光耦电路设计全解析：实际操作需关注的问题

在电器应用领域，常用的隔离器件包括光耦、继电器和变压器。光耦作为流控型元件，以光为媒介实现信号传输，遵循 “电→光→电” 的转换过程，其输入端为发光二极管，输出端是光敏半导体。光耦的核心应用在于隔离作用，广泛应用于输入与输出之间无共地的系统，输入与输出之间的耐压可达上千伏特。很多通讯模块也采用光耦隔离技术，这使得各个系统之间的连接更加便捷，无需考虑是否共地的问题。

如图 1 所示为光耦控制继电器（小功率）的电路。为了使光耦能够有效驱动继电器，输出端的阻抗应较小，这就要求输入端的电流较大。具体原因如下：光耦的工作原理决定了其输出特性与输入电流密切相关，当输入电流较小时，输出端的阻抗会增大，从而无法为继电器提供足够的驱动能力。

图1：光耦控制继电器

图 2 展示了开关信号经过光耦隔离输入至单片机的电路。在该电路中，24V 与 3.3V 不是共地的，且在控制系统中数字电压 3.3V 的驱动能力有限，所以通常采用开关电源的 24V 或 12V 作为开关信号的电源。这样可以确保开关信号具有足够的驱动能力，同时实现输入与输出之间的有效隔离。

图2：输入输出隔离

以上两种普通的光耦应用看似简单，但要正确使用光耦，就必须深入了解光耦的输入和输出之间的关系。光耦可分为线性光耦和非线性光耦，在实际常规应用中，线性光耦更为常见，因为线性光耦可以替代非线性光耦。下面以线性光耦（PS2561A）为例进行实验，从不同角度来了解其特性。

图3：输入电流IF与输出CE阻抗关系实验

如图 3 所示，通过调节光耦输入电流 IF，测量输出的 CE 阻抗。实验结果表明，输入电流 IF 与输出 CE 阻抗之间存在着密切的关系。当输入电流 IF 增大时，输出 CE 阻抗会相应减小。

图4：输入电流IF与输出电流IC的关系实验

如图 4 所示，光耦输入与输出的限流电阻都是 1k，且输入电压相同。通过调节稳压源的电压值，可以得到光耦输入电流 IF 与输出电流 IC 的关系。从实验数据可以看出，输出电流 IC 与输入电流 IF 曲线趋势基本一致，CE 阻抗小于 1k 左右呈线性变化，且最低阻抗大于 100Ω。

在使用线性光耦传递开关信号时，需要合理匹配输入电阻的大小。例如在图 1 中，输入电阻为 360Ω，光耦输入正向压降约为 1V，此时输入电流 IC 为 (5 - 1) / 360 ≈ 11mA，光耦输出 CE 阻抗为 200Ω 多点，而继电器 HFD2 线圈阻抗为 2880Ω，此时光耦能够正常驱动继电器。若 IC 电流变小，CE 阻抗变大后会导致不能正常驱动继电器。

线性光耦主要用于模拟信号的传递，其输出相当于一个可变电阻。在开关电源中，线性光耦常用于反馈环节，将高压和低压进行隔离。常见的线性光耦有 PC817、PS2561、PS2801 等。

图5：开关电源内部的光耦

非线性光耦主要用于开关信号（或数字信号）的传递，常用的 4N 系列有 4N25、4N26 以及 TIL117 等。此外，还有高速光耦，如 6N136、6N137、PS9714、PS9715 等，多用于通讯隔离以及 PWM 波控制，可有效降低电磁干扰。判断是否为高速光耦，可以查看数据手册是否注明 “High speed (1Mbps、10Mbps)”。

在实际电路设计中，使用光耦需要掌握以下要点：

1.光耦的核心应用是隔离作用。

2.相同电压下，线性光耦输入电阻与输出电阻相同时，输出电流 IC 基本与输入电流 IF 一致；即使输入与输出电压不同，也可以通过匹配输出与输入的电阻来实现。

3.用于开关信号线性光耦和非线性光耦都可以，反过来线性光耦电路中不能用非线性光耦代替。

4.非线性光耦的响应速度比线性光耦快，类似于比较器比运算放大器响应速度快。