為什么要在電子產(chǎn)品中使用光耦合器？

介紹

光耦合器不僅可以保護敏感電路，還可以使工程師設計各種硬件應用。光耦合器通過保護元件，可以避免更換元件的大量成本。然而，光耦合器比保險絲更復雜。光耦合器還可以通過光耦合器連接和斷開兩個電路，從而方便地控制兩個電路之間的連接。光耦合器廣泛用于電子、電氣和通信系統(tǒng)。

如何保護敏感電路免受高壓影響

光耦合器通常用于抑制進入MCU電路的反電動勢、噪聲和電涌。光耦合器通過完全的電絕緣在高壓設備和微控制器之間建立安全連接。如果高壓電路引起電涌，浪涌僅保留在光耦合器的輸出側，輸入側的電路保持安全且不受影響，因為兩側都是電氣隔離的。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等標準光耦合器支持高達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，如果雷電浪涌進入系統(tǒng)，它可以感應高達 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昂貴的元件。發(fā)生故障時，光耦合器會燒毀，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，因此在燃燒時始終可以輕松更換。

有關光耦合器內部工作原理以及如何使用LED和光電二極管構建自己的光耦合器的詳細說明，請參閱之前名為保護MCU：構建自己的光耦合器的文章。

為什么光耦合器輸入側和輸出側的接地電平?jīng)]有連接?

光耦合器輸入/輸出(I/O)所在側的電路旨在保護其免受任何一側可能的風險的影響。盡管術語“接地”電壓聽起來總是0 V，但事實并非如此。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，連接來自不同來源的接地層可能是危險的。即使220 VAC 降壓并整流至 5 VDC，仍然不建議將兩側的地面相互連接。這樣做會產(chǎn)生電毛刺，這就是為什么光耦合器兩個I/O側的接地電平始終保持電氣斷開的原因。有關公共點及其路徑通常如何連接的詳細信息，請閱讀Bill Schweber的文章“地面和公共點應該如何相互連接?

阻抗匹配：使用光耦合器解決問題

在許多通信電路中，必須在多個組件之間建立匹配阻抗。不匹配可能會導致輸出不合適。然而，光耦合器可用于信號傳輸，而無需兩側阻抗匹配，這就是光耦合器廣泛用于高速電信設備的原因。根據(jù)Janet Heath的說法，“在理想的世界中，來自引腳的信號能量將穿過PCB走線并完全被負載吸收。但是，如果能量沒有完全被負載(接收器)吸收，剩余能量可以通過PCB走線反射回來，到達輸出引腳(驅動器)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1Mbps的信號速度。 高速光耦合器的數(shù)據(jù)傳輸速率高達50 Mbps。

使用光耦合器檢測交流電源的過零

在許多應用中，檢測交流電源的過零至關重要。例如，典型的功率因數(shù)校正系統(tǒng)測量實際功率和無功功率(兩者都是總功率的組成部分)之間的角度差異。實際功率和無功功率之間的差異是通過監(jiān)測電壓和電流波的“過零”來測量的?！斑^零”是電子、聲學、數(shù)學和圖像處理中常用的術語。過零表示波形穿過其坐標軸的位置(即，如果您繪制了波形)。過零還指示波形(表示為數(shù)學函數(shù))何時從正向負切換，然后再切換回來。請注意，某些頻率測試電路的工作原理是監(jiān)控交流源波形中的過零。

光耦合器可用于檢測交流電源的過零。光耦合器的響應時間僅為納秒;它在零點過境時迅速打開和關閉。通過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。[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)出信號之前經(jīng)過整流和濾波。

帶光耦合器的開關器件

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關電壓相對較高的負載。

圖3中微控制器的數(shù)字輸出啟動5 VDC(數(shù)字)信號，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IRED導通時，紅外光落在光電晶體管上，光電晶體管驅動(激勵)光電晶體管，之后電流開始在集電極和發(fā)射極引腳之間流動。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放大光耦合器的輸出。

開關器件的接地未與微控制器電路上的公共接地連接，因為這可能導致噪聲泄漏流向微控制器。

使用光耦合器讀取輸入信號

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，來自無變壓器電源的電壓可能包含噪聲。在這種情況下，如果輸入信號直接與微控制器連接，則來自輸入信號的噪聲會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，微控制器會立即被破壞(即，它會燃燒或“釋放魔煙”。然而，在微控制器和輸入信號之間使用光耦合器就像保險單一樣，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。

結論

光耦合器不僅可以保護敏感電路，還可以使工程師設計各種硬件應用。使用光耦合器可以節(jié)省大量更換元件的成本，并且可以通過連接/斷開光耦合器來方便地控制兩個電路之間的連接。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