光耦教程

光耦（Optocoupler）是一种通过光敏光学接口连接两个独立电路的电子元件。

光耦是一种电子元件，可以用作低压数字或控制电路与大功率电子设备之间的接口，适用于多种不同的应用。

从我们关于变压器的教程中我们知道，变压器不仅可以提供降压（或升压）电压，还可以在初级侧的高压和次级侧的低压之间提供“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，这是通过在其叠层铁芯中循环的磁通量实现的。

典型的4N35光耦

但我们也可以通过使用一种非常常见且有价值的电子元件——光耦，仅通过光在输入源和输出负载之间提供电气隔离。

光耦的基本设计

光耦，也称为光隔离器，其基本设计包括一个产生红外光的LED和一个用于检测发射的红外光束的半导体光敏器件。LED和光敏器件都封装在一个不透光的壳体或包装中，并带有用于电气连接的金属引脚，如图所示。

光耦或光隔离器由一个发光体（LED）和一个光敏接收器组成，接收器可以是单个光电二极管、光电晶体管、光敏电阻、光控可控硅（SCR）或光控双向可控硅（TRIAC）。光耦的基本操作非常简单易懂。

光电晶体管光耦

假设有一个光电晶体管器件，如图所示。来自源信号的电流通过输入LED，LED发出红外光，其强度与电信号成正比。

发出的光照射在光电晶体管的基极上，使其导通，其方式与普通双极晶体管类似。

光电晶体管的基极连接可以保持开路（未连接）以实现对LED红外光能量的最大灵敏度，或者通过合适的外部高值电阻接地，以控制开关灵敏度，使其更稳定，并抵抗外部电噪声或电压瞬变引起的误触发。

当通过LED的电流中断时，红外光被切断，导致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和光敏器件的光谱响应紧密匹配，并通过透明介质（如玻璃、塑料或空气）分隔。由于光耦的输入和输出之间没有直接的电气连接，因此可以实现高达10kV的电气隔离。

光耦的四种常见类型

光耦有四种常见类型，每种类型都有一个红外LED光源，但光敏器件不同。这四种光耦分别是：光电晶体管、光电达林顿、光控可控硅（SCR）和光控双向可控硅（TRIAC），如下图所示。

不同的光耦类型

光电晶体管和光电达林顿器件主要用于直流电路，而光控可控硅和光控双向可控硅则允许控制交流电路。还有许多其他类型的源-传感器组合，例如LED-光电二极管、LED-激光、灯-光敏电阻对、反射式和槽式光耦。

自制光耦

简单的自制光耦可以通过使用单独的元件来构建。将LED和光电晶体管插入刚性塑料管或用热缩管封装，如图所示。这种自制光耦的优点是，管子可以切割成任意长度，甚至可以弯曲绕过角落。显然，具有反射内壁的管子比深黑色管子更高效。

自制光耦

光耦应用

光耦和光隔离器可以单独使用，也可以用于切换其他更大的电子设备，如晶体管和双向可控硅，从而在低压控制信号（例如来自Arduino或微控制器的信号）与更高电压或主电源电流输出信号之间提供所需的电气隔离。

光耦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、信号隔离和电源调节等，这些应用通常受到电流接地环路的影响。传输的电信号可以是模拟（线性）或数字（脉冲）信号。

在此应用中，光耦用于检测开关的操作或其他类型的数字输入信号。这在开关或信号处于电噪声环境中时非常有用。输出可用于操作外部电路、灯或作为PC或微处理器的输入。

光电晶体管直流开关

在这个例子中，外部连接的270kΩ电阻用于控制光电晶体管基极区域的灵敏度。电阻的值可以根据所选的光耦器件和所需的开关灵敏度来选择。电容器阻止任何不必要的尖峰或瞬变误触发光电晶体管的基极。

除了检测直流信号和数据外，还有光控双向可控硅隔离器，可用于控制交流供电设备和主电源灯。光耦双向可控硅（如MOC 3020）的额定电压约为400伏，使其非常适合直接连接主电源，最大电流约为100mA。对于更高功率的负载，光耦双向可控硅可以通过限流电阻为另一个更大的双向可控硅提供门极脉冲，如图所示。

双向可控硅应用

这种光耦配置构成了一个非常简单的固态继电器应用的基础，可用于控制任何交流主电源负载，如灯和电机。与晶闸管（SCR）不同，双向可控硅能够在交流电的两个半周期内导通，并且具有零交叉检测功能，使负载在切换感性负载时能够获得全功率而不会产生大的浪涌电流。

光耦和光隔离器是出色的电子设备，允许通过PC的输出端口、数字开关或来自逻辑门的低压数据信号来控制功率晶体管和双向可控硅等设备。光耦的主要优势在于其输入和输出端子之间的高电气隔离，允许相对较小的数字信号控制更大的交流电压、电流和功率。

光耦可以用于直流和交流信号，使用SCR（晶闸管）或双向可控硅作为光检测器件的光耦主要用于交流电源控制应用。光控SCR和光控双向可控硅的主要优势是完全隔离交流电源线上的任何噪声或电压尖峰，以及正弦波的零交叉检测，从而减少开关和浪涌电流，保护所使用的功率半导体免受热应力和冲击。