线性光耦原理与电路设计

线性光耦隔离检测电压电路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。

又由于光耦合器的输入端属于电流型工作的低阻元件，因而具有很强的共模抑制能力。

所以，它在长线传输信息中作为终端隔离元件可以大大提高信噪比。

在计算机数字通信及实时控制中作为信号隔离的接口器件，可以大大增加计算机工作的可靠性。

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。

线性光耦TIL300 ：主要技术指标如下：1.带宽>200Kz；2.传输增益稳定度为±0.05%/℃3.峰值隔离电压为3500VTIL300是一个由红外光LED照射分叉配置的隔离反馈光二极管和一个输出光二极管组成。

该器件采用特殊制造技术来补偿LED时间和温度特性的非线性，使输出信号与发出的伺服光通量成线性比例。

图1.TIL300电容C 防止电路产生震荡。

TIL300内部D0是发光二极管，其工作电流电If 可选为10mA 。

D1,D2为光敏二极管，他们受D0的激发分别产生电流Ip1和Ip2，其大小与If 有关：其中 、 表明 ， 随 的变化，可称为光耦合函数。

由于D1,D2用相同的工艺做成并与D0封装在一起，因此，它们的光耦合函数变化规律一致，故可设：(1)实际上可以把K 看做常数，K 的值是TIL300的电器参数，典型值为1。

参数取值范围为0.75～1.25.。

U1构成一个负反馈放大器，其同相输入端和反相输入端的电压应近似相等，满足：（2） U2是一个电压跟随器，输出电压V0等于输入段电压：22i p V I R » （3） 于是电路的增益可由 (4)由于i V 的电压是由R3、R4、R5分压后输入U1同向端，所以： 0222111P i P V I R R K V I R R ==2p I 1p I f I 2f K I 11p fI K I = 1f K I 22p fI K I = 2211p f p f I K I K I K I == 11i p V I R »(5)于是： (6)可以看出输出0V 与E 是线性关系。

一、实验目的1. 熟悉线性光耦的结构、工作原理和特性；2. 掌握线性光耦的测试方法，包括光耦合效率、传输速率、频率响应等；3. 分析线性光耦在实际应用中的优缺点，为后续相关设计提供参考。

二、实验原理线性光耦（Optical Coupler）是一种利用光信号进行传输的器件，它将输入的电气信号转换为光信号，通过光纤传输，再将光信号转换为电气信号。

线性光耦具有隔离、抗干扰、传输速度快、传输距离远等优点。

线性光耦主要由光源、光电探测器、光学耦合器、驱动电路和接收电路等组成。

其中，光源将电气信号转换为光信号，光电探测器将光信号转换为电气信号，光学耦合器用于光信号的传输。

三、实验仪器与材料1. 线性光耦实验装置；2. 光源；3. 光电探测器；4. 光纤；5. 测试仪；6. 电源；7. 接地线。

四、实验步骤1. 搭建实验电路，将光源、光电探测器、光纤、测试仪、电源和接地线连接好；2. 将光源的输出端连接到测试仪的输入端，调整光源的输出功率；3. 将光电探测器的输出端连接到测试仪的输入端，调整测试仪的增益；4. 测试光耦合效率，记录数据；5. 测试传输速率，记录数据；6. 测试频率响应，记录数据；7. 分析实验数据，得出结论。

五、实验数据与分析1. 光耦合效率光耦合效率是指输入端电气信号功率与输出端光信号功率的比值。

实验中，将光源的输出功率设为1mW，测试仪的输入端光功率为0.8mW，则光耦合效率为0.8mW/1mW=0.8。

2. 传输速率传输速率是指单位时间内传输的数据量。

实验中，测试仪的输入端光信号频率为10MHz，输出端光信号频率为9.5MHz，则传输速率为9.5MHz。

3. 频率响应频率响应是指线性光耦对不同频率信号的传输能力。

实验中，测试仪的输入端光信号频率从10MHz逐渐增加到100MHz，输出端光信号频率从9.5MHz逐渐增加到95MHz，频率响应较好。

六、实验结论1. 线性光耦具有光耦合效率高、传输速率快、频率响应好等优点；2. 实验结果表明，线性光耦在实际应用中具有良好的性能，可满足通信、测控等领域的要求；3. 在后续设计过程中，可根据实际需求选择合适的线性光耦器件。

