瞭解光電耦合器：工作原理、使用方法及選用方法

光電耦合器是在絕緣狀態下傳輸訊號時使用的元件。這種元件從很早以前就已經在各個領域被廣為使用，是很重要的元件，考慮到有些人可能對於詳細的工作原理、使用方法以及選用方法等還有不甚瞭解之處，本文將從概述到工作原理、種類、特點、用途、選用方法等多個角度為大家介紹其基礎知識。希望大家透過本文能夠加深對光電耦合器的瞭解並能夠運用自如。

什麼是光電耦合器？

光電耦合器是一種能夠利用光訊號將訊號從輸入端傳輸至輸出端的元件，是可在兩個隔離的電路之間傳輸電訊號的半導體元件，也稱為“光耦”、“光電隔離器”、“光耦合器”或“光隔離器”。

在英語中，多使用“optocoupler”一詞。

光電耦合器利用光訊號傳輸訊號，因此具有即使電路處於隔離狀態也能傳輸訊號的特點。光電耦合器由發光二極體（LED、IR-LED）等發光元件和光電電晶體、光電二極體等受光元件組成，透過封裝來防止光從外部進入。

其他半導體光電元件

光電耦合器是半導體光電元件的一種，半導體光電元件大致可以分為發光元件、受光元件、光耦合元件和光通信元件四種。發光元件是指發光二極體（LED）等發光元件，受光元件是指光電二極體、光電電晶體等用來接收光的元件，光耦合元件是指將發光元件和受光元件組合起來用以傳輸訊號的元件。光電耦合器也是光耦合元件的一種。

• ・發光元件：發光的元件（LED、IR-LED、雷射二極體等）
• ・受光元件：接收光的元件（光電二極體、光電電晶體、晶閘管、雙向可控矽、圖像感測器等）
• ・光耦合元件：利用發光元件和受光元件傳輸訊號的元件（光電耦合器、光電繼電器、光電斷續器等）
• ・光通訊元件：利用光訊號傳輸資料的元件（光纖用雷射二極體晶片等）

光電耦合器的工作原理

光電耦合器按照以下流程傳輸訊號：

• 1.利用發光元件將輸入的電氣訊號轉換為光訊號
• 2.利用發光元件和受光元件傳輸光訊號
• 3.利用受光元件將光訊號復原為電氣訊號並輸出

光電耦合器的輸入端和輸出端之間處於電氣隔離狀態，該元件可在隔離狀態下傳輸訊號。光電耦合器中使用的發光元件是LED或IR-LED，而使用的受光元件則多種多樣，比如光電電晶體、光電二極體和雙向可控矽等。儘管這些元件有時與光電耦合器結合在一起被當作一個整體看待，但最好分別瞭解每種元件的特性。在“光電耦合器的種類”一節中，將對每種光電耦合器進行詳細介紹。

另外，光電斷續器也是一種光耦合元件，其原理與光電耦合器相同。光電斷續器被作為偵測透過發光元件和受光元件之間的遮光物體的感測器使用，可在自動販賣機、ATM等應用中來偵測硬幣和紙幣。

・光電耦合器訊號傳輸示意圖

・光電耦合器電路圖

光電耦合器的種類

根據受光元件的不同，光電耦合器主要分為以下四種。下面會分別介紹每種光電耦合器的特點。

電晶體輸出

這是最常見的光電耦合器，使用光電電晶體作為受光元件。這種是最早誕生的光電耦合器，歷史悠久，具有價格低廉、通用性強的特點。以往存在轉換效率差、耐壓能力低等問題，但如今已經開發出轉換效率高、耐壓能力高的產品。

IC輸出

這是集約受光元件的光電耦合器。透過集約受光元件，與普通光電耦合器（只能傳輸數kHz〜十數kHz的訊號）相比，延遲時間更短，而且還能傳輸高達數十kHz的高頻訊號。

雙向可控矽（TRIAC）輸出

使用雙向可控矽（晶閘管）輸出的光電耦合器，也稱為“雙向可控矽（TRIAC）光耦”。這種產品採用耐高壓的雙向可控矽作為與家庭、辦公室、工廠等使用的商用電源相連接的開關元件。雙向可控矽光耦單體的電流極限約為100mA，但透過在光耦外部增加雙向可控矽，就可以控制高達數A的電流。

