光電耦合元件是以光（含可見光、紅外線等）作為媒介來傳輸電訊號的一組裝置 Graf p 522，其功能是平時讓輸入電路及輸出電路之間隔離，在需要時可以使電訊號透過隔離層的傳送方式。光電耦合元件（，或），亦稱光耦合器、光隔離器以及光電隔離器，簡稱光耦。 光電耦合元件可以在二個不共地的電路之間傳遞訊號，二電路之間即使有高壓也不會影響 Lee et al p 2。商用的光電耦合元件其輸入對輸出的耐壓可以到 10 kVHasse p 145，而電壓變化率可以快到 10 kVμsJoffe and KaiSang Lock p 279。 光電耦合元件可分為 zhhans 模擬；zhhant 類比； 與 zhhans 數字；zhhant 數位； 兩種，都是由光發射器和光偵測器組成。光發射器和光偵測器通常會整合到同一個封裝，但它們之間除了光束之外不會有任何電氣或實體連線。 常見的光電耦合元件是將發光二極體（LED）及光電晶體（LED）放在一個不透明的封裝中。其他的組合有 LED 光電二極體、LEDLASCR 及燈泡 光敏電阻。光電耦合元件一般會傳遞 zhhans 數字；zhhant 數位； 訊號，但配合一些技術，也可以用光電耦合元件傳送 zhhans 模擬；zhhant 類比； 訊號。 光電耦合元件廣泛用於電氣隔離、電平轉換、驅動電路及工業通訊中，但因為寄生輸入輸出電容問題，其共模瞬變抑制（CommonMode Transient Immunity）能力較弱，此外，其速度受限、光電耦合元件的功耗較高，以及元件容易老化都是其問題。 歷史 用光學方式耦合固態光發射器及半導體感測器的想法是在 1963 由 Akmenkalns 等人提出（US patent 3417249）。光敏電阻為基礎的光電耦合元件在 1968 年問世，其速度慢，但是是最線性隔離元件，在音樂及音響產業中仍有其利基市場。LED 技術在 19681970 年的商品化，使得光電工程大幅成長，在 1970 年代末各種主要的光電耦合元件均已開發出來。光電耦合元件的主力是雙極性的矽光晶體感測器 Graf p 522 PerkinElmer p 28，可以達到足夠的的傳輸速度，足以用在像腦電圖之類的應用上 See Ananthi pp 56 62 for a practical example of an optocoupled EEG application，目前最快的光電耦合元件是利用光導模式的 PIN 型二極體。 原理 光耦合器一般由三部分組成：光的發射、光的接收及訊號放大。 輸入的電訊號驅動光發射源，使之發光，被光探測器接收而產生光電流，再經過進一步放大後輸出。這就完成了電 光 電的轉換，從而起到輸入、輸出、隔離的作用。由於光耦合器輸入輸出間互相隔離，因而具有良好的電絕緣能力和抗幹擾能力。又由於光耦合器的輸入端屬於電流型工作的低阻元件，具有很強的共模抑制能力 。所以，它在長線傳輸資訊中作為終端隔離元件可以大大提高信噪比。在電腦數位通訊及即時控制中作為訊號隔離的介面器件，可以大大增加其工作之可靠性。 光耦合器的光發射源一般會是紅外線的發光二極體，將電能轉換為特定波長的光，在發射源及接收器之間會有封閉式的光通道（也稱為電介質通道 Mims p 100），接收器是光感測器，感測特定波長的光，可能直接轉換成電能量，也可能由此訊號調變外部電源提供的電流。接收器可以是光敏電阻、光電二極體、光電晶體、（SCR）或 TRIAC。發光二極體除了發射光之外，也可以作為光感測元件，因此可以用發光二極體作光感測元件，即為對稱性雙向光耦合器。光耦合的固態繼電器其中由有光電二極體的光耦合器來驅動功率開關，一般是一對互補的 MOSFET。包括光發射源及接收器，但其光通道有開口，若其他物體擋住開口，使光無法透過，則接收器產生的訊號也會隨之變化。 電氣隔離 電子零件、電氣訊號及電源線都會受到閃電、靜電放電、電磁幹擾、切換脈波及電源擾動所產生的電壓所影響 Hasse p 43。遠方閃電可以感應大到 10kV 的電壓，是許多電子元件耐壓的一千倍 Hasse p 60。電路也可以透過設計方式連線高電壓，此時就需要安全而可靠的裝置連線高電壓及低電壓的元件。。 光電耦合元件的主要功能之一是要阻隔高電壓以及電壓暫態，不讓這些電路中的電壓暫態影響電路的其他部份 Horowitz and Hill p 595。