光耦合器基础：功能、类型与实际应用

作为PCB设计师、工程师或爱好者，你有各种开关、继电器和耦合器可供选择来定制PCB。面对市场上琳琅满目的PCB元件和选项，要决定哪种最适合你的项目并非易事。

例如，你可能想知道光耦合器的作用，以及它与其他继电器有何不同。本指南旨在阐释这些疑问。我们将深入探讨光耦合器的原理、各种类型，以及它如何为你的项目带来益处。

什么是光耦合器

光耦合器有许多叫法：光电隔离器、光电耦合器、光学耦合器、光学隔离器，或简称为光耦。有人甚至误称其为“选项”。无论如何，光耦合器是一种集成电子元件。最基础的类型通常呈矩形，引出四个引脚。每个引脚对应一个子元件：第一脚为阳极，第二脚为阴极，第三脚为集电极，第四脚为发射极。

LTV-816 单通道光电隔离器

来源：Wikimedia Commons

此外，主体靠近第一脚的角落有一个圆形凹痕，用于识别引脚顺序。本体上还印有光耦合器的型号，我们可据此识别类型并查阅制造商数据手册。

本质上，光耦合器是一种固态继电器，用于互联两个独立的电子电路。第一个电路连接在前两个引脚（引脚1和2）上，第二个电路连接在后两个引脚（引脚3和4）上，从而让第一个电路控制第二个电路。

由于外观相似，光耦合器易被误认为集成电路/微芯片（IC），尤其是TRIAC光耦合器。

白色背景上的电子微芯片

光耦合器如何工作？

光耦合器可在两个隔离电路间传输电子信号，这是其关键属性。有时一个电路中会出现电压尖峰和噪声，若无光耦合器隔离，这些干扰可能扩散到第二个电路并造成损坏。光耦合器能防止此类损害发生在两个电路中。

此外，由于半导体材料特性，光耦合器只允许电子单向流动，因此两个互联电路可使用不同的电压和电流。

再者，它能扩展设备能力，主要得益于其在两个独立电路间实现电隔离。例如，在双电路配置中，可在第二电路添加晶体管而不干扰第一电路，从而控制更高电压和电流，甚至可通过添加电子元件实现电路控制自动化。

光耦合器的结构

光耦合器类型繁多、配置各异。为便于理解，我们重点介绍光晶体管版本。

光晶体管光耦合器电路图

来源：Wikimedia Commons

上图展示了光晶体管连接两个电路。仔细观察光晶体管部分，左侧有一个LED符号：

LED符号图示

来源：Wikimedia Commons

右侧则是一个晶体管符号：

晶体管符号图示

来源：Wikimedia Commons

可见光晶体管是普通晶体管的改良版。也因此，晶体管侧的第三、四端子被称为集电极和发射极，而第一、二端子称为阳极和阴极。

普通晶体管有三个端子，但光耦合器中的晶体管缺少基极引脚。因为它不使用基极的电信号，而是利用LED发出的光来驱动。光照射到晶体管上，使其导通，从而在主电路中形成电流。它们对光学输入而非单纯电流输入做出反应。光耦合器内部元件常见两种拓扑：上下堆叠或并排排列。

光耦合器拓扑结构

来源：Wikimedia Commons

虽然我们无法看到光晶体管内部结构（除非它是透明的），但我们可以用简单电路自制一个。稍后我们将探讨。先来了解其他光耦合器类型。

光耦合器类型

镊子夹持的光耦合器

最常见的六种类型如下：

• 电阻型光耦合器：最早的光耦合器，使用白炽灯、氖灯和GaAs红外LED作为光源，硫化镉作为晶体管材料，也称“伏特罗”。因响应速度较慢，已近乎淘汰。
• 二极管型光耦合器：采用砷化镓红外LED为光源，硅光二极管为接收器，尤其是使用PIN二极管时，是速度最快的光耦合器。
• 晶体管型光耦合器：同样用GaAs红外LED为光源，但传感器为双极性硅光晶体管或达林顿光晶体管。传输速率和响应时间介于电阻型和二极管型之间。
• 光隔离SCR：使用红外LED与硅控整流器（SCR）。传输速度不固定，但不如二极管型快，仍有不错的响应时间和传输比。
• 光隔离TRIAC：采用三端双向可控硅（TRIAC）作为传感器，配合GaAs红外LED。传输速率不快，但电流传输比（CTR）极高。
• 固态继电器：使用一堆GaAs红外LED为光源，一堆光二极管驱动一对MOSFET或单个IGBT作为传感器。可实现极高传输速度和无限电流传输比。

如何制作简单的光耦合器电路

镊子夹持光耦合器置于PCB前

元件清单：

• 50-100K欧姆光敏电阻（LDR）
• 3V 0.02A白色发光二极管（LED）
• 2V 0.02A红色发光二极管（LED）
• 9V电池 × 2
• 开关
• 300欧姆电阻
• 150欧姆电阻 × 2（或一个300欧姆电阻）

原理与步骤：

红色LED与光耦合器

这个简单光耦合器使用光敏电阻（LDR）和白色LED。LDR根据光照强度改变电阻：黑暗中电阻极高，强光下电阻极低。在此充当光二极管角色。

在主控电路中，白色LED压降3V，电流0.02A。用9V电池供电，串联开关控制。因LED需3V，需一颗压降6V的电阻，阻值计算：(9V-3V)÷0.02A = 300Ω。主控电路由电池正极→开关→电阻→白色LED组成，可用面包板或导线连接。

副电路使用一颗压降2V、电流0.02A的红色LED作为指示灯。

将LDR与红色LED串联，LDR需紧贴白色LED。受光时LDR电阻约70Ω。副电路同样用9V电池供电，需分压电阻，建议两颗150Ω串联（或一颗300Ω）。

组装完成后，需用黑色胶带包裹LDR和白色LED，阻挡环境光；或在全暗房间测试。按下主控电路开关，白色LED亮起，光照射LDR使其电阻降低，红色LED随之点亮。白色LED的光信号相当于开关中的电信号。该项目足以演示光耦合器内部原理。若用红外发射管和接收管替代可见光，可进一步改进。

光耦合器应用

含IC、电容、光耦合器及其他半导体的小型PCB组装

了解工作原理后，看看适用场景。光耦合器可作简单光控开关，但哪些电子设备最适合？以下列举应用领域：

• 电磁阀控制
• 电机控制
• 白炽灯调光器
• 微处理器
• 灯镇流器
• 交流检测
• 电压隔离
• 电磁开关
• 微控制器

光耦合器优势

一组光耦合器

为何选择光耦合器而非机电继电器或开关？主要优势：

• 实现电信号单向传输
• 通过抗干扰提高项目可靠性
• 可在多电路间实现电气隔离
• 分离输入输出部分，便于故障排查
• 减少外部输出信号对输入端的干扰
• 用微小数字信号控制大型交流电路
• 可在两个独立电路间传输模拟信号
• 实现高压元件与低压器件的互联
• 帮助降低或消除信号中的电气噪声
• 使电子设备更抗电源尖峰、电压浪涌和雷击

结语

本文提供了通俗易懂且深入的光耦合器指南。读到这里，你已对光耦合器有更深理解。希望本指南对你有帮助。感谢阅读！