เจ้า **Optocoupler** หรือที่บางคนเรียก **Photocoupler** หรือ **Optical Isolator** นี่แหละ เป็นตัวช่วยสำคัญที่ใช้แสงในการส่งสัญญาณไฟฟ้าระหว่างวงจรสองวงจรที่แยกจากกันโดยสิ้นเชิง มันคือตัวกั้นทางกายภาพและไฟฟ้าระหว่างวงจรควบคุมแรงดันต่ำ (อย่างพวกไมโครคอนโทรลเลอร์) กับวงจรกำลังแรงดันสูงหรือวงจรที่มีสัญญาณรบกวน (อย่างมอเตอร์หรือไฟบ้าน AC) พูดง่ายๆ มันคือ **รีเลย์แบบโซลิดสเตต** ที่เชื่อมต่อวงจรสองวงจรด้วยแสงนั่นเอง

ในบทเรียนนี้ พี่จะมาพูดถึง **PC817 Optocoupler** กัน ซึ่งเป็นหนึ่งในออปโตคัปเปลอร์ 4 ขาที่หาง่ายและราคาเบาๆ มากๆ

การจัดวางขาและหน้าที่ของมัน

PC817 นี่เป็นตัวหลักในวงการอิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่เลย ออกแบบมาเพื่อ "แยกสัญญาณ" และ "ส่งผ่านสัญญาณ" ในวงจร ภายในตัวดำๆ 4 ขา DIP แพ็คเกจนี้ มันประกอบด้วยสองส่วนหลัก:

- **อินฟราเรด LED** ฝั่งอินพุต

- และ **โฟโตทรานซิสเตอร์** ฝั่งเอาต์พุต

สองส่วนนี้หันหน้าเข้าหากัน แต่ถูกกั้นด้วยวัสดุโปร่งใสที่เป็นฉนวน ทำให้ทั้งสองฝั่งแยกจากกันทางไฟฟ้าอย่างสมบูรณ์ ตัวอุปกรณ์ใช้การทำงานร่วมกันของ LED และโฟโตทรานซิสเตอร์ ไม่ใช่แค่ปกป้องชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ที่บอบบางจาก "แรงดันสูง" และ "สัญญาณรบกวน" เท่านั้น แต่ยังช่วยรักษาความสมบูรณ์และความแม่นยำของสัญญาณในงานประยุกต์ต่างๆ อีกด้วย

เริ่มนับขาจากด้านที่มีรอยบากหรือจุด แล้ววนทวนเข็มนาฬิกา:

**ขา 1:** แอโนดของ LED ภายใน (+)

**ขา 2:** แคโทดของ LED ภายใน (-)

**ขา 3:** เอมิตเตอร์ของโฟโตทรานซิสเตอร์ (-)

**ขา 4:** คอลเลกเตอร์ของโฟโตทรานซิสเตอร์ (+)

ผ่าตัดเจ้าไอซีออปโตไอโซเลเตอร์กัน

PC817 ดูเหมือนไอซีสีดำ 4 ขาทั่วไป แต่อันที่จริงมันคือสองส่วนแยกกันที่มาอยู่ในกล่องมืดๆ ใบเดียวกัน

ฝั่ง A (อินพุต): ภายในชิป ขา 1 และ 2 ก็คืออินฟราเรด LED ตัวจิ๋ว
ฝั่ง B (เอาต์พุต): ภายในชิป ขา 3 และ 4 คือโฟโตทรานซิสเตอร์ (สวิตช์ที่เปิดได้ก็ต่อเมื่อมีแสงมาตกกระทบ)
ช่องว่างมหัศจรรย์: มันไม่มีสายทองแดง เชื่อมฝั่ง A กับฝั่ง B เลยนะ มีแค่ช่องว่างที่เป็นพลาสติกกั้นไว้ วงจรทั้งสองนี้ "แยกจากกันโดยสมบูรณ์ทางไฟฟ้า (Galvanically Isolated)"

ออปโตคัปเปลอร์ทำงานยังไง

เพื่อให้เข้าใจหลักการทำงานของออปโตคัปเปลอร์ให้ถ่องแท้ เราจะมองมันจาก 4 มุมมอง ซึ่งแต่ละมุมจะเน้นวิธีการแยกวงจรที่แตกต่างกัน เป้าหมายหลักคือทำให้วงจรหนึ่งสามารถไปเปิดอีกวงจรได้ ในขณะที่ยังคงการแยกทางไฟฟ้าอย่างสมบูรณ์ระหว่างกันไว้

