了解光耦合器。在本文中，我們将了解它們如何用于控制電路、它們如何工作以及如何設計一些簡單的光耦合器電路來展示其工作原理。

光耦合器是看起來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。在這個版本中，我們的主體帶有 4 個引腳。引腳 1 為陽極，引腳 2 為陰極，引腳 3 為集電極，引腳 4 為發射極。

我們在管腳 1 旁邊的主體中還有一個小的圓形凹痕，我們用它來識别不同的管腳。在車身上我們還有一些文字，這是零件号。我們使用它來識别光耦合器的類型并找到制造商的數據表。

該設備基本上是一個固态繼電器，可将兩個獨立的電路互連。電路一連接在引腳 1 和 2 之間，第二個電路連接在引腳 3 和 4 之間。這允許電路 1 控制電路 2。我們也可以用它來傳輸信号，但兩個電路彼此電隔離其他。

為什麼這很重要？因為一個電路上的電壓尖峰和噪聲不會破壞或幹擾另一個電路。因此，我們的電路受到保護。由于内部的半導體材料，它們也将隻允許電子沿一個方向流動。

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

光耦合器有多種變體，但本文将堅持使用基本的光電晶體管版本。當我們查看這個光耦合器的符号時，我們看到左側有一個 LED 符号，右側的符号看起來非常類似于晶體管，這是因為它是被稱為光電晶體管的晶體管的改進版本。端子被命名為集電極和發射極，就像普通晶體管一樣，隻是我們缺少基極引腳。

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。當我們在管腳上施加一個小電壓時，這将打開晶體管并允許電流在主電路中流動，因此主燈打開。

順便說一下，我們在上一篇文章中詳細介紹了晶體管的工作原理，請單擊此處。

光耦合器内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，但它充當接收器。當 LED 發出的光照射到晶體管上時，這将打開它并允許電流在主電路中流動。

因此，當電路 1 完成時，LED 亮起。這會發出一束光，它擊中晶體管。晶體管檢測到這一點并打開，允許電流在電路 2 中流動。我們通過打開和關閉内部 LED 來簡單地控制它。光電晶體管就像一個絕緣體，阻止電流流動，除非它暴露在光線下。

LED 和晶體管都封裝在外殼内，所以我們看不到它們，但我們可以看到它們如何與這些簡單的電路一起工作，我們将在本文後面進行介紹。

那麼LED是如何開啟晶體管的呢？在光電晶體管内部，我們有不同的半導體材料層。有N型和P型，夾在一起。N型和P型均由矽制成，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的空白空間。

當材料連接在一起時，會形成電勢壘并阻止電子流動。但是，當 LED 開啟時，它會發出另一種稱為光子的粒子。照片擊中 P 型材料并将電子撞擊到勢壘上并進入 N 型材料。第一個勢壘處的電子現在也能夠進行跳躍，因此産生了電流。一旦 LED 關閉，光子就會停止撞擊電子越過勢壘，因此次級側的電流停止。

因此，我們可以僅使用一束光來控制次級電路。

這是因為半導體材料。在普通電線中，銅是導體，橡膠是絕緣體。電子可以很容易地流過銅，但它們不能流過橡膠絕緣體。看一下金屬導體的基本模型，我們在中心有一個原子核，周圍有許多軌道殼層，這些殼層包含電子。每個殼層擁有最大數量的電子，一個電子需要一定量的能量才能被每個殼層接受，離原子核最遠的那些能量最大。

最外層的殼稱為價殼，導體的價殼中有 1 到 3 個電子。電子由原子核固定在适當的位置，但還有另一個稱為導帶的殼層。如果一個電子可以到達這個導帶，那麼它就可以脫離原子并移動到其他原子。

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

我們将看到的第一個電路使用一個光敏電阻器和一個白色 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。

這個白色 LED 的額定電流為 20mA，如果我将它連接到直流工作台電源，我們看到它需要 3V 才能達到 20mA。

當我測試這個 LDR 時，我們看到在昏暗的燈光下它的電阻約為 40 千歐。當我把它藏在手裡時，它大約是 4 兆歐，用兩隻手完全覆蓋它時，它大約是 9 兆歐。但是，當我将白色 LED 照射到 LDR 上時，其電阻約為 66 歐姆。如果我用手指環繞它們，大約是 70 歐姆。

因此，在初級電路上，我們需要一個電壓降為 3V 并使用 0.02A 電流的白光 LED。我們将用一個開關控制它并使用 9V 電池為電路供電。電阻為 LED 的 9V 減去 3V，等于 6V。這将是電阻器的壓降。電路電流為 0.02A，因此 6V 除以 0.02A 為 300 歐姆。

