关于PC817光耦合器的工作过程介绍

光耦合器也被称为光耦合器或光隔离器，是一种使用光在两个隔离电路之间传输电信号的组件。它在物理上和电气上将低压控制电路(如微控制器)与高压或噪声电源电路(如电动机或交流电源)分开。它基本上是一个固态继电器，将两个电隔离的电路光学互连。在本教程中，我将讨论PC817光耦合器，这是最常见和最便宜的4引脚光耦合器之一。

引脚配置与功能

PC817光耦合器是现代电子产品中的关键部件，专为电路中的“信号隔离”和“传输”而设计。它由两个主要部分组成，在一个小的，黑色的，4针DIP封装内：-一个红外LED在输入端-和一个光电晶体管在输出端。两个组件彼此面对，但物理上由透明的绝缘屏障分开，提供完全的电气隔离在两边之间。该器件采用红外LED和光电晶体管的组合，不仅可以保护敏感的电子元件免受“高压”和“电噪声”的影响，还可以在各种应用中保持信号的完整性和准确性。引脚1：内部LED的阳极(+)引脚2：内部LED的阴极(-)引脚3：光电晶体管的发射极(-)引脚4：光电晶体管的集电极(+)

光电耦合器是如何工作的

为了充分了解光耦合器的工作原理，我们将从四个不同的角度进行探讨，每个角度都强调一种独特的电路隔离方法。主要目的是使一个电路能够激活另一个电路，同时保持它们之间的完全电气隔离。

设置1

初始配置包括在面包板上组装的两个电路。电路1和电路2是电隔离的，这意味着其中一个的操作对另一个没有影响。通电后，电路2上的LED立即亮起。相比之下，电路1上的LED由开关控制，只有在激活时才发光。激活Circuit1中的开关将点亮其LED，而Circuit2中的LED始终保持点亮，不受左边电路的影响。

设置2

为了用左电路控制右电路的LED，我们可以用一个“晶体管”将它们连接起来。左侧的激活开关将电流发送到晶体管的基极，使电流从集电极流向发射极，照亮右侧的LED。停用开关将切断基极电流，并关闭LED。然而，这种设置要求两个电路在相同的电位下工作(例如，两个电路都在5V)。因此，它不能用于电压电平移动或控制具有较高电压的电路。

设置3

在接下来的设置中，我使用红外LED和红外接收器来创建我自己的光隔离器。电路1(左)包含红外发射器和开关，电路2(右)包含红外接收器和红外信号检测时亮起的指示LED。拨动开关打开红外LED。红外接收器然后检测到这个信号，并通过照亮它的指示LED作出反应。虽然可以手动设计红外电路，但PC817光耦合器提供了一个完全预先设计的解决方案，具有紧凑的内置集成电路。

设置4

在最后的设置中，我们将使用便宜的PC817光隔离器来“光互连”和“电隔离”两个电路。当我们用限流电阻在引脚1和2上施加高于正向电压(1.25v)的足够电压时，内部IR LED打开并发出红外光。然后光线穿过绝缘屏障。正如你所看到的，在输入和输出之间没有电连接。红外光照射到光电晶体管的底部，使其打开并在其集电极(引脚4)和发射极(引脚3)之间传导电流。所以，我们可以通过一束光来控制二次电路。输入端要求为光耦合器提供限流电阻。如果没有它，LED就会试图吸收电源所能提供的尽可能多的电流，很快超过其最大额定值并烧毁。最接近的标准值大约是330Ω或470Ω。输出侧(集电极侧)的电阻器不是用于保护，而是用于操作。它“拉起”电压并将光电晶体管的可变导电性转换为微控制器或下一个电路可以读取的可变电压。除非暴露在光下，光电晶体管就像绝缘体一样，阻挡电流的流动。因此，当光电晶体管关闭时，LED关闭，当光电晶体管打开时，LED打开。由于这种设置，一个电路上的电压尖峰和噪声不会破坏或破坏另一个电路。所以，我们的电路是受保护的。由于分离，两个电路可以使用不同的电压和电流。我们可以通过在电路2的输出端添加其他组件(如晶体管)来扩展该设备的功能，使其能够控制更高的电压和电流。请注意：输入侧和输出侧的接地必须分开，以保持隔离。这就是使用光耦合器的全部意义。使用光耦合器时要考虑的另一个关键参数是上升时间(tr)和下降时间(tf)。输出不会随着输入逻辑状态的改变而瞬间转换。PC817的突出特点之一是其强大的电气隔离能力，额定电压高达“5KV”。通过制造这个屏障，它保护了昂贵的微处理器和逻辑电路，使整个系统更加安全和可靠。