以往這類的機能會由實現，利用電感耦合讓電流隔離的輸入及輸出端可以傳遞訊號。變壓器及光電耦合元件是僅有二種提供加強保護的功能，同時保護裝置以及使用這些裝置的人員。這些裝置在物理上只有單一的隔離層，但提供的保護相當於 IEC 中，具有雙重隔離的 Ⅱ 類電器 Jaus p 48。光電耦合元件的安全性、測試及承認受到各國以及國際性標準的規範：IEC 6074752， 6074752、UL 1577 及 CSA Component Acceptance Notice 5 等 Jaus pp 5051。製造商發行的光電耦合元件規格至少需符合其中一項法規標準。 光電耦合元件透過由輸入訊號調變的光束連線輸入端及輸出端，會將有用的輸入資訊轉換為光，讓光透過介電質，送到接收端再轉換為電氣訊號。變壓器的本質可以雙向傳遞能量變壓器可以有任意多組的線圈，任何一組都可以作為一次繞組，將能量傳送到公共，或是二次繞組，將能量從磁蕊轉換回電路中，而且轉換效率很高，而光電耦合元件和變壓器不同，光電耦合元件多半隻允許單向的訊號轉換（不過也有例外，參考雙向光耦合器），而且不能轉換功率。一般光電耦合元件不轉換能量，只能提供訊號，用訊號將輸出側能量調變後再輸出 Joffe and KaiSang Lock p 277。光電耦合元件可以轉換直流或是緩慢變化的訊號，在輸入及輸出側不需要阻抗匹配輸入側的電路需搭配光電耦合元件的 LED 電路，輸出側的電路需搭配光電耦合元件的感測器電路，但輸入側電路和輸出側電路不需互相搭配。變壓器及光電耦合元件都可以破壞不希望出現的，接地迴路是在工業上及電氣裝置中常見的情形，會因為接地線造成大電流或是雜訊電流 Joffe and KaiSang Lock pp 268 276。 光電耦合元件的實體配置和其隔離電壓的規格有關。若耐壓在數 kV 以下，一般會用平面（或是三明治）的架構 Mataré p 174。感測器晶粒會直接安裝在其封裝（多半是 6 引腳或是 4 引腳的雙列直插封裝）的導線架上。感測器晶粒上方會包覆一層玻璃或是透明塑膠。LED 會在上方往下發光，減少光的損失，感測器的吸收頻譜需要符合 LED 的輸出頻譜，多半都在近紅外線的範圍 Ball p 69。光通道會在可承容擊穿電壓而不會破壞的條件下，作的越薄越好。例如，若短時間的電壓要耐到 375 kV，且要承受電壓變化率 1 kVμs 的電壓，AvagoASSR300 的透明聚醯亞胺層只有 008 mm 厚 Avago Technologies 2007 ASSR301C and ASSR302C datasheet Retrieved November 3 2010。平面元件的擊穿電壓會和光通道層的厚度、以及連線晶粒和引腳的接合線的組態有關。真正在電路中的絕緣電壓會因為印刷電路板及包裝表面的爬電距離有關。安全的設計準則會要求和裸金屬導體至少要有 25 mmkV 的距離，和塗層導體的最小距離則是 83 mmkVBottrill et al p 175。 若是耐壓在 25 to 6 kV 之間的光電耦合元件，會採用另一種稱為矽圓頂（silicone dome）的架構 Basso。在此架構中，LED 和感測器會放在包裝的兩側，LED 會向側面的感測器發光。LED、感測器及兩者之間的空隙會用透明的矽氧樹脂圓頂包覆住。圓頂的作用類似反射鏡，會反射所有的雜散光，反射到感測器上，減少較長光通道造成的損耗。若是雙模設計，其矽圓頂（內模）及外殼（外模）之間會充填暗色的介電材質，而且有適當的熱膨脹係數 Vishay Semiconductor。 種類 元件形式可以看 Horowitz and Hill 的 597 頁，其中有一個擴充的光電耦合元件列表，列出其電氣符號以及典型的應用 光源 Mims p 100 感測器種類 速度 電流轉換比（CTR）電流轉換比（CTR）是感測器輸出電流和光源端輸入電流之間的比例 電阻輸出式光隔離器（Vactrol） 電燈泡 CdS 或 CdSe 光敏電阻（LDR） 非常慢 100 經過光電阻器的電流和電阻兩端的電壓成正比，理論上可以超過輸入電流的 100，但實務上因為焦耳定律發熱產生的耗散，會使電流轉換比小於 100 電阻輸出式光隔離器（Vactrol） 氖燈 CdS 或 CdSe 光敏電阻（LDR） 