ما می توانیم با استفاده از انرژی هسته ای برق تولید کنیم. در نیروگاه هسته ای با واکنش هسته ای انرژی الکتریکی تولید می شود. در این نیروگاه، عناصر رادیواکتیو سنگین مانند اورانیوم (U235) یا توریم (Th232) در معرض شکافت هسته ای قرار می گیرند. این شکافت در دستگاه خاصی به نام راکتور انجام می شود.

شکافت هسته ای چیست؟

در فرآیند شکافت، هسته های اتم های رادیواکتیو سنگین به دو قسمت تقریباً مساوی تقسیم می شوند. در طی شکستن هسته ها، مقدار زیادی انرژی آزاد می شود. این آزاد شدن انرژی به دلیل کمبود جرم ماده است. این به این معنی است که جرم کل ماده اولیه در طول شکافت کاهش می یابد. طبق معادله معروف آلبرت انیشتین، این کاهش جرم در طول شکافت به انرژی گرمایی تبدیل می شود.

یک نیروگاه هسته ای مانند یک نیروگاه حرارتی معمولی است. تنها تفاوت آن در این است که، به جای استفاده از گرمای تولید شده در اثر احتراق زغال سنگ، از گرمای تولید شده در اثر شکافت هسته ای برای تولید بخار از آب در بویلر استفاده می شود. از این بخار برای چرخاندن توربین بخار استفاده می شود.

این توربین محرک اصلی ژنراتور است. این ژنراتور انرژی الکتریکی تولید می کند. اگرچه در دسترس بودن سوخت هسته ای زیاد ممکن نیست، اما مقدار بسیار کمی از سوخت هسته ای می تواند مقدار زیادی انرژی الکتریکی تولید کند. این ویژگی منحصر به فرد یک نیروگاه هسته ای است. یک کیلوگرم اورانیوم معادل 4500 تن زغال سنگ مرغوب است. این به این معنی است که شکافت کامل 1 کیلوگرم اورانیوم می تواند به اندازه احتراق کامل 4500 تن زغال سنگ گرما‌ تولید کند.

به همین دلیل است که اگرچه سوخت هسته‌ ای بسیار گران‌ تر است، اما هزینه سوخت هسته ‌ای به ازای هر واحد انرژی الکتریکی هنوز کمتر از هزینه انرژی تولید شده توسط سوخت‌ های دیگر مانند زغال سنگ و گازوئیل است. برای مقابله با بحران سوخت، نیروگاه های هسته ای می توانند مناسب ترین جایگزین باشند.

مزایای نیروگاه هسته ای

1. همانطور که گفتیم مصرف سوخت در این نیروگاه بسیار کم است و از این رو هزینه تولید یک واحد انرژی نسبت به سایر روش های تولید برق بسیار کمتر است. همچنین میزان سوخت هسته ای مورد استفاده کمتر است.
2. یک نیروگاه هسته ای به فضای بسیار کمتری در مقایسه با سایر نیروگاه های معمولی با ظرفیت مشابه نیاز دارد.
3. این نیروگاه‌ به آب زیادی نیاز ندارد، در نتیجه ساخت این نیروگاه نزدیک به منابع آب طبیعی ضروری نیست. این نیروگاه نیاز به حجم بالای سوخت ندارد بنابراین، ساخت نیروگاه در نزدیکی معدن زغال سنگ یا مکانی که امکانات حمل و نقل خوبی در آن موجود است نیز ضروری نیست. به همین دلیل، نیروگاه هسته ای را می توان در نزدیکی محل بار ساخت.
4. ذخایر بزرگی از سوخت هسته ‌ای در سطح جهان وجود دارد، بنابراین چنین نیروگاه‌ هایی می ‌توانند تامین مداوم برق را برای هزاران سال آینده تضمین کنند.

معایب نیروگاه هسته ای

1. سوخت این نیروگاه به راحتی در دسترس نیست و بسیار گران است.
2. هزینه اولیه ساخت نیروگاه هسته ای بسیار زیاد است.
3. راه اندازی این نیروگاه نسبت به سایر نیروگاه های معمولی بسیار پیچیده است.
4. فرآیند شکافت همراه با ایجاد مواد رادیواکتیو است در نتیجه ممکن است آلودگی های رادیواکتیو بالایی تولید کند.
5. هزینه تعمیر و نگهداری زیاد است و برای راه اندازی یک نیروگاه هسته ای به تعداد زیادی افراد آموزش دیده متخصص نیاز است.
6. نوسانات ناگهانی بار را نمی توان به طور موثر توسط نیروگاه های هسته ای پاسخ داد.
7. از آنجایی که واکنش های هسته ای به شدت رادیواکتیو هستند، دفع آن مشکل بسیار بزرگی است. فقط می توان آن را در اعماق زمین یا در دریا دور از ساحل دفع کرد.

اجزای مختلف نیروگاه هسته ای

یک نیروگاه هسته ای از 4 جزء تشکیل شده است:

1. راکتور هسته ای
2. مبدل حرارتی
3. توربین بخار
4. ژنراتور

در ادامه درمورد هر یک از اجزاء خواهیم گفت.

راکتور هسته ای

در یک راکتور هسته ای، اورانیوم 235 در شکافت هسته ای قرار می گیرد. راکتور هسته ای واکنش زنجیره ای را که پس از انجام شکافت شروع می شود، کنترل می کند. واکنش زنجیره ای باید کنترل شود در غیر این صورت سرعت انرژی آزاد شده سریع بوده و ممکن است احتمال انفجار زیاد باشد. در شکافت هسته ای، هسته های سوخت هسته ای مانند U235 توسط نوترون ها بمباران می شوند. در اثر این بمباران، هسته های اورانیوم شکسته می شود که باعث آزاد شدن انرژی گرمایی زیادی می شود. در هنگام شکستن هسته ها تعدادی نوترون نیز منتشر می شود.

