什么是光耦合器?光耦合器的工作原理是什么?

了解光耦合器。在本文中，我們將了解它們?nèi)绾斡糜诳刂齐娐?、它們?nèi)绾喂ぷ饕约叭绾卧O(shè)計(jì)一些簡(jiǎn)單的光耦合器電路來(lái)展示其工作原理。

什么是光耦合器?

光耦合器是看起來(lái)像這樣的集成電子元件。

它們也被稱為光隔離器、光隔離器和光電耦合器。在這個(gè)版本中，我們的主體帶有 4 個(gè)引腳。引腳 1 為陽(yáng)極，引腳 2 為陰極，引腳 3 為集電極，引腳 4 為發(fā)射極。

我們?cè)诠苣_ 1 旁邊的主體中還有一個(gè)小的圓形凹痕，我們用它來(lái)識(shí)別不同的管腳。在車身上我們還有一些文字，這是零件號(hào)。我們使用它來(lái)識(shí)別光耦合器的類型并找到制造商的數(shù)據(jù)表。

該設(shè)備基本上是一個(gè)固態(tài)繼電器，可將兩個(gè)獨(dú)立的電路互連。電路一連接在引腳 1 和 2 之間，第二個(gè)電路連接在引腳 3 和 4 之間。這允許電路 1 控制電路 2。我們也可以用它來(lái)傳輸信號(hào)，但兩個(gè)電路彼此電隔離其他。

為什么這很重要?因?yàn)橐粋€(gè)電路上的電壓尖峰和噪聲不會(huì)破壞或干擾另一個(gè)電路。因此，我們的電路受到保護(hù)。由于內(nèi)部的半導(dǎo)體材料，它們也將只允許電子沿一個(gè)方向流動(dòng)。

由于分離，這兩個(gè)電路因此可以使用不同的電壓和電流。我們可以通過(guò)向電路二的輸出添加其他組件(例如晶體管)來(lái)擴(kuò)展設(shè)備的功能。這使我們能夠控制更高的電壓和電流并自動(dòng)化電路控制。

它是如何工作的?

光耦合器有多種變體，但本文將堅(jiān)持使用基本的光電晶體管版本。當(dāng)我們查看這個(gè)光耦合器的符號(hào)時(shí)，我們看到左側(cè)有一個(gè) LED 符號(hào)，右側(cè)的符號(hào)看起來(lái)非常類似于晶體管，這是因?yàn)樗潜环Q為光電晶體管的晶體管的改進(jìn)版本。端子被命名為集電極和發(fā)射極，就像普通晶體管一樣，只是我們?nèi)鄙倩鶚O引腳。

在普通的晶體管電路中，我們有主電路和控制電路。晶體管阻止主電路中的電流，因此燈熄滅。當(dāng)我們?cè)诠苣_上施加一個(gè)小電壓時(shí)，這將打開(kāi)晶體管并允許電流在主電路中流動(dòng)，因此主燈打開(kāi)。

順便說(shuō)一下，我們?cè)谏弦黄恼轮性敿?xì)介紹了晶體管的工作原理，請(qǐng)單擊此處。

光耦合器內(nèi)的晶體管的工作原理略有不同。它還可以阻止主電路中的電流，但它充當(dāng)接收器。當(dāng) LED 發(fā)出的光照射到晶體管上時(shí)，這將打開(kāi)它并允許電流在主電路中流動(dòng)。

因此，當(dāng)電路 1 完成時(shí)，LED 亮起。這會(huì)發(fā)出一束光，它擊中晶體管。晶體管檢測(cè)到這一點(diǎn)并打開(kāi)，允許電流在電路 2 中流動(dòng)。我們通過(guò)打開(kāi)和關(guān)閉內(nèi)部 LED 來(lái)簡(jiǎn)單地控制它。光電晶體管就像一個(gè)絕緣體，阻止電流流動(dòng)，除非它暴露在光線下。

LED 和晶體管都封裝在外殼內(nèi)，所以我們看不到它們，但我們可以看到它們?nèi)绾闻c這些簡(jiǎn)單的電路一起工作，我們將在本文后面進(jìn)行介紹。