การตั้งค่าที่ 1

การตั้งค่าเริ่มต้นประกอบด้วยวงจรสองวงจรที่ประกอบบนเบรดบอร์ด

วงจรที่ 1 และวงจรที่ 2 นั้นแยกจากกันทางไฟฟ้า หมายความว่าการทำงานของวงจรหนึ่งไม่มีผลต่ออีกวงจร เมื่อจ่ายไฟ LED บนวงจรที่ 2 จะติดทันที ในทางตรงกันข้าม LED บนวงจรที่ 1 นั้นถูกควบคุมโดยสวิตช์ และจะติดก็ต่อเมื่อเรากดสวิตช์เท่านั้น การกดสวิตช์ในวงจรที่ 1 ทำให้ LED ของมันติด ส่วน LED ในวงจรที่ 2 นั้นจะติดอยู่เสมอ ไม่ได้รับผลกระทบจากวงจรฝั่งซ้ายเลย

Setup 2

ถ้าอยากให้วงจรฝั่งซ้ายไปสั่งงาน LED วงจรฝั่งขวา เราก็ต้องใช้ "ทรานซิสเตอร์" เป็นตัวเชื่อมไงน้อง

พอเรากดสวิตช์ฝั่งซ้าย กระแสก็จะวิ่งไปที่ขาเบสของทรานซิสเตอร์ ทำให้มันเปิดทางให้กระแสไหลจากขาคอลเลกเตอร์ไปอีมิตเตอร์ จุด LED ฝั่งขวาให้สว่างปิ๊งเลย พอปล่อยสวิตช์ กระแสที่เบสขาด ก็ปิดวงจร LED ก็ดับตาม

แต่ว่าตั้งค่าอย่างนี้ มันต้องให้ทั้งสองวงจรทำงานที่ศักย์ไฟฟ้าเดียวกันนะ (เช่น 5V ทั้งคู่) และต้องมีกราวด์ร่วมกันด้วย เพราะฉะนั้นมันเอาไปใช้เปลี่ยนระดับแรงดัน หรือควบคุมวงจรที่ใช้แรงดันสูงกว่าไม่ได้นะจ๊ะ

Setup 3

มาต่อกันที่ Setup 3 คราวนี้พี่จะใช้ IR LED กับ IR Receiver มาทำ Optoisolator แบบบ้านๆ เอง วงจรที่ 1 (ฝั่งซ้าย) มีตัวส่งสัญญาณ IR กับสวิตช์ ส่วนวงจรที่ 2 (ฝั่งขวา) มีตัวรับ IR กับ LED ตัวชี้วัด พอสวิตช์ทำงาน IR LED ก็จะส่องแสงอินฟราเรดออกไป ตัวรับ IR ฝั่งขวาก็จับสัญญาณได้แล้วจุด LED ให้สว่างเป็นตับ!

จริงๆ เราออกแบบวงจรอินฟราเรดใช้เองก็ได้นะ แต่ถ้าไม่อยากยุ่งยาก PC817 optocoupler มันคือคำตอบ เพราะมันเป็นวงจรสำเร็จรูปที่ออกแบบมาให้พร้อมใช้ในตัวเดียวเลย สะดวกดี

Setup 4

สุดท้ายแล้ว เรามาใช้เจ้า PC817 Optoisolator ราคาเบาๆ ตัวนี้แหละ เพื่อ "เชื่อมต่อด้วยแสง" และ "แยกวงจรด้วยไฟฟ้า" อย่างแท้จริง

พอเราให้แรงดันที่สูงกว่าแรงดันฟอร์เวิร์ด (ประมาณ 1.25V) เข้าที่ขา 1 และ 2 พร้อมกับตัวต้านทาน (Resistor) จำกัดกระแส LED อินฟราเรดข้างในก็จะติดและปล่อยแสงออกมา แสงนี้จะทะลุผ่านตัวกั้นที่เป็นฉนวนไฟฟ้าไป เห็นมั้ยว่าไม่มีทางเดินไฟฟ้าเชื่อมระหว่างอินพุทกับเอาท์พุทเลย แสงอินฟราเรดที่ไปกระทบขาเบสของโฟโตทรานซิสเตอร์จะทำให้มันเปิด และนำกระแสระหว่างขาคอลเลกเตอร์ (Pin 4) กับอีมิตเตอร์ (Pin 3) ได้ เพราะฉะนั้น เราสามารถควบคุมวงจรที่สองได้แค่ด้วยลำแสง! เท่สุดๆ

**ข้อควรระวัง:** ฝั่งอินพุทต้องมีตัวต้านทานจำกัดกระแสให้กับ optocoupler เสมอ ถ้าไม่มี LED ข้างในจะดึงกระแสจากแหล่งจ่ายเต็มที่จนเกินเรตติ้งและไหม้ในพริบตา ค่าตัวต้านทานมาตรฐานที่ใกล้เคียงก็ประมาณ 330Ω หรือ 470Ω นั่นแหละ