低 100 經過光電阻器的電流和電阻兩端的電壓成正比，理論上可以超過輸入電流的 100，但實務上因為焦耳定律發熱產生的耗散，會使電流轉換比小於 100 電阻輸出式光隔離器（Vactrol） GaAs 紅外線 LED CdS 或 CdSe 光敏電阻（LDR） 低 100 經過光電阻器的電流和電阻兩端的電壓成正比，理論上可以超過輸入電流的 100，但實務上因為焦耳定律發熱產生的耗散，會使電流轉換比小於 100 二極體輸出型光耦合器 GaAs 紅外線 LED 矽光電二極體 最高 0102 電晶體輸出型光耦合器 GaAs 紅外線 LED 單一雙極電晶體型矽光電晶體 中等 2120 Mataré p 177 table 51 電晶體輸出型光耦合器 GaAs 紅外線 LED 達靈頓電晶體型光電晶體 中等 100600 光耦合式 SCR GaAs 紅外線 LED 從低到中 100 Mataré p 177 光耦合式 TRIAC GaAs 紅外線 LED TRIAC 從低到中 非常高 固態繼電器 GaAs 紅外線 LED 疊層 光二極體疊層驅動一對 MOSFET 或 IGBT 從低到高低價的固態繼電器會有數十微秒的切換時間。現代的高速固態繼電器（例如 Avago 的 ASSR300）切換時間小於 70 奈秒 實務上沒有限制 電晶體耦合器：具有較高的換能效率，高耐壓性，低輸入驅動能力 高速積體電路輸出耦合器：它有提供高速整合光能力的接收元件，速度為 1－10 兆赫茲。 三端雙向可控矽耦合器：這種型別的耦合器主要用來控制 AC 載荷，例如發動機和螺線管。 線性耦合器：結構由紅外線 LED，與紅外線接收二極體組成，其輸出為純電流訊號。輸入電流與輸出電流有線性關係比，在光電二極體未飽和前，為線性輸出特性。 光電繼電器 SSR：又名固態繼電器或光電 MOSFET，因為在一個輸出處裡裝配二顆 MOSFET，在產品導通後，會與一般 MOSFET 相同，呈現電阻特性。 電阻輸出式光耦合器 thumbupright 歐洲的電阻輸出式光耦合器圖示，從上到下分別是用電燈泡、氖燈及 LED 為光源 最早期的光耦合器出現在 1960 年代，是由微型電燈泡為光源，使用硫化鎘（CdS）或硒化鎘（CdSe）光電阻（也稱為光敏電阻，LDR）為接收器，即為。若在控制線性度不太重要的場合，或是可用電流太小，無法點亮電燈泡的情形（例如真空管放大器），會用氖燈代替電燈泡。這類裝置（或者只是 LDR）一般稱為 Vactrols，是 Vactec 公司的商標。不過此商標已經屬於通用商標依照美國專利及商標局所述，1969 年註冊，針對「配合光源的光電池」的商標已經失效 USPTO database record serial number 72318344 Retrieved November 5 2010。1993 年此商標有再冊，內容是「作為醫用吸引導管元件的外科管聯結器」目前仍有效，是由 Mallinckrodt 公司擁有此商標 USPTO database record serial number 74381130 Retrieved November 5 2010，但原始的 Vactrols 仍然由珀金埃爾默製造 Weber p 190 PerkinElmer p 28 Collins p 181Vactec 已被國防承包商（Edgerton Germeshausen and Grier Inc）在 1983 年收購。1999 年 EGG 收購以前獨立的 PerkinElmer。凱雷集團的一個子公司 Silonex 也有其電阻輸出式光耦合器 Audiohm Optocouplers。 電燈泡的點亮及熄滅時間約需數百毫秒，因此電燈泡變成等效的低通濾波器及整流器但也限制了頻率超過幾赫茲以上的應用。發光二極體（LED）在 1968 年1970 年引入，Schubert pp 89，製造商將電燈泡及氖燈改成 LED，反應時間降到 5ms，而且調變頻率可以高到 250 HzPerkinElmer pp 67 at 1 fc Footcandle of illumination the response times are typically in the range of 5 ms to 100 ms。