現在，它可以在 0.02A 下正常工作，但我将使用稍高的電阻值來降低 LED 的電流，這也會稍微降低 LED 的亮度。我将使用一個 330 歐姆和一個 22 歐姆的電阻器，它們結合起來形成 352 歐姆的電阻。6V 除以 352 歐姆為 0.017A。

我将組件放入電路中，它看起來像這樣。電流将像這樣流過電路，使用常規電流顯示。當我按下開關時，LED 亮起。

在次級側，我們有一個壓降為 2V 和電流為 0.02A 的紅色 LED，它會亮起表示電路正在工作。我們将 LDR 放置在白色 LED 的對面，當暴露在光線下時，這将提供大約 70Ω 歐姆的電阻。要找到 LED 的電阻，我們隻需要做 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，我将使用兩個等于 300 歐姆的 150 歐姆電阻器。因此，假設 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，我将組件放在電路的次級側，它看起來像這樣。請注意紅色 LED 亮起，這是因為 LDR 正在接收來自房間的環境光。如果你拿一些電工膠帶，剪下幾小塊并将它們包裹在 LDR 和 LED 上。

這阻擋了房間的環境光，LED 現在關閉。當我按下初級電路上的按鈕時，白色 LED 亮起，這會照亮 LDR，從而打開次級側的紅色 LED。

電路 1 的問題是自然光激活了電路。因此，對于該電路，我們将使用紅外發射器和接收器代替。

在初級側，我們有一個紅外線發射器，我使用的那個額定電流為 30mA，但我将使用比這更少的電流。當我測試 LED 時，我們看到 1.2V 的電流為 0.02A。所以，我們将使用這個值。順便說一下，如果你用眼睛看這個，你不會看到任何光，因為它是紅外線，而人類看不到紅外線，所以你會假設它是關閉的，但事實并非如此。如果您使用手機的攝像頭，您會看到它實際上已開啟。您可以使用電視遙控器自行測試，因為它也使用紅外線。

因此，在初級側，我們有一個 9V 電源和一個壓降為 1.2V 的紅外 LED 發射器。我們在電路中放置一個紅色 LED 來指示電路何時被激活，因為我們看不到紅外線。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。電路的電流将為 0.02A，因此 5.8V ÷ 除以 0.02A 是 290Ω 歐姆。我沒有 290 歐姆的電阻器，所以我将使用 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，所以沒問題。我們還将使用一個開關來控制它。

當我将組件連接到電路中時，它看起來像這樣。當我按下開關時，紅色 LED 亮起，紅外 LED 發出一束光。

在次級側，我們有接收器 LED，該 LED 的額定電壓高達 1.4V 和 30mA。我們将在這一側包含一個紅色 LED，以指示電路何時被激活。它的壓降為 2V，電流為 0.02A。所以，我們在電源上有 9v，減去 2V，減去 1.4V 是 5.6V。5.6 除以 0.02A 是 280 歐姆。我将使用 270 歐姆和 10 歐姆來獲得所需的 280 歐姆。

我将這些組件放入電路中，它看起來像這樣。發射器和接收器相對且靠近。當我按下開關時，主紅色 LED 燈亮起，發射器向接收器發出一束紅外光。接收器檢測到這一點并允許電流流動，因此次級側紅色 LED 也會打開。

第三個電路使用PC817光耦合器。

輸入端使用内部 LED，LED 額定電壓為 1.2V 和 20mA。我可以将一個連接到直流電源，看到 1.2V 時電流為 0.02A，因此我們将使用此值。在輸入端，我們将使用一個開關來控制電路和一個紅色 LED 來指示電路何時被激活。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。我将使用一個 270 歐姆和一個 22 歐姆的電阻來制作 292 歐姆。5.8V 除以 292 歐姆是 0.01986A，所以這很好。

我将組件放入電路闆，它看起來像這樣。當我按下開關時，紅色 LED 将亮起。

對于次級側，光耦合器的額定電流最大為 50mA。我們将在次級側使用紅色 LED，其電壓降為 2V，電流為 0.02A。次級側将有一個 9V 電源，正極連接到集電極，發射極連接到負極。我們必須使用電阻器，否則會損壞光耦合器。

查看制造商的數據表，我們看到了一個帶有集電極電流 v 的集電極發射極電壓的圖表。我們的紅色 LED 的集電極電流為 20mA。所以閱讀我們移動的圖表，直到我們到達 20ma 線，這表明集電極發射極電壓為 2V。

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

所以我将組件放入電路中，它們看起來像這樣。次級側關閉，但是，當我按下開關時，初級側紅色 LED 開啟，光耦合器内部的 LED 開啟，光束擊中内部光電晶體管，從而允許電流在次級側流動，因此二級紅色 LED 燈亮起。

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