硬件基础：光耦、可控硅、继电器、达林顿管、干簧管

光耦

光电耦合器（optical coupler，英文缩写为OC）亦称光电隔离器，简称光耦。

光电耦合器是一种把发光器件和光敏器件封装在同一壳体内，中间通过电→光→电的转换来传输电信号的半导体光电子器件。其中，发光器件一般都是发光二极管。而光敏器件的种类较多，除光电二极管外，还有光敏三极管、光敏电阻、光电晶闸管等。光电耦合器可根据不同要求，由不同种类的发光器件和光敏器件组合成许多系列的光电耦合器。

光电耦合器以光为媒介传输电信号。它对输入、输出电信号有良好的隔离作用，所以，它在各种电路中得到广泛的应用。目前它已成为种类最多、用途最广的光电器件之一。光耦合器一般由三部分组成：光的发射、光的接收及信号放大。输入的电信号驱动发光二极管（LED），使之发出一定波长的光，被光探测器接收而产生光电流，再经过进一步放大后输出。这就完成了电—光—电的转换，从而起到输入、输出、隔离的作用。由于光耦合器输入输出间互相隔离，电信号传输具有单向性等特点，因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。

有各种各样的光耦，比如

◆

光耦的优点如下所示：

光耦在传输信号的能有效地抑制尖脉冲和各种杂波干扰；
信号单向传输，输入端与输出端完全实现了电气隔离，输出信号对输入端无影响，抗干扰能力强；
进入到光耦输入端的杂波电压比较小，只能形成很微弱的电流，没有足够的能量使二极管发光，从而不会影响输出；
光耦的输入回路与输出回路之间没有电气联接，也没有共地，之间的分布电容极小，而绝缘电阻又很大因此回路一边的各种干扰杂波都很难通过光耦传送到另一边去，避免了共阻抗耦合的千扰信号的产生；
光耦起到很好的安全保障作用，即使当外部设备出现故障，或者输入信号线短接时，也不会影响另一端设备同时光耦的输入回路和输出回路之间可以承受几千伏的高压；
光耦的响应速度极快，其响应延迟时间在us级，更快的有ns级；

◆

光耦的隔离作用怎么理解呢？

其实很简单，电路中总会有些纹波浪涌等干扰，如果通过导线直接连接，那么肯定会由前级电路传导到后级电路，但是如果通过这种光耦，这种非接触式的间接传递，就不会把这种干扰由前级电路带到后级电路中，从而实现了隔离。

补充：电气隔离是指在电路中避免电流从某一区域直接流到另外一区域的方式，即两个区域之间的电流不是直接流动的路径，两个区域之间是没有进行实际的电气连接的。虽然电流无法直接流过两个区域，但是两个区域还是可以传递信息的，因为能量或信号可以通过其他形式进行传递的，比如，通过电磁感应、电磁波、光学、声学、机械的方式进行传递。

电气隔离的作用，可以概括为以下两个方面：

1、保障人员和设备的安全。电气隔离可以使两个电路之间保持独立，比如一个电路是强电电路，另一个是弱电电路，如果没有进行电气隔离，一旦发生故障，强电电路的电流直接流到弱电电路，那将会对人员造成触电的伤害。另外，在电路出现异常、雷击浪涌、高压冲击等伤害，如果负载与前一级电路进行了电气隔离，可对负载电路起保护作用。

2、提高电路的抗干扰能力。电气隔离可以去除两个电路之间的接地环路，可以阻断共模、浪涌等干扰信号的传播，可以使我们的系统具有更高的安全性和可靠性。

◆

光耦常见参数：

◆

光耦分类
光耦通常分为两种：一种为非线性光耦，另一种为线性光耦。
非线性光耦的电流传输特性曲线是非线性的，这类光耦适合于开关信号的传输，不适合于传输模拟量。常用的4N系列光耦属于非线性光耦。
线性光耦的电流传输特性曲线接近直线，并且小信号时性能较好，能以线性特性进行隔离控制。常用的线性光耦是PC817A-C系列。

更多内容可参考大神的文章：

干货|光耦合电路讲解，工作原理+电路案例，通俗易懂，带你搞定 - 知乎

可控硅/晶闸管

可控硅(Silicon Controlled Rectifier) 简称SCR，是一种大功率电器元件，也称晶闸管。

它具有体积小、效率高、寿命长等优点。在自动控制系统中，可作为大功率驱动器件，实现用小功率控件控制大功率设备。它在交直流电机调速系统、调功系统及随动系统中得到了广泛的应用。

可控硅分单向可控硅和双向可控硅两种。双向可控硅也叫三端双向可控硅，简称TRIAC。双向可控硅在结构上相当于两个单向可控硅反向连接，这种可控硅具有双向导通功能。其通断状态由控制极G决定。在控制极G上加正脉冲(或负脉冲)可使其正向(或反向)导通。这种装置的优点是控制电路简单，没有反向耐压问题，因此特别适合做交流无触点开关使用。

