光耦合器的工作原理

了解光耦合器。在本文中，我们将了解它们如何用于控制电路、它们如何工作以及如何设计一些简单的光耦合器电路来展示其工作原理。

光耦合器是看起来像这样的集成电子元件。

它们也被称为光隔离器、光隔离器和光电耦合器。在这个版本中，我们的主体带有 4 个引脚。引脚 1 为阳极，引脚 2 为阴极，引脚 3 为集电极，引脚 4 为****极。

我们在管脚 1 旁边的主体中还有一个小的圆形凹痕，我们用它来识别不同的管脚。在车身上我们还有一些文字，这是零件号。我们使用它来识别光耦合器的类型并找到制造商的数据表。

该设备基本上是一个固态继电器，可将两个独立的电路互连。电路一连接在引脚 1 和 2 之间，第二个电路连接在引脚 3 和 4 之间。这允许电路 1 控制电路 2。我们也可以用它来传输信号，但两个电路彼此电隔离其他。

为什么这很重要？因为一个电路上的电压尖峰和噪声不会破坏或干扰另一个电路。因此，我们的电路受到保护。由于内部的半导体材料，它们也将只允许电子沿一个方向流动。

由于分离，这两个电路因此可以使用不同的电压和电流。我们可以通过向电路二的输出添加其他组件（例如晶体管）来扩展设备的功能。这使我们能够控制更高的电压和电流并自动化电路控制。

光耦合器有多种变体，但本文将坚持使用基本的光电晶体管版本。当我们查看这个光耦合器的符号时，我们看到左侧有一个 LED 符号，右侧的符号看起来非常类似于晶体管，这是因为它是被称为光电晶体管的晶体管的改进版本。端子被命名为集电极和****极，就像普通晶体管一样，只是我们缺少基极引脚。

在普通的晶体管电路中，我们有主电路和控制电路。晶体管阻止主电路中的电流，因此灯熄灭。当我们在管脚上施加一个小电压时，这将打开晶体管并允许电流在主电路中流动，因此主灯打开。

顺便说一下，我们在上一篇文章中详细介绍了晶体管的工作原理，请单击此处。

光耦合器内的晶体管的工作原理略有不同。它还可以阻止主电路中的电流，但它充当接收器。当 LED 发出的光照射到晶体管上时，这将打开它并允许电流在主电路中流动。

因此，当电路 1 完成时，LED 亮起。这会发出一束光，它击中晶体管。晶体管检测到这一点并打开，允许电流在电路 2 中流动。我们通过打开和关闭内部 LED 来简单地控制它。光电晶体管就像一个绝缘体，阻止电流流动，除非它暴露在光线下。

LED 和晶体管都封装在外壳内，所以我们看不到它们，但我们可以看到它们如何与这些简单的电路一起工作，我们将在本文后面进行介绍。

那么LED是如何开启晶体管的呢？在光电晶体管内部，我们有不同的半导体材料层。有N型和P型，夹在一起。N型和P型均由硅制成，但它们都与其他材料混合以改变其电气特性。N 型已与一种材料混合，这为其提供了许多额外的和不需要的电子。这些可以自由移动到其他原子。P 型已与另一种电子较少的材料混合。所以，这有很多电子可以移动的空白空间。

当材料连接在一起时，会形成电势垒并阻止电子流动。但是，当 LED 开启时，它会发出另一种称为光子的粒子。照片击中 P 型材料并将电子撞击到势垒上并进入 N 型材料。第一个势垒处的电子现在也能够进行跳跃，因此产生了电流。一旦 LED 关闭，光子就会停止撞击电子越过势垒，因此次级侧的电流停止。

因此，我们可以仅使用一束光来控制次级电路。

这是因为半导体材料。在普通电线中，铜是导体，橡胶是绝缘体。电子可以很容易地流过铜，但它们不能流过橡胶绝缘体。看一下金属导体的基本模型，我们在中心有一个原子核，周围有许多轨道壳层，这些壳层包含电子。每个壳层拥有最大数量的电子，一个电子需要一定量的能量才能被每个壳层接受，离原子核最远的那些能量最大。

