一文了解光电耦合器：工作原理、使用方法及选型方法

光电耦合器是在绝缘状态下传输信号时使用的器件。这种器件从很早以前就已经在各个领域被广为使用，是很重要的器件，考虑到有些人可能对于详细的工作原理、使用方法以及选型方法等还有不甚了解之处。

本文将从概述到工作原理、种类、特点、用途、选型方法等多个角度为大家介绍其基础知识。希望大家通过本文能够加深对光电耦合器的了解并能够运用自如。

什么是光电耦合器？

光电耦合器是一种能够利用光信号将信号从输入端传输至输出端的器件，是可在两个隔离的电路之间传输电信号的半导体器件，也称为“光耦”、“光电隔离器”、“光耦合器”或“光隔离器”。

在英语中，多使用“optocoupler”一词。

光电耦合器利用光信号传输信号，因此具有即使电路处于隔离状态也能传输信号的特点。光电耦合器由发光二极管（LED、IR-LED）等发光器件和光电晶体管、光电二极管等光接收器件组成，通过封装来防止光从外部进入。

其他半导体光电器件

光电耦合器是半导体光电器件的一种，半导体光电器件大致可以分为发光器件、光接收器件、光耦合器件和光通信器件四种。发光器件是指发光二极管（LED）等发光器件，光接收器件是指光电二极管、光电晶体管等用来接收光的器件，光耦合器件是指将发光器件和光接收器件组合起来用以传输信号的器件。光电耦合器也是光耦合器件的一种。

・发光器件：发光的器件（LED、IR-LED、激光二极管等）

・光接收器件：接收光的器件（光电二极管、光电晶体管、晶闸管、双向可控硅、图像传感器等）

・光耦合器件：利用发光器件和光接收器件传输信号的器件（光电耦合器、光电继电器、光电断续器等）

・光通信器件：利用光信号传输数据的器件（光纤用激光二极管芯片等）

光电耦合器的工作原理

光电耦合器按照以下流程传输信号：

1.利用发光器件将输入的电信号转换为光信号

2.利用发光器件和光接收器件传输光信号

3.利用光接收器件将光信号复原为电信号并输出

光电耦合器的输入端和输出端之间处于电气隔离状态，该器件可在隔离状态下传输信号。光电耦合器中使用的发光器件是LED或IR-LED，而使用的光接收器件则多种多样，比如光电晶体管、光电二极管和双向可控硅等。尽管这些器件有时与光电耦合器结合在一起被当作一个整体看待，但最好分别了解每种器件的特性。在“光电耦合器的种类”一节中，将对每种光电耦合器进行详细介绍。

另外，光电断续器也是一种光耦合器件，其原理与光电耦合器相同。光电遮断续器被作为检测通过发光器件和光接收器件之间的遮光物体的传感器使用，可在自动售货机、ATM等应用中用来检测硬币和纸币。

・光电耦合器信号传输示意图

・光电耦合器电路图

光电耦合器的种类

根据光接收器件的不同，光电耦合器主要分为以下四种。下面会分别介绍每种光电耦合器的特点。

・晶体管输出

这是最常见的光电耦合器，使用光电晶体管作为光接收器件。这种是最早诞生的光电耦合器，历史悠久，具有价格低廉、通用性强的特点。以往存在转换效率差、耐压能力低等问题，但如今已经开发出转换效率高、耐压能力高的产品。

・IC输出

这是集成了光接收器件的光电耦合器。通过集成光接收器件，与普通光电耦合器（只能传输数kHz〜十数kHz的信号）相比，延迟时间更短，而且还能传输高达数十kHz的高频信号。

・双向可控硅（TRIAC）输出

使用双向可控硅（晶闸管）输出的光电耦合器，也称为“双向可控硅（TRIAC）光耦”。这种产品采用耐高压的双向可控硅作为与家庭、办公室、工厂等使用的商用电源相连接的开关器件。双向可控硅光耦单体的电流极限约为100mA，但通过在光耦外部增加双向可控硅，就可以控制高达数A的电流。

・MOSFET输出（光电继电器输出）

使用MOSFET输出的光电耦合器，也称为“光电继电器”。光电继电器既支持交流福哉，也支持直流负载，与机械继电器相比，具有寿命更长、速度更快、噪声更低、运行更安静的特点。这种产品不仅被用来实现简单的开关功能，还适用于模拟信号切换应用。

光电耦合器的特性和优点

下面介绍光电耦合器的特性及其四大优点。

・可在隔离状态下传输信号

光电耦合器是利用光来传输信号的，因此允许电路处于隔离状态。即使在GND和电源电压不同的电路中，也可以轻松传输信号。另外，通过让电路处于隔离状态（绝缘状态），在安全方面也有优势，比如可以防止相邻电路之间流入的意外电流引起的故障、可以防止触电等。

・不易受噪声影响

光电耦合器可以隔离包括GND在内的电信号，因此可以减少噪声的影响。由于不易受噪声影响，所以有助于稳定运行并防止误动作和故障。例如，工厂等使用的电机，是由逆变器在控制转速的同时进行驱动的，但因其输出较大，所以会产生很大的噪声。为了防止噪声影响到电机本身或外围设备，很多情况下会在电机驱动系统中使用光电耦合器。

・价格合理，种类丰富

光电耦合器的另一个优点是结构简单且价格合理。由于该产品历史悠久，相关制造商已拥有丰富的产品阵容，所以很容易选择满足电路和设备需求的产品。

・寿命长

光电耦合器没有物理触点和机械驱动，因此不易因零部件磨损而损坏，使用寿命很长。与具有物理触点和机械驱动的产品相比，光电耦合器的寿命更长，性能更稳定。但是，需要注意LED老化和烧损劣化。当LED老化导致发光效率下降时，输出功率也会相应地下降。

