光耦合器与光隔离器：工作原理及在工业自动化中的关键应用

光耦合器与光隔离器概述

光耦合器（Optocoupler）又称光隔离器，是一种通过光信号实现输入与输出电路之间电气隔离的电子元件。其核心结构包括一个发光二极管（LED）和一个光敏接收器件（如光敏晶体管、光敏电阻或光敏MOSFET），两者封装在同一壳体内，但彼此无电气连接。

工作原理详解

1. 输入端： 当输入电信号施加到LED上时，LED会发出特定波长的光（通常为红外光）。

2. 光传输： 光信号穿过绝缘介质（如透明树脂或空气间隙）从输入侧传送到输出侧。

3. 输出端： 光敏器件接收到光信号后，产生相应的电流或电压输出，从而实现信号的传递。

4. 电气隔离： 由于输入与输出之间没有直接的电连接，因此可有效防止噪声、高压或接地环路对系统造成干扰。

光耦合器的关键参数——隔离电压

隔离电压是衡量光耦合器安全性能的重要指标，表示输入与输出之间能够承受的最大交流或直流电压而不发生击穿。常见的隔离电压范围从500VAC到5000VAC以上，具体取决于应用场景：

• 低隔离电压（500–1000VAC）： 适用于一般消费类电子产品，如电源适配器、小功率开关电源。
• 中高隔离电压（2500–5000VAC）： 常用于工业控制、电机驱动、PLC系统等高可靠性要求的场合。
• 特殊设计（>6000VAC）： 用于医疗设备、高压测试仪器等极端安全要求环境。

典型应用场景

1. 开关电源反馈回路： 在反激式或正激式电源中，光耦用于将输出电压信息反馈至控制芯片，同时保持高压侧与低压控制侧之间的隔离。

2. 工业通信接口： 如RS-485、Modbus总线中，使用光耦隔离可防止远端设备的地电位差导致通信失败。

3. 继电器驱动电路： 防止高电流负载切换时产生的瞬态电压损坏微控制器。

4. 医疗电子设备： 满足严格的电气安全标准（如IEC 60601），确保患者安全。