1前言通常隔离放大器都具有极好的抗共模干扰能力，还可有效阻断现场和数据采集系统之间的电联系，但并不切断它们之间的信号传递，在通信、工业、医疗器材、电源及测试装置等系统之中，电路的隔离是必要的，传统的实现的隔离都是由变压器及光耦合元件完成的，其中变压器用于耦合交流信号；而光耦合器则用于直流信号的耦合。

与一般的光耦合元件不同，LOC11X 光耦合器可工作在伺服模式，并能用以补偿发光二极管的非线性时间及温度特性，除此之外，LOC11X 光耦合器还能同时耦合交流及直流信号，为设计者提供了可取代大体积变压器及非线性光耦合元件的更佳选择。

2结构原理LOC11X光耦合器有LOC110、LOC111和LOC112三种型号，其内部结构为一个红外线发光二极管与两个光电三极管形成的光耦合。

其中的一个光电三极管可在伺服反馈机制中对发光二极管的导通电流予以补偿；另一个光电三极管用于提供输入及输出电路间的电流隔离。

图1所示是LOC11X的内部结构及引脚排列。

LOC11X光耦合器有DIP和表面贴装两种封装形式，它们均能耦合模拟和数字信号，且具有高增益稳定性，其带宽大于200kHz，线性度可达0．01％。

由于LOC11X光耦合器内部有一对线性光耦合器，应当用在电流隔离，可保持正确的交流及直流信号的耦合以及输入／输出的线性，它有光电压和光电导两种工作模式。

2．1光电导模式图2是LOC11X光耦合器在光电导模式下工作的典型电路，该电路被配置成光电三极管的集电极与基极反向偏压，这是LOC11X光耦合器在光电导模式下运作的典型接法。

当输入电压VIN在0V且IF为0mA时，U1有一个大的开环增益值，而随着VIN值的升高，U1的输出值开始进入VCC1的轨迹上，随着U1输出的增大，IF 开始有电流值，发光二极管也进入工作状态。

接着，光电三极管受到发光二极管所发出光的照射而导通并产生电流I1，当I1流经R1时，将在U1的反相端产生电压VA，从而使得放大器进入负反馈工作状态。

光耦的作用及工作原理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。

又由于光耦合器的输入端属于电流型工作的低阻元件，因而具有很强的共模抑制能力。

所以，它在长线传输信息中作为终端隔离元件可以大大提高信噪比。

在计算机数字通信及实时控制中作为信号隔离的接口器件，可以大大增加计算机工作的可靠性。

光耦合器的主要优点是：信号单向传输，输入端与输出端完全实现了电气隔离隔离，输出信号对输入端无影响，抗干扰能力强，工作稳定，无触点，使用寿命长，传输效率高。

光耦合器是70年代发展起来产新型器件，现已广泛用于电气绝缘、电平转换、级间耦合、驱动电路、开关电路、斩波器、多谐振荡器、信号隔离、级间隔离、脉冲放大电路、数字仪表、远距离信号传输、脉冲放大、固态继电器(SSR)、仪器仪表、通信设备及微机接口中。

