光耦合器也被稱(chēng)為光耦合器或光隔離器，是一種使用光在兩個(gè)隔離電路之間傳輸電信號(hào)的組件。它在物理上和電氣上將低壓控制電路(如微控制器)與高壓或噪聲電源電路(如電動(dòng)機(jī)或交流電源)分開(kāi)。它基本上是一個(gè)固態(tài)繼電器，將兩個(gè)電隔離的電路光學(xué)互連。在本教程中，我將討論P(yáng)C817光耦合器，這是最常見(jiàn)和最便宜的4引腳光耦合器之一。

引腳配置與功能

PC817光耦合器是現(xiàn)代電子產(chǎn)品中的關(guān)鍵部件，專(zhuān)為電路中的“信號(hào)隔離”和“傳輸”而設(shè)計(jì)。它由兩個(gè)主要部分組成，在一個(gè)小的，黑色的，4針DIP封裝內(nèi)：-一個(gè)紅外LED在輸入端-和一個(gè)光電晶體管在輸出端。兩個(gè)組件彼此面對(duì)，但物理上由透明的絕緣屏障分開(kāi)，提供完全的電氣隔離在兩邊之間。該器件采用紅外LED和光電晶體管的組合，不僅可以保護(hù)敏感的電子元件免受“高壓”和“電噪聲”的影響，還可以在各種應(yīng)用中保持信號(hào)的完整性和準(zhǔn)確性。引腳1：內(nèi)部LED的陽(yáng)極(+)引腳2：內(nèi)部LED的陰極(-)引腳3：光電晶體管的發(fā)射極(-)引腳4：光電晶體管的集電極(+)

光電耦合器是如何工作的

為了充分了解光耦合器的工作原理，我們將從四個(gè)不同的角度進(jìn)行探討，每個(gè)角度都強(qiáng)調(diào)一種獨(dú)特的電路隔離方法。主要目的是使一個(gè)電路能夠激活另一個(gè)電路，同時(shí)保持它們之間的完全電氣隔離。

設(shè)置1

初始配置包括在面包板上組裝的兩個(gè)電路。電路1和電路2是電隔離的，這意味著其中一個(gè)的操作對(duì)另一個(gè)沒(méi)有影響。通電后，電路2上的LED立即亮起。相比之下，電路1上的LED由開(kāi)關(guān)控制，只有在激活時(shí)才發(fā)光。激活Circuit1中的開(kāi)關(guān)將點(diǎn)亮其LED，而Circuit2中的LED始終保持點(diǎn)亮，不受左邊電路的影響。

設(shè)置2

為了用左電路控制右電路的LED，我們可以用一個(gè)“晶體管”將它們連接起來(lái)。左側(cè)的激活開(kāi)關(guān)將電流發(fā)送到晶體管的基極，使電流從集電極流向發(fā)射極，照亮右側(cè)的LED。停用開(kāi)關(guān)將切斷基極電流，并關(guān)閉LED。然而，這種設(shè)置要求兩個(gè)電路在相同的電位下工作(例如，兩個(gè)電路都在5V)。因此，它不能用于電壓電平移動(dòng)或控制具有較高電壓的電路。

設(shè)置3

在接下來(lái)的設(shè)置中，我使用紅外LED和紅外接收器來(lái)創(chuàng)建我自己的光隔離器。電路1(左)包含紅外發(fā)射器和開(kāi)關(guān)，電路2(右)包含紅外接收器和紅外信號(hào)檢測(cè)時(shí)亮起的指示LED。撥動(dòng)開(kāi)關(guān)打開(kāi)紅外LED。紅外接收器然后檢測(cè)到這個(gè)信號(hào)，并通過(guò)照亮它的指示LED作出反應(yīng)。雖然可以手動(dòng)設(shè)計(jì)紅外電路，但PC817光耦合器提供了一個(gè)完全預(yù)先設(shè)計(jì)的解決方案，具有緊湊的內(nèi)置集成電路。

設(shè)置4

在最后的設(shè)置中，我們將使用便宜的PC817光隔離器來(lái)“光互連”和“電隔離”兩個(gè)電路。當(dāng)我們用限流電阻在引腳1和2上施加高于正向電壓(1.25v)的足夠電壓時(shí)，內(nèi)部IR LED打開(kāi)并發(fā)出紅外光。然后光線穿過(guò)絕緣屏障。正如你所看到的，在輸入和輸出之間沒(méi)有電連接。紅外光照射到光電晶體管的底部，使其打開(kāi)并在其集電極(引腳4)和發(fā)射極(引腳3)之間傳導(dǎo)電流。所以，我們可以通過(guò)一束光來(lái)控制二次電路。輸入端要求為光耦合器提供限流電阻。如果沒(méi)有它，LED就會(huì)試圖吸收電源所能提供的盡可能多的電流，很快超過(guò)其最大額定值并燒毀。最接近的標(biāo)準(zhǔn)值大約是330Ω或470Ω。輸出側(cè)(集電極側(cè))的電阻器不是用于保護(hù)，而是用于操作。它“拉起”電壓并將光電晶體管的可變導(dǎo)電性轉(zhuǎn)換為微控制器或下一個(gè)電路可以讀取的可變電壓。除非暴露在光下，光電晶體管就像絕緣體一樣，阻擋電流的流動(dòng)。因此，當(dāng)光電晶體管關(guān)閉時(shí)，LED關(guān)閉，當(dāng)光電晶體管打開(kāi)時(shí)，LED打開(kāi)。由于這種設(shè)置，一個(gè)電路上的電壓尖峰和噪聲不會(huì)破壞或破壞另一個(gè)電路。所以，我們的電路是受保護(hù)的。由于分離，兩個(gè)電路可以使用不同的電壓和電流。我們可以通過(guò)在電路2的輸出端添加其他組件(如晶體管)來(lái)擴(kuò)展該設(shè)備的功能，使其能夠控制更高的電壓和電流。請(qǐng)注意：輸入側(cè)和輸出側(cè)的接地必須分開(kāi)，以保持隔離。這就是使用光耦合器的全部意義。使用光耦合器時(shí)要考慮的另一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)是上升時(shí)間(tr)和下降時(shí)間(tf)。輸出不會(huì)隨著輸入邏輯狀態(tài)的改變而瞬間轉(zhuǎn)換。PC817的突出特點(diǎn)之一是其強(qiáng)大的電氣隔離能力，額定電壓高達(dá)“5KV”。通過(guò)制造這個(gè)屏障，它保護(hù)了昂貴的微處理器和邏輯電路，使整個(gè)系統(tǒng)更加安全和可靠。

