光耦教程

光耦（Optocoupler）是一種通過(guò)光敏光學(xué)接口連接兩個(gè)獨(dú)立電路的電子元件。

光耦是一種電子元件，可以用作低壓數(shù)字或控制電路與大功率電子設(shè)備之間的接口，適用于多種不同的應(yīng)用。

從我們關(guān)于變壓器的教程中我們知道，變壓器不僅可以提供降壓（或升壓）電壓，還可以在初級(jí)側(cè)的高壓和次級(jí)側(cè)的低壓之間提供“電氣隔離”。

換句話說(shuō)，變壓器通過(guò)電磁耦合將初級(jí)輸入電壓與次級(jí)輸出電壓隔離，這是通過(guò)在其疊層鐵芯中循環(huán)的磁通量實(shí)現(xiàn)的。

典型的4N35光耦

但我們也可以通過(guò)使用一種非常常見(jiàn)且有價(jià)值的電子元件——光耦，僅通過(guò)光在輸入源和輸出負(fù)載之間提供電氣隔離。

光耦的基本設(shè)計(jì)

光耦，也稱為光隔離器，其基本設(shè)計(jì)包括一個(gè)產(chǎn)生紅外光的LED和一個(gè)用于檢測(cè)發(fā)射的紅外光束的半導(dǎo)體光敏器件。LED和光敏器件都封裝在一個(gè)不透光的殼體或包裝中，并帶有用于電氣連接的金屬引腳，如圖所示。

光耦或光隔離器由一個(gè)發(fā)光體（LED）和一個(gè)光敏接收器組成，接收器可以是單個(gè)光電二極管、光電晶體管、光敏電阻、光控可控硅（SCR）或光控雙向可控硅（TRIAC）。光耦的基本操作非常簡(jiǎn)單易懂。

光電晶體管光耦

假設(shè)有一個(gè)光電晶體管器件，如圖所示。來(lái)自源信號(hào)的電流通過(guò)輸入LED，LED發(fā)出紅外光，其強(qiáng)度與電信號(hào)成正比。

發(fā)出的光照射在光電晶體管的基極上，使其導(dǎo)通，其方式與普通雙極晶體管類似。

光電晶體管的基極連接可以保持開(kāi)路（未連接）以實(shí)現(xiàn)對(duì)LED紅外光能量的最大靈敏度，或者通過(guò)合適的外部高值電阻接地，以控制開(kāi)關(guān)靈敏度，使其更穩(wěn)定，并抵抗外部電噪聲或電壓瞬變引起的誤觸發(fā)。

當(dāng)通過(guò)LED的電流中斷時(shí)，紅外光被切斷，導(dǎo)致光電晶體管停止導(dǎo)通。光電晶體管可用于切換輸出電路中的電流。LED和光敏器件的光譜響應(yīng)緊密匹配，并通過(guò)透明介質(zhì)（如玻璃、塑料或空氣）分隔。由于光耦的輸入和輸出之間沒(méi)有直接的電氣連接，因此可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)10kV的電氣隔離。

光耦的四種常見(jiàn)類型

光耦有四種常見(jiàn)類型，每種類型都有一個(gè)紅外LED光源，但光敏器件不同。這四種光耦分別是：光電晶體管、光電達(dá)林頓、光控可控硅（SCR）和光控雙向可控硅（TRIAC），如下圖所示。

不同的光耦類型

光電晶體管和光電達(dá)林頓器件主要用于直流電路，而光控可控硅和光控雙向可控硅則允許控制交流電路。還有許多其他類型的源-傳感器組合，例如LED-光電二極管、LED-激光、燈-光敏電阻對(duì)、反射式和槽式光耦。