این نوترون های ساطع شده را نوترون های شکافت می نامند. این نوترون های شکافت باعث شکافت بیشتر می شوند. شکافت بیشتر نوترون های بیشتری ایجاد می کند که دوباره سرعت شکافت را افزایش می دهد. این یک فرآیند تجمعی است.

اگر فرآیند کنترل نشود، در مدت زمان بسیار کوتاهی سرعت شکافت آنقدر بالا می ‌رود که انرژی زیادی آزاد می ‌کند، همچنین ممکن است انفجار خطرناکی رخ دهد. این واکنش تجمعی را یک واکنش زنجیره ای می نامند. این واکنش زنجیره ای را فقط می توان با حذف نوترون های شکافت از یک راکتور هسته ای کنترل کرد. سرعت شکافت را می توان با تغییر سرعت حذف نوترون های شکافت از راکتور ها کنترل کرد.

راکتور هسته ای یک مخزن استوانه ای فشار قوی است. میله های سوخت از سوخت هسته ای یعنی اورانیوم ​​ساخته شده اند که در پوششی از گرافیت قرار دارند. این ها سرعت نوترون ‌ها را قبل از برخورد با هسته ‌های اورانیوم کاهش می ‌دهند. میله های کنترل از کادمیوم ساخته شده اند زیرا کادمیوم یک جذب کننده قوی نوترون است

میله های کنترل در محفظه شکافت قرار می گیرند. این میله ‌های کنترل را می ‌توان برحسب نیاز به سمت پایین فشار داد و بالا کشید. هنگامی که این میله ها به اندازه کافی به سمت پایین کشیده می شوند، بیشتر نوترون های شکافت توسط این میله ها جذب می شوند، بنابراین واکنش زنجیره ای متوقف می شود. همچنین، هنگامی که میله های کنترل به سمت بالا کشیده می شوند، نوترون های شکافت بیشتر می شود و سرعت واکنش زنجیره ای افزایش می یابد.

بنابراین، با تنظیم موقعیت میله های کنترل، می توان سرعت واکنش هسته ای را کنترل کرد و در نتیجه تولید توان الکتریکی را بر اساس نیاز بار کنترل کرد. در عمل، فشار دادن و کشیدن میله های کنترل بر اساس نیاز بار توسط یک سیستم فیدبک خودکار کنترل می شود‌. گرمای آزاد شده در طی یک واکنش هسته ای با استفاده از مایع خنک کننده متشکل از فلز سدیم به مبدل حرارتی منتقل می شود.

مبدل حرارتی: در یک مبدل حرارتی، گرمای حمل شده توسط فلز سدیم در آب پراکنده می شود و آب به بخار پر فشار تبدیل می شود. پس از آزاد شدن گرما در آب، خنک کننده سدیم به وسیله  پمپ گردشی خنک کننده به راکتور باز می گردد.

توربین بخار: در یک نیروگاه هسته ای، توربین بخار همانند نقشی که در نیروگاه زغال سنگ دارد ایفا می کند. بخار توربین را به حرکت در می آورد. پس از انجام کار، بخار خروجی به یک کندانسور بخار می آید و در آنجا متراکم می شود تا فضایی برای بخار پشت آن فراهم شود.

ژنراتور: یک ژنراتور، همراه با یک توربین می چرخد ​​و نیروی الکتریکی مورد استفاده را تولید می کند. خروجی ژنراتور از طریق ترانسفورماتور، قطع کننده مدار و ایزولاتور به بارها تحویل داده می شود.

انتخاب مکان نیروگاه هسته ای

1. در دسترس بودن آب: اگرچه مقدار بسیار زیادی آب مانند یک نیروگاه برق آبی استفاده نمی شود، اما تامین کافی آب خنثی به عنوان خنک کننده در یک نیروگاه هسته ای موردنیاز است. به همین دلیل است که همیشه ترجیح داده می شود این نیروگاه در نزدیکی رودخانه یا کنار دریا باشد.
2. دفع آب: ضایعات نیروگاه های هسته ای رادیواکتیو هستند و ممکن است خطرات جدی برای سلامتی ایجاد کنند. به همین دلیل باید در دفع زباله های نیروگاه های هسته ای دقت ویژه ای به عمل آید. زباله ها باید در عمق ناکافی از سطح زمین یا در دریا کاملاً دور از ساحل دفن شوند. بنابراین در انتخاب مکان نیروگاه هسته ای باید این عوامل را در نظر گرفت.
3. فاصله از منطقه پرجمعیت: از آنجایی که همیشه احتمال آزاد شدن تشعشعات رادیواکتیو وجود دارد، همیشه ترجیح داده می شود که یک ایستگاه هسته ای به اندازه کافی دور از مناطق پرجمعیت قرار گیرد.
4. امکانات حمل و نقل: در طول دوره راه اندازی، تجهیزات سنگین نصب خواهند شد که باید از محل تولیدکننده منتقل شوند. بنابراین وجود راه‌ آهن خوب و دسترسی به راه ها ضروری است. نیروی انسانی ماهر، حمل و نقل عمومی خوب نیز باید در محل حضور داشته باشد

.

چطور می توان دو مدار متصل بهم را از نظر الکتریکی ایزوله کرد؟
چطور می توان از مدار، قطعات و سیگنال ها در برابر اثرات ناشی از پتانسیل زمین، شوک های جریان ناشی از منبع برق AC و … محافظت کرد؟
چطور می توان سیگنال ها را از یک مدار به مدار دیگر انتقال داد ولی از اثر جریان های مزاحم روی آنها جلوگیری کرد؟

اگر به دنبال پاسخ این سوالات هستید تا انتهای این پست با ما همراه باشید.

در ادامه با اپتوکوپلر به عنوان یک قطعه کارآمد در الکترونیک آشنا شده و درباره انواع و نحوه تست سلامت این قطعه یاد می گیریم.