技術(shù)規(guī)格

現(xiàn)在讓我們來(lái)看看光耦合器的技術(shù)指標(biāo)。

?封裝：PC817由四個(gè)引腳組成，可采用SMT和DIP封裝。

?正向電壓(Vf)： PC817光耦合器輸入二極管的正向電壓指定為1.25V。該參數(shù)決定紅外LED正常工作所需的最小電壓。

?正向電流(If)：絕對(duì)最大50mA，典型使用5-20mA。正向電流(IF)是流過(guò)半導(dǎo)體(如二極管或LED)的電流，當(dāng)它正向偏置和導(dǎo)電時(shí)。

?集極-發(fā)射極電壓(Vceo)： PC817最大允許集極-發(fā)射極電壓為80V。本規(guī)范適用于高壓環(huán)境下的安全操作，避免光耦合器發(fā)生電氣故障或損壞。

?電流傳遞比(CTR)： CTR是輸出電流與輸入電流(Ic / If)的比值。50%的點(diǎn)擊率是很常見(jiàn)的。如果你給LED輸入20mA，你可以從晶體管輸出10mA。

?輸入電流：通常限制在20mA以下，以確保安全操作

?隔離：輸入和輸出內(nèi)部保護(hù)，5kV電氣隔離。

?工作溫度：-30℃~100℃

?光耦焊接時(shí)的溫度范圍：260度。重要的是要注意，在焊接過(guò)程中超過(guò)規(guī)定的溫度可能會(huì)損壞IC。

?切換：PC817的總響應(yīng)時(shí)間(包括上升和下降時(shí)間)為18微秒。這種快速響應(yīng)能力對(duì)于需要快速開(kāi)關(guān)的應(yīng)用尤其有益，例如脈沖信號(hào)處理或高速開(kāi)關(guān)電路。

?內(nèi)阻：PC817內(nèi)阻100歐姆，最大功耗200mW。這些因素管理設(shè)備的能源效率和熱負(fù)荷。

?反向電流：PC817具有內(nèi)部保護(hù)從反向電流。由于IR的單向電流特性，PC817保護(hù)IR免受任何反向電流的影響。

PC817應(yīng)用程序

PC817光耦合器通常用于以下應(yīng)用：

?信號(hào)隔離與傳輸

?電氣隔離電路，能夠承受高達(dá)5kV的電壓

?數(shù)字電路與模擬電路的隔離

?電平轉(zhuǎn)換：允許5V電路控制12V、24V等電路

?單片機(jī)I/O開(kāi)關(guān)電路，有效保持電路連續(xù)性而不斷開(kāi)

?噪聲耦合電路，以保持電路在使用中沒(méi)有任何中斷

?它有助于打破地面循環(huán)

?開(kāi)關(guān)和零交叉：在AC/DC功率控制電路中，光耦合器通過(guò)引入頻率感應(yīng)脈沖來(lái)調(diào)節(jié)交流負(fù)載，從而在定義范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)精確控制

?驅(qū)動(dòng)繼電器，控制電機(jī)或交流電源開(kāi)關(guān)

光耦是繼電器的合適替代品嗎?光耦合器和繼電器之間的關(guān)鍵區(qū)別在于它們的功率處理。光耦合器用于低功率信號(hào)隔離，繼電器用于高功率負(fù)載控制。雖然存在功能重疊，但具體的負(fù)載需求決定了最佳選擇。

使用Arduino驅(qū)動(dòng)12V電機(jī)

12V直流電機(jī)不能直接連接到Arduino引腳。電機(jī)的“高功率需求”和“電氣噪聲”會(huì)損壞敏感的微控制器。為了緩解這個(gè)問(wèn)題：Arduino通過(guò)PC817光耦合器控制12V電機(jī)。Arduino引腳上的高信號(hào)激活光耦合器的LED，打開(kāi)其內(nèi)部的光電晶體管為電機(jī)供電。低信號(hào)將其關(guān)閉。PC817電氣隔離Arduino的5V地和電機(jī)的12V地，保護(hù)Arduino免受電機(jī)引起的噪聲。

為什么光耦合器會(huì)失效?

光耦合器故障的常見(jiàn)原因包括：

?電壓浪涌：高壓浪涌會(huì)破壞光耦合器的隔離屏障，導(dǎo)致永久性故障

?過(guò)流：輸入端或輸出端超過(guò)規(guī)定的電流會(huì)損壞光耦合器的內(nèi)部元件

?老化：光耦合器的性能隨著時(shí)間的推移而下降，因?yàn)樗鼉?nèi)部的LED老化并失去效率

?環(huán)境因素：惡劣的環(huán)境條件，特別是極端的溫度和濕度，會(huì)導(dǎo)致光耦合器的性能下降或失效

?組裝：在電路組裝過(guò)程中，確保所有連接和焊點(diǎn)穩(wěn)定完好

本文編譯自hackster.io