自制光耦

簡(jiǎn)單的自制光耦可以通過(guò)使用單獨(dú)的元件來(lái)構(gòu)建。將LED和光電晶體管插入剛性塑料管或用熱縮管封裝，如圖所示。這種自制光耦的優(yōu)點(diǎn)是，管子可以切割成任意長(zhǎng)度，甚至可以彎曲繞過(guò)角落。顯然，具有反射內(nèi)壁的管子比深黑色管子更高效。

自制光耦

光耦應(yīng)用

光耦和光隔離器可以單獨(dú)使用，也可以用于切換其他更大的電子設(shè)備，如晶體管和雙向可控硅，從而在低壓控制信號(hào)（例如來(lái)自Arduino或微控制器的信號(hào)）與更高電壓或主電源電流輸出信號(hào)之間提供所需的電氣隔離。

光耦的常見(jiàn)應(yīng)用包括微處理器輸入/輸出切換、直流和交流電源控制、PC通信、信號(hào)隔離和電源調(diào)節(jié)等，這些應(yīng)用通常受到電流接地環(huán)路的影響。傳輸?shù)碾娦盘?hào)可以是模擬（線性）或數(shù)字（脈沖）信號(hào)。

在此應(yīng)用中，光耦用于檢測(cè)開(kāi)關(guān)的操作或其他類型的數(shù)字輸入信號(hào)。這在開(kāi)關(guān)或信號(hào)處于電噪聲環(huán)境中時(shí)非常有用。輸出可用于操作外部電路、燈或作為PC或微處理器的輸入。

光電晶體管直流開(kāi)關(guān)

在這個(gè)例子中，外部連接的270kΩ電阻用于控制光電晶體管基極區(qū)域的靈敏度。電阻的值可以根據(jù)所選的光耦器件和所需的開(kāi)關(guān)靈敏度來(lái)選擇。電容器阻止任何不必要的尖峰或瞬變誤觸發(fā)光電晶體管的基極。

除了檢測(cè)直流信號(hào)和數(shù)據(jù)外，還有光控雙向可控硅隔離器，可用于控制交流供電設(shè)備和主電源燈。光耦雙向可控硅（如MOC 3020）的額定電壓約為400伏，使其非常適合直接連接主電源，最大電流約為100mA。對(duì)于更高功率的負(fù)載，光耦雙向可控硅可以通過(guò)限流電阻為另一個(gè)更大的雙向可控硅提供門極脈沖，如圖所示。

雙向可控硅應(yīng)用

這種光耦配置構(gòu)成了一個(gè)非常簡(jiǎn)單的固態(tài)繼電器應(yīng)用的基礎(chǔ)，可用于控制任何交流主電源負(fù)載，如燈和電機(jī)。與晶閘管（SCR）不同，雙向可控硅能夠在交流電的兩個(gè)半周期內(nèi)導(dǎo)通，并且具有零交叉檢測(cè)功能，使負(fù)載在切換感性負(fù)載時(shí)能夠獲得全功率而不會(huì)產(chǎn)生大的浪涌電流。

光耦和光隔離器是出色的電子設(shè)備，允許通過(guò)PC的輸出端口、數(shù)字開(kāi)關(guān)或來(lái)自邏輯門的低壓數(shù)據(jù)信號(hào)來(lái)控制功率晶體管和雙向可控硅等設(shè)備。光耦的主要優(yōu)勢(shì)在于其輸入和輸出端子之間的高電氣隔離，允許相對(duì)較小的數(shù)字信號(hào)控制更大的交流電壓、電流和功率。

光耦可以用于直流和交流信號(hào)，使用SCR（晶閘管）或雙向可控硅作為光檢測(cè)器件的光耦主要用于交流電源控制應(yīng)用。光控SCR和光控雙向可控硅的主要優(yōu)勢(shì)是完全隔離交流電源線上的任何噪聲或電壓尖峰，以及正弦波的零交叉檢測(cè)，從而減少開(kāi)關(guān)和浪涌電流，保護(hù)所使用的功率半導(dǎo)體免受熱應(yīng)力和沖擊。