1# اپتوکوپلر چیست؟

همانطور که می دانیم ترانسفورماتورها نه تنها می توانند انرژی الکتریکی را بین چند مدار منتقل کنند بلکه
می توانند بین دو مدار با ولتاژ بالا و پایین، ایزولاسیون الکتریکی ایجاد کنند و
این کار را با جدا کردن ولتاژ ورودی اولیه از ولتاژ خروجی ثانویه انجام می دهند.
این جداسازی بین منبع ورودی و بار خروجی را می توان با استفاده از قطعه ای به نام اپتوکوپلر نیز انجام داد.

اپتوکوپلر (optocoupler) یا اپتوایزولاتور (opto-isolator) یک قطعه الکترونیکی است که
با استفاده از نور، سیگنال های الکتریکی را بین دو مدار مجزا انتقال می دهد.

اپتوکوپلر برای جدا کردن و محافظت از مدار در برابر آسیب های الکتریکی یا نویزهای ناخواسته استفاده می شود،
به ویژه در مدارهای با ولتاژ پایین و مدارهای حساس به نویز.

در واقع اپتوکوپلر نوعی جداکننده نوری است که جلوی ولتاژهای بالایی که

باعث به وجود آمدن سیگنال های اضافی بر روی سیستم می شوند را می گیرد.

اپتوکوپلرهای رایج تا 10 کیلو ولت در برابر ولتاژهای ورودی-خروجی مقاومت می کنند.

2# ساختار و اجزای اپتوکوپلر

بخش های مختلف یک اپتوکوپلر در یک بدنه یا پوشش تیره قرار دارند که چند پایه فلزی به آن متصل است.
انواع اپتوکوپلرها شامل بخش های اصلی زیر هستند:

• یک منبع نور (emitter)
  در اغلب موارد یک دیود تابش نور مادون قرمز (IR LED) است که سیگنال الکتریکی ورودی را به نور تبدیل می کند.

• ماده رسانای نور یا کانال اپتیکی (dielectrical channel)
  یک کانال بسته که به نام کانال دی الکتریک هم شناخته شده و نور در آن از منبع به سمت گیرنده هدایت می شود.

• یک گیرنده نوری یا فوتوسنسور (photo-sensor)
  این گیرنده در واقع نوعی نیمه هادی حساس به نور است که می تواند نور ورودی را تشخیص دهد و
  بعد از تشخیص نور یا مستقیماً انرژی الکتریکی را تولید کرده، یا جریان الکتریکی تولید شده توسط منبع تغذیه خارجی را مدوله کند.

• این سنسور می تواند هر یک از انواع زیر باشد:
  – فوتورزیستور (photoresistor)
  – فوتودیود (photodiode)
  – فوتوترانزیستور (phototransistor)
  – فوتوترایاک (phototriac)
  – فوتوتریستور از نوع یکسوکننده کنترلی سیلیکونی (SCR)

اپتوکوپلرها می توانند ساختار مسطح یا دو طبقه ای داشته باشند.

3# نحوه کار اپتوکوپلر

همانطور که در شماتیک مربوط به یک اپتوکوپلر در تصویر پایین می بینیم:

1. پین های 1 و 2 مربوط به LED هستند. LED نور مادون قرمز را به سمت راست ساطع می کند.
2. یک گیرنده نوری (مثلا فوتوترانزیستور) در سمت راست اپتوکوپلر قرار دارد که نور ساطع شده از LED را دریافت می کند.
3. فوتوسنسور شبیه یک ترانزیستور BJT عمل کرده و
   مدار خروجی را با استفاده از پایه های کلکتور (collector) و امیتر (emitter) سوییچ می کند.
4. شدت نور LED به طور مستقیم فوتوتسنسور را کنترل می کند.
5. LED را می توان با مدار بندی های مختلفی کنترل کرد و
   فوتوسنسور می تواند مدار بندی های مختلفی را کنترل کند، پس در واقع یک اپتوکوپلر توانایی کنترل دو مدار مستقل را دارد.
6. فضای بین فوتوسنسور و LED، از جنس یک ماده شفاف و غیر رسانا ساخته شده که
   در واقع نارسانای الکتریکی ولی رسانای اپتیکی است،
   مثل: شیشه، هوا یا پلاستیک شفاف.
   این ماده دو مدار مختلف را از نظر الکتریکی از هم جدا و ایزوله می کند.
   ایزولاسیون الکتریکی به طور معمول در محدوده 10 کیلو ولت یا بالاتر است.

4# انواع اصلی اپتوکوپلر

با توجه به کاربری ها و نیازهای متفاوت، انواع متنوعی از اپتوکوپلرها وجود دارد،
اما بر اساس نوع فوتوسنسور مورد استفاده در آنها، در چهار نوع اصلی طبقه بندی می شوند.

1-4 اپتوکوپلر فوتوترانزیستوری (Photo-Transistor Optocoupler)

در این مدل اپتوکوپلر از یک فوتوترانزیستور به عنوان سنسور آشکارساز نور استفاده شده که
ترانزیستور مورد استفاده، بسته به نوع خروجی می تواند PNP یا NPN باشد.

جریان از منبع به سمت LED رفته و با عبور از آن باعث تولید شدن نور مادون قرمز می شود.

این نور به سمت فوتوترانزیستور ساطع شده و آن را روشن می کند.

پایه 6 در اپتوکوپلر به طور مستقیم به بیس ترانزیستور متصل است و

مسئول کنترل حساسیت فوتوترانزیستور است.

اگر این پایه باز باشد حساسیت ترانزیستور به نور حداکثر است،
ولی اگر با استفاده از یک مقاومت بزرگ به منفی یا زمین متصل شود،
حساسیت ترانزیستور قابل کنترل شده و جلوی تحریکات ناشی از ناپایداری های الکتریکی و نویزها مقاوم تر می شود.