那么LED是如何開(kāi)啟晶體管的呢?在光電晶體管內(nèi)部，我們有不同的半導(dǎo)體材料層。有N型和P型，夾在一起。N型和P型均由硅制成，但它們都與其他材料混合以改變其電氣特性。N 型已與一種材料混合，這為其提供了許多額外的和不需要的電子。這些可以自由移動(dòng)到其他原子。P 型已與另一種電子較少的材料混合。所以，這有很多電子可以移動(dòng)的空白空間。

當(dāng)材料連接在一起時(shí)，會(huì)形成電勢(shì)壘并阻止電子流動(dòng)。但是，當(dāng) LED 開(kāi)啟時(shí)，它會(huì)發(fā)出另一種稱為光子的粒子。照片擊中 P 型材料并將電子撞擊到勢(shì)壘上并進(jìn)入 N 型材料。第一個(gè)勢(shì)壘處的電子現(xiàn)在也能夠進(jìn)行跳躍，因此產(chǎn)生了電流。一旦 LED 關(guān)閉，光子就會(huì)停止撞擊電子越過(guò)勢(shì)壘，因此次級(jí)側(cè)的電流停止。

因此，我們可以僅使用一束光來(lái)控制次級(jí)電路。

這是因?yàn)榘雽?dǎo)體材料。在普通電線中，銅是導(dǎo)體，橡膠是絕緣體。電子可以很容易地流過(guò)銅，但它們不能流過(guò)橡膠絕緣體?？匆幌陆饘賹?dǎo)體的基本模型，我們?cè)谥行挠幸粋€(gè)原子核，周圍有許多軌道殼層，這些殼層包含電子。每個(gè)殼層擁有最大數(shù)量的電子，一個(gè)電子需要一定量的能量才能被每個(gè)殼層接受，離原子核最遠(yuǎn)的那些能量最大。

最外層的殼稱為價(jià)殼，導(dǎo)體的價(jià)殼中有 1 到 3 個(gè)電子。電子由原子核固定在適當(dāng)?shù)奈恢茫€有另一個(gè)稱為導(dǎo)帶的殼層。如果一個(gè)電子可以到達(dá)這個(gè)導(dǎo)帶，那么它就可以脫離原子并移動(dòng)到其他原子。

對(duì)于金屬原子，例如銅，價(jià)殼層和導(dǎo)帶重疊，因此電子很容易脫離并移動(dòng)到另一個(gè)原子。使用絕緣體時(shí)，最外層的外殼被擠滿，幾乎沒(méi)有空間供電子加入。原子核緊緊抓住電子，而導(dǎo)帶距離很遠(yuǎn)，因此電子無(wú)法到達(dá)導(dǎo)帶以逃逸。因此電流不能流過(guò)這種材料。但是，半導(dǎo)體則不同，它的價(jià)殼層中的電子太多，無(wú)法成為導(dǎo)體，因此它的作用類似于絕緣體。但是，導(dǎo)帶非常接近，所以如果我們給電子提供一些外部能量，一些電子就會(huì)獲得足夠的能量，從而跳入導(dǎo)帶并變得自由。所以，

電路 1 LED 和 LDR

我們將看到的第一個(gè)電路使用一個(gè)光敏電阻器和一個(gè)白色 LED。LDR 的電阻取決于它暴露在多少光線下。在黑暗中它具有非常高的電阻，在明亮的光線中它具有非常低的電阻。

這個(gè)白色 LED 的額定電流為 20mA，如果我將它連接到直流工作臺(tái)電源，我們看到它需要 3V 才能達(dá)到 20mA。

當(dāng)我測(cè)試這個(gè) LDR 時(shí)，我們看到在昏暗的燈光下它的電阻約為 40 千歐。當(dāng)我把它藏在手里時(shí)，它大約是 4 兆歐，用兩只手完全覆蓋它時(shí)，它大約是 9 兆歐。但是，當(dāng)我將白色 LED 照射到 LDR 上時(shí)，其電阻約為 66 歐姆。如果我用手指環(huán)繞它們，大約是 70 歐姆。

