线性光耦原理与电路设计
光耦电路详解
光耦电路详解
光耦电路也称为光隔离器、光耦合器或光电耦合器，是一种将发光源和受光器组装在同一密闭的壳体内的电子元件。
它的发光源通常为发光二极管，而受光器则可以是光敏二极管、光敏三极管等。
以下是关于光耦电路的一些详解：
1. 隔离作用：在电路中，尤其是低电压或高噪声敏感电路中，光耦电路用于隔离电路以防止电气碰撞机会或排除不需要的噪声。
它的内部结构使得发光源和受光器之间的空间被透明的非导电材料隔离，这样，两个独立的电路就可以通过光耦电路进行控制。
2. 工作原理：当给发光源（如LED）供电时，它会发出红外光，这束光照射到受光器（如光电晶体管）的基极上。
被激活的受光器会控制与其相连的输出电路。
这就是光耦电路如何将电信号转换为光信号，然后再转换回电信号的过程。
3. 信号放大：光电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源，使之发光，被光探测器接收而产生光电流，再经过进一步放大后输出。
4. 良好的电绝缘能力和抗干扰能力：由于光耦电路的输入输出间互相隔离，因此它具有良好的电绝缘能力和抗干
扰能力。
此外，由于光耦电路的输入端属于电流型工作的低阻元件，它具有很强的共模抑制能力。
所以，它在长线传输资讯中作为终端隔离元件可以大大提高信噪比。
光耦的工作原理
光耦的工作原理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。
光耦的优点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，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。
光耦的种类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。
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。
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。
线性光耦实验报告
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。
基于高线性光耦HCNR201的电压电流测量电路设计
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。
线性光耦原理与电路设计,4-20mA模拟量隔离模块,PLC采集应用
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。
线性光耦器件IL300-F-X009原理及其应用
片机中 ， 被采集的信号既可能是 数字信号 ， 也可 能是模拟信
号。为了实现 电平线性转换 以及不把现 场的电 噪声干扰 引 入到以 Ｄ Ｐ Ｓ …数字微处理器为核心的控 制系统 中来 ， 必须将 被测电路 和控制 电路在电气上实现 隔离 ， 电隔离法是 常用 光 的方法。本文 给出一种利用 光电隔离法 对模拟 电压 信号进 行采集 的电路 ， 电路 中使用 了 Ｖ Ｓ Ａ ＩＨ Ｙ公 司的 Ｉ３ ０ＦＸ ０ Ｌ０ ． ．０９ 高精度线性模拟光耦 器件 ， 中对其 工作原理 进行 了介绍 ， 文
２１ 年第２ ０１ 期
文章 编 号 ：６ ４４ ７ （０ ）２０ ４ ．２ １７ ．５ ８ ２ １ ０ —０２ ０ １
山西 电子 技术
应 用 实践
线 性 光 耦 器 件 Ｉ３ ０ＦＸ ０ Ｌ ０ 一— ０ ９原 理 及 其 应 用
张 涛
（ 国营七八五 厂 设 计一所 ， 山西 太原 ０ ０ ２ ） ３０４
温 度特 性 ， 定 电路 性 能 。光 敏 二 极 管 Ｐ ２是 线 性 光 耦 的 稳 Ｄ
ＰＩ Ｄ阴
阴极
阳极
输 出端 ， 接收由 Ｌ Ｄ发 出的光 线而产生 与光 强成正 比的输 Ｅ 出电流 ， 到 输 入及 输 出电 路 间 电 流 隔离 的作 用 。正 是 达 Ｉ３０ＦＸ ０ Ｌ０ 一—０９内部的封装结构 、Ｄ 与 Ｐ ２的严格比例关系及 Ｐ１ Ｄ
Ｏ 引言
在 自动控制 系统 中， 经常需要将一些现场信 号采集 到单
式 （） １ 中 、 分 别 为输入 、 出光 电二 极管 的电 流传输 输 比， 其典型值均为 ０ ７ ． ％左右 。Ｊ ，的范 围在 ５ｍＡ一２ Ａ ０ｍ 之间 ， 能够获得最好的线性关系 ， 时 咖ｌ ｌ 此 和 ｐ ２的电流一般 在 ２０“ ０ Ａ以下 。硒 被定 义 为传输 增益 ， 其输 出侧光 电流 （ ２ 和 输入 侧 光 电流 （ｐ ） 比是一 个 恒定 值 ，Ｌ０ －－ １ ） ｐ ，１ 之 Ｉ３０Ｆ Ｘ０ ０ ９的传输增益 的范 围在 ０ ９５～１ ０ １倍之 间。Ｐ １ ．４ ．６ Ｄ 接入到输 入电路 ， 用来检测 和稳定 发光二极 管发光 的强度 ， Ｐ ２作为输出 电路 的 一部分 与测 量 电路实 现 了电气 隔离。 Ｄ Ｐ １和 Ｐ ２安装位置 的精确性 以及元 件先进 的封装设计保 Ｄ Ｄ
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线性光耦原理与电路设计 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。
在后面可以看到,在合理的外围电路设计中,真正影响输出/输入比值的是二者的比值K3,线性光耦正利用这种特性才能达到满意的线性度的。
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精品。