MOSFET輸出（光電繼電器輸出）

使用MOSFET輸出的光電耦合器，也稱為“光電繼電器”。光電繼電器既支持交流福哉，也支援直流負載，與機械繼電器相比，具有壽命更長、速度更快、雜訊更低、運行更安靜的特點。這種產品不僅被用來實現簡單的開關功能，還適用於類比訊號切換應用。

光電耦合器的特性和優點

下面介紹光電耦合器的特性及其四大優點。

可在隔離狀態下傳輸訊號

光電耦合器是利用光來傳輸訊號的，因此允許電路處於隔離狀態。即使在GND和電源電壓不同的電路中，也可以輕鬆傳輸訊號。另外，透過讓電路處於隔離狀態（絕緣狀態），在安全方面也有優勢，比如可以防止相鄰電路之間流入的意外電流引起的故障、可以防止觸電等。

不易受雜訊影響

光電耦合器可以隔離包括GND在內的電訊號，因此可以減少雜訊的影響。由於不易受雜訊影響，所以有助穩定運行並防止誤動作和故障。例如，工廠等使用的電機，是由逆變器在控制轉速的同時進行驅動的，但因其輸出較大，所以會產生很大的雜訊。為了防止雜訊影響到電機本身或週邊設備，很多情況下會在馬達驅動系統中使用光電耦合器。

價格合理，種類豐富

光電耦合器的另一個優點是結構簡單且價格合理。由於該產品歷史悠久，相關製造商已擁有豐富的產品陣容，所以很容易選擇滿足電路和設備需求的產品。

壽命長

光電耦合器沒有物理觸點和機械驅動，因此不易因零件磨損而損壞，使用壽命很長。與具有物理觸點和機械驅動的產品相比，光電耦合器的壽命更長，性能更穩定。但是需要注意LED老化和燒損劣化。當LED老化導致發光效率下降時，輸出功率也會相應地下降。

光電耦合器的應用和產品示例

下面介紹前面提到的光電耦合器的實際應用和具體產品示例。

光電耦合器的應用

光電耦合器主要用作開關元件，適用於以下場景：

• ・在電路間隔離（絕緣）的狀態下傳輸訊號時
• ・在基準電位（GND）不同的電路間傳輸訊號時
• ・使用不同地電壓傳輸訊號時

例如，在DC-DC轉換器的控制電路中，常常採用光電耦合器和並聯穩壓器來隔離輸入和輸出並放大輸出電壓的誤差。

光電耦合器和電阻

當使用光電耦合器時，可以在輸入端使用電阻。使用電阻有兩種目的，具體取決於將電阻與輸入端串聯還是並聯。串聯使用電阻時也稱被為“限流電阻”，用來抑制輸入電流，使其不超過額定值。而並聯使用電阻時，則用來防止光電耦合器因來自其他元件的微弱電流而無法工作的情況。

使用了光電耦合器的產品示例

使用光電耦合器的產品包括醫療用的電子設備、PLC、音響設備和資訊通訊設備等。

・醫療電子設備

在與患者身體接觸的醫療電子設備中會使用光電耦合器。這是為了避免在與患者身體接觸時接觸部位觸電。包括國際標準在內，世界各國都對光電耦合器制定了安全標準，需要使用符合安全標準的光電耦合器。

・PLC

製造業中使用的PLC時序控制器的輸入線路中會使用光電耦合器。PLC是用來控制工廠內各種設備運轉的裝置。因此PLC是透過與工廠內的各種負載相連接來使用的。當負載運行時會產生很多雜訊，如果雜訊傳遞到PLC，就可能導致問題或故障，最壞的情況甚至會導致工廠中的設備無法控制。為了防止這種情況發生，會在PLC輸入線路中使用光電耦合器來隔斷雜訊。