پس در واقع فوتوترانزیستورها برای سوئیچ کردن جریان در مدار خروجی به کار می روند.

از اپتوکوپلرهای فوتوترانزیستوری در ایزولاسیون مرتبط با مدارهای DC استفاده می شود و

موقع استفاده باید به حداکثر نرخ کاری آنها توجه کرد.

4N35, PC816, PC817, LTV817, K847PH چند مدل از این نوع اپتوکوپلرها هستند.

2-4 اپتوکوپلر ترانزیستوری فوتودارلینگتونی (Photo-Darlington Transistor Optocoupler)

ترانزیستور دارلینگتونی شامل یک جفت ترانزیستور است که یکی از آنها بیس ترانزیستور دیگر را کنترل می کند.
این پیکربندی، بهره وری را در ترانزیستور دارلینگتون افزایش می دهد.
در این مدل هم، LED با ایجاد نور مادون قرمز و هدایت آن به سمت ترانزیستور بیس آن را کنترل می کند و
همانند مدل قبلی پایه 6 متصل به بیس ترانزیستور برای کنترل حساسیت ترانزیستور استفاده می شود.
اپتوکوپلرهای ترانزیستوری فوتودارلینگتونی در ایزولاسیون مدارهای DC به کار می روند.
N32, 4N33, H21B1, H21B2, H21B3 از جمله مدل های این نوع اپتوکوپلر هستند.

3-4 اپتوکوپلر فوتوترایاکی (Photo-TRIAC Optocoupler)

از قطعه ترایاک معمولا در مواردی که به کنترل یا سوئیچینگ مدارهای مبتنی بر AC نیاز باشد، استفاده می شود.
مدار هدایت کننده نور می تواند از نوع DC باشد و ترایاک مدار AC را کنترل می کند.
اپتوکوپلر فوتوترایاکی در زمینه جداسازی (ایزولاسیون) این مدارها به خوبی عمل می کند.
IL420  یک نمونه از اپتوکوپلرهای فوتوترایاکی هست.

4-4 اپتوکوپلر فوتوتریستوری (Photo-SCR based Optocoupler​)

SCR یا یکسو کننده کنترلی سیلیکونی نوع خاصی از تریستورها است.
مشابه دیگر انواع اپتوکوپلرها، میزان شدت نور ساطع شده از LED کنترل کننده عملکرد SCR است.
از این اپتوکوپلرها به دلیل ساختار تریستور در مدارهای مبتنی بر AC استفاده می شود.
MOC3071، IL400، MOC3072 مدل هایی از اپتوکوپلرهای فوتوتریستوری هستند.

5# کاربردهای اپتوکوپلر

همانطور که در قسمت انواع توضیح دادیم، برخی از انواع اپتوکوپلرها در مدارهای DC و
برخی از آنها در مدارهای AC به کار می روند.
می دانیم که اپتوکوپلر اجازه اتصال الکتریکی مستقیم بین دو طرف را نمی دهد و
کاربرد اصلی آن جداسازی دو مدار است.

از کاربردهای متداول اپتوکوپلرها میتوان به موارد زیر اشاره کرد:

• تشخیص نوع سیگنال و کنترل ولتاژ در مدارهای AC و DC،
  سیگنال الکتریکی منتقل شده در یک سیستم می تواند داده های آنالوگ (خطی) یا دیجیتال (پالس) باشد.
• سوئیچ کردن مدارها و سوئیچینگ ورودی/خروجی در ریزپردازنده ها (microprocessors).
• سوئیچ کردن سیگنال ها در کنار قطعات الکترونیکی بزرگی مثل ترانزیستورها و ترایاک ها،
  برای جداسازی الکتریکی بین دو مدار و جداسازی بین سیگنال کنترلی با ولتاژ پایین (مثلا آردوینو یا میکروکنترلر) و سیگنال خروجی اصلی با ولتاژ بالاتر.
• سوئیچینگ منبع DC و کنترل منبع AC.
• ارتباطات کامپیوتری.
• ایزولاسیون (جداسازی) سیگنال ها.
• رگولاسیون منبع تغذیه که بر اثر حلقه جریان های زمین دچار اختلال شده.
• تشخیص نوع سیگنال ورودی و سوئیچ به خصوص در محیط های دارای نویزهای الکتریکی زیاد.
• استفاده از خروجی اپتوکوپلر برای راه اندازی مدار خارجی، نور یا به عنوان ورودی یک PC یا ریزپردازنده.

با توجه به انواع اپتوکوپلرها، کاربردهای متفاوتی برای هر یک وجود دارد که به توضیح برخی از آنها می پردازیم.

1-5 کاربرد اپتوکوپلر فوتوترانزیستوری (اپتوترانزیستور) در سوئیچینگ مدار DC

یک اپتوکوپلر فوتوترانزیستوری برای سوئیچینگ مدار همانند یک ترانزیستور معمولی عمل می کند.
در مدار زیر به عنوان نمونه از یک اپتوترانزیستور مدل PC817 استفاده شده.
چراغ مادون قرمز (LED) توسط سوئیچ S1 کنترل می شود.
وقتی که سوئیچ روشن باشد، منبع (باتری 9 ولتی) جریان را به سمت LED هدایت می کند.
شدت جریان با استفاده از مقاومت محدود کننده R1 کنترل می شود.
با تغییر و کم کردن مقاومت، شدت نور لامپ زیاد و دریافتی ترانزیستور هم زیاد می شود.
LED نور مادون قرمز را به ترانزیستور ساطع می کند.
با انتشار نور مادون قرمز، ترانزیستور VOUT را صفر کرده و بار متصل به آن نیز خاموش می شود.
لازم به یادآوری است که مطابق با موارد قبلی، جریان کلکتور ترانزیستور 50mA است و
مقاومت R2 برای VOUT مقدار 5v را مهیا می کند.
از این تنظیمات و همراهی اپتوترانزیستور با یک میکروکنترلر می توان برای تشخیص پالس ها یا قطعی ها و
به طور کلی برای کنترل و سوئیچ مدار DC استفاده کرد.

