一、光耦合器的工作原理

1. 定义
光耦合器（Optocoupler，又称光电隔离器、光隔离器）是一种利用光信号传递电信号的电子元器件。它实现了输入端与输出端的电气隔离，从而防止高压干扰或地线回流造成电路损坏。

2. 工作原理简述
光耦合器的基本结构由两部分组成：

• 发光部分（输入端）：通常为一个红外发光二极管（LED）；

• 接收部分（输出端）：可以是光敏三极管、光敏达林顿管、光敏晶闸管、光敏MOS管等。

当输入端加上一定电流，LED发光，输出端的光敏元件接收到光信号后导通，从而在电气上实现“光信号中转”的耦合。

这种光电转换-信号传递-电气隔离的机制，使得光耦能有效防止共模干扰、电磁感应干扰或高压冲击，常用于系统的安全隔离和信号完整性保护。

3. 优点

• 电气隔离性强

• 抗干扰能力高

• 可靠性好，寿命长

• 体积小、功耗低

• 可实现低电平控制高电平电路

二、光耦合器的类型与结构

光耦根据输出器件的不同，结构和性能差异较大，常见类型如下：

1. 按输出元件分类

2. 按封装结构分类

• 单通道光耦：一个输入与一个输出，常见于信号隔离；

• 多通道光耦：多个输入输出组合，适用于多信号传输；

• 光耦继电器（SSR）：内部含MOSFET阵列或晶闸管阵列，可实现交流或直流负载切换；

• 逻辑光耦：如6N137、HCPL系列，适合高速数字逻辑通信；

• 线性光耦：如HCNR200，输出为线性电流变化，用于模拟信号隔离。

3. 内部结构图（示意）

输入端             光信号传递             输出端
 ┌────────┐     ┌────────┐     ┌────────┐
 │ LED光源 │ →→ │ 光学介质 │ →→ │ 光敏三极管 │
 └────────┘     └────────┘     └────────┘

当LED导通发光后，光敏三极管接收光照导通，实现信号传递。中间的“光学介质”实现电气隔离，耐压可达2.5~5kV。

三、光耦合器的主要参数

在电路设计与元件选型中，需关注以下关键指标：

1. 输入正向电流（IF）与电压（VF）：LED的工作电流与压降。

2. 输出集电极电流（IC）：决定驱动能力。

3. 电气隔离耐压（Viso）：一般在2.5kV~5kV。

4. 传输比CTR（Current Transfer Ratio）：输出电流/输入电流之比，反映信号传递效率。

5. 响应时间（Ton/Toff）：决定传输速度。

6. 工作温度范围：影响可靠性与寿命。

四、光耦合器的典型应用领域

光耦的用途十分广泛，几乎涵盖所有需要信号隔离与安全保护的电子系统。

1. 工业控制系统

• PLC输入/输出信号隔离

• 继电器驱动与电机控制

• 工业仪表信号采集与传输

2. 电源系统

• 开关电源反馈隔离（如TL431 + PC817反馈回路）

• 电源启动与关断控制

• 电源模块输出检测与保护

3. 通信与接口保护

• RS232、RS485、CAN总线隔离

• USB、以太网通信隔离

• 微处理器与外设接口保护

4. 家用电器与自动化设备

• 智能家居、空调控制板

• 电机软启动器、温控系统

• 电磁炉、照明调光系统

5. 医疗与安全设备

• 医疗仪器信号隔离防漏电

• 高压监控系统保护

• 安全监测与人机界面隔离

五、典型应用电路举例

1. 开关电源反馈控制电路（PC817）

交流输入 → 整流 → PWM控制 → 光耦反馈 → 稳压输出

通过光耦将次级电压反馈到初级PWM控制器，实现稳定输出电压并保持电气隔离。

2. 单片机驱动继电器隔离电路

MCU → 光耦输入 → 光耦输出 → 三极管 → 继电器 → 负载

光耦实现低压控制高压电路，防止高压干扰单片机。

3. 信号隔离放大电路
   线性光耦（如HCNR200）可将模拟电压信号隔离传输，用于高精度测控系统。

六、代表型号与品牌推荐

七、总结

光耦合器是电气隔离与信号传输的核心元件，通过光信号完成输入输出之间的能量传递。
在设计中选择合适的光耦时，应根据：

• 信号类型（数字/模拟）

• 速度要求（普通/高速）

• 电流与电压特性

• 隔离电压与安全规范

进行合理匹配，从而实现稳定、安全、高效的电子系统设计。