ส่วนตัวต้านทานที่ฝั่งเอาท์พุท (ขาคอลเลกเตอร์) นั้นไม่ได้ไว้ป้องกัน แต่ไว้สำหรับการทำงาน มันทำหน้าที่ "ดึงขึ้น (Pull Up)" แรงดัน และเปลี่ยนค่าการนำไฟฟ้าที่แปรผันของโฟโตทรานซิสเตอร์ให้เป็นแรงดันไฟฟ้าที่แปรผัน ซึ่งไมโครคอนโทรลเลอร์หรือวงจรถัดไปของเราสามารถอ่านค่าได้

ตราบใดที่ยังไม่โดนแสง โฟโตทรานซิสเตอร์จะทำตัวเป็นฉนวน กั้นไม่ให้กระแสไหล พอโฟโตทรานซิสเตอร์ปิด LED ก็ดับ พอมันเปิด LED ก็ติด สอดคล้องกันเป๊ะ

ด้วยการตั้งค่าแบบนี้แหละน้อง แรงดันกระชาก (Voltage Spike) และสัญญาณรบกวน (Noise) จากวงจรหนึ่งจะไม่สามารถไปทำลายหรือรบกวนวงจรอีกฝั่งได้ วงจรเราจึงปลอดภัย และเพราะมันแยกจากกัน สองวงจรนี้จึงสามารถใช้แรงดันและกระแสที่ต่างกันได้เลย เรายังสามารถเพิ่มความสามารถของอุปกรณ์นี้ได้ด้วยการต่อองค์ประกอบอื่นๆ เข้าไปที่เอาท์พุทของวงจรที่ 2 เช่น ต่อทรานซิสเตอร์เพิ่ม เพื่อให้มันสามารถควบคุมแรงดันและกระแสที่สูงขึ้นไปอีกได้ งานนี้จัดไปวัยรุ่น! สู้งานนะน้อง

หมายเหตุสำคัญ: กราวด์ (Ground) ด้านอินพุตและเอาต์พุตต้องแยกจากกันให้ดี อย่าเอามาต่อรวมกันเด็ดขาด! นี่แหละคือจุดเด็ดของออปโตคัปเปลอร์ (Optocoupler) ตัวนี้

อีกพารามิเตอร์สำคัญที่ต้องดูเวลาใช้ออปโตคัปเปลอร์คือ "เวลาเพิ่ม (Rise Time - tr)" และ "เวลาลด (Fall Time - tf)" เพราะสัญญาณเอาต์พุตมันจะไม่เปลี่ยนสถานะทันทีทันใดตามอินพุตนะจ๊ะ มีดีเลย์นิดหน่อย

ฟีเจอร์เด็ดของ PC817 คือความสามารถในการแยกวงจร (Isolation) ที่แรงมากๆ จนทนแรงดันได้สูงถึง "5KV" เลยทีเดียว การสร้างกำแพงกั้นไฟฟ้านี้แหละที่ช่วยปกป้องไมโครคอนโทรลเลอร์ราคาแพงและวงจรลอจิกของเรา ทำให้ระบบปลอดภัยและน่าเชื่อถือขึ้นเยอะ

วิธีต่อวงจรอ่านสัญญาณอย่างปลอดภัย

สมมติว่าน้องอยากให้ Arduino รู้ว่าเบลล์โรงงาน 24V ดังแล้ว น้องจะเอา 24V ไปต่อตรงๆ กับขา Arduino Uno ไม่ได้นะเว้ย! มันจะพัง!

ให้น้องต่อสายไฟ 24V (ผ่านตัวต้านทาน (Resistor) ลดกระแส เช่น 2.2K) เข้าที่ขาที่ 1 ของ PC817
พอเบลล์ 24V ดัง ไฟ LED อินฟราเรดที่ซ่อนอยู่ในชิปก็จะสว่างขึ้น
จากนั้นให้น้องต่อไฟ 5V จาก Arduino และขาดิจิตอลอินพุต เข้ากับฝั่ง B ของ PC817
แสงจาก LED จะตกกระทบโฟโตทรานซิสเตอร์ ทำให้มันปิดวงจร ขา Arduino ก็จะอ่านค่าได้เป็น HIGH!
เสร็จแล้ว! Arduino อ่านสัญญาณจากระบบ 24V ได้สำเร็จ โดยที่ไม่มีเส้นทางไฟฟ้าเชื่อมต่อกันเลยแม้แต่น้อย!