光电耦合器的应用和产品示例

下面介绍前面提到的光电耦合器的实际应用和具体产品示例。

・光电耦合器的应用

光电耦合器主要用作开关器件，适用于以下场景：

在电路间隔离（绝缘）的状态下传输信号时

在基准电位（GND）不同的电路间传输信号时

使用不同地电压传输信号时

例如，在DC-DC转换器的控制电路中，常常采用光电耦合器和并联稳压器来隔离输入和输出并放大输出电压的误差。

・光电耦合器和电阻器

当使用光电耦合器时，可以在输入端使用电阻器。使用电阻器有两种目的，具体取决于将电阻与输入端串联还是并联。串联使用电阻器时也称被为“限流电阻”，用来抑制输入电流，使其不超过额定值。而并使用电阻器时，则用来防止光电耦合器因来自其他元器件的微弱电流而无法工作的情况。

・使用了光电耦合器的产品示例

使用光电耦合器的产品包括医疗用的电子设备、PLC、音响设备和信息通信设备等。

・医疗电子设备

在与患者身体接触的医疗电子设备中会使用光电耦合器。这是为了避免在与患者身体接触时接触部位触电。包括国际标准在内，世界各国都对光电耦合器制定了安全标准，需要使用符合安全标准的光电耦合器。

・PLC

制造业中使用的PLC时序控制器的输入线路中会使用光电耦合器。PLC是用来控制工厂内各种设备运转的装置。因此，PLC是通过与工厂内的各种负载相连接来使用的。当负载运行时，会产生很多噪声，如果噪声传递到PLC，就可能导致问题或故障，最坏的情况甚至会导致工厂中的设备无法控制。为了防止这种情况发生，会在PLC输入线路中使用光电耦合器来隔断噪声。

・音响设备

容易受噪声影响的放大器音响设备和信息通信设备中也会使用光电耦合器。这是因为使用光电耦合器可以在隔离状态下传输信号，从而减轻噪声的影响。音响设备和通信设备特别容易受到噪声的影响，因此通常使用光电耦合器来解决噪声问题。

光电耦合器的选型方法

下面介绍选择光电耦合器时需要确认的一些关键要点。

・常开和常闭的区别

光电耦合器有两种类型，一种是常开型（Normally-open type），即不施加电压时开关关闭（OFF）、施加电压时开关打开（ON）；另一种常闭型（Nomally-closed type），即不施加电压时开关打开（ON）、施加电压时开关关闭（OFF）。需要注意的是，常开型和常闭型的工作是相反的。购买前请务必根据电路需求来确认具体需要常开型还是常闭型产品。

・CTR（Current Transfer Ratio，电流传输比）等级

光电耦合器的重要参数之一是电流传输比（CTR）。CTR是集电极输出电流与LED输入电流的比值。CTR因光电晶体管的结构而有很大差异，即使是相同的光电晶体管，也会因元器件而产生差异。另外，CTR的值会受连续运行时间、环境温度、老化等因素的影响而波动。也就是说，CTR是存在波动的参数，光电耦合器根据CTR的变化是有等级的。在选择光电耦合器时，需要先确认技术规格书上的CTR等级再选择合适的产品。另外，如果CTR不能满足要求，最好增加放大电路或使用达林顿光电耦合器来进行设计。

・确认所需的输出电流和额定值

即使在CTR等级和最大导通电流范围内，实际可以输入和输出的电流也有额定值。使用光电耦合器时，请事先确认所需的输出电流，并选择与其相匹配的产品。另外要考虑到需要施加与所需输出电流相对应的电压，来根据技术规格书选择额定值有裕量的产品。

・研发不需要光电耦合器的产品

光电耦合器是价格低廉且用途广泛的产品，但它的一些缺点也需要注意，比如LED和IR-LED会随着时间的推移而老化，功耗相对较大，信号响应速度不是很快。如今，市场上已经有功耗和响应速度都得到改善的产品，由于并非所有电路都需要高速响应，所以后两项缺点已经达到可以不再被视为缺点的程度了，但随着时间的推移而老化这一点，还是很大的问题点。比如工业设备等使用寿命较长的设备，会由于光电耦合器的寿命先到了而需要更换电源模块或单元。

为了减轻这种负担，根据应用需求研发不需要光电耦合器的产品应该是个好主意。通过不使用光电耦合器来延长电源的使用寿命，可以降低设备维护成本，而且所用组件数量减少了，设计也会更简单。

加深对光电耦合器的了解并运用自如

光电耦合器是一种即使在隔离（绝缘）状态下也可使用光信号来传输信号的器件。由于光电耦合器可以在隔离（绝缘）状态下传输信号，所以很容易在电压不同的电路之间传输信号，从而可减少设备故障并降低触电风险。另外，噪声低、价格合理、产品种类丰富也是光电耦合器的重要特点。光电耦合器可根据光接收器件的不同而分为很多种类，因此了解每种光电耦合器的光接收器件所带来的差异是非常重要的。

另外，近年来，在解决传统光电耦合器所面临的一些课题（例如小型化、功耗的改善、老化所带来的影响的改善）方面，相应的技术开发已经取得进展。另一方面也在积极推进原本不需要光电耦合器的产品开发。如果不再需要光电耦合器，就可以相应地减少老化带来的维护成本和电路设计负担。未来，根据电路需求来确定是否需要光电耦合器将会变得很重要。