Vactrol 此一商品也包括 LED 基礎的零件，在 2010 年仍有小量的生產 Weber p 190 PerkinElmer pp 2728 Collins p 181。 光電耦合元件中的光電阻是靠一層半導體均勻薄膜上的體效應，沒有 pn 結。光感測器及光電阻器都是非極性元件，適用於交流及直流電路。其電阻降和入射光的強度成反比，從本質上接近無限大，到小於 100 歐姆的殘餘電阻。這些性質讓最早的 Vactrol 變成一個可用在電信網路的動態範圍壓縮及自動增益控制元件，既便宜及方便。光電阻的耐壓可以到 400 voltsPerkinElmer p 3，因此是驅動真空熒光顯示器的理想元件。其他工業化應用包括影印機、工業自動化技術、專業測光裝置以及曝光量測的曝光量測計。這些應用大部份都已經過時，不過電阻輸出式光耦合器在音響上仍有其優勢，特別是在吉他音箱市場中。 1960 年代美國的吉他及風琴製造商用電阻輸出式光耦合器作為便宜及方便的震音調製器。芬達樂器公司早期的震音效果是用兩個真空管，在 1964 年後一個真空管就被由光敏電阻及氖燈組成的光耦合器取代了 Fliegler and Eiche p 28 Teagle and Sprung p 225。至今透過踏下效果器踏板而啟動的 Vactrols 在音樂產業中無所不在 Weber p 190。缺乏真正的 PerkinElmer Vactrols 迫使 DIY 吉他社群開始自製電阻輸出式光耦合器 Collins p 181。到目前為主，吉他手喜歡光耦合器的效果，因為電路架構分離了音源地及控制地的訊號，因此「有本質上高品質的聲音」，不過光耦合器在的失真仍比專業的電耦合式要大 PerkinElmer pp 3536 Silonex p 1 see also distortion charts on subsequent pages。而且這類光耦合器的效能會進一步的被因為光記憶（light history，鎘化合物本質上會有的記憶效應）造成的電阻緩慢波動而影響。這類波動需數個小時才會穩定下來，而且只能被控制電路中的反饋抵消部份的影響 PerkinElmer pp 7 29 38 Silonex p 8。 光二極體輸出型光耦合器 光二極體輸出型光耦合器利用 LED 為光源，矽的光電二極體為感測器。若光二極體被外部電壓源逆向偏壓，入射光會減少二極體上的負向電流。二極體本身不會產生能量，而是調變由外部來源提供的能量。這種運作方式稱為「光導模式」（photoconductive mode）。相對的，若沒有外部的偏壓，二極體會轉換光能為電勢能，將電壓差最多有 07 V 的端子充電。充電的速度和入射光的強度成正比。可以透過外部的高阻阻路徑排出電荷來獲得能量，電流轉換比例可以高到 02，此模式稱為「光伏模式」（photovoltaic mode）。 最快的光耦合器是使用在光導模式下的 PIN 二極體，其反應時間是在奈秒以下，整體的系統速度會受限於 LED 輸出及偏壓電路，為了要減少其延遲，高速的數位光耦合器會將 LED 驅動電路以及輸出放大器整合到其光耦合器，以讓速度最佳化。這類裝置稱為全邏輯光耦合器，其 LED、感測器及相關驅動電路及數位邏輯電路都封裝在一個包裝內 Horowitz and Hill pp 596597。惠普在 1970 年代末推出的 6N137HPCL2601 系列都有內部的輸出放大器，其通訊速度可以到 10 MBdPorat and Barna p 464 See also full specifications of currently produced devices 6N137 HCPL2601 datasheet Avago Technologies March 2010 Retrieved November 2 2010。這也成為當時的產業標準，一直到後來從惠普分家的安捷倫科技，在 2002 年匯入 50 MBd 的元件 77230723 系列，才超越此一標準安捷倫科技的半導體部門，自 2005 年起分離為一個獨立的公司 Avago TechnologiesAgilent Technologies Introduces Industrys Fastest Optocouplers Business Wire December 2 2002，其中包括 CMOS 的 LED 驅動器以及 CMOS 緩衝放大器，需要二組獨立的 5V 電源 Agilent Technologies 2005 Agilent HCPL7723 HCPL0723 50 MBd 2 ns PWD High Speed CMOS Optocoupler Datasheet Retrieved November 2 2010。 