最外层的壳称为价壳，导体的价壳中有 1 到 3 个电子。电子由原子核固定在适当的位置，但还有另一个称为导带的壳层。如果一个电子可以到达这个导带，那么它就可以脱离原子并移动到其他原子。

对于金属原子，例如铜，价壳层和导带重叠，因此电子很容易脱离并移动到另一个原子。使用绝缘体时，最外层的外壳被挤满，几乎没有空间供电子加入。原子核紧紧抓住电子，而导带距离很远，因此电子无法到达导带以逃逸。因此电流不能流过这种材料。但是，半导体则不同，它的价壳层中的电子太多，无法成为导体，因此它的作用类似于绝缘体。但是，导带非常接近，所以如果我们给电子提供一些外部能量，一些电子就会获得足够的能量，从而跳入导带并变得自由。所以，

我们将看到的第一个电路使用一个光敏电阻器和一个白色 LED。LDR 的电阻取决于它暴露在多少光线下。在黑暗中它具有非常高的电阻，在明亮的光线中它具有非常低的电阻。

这个白色 LED 的额定电流为 20mA，如果我将它连接到直流工作台电源，我们看到它需要 3V 才能达到 20mA。

当我测试这个 LDR 时，我们看到在昏暗的灯光下它的电阻约为 40 千欧。当我把它藏在手里时，它大约是 4 兆欧，用两只手完全覆盖它时，它大约是 9 兆欧。但是，当我将白色 LED 照射到 LDR 上时，其电阻约为 66 欧姆。如果我用手指环绕它们，大约是 70 欧姆。

因此，在初级电路上，我们需要一个电压降为 3V 并使用 0.02A 电流的白光 LED。我们将用一个开关控制它并使用 9V 电池为电路供电。电阻为 LED 的 9V 减去 3V，等于 6V。这将是电阻器的压降。电路电流为 0.02A，因此 6V 除以 0.02A 为 300 欧姆。

现在，它可以在 0.02A 下正常工作，但我将使用稍高的电阻值来降低 LED 的电流，这也会稍微降低 LED 的亮度。我将使用一个 330 欧姆和一个 22 欧姆的电阻器，它们结合起来形成 352 欧姆的电阻。6V 除以 352 欧姆为 0.017A。

我将组件放入电路中，它看起来像这样。电流将像这样流过电路，使用常规电流显示。当我按下开关时，LED 亮起。

在次级侧，我们有一个压降为 2V 和电流为 0.02A 的红色 LED，它会亮起表示电路正在工作。我们将 LDR 放置在白色 LED 的对面，当暴露在光线下时，这将提供大约 70Ω 欧姆的电阻。要找到 LED 的电阻，我们只需要做 9V 减去 2V，即 7V。7V 除以 0.02A 是 350 欧姆。LDR 的 350 减去 70 欧姆是 280 欧姆。取而代之的是，我将使用两个等于 300 欧姆的 150 欧姆电阻器。因此，假设 LDR 为 70 欧姆，我们有 370 欧姆的电阻。7V 除以 370 欧姆为 0.019A。

所以，我将组件放在电路的次级侧，它看起来像这样。请注意红色 LED 亮起，这是因为 LDR 正在接收来自房间的环境光。如果你拿一些电工胶带，剪下几小块并将它们包裹在 LDR 和 LED 上。