因此，在初級(jí)電路上，我們需要一個(gè)電壓降為 3V 并使用 0.02A 電流的白光 LED。我們將用一個(gè)開(kāi)關(guān)控制它并使用 9V 電池為電路供電。電阻為 LED 的 9V 減去 3V，等于 6V。這將是電阻器的壓降。電路電流為 0.02A，因此 6V 除以 0.02A 為 300 歐姆。

現(xiàn)在，它可以在 0.02A 下正常工作，但我將使用稍高的電阻值來(lái)降低 LED 的電流，這也會(huì)稍微降低 LED 的亮度。我將使用一個(gè) 330 歐姆和一個(gè) 22 歐姆的電阻器，它們結(jié)合起來(lái)形成 352 歐姆的電阻。6V 除以 352 歐姆為 0.017A。

我將組件放入電路中，它看起來(lái)像這樣。電流將像這樣流過(guò)電路，使用常規(guī)電流顯示。當(dāng)我按下開(kāi)關(guān)時(shí)，LED 亮起。

在次級(jí)側(cè)，我們有一個(gè)壓降為 2V 和電流為 0.02A 的紅色 LED，它會(huì)亮起表示電路正在工作。我們將 LDR 放置在白色 LED 的對(duì)面，當(dāng)暴露在光線下時(shí)，這將提供大約 70Ω 歐姆的電阻。要找到 LED 的電阻，我們只需要做 9V 減去 2V，即 7V。7V 除以 0.02A 是 350 歐姆。LDR 的 350 減去 70 歐姆是 280 歐姆。取而代之的是，我將使用兩個(gè)等于 300 歐姆的 150 歐姆電阻器。因此，假設(shè) LDR 為 70 歐姆，我們有 370 歐姆的電阻。7V 除以 370 歐姆為 0.019A。

所以，我將組件放在電路的次級(jí)側(cè)，它看起來(lái)像這樣。請(qǐng)注意紅色 LED 亮起，這是因?yàn)?LDR 正在接收來(lái)自房間的環(huán)境光。如果你拿一些電工膠帶，剪下幾小塊并將它們包裹在 LDR 和 LED 上。

這阻擋了房間的環(huán)境光，LED 現(xiàn)在關(guān)閉。當(dāng)我按下初級(jí)電路上的按鈕時(shí)，白色 LED 亮起，這會(huì)照亮 LDR，從而打開(kāi)次級(jí)側(cè)的紅色 LED。

電路 2 – 紅外發(fā)射器和接收器

電路 1 的問(wèn)題是自然光激活了電路。因此，對(duì)于該電路，我們將使用紅外發(fā)射器和接收器代替。

在初級(jí)側(cè)，我們有一個(gè)紅外線發(fā)射器，我使用的那個(gè)額定電流為 30mA，但我將使用比這更少的電流。當(dāng)我測(cè)試 LED 時(shí)，我們看到 1.2V 的電流為 0.02A。所以，我們將使用這個(gè)值。順便說(shuō)一下，如果你用眼睛看這個(gè)，你不會(huì)看到任何光，因?yàn)樗羌t外線，而人類看不到紅外線，所以你會(huì)假設(shè)它是關(guān)閉的，但事實(shí)并非如此。如果您使用手機(jī)的攝像頭，您會(huì)看到它實(shí)際上已開(kāi)啟。您可以使用電視遙控器自行測(cè)試，因?yàn)樗彩褂眉t外線。

因此，在初級(jí)側(cè)，我們有一個(gè) 9V 電源和一個(gè)壓降為 1.2V 的紅外 LED 發(fā)射器。我們?cè)陔娐分蟹胖靡粋€(gè)紅色 LED 來(lái)指示電路何時(shí)被激活，因?yàn)槲覀兛床坏郊t外線。這有 2V 的壓降和 0.02A 的電流需求，所以 9v 減去 2V 減去 1.2V 是 5.8V。電路的電流將為 0.02A，因此 5.8V ÷ 除以 0.02A 是 290Ω 歐姆。我沒(méi)有 290 歐姆的電阻器，所以我將使用 270 和 22 歐姆的電阻器。這給出了 292 歐姆。5.8V 除以 292 歐姆是 0.01986A，所以沒(méi)問(wèn)題。我們還將使用一個(gè)開(kāi)關(guān)來(lái)控制它。

