光耦合器，也稱為光隔離器，是電子電路中的關鍵元件，它結合了兩個基本功能：信號傳輸和電氣隔離。它們允許信號在電路的不同部分之間傳遞，同時保持它們彼此電氣隔離。此功能對于保護敏感的低壓控制電路免受更高電壓、噪聲或潛在損壞至關重要。盡管光耦合器被廣泛使用，但許多工程師和愛好者有時可能不清楚光耦合器的確切作用和功能。本文旨在通過逐步分解光耦合器的工作原理來消除理解光耦合器的盲點。

1.光耦合器的基本結構

光耦合器的核心由兩個主要組件組成：

LED（發光二極管）：在輸入端，光耦合器有一個LED，當電流流過時會發光。

光敏設備：在輸出端，有一個光敏元件，例如光電晶體管、光電二極管或光控晶閘管。該設備檢測LED發出的光并做出相應響應。

光耦合器的主要特性是輸入端和輸出端之間不存在電氣連接。唯一的連接是LED發出的光，它允許信號在無電傳導的情況下傳輸。

2.隔離的目的

電子電路中的隔離對于保護敏感元件至關重要。光耦合器隔離電路的不同部分，允許信號從一側傳遞到另一側，而不會出現高壓損壞或噪聲干擾的風險。

隔離為何重要：

防止電壓尖峰：許多電路，尤其是工業和電源應用中的電路，如果直接連接，可能會損壞低壓控制電路。光耦合器的隔離可確保電壓尖峰不會跨越到系統的敏感區域。

降噪：在電磁干擾(EMI)或射頻干擾(RFI)較高的環境中，噪聲會干擾信號并影響敏感元件的性能。光耦合器會切斷電氣路徑，阻止噪聲傳輸。

防止接地環路：在某些系統中，電路的不同部分可能具有不同的接地電位。直接連接這些部分可能會造成接地環路，從而導致干擾甚至損壞。光耦合器可確保這些部分保持隔離，同時仍允許傳輸數據或控制信號。

3.信號傳輸的工作原理

光耦合器的主要功能是將信號從輸入側傳輸到輸出側，同時保持隔離。以下是該過程的分步工作原理：

輸入信號激活LED：當電流流過輸入時，它會為光耦合器內的LED供電。LED亮起，產生紅外光（大多數情況下）。

光到達光敏元件：來自LED的光到達輸出側的光敏設備（例如光電晶體管）。接收到的光量決定輸出組件是打開還是關閉。

產生輸出信號：如果來自LED的光足夠強，光電晶體管將導通，允許電流在輸出側流動。然后，該電流可用于驅動負載或將信號傳遞到電路的下一級。

信號傳輸完成：信號已成功從輸入傳輸到輸出，整個過程無需直接電接觸。

4.不同類型的光耦合器

光耦合器有多種類型，每種類型都適用于不同的應用，具體取決于信號特性和所需的隔離級別。

光電晶體管光耦合器：最常見的類型。它在信號為開或關的數字電路中工作良好。光電晶體管根據從LED接收到的光進行切換。

光電二極管光耦合器：用于更快的信號傳輸，光電二極管比光電晶體管響應更快，通常用于高速通信系統。

光晶閘管光耦合器：光晶閘管在電源控制應用中很常見，用于觸發更高的電流負載。

線性光耦合器：在需要模擬信號傳輸的情況下，線性光耦合器可確保輸出是輸入的連續線性函數。

5.將電路特性與光耦合器匹配

使用光耦合器時的一個常見盲點是如何匹配輸入和輸出電路的特性。匹配LED的輸入電流和電路的輸出電壓或電流要求非常重要。

輸入側注意事項：

LED電流額定值：光耦合器中的LED具有正向電流額定值，它定義了激活LED所需的電流量。根據型號，此電流通常在5到20mA之間。

輸入電阻選擇：通常在LED之前放置一個串聯電阻來限制電流并防止其燒壞。該電阻的值是根據輸入電壓和所需電流使用歐姆定律計算得出的：

其中Vin是輸入電壓，Vf是LED的正向電壓（紅外LED通常約為1.2V至1.4V），If是所需正向電流。

輸出側注意事項：

負載電阻：在輸出側，光耦合器的光電晶體管需要負載電阻來確保適當的電流流動。此電阻的選擇取決于電源電壓和所需的輸出電流。

飽和電壓：當光電晶體管完全導通時，它具有較小的飽和電壓（通常為0.2V至0.4V），這會略微降低輸出電壓。在驅動需要特定電壓的負載時需要考慮這一點。

上拉電阻：在數字電路中，通常需要上拉電阻來確保光耦合器的晶體管關閉時輸出電壓達到邏輯高電平。例如，如果輸出連接到5V系統，上拉電阻可以幫助確保輸出電壓在需要時達到5V附近。

6.光耦合器的常見應用

光耦合器廣泛應用于各種應用，其在家庭和工業電子產品中的重要性不斷增長。一些典型用途包括：

開關電源：將低壓控制部分與高壓側隔離。

微控制器接口：保護微控制器免受高壓系統的影響，同時仍允許它們之間進行通信。

電機控制電路：在工業自動化中，光耦合器可確保控制器和大功率電機之間安全可靠的信號傳輸。

醫療電子：在醫療設備中，光耦合器有助于將患者連接的電路與電力系統中潛在的有害電壓隔離開來。

光耦合器通過提供信號傳輸和電氣隔離，在現代電子產品中提供了一項寶貴的服務。通過仔細匹配輸入和輸出特性，工程師可以確保光耦合器高效運行并保護敏感元件。無論是在工業自動化、電源還是微控制器應用中，光耦合器在保護電路免受損壞的同時確保跨不同電壓域的可靠通信方面繼續發揮著至關重要的作用。了解如何正確應用它們將大大改善電路設計和性能。

審核編輯 黃宇