光耦合器的简短揭秘

2024年5月22日 |Andrew Chen

今天我们将介绍什么是光耦合器，将其名称分解为易于理解的内容，并提供一些非常适合光耦合器应用的项目示例。让我们直接深入吧！

光耦合器，有时称为光隔离器或光电耦合器，是一种主要由两个内部隔室组成的电气元件；一部分是发光的 LED，另一部分是光电晶体管，当 LED 亮起时，光电晶体管就会打开。

这是 KiCad 软件上光耦合器的简单图，完美演示了其功能。一端的引脚 1 和 2 直接连接到 LED，另一端的引脚 3 和 4 连接到光电晶体管。无光时晶体管截止；然而，当有电流流过引脚 1 至 2 时，从 LED 发出的光能够闭合光电晶体管，从而形成闭合电路，以便任何电流都可以从引脚 3 至 4 流过。本质上，光耦合器是非常简单，这就是他们的名字“光隔离器”的由来，因为这两端彼此电气隔离。

人们考虑在项目中使用光耦合器的原因有多种；使用光耦合器的最简单的原因是电路板中使用两个独立的电源。在更常见的情况下，光耦合器还可用于隔离数字接口、微处理器输入/输出切换，并在某些情况下消除信号中的电噪声。

然而，在电路设计中应用光耦合器时需要记住一些注意事项。

• 由于带宽有限，光耦合器在高频应用中通常性能较差。检查特定光耦合器的规格并确保速度合适（最常见的速度是 1 Mbps，尽管某些光耦合器的速度为 10 或 15 Mbps。）
• 随着时间的推移，由于其内部 LED 和光电晶体管长期使用，光耦合器的功能可能会降低。频繁使用还会降低 LED 的性能，这意味着必须更换 LED。
• 由于 LED 亮起足以打开光电晶体管所需的时间，光耦合器会出现延迟时间作为其隔离成本。在高频应用中，这可能是一个大问题。

现在我们将讨论光耦合器在电流隔离中的应用，以改进 SPI（串行外设接口）协议。由于担心电噪声（来自非差分对线的阻抗），使用光耦合器可以隔离电线，而不会影响信号的干扰信号。

对于那些可能不熟悉 SPI 是什么的人来说，由于 SPI 协议的缺点，这将是一个非常好的应用程序。解释一下，SPI 是一种非差分对通信协议，经常用于从一个设备（主设备）到另一个设备（从设备）传输数据。非差分对方面也非常重要：将数据传输到另一个设备时，一个巨大的问题是信号的完整性，因为它会长距离传输或面临来自外部影响的阻抗。

SPI是一种非常简单的通信协议，这使得它很容易实现，但对于长距离通信来说却很难保存。光耦合器可以确保对线路进行电流隔离，以便此类电流感应的磁波不会影响与其相邻的任何其他线路。这种类型的电路有时被非正式地称为 SPI 隔离器电路或简称为 SPIsolator 电路。这只是光耦合器应用的一个具体示例；然而，工程师通常可以根据他们想要构建的具体情况和财务限制自行选择大量其他选项。

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审核编辑 黄宇