光二極體輸出型光耦合器可以用做類比訊號的介面電路，不過二極體的電流電壓非線性特性會造成。匯入了一種特殊的類比光耦合器，用二個相同的光二極體及輸入端的運算放大器來補償二極體的非線性。其中一顆光二極體放在放大器的回授路徑上，因此可以維持固定的電流轉換比，不會受到光二極體的非線性影響。 在 2011 年 6 月 3 日有廠商提出了新的類比光耦合器概念，概念的組態包括二部份，一部份的電路負責轉換訊號，另一組則負責產生負回授，以確保輸出訊號和輸入的相同。提出的類比隔離器在大範圍的工作電壓及頻率下都是線性的 Modern Applied Science Vol 5 No 3 2011 A Novel Approach to Analog Signal Isolation through Digital Optocoupler YOUTAB 。不過線性的電阻輸出式光耦合器以前就已使用此一概念，例如 IL300Vishay website IL300 data accessed 10202015 httpwwwvishaycomoptocouplerslistproduct83622。 利用 MOSFET 製成的固態繼電器開關一般會配合一個二極體輸出型光耦合器來驅動開關。MOSFET 的閘極需要相對較小的電荷來使其開啟，且其穩態的漏電流較小。光伏模式的二極體輸出型光耦合器可以在短時間內產生導通的電荷來使其開啟，但其輸出電壓比 MOSFET 閾值電壓要小很多。為了使輸出電壓大於閾值電壓，固態繼電器會將最多 13 個光二極體串聯，以產生需要的電壓 Vishay Semiconductor 光電晶體輸出型光耦合器 光電晶體在本質上就比光二極體要慢 Ball p 61。最早期且速度最慢的是 4N35 光耦合器，在 100 Ohm 負載下，上昇及下降時間需 5 微秒，但仍相當常用 Horowitz and Hill p 596 Ball p 68 有提到其上昇及下降時間是 10 微秒，但沒有說明負載大小，其頻寬無法超過 10 kHz，10 kHz 就可以應用在像腦電圖或是脈衝寬度調變馬達控Ball p 68 的應用。像 1983 年原始的 MIDI 規格就建議用像 PC900 或 6N138 光耦合器 MIDI Electrical Specification Diagram Proper Design of JoystickMIDI Adapter MIDI Manufacturers Association 1985 Retrieved November 2 2010，讓數位資料的傳輸速度可以到數十 kpsBall p 67。為了達到最快的速度，光電晶體需要適合的偏置及提供適當的負載，例如 4N28 在最佳偏置下可以運作到 50 kHz，但一般情形只有 4 kHzPease p 73。 設計光電晶體輸出型光耦合器的電路需要針對常見電子元件引數的大幅波動預留足夠的裕度。有些引數的波動是破壞性的，例如若直流 直流轉換器回授電路中的光耦合器其傳遞函式變化，而且產生寄生振盪 Basso，或是光耦合器有未預期的延遲，會造成 H 橋中某一腳的短路 Ball pp 181182 H 橋某一腳短路稱為 shootthrough，供應商的只列出關鍵引數的最壞情形數值。實際的元件常會以一些不可預測的方式，讓情形比資料表中的最壞情形更差鮑伯皮斯發現某一些 4N28 的電流轉換器可以從 15 變化到超過 100，資料表只列出其最小值 10。電晶體雙極性電晶體的 beta 可能從 300 變化到 3000，因此頻寬變化為 101。 利用場效電晶體（FET）為感測器的光耦合器較少見，像 vactrol 一様，若 FET 的跨壓沒有超過數百 mV 時，可以用來作遠端控制的類比電位器 Horowitz and Hill p 598。