光耦合器教程

光电耦合器，是用一个光敏感的接口将两个独立的电路结合在一起的电气器件。

从关于变压器的教程中我们知道，它们不仅可以提供降压（或升压）电压，而且还可以在初级侧较高的电压和次级侧较低的电压之间提供“电气隔离”。

换句话说，变压器通过电磁耦合将初级输入电压与次级输出电压隔离，这是通过在叠层铁芯中循环的磁通量来实现的。

但是，我们也可以通过使用一种非常常见且有价值的电子组件光电耦合器，仅使用光来在输入源和输出负载之间提供电气隔离。

光耦合器（也称为光隔离器）的基本设计由产生红外光的LED和用于检测发出的红外光束的半导体光敏器件组成。如图所示，LED和光敏设备都被封装在不透光的主体或带有金属脚的包装中。

光耦合器或光隔离器由光发射器，LED和光敏接收器组成，光接收器可以是单个光电二极管，光电晶体管，光电电阻器，其基本操作如下光耦合器非常容易理解。

光电晶体管光电耦合器

假定如图所示的光电晶体管设备。来自源信号的电流流经输入LED，该LED发出强度与电信号成比例的红外光。

发出的光落在光电晶体管的基极上，使其导通并以与普通双极晶体管类似的方式传导。

光电晶体管的基础连接可以保持断开状态（未连接），以最大程度地提高对LED红外光能的灵敏度，也可以通过合适的外部高阻值电阻器接地，以控制开关灵敏度，从而使其更加稳定并抵抗虚假现象。由外部电气噪声或电压瞬变触发。

The base connection of the photo-transistor can be left open (unconnected) for maximum sensitivity to the LEDs infra-red light energy or connected to ground via a suitable external high value resistor to control the switching sensitivity making it more stable and resistant to false triggering by external electrical noise or voltage transients.(这部分还是把原文打出来好理解一些)

当流过LED的电流中断时，红外发射的光将被切断，从而使光电晶体管停止导通。光电晶体管可用于切换输出电路中的电流。LED和光敏设备的光谱响应紧密匹配，并被透明介质（例如玻璃，塑料或空气）隔开。由于光耦合器的输入和输出之间没有直接的电连接，因此可实现高达10kV的电隔离。

光耦合器有四种通用类型，每种都有一个红外LED光源，但带有不同的光敏器件。四个光电耦合器称为：光电晶体管(Photo-transistor)，光电达林顿(Photo-darlington)，光电可控硅(Photo-SCR)和光电三端双向可控硅开关(Photo-triac)，如下所示。

光耦合器类型

光电晶体管和达林顿光电器件主要用于直流电路，而光电可控硅和光电三端双向可控硅开关元件则允许控制交流供电的电路。还有许多其他种类的源-传感器组合，例如LED光电二极管，LED激光器，灯-光敏电阻对，反射式和缝隙式光耦合器。

可以通过使用单个组件来构造简单的自制光耦合器。如图所示，将LED和光电晶体管插入硬质塑料管中或装入热缩管中。这种自制的光耦合器的优势在于，可以将管子切成任意长度，甚至可以弯折。显然，带有反射内部的管比暗黑色的管效率更高。

自制光耦合器

光耦合器应用

可以单独使用光耦合器和光隔离器，也可以切换其他较大的电子设备（例如晶体管和三端双向可控硅开关元件），从而在较低电压控制信号（例如来自Arduino或微控制器的信号）之间提供所需的电隔离，以及更高的电压或市电电流输出信号。

光耦合器的常见应用包括微处理器输入/输出切换，直流和交流电源控制，PC通信，信号隔离和受电流接地环路影响的电源调节等。所传输的电信号可以是模拟（线性）信号或数字（脉冲）。

在此应用中，光耦合器用于检测开关或其他类型的数字输入信号的操作。如果要检测的开关或信号在电气噪声环境中，则这很有用。该输出可用于操作外部电路，照明灯或作为PC或微处理器的输入。

光电晶体管直流开关

在此示例中，此处使用外部连接的270kΩ电阻器来控制光电晶体管基极区的灵敏度。可以选择电阻值以适合所选的光耦合器器件以及所需的开关灵敏度。该电容器可防止误触发光敏晶体管基极而引起的任何不必要的尖峰或瞬变。

除检测直流信号和数据外，还可提供光电三端双向可控硅开关隔离器，它们可以控制交流供电的设备和市电灯。诸如MOC 3020之类的光耦合三端双向可控硅开关元件具有约400伏的额定电压，使其非常适合直接电源连接以及约100mA的最大电流。对于更高功率的负载，可以使用光三端双向可控硅开关元件，如图所示，通过一个限流电阻将栅极脉冲提供给另一个更大的三端双向可控硅开关元件。

三端双向可控硅光电耦合器应用

这种类型的光耦合器配置构成了非常简单的固态继电器应用的基础，该固态继电器应用可用于控制任何由交流电源供电的负载，例如灯和电动机。同样与晶闸管（SCR）不同的是，双向可控硅能够在市电AC周期的两半进行导通，并具有过零检测功能，从而允许负载在切换电感性负载时获得全功率而没有大的浪涌电流。

光电耦合器和光电隔离器是出色的电子设备，可以通过PC的输出端口，数字开关或低压数据信号（例如逻辑门）控制功率晶体管和三端双向可控硅开关元件。光电耦合器的主要优点是它们在输入和输出端子之间的高度电隔离，允许相对较小的数字信号控制很大的交流电压，电流和功率。

光电耦合器可与DC和AC信号一起使用，而采用SCR（晶闸管）或三端双向可控硅开关的光电耦合器作为光电检测设备主要用于交流电源控制应用。光电SCR和光电三端双向可控硅开关的主要优点是可以完全隔离交流电源线上出现的任何噪声或电压尖峰，并能对正弦波形进行过零检测，从而减少了开关和浪涌电流，从而保护了所用的任何功率半导体所受的热应力和冲击。