當(dāng)我將組件連接到電路中時(shí)，它看起來(lái)像這樣。當(dāng)我按下開(kāi)關(guān)時(shí)，紅色 LED 亮起，紅外 LED 發(fā)出一束光。

在次級(jí)側(cè)，我們有接收器 LED，該 LED 的額定電壓高達(dá) 1.4V 和 30mA。我們將在這一側(cè)包含一個(gè)紅色 LED，以指示電路何時(shí)被激活。它的壓降為 2V，電流為 0.02A。所以，我們?cè)陔娫瓷嫌?9v，減去 2V，減去 1.4V 是 5.6V。5.6 除以 0.02A 是 280 歐姆。我將使用 270 歐姆和 10 歐姆來(lái)獲得所需的 280 歐姆。

我將這些組件放入電路中，它看起來(lái)像這樣。發(fā)射器和接收器相對(duì)且靠近。當(dāng)我按下開(kāi)關(guān)時(shí)，主紅色 LED 燈亮起，發(fā)射器向接收器發(fā)出一束紅外光。接收器檢測(cè)到這一點(diǎn)并允許電流流動(dòng)，因此次級(jí)側(cè)紅色 LED 也會(huì)打開(kāi)。

電路 3 光耦合器電路。

第三個(gè)電路使用PC817光耦合器。

輸入端使用內(nèi)部 LED，LED 額定電壓為 1.2V 和 20mA。我可以將一個(gè)連接到直流電源，看到 1.2V 時(shí)電流為 0.02A，因此我們將使用此值。在輸入端，我們將使用一個(gè)開(kāi)關(guān)來(lái)控制電路和一個(gè)紅色 LED 來(lái)指示電路何時(shí)被激活。這具有 2V 的壓降和 0.02A 的電流。所以用 9V 電源，9V 減去 2V，減去 1.2V 就是 5.8V。5.8V 除以 0.02A 是 290 歐姆。我將使用一個(gè) 270 歐姆和一個(gè) 22 歐姆的電阻來(lái)制作 292 歐姆。5.8V 除以 292 歐姆是 0.01986A，所以這很好。

我將組件放入電路板，它看起來(lái)像這樣。當(dāng)我按下開(kāi)關(guān)時(shí)，紅色 LED 將亮起。

對(duì)于次級(jí)側(cè)，光耦合器的額定電流最大為 50mA。我們將在次級(jí)側(cè)使用紅色 LED，其電壓降為 2V，電流為 0.02A。次級(jí)側(cè)將有一個(gè) 9V 電源，正極連接到集電極，發(fā)射極連接到負(fù)極。我們必須使用電阻器，否則會(huì)損壞光耦合器。

查看制造商的數(shù)據(jù)表，我們看到了一個(gè)帶有集電極電流 v 的集電極發(fā)射極電壓的圖表。我們的紅色 LED 的集電極電流為 20mA。所以閱讀我們移動(dòng)的圖表，直到我們到達(dá) 20ma 線，這表明集電極發(fā)射極電壓為 2V。

我們有一個(gè) 9V 電源，因此 9V 減去 LED 的 2V 和晶體管集電極發(fā)射極的 2V，等于 5V。5V除以0.02A的集電極電流為250歐姆。我沒(méi)有 250 歐姆的電阻器，所以我將使用 100 歐姆和 150 歐姆的電阻器，它們組合形成 250 歐姆。

所以我將組件放入電路中，它們看起來(lái)像這樣。次級(jí)側(cè)關(guān)閉，但是，當(dāng)我按下開(kāi)關(guān)時(shí)，初級(jí)側(cè)紅色 LED 開(kāi)啟，光耦合器內(nèi)部的 LED 開(kāi)啟，光束擊中內(nèi)部光電晶體管，從而允許電流在次級(jí)側(cè)流動(dòng)，因此二級(jí)紅色 LED 燈亮起。