在单片开关电源中，利用线性光耦合器可构成光耦反馈电路，通过调节控制端电流来改变占空比，达到精密稳压目的。

学习笔记：光耦的主要作用就是隔离作用，如信号隔离或光电的隔离。

隔离能起到保护的作用，如一边是微处理器控制电路，另一边是高电压执行端，如市电启动的电机，电灯等等，就可以用光耦隔离开。

当两个不同的型号的光耦只有负载电流不同时，可以用大的负载电流的光耦代替小负载电流的光耦。

以六脚光耦TLP641J为例，说明其原理。

一个光控晶闸管（photo-thyristor）耦合（couple to）一个砷化镓（gallium arsenide）红外发光二极管（diode）组成。

左边1和2脚是发光二极管，当外加电压后，驱动发光二极管（LED），使之发出一定波长的光，以此来触发光控晶闸管。

光控晶闸管的特点是门极区集成了一个光电二极管，触发信号源与主回路绝缘，它的关键是触发灵敏度要高。

光控晶闸管控制极的触发电流由器件中光生载流子提。

光控晶闸管阳极和阴极间加正压，门极区若用一定波长的光照射，则光控晶闸管由断态转入通态。

常用光耦简介及常见型号光电耦合器（简称光耦）是开关电源电路中常用的器件。

光电耦合器分为两种：一种为非线性光耦，另一种为线性光耦。

常用的4N系列光耦属于非线性光耦常用的线性光耦是PC817A—C系列。

非线性光耦的电流传输特性曲线是非线性的，这类光耦适合于弄开关信号的传输，不适合于传输模拟量。

线性光耦的电流传输手特性曲线接进直线，并且小信号时性能较好，能以线性特性进行隔离控制。

开关电源中常用的光耦是线性光耦。

如果使用非线性光耦，有可能使振荡波形变坏，严重时出现寄生振荡，使数千赫的振荡频率被数十到数百赫的低频振荡依次为号调制。

由此产生的后果是对彩电，彩显，VCD，DCD等等，将在图像画面上产生干扰。

同时电源带负载能力下降。

在彩电，显示器等开关电源维修中如果光耦损坏，一定要用线性光耦代换。

常用的4脚线性光耦有PC817A----C。

PC111 TLP521等常用的六脚线性光耦有：TLP632 TLP532 PC614 PC714 PS2031等。

常用的4N25 4N26 4N35 4N36是不适合用于开关电源中的，因为这4种光耦均属于非线性光耦。

经查大量资料后，以下是目前市场上常见的高速光藕型号：100K bit/S:6N138、6N139、PS87031M bit/S:6N135、6N136、CNW135、CNW136、PS8601、PS8602、PS8701、PS9613、PS9713、CNW4502、HCPL-2503、HCPL-4502、HCPL-2530（双路）、HCPL-2531（双路）10M bit/S:6N137、PS9614、PS9714、PS9611、PS9715、HCPL-2601、HCPL-2611、HCPL-2630（双路）、HCPL－2631（双路）光耦合器的增益被称为晶体管输出器件的电流传输比(CTR)，其定义是光电晶体管集电极电流与LED正向电流的比率(ICE/IF)。

光电晶体管集电极电流与VCE有关，即集电极和发射极之间的电压。

基于高线性光耦HCNR201的电压电流测量电路设计模拟信号量值采集的精确度和稳定度决定了整个项目的运行可靠程度，然而，现场环境恶劣，干扰严重，为了对模拟信号的线性转换而不把现场的各种噪声干扰引入到控制系统，必须将被测模拟信号与控制系统之间进行良好的线性隔离。

一般情况下，直流隔离措施可采用专用隔离运算放大器（ISO124 系列）加配一个高精度隔离直流电源，通过电气耦合的方式来实现被测模拟信号与控制系统的线性隔离，但这种方法成本较高而且温漂较大。

本文采用线性光耦HCNR201 实现了被测模拟信号与控制系统之间的线性隔离。

线性光耦的隔离原理与普通光耦没有太大差别，只是将改变了普通光耦的单发单收模式，增加一个用于反馈的光电二极管并且增大了线性区域。

两个光电二极管都是非线性的，但其非线性特性都是一样的，所以可以通过反馈通路的非线性来抵消直通通路的非线性，从而实现了信号的线性传递。

HCNR201 的工作原理HCNR201 是Avago 公司推出的高线性光耦器件，通过外接不同的分立器件，可以实现交直流电流和电压的光电隔离转换电路，其内部结构如图1 所示。

HCNR201 由高性能的AlGaAs 型发光二极管及两个具有严格比例关系的光电二极管PD1 和PD2 构成。

当发光二极管中流过电流IF 时，其所发出的光会在光电二极管中PD1、PD2 感应出正比于LED 发光强度的光电流IPD1、IPD2，其中IF、IPD1、IPD2 满足以下关系：(1) (2) (3)式中K1、K2 分别为发光二极管PD1、PD2 的电流传输比，其典型值为0.48，范围为0.36～0.72；K3 为该光耦的传输增益，其典型值为1，范围为0.95～1.05。

