光电耦合元件

光隔离器（也称为光耦合器、光电耦合器或光隔离器）是一种利用光在两个隔离电路之间传输电信号的电子元件。 光电耦合器防止高电压影响接收信号的系统。 商用光隔离器可承受高达 10 kV 的输入至输出电压和速度高达 25 kV/μs 的电压瞬变。

一种常见类型的光隔离器由同一个不透明封装中的 LED 和光电晶体管组成。 其他类型的光源-传感器组合包括 LED-光电二极管、LED-LASCR 和灯-光敏电阻对。 通常光隔离器传输数字（开-关）信号，但一些技术允许它们与模拟信号一起使用。

1963 年，Akmenkalns 等人认识到将固态发光器光学耦合到半导体检测器以实现电隔离的价值。 （美国专利 3,417,249）。 基于光敏电阻的光隔离器于 1968 年推出。它们是速度最慢但线性度最高的隔离器，并且在音频和音乐行业仍然占有一席之地。 1968 年至 1970 年 LED 技术的商业化引发了光电子学的繁荣，到 1970 年代末，该行业开发了所有主要类型的光隔离器。 市场上的大多数光隔离器都使用双极硅光电晶体管传感器。 它们达到中等数据传输速度，足以满足脑电图等应用。 最快的光隔离器在光电导模式下使用 PIN 二极管。

光隔离器包含一个光源（发射器），几乎总是一个近红外发光二极管 (LED)，它将电输入信号转换为光，一个封闭的光通道（也称为介电通道）和一个光传感器，它 检测入射光并直接产生电能，或调制从外部电源流出的电流。传感器可以是光敏电阻、光电二极管、光电晶体管、可控硅 (SCR) 或双向晶闸管。由于 LED 除了发射光外还可以感测光，因此可以构建对称的双向光隔离器。 光耦合固态继电器包含驱动电源开关的光电二极管光隔离器，通常是一对互补的 MOSFET。 开槽光开关包含一个光源和一个传感器，但其光通道是开放的，允许外部物体阻挡光路或将光反射到传感器中来调制光。

电子设备以及信号和电力传输线可能会受到闪电、静电放电、射频传输、开关脉冲（尖峰）和电源扰动引起的电压浪涌的影响。远程雷击可感应高达 10 kV 的浪涌，比许多电子元件的电压限制高出一千倍。电路还可以通过设计包含高压，在这种情况下，它需要安全、可靠的方式将其高压组件与低压组件连接起来。

光隔离器的主要功能是阻挡这种高电压和电压瞬变，这样系统的一个部分的浪涌就不会扰乱或破坏其他部分。历史上，此功能委托给隔离变压器，隔离变压器在电隔离输入和输出侧之间使用电感耦合。变压器和光隔离器是仅有的两类提供强化保护的电子设备——它们保护设备和操作该设备的人类用户。它们包含单个物理隔离屏障，但提供相当于双重隔离的保护。光电耦合器的安全、测试和批准受国家和国际标准的约束：IEC 60747-5-2、EN (CENELEC) 60747-5-2、UL 1577、CSA Component Acceptance Notice #5 等。光电耦合器规格 制造商发布的产品始终至少遵循这些监管框架中的一个。

光隔离器通过输入电流调制的光束连接输入和输出端。它将有用的输入信号转换为光，将其发送到介电通道，在输出侧捕获光并将其转换回电信号。与在两个方向上以非常低的损耗传递能量的变压器不同，光隔离器是单向的（见例外情况）并且它们不能传输功率。典型的光隔离器只能调制输出侧已经存在的能量流。与变压器不同，光隔离器可以通过直流或缓慢移动的信号，并且不需要输入和输出端之间的匹配阻抗。变压器和光隔离器都可以有效地断开接地环路，这种环路在工业和舞台设备中很常见，由地线中的高返回电流或嘈杂的返回电流引起。

光隔离器的物理布局主要取决于所需的隔离电压。