光學的 FET 在導通時不需注入電荷到輸出電路中，特別適用在取樣保持電路中 雙向光耦合器 目前提到所有的光耦合器都是單向的，光學通道是單向的，訊號從光源（LED）傳到感測器。感測器可能是光電阻器、光二極體或是光電晶體，但都不能發射光線例外：第三代及第四代光二極體可以發光 Mims p 102。但 LED 和其他的光電二極體一様 Even the garden variety signal diodes you use in circuits have a small photovoltaic effect There are amusing stories of bizarre circuit behavior finally traced to this Horowitz and Hill McCoulny p 184 可以偵測入射的光，因此在概念上可以用一組 LED 作雙向的光耦合器。最簡單的雙向光耦合器只是一組彼此相對的 LED，再用熱縮套管包覆在一起，若是需要，LED 之間的間隙可以用光導纖維來延伸 Mims vol 2 p 102。 可見光 LED 的轉換效率較差，一般雙向裝置一般會用近紅外線的 GaAs、GaAsSi 及 LED。用 GaAsSi 的 LED 所製的雙向光耦合器，不論運作在光電二極體的光伏（photovoltaic）模式或是光導（photoconductive）模式下，電流轉換效率都只有 006，比用光二極體的單向光耦合器要差光二極體的光耦合器電流轉換比可以高於 02 Mataré p 177 table 51，但已經符合實際的應用需求。 應用 光電耦合元件廣泛用於電氣絕緣、電平轉換、級間耦合、驅動電路、開關電路、斬波器、多諧振盪器、訊號隔離、級間隔離、數位儀錶、遠距離訊號傳輸（工業通訊）、脈衝放大、固態繼電器（SSR）、儀器儀錶、通訊裝置及微機電介面中。 在單片開關電源中，利用線性光耦合器可構成光耦回饋電路，透過調節控制端電流來改變佔空比，達到精密穩壓目的。 組態種類 一般來說，光電耦合元件是封閉配對的配置，也就是在在一個不透明的封裝內有光發射器及光感測器面對面擺放。 有些光電耦合元件是「槽型耦合元件 中斷器」的組態，光電耦合元件在發射器及感測器之間有開槽，而且可以影響其訊號。這類的光電耦合元件適用在物體偵測，振動偵測，以及無彈跳的切換。 有些光電耦合元件是「反射對」的組態，其中有一個光源會發射光，另一個接收源，但是是接收由其他物體反射的光。反射式的光電耦合元件適用在轉速表、運動偵測器以及反射監視器。 後面兩種也稱為「光感測器」（optosensors）。 參看 光電 電流隔離 有類似耦合 隔離機能的元件 微機電系統 電容耦合元件 巨磁阻效應 變壓器式隔離元件 腳註 參考資料 來源 Alexander Jaus 2005 Navigating the Regulatory Maze with Optocouplers Power Electronics Technology May 2005 pp 4852 Christophe Basso 2009 Dealing with LowCurrent Optocouplers Energy Efficiency and Technology September 1 2009 Retrieved November 2 2010 Dan I Porat Arpad Barna 1979 Introduction to digital techniques Wiley ISBN 0471029246 E Fred Schubert 2006 Lightemitting diodes Cambridge University Press ISBN 0521865387 Elya B Joffe KaiSang Lock 2010 Grounds for Grounding A Circuit to System Handbook WileyIEEE ISBN 0471660086 Forrest M Mims 2000 Mims Circuit Scrapbook volume 2 Newnes ISBN 1878707493 Geoffrey Bottrill Derek 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