什么是光耦及其工作原理?

如果你曾經拆開任何一個手機充電器或開關電源，你會發現一些很小的黑色IC封裝，引腳數量不尋常，大多為4或6個，都有SMD和通孔兩種。更不尋常的是，這些部件通常被發現在隔離槽和縫隙上，這使得它們的用途更加神秘。

這些組件稱為光電耦合器或光隔離器或者干脆視光它們在電路的隔離部分之間傳遞信號起著至關重要的作用。他們用光在電路之間傳遞信號。

什么是光耦及其工作原理

正如我們已經了解到的晶體管，一個理想的晶體管將不允許任何電流通過，如果基腳不觸發。但是，如果你小心地去蓋一個普通的分立晶體管，并在集電極和發射極引線上施加電壓，你會注意到仍然有微小的電流流過!這是因為光照在暴露的晶體管芯片底部。

這意味著光子實際上能夠撞擊摻雜半導體材料中的空穴和電子。這就引出了一些非常有趣的可能性，第一種是光晶體管，基本上是一種沒有基極引線的雙端晶體管。它們看起來很像二極管，而且包裝清晰。在這里，光作為基極電流。光電二極管以非常相似的方式工作;它們根據照射到它們身上的光的多少來改變它們的“阻力”。

光電二極管和晶體管被用在像近距離傳感器這樣的東西上，根據照射在這些設備上的光的量來檢測這些設備上電壓或電流的微小變化。

如果我們能把一個LED和一個光電晶體管放在一個封閉的管里，來自LED的光(當然，假設它是正確驅動的)將照亮光電晶體管的“基座”并使其導電。這給我們留下了一個可以控制開關元件而不需要任何物理接觸的裝置!這樣的設備已經存在，正如您所猜測的，它是光耦!

光耦輸入和輸出

光耦合器有許多不同的形狀、尺寸和速度(稍后將討論)，但大多數具有相同的基本特性-二極管輸入和開關元件輸出。

這種二極管和其他LED很相似，只是你看不見光線(首先是因為它裝在一個密封的塑料包裝中，其次是因為它主要是紅外的)。它要求驅動的電流和電壓與普通LED要求的相同，即幾伏和幾十毫安。

下面的動畫將幫助您理解工作。這里使用的光耦是MCT2E公司光電晶體管IC。如你所見，LED的邏輯輸入控制晶體管的輸出。在這個集成電路中，輸出端由晶體管組成，但在任何情況下都必須如此。

光電晶體管的輸出端有點有趣，因為它通常由NPN型晶體管組成，如上圖所示，但有時它也可以是SCR或TRIAC，有時甚至是完全邏輯兼容的輸出!

要記住的一件大事是，由于基極基本上是由光驅動的，所以“基極電流”非常非常非常低——你不能期望這些類型的晶體管完全飽和，而且由于基極電流很小，上升和下降的時間通常慢得可憐，就像我從艱難的道路上學到的那樣。當然，邏輯輸出(和匹配的速度)光是可用的，但需要一個單獨的電源輸出側。

光輸出的好處是，由于它與輸入端完全電流隔離，所以它可以在任何電壓下浮動——或者換句話說，它就像一個浮動的“開關”，雖然不是一個很好的開關。

例如，你可以把晶體管的輸出放在低邊，并在集電極上加上一個拉高，這樣當二極管被點亮時，晶體管就會把集電極拉低。你也可以把晶體管放在高邊，在發射極和輸出地之間加一個電阻，這樣當輸入變高時，發射極的輸出也會很高。

但請注意，由于基極驅動的限制，大多數普通的光電管都有很高的飽和電壓，有時在1伏左右!

由于其速度慢，常規的光被用作電源反饋回路的一部分，并附加了完全隔離的好處。

正如你可能已經猜到的，光電管不能做變壓器能提供的電力。雖然變壓器可以為隔離的電路供電，但用目前的技術，我們不能通過光有效地傳輸電力。

但是光電管做的是變壓器不能做的事情——在電路之間傳遞信號非常高效和迅速，而不需要單獨的驅動器。我們可以把一個光電管的輸入直接連接到一個微控制器的引腳上，但是對于信號轉換器，我們不能這樣做!

實用光耦建議

對于所有“慢”的目的，即幾千赫茲的信號，我建議使用PC817型，一種非常常見的單光器件，采用DIP4或SMD封裝。向輸入端提供至少5mA。

對于更高的速度，我推薦TLP117，它有一個反向的邏輯輸出，但在輸出端需要5V電源。我得到了10微秒的脈沖，應該可以告訴你它的速度!

雖然閱讀整個數據表似乎無關緊要，但最好還是實際操作。

其他光耦合器件

基于同樣的技術，我們發現了一系列有用的設備-光SCR和光三位一體。光三端集成電路通常被稱為固態繼電器或SSL。它們基本上就像普通的繼電器一樣，但是使用光來觸發熱側雙向晶閘管，這比繼電器線圈消耗的電流要少得多。

一個缺點是半導體器件容易發生故障短路，而機電式繼電器則失效斷開。在關鍵應用程序中，這是需要記住的。

光開關 另一方面，通常用于從隔離信號觸發大功率SCR。

審核編輯：湯梓紅