สเปคทางเทคนิค (Technical Specifications)

มาดูสเปคทางเทคนิคของออปโตคัปเปลอร์ตัวนี้กันดีกว่า เก็บข้อมูลไว้ใช้ได้เลย

รูปแบบตัวถัง (Packaging): PC817 มี 4 ขา หาซื้อได้ทั้งแบบ SMT และ DIP

แรงดันไบอัสตรง (Forward Voltage - Vf): ประมาณ 1.25V นี่คือแรงดันต่ำสุดที่ต้องใช้เพื่อให้ LED อินฟราเรดทำงาน

กระแสไบอัสตรง (Forward Current - If): สูงสุดไม่เกิน 50mA, ปกติใช้ประมาณ 5-20mA

แรงดันคอลเลกเตอร์-อีมิตเตอร์ (Collector-Emitter Voltage - Vceo): ทนได้สูงสุด 80V ใช้ในสภาพแวดล้อมแรงดันสูงได้สบายๆ

อัตราส่วนการถ่ายโอนกระแส (Current Transfer Ratio - CTR): คืออัตราส่วนของกระแสเอาต์พุตต่อกระแสอินพุต (Ic / If) โดยทั่วไปอยู่ที่ 50% เช่น ส่งกระแสเข้า LED 20mA ก็จะได้กระแสออกจากทรานซิสเตอร์ประมาณ 10mA

กระแสอินพุต (Input Current): ควรจำกัดไว้ไม่เกิน 20mA เพื่อความปลอดภัย

ความสามารถในการแยกวงจร (Isolation): ภายในแยกกันด้วยแรงดันสูงถึง 5kV

อุณหภูมิในการทำงาน (Operating Temperature): อยู่ระหว่าง -30°C ถึง 100°C

อุณหภูมิขณะบัดกรี (Soldering Temperature): สูงสุด 260 องศาเซลเซียส ห้ามเกินไม่งั้นชิปพัง!

ความเร็วในการสวิตช์ (Switching): PC817 มีเวลาตอบสนองทั้งหมด (รวม rise และ fall time) อยู่ที่ 18 ไมโครวินาที เร็วพอสำหรับงานสวิตช์ความเร็วสูงหรือประมวลผลพัลส์

ความต้านทานภายใน (Internal Resistance): ประมาณ 100 โอห์ม และกินกำลังไฟสูงสุด 200mW

การป้องกันกระแสย้อนกลับ (Reverse Current Protection): ตัวมันมีระบบป้องกันในตัวอยู่แล้ว เพราะ LED อินฟราเรดให้กระแสไหลทางเดียว

สำหรับรายละเอียดเพิ่มเติม แนะนำให้ไปหาดาต้าชีต (Datasheet) ฉบับเต็มมาอ่านกันต่อนะน้อง

การนำ PC817 ไปใช้งาน (PC817 Applications)

เจ้า PC817 optocoupler ตัวนี้ งานหลักๆ ที่เค้าชอบเอาไปใช้กันก็ประมาณนี้แหละน้อง:

**ส่งสัญญาณแบบแยกขาดจากกัน (Signal isolation and transmission)**

**วงจรแยกสัญญาณไฟฟ้า (Electrical isolation circuits)** - อึดพอตัวนะตัวนี้ ทนแรงดันได้สูงสุดถึง 5kV เลยทีเดียว

**แยกวงจรดิจิตอลกับอนาล็อก (Isolation of digital from analog circuits)** - กันสัญญาณกวนกันเอง

**ปรับระดับแรงดัน (Level Shifting)** - ช่วยให้วงจร 5V ไปสั่งงานวงจร 12V, 24V หรือแรงดันอื่นๆ ได้สบายๆ

**วงจรสวิตช์ I/O ของไมโครคอนโทรลเลอร์** - เปิดปิดได้ฉลุย ไม่ต้องตัดวงจรให้ยุ่งยาก

**วงจรจับสัญญาณรบกวน (Noise coupling circuits)** - ให้วงจรยังทำงานต่อได้ราบรื่น ไม่มีสะดุด

**ช่วยตัดวงจรกราวด์ลูป (Ground loops)** - ตัวช่วยชั้นดีเวลาเจอปัญหา Humming noise

**สวิตชิ่งและจุดตัดศูนย์ (Switching and zero cross)** - ในวงจรควบคุมไฟ AC/DC เจ้านี่จะช่วยควบคุมโหลด AC ด้วยการส่งพัลส์ตามความถี่ ทำให้ควบคุมได้แม่นยำในขอบเขตที่กำหนด

**ขับรีเลย์, ควบคุมมอเตอร์ หรือสวิตช์ไฟ AC** - งานหนักแค่ไหนก็จัดไปวัยรุ่น!