介紹

光耦合器不僅可以保護(hù)敏感電路，還可以使工程師設(shè)計(jì)各種硬件應(yīng)用。光耦合器通過(guò)保護(hù)元件，可以避免更換元件的大量成本。然而，光耦合器比保險(xiǎn)絲更復(fù)雜。光耦合器還可以通過(guò)光耦合器連接和斷開(kāi)兩個(gè)電路，從而方便地控制兩個(gè)電路之間的連接。光耦合器廣泛用于電子、電氣和通信系統(tǒng)。

如何保護(hù)敏感電路免受高壓影響

光耦合器通常用于抑制進(jìn)入MCU電路的反電動(dòng)勢(shì)、噪聲和電涌。光耦合器通過(guò)完全的電絕緣在高壓設(shè)備和微控制器之間建立安全連接。如果高壓電路引起電涌，浪涌?jī)H保留在光耦合器的輸出側(cè)，輸入側(cè)的電路保持安全且不受影響，因?yàn)閮蓚?cè)都是電氣隔離的。光耦合器也稱為光電二極管、光隔離器、光電耦合器和光隔離器。

PC817等標(biāo)準(zhǔn)光耦合器支持高達(dá)5 kV的輸入-輸出隔離電壓。[i] 大多數(shù)電子元件在 10 V 以下工作，如果雷電浪涌進(jìn)入系統(tǒng)，它可以感應(yīng)高達(dá) 10 KV 的電壓——這足以一次炸毀電子元件。一些商業(yè)規(guī)模的光耦合器可以承受高達(dá)10 KV的輸入輸出隔離電壓，用于防止雷擊。

更換印刷電路板(PCB) 上燒毀的組件可能非常不方便。但是，光耦合器可用于保護(hù)昂貴的元件。發(fā)生故障時(shí)，光耦合器會(huì)燒毀，電路的其余部分不受影響。光耦合器不直接焊接在電路上;相反，它們被放置在集成芯片(IC)插座中，因此在燃燒時(shí)始終可以輕松更換。

有關(guān)光耦合器內(nèi)部工作原理以及如何使用LED和光電二極管構(gòu)建自己的光耦合器的詳細(xì)說(shuō)明，請(qǐng)參閱之前名為保護(hù)MCU：構(gòu)建自己的光耦合器的文章。

為什么光耦合器輸入側(cè)和輸出側(cè)的接地電平?jīng)]有連接?

光耦合器輸入/輸出(I/O)所在側(cè)的電路旨在保護(hù)其免受任何一側(cè)可能的風(fēng)險(xiǎn)的影響。盡管術(shù)語(yǔ)“接地”電壓聽(tīng)起來(lái)總是0 V，但事實(shí)并非如此。5 V電源和220 VAC電源的接地電平可能大不相同;5 V電源觀察到的接地電壓不需要與220 VAC的接地電壓相同。

在這種情況下，連接來(lái)自不同來(lái)源的接地層可能是危險(xiǎn)的。即使220 VAC 降壓并整流至 5 VDC，仍然不建議將兩側(cè)的地面相互連接。這樣做會(huì)產(chǎn)生電毛刺，這就是為什么光耦合器兩個(gè)I/O側(cè)的接地電平始終保持電氣斷開(kāi)的原因。有關(guān)公共點(diǎn)及其路徑通常如何連接的詳細(xì)信息，請(qǐng)閱讀Bill Schweber的文章“地面和公共點(diǎn)應(yīng)該如何相互連接?

阻抗匹配：使用光耦合器解決問(wèn)題

在許多通信電路中，必須在多個(gè)組件之間建立匹配阻抗。不匹配可能會(huì)導(dǎo)致輸出不合適。然而，光耦合器可用于信號(hào)傳輸，而無(wú)需兩側(cè)阻抗匹配，這就是光耦合器廣泛用于高速電信設(shè)備的原因。根據(jù)Janet Heath的說(shuō)法，“在理想的世界中，來(lái)自引腳的信號(hào)能量將穿過(guò)PCB走線并完全被負(fù)載吸收。但是，如果能量沒(méi)有完全被負(fù)載(接收器)吸收，剩余能量可以通過(guò)PCB走線反射回來(lái)，到達(dá)輸出引腳(驅(qū)動(dòng)器)的原始能量源。[iii] 基于光電二極管的光耦合器(如東芝TLP2719光電耦合器)可以支持高達(dá)1Mbps的信號(hào)速度。 高速光耦合器的數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)50 Mbps。