可控硅的芯片外形和三极管很像，不要搞混了。

可控硅的典型应用场景

单向可控硅

大家使用的是单向晶闸管，也就是人们常说的普通晶闸管，它是由四层半导体材料组成的，有三个PN结，对外有三个电极：第一层P型半导体引出的电极叫阳极A，第三层P型半导体引出的电极叫控制极G，第四层N型半导体引出的电极叫阴极K。

从晶闸管的电路符号可以看到，它和二极管一样是一种单方向导电的器件，关键是多了一个控制极G，这就使它具有与二极管完全不同的工作特性。以硅单晶为基本材料的P1N1P2N2四层三端器件,起始于1957年，因为它的特性类似于真空闸流管，所以国际上通称为硅晶体闸流管，简称晶闸管T，又因为晶闸管最初是被应用在整流方面，所以又被称之为硅可控整流元件，简称为可控硅SCR。在性能上，可控硅不仅具有单向导电性，而且还具有比硅整流元件（俗称"死硅")更为可贵的可控性。它只有导通和关断两种状态。

单向可控硅的导通和截止条件

注意

G极加正电压并使其导通后，不必保持；

G极只能打开可控硅，不能将其关闭；

另外要和二极管进行区分，虽然都具有单向导电性，而且电路符号相似，不过二极管的是正向导通，反向不导通，但是可控硅只会在A到K方向工作，其导通是由G极控制的，而G极无法关闭，只能由AK之间的电压或者电流来控制关闭，可控硅反向也不会导通。

从等效图我们可以看到，单向可控硅其实就相当于两个三极管，分析原理时，可以把它看作由一个PNP管和一个NPN管所组成。

因为它的原理，所以放大倍数其实就是两个三极管的倍数相乘，β1*β2，因此，可控硅能以毫安级电流控制大功率的机电设备，但是如果超过此功率，因元件开关损耗显著增加，允许通过的平均电流降低，此时，标称电流应降级使用。

可控硅的优点很多，例如：以小功率控制大功率，功率放大倍数高达几十万倍；反应极快，在微秒级内开通、关断；无触点运行，无火花、无噪音；效率高，成本低等等。

可控硅的弱点：静态及动态的过载能力较差；容易受干扰而误导通。

单向可控硅常用于直流电路中。

双向可控硅

双向可控硅是一种硅可控整流器件，也称作双向晶闸管。这种器件在电路中能够实现交流电的无触点控制，以小电流控制大电流，具有无火花、动作快、寿命长、可靠性高以及简化电路结构等优点。

从外表上看，双向可控硅和普通可控硅很相似，也有三个电极。但是，它除了其中一个电极G仍叫做控制极外，另外两个电极通常却不再叫做阳极和阴极，而统称为主电极Tl和T2。

它的符号也和普通可控硅不同，是把两个可控硅反接在一起画成的。它的型号，在我国一般用“3CTS”或“KS”表示；国外的资料也有用“TRIAC”来表示的。双向可控硅的规格、型号、外形以及电极引脚排列依生产厂家不同而有所不同，但其电极引脚多数是按T1、T2、G的顾序从左至右排列(观察时，电极引脚向下，面对标有字符的一面)。

其实可以看做是两个单向可控硅反向并在一起，两个G极接在一起然后引出来。

其导通和截止条件如下：

其导通条件简单理解就是，只要G极给了导通电压，不管是正还是负，然后T1和T2不管正着接还是反着接，都能导通，感觉就像个开关，G极用来闭合开关，而且，要想打开这个开关，得靠减小穿过双向可控硅的电流。

双向可控硅常用于交流电路中。

当交流电压的值到0时，双向可控硅就会关闭，所以需要设计相关的电路来反复开启G极。

门极关断可控硅

这种也可以算是一种可控硅类别，其实就是这种可控硅的G极是可控的，即能控制打开，也能控制关闭，比如给一个高电平就是打开，给一个低电平就是关闭。

其电路符号相对于单向可控硅就是G极变成了直线并且加上一横杠。

继电器

继电器是具有隔离功能的自动开关元件，广泛应用于遥控、遥测、通讯、自动控制、机电一体化及电力电子设备中，是最重要的控制元件之一。

它是一种电子控制器件，具有控制系统(又称输入回路)和被控制系统又称输出回路)，通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。

如下各种各样的继电器

继电器是一种根据电压、电流、温度、速度或时间等物理量的变化来接通或切断电路的电器。继电器的主要功能是保护和控制，所以继电器虽然种类很多，但通常可分为保护继电器和控制继电器两大类。常见的继电器有热继电器、电磁式继电器、时间继电器、温度继电器和速度继电器等。