2-5 کاربرد اپتوکوپلر فوتوترانزیستوری (اپتوترانزیستور) برای تشخیص ولتاژ AC

مقادیر و تنظیمات همانند مثال قبل است با این تفاوت که
LED توسط دو مقاومت R1 و R3 کنترل می شود.
استفاده از دو مقاومت به جای یک مقاومت معادل، ضریب اطمینان را در شرایط اتصال کوتاه بالا می برد.
با وصل شدن سوئیچ S1، چراغ LED شروع به کار کرده و نور خود را به سمت ترانزیستور ساطع می کند.
ترانزیستور پاسخ داده و VOUT را از 5 ولت به صفر تبدیل می کند.
با استفاده از این تنظیمات، اپتوکوپلر را می توان به مدار دارای ولتاژ پایین (مثلا واحد میکروکنترلر) وصل کرد تا
ولتاژ و مدار AC را تشخیص داده و مدار DC را کنترل و سوئیچ کند.

3-5 کاربرد اپتوکوپلر فوتوترایاکی (اپتوترایاک) برای کنترل مدار AC با استفاده از مدار DC

در مدار زیر به عنوان نمونه از یک اپتوترایاک مدل PC817 استفاده شده.
نحوه اتصال LED به باتری (منبع تغذیه)، مقاومت محدود کننده و سوئیچ S1 همانند دو مثال قبل است.
اپتوترایاک از طریق یک پریز 220 ولتی لامپ AC را کنترل می کند.
و ترایاک T1 توسط مقاومت R2 و ترایاک موجود در اپتوکوپلر کنترل می شود.
از این پیکربندی برای کنترل برق AC و کنترل وسایل برقی دارای مدار ولتاژ پایین استفاده می شود.
در این کاربرد میتوان از فوتوتریستور SCR به جای فوتوترایاک استفاده کرد.
مزیت استفاده از فوتوترایاک ها و فوتوتریستورها ایجاد ایزولاسیون الکتریکی کامل در مدار است که
از هر گونه نویز و نوسانات ولتاژ موجود در خطوط منبع تغذیه AC جلوگیری کرده و
از قطعات نیمه هادی مورد استفاده، در برابر شوک های حرارتی محافظت می کند.

6# اپتوکوپلر خطی (Linear optocoupler)

اپتوکوپلر خطی از یک منبع نور IR LED نوع AlGaAs و یک فوتودیود تشکیل شده.
تابش LED و شارش آن منجر به بازخورد فتودیود و تولید یک سیگنال کنترلی (IP1) می شود.
این روش مشخصات غیر خطی LED مثل زمان و دما را جبران می کند.
پین خروجی فوتودیود یک سیگنال خروجی (IP2) تولید می کند که
بصورت خطی به شار نوری ایجاد شده توسط LED وابسته است.

مشخصات و ویژگی ها

• کوپل کردن سیگنالهای AC و DC
• سروو خطی 01%
• ثبات زیاد، 005%±
• ظرفیت خازنی پایین ورودی-خروجی
• مصرف توان پایین، کمتر از 15 مگاوات
• فاصله عایق داخلی بیشتر از 4mm

کاربردها در:

• بازخورد ولتاژ / جریان از منبع تغذیه
• ایزولاسیون سنسورهای پزشکی
• رابط سیگنال های صوتی
• ایزولاسیون مبدل های کنترل فرآیند
• ایزولاسیون تلفن های دیجیتال

7# اپتوکوپلر ولتاژ بالا یا سرعت بالا (High-Speed optocoupler)

از این دستگاه برای ایزوله کردن ولتاژ های DC و AC بین مدار ورودی و خروجی استفاده می شود.
در واقع یک جداساز (ایزوله کننده) ولتاژ بالاست که می تواند داده ها را با سرعت بالا انتقال دهد.

مشخصات و ویژگی ها

• سازگار با JEDEC
• ایزولاسیون یا عایق کاری تقویت شده
• ایزولاسیون ولتاژ بالا
• مصونیت ایمنی حداکثر 30 kV/µs در هر گذار یا نوسان
• ولتاژ جداسازی تست تا 5300 V_RMS

کاربردها در:

• سیستم های حمل و نقل (اتوبوس های صنعتی)
• سیستم خودروهای هیبریدی
• مبدل های پر سرعت A / D و D / A
• کنترل دیجیتالی و سوییچ منبع تغذیه
• رابط های کنترلی صنعتی I / O
• رابط های IC اسکن درایور برای دستگاه های دارای ولتاژ خروجی بالا (مثلا پنل های صفحه نمایش پلاسما)
• جایگزینی برای ترانسفورماتورهای عایق سیگنال
• درایو موتورهای AC
• درایورهای IPM

8# تست سالم بودن اپتوکوپلر

برای تست سلامت این قطعه روش های مختلفی وجود دارد که در اینجا به توضیح چند روش متداول می پردازیم.

روش اول

1- وسایل مورد نیاز: مولتی متر یا اهم متر، اپتوکوپلر، مقاومت 100 اهم یا چند صد اهم، دکمه قطع و وصل، باتری یا منبع تغذیه.
2- مولتی متر را روشن و در حالت مقاومت قرار دهید (X1K Ohm or X10K Ohm) سپس
آن را بین پایه های امیتر و کلکتور وصل کنید: پروب قرمز به کلکتور و پروب سیاه به امیتر.
3- مقاومت را به صورت سری به آند LED وصل کنید.
4- منبع تغذیه را روشن کرده و دکمه را فشار دهید.
5- ولتاژ را از 0 به مقادیر 2 تا 5 ولت افزایش دهید.
6- باید در اهم متر ببینید که با افزایش ولتاژ ورودی، مقاومت خروجی کاهش می یابد و برعکس که
در این حالت اپتوکوپلر سالم بوده و در غیر اینصورت خراب است.

