לפעמים, כשפועלים במערכת שלנו מתחים שונים או רכיבים רגישים, נרצה להעביר אותות בין חלקי המעגל תוך כדי שמירה על בידוד חשמלי ביניהם. המבודד האופטי (או "מצמד אופטי" – Optocoupler) הוא אחד הכלים הנוחים למשימה. הנה הדגמה קצרה עם רכיב מדגם PC817 של חברת Sharp.
התיאוריה
מבודד אופטי טיפוסי, כמו אלה שבתמונה למעלה, מכיל שני רכיבים פנימיים: נורית LED ופוטו-טרנזיסטור (או פוטו-דיודה). ביניהם, מוסתר עמוק בתוך הפלסטיק השחור, נמצא תווך שקוף כלשהו שמאפשר לאור לעבור. כאשר אנחנו מדליקים את הלד, הטרנזיסטור בצד השני "נפתח" ומאפשר לזרם לעבור דרכו. כך אנו יכולים להעביר למעשה מידע, ומכיוון שהמידע מועבר באמצעות אור בלבד, אין צורך בשיתוף אדמות או בחיבור חשמלי אחר בין שני הצדדים.
החיבורים
בחרתי להציג כאן את PC817 כי הוא זמין וזול מאד – אפשר להשיג מאה כאלה בעליאקספרס או באיביי בשניים-שלושה דולרים. השרטוט הבא, מתוך ה-Datasheet שלו, אומר לנו איך לחבר את הרכיב הזה:
הלד נמצא משמאל. רגל ה"פלוס" שלו היא פין מס' 1 – זה שמסומן מבחוץ בעיגול שחור קטן על הפלסטיק – ורגל ה"מינוס" היא פין מס' 2 הסמוך. אנחנו יכולים להתייחס אל הלד הזה כאל לד רגיל – כלומר, להדליק, לכבות ולהיזהר לא לתת לו זרם חזק מדי. ה-Datasheet יגיד לנו מה נחשב חזק מדי, בזרם רציף או בפולסים; במקרה שלנו, 10-20 מיליאמפר ברציפות הם די והותר.
ה-Collector הוא צד ה"פלוס" של הפוטו-טרנזיסטור, וה-Emitter הוא האדמה שלו. ברוב המקרים, אם נרצה להפעיל צרכן זרם ישירות בעזרת הפוטוטרנזיסטור, נחבר את הצרכן בין מקור המתח לבין פין ה-Collector. שוב, חשוב לבדוק ב-Datasheet מהם הזרם וההספק המרביים שהמבודד האופטי מסוגל לעמוד בהם.
התכל'ס
הנה מעגל בסיסי מאד להדגמת עבודה עם PC817. בשתי התמונות, זוג החוטים שקרוב למצלמה (בצד ימין) נותן 12V מספק כוח, והזוג הרחוק נותן 5V מסוללות. בתמונה הראשונה, חוט הפלוס של ה-12V אינו מחובר לפין 1 של המבודד האופטי: הלד הפנימי כבוי, הפוטו-טרנזיסטור לא נפתח ולא מעביר זרם, ולכן גם הלד החיצוני כבוי:
בתמונה הבאה, הלד הפנימי מקבל מתח של 12V, ונגד 1K אוהם חיצוני שומר עליו מפני זרם יתר. הפוטו-טרנזיסטור שבתוך המבודד האופטי נפתח, ומאפשר ללד החיצוני לקבל 5V (דרך נגד של 510 אוהם):
שימו לב: אם בכוונתכם להשתמש במבודדים אופטיים להעברה מהירה של נתונים, חפשו בדף הנתונים את הפרמטר Cut-off frequency – זהו התדר המרבי שאפשר להעביר בו מידע בצורה אמינה. רוצים לדעת יותר? הנה מסמך שמפרט איך לקרוא Datasheet של מבודד אופטי.
לא הבנתי מתי כדאי/חייבים להשתמש במיתוג אופטי במקום במיתוג מבוסס טרנזיסטורים או ריליי. זה נראה ששתי האופציות האחרונות מכסות ביחד טווח גדול של סיטואציות.
המיתוג האופטי מצוין כאמור כשאסור שתהיה "זליגה" של חשמל מצד לצד, זה יכול להיות במערכות רגישות או במקומות רגישים עם מתחים/זרמים גדולים, כמו מערכות של חברת חשמל, גנרטורים וכדומה. טרנזיסטור ממתג מצוין אבל ההגנה שלו היא אפסית, וממסרים – תלוי בסוג – יכולים להיות איטיים או מגושמים מדי, או לא מספיק מוגנים.
במקרה שארדואינו עובד עם צרכן שיושב על מקור מתח נפרד הלוח כמעט תמיד יהיה רגיש למתח ולזרם של אותו צרכן. אז תמיד כדאי להעדיף במיתוג אופטי?
בוא נגיד ברמה של שימושי ארדואינו נפוצים יש כלל אצבע מתי זה בסדר לשתף אדמות (ואז אני מניח שעובדים עם טרנזיסטורים) ומתי עדיף להפריד ולבודד את המעגלים?
בשימושי ארדואינו נפוצים משתפים אדמות וזהו 😉
לא הבנתי, הוא משמש להעברת מידע או זרם? ז"א אם אני צריך רכיב שפשוט יעביר את הזרם (לא זרם קבוע, אבל עד 5v) לרכיב אחר (במקרה הספציפי שלי, פין אנלוגי, לצורך מדידה כמובן) ושאוכל לשלוט מתי להעביר ומתי לא, הוא מתאים לעניין?