电子电路中常用的是电磁继电器。

电磁继电器是利用线圈（绕阻）通过电流产生磁场，来吸合衔铁而使触点断开或接通的。

某种继电器的实物图如下：

可以看到这种继电器没有常闭触点，通电就吸合，不通电就断开。

继电器上有一些符号，具体可以查阅数据手册，一般的解读如下所示：

继电器是用小电流来控制大电流的设备。

如上，5VDC表示线圈的供电电压，下面三行是驱动能力，也就是能控制什么样的负载，比如第一行的，就表示能用来控制后续10A250V的交流电，之所以有三行，是其适用于不同的认证标准，比如国标、欧盟标准，德国标准等等。

一些重要参数如下：

上面说的主要是带触点的电磁继电器。

现在常用的还有一种固态继电器。

继电器的常用电路

用分立器件搭建

用集成芯片搭建

注意，继电器通常需要串联一个二极管用来续流。

为什么呢？

因为继电器内部有电感，电感能够蓄能，即产生感应电动势，当电感断开的瞬间，其上流过的电流不能突变，所以需要串联一个负载来泄放这股电流，起到保护电路的作用，否则可能会击穿其他器件。

续流方向和原电流方向一致，为什么呢？因为电感产生的感应电动势会阻碍原来的电流的变化，当电流减小时，感应电动势的方向就会顺着减小的电流方向，以阻碍原来电流的减小。

达林顿管

达林顿三极管，在1953年由美国电气工程师和发明家Sidney Darlington发明。达林顿三极管由两个普通的双极型三极管（BJT）组成，其中一个三极管的发射极连接到另外一个三极管的基极，形成电流增益更大的复合三极管管。

注意，可控硅虽然也等效于两个三极管连接，但其只是等效于。而达林顿管就是这么连的。而且可控硅的等效是一个NPN一个PNP，达林顿管则是可以进行组合。

其最终的等效效果就是两种，要么是NPN型达林顿管，要么是PNP型达林顿管。

下图显示了两种达林顿管的具体的连接方式，左边的是由一对NPN型双极型三极管组成的NPN型的达林顿三极管，右边则是由一对PNP型的三极管组成的PNP型的达林顿三极管。

在这种配置下，达林顿三极管的电流增益近似等于组成它的两个三极管电流增益的乘积。

达林顿管中第一个三极管工作在射极跟随器工作模式，对输入电流进行放大，提高了输入阻抗。这使得达林顿管可以被普通的TTL，CMOS门电路驱动。

为了使得达林顿管饱和，输入电压需要高于两倍的Vbe。另外，达林顿管饱和时，它的C、E之间的电压需要维持第一级三极管工作电压，这也比普通的三极管饱和电压（大约0.2V）要高得多，一般大于0.65V。在大电流下，这个电压会更高，这就大大增加了达林顿管在开关状态下的功耗。

更多细节可参考：电子元件知识讲解：达林顿三极管（附电路图） - 知乎

干簧管

所谓的开关就是使电路开通或者使之断路，所以除了之前用过的机械式switch，继电器，电晶体等等，还有一种叫做干簧管，也称之为磁簧开关(Magnetic Reed Switch)。干簧管（磁簧开关）是一个通过所施加的磁场操作的电开关。它于1936年由贝尔电话实验室的沃尔特.埃尔伍德（Walter B. Ellwood）发明，他本人于1940年6月27日在美国申请专利，专利号为2264746。基本型式是将两片磁簧片密封在玻璃管内，两片虽重叠，但中间间隔有一小空隙。当外来磁场时将使两片磁簧片接触，进而导通。一旦磁体被拉到远离开关，磁簧开关将返回到其原来的位置。

注意，干簧管直接触发开关动作的不是通过电，而是通过磁。

当有一个永久磁铁接近磁簧开关时，此两片簧片会被磁化成可相互吸引的不同极性，当磁场够大时，可让两簧片间产生足够的吸引力而互相接触。干簧片都是经过回火处理的，以便消除剩磁，所以当磁场退去后，在干簧片上的磁场随即消失。如果有任何残留的磁力存在于干簧片上，干簧开关的特性就会改变，在制造过程中，适当的制程和退火处理是非常重要的。

根据干簧管的特性，磁簧开关可做成非常小尺寸体积的切换组件，并且切换速度非常快速、且具有非常优异的信赖性。永久磁铁的方位和方向确定何时以及多少次开关打开和关闭。

我在实际中见到干簧管的一个应用就是风枪，风枪从台架上拿开时，就会通电，放上台架时，就会关闭，从而不必手动去完成风枪的工作状态切换。

更多应用如下：