روش دوم

1- وسایل مورد نیاز: مولتی متر یا اهم متر، اپتوکوپلر، مقاومت 100 اهم یا چند صد اهم، دکمه قطع و وصل، باتری یا منبع تغذیه.
2- مولتی متر را روشن و حالت ولتاژ DC را انتخاب کنید. سپس
آن را بین پایه های امیتر و کلکتور وصل کنید: پروب قرمز به کلکتور و پروب سیاه به امیتر.
3- مقاومت را به صورت سری به آند LED وصل کنید.
4- منبع تغذیه +5 ولت DC را به مدار اعمال کرده و دکمه را فشار دهید.
5- با وصل شدن دکمه، ولتاژ باید در نزدیکی 0 یا 0.2 ولت DC خوانده شود و
با قطع شدن دکمه، ولتاژ باید در نزدیکی 5 یا 4.9 ولت DC خوانده شود که
در این حالت اپتوکوپلر سالم بوده و در غیر اینصورت خراب است.

روش سوم

1- وسایل مورد نیاز: مولتی متر یا اهم متر، اپتوکوپلر، مقاومت 100 اهم یا چند صد اهم، دکمه قطع و وصل، باتری یا منبع تغذیه.
2- مولتی متر را روشن و حالت ولتاژ DC را انتخاب کنید. سپس
آن را بین پایه های امیتر و کلکتور وصل کنید: پروب قرمز به کلکتور و پروب سیاه به امیتر.
3- مقاومت را به صورت سری به آند LED وصل کنید.
4- منبع تغذیه +5 ولت DC را به مدار اعمال کرده و دکمه را فشار دهید.
5- با وصل شدن دکمه، LED روشن و سبز می شود و
با قطع شدن دکمه، LED خاموش می شود که
در این حالت اپتوکوپلر سالم بوده و در غیر اینصورت خراب است.

روش چهارم

1- روش کار برای همه انواع اپتوکوپلرها یکسان است ولی پیش از شروع کار بهتر است
اول دیتاشیت قطعه را بررسی کنیم.
2- مولتی متر را در حالت تست دیود قرار داده و در دامنه ‘X1 اهم’ تنظیم کنید سپس
آن را بین پین های 1 و 2 وصل کنید (آند و کاتد LED)
3- همانند دیود، در یک جهت باید مقدار عددی داشته باشیم و در جهت دیگر نه.
اگر در هر دو جهت مقدار عددی دیدیم و یا در هر دو جهت عددی نداشتیم،
قطعا چراغ LED خراب و اپتوکوپلر بدون استفاده است.
4- در صورت سالم بودن LED، در مرحله بعد فوتوترانزیستور را تست می کنیم.
5- مولتی متر را به پین های 3 و 4 (کلکتور و امیتر) وصل می کنیم.
در صورت سالم بودن فوتوترانزیستور ، مقاومت بالایی از هر دو جهت می بینیم.
در صورتی که هیچ مقداری مشاهده نشد، ممکن است به این دلیل باشد که
در بیشتر ترانزیستورها مقاومت بالایی بین کلکتور و امیتر وجود دارد که
باعث می شود اهم متر نتواند مقادیر را اندازه گیری کند.
در این صورت می توانید با اتصال دو اهم متر سری شده به سیستم، دامنه اندازه گیری را افزایش داده و
مراحل تست گفته شده را مجددا تکرار کنید.

امیدواریم به خوبی با این قطعه پرکاربرد، انواع و نحوه تست آن آشنا شده باشید.

ترایاک چیست ؟

سوئیچ های قدرت الکترونیکی مانند BJT, SCR, IGBI, MOSFET و TRIAC در هنگام تعویض مدار هایی مانند مبدل های DC_DC، کنترل کننده های سرعت موتور، محرک های موتور و کنترل کننده های فرکانس و غیره، اجزای بسیار مهمی هستند.

هر وسیله ویژگی خاص و همچنین کاربرد خاص خود را دارد. در این آموزش ما با TRIAC آشنا خواهیم شد، که یک وسیله دو طرفه ست به این معنی که می تواند در هر دو جهت هدایت شود. با توجه به این ویژگی، TRIAC تنها در جایی مورد استفاده قرار می گیرد که منبع تغذیه سینوسی AC درگیر باشد.

معرفی ترایاک

عبارت TRIAC مخفف TRlode for Alternating Current است. TRIAC یک وسیله سه پایانه شبیه به SCR (تریستور) است، اما آن می تواند در هر دو جهت هدایت شود زیرا از ترکیب  دو SCR در حالت موازی اما غیر همسو، ساخته می شود. نماد و پین خارج از TRIAC در زیر نشان داده شده است.

از آنجا که TRIAC وسیله ای دو جهته است، جریان می تواند در هنگامی که پایانه گیت راه اندازی می شود از MT1 به MT2 یا از MT2 به MT1  جریان یابد. ولتاژ تریگر برای یک TRIAC این است که به پایانه گیت اعمال می شود و با توجه به پایانه MT2 می تواند مثبت یا منفی باشد.

بنابراین این TRIAC را در چهار حالت عملیاتی قرار می دهد که در زیر آمده است.

1. ولتاژ مثبت در MT2 و پالس مثبت‌ به گیت (ربع 1)
2. ولتاژ مثبت در MT2 و پالس منفی به گیت (ربع 2)
3. ولتاژ منفی در MT2 و پالس مثبت به گیت (ربع 3)
4. ولتاژ منفی در MT2 و پالس منفی به گیت (ربع 4)

مشخصات V-I یک ترایاک

تصویر زیر، وضعیت TRIAC را در هر ربع کره (¼) نشان می دهد.

