光耦/光电隔离器件

简介：

• 以光电耦合元件为准光（含可见光、红外线等）作为一组传输电信号的媒介装置，其功能是隔离输入电路和输出电路，必要时通过隔离层传输电信号。光电耦合元件(英语:optical coupler，或英语：photo coupler），又称光耦合器、光隔离器和光隔离器，简称光耦合器。
• 常见的光电耦合元件是发光二极管（LED）及光晶体管（LED）放在不透明的包装中。其他组合包括LED-光电二极管，LED-LASCR灯泡-光敏电阻。光电耦合元件通常传输数字信号，但通过某些技术，模拟信号也可以通过光电耦合元件传输。
• 缺点：光电耦合元件广泛应用于电气隔离、电平转换、驱动电路和工业通信，但由于寄生输入输出电容问题，其共模瞬态抑制（Common-Mode Transient Immunity）另外，能力弱，其速度有限，光电耦合元件功耗高，元件易老化。

原理：

• 光耦合器一般由光发射、光接收和信号放大三部分组成。
• 输入的电信号驱动光发射源，使其发光，被光探测器接收电流，然后进一步放大后输出。这完成了电-光-电的转换，从而起到输入、输出、隔离的作用。由于光耦合器输入输出相互隔离，具有良好的电绝缘和抗干扰能力。由于光耦合器的输入端属于电流工作的低阻元件，具有较强的共模抑制能力。因此，作为终端隔离元件，可以大大提高信噪比。作为电脑数位通信和即时控制中的信号隔离界面设备，可以大大提高其工作可靠性。
• 光耦合器的光发射源通常是红外线的发光二极管，将电能转换为特定波长的光，在发射源和接收器之间有一个封闭的光通道（也称为电介质通道），接收器是光感测器，感知特定波长的光可能直接转换为电能或信号调变外部电源提供的电流。接收器可为光敏电阻、光电二极管、光晶体管、可控硅整流器（SCR）或TRIAC。除发射光外，发光二极管还可作为光传感元件，因此发光二极管可作为光传感元件，即对称双向光耦合器。光耦合固态继电器由有光电二极管的光耦合器驱动，通常是一对互补的MOSFET。开槽光学开关包括光发射源和接收器，但其光通道有开口。如果其他物体堵塞开口，使光无法通过，接收器产生的信号也会发生变化。

电气隔离：

• 子零件、电气信号及电源线都会受到闪电、静电放电、电磁干扰、切换脉波及电源扰动所产生的电压所影响。远方闪电感应大于10kV电压是许多电子元件的1000倍。电路也可以通过设计连接高压，因此需要安全可靠的设备来连接高压和低压元件。
• 光电耦合元件的主要功能之一是阻挡高电压和电压暂态，防止这些电路中的电压暂态影响电路的其他部分。过去，这种功能将由隔离变压器实现，电流隔离的输入和输出端可以通过电感耦合传输信号。变压器和光电耦合元件只有两种功能可以加强保护，同时保护设备和使用这些设备的人员。这些设备在物理上只有一的隔离层，但提供的保护相当于IEC在电气等级中，有双重隔离Ⅱ类电器。各国和国际标准规范对光电耦合元件的安全性、测试和认可：制造商发布的光电耦合元件规范至少应符合其中一项法律法规。
• 光电耦合元件通过输入信号调整的光束连接输入端和输出端，将有用的输入信息转换为光，使光通过介电质发送到接收端，然后转换为电气信号。变压器的本质可以双向传递能量，转换效率高。与变压器不同，大多数光电耦合元件只允许单向信号转换（但也有例外，参考双向光耦合器），不能转换功率。一般光电耦合元件只能在输出前提供信号，而不转换能量。光电耦合元件可以转换直流或缓慢变化的信号，在输入和输出侧不需要阻抗匹配。变压器和光电耦合元件可以破坏不想要的接地电路。接地电路是工业和电气设备中常见的情况，接地线会导致大电流或噪声电流[。

种类：

元件形式[note 5]	光源[10]	[10]	速度	电流转换比（CTR）[note 6]
电阻式光隔离器 （Vactrol）	电灯泡	CdS或CdSe光敏电阻（LDR）	非常慢	<100%[note 7]
	霓虹灯		低
	GaAs红外线LED		低
二极管型光耦合器	GaAs红外线LED	硅光电二极管	最高	0.1–0.2%[24]
晶体管型光耦合器	GaAs红外线LED	双极体硅晶体管	中等	2–120%[24]
		达灵顿晶体管光晶体管	中等	100–600%[24]
光耦合式SCR	GaAs红外线LED	硅控整流子	从低到中	>100%[25]
光耦合式TRIAC	GaAs红外线LED	TRIAC	从低到中	非常高
固态继电器	GaAs红外线LED叠层	光二极管叠层驱动 一对MOSFET或IGBT	从低到高[note 8]	实际上没有限制

• 晶体管耦合器：换能效率高，耐压性高，输入驱动能力低
• 高速集成电路输出耦合器：以1-10兆赫兹的速度提供高速集成光能力的接收元件。
• 三端双向可控硅耦合器：这种耦合器主要用于控制AC比如发动机和螺丝管。
• 线性耦合器：结构由红外线LED，由红外接收二极管组成，其输出为纯电流信号。在光电二极管饱和之前，输入电流与输出电流之间的线性关系比是线性输出。
• 光电继电器SSR：又称固态继电器或光电MOSFET，因为在输出处装两个MOSFET，产品导通后，会与一般产品相匹配MOSFET电阻特性相同。

应用环境：

• 光电耦合元件广泛应用于电气绝缘、电平转换、级间耦合、驱动电路、开关电路、斩波器、多谐振荡器、信号隔离、级间隔离、数字仪表、远程信号传输（工业通信）、脉冲放大、固态继电器（SSR）、仪器仪表、通信设备和微机电界面。在单片开关电源中，线性光耦合器可以形成光耦合反馈电路，通过调节控制端电流来改变占空比，达到精确稳压的目的。