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(xué)、醫(yī)療和工業(yè)等高精度不可缺少的領(lǐng)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(shí)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(jīng)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，英銳恩單片機(jī)開發(fā)工程師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(cè)電路和輸出側(cè)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(xì)原理和機(jī)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(dāng)LED發(fā)明并且其技術(shù)進(jìn)步顯著時，光電子學(xué)成為了熱潮。當(dāng)時發(fā)明了各種光學(xué)器件，光電耦合器就是其中之一。隨后，光電子學(xué)迅速滲透到我們的生活中。

①原理/機(jī)制

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

用于發(fā)光元件的半導(dǎo)體是LED（發(fā)光二極管）。另一方面，受光元件中使用的半導(dǎo)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(dāng)不工作的時候，光電晶體管幾乎沒有像普通半導(dǎo)體那樣的電流傳輸。當(dāng)光入射到那里時，光電晶體管在p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體結(jié)合的表面產(chǎn)生光電動勢，n型半導(dǎo)體中的空穴流入p區(qū)，p區(qū)中的自由電子型半導(dǎo)體流入n區(qū)，電流將流動。

光電晶體管的響應(yīng)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(nèi)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(shí)上，我們看到的“光遮斷器”是一種具有相同原理和機(jī)制的電子設(shè)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(jī)和ATM中的硬幣和紙幣。

②特點(diǎn)

由于光電耦合器通過光傳輸信號，輸入側(cè)和輸出側(cè)之間的絕緣性是一大特點(diǎn)。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(jié)構(gòu)本身也比較簡單，比較合理。

由于歷史悠久，各廠商豐富的產(chǎn)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?yàn)長ED會隨著時間的推移和溫度的變化而慢慢惡化。

特別是當(dāng)內(nèi)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(jī)械觸點(diǎn)的接觸式觸點(diǎn)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(diǎn)，因?yàn)橛行┰谳敵鰝?cè)有放大電路來提高速度。事實(shí)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(guān)操作。電路將通過打開開關(guān)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(shè)備和音頻設(shè)備/通信設(shè)備。

它還用于電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)。電機(jī)的原因是驅(qū)動時由變頻器控制轉(zhuǎn)速，但由于輸出高而產(chǎn)生噪音。這種噪音不僅會導(dǎo)致電機(jī)本身出現(xiàn)故障，還會流經(jīng)“接地”影響外圍設(shè)備。尤其是布線較長的設(shè)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(yán)重的事故。通過使用高絕緣光耦合器進(jìn)行開關(guān)，可以最大限度地減少對其他電路和設(shè)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(yīng)用到產(chǎn)品設(shè)計中？下面英銳恩單片機(jī)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(guān)

光電耦合器有兩種類型：一種是在不施加電壓時開關(guān)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(guān)接通的類型。當(dāng)施加電壓時施加和關(guān)閉。

前者稱為常開，后者稱為常關(guān)。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(dāng)然，它是額定的，但需要根據(jù)所需的輸出電流從輸入側(cè)施加電壓。

如果查看產(chǎn)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(qiáng)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(rèn)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(xì)核對“輸出多少電流”，選擇與之相匹配的產(chǎn)品。

③最大電流

最大導(dǎo)通電流是光耦導(dǎo)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(xiàng)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(shè)置光電耦合器

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

以上就是英銳恩單片機(jī)開發(fā)工程師分享的“什么是光電耦合器？一文詳解工作原理和特點(diǎn)”。英銳恩專注單片機(jī)應(yīng)用方案設(shè)計與開發(fā)，提供8位單片機(jī)、16位單片機(jī)、32位單片機(jī)。