مشخصات خاموش و روشن شدن TRIAC با نگاه به نمودار مشخصات V-I ی TRIAC که آن نیز در تصویر بالا نشان داده شده است. از آنجایی که TRIAC فقط ترکیبی از دو SCR در جهت آنتی پارالل (موازی اما غیر هم جهت) هستند، نمودار مشخصات V-I شبیه به SCR است. همانطور که مشاهده کردید، TRIAC بیشتر در ربع یک و سه فعالیت میکند.

ویژگی های روشن سازی

برای روشن کردن یک TRIAC، باید یک گیت ولتاژ/پالس منفی یا مثبت به پین گیت TRIAC اعمال شود. هنگامی که یکی از دو SCR به داخل وارد شد، TRIAC  شروع به هدایت بر اساس قطب پایانه های MT1 و MT2 می کند. اگر MT2 مثبت باشد و MT1 منفی، اولین SCR هدایت میکند و اگر پایانه ی MT2 منفی باشد و MT1 مثبت، دومین SCR هدایت می کند. بدین ترتیب یکی از SCR ها همیشه  در این راه باقی می ماند، بنابراین TRIAC را برای برنامه های IC ایده آل  می سازد.

حداقل ولتاژی که باید به پین گیت برای روشن سازی TRIAC اعمال شود، ولتاژ آستانه ای گیت (Vgt) نامیده می شود و جریان حاصل از طرق پین گیت را جریان آستانه ای گیت (Igt) می گویند. هنگامی که این ولتاژ به پین گیت اعمال می شود، TRIAC سمت و سو دار پیش میرود و شروع به هدایت میکند. به مدت زمانی که برای تغییر TRIAC از وضعیت خاموش به وضعیت روشن طول می کشد، زمان روشن شدن (Turn-on time) گفته می شود (Ton).

درست همانند یک SCR، یک TRIAC هنگامی که روشن می شود، روشن می ماند مگر اینکه در رفت و آمد باشد. اما در این شرایط بار جریان در میان TRIAC باید بزرگتر یا برابر با جریان چفت شده (IL) ی  TRIAC باشد. پس در نتیجه یک TRIAC تا زمانی که بار جریان بزرگتر از مقدار جریان چفت شده باشد، حتی بعد از حذف پالس گیت نیز روشن خواهد ماند.

مشابه با جریان چفت شده، یک مقدار جریان مهم دیگر نیز وجود دارد که به آن جریان نگه دارنده می گویند. به حداقل مقدار جریانی که TRIAC را در حالت هدایت به جلو نگه می دارد، جریان نگهدارنده (IH) گفته می شود. یک TRIAC تنها بعد از عبور از جریان نگهدارنده و جریان چفت شده، همانطور که در نمودار بالا نشان داده شده، به حالت ادامه ی هدایت وارد می شود. همچنین مقدار جریان چفت شده ی هر TRIAC همیشه بزرگتر از مقدار جریان نگهدارنده خواهد بود.

ویژگی های خاموش  کردن

فرآیند خاموش کردن TRIAC یا هر دستگاه برق دیگر را تحت عنوان جابجایی می نامند و مدار مرتبط با آن برای اجرای کار ، به عنوان یک مدار رفت و برگشتی خوانده می شود. متداول ترین روش مورد استفاده برای خاموش کردن TRIAC ، کاهش جریان بار در TRIAC است تا زمانی که به مقداری پایین تر از سطح جریان نگهدارنده(IH) برسد. این نوع تعویض در مدارهای DC به عنوان رفت و آمد اجباری خوانده می شود. ما در مورد نحوه روشن و خاموش کردن TRIAC از طریق مدارهای کاربردی، اطلاعات بیشتری را یاد خواهیم گرفت.

کاربرد های ترایاک

ترایاک معمولاً در جاهایی مورد استفاده قرار می گیرد که باید توان ولتاژ AC را کنترل کرد ، در رگولاتورهای سرعت پنکه های سقفی ، مدارهای کم نور لامپ AC و غیره استفاده می شود، ما به یک مدار سوئیچینگ ساده ترایاک نگاهی میندازیم تا بفهمیم که چگونه به صورت عملی کار میکند.

در اینجا ما از ترایاک برای روشن و خاموش کردن بار AC از طریق دکمه فشار استفاده کرده ایم.  منبع تغذیه همانطور که در بالا نشان داده شده، به یک لامپ کوچک از طریق ترایاک، سیم کشی می شود. هنگامی که سوئیچ بسته است ، ولتاژ فاز از طریق مقاومت R1 به پین ​​گیت ترایاک اعمال می شود.  اگر این ولتاژ گیت بالاتر از ولتاژ آستانه گیت باشد ، یک جریان از طریق پین گیت جریان می یابد ، که از جریان آستانه گیت بیشتر است.

در این شرایط، ترایاک سمت و سو دار به سمت جلو وارد میشود و بار جریان در میان بالب جاری می شود.  اگر بارها جریان کافی را مصرف کنند ، ترایاک وارد حالت چفت شدن می شود.  اما از آنجا که این منبع تغذیه AC است ، ولتاژ برای هر نیم سیکل به صفر می رسد بنابراین جریان نیز به طور لحظه ای صفر می شود.  از این رو بستن سوئیچ در این مدار امکان پذیر نیست و به محض باز شدن سوئیچ ترایاک خاموش می شود و دراینجا جابه جایی مدار لازم نیست.  به این نوع تعویض ترایاک، تعویض طبیعی گفته می شود. بیاید این مدار را با استفاده از ترایاک BT136 بر روی یک تخته نرد بسازیم و نحوه عملکرد آن را بررسی کنیم.

هنگام کار با منبع تغذیه AC احتیاط زیادی لازم است، ولتاژ عامل به منظور ایمنی کاهش می یابد و قدرت استاندارد AC 230V 50Hz (در هند) با استفاده از ترانسفورماتور 12 ولت ، 50 هرتز کاهش می یابد و یک لامپ کوچک به عنوان یک بار وصل می شود. راه اندازی آزمایشی ، هنگامی که کامل شود شبیه عکس زیر است.