使用光耦合器檢測(cè)交流電源的過(guò)零

在許多應(yīng)用中，檢測(cè)交流電源的過(guò)零至關(guān)重要。例如，典型的功率因數(shù)校正系統(tǒng)測(cè)量實(shí)際功率和無(wú)功功率(兩者都是總功率的組成部分)之間的角度差異。實(shí)際功率和無(wú)功功率之間的差異是通過(guò)監(jiān)測(cè)電壓和電流波的“過(guò)零”來(lái)測(cè)量的。“過(guò)零”是電子、聲學(xué)、數(shù)學(xué)和圖像處理中常用的術(shù)語(yǔ)。過(guò)零表示波形穿過(guò)其坐標(biāo)軸的位置(即，如果您繪制了波形)。過(guò)零還指示波形(表示為數(shù)學(xué)函數(shù))何時(shí)從正向負(fù)切換，然后再切換回來(lái)。請(qǐng)注意，某些頻率測(cè)試電路的工作原理是監(jiān)控交流源波形中的過(guò)零。

光耦合器可用于檢測(cè)交流電源的過(guò)零。光耦合器的響應(yīng)時(shí)間僅為納秒;它在零點(diǎn)過(guò)境時(shí)迅速打開(kāi)和關(guān)閉。通過(guò)在交流電源上使用整流器和濾波器，可以從光耦合器獲得數(shù)字信號(hào)。[vi] 使用RC濾波器，可以根據(jù)需要改變輸出波形。

圖1：使用光耦合器進(jìn)行交流電源監(jiān)控的電路圖交流輸入在向光耦合器的IRED發(fā)出信號(hào)之前經(jīng)過(guò)整流和濾波。

帶光耦合器的開(kāi)關(guān)器件

光耦合器用作微控制器數(shù)字輸出和需要控制的外部元件之間的安全屏障。

圖2：顯示 PIC16F877A 微控制器 (U2) 和 PC817C 光耦合器 (U1) 之間連接的電路圖。光耦合器用于切換LED(D1)。晶體管和繼電器可用于開(kāi)關(guān)電壓相對(duì)較高的負(fù)載。

圖3中微控制器的數(shù)字輸出啟動(dòng)5 VDC(數(shù)字)信號(hào)，用于切換光耦合器(U1)中的IRED。微控制器的輸出引腳和光耦合器中的IRED可以支持有限的電流;因此，建議在微控制器的輸出和光耦合器的輸入之間使用限流電阻。當(dāng)IRED導(dǎo)通時(shí)，紅外光落在光電晶體管上，光電晶體管驅(qū)動(dòng)(激勵(lì))光電晶體管，之后電流開(kāi)始在集電極和發(fā)射極引腳之間流動(dòng)。光電晶體管的集電極和發(fā)射極支持有限的電流。如果需要控制具有更高電流規(guī)格的器件，則可以使用晶體管來(lái)放大光耦合器的輸出。

開(kāi)關(guān)器件的接地未與微控制器電路上的公共接地連接，因?yàn)檫@可能導(dǎo)致噪聲泄漏流向微控制器。

使用光耦合器讀取輸入信號(hào)

光耦合器可用于從任何源安全地讀取邏輯0和邏輯1的電平。例如，來(lái)自無(wú)變壓器電源的電壓可能包含噪聲。在這種情況下，如果輸入信號(hào)直接與微控制器連接，則來(lái)自輸入信號(hào)的噪聲會(huì)影響微控制器的工作方式。同樣，如果微控制器的輸入意外暴露在電涌中，微控制器會(huì)立即被破壞(即，它會(huì)燃燒或“釋放魔煙”。然而，在微控制器和輸入信號(hào)之間使用光耦合器就像保險(xiǎn)單一樣，可以防止此類事故的發(fā)生。

圖3：顯示 Microchip PIC16F877A 微控制器(上圖U2)和PC817C光耦合器(上圖U1)之間連接的電路圖。光耦合器用于讀取數(shù)字信號(hào)。

結(jié)論

光耦合器不僅可以保護(hù)敏感電路，還可以使工程師設(shè)計(jì)各種硬件應(yīng)用。使用光耦合器可以節(jié)省大量更換元件的成本，并且可以通過(guò)連接/斷開(kāi)光耦合器來(lái)方便地控制兩個(gè)電路之間的連接。光耦合器廣泛用于電子、電氣和通信系統(tǒng)。

審核編輯：湯梓紅