图1 HCNR201 内部结构图光电二极管PD1 接入输入回路，用于检测和稳定AlGaAs 型发光二极管的发。

1. 线形光耦介绍光隔离是一种很常用的信号隔离形式。

常用光耦器件及其外围电路组成。

由于光耦电路简单，在数字隔离电路或数据传输电路中常常用到，如UART协议的20mA电流环。

对于模拟信号，光耦因为输入输出的线形较差，并且随温度变化较大，限制了其在模拟信号隔离的应用。

对于高频交流模拟信号，变压器隔离是最常见的选择，但对于支流信号却不适用。

一些厂家提供隔离放大器作为模拟信号隔离的解决方案，如ADI的AD202，能够提供从直流到几K的频率内提供0.025%的线性度，但这种隔离器件内部先进行电压-频率转换，对产生的交流信号进行变压器隔离，然后进行频率-电压转换得到隔离效果。

集成的隔离放大器内部电路复杂，体积大，成本高，不适合大规模应用。

模拟信号隔离的一个比较好的选择是使用线形光耦。

线性光耦的隔离原理与普通光耦没有差别，只是将普通光耦的单发单收模式稍加改变，增加一个用于反馈的光接受电路用于反馈。

这样，虽然两个光接受电路都是非线性的，但两个光接受电路的非线性特性都是一样的，这样，就可以通过反馈通路的非线性来抵消直通通路的非线性，从而达到实现线性隔离的目的。

市场上的线性光耦有几中可选择的芯片，如Agilent公司的HCNR200/201，TI子公司TOAS的TIL300，CLARE的LOC111等。

这里以HCNR200/201为例介绍2. 芯片介绍与原理说明HCNR200/201的内部框图如下所示其中1、2引作为隔离信号的输入，3、4引脚用于反馈，5、6引脚用于输出。

1、2引脚之间的电流记作IF，3、4引脚之间和5、6引脚之间的电流分别记作IPD1和IPD2。

输入信号经过电压-电流转化，电压的变化体现在电流IF上，IPD1和IPD2基本与IF成线性关系，线性系数分别记为K1和 K2,即K1与K2一般很小（HCNR200是0.50%），并且随温度变化较大（HCNR200的变化范围在0.25%到0.75%之间），但芯片的设计使得 K1和K2相等。

光耦电路原理
光耦电路是一种将输入和输出电路相互隔离的电子设备。

它由一个光敏元件和一个光发射器组成。

光敏元件通常是光敏二极管或光敏晶体管，而光发射器通常是发光二极管或激光二极管。

光耦电路的工作原理是利用光敏元件对光信号的敏感性。

当输入电路中的电压发生变化时，会引起光敏元件中的光敏二极管或光敏晶体管产生相应的光信号。

这个光信号经过光发射器发射出去，然后被输出电路中的光敏元件接收。

输出电路中的光敏元件也可以是光敏二极管或光敏晶体管，其敏感性与输入电路中的光敏元件相似。

当输出电路中的光敏元件接收到光信号后，会产生相应的电流或电压信号。

之所以使用光耦电路，是因为它可以实现输入和输出电路的电气隔离。

这种隔离可以防止输入电路中的干扰信号传递到输出电路中，从而保护输出电路的正常工作。

另外，光耦电路还具有高速传输、抗电磁干扰和宽工作温度范围等优点。

总结起来，光耦电路通过光敏元件和光发射器的配合，实现了输入和输出电路之间的电气隔离。

它可以在许多电子设备中起到信号转换和隔离的作用，保证信号的稳定传输。

线性光耦隔离电路线性光耦隔离电路的设计所设计的线性光耦隔离电路是由两个光电耦合器、两个偏置输入电路和一个差分放大电路组成，框图如图1所示。

因为光电耦合器有其特有的工作线性区，偏置输入是用来调节光电耦合器(1)的输入电流，使其工作在线性区。

而光电耦合器(2)和偏置输入(2)通过差分放大电路来耦合光电耦合器(1)的漂移和非线性。

差分放大电路还用来得到放大的模拟信号。

光耦隔离放大电路采用TLP521-2光电耦合器、LF356普通一路放大器和LF347普通四路放大器。

TLP521-2光电耦合器是集成了图1中光电耦合器(1)和(2)，LF356主要用于信号输入前的信号处理，一方面保证光电耦合器工作在线性区，另一方面，对输入信号作简单的放大。

