجهزة المنتجة حاليًا: ورقة بيانات 6N137 / HCPL-2601 . شركة أفاجو تكنولوجيز . مارس 2010. تاريخ الاطلاع: 2 نوفمبر 2010.
  36. ↑ شركة Agilent Technologies تُقدّم أسرع أجهزة اقتران ضوئي في الصناعة. مؤرشف بتاريخ 17 مايو 2019 في Wayback Machine . Business Wire. 2 ديسمبر 2002.
  37. ↑ شركة أجيلنت تكنولوجيز (2005). مُقترن ضوئي عالي السرعة بتقنية CMOS من أجيلنت HCPL-7723 وHCPL-0723 بسرعة 50 ميجابايت/ثانية وزمن استجابة 2 نانوثانية (ورقة البيانات) . تم الاطلاع عليه بتاريخ 2 نوفمبر 2010.
  38. 1 2 هورويتز وهيل، ص 598.
  39. ↑ العلوم التطبيقية الحديثة، المجلد 5، العدد 3 (2011). نهج جديد لعزل الإشارة التناظرية من خلال الموصل الضوئي الرقمي (YOUTAB) .
  40. ↑ موقع Vishay الإلكتروني، بيانات IL300 (تم الوصول إليها في 20-10-2015)، http://www.vishay.com/optocouplers/list/product-83622/ مؤرشف في 27-12-2016 في Wayback Machine .
  41. ↑ الكرة، ص 61.
  42. ↑ هورويتز وهيل، ص 596. بول ص 68، يوفر وقت الصعود والهبوط 10 ميكروثانية ولكنه لا يحدد معاوقة الحمل.
  43. ↑ الكرة، ص 68.
  44. ↑ مخطط المواصفات الكهربائية لتقنية MIDI والتصميم الأمثل لمحول عصا التحكم/MIDI. مؤرشف بتاريخ 30 ديسمبر 2015 في أرشيف الإنترنت (Wayback Machine) . جمعية مصنعي MIDI. 1985. تم الاطلاع عليه بتاريخ 2 نوفمبر 2010.
  45. ↑ الكرة، ص 67.
  46. 1 2 3 4 بيز، ص 73.
  47. ↑ Ball، الصفحات 181-182. يُطلق على توصيل جانب واحد من جسر H اسم التوصيل المباشر .
  48. 1 2 ميمز المجلد 2، ص 102.
  49. ↑ تتمتع العوازل الضوئية للثنائيات الضوئية بنسب نقل تيار تصل إلى 0.2٪ - ماتاري، ص 177، الجدول 5.1.

مصادر

  • شعار ويكيميديا ​​كومنزالوسائط المتعلقة بالعوازل الضوئية على ويكيميديا ​​كومنز