技术规格

现在让我们来看看光耦合器的技术指标。

•封装：PC817由四个引脚组成，可采用SMT和DIP封装。

•正向电压(Vf)： PC817光耦合器输入二极管的正向电压指定为1.25V。该参数决定红外LED正常工作所需的最小电压。

•正向电流(If)：绝对最大50mA，典型使用5-20mA。正向电流(IF)是流过半导体(如二极管或LED)的电流，当它正向偏置和导电时。

•集极-发射极电压(Vceo)： PC817最大允许集极-发射极电压为80V。本规范适用于高压环境下的安全操作，避免光耦合器发生电气故障或损坏。

•电流传递比(CTR)： CTR是输出电流与输入电流(Ic / If)的比值。50%的点击率是很常见的。如果你给LED输入20mA，你可以从晶体管输出10mA。

•输入电流：通常限制在20mA以下，以确保安全操作

•隔离：输入和输出内部保护，5kV电气隔离。

•工作温度：-30℃~100℃

•光耦焊接时的温度范围：260度。重要的是要注意，在焊接过程中超过规定的温度可能会损坏IC。

•切换：PC817的总响应时间(包括上升和下降时间)为18微秒。这种快速响应能力对于需要快速开关的应用尤其有益，例如脉冲信号处理或高速开关电路。

•内阻：PC817内阻100欧姆，最大功耗200mW。这些因素管理设备的能源效率和热负荷。

•反向电流：PC817具有内部保护从反向电流。由于IR的单向电流特性，PC817保护IR免受任何反向电流的影响。

PC817应用程序

PC817光耦合器通常用于以下应用：

•信号隔离与传输

•电气隔离电路，能够承受高达5kV的电压

•数字电路与模拟电路的隔离

•电平转换：允许5V电路控制12V、24V等电路

•单片机I/O开关电路，有效保持电路连续性而不断开

•噪声耦合电路，以保持电路在使用中没有任何中断

•它有助于打破地面循环

•开关和零交叉：在AC/DC功率控制电路中，光耦合器通过引入频率感应脉冲来调节交流负载，从而在定义范围内实现精确控制

•驱动继电器，控制电机或交流电源开关

光耦是继电器的合适替代品吗?光耦合器和继电器之间的关键区别在于它们的功率处理。光耦合器用于低功率信号隔离，继电器用于高功率负载控制。虽然存在功能重叠，但具体的负载需求决定了最佳选择。

使用Arduino驱动12V电机

12V直流电机不能直接连接到Arduino引脚。电机的“高功率需求”和“电气噪声”会损坏敏感的微控制器。为了缓解这个问题：Arduino通过PC817光耦合器控制12V电机。Arduino引脚上的高信号激活光耦合器的LED，打开其内部的光电晶体管为电机供电。低信号将其关闭。PC817电气隔离Arduino的5V地和电机的12V地，保护Arduino免受电机引起的噪声。

为什么光耦合器会失效?

光耦合器故障的常见原因包括：

•电压浪涌：高压浪涌会破坏光耦合器的隔离屏障，导致永久性故障

•过流：输入端或输出端超过规定的电流会损坏光耦合器的内部元件

•老化：光耦合器的性能随着时间的推移而下降，因为它内部的LED老化并失去效率

•环境因素：恶劣的环境条件，特别是极端的温度和湿度，会导致光耦合器的性能下降或失效

•组装：在电路组装过程中，确保所有连接和焊点稳定完好

本文编译自hackster.io