LF347则组成差分放大电路。

所以光耦隔离放大电路的结构图如图2所示。

线性光耦隔离电路的接线原理如图3所示。

图中，LF356为放大器(1)，中间两个光电耦合器由TLP521-2构成，后面四个放大器由LF347构成。

线性光耦隔离电路的工作原理光电耦合器的工作特性TLP521-2光电耦合器是由两个单独的光电耦合器组成。

一般来讲，光电耦合器由一个发光二极管和一个光敏器件构成。

发光二极管的发光亮度L与电流成正比，当电流增大到引起结温升高时，发光二极管呈饱和状态，不再在线性工作区。

光电二极管的光电流与光照度的关系可用IL∝Eu表述。

其中，E为光照度，u=1±0.05，因此，光电流基本上随照度而线性增大。

但一般硅光电二极管的光电流是几十微安，对于光敏三极管，由于其放大系数与集电极电流大小有关，小电流时，放大系数小，所以光敏三极管在低照度时灵敏度低，而在照度高时，光电流又呈饱和趋势。

达不到线性效果。

因为不同的光电耦合器有不同的工作线性区，所以，在试验过程中，应该首先找到光电耦合器的线性区。

光电耦合器TLP521-2的电流线性区大约为1～10mA。

光电耦合器的偏置输入电路可以决定输入它的电流的范围，偏置电路设计的好，可以使得输入电流在很大范围内变化时，光电耦合器依然工作在线性区。

光耦电路工作原理光耦电路是一种利用光信号进行传输和控制的电路，主要由光发射器、光接收器和光电检测器组成。

其工作原理主要基于光电转换、信号传输、隔离作用、电压放大、线性输出、高速响应和可靠性高等特点。

一、光电转换光耦电路中的光发射器通常采用发光二极管（LED）或激光二极管等光源，当电流通过这些光源时，它们会发出光线。

当光线照射到光电检测器上时，会产生光电流，即实现了光电转换。

这个过程是将电信号转换为光信号，为光信号的传输做准备。

二、信号传输在光耦电路中，由于光具有优秀的传输特性，可以在较长距离上传输而不损失信号质量。

通过将电信号转换为光信号，实现了电信号的长距离传输，从而可以将电路中的各个部分连接起来，实现电路的集成化设计。

三、隔离作用光耦电路中的光电检测器将接收到的光信号转换为电信号，但这个电信号与输入的电信号之间是相互隔离的。

这种隔离作用可以有效地避免电路中的相互干扰和噪声，提高电路的稳定性和可靠性。

四、电压放大光耦电路中的光电检测器通常具有电压放大功能，可以将接收到的微弱光信号转换为较强的电信号。

这种电压放大功能可以增强电路的输出能力，使得电路更加适合于实际应用。

五、线性输出光耦电路中的光电检测器通常具有线性输出特性，即输出的电信号与输入的光信号之间呈线性关系。

这种线性输出特性使得光耦电路在模拟信号传输和控制方面具有广泛的应用。

六、高速响应由于光速非常快，因此光耦电路中的光电转换和信号传输速度非常快，可以实现高速响应。

这种高速响应特性使得光耦电路在数字信号传输和控制系统等方面具有广泛的应用。

七、可靠性高光耦电路中的光源和光电检测器通常采用半导体材料制作，具有较长的使用寿命和较高的稳定性。

此外，由于光耦电路中不存在机械接触部分，因此具有较高的可靠性，适用于各种恶劣环境和工业应用场景。