・音響設備

容易受雜訊影響的放大器音響設備和資訊通訊設備中也會使用光電耦合器。這是因為使用光電耦合器可以在隔離狀態下傳輸訊號，從而減輕雜訊的影響。音響設備和通信設備特別容易受到雜訊的影響，因此通常使用光電耦合器來解決雜訊問題。

光電耦合器的選用方法

下面介紹選擇光電耦合器時需要確認的一些關鍵要點。

常開和常閉的區別

光電耦合器有兩種類型，一種是常開型（Normally-open type），即不施加電壓時開關關閉（OFF）、施加電壓時開關打開（ON）；另一種常閉型（Nomally-closed type），即不施加電壓時開關打開（ON）、施加電壓時開關關閉（OFF）。需要注意的是，常開型和常閉型的工作是相反的。購買前請務必根據電路需求來確認具體需要常開型還是常閉型產品。

CTR（Current Transfer Ratio，電流傳輸比）等級

光電耦合器的重要參數之一是電流傳輸比（CTR）。CTR是集極輸出電流與LED輸入電流的比值。CTR因光電電晶體的結構而有很大差異，即使是相同的光電電晶體，也會因元件而產生差異。另外CTR的值會受連續執行時間、環境溫度、老化等因素的影響而波動。也就是說，CTR是存在波動的參數，光電耦合器根據CTR的變化是有等級的。在選擇光電耦合器時，需要先確認技術規格書上的CTR等級再選擇合適的產品。另外，如果CTR不能滿足要求，最好增加放大電路或使用達林頓光電耦合器來進行設計。

確認所需的輸出電流和額定值

即使在CTR等級和最大導通電流範圍內，實際可以輸入和輸出的電流也有額定值。使用光電耦合器時，請事先確認所需的輸出電流，並選擇與其相匹配的產品。另外要考慮到需要施加與所需輸出電流相對應的電壓，來根據技術規格書選擇額定值有餘裕的產品。

研發不需要光電耦合器的產品

光電耦合器是價格低廉且用途廣泛的產品，但它的一些缺點也需要注意，比如LED和IR-LED會隨著時間推移而老化，功耗相對較大，訊號響應速度不是很快。如今市場上已經有功耗和響應速度都得到改善的產品，由於並非所有電路都需要高速響應，所以後二項缺點已經達到可以不再被視為缺點的程度了，但隨著時間推移而老化這一點，仍是很大的問題點。比如工業設備等使用壽命較長的設備，會由於光電耦合器的壽命先到，而需要更換電源模組或單元。

為了減輕這種負擔，根據應用需求研發不需要光電耦合器的產品應該是個好主意。透過不使用光電耦合器來延長電源的使用壽命，可以降低設備維護成本，而且所用元件數量減少了，設計也會更簡單。

▼瞭解功耗、溫度引起的偵測精度變化、老化等都得到改善的隔離型DC-DC轉換器的資訊，請點擊這裡：
https://www.rohm.com.tw/news-detail?news-title=2022-12-13_news_dcdc&defaultGroupId=false

▼瞭解無需光耦即可實現過零偵測的IC的資訊，請點擊這裡：
https://www.rohm.com.tw/news-detail?news-title=2020-07-15_news_ac-zero-cross&defaultGroupId=false

加深對光電耦合器的瞭解並運用自如

光電耦合器是一種即使在隔離（絕緣）狀態下也可使用光訊號來傳輸訊號的元件。由於光電耦合器可以在隔離（絕緣）狀態下傳輸訊號，所以很容易在電壓不同的電路之間傳輸訊號，可減少設備故障並降低觸電風險。另外，雜訊低、價格合理、產品種類豐富也是光電耦合器的重要特點。光電耦合器可根據受光元件的不同而分為很多種類，因此瞭解每種光電耦合器的受光元件所帶來的差異是非常重要的。

另外，近年來，在解決傳統光電耦合器所面臨的一些課題（例如小型化、功耗的改善、老化所帶來的影響）等方面，相對應的技術開發已經取得進展。另一方面也在積極推進原本不需要光電耦合器的產品開發。如果不再需要光電耦合器，就可減少老化帶來的維護成本和電路設計負擔。今後根據應用電路需求，來確定是否需要光電耦合器將會變得很重要。