什么是光電耦合器，如何選擇和使用光電耦合器？

以光信號為媒介連接電路的光電耦合器，由于其耐用性和絕緣性等高通用性和可靠性，它是一種活躍于聲學、醫(yī)療和工業(yè)等高精度不可缺少的領域的元素。

但是，光電耦合器是在什么時候、在什么情況下工作的，其背后的原理是什么？或者你在自己的電子工作中實際使用到光電耦合器時，可能不知道如何選擇和使用它。由于經常有人將光耦與“光電晶體管”和“光電二極管”混淆。因此，在本文中將介紹什么是光電耦合器。

一、什么是光電耦合器？

光電耦合器是一種電子元件，其詞源是英文optical

coupler，意思是“與光耦合”。有時也稱為光耦、光隔離器、光絕緣等。它由發(fā)光元件和受光元件組成，通過光信號連接輸入側電路和輸出側電路。這些電路之間沒有電氣連接，換句話說，在絕緣狀態(tài)。因此，輸入和輸出之間的電路連接是分開的，只傳輸信號。能夠安全地連接輸入和輸出電壓水平明顯不同的電路，輸入和輸出之間采用高耐壓絕緣材料。

此外，通過傳遞或阻止這種光信號，它起到了切換的作用。詳細原理和機理將在后面說明，但光電耦合器的發(fā)光元件是LED（發(fā)光二極管）。

從60年代到70年代，當LED發(fā)明并且其技術進步顯著時，光電子學成為了熱潮。當時發(fā)明了各種光學器件，光電耦合器就是其中之一。隨后，光電子學迅速滲透到我們的生活中。

①原理/機制

光電耦合器的原理是發(fā)光元件將輸入的電信號轉換為光，受光元件將光返回電信號傳輸?shù)捷敵鰝入娐?。發(fā)光元件和光接收元件在阻擋外部光的內部，兩個彼此相對，以便傳輸光線。

用于發(fā)光元件的半導體是LED（發(fā)光二極管）。另一方面，受光元件中使用的半導體有多種，根據(jù)使用環(huán)境、外形尺寸、價格等而定，但一般而言，最常用的是光電晶體管。

當不工作的時候，光電晶體管幾乎沒有像普通半導體那樣的電流傳輸。當光入射到那里時，光電晶體管在p型半導體和n型半導體結合的表面產生光電動勢，n型半導體中的空穴流入p區(qū)，p區(qū)中的自由電子型半導體流入n區(qū)，電流將流動。

光電晶體管的響應不如光電二極管，但它們也具有將輸出放大到輸入信號數(shù)百到1000倍的效果（由于內部電場）。因此，它們足夠靈敏，即使是微弱的信號也能捕捉到，這是優(yōu)勢。

事實上，我們看到的“光遮斷器”是一種具有相同原理和機制的電子設備。

但是，光遮斷器通常用作傳感器，并通過在發(fā)光元件和光接收元件之間通過遮光物體來發(fā)揮其作用。例如，它可用于檢測自動售貨機和ATM中的硬幣和紙幣。

②特點

由于光電耦合器通過光傳輸信號，輸入側和輸出側之間的絕緣性是一大特點。高絕緣性不易受噪聲影響，還能防止意外電流在相鄰電路之間流動，在安全性方面極為有效。而且結構本身也比較簡單，比較合理。

由于歷史悠久，各廠商豐富的產品陣容也是光電耦合器特有的優(yōu)勢。由于沒有物理接觸，零件之間的磨損很小，壽命也比較長。另一方面，也有發(fā)光效率容易波動的特性，因為LED會隨著時間的推移和溫度的變化而慢慢惡化。

特別是當內部元件的透明的塑料時間久了，變得混濁時，它就不能很好地發(fā)光。但是，不管怎么說，與機械觸點的接觸式觸點相比，壽命太長了。

光電晶體管通常比光電二極管慢，所以不用于高速通信。但是，這也不是缺點，因為有些元件在輸出側有放大電路來提高速度。事實上，也并不是所有的電子電路都需要提高速度。

③用法

光電耦合器主要用于開關操作。電路將通過打開開關通電，但從上述特性，特別是絕緣和長壽命的角度來看，它非常適合要求高可靠性的場景。例如，噪聲是大敵的醫(yī)療電子設備和音頻設備/通信設備。

它還用于電機驅動系統(tǒng)。電機的原因是驅動時由變頻器控制轉速，但由于輸出高而產生噪音。這種噪音不僅會導致電機本身出現(xiàn)故障，還會流經“接地”影響外圍設備。尤其是布線較長的設備容易拾取這種高輸出噪聲，因此如果發(fā)生在工廠中，會造成很大的損失，有時還會造成嚴重的事故。通過使用高絕緣光耦合器進行開關，可以最大限度地減少對其他電路和設備的影響。

二、如何選擇和使用光電耦合器

如何使用適合的光電耦合器，以應用到產品設計中？下面英銳恩單片機開發(fā)工程師將解釋如何選擇和使用光電耦合器。

①常開常關

光電耦合器有兩種類型：一種是在不施加電壓時開關斷開（斷開），在施加電壓時接通（閉合）的類型，以及在無電壓時開關接通的類型。當施加電壓時施加和關閉。

前者稱為常開，后者稱為常關。怎么選，先看你的電路所需哪一種。

②檢查輸出電流和施加電壓

光電耦合器具有放大信號的特性，但并不總是可以隨心所欲地通過電壓和電流。當然，它是額定的，但需要根據(jù)所需的輸出電流從輸入側施加電壓。

如果查看產品數(shù)據(jù)表，我們可以看到一個圖表，其中縱軸是輸出電流（集電極電流），橫軸是輸入電壓（集電極-發(fā)射極電壓）。集電極電流根據(jù)LED光強而變化，因此請根據(jù)所需的輸出電流施加電壓。

但是，你可能會認為此處計算出的輸出電流出乎意料地小。這是考慮到LED隨時間的劣化后，依然能夠可靠輸出的電流值，因此小于最大額定值。

相反，也有輸出電流不大的情況。因此，在選擇光電耦合器時，一定要仔細核對“輸出多少電流”，選擇與之相匹配的產品。

③最大電流

最大導通電流是光耦導通時所能承受的最大電流值。同樣，我們需要確保在購買之前知道項目需要多少輸出以及輸入電壓是多少。確保最大值和使用的電流不是限制，而是要有一些余量。

④正確設置光電耦合器

選擇了合適的光耦合器后，讓我們在實際的項目中使用它。安裝本身很容易，只需將連接到每個輸入側電路和輸出側電路的端子連接起來。但是，需要注意不要弄錯輸入側和輸出側的方向。所以，還得檢查數(shù)據(jù)表中的符號，免得畫完PCB板子后才發(fā)現(xiàn)光電耦合器腳位不對。