这阻挡了房间的环境光，LED 现在关闭。当我按下初级电路上的按钮时，白色 LED 亮起，这会照亮 LDR，从而打开次级侧的红色 LED。

电路 1 的问题是自然光激活了电路。因此，对于该电路，我们将使用红外****和接收器代替。

在初级侧，我们有一个红外线****，我使用的那个额定电流为 30mA，但我将使用比这更少的电流。当我测试 LED 时，我们看到 1.2V 的电流为 0.02A。所以，我们将使用这个值。顺便说一下，如果你用眼睛看这个，你不会看到任何光，因为它是红外线，而人类看不到红外线，所以你会假设它是关闭的，但事实并非如此。如果您使用手机的摄像头，您会看到它实际上已开启。您可以使用电视遥控器自行测试，因为它也使用红外线。

因此，在初级侧，我们有一个 9V 电源和一个压降为 1.2V 的红外 LED ****。我们在电路中放置一个红色 LED 来指示电路何时被激活，因为我们看不到红外线。这有 2V 的压降和 0.02A 的电流需求，所以 9v 减去 2V 减去 1.2V 是 5.8V。电路的电流将为 0.02A，因此 5.8V ÷ 除以 0.02A 是 290Ω 欧姆。我没有 290 欧姆的电阻器，所以我将使用 270 和 22 欧姆的电阻器。这给出了 292 欧姆。5.8V 除以 292 欧姆是 0.01986A，所以没问题。我们还将使用一个开关来控制它。

当我将组件连接到电路中时，它看起来像这样。当我按下开关时，红色 LED 亮起，红外 LED 发出一束光。

在次级侧，我们有接收器 LED，该 LED 的额定电压高达 1.4V 和 30mA。我们将在这一侧包含一个红色 LED，以指示电路何时被激活。它的压降为 2V，电流为 0.02A。所以，我们在电源上有 9v，减去 2V，减去 1.4V 是 5.6V。5.6 除以 0.02A 是 280 欧姆。我将使用 270 欧姆和 10 欧姆来获得所需的 280 欧姆。

我将这些组件放入电路中，它看起来像这样。****和接收器相对且靠近。当我按下开关时，主红色 LED 灯亮起，****向接收器发出一束红外光。接收器检测到这一点并允许电流流动，因此次级侧红色 LED 也会打开。

第三个电路使用PC817光耦合器。

输入端使用内部 LED，LED 额定电压为 1.2V 和 20mA。我可以将一个连接到直流电源，看到 1.2V 时电流为 0.02A，因此我们将使用此值。在输入端，我们将使用一个开关来控制电路和一个红色 LED 来指示电路何时被激活。这具有 2V 的压降和 0.02A 的电流。所以用 9V 电源，9V 减去 2V，减去 1.2V 就是 5.8V。5.8V 除以 0.02A 是 290 欧姆。我将使用一个 270 欧姆和一个 22 欧姆的电阻来制作 292 欧姆。5.8V 除以 292 欧姆是 0.01986A，所以这很好。

我将组件放入电路板，它看起来像这样。当我按下开关时，红色 LED 将亮起。

对于次级侧，光耦合器的额定电流最大为 50mA。我们将在次级侧使用红色 LED，其电压降为 2V，电流为 0.02A。次级侧将有一个 9V 电源，正极连接到集电极，****极连接到负极。我们必须使用电阻器，否则会损坏光耦合器。

查看制造商的数据表，我们看到了一个带有集电极电流 v 的集电极****极电压的图表。我们的红色 LED 的集电极电流为 20mA。所以阅读我们移动的图表，直到我们到达 20ma 线，这表明集电极****极电压为 2V。

我们有一个 9V 电源，因此 9V 减去 LED 的 2V 和晶体管集电极****极的 2V，等于 5V。5V除以0.02A的集电极电流为250欧姆。我没有 250 欧姆的电阻器，所以我将使用 100 欧姆和 150 欧姆的电阻器，它们组合形成 250 欧姆。

所以我将组件放入电路中，它们看起来像这样。次级侧关闭，但是，当我按下开关时，初级侧红色 LED 开启，光耦合器内部的 LED 开启，光束击中内部光电晶体管，从而允许电流在次级侧流动，因此二级红色 LED 灯亮起。