با فشار دادن دکمه ، پین گیت، ولتاژ گیت را دریافت می کند و  ترایاک روشن می شود.  لامپ تا زمانی که دکمه را فشار داده شود نور می دهد.  هنگامی که دکمه آزاد شد ، ترایاک در حالت قفل شده قرار خواهد گرفت ، اما از آنجا که ولتاژ ورودی AC است، جریان از طریق ترایاک به زیر جریان نگهدارنده می رود و ترایاک خاموش خواهد شد، کامل شده ی این کار را می توانید در ویدئوی زیر ببینید.

کنترل TRIAC با استفاده از میکروکنترلر

هنگامی که از TRIAC به عنوان دیمر نور و یا برای کنترل فاز استفاده می شود، پالس گیت که به پین گیت عرضه می شود باید با استفاده از میکروکنترلر کنترل شود. در این حالت ، پین گیت نیز با استفاده از Oppo-coupler جدا خواهد شد. نمودار مدار برای همین در زیر نشان داده شده است.

برای کنترل TRIAC با استفاده از سیگنال 5V / 3.3V از یک کوپلای نوری مانند MOC3021 استفاده می کنیم که دارای یک TRIAC در داخل خود است. این TRIAC را می توان با 5V / 3.3V از طریق دیود تابش نور آغاز کرد. به طور معمول یک سیگنال PWM به پین 1 MOC3021 اعمال می شود و چرخه فرکانس و وظیفه سیگنال PWM برای بدست آوردن خروجی مورد نظر متغیر خواهد بود. این نوع مدار معمولاً برای کنترل روشنایی لامپ یا کنترل سرعت موتور استفاده می شود.

میزان اثر در مدار اسنابر (Snubber)

کلیه TRIAC ها از مشکلی به نام Rate Effect رنج می برند. این در شرایطی است که پایانه ی MT1 به دلیل نویز متغیر یا ناپایدار، در معرض افزایش شدید ولتاژ قرار می گیرد یا TRIAC را زیاد می کند و آن را به عنوان سیگنال متغیر قطع می کند و به صورت خودکار روشن می شود. این به دلیل ظرفیت داخلی موجود در بین پایانه های MT1 و MT2 است.

ساده ترین راه برای رفع این مشکل استفاده از مدار اسنابر است. در مدار فوق ، مقاومتهای  R2 (50R) و خازن C1 (10Nf) با هم یک شبکه RC تشکیل می دهند که به عنوان یک مدار اسنابر عمل می کند. هرگونه ولتاژ شدید عرضه شده به MT1 توسط این شبکه RC مشاهده می شود.

اثر واکنش ترایاک

یکی دیگر از مشکلات رایج که طراحان هنگام استفاده از ترایاک با آن روبرو می شوند ، اثر واکنش است.  این مشکل زمانی رخ می دهد که برای کنترل ولتاژ گیت ترایاک از پتانسیومتر استفاده می شود. هنگامی که پتانسیومتر به حداقل مقدار برسد ، هیچ ولتاژی روی پین گیت اعمال نمی شود و بدین ترتیب بار خاموش می شود.  اما هنگامی که پتانسیومتر به حداکثر مقدار تبدیل شود ترایاک به دلیل اثر خازنی بین پین های MT1 و MT2 روشن نمی شود ، این خازن باید مسیری را برای تخلیه پیدا کند ،زیرا دیگر اجازه نمی دهد ترایاک روشن شود.  این اثر به عنوان اثر واکنش گفته می شود.  این مشکل را می توان با وارد کردن یک مقاومت به صورت سری با مدار سوئیچ برطرف کرد تا مسیری برای تخلیه خازن فراهم شود.

تداخل فرکانس رادیویی (RFI) و ترایاک

مدارهای سوئیچینگ ترایاک بیشتر در معرض تداخل فرکانس رادیویی (EFI) قرار دارند زیرا وقتی بار روشن می شود ، جریان 0A را سریع به حداکثر مقدار کل می رساند ، بنابراین باعث ترکیدگی پالس های برقی می شود که این اتفاق باعث ایجاد خط اتصال فرکانس رادیویی می شود.  هرچه جریان بار بزرگتر باشد ، تداخل بدتر خواهد شد.  استفاده از مدارهای Suppressor مانند LC این مشکل را برطرف می کند.

معایب ترایاک

در صورت نیاز به تغییر شکل موجهای AC در هر دو جهت ، بدیهی است ترایاک اولین انتخاب خواهد بود زیرا تنها سوئیچ الکترونیکی توان دو جهته است. این دقیقاً مانند دو SCR(تریستور) که به صورت متوالی به عقب متصل هستند ، عمل می کند و همین ویژگی ها را با هم به اشتراک می گذارد.  اگرچه هنگام طراحی مدارها با استفاده از ترایاک محدودیت های زیر باید در نظر گرفته شود

• ترایاک، دارای دو ساختار SCR (تریستور) در داخل خود است که یکی در نیمه مثبت و دیگری در نیمه منفی هدایت می کند. اما ، آنها به دلیل اختلاف در نیم سیکل مثبت و منفی خروجی، تقارن ایجاد نمی کنند.
• همچنین از آنجا که سوئیچینگ متقارن نیست ، منجر به ایجاد هارمونیک سطح بالایی می شود که آن سبب القاء نویز در مدار می گردد.
• این مشکل هارمونیک نیز منجر به تداخل الکترومغناطیسی (EMI) خواهد شد.
• در صورتی که از بارهای القایی استفاده شود ، یک خطر بزرگ در جریان ورودی جاری به منبع وجود دارد ، بنابراین باید اطمینان حاصل شود که ترایاک کاملاً خاموش است و بار القایی بدون هیچ خطری از طریق یک مسیر متناوب تخلیه می شود