Author: Jackie Long
光電耦合器（Optical coupler, OC）也叫光電隔離器，簡稱光耦，是一種以光為信息傳輸媒介的光電轉換元件，它具有體積小、壽命長、無觸點，抗干擾能力強、輸入端和輸出端之間電氣隔離、信號單向傳輸（輸出信號對輸入無影響）等優點，在電路上獲得廣泛的應用，其基本結構如下圖的所示：
發光二極管發出光線，光敏三極管接受光線之後就產生光電流從輸出端流出，結合外部電路即可輸出相應的信號，從而實現了"電-光-電"轉換。有些光敏三極管的基極還有引出線，可滿足溫度補償、檢測調製場合的特殊要求。
（輸出導通狀態下）當解除施加到光電耦合器輸入端的電池時，輸入端的發光二極管將停止發光，由於光敏三極管不再有光線的照射而處於截止狀態，輸出電壓即為外加電源的電壓VCC，即高電平。
在這個由低電平轉換為高電平過程中，所需要的時間稱為上升沿響應時間Tr（Rise time），有些規格書則給出低電平到高電平傳播延遲時間TPLH（Propagation delay time to logic high）
（輸出截止狀態下）當電池通過限流電阻施加到光電耦合器的輸入端時，輸入端的發光二極管將發光，發出的光線照射到對面的光敏三極管，光敏三極管根據光的強度將其轉換成光電流使輸出迴路導通，繼而將輸出VO下拉為低電平。
在這個由高電平轉換為低電平過程中，所需要的時間稱為下降沿響應時間Tf（Fall time），也有些規格書由給出高電平到低電平傳播延遲時間TPHL（Propagation delay time to logic low）
這幾個時間的具體含義如下圖所示：
由於前後兩級採用光電耦合的方式，因此輸入輸出間的絕緣電阻RISO（Isolation resistance）非常大，通常最小1000M歐姆，與之相應的參數為隔離電壓VISO（Isolation voltage）
可以看到，輸出電平與輸入電平是相反的，即輸出為高電平，則輸入為低電平，而輸出為低電平時，輸入則為高電平。當然，我們也可以按下圖所示調整我們的電路，使輸出電平與輸入電平變化相同：
光電耦合器在正常工作時的輸入端部分如下圖所示：
外加電壓V經限流電阻R施加到發光二極管，二極管正向導通後，即在輸入迴路產生正向電流IF（Forward current），同時在二極管兩端產生正向壓降VF（LED dropout voltage），調整限流電阻R即可調節正向電流，其關係為：
正向電流最大值約為幾十毫安，實際應用時不應超過數據手冊中的最大值，否則發光二極管的壽命將縮短，甚至損壞。
相反地，當輸入端的發光二極管施加反向電壓VR（LED reverse voltage），二極管處於截止狀態，理想狀態下回路中的電流為零，但實際二極管反向截止後的電阻是有限的，因此輸入迴路中還是會有一定的反向洩露電流IR（reverse current）。
實際應用時，反向電壓不應超過數據手冊規定的最大值，否則將導致二極管反向被擊穿，一般光電耦合器中這個參數的最大值約5V左右，在使用交流脈衝驅動時，應適當進行保護。
當輸入發光二極管的光線足以使光敏三極管導通時，輸出迴路即產生迴路電流，通常稱之為集電極電流Ic（Collector current），輸出VO將被拉為低電平。光敏三極管飽和導通時的集電極-發射極壓降不為零，這個電壓稱為
集電極-發射極飽和電壓VCE(sat)（Collector-emitter saturation voltage）
當光敏三極管截止時，電池的電壓將全部加在光敏三極管的集電極-發射極兩端，這時允許的最大電壓稱為集電極-發射極電壓VCEO（Collector-emitter voltage），具體應用時不應超過最大值，否則三極管可能會被擊穿。
相似的，還一個電壓稱為發射極集電極電壓VECO（emitter- Collector voltage）
實際三極管在截止時呈現的電阻不會是無窮大的，因此也會在輸出迴路產生一定的集電極暗電流ICEO（Collector dark current）
如果我們在輸入端施加有一定頻率的信號，則相應在輸出端有對應的信號，輸出高電平的幅度由外加電源VCC決定，這樣就可以實現電平轉換，而低電平則由光敏三極管的VCEO來決定
當在輸入端施加的交流正弦信號時，輸入輸出波形將如下圖所示：
但是很多情況下，我們需要在交流應用中使用的光耦（如可控硅導通角的大小控制），即正電壓與負電壓輸入時都會有相應的輸出，這時我們會將兩個光電耦合器按下圖所示進行連接:
當交流正半周輸入時，光電耦合器1的輸出導通，當交流負半周輸入時，光電耦合器2的輸出導通，兩個部輸出分結合在一起即為完整的輸出，這就是過零檢測的基本原理，其輸入輸出波形如下圖所示：
事實上，我們也有交流輸入型的光耦可供選擇，其輸入結構如下圖所示：
同樣，根據不同的應用場合，輸出結構也有很多不同的類型，如達林頓管輸出、場效應管輸出型、晶閘管輸出、邏輯輸出等等
還有另外一個重要參數是電流傳輸比CTR(current transfer ratio)，是指在直流工作條件下，光耦的輸出電流與輸入電流之間的比值，如下式所示：
其中，IC即輸出端集電極負載電流，IF為輸入端二極管正向電流，如下圖的所示：
CTR有點類似於三極管的電流放大倍數，也可稱之為光耦的電流放大倍數。當外加輸入電壓由小到大調節時，輸入電流亦相應地增大，而輸出電流則分為三個區間：
◆ 外加電壓V較小時，由於不足以使發光二極管充分導通，此時的輸入電流比較小，光耦輸出端還沒有導通，CTR也比較小，相當於三極管的截止狀態；
◆ 外加電壓V增大到輸出端開始導通後有一段區域，輸出端電流隨輸入端電流呈比例變化，此時的CTR與輸入電流無關的（即輸出端電流與輸入端呈比例變化），相當於三極管的放大狀態；
◆ 外加電壓V增大後輸出端電流不再隨之增大後，此時的CTR也比較小，相當於三極管的飽和狀態。
在放大狀態（線性區）的這一段區間，就是數據手冊上給出的CTR，比如100%，表示這段區間輸入端電流與輸出端電流的比值為1。
線性度不好的光電耦合器適宜傳輸數字信號，用於隔離輸入與輸出，而線性光耦的CTR具有良好的線性度，適合傳輸模擬信號。在開關電源中，通常利用線性光耦合器構成光耦反饋電路，合理設置線性光耦的輸入電流（處於線性區）即可調節控制端電流來改變佔空比，達到精密穩壓目的。
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