אגב, אחלה בלוג אני מאוד נהנה ממנו ונעזר בו המון.
ההבדל בין העברת מידע להעברת חשמל לצרכן הוא מה שאתה עושה עם הפעילות של הטרנזיסטור. מבחינה פיזיקלית הפעילות שלו בשני המקרים היא זהה (כל עוד זוכרים שרכיבים כאלה מוגבלים מבחינת זרם ומתח). בשביל פין אנלוגי אתה צריך שינויים במתח, לא בזרם, וממה שכתבת לא ברור למה אתה צריך לשלוט בהעברה שלו במקום פשוט להתעלם ממנו מתי שהוא לא נחוץ…
אני לא יכול להתעלם מההעברה שלו, בלי להלאות אותך בפרטים, אני צריך לחבר כ40 רכיבים שצריך למדוד, לבסה"כ 4 פינים אנלוגים והפתרון לדעתי הוא פשוט לחבר אותם ארבע ארבע, אני לא רואה עניין להוסיף עוד כניסות אנלוגיות (אילו יכולתי, אני לא חושב שזה אפשרי בצורה נורמאלית ברספברי) כי בכל מקרה הבקר מודד אחד אחד ולא במקביל כך שיותר קל פשוט להחליט מי יעביר מתח ומתי…
אז כמו שאני מבין, אם אני מחבר את הרגל שמוציאה מתח (זה שצריך למדוד) לפין collector וביניהם מחבר את הפין האנלוגי, כשאעביר מתח מפין של רספברי לanoda המתח יעבור לאנלוגי כמו שהוא?
לא – קודם כל, לפי תיאור החיבורים שלך, ברגע שתפעיל את הטרנזיסטור הפנימי בעצם תיצור מעין קצר בין מקור המתח לבין האדמה ולא תצליח לקרוא אותו. גם אם תעבוד הפוך, ברגע שארבעה קווים מתחברים לפין אנלוגי אחד, הם ישפיעו בהכרח אחד על השני. הפתרון ה"קלאסי" לבעיה כזו הוא רכיב שנקרא Analog Multiplexer, למשל CD74HC4067 שמאפשר לך לחבר 16 ערוצי קלט בו-זמנית, ולבחור מי מהם ייצא בכל רגע נתון בפין פלט יחיד אל המיקרו-בקר. כמובן, אם הדיוק בקריאת המתח חשוב מאוד, צריך לשים לב לפרטים הקטנים ב-Datasheet.
הרכיב נראה מצויין בשבילי, תודה.
אשמח להבין יותר לעומק למה בעצם יווצר קצר? לכאורה החיבורים הם לפי הכללים שכתבת.
בדוגמה שלי אספתי כמה טריקים מהבלוג שלך, (כאמור בלוג מצוין) אין מצב שארבעת הקווים יהיו מחוברים במקביל, אולי זה יעזור להבין אותי http://www.up2me.co.il/v.php?file=23263001.jpg
זה שונה ממה שתיארת קודם (למעלה אמרת שהפין האנלוגי יתחבר בין מקור המתח ל-Collector, בשרטוט הוא מתחבר ל-Emitter). בכל אופן, טרנזיסטור לא יעבוד גם בצורת חיבור כזו. ראה בפוסט שלי על הטרנזיסטורים, בסעיף "אופן החיבור": https://www.idogendel.com/whitebyte/archives/1846
ה-Emitter צריך להתחבר לאדמה כדי שזרם יוכל לעבור דרכו. פין אנלוגי לא יכול לשמש כאדמה, יש לו התנגדות מאוד גבוהה.
זה מזכיר לי שאלה שתמיד הציקה לי ולא מצאתי עליה תשובה באינטרנט:
איך פועלת תאורת חירום?
הבעיה היא איך לעשות שכאשר מגיע זרם חשמל חיצוני הוא מטעין רק את הסוללה ולא מדליק את האור, ורק כאשר אין זרם חיצוני אז הנורה נדלקת.
דווקא די קל למצוא את התשובה, עם מילות המפתח הנכונות באנגלית 🙂 בעיקרון, החשמל מהקיר מפעיל ממסר, שמחבר בין הפלוס של הסוללה למעגל ההטענה. בזמן הפסקת חשמל הממסר קופץ לכיוון השני, ואז הוא מנתק את הסוללה ממעגל ההטענה ומחבר אותה במקום זה למנורות.
הבעיה היא: איך עושים שהממסר יופעל רק מהזרם החיצוני, בזמן שהזרם של הסוללות לא ישפיע עליו?
פעם ניסיתי לעשות מעגל פשוט של תאורת חירום. הפתרון שלי היה להשתמש בשני שנאים: אחד שיטעין את הסוללה והשני שיפעיל את הממסר. הייתי חייב את הבידוד הזה כי בלעדיו גם הסוללות היו מפעילות את הממסר ואז הנורה לא היתה נדלקת..
בכל מקרה לא אמור להיות מגע בין הפלוס של הסוללות לבין הסליל של הממסר. ראה למשל בשרטוט כאן: http://www.circuitsgallery.com/2012/11/emergency-led-light-circuit.html
[עריכה: שים לב לדיודה!]