介紹

光耦合器不僅可以保護敏感電路，還可以使工程師設(shè)計各種硬件應(yīng)用。光耦合器通過保護元件，可以避免更換元件的大量成本。然而，光耦合器比保險絲更復(fù)雜。光耦合器還可以通過光耦合器連接和斷開兩個電路，從而方便地控制兩個電路之間的連接。光耦合器廣泛用于電子、電氣和通信系統(tǒng)。

如何保護敏感電路免受高壓影響

光耦合器通常用于抑制進入MCU電路的反電動勢、噪聲和電涌。光耦合器通過完全的電絕緣在高壓設(shè)備和微控制器之間建立安全連接。如果高壓電路引起電涌，浪涌僅保留在光耦合器的輸出側(cè)，輸入側(cè)的電路保持安全且不受影響，因為兩側(cè)都是電氣隔離的。光耦合器也稱為光電二極管、光隔離器、光電耦合器和光隔離器。

PC817等標(biāo)準(zhǔn)光耦合器支持高達5 kV的輸入-輸出隔離電壓。[i] 大多數(shù)電子元件在 10 V 以下工作，如果雷電浪涌進入系統(tǒng)，它可以感應(yīng)高達 10 KV 的電壓——這足以一次炸毀電子元件。一些商業(yè)規(guī)模的光耦合器可以承受高達10 KV的輸入輸出隔離電壓，用于防止雷擊。

更換印刷電路板(PCB) 上燒毀的組件可能非常不方便。但是，光耦合器可用于保護昂貴的元件。發(fā)生故障時，光耦合器會燒毀，電路的其余部分不受影響。光耦合器不直接焊接在電路上;相反，它們被放置在集成芯片(IC)插座中，因此在燃燒時始終可以輕松更換。

有關(guān)光耦合器內(nèi)部工作原理以及如何使用LED和光電二極管構(gòu)建自己的光耦合器的詳細說明，請參閱之前名為保護MCU：構(gòu)建自己的光耦合器的文章。

為什么光耦合器輸入側(cè)和輸出側(cè)的接地電平?jīng)]有連接?

光耦合器輸入/輸出(I/O)所在側(cè)的電路旨在保護其免受任何一側(cè)可能的風(fēng)險的影響。盡管術(shù)語“接地”電壓聽起來總是0 V，但事實并非如此。5 V電源和220 VAC電源的接地電平可能大不相同;5 V電源觀察到的接地電壓不需要與220 VAC的接地電壓相同。

在這種情況下，連接來自不同來源的接地層可能是危險的。即使220 VAC 降壓并整流至 5 VDC，仍然不建議將兩側(cè)的地面相互連接。這樣做會產(chǎn)生電毛刺，這就是為什么光耦合器兩個I/O側(cè)的接地電平始終保持電氣斷開的原因。有關(guān)公共點及其路徑通常如何連接的詳細信息，請閱讀Bill Schweber的文章“地面和公共點應(yīng)該如何相互連接?

阻抗匹配：使用光耦合器解決問題

在許多通信電路中，必須在多個組件之間建立匹配阻抗。不匹配可能會導(dǎo)致輸出不合適。然而，光耦合器可用于信號傳輸，而無需兩側(cè)阻抗匹配，這就是光耦合器廣泛用于高速電信設(shè)備的原因。根據(jù)Janet Heath的說法，“在理想的世界中，來自引腳的信號能量將穿過PCB走線并完全被負載吸收。但是，如果能量沒有完全被負載(接收器)吸收，剩余能量可以通過PCB走線反射回來，到達輸出引腳(驅(qū)動器)的原始能量源。[iii] 基于光電二極管的光耦合器(如東芝TLP2719光電耦合器)可以支持高達1Mbps的信號速度。 高速光耦合器的數(shù)據(jù)傳輸速率高達50 Mbps。

使用光耦合器檢測交流電源的過零

在許多應(yīng)用中，檢測交流電源的過零至關(guān)重要。例如，典型的功率因數(shù)校正系統(tǒng)測量實際功率和無功功率(兩者都是總功率的組成部分)之間的角度差異。實際功率和無功功率之間的差異是通過監(jiān)測電壓和電流波的“過零”來測量的。“過零”是電子、聲學(xué)、數(shù)學(xué)和圖像處理中常用的術(shù)語。過零表示波形穿過其坐標(biāo)軸的位置(即，如果您繪制了波形)。過零還指示波形(表示為數(shù)學(xué)函數(shù))何時從正向負切換，然后再切換回來。請注意，某些頻率測試電路的工作原理是監(jiān)控交流源波形中的過零。

光耦合器可用于檢測交流電源的過零。光耦合器的響應(yīng)時間僅為納秒;它在零點過境時迅速打開和關(guān)閉。通過在交流電源上使用整流器和濾波器，可以從光耦合器獲得數(shù)字信號。[vi] 使用RC濾波器，可以根據(jù)需要改變輸出波形。

圖1：使用光耦合器進行交流電源監(jiān)控的電路圖交流輸入在向光耦合器的IRED發(fā)出信號之前經(jīng)過整流和濾波。

帶光耦合器的開關(guān)器件

光耦合器用作微控制器數(shù)字輸出和需要控制的外部元件之間的安全屏障。

圖2：顯示 PIC16F877A 微控制器 (U2) 和 PC817C 光耦合器 (U1) 之間連接的電路圖。光耦合器用于切換LED(D1)。晶體管和繼電器可用于開關(guān)電壓相對較高的負載。

圖3中微控制器的數(shù)字輸出啟動5 VDC(數(shù)字)信號，用于切換光耦合器(U1)中的IRED。微控制器的輸出引腳和光耦合器中的IRED可以支持有限的電流;因此，建議在微控制器的輸出和光耦合器的輸入之間使用限流電阻。當(dāng)IRED導(dǎo)通時，紅外光落在光電晶體管上，光電晶體管驅(qū)動(激勵)光電晶體管，之后電流開始在集電極和發(fā)射極引腳之間流動。光電晶體管的集電極和發(fā)射極支持有限的電流。如果需要控制具有更高電流規(guī)格的器件，則可以使用晶體管來放大光耦合器的輸出。

開關(guān)器件的接地未與微控制器電路上的公共接地連接，因為這可能導(dǎo)致噪聲泄漏流向微控制器。

使用光耦合器讀取輸入信號

光耦合器可用于從任何源安全地讀取邏輯0和邏輯1的電平。例如，來自無變壓器電源的電壓可能包含噪聲。在這種情況下，如果輸入信號直接與微控制器連接，則來自輸入信號的噪聲會影響微控制器的工作方式。同樣，如果微控制器的輸入意外暴露在電涌中，微控制器會立即被破壞(即，它會燃燒或“釋放魔煙”。然而，在微控制器和輸入信號之間使用光耦合器就像保險單一樣，可以防止此類事故的發(fā)生。

圖3：顯示 Microchip PIC16F877A 微控制器(上圖U2)和PC817C光耦合器(上圖U1)之間連接的電路圖。光耦合器用于讀取數(shù)字信號。

結(jié)論

光耦合器不僅可以保護敏感電路，還可以使工程師設(shè)計各種硬件應(yīng)用。使用光耦合器可以節(jié)省大量更換元件的成本，并且可以通過連接/斷開光耦合器來方便地控制兩個電路之間的連接。光耦合器廣泛用于電子、電氣和通信系統(tǒng)。

審核編輯：湯梓紅