线性光耦隔离电路
基于线性光耦HCNR201双极性信号隔离电路
收稿日期:2009-09-30基金项目:国家自然科学基金重大仪器专项项目(40727001)作者简介:杨居朋(1985-),男,山东济宁人,硕士研究生,研究方向为信号采集与智能仪器.・电路与控制・基于线性光耦HCNR201双极性信号隔离电路杨居朋1,2,王军民1,3,刘迪仁1,3(1.长江大学 油气资源与勘探技术教育部重点实验室,湖北 荆州 434023;2.长江大学电子信息学院,湖北 荆州 434023;3.长江大学地球物理与石油资源学院,湖北 荆州 434023) 摘 要:在瞬变电磁勘探中,需要在高压强电磁环境下采集电磁信号进行反褶积运算.如果模拟量与数字量之间没有电气隔离,那么高压很容易窜入低压器件并将其烧毁.设计了一个基于高精度线性光耦器件HCNR201双极性信号隔离转换电路,并介绍了高精度线性光耦器件HCNR201的主要特性及工作原理.应用于实际仪器的实验结果表明,该电路具有良好的线性度、准确度和适用性.关键词:线性光耦;HCNR201;隔离;双极性信号转换中图分类号:T N256 文献标识码:A 文章编号:1673-1255(2009)06-0051-04Design of Isolated Circuit of Bipolar Signal B asedon Linear Optocoupler HCNR 201YAN G J u 2peng 1,2,WAN G J un 2min 1,3,L IU Di 2ren 1,3(1Key L aboratory of Ex ploration Technologies f or Oiland Gas Resources ,M O E (Yangtze U niversity ),Jingz hou 434023,China ;2School of Elect ronics and Inf orm ation ,Yangtze U niversity ,Jingz hou 434023,China ;3School of Geophysics and Oil Resources ,Yangtze U niversity ,Jingz hou 434023,China ) Abstract :Data acquisition in transient electromagnetic method (TEM )is in a high voltage and strong elec 2tromagnetic field.If there is not electric isolation between analog quantity and digital amount ,the high voltage is easy to entry in the low voltage device and destroy it.A bipolarsignal isolation circuit was designed based on the features of the high 2linearity optocoupler HCN201,and the working principle and the features of the high 2linearity optocoupler HCN201were introduced.The experimental results show the circuit has the better lineari 2ty ,high acuracy and practicability in TEM system. K ey w ords :analog optocoupler ;HCNR201;isolation ;bipolarsignal conversion 在瞬变电磁勘探中,需要在高压强电磁环境下采集发射源信号进行反褶积运算.如果模拟量与数字量之间没有电气隔离,那么高压很容易窜入低压器件并将其烧毁.且各干扰信号会随着采集信号进入采集系统,这些干扰信号的叠加会降低信号的信噪比[1,2],不利于以后的信号处理.因此在高压强电磁环境下进行信号采集必须使采集系统与采集信号实现有效的电气隔离.光电隔离可以避免高压窜入低压的采集系统,且光电耦合器输入阻抗小于干扰源的内阻,因而使叠加于被测信号上的干扰信号被极大地衰减,从而保证采集信号的准确度.线性光耦HCNR201为一模拟信号光电隔离器件,可以较好地实现模拟量与数字量之间的隔离,输出跟随输入变化,线性度达0.01%,并且可以避免内部外部电路因接地不同而带来的误差.目前,基于该器件对单极性信号隔离的电路比较多[3-5].双极性信号高线性第24卷第6期2009年12月 光电技术应用EL ECTRO -OPTIC TECHNOLO GY APPL ICA TION Vol.24,No.6December.2009度隔离比单极性信号高线性度隔离复杂,这方面的研究也比较少.基于该器件工作原理特性,设计出一种基于线性光耦HCNR201双极性信号的隔离电路.1 HCNR201简介HCNR201的原理如图1所示.它由发光二极管D1、反馈光电二极管D2、输出光电二极管D3组成.当D1通过驱动电流I f时,发出红外光(伺服光通量).该光分别照在D2、D3上,反馈光电二极管D2吸收光通量的一部分,从而产生控制电流I1图1 HCNR201结构图(I1=0.005I f).该电流用来调节I f以补偿D1的非线性.输出光电二极管D3产生的输出电流I2与D1发出的伺服光通量成线性比例.令伺服电流增益K1=I1/I f,正向增益K2=I2/I f,则传输增益K3=K2/K1=I2/I1,K3的典型值为1.该器件的非线性度为0.01%,带宽大于1MHz,额定隔离电压为8000V.但不可以无限期在任意温度下隔离8000V电压.其连续运行隔离电压为1414V.2 双极性信号隔离电路设计基于HCNR201的特性设计了一种双极性信号隔离电路如图2所示.该电路由互补的两部分组成,光耦1用于正极性信号的隔离,光耦2用于负极性信号的隔离.在隔离电路中,R2调节初级运放A1输入偏置电流的大小,C1起反馈作用,同时滤除了电路中的毛刺信号,避免HCNR201的铝砷化镓发光二极管L ED受到意外冲击.R1可以控制L ED的发光强度,从而对控制通道增益起了一定作用[6].图2 双极性信号隔离电路2.1 隔离电路原理分析该电路由互补电路组成,正极性信号隔离电路与负极性信号隔离电路原理相同,只是信号输入方向和电压极性相反.因此只以正极性信号隔离电路做为分析,其隔离电路如图3所示.在图3中,I1=K1・I f,I2=K2・I f,其中K1、K2为伺服电流增益和正向增益.由电路可知V in=I1・R2=K1・I f・R2(1)V out=I2・R3=K2・I f・R3(2)则电路电压增益为G=V out/V in=(K2・I f・R3)/(K1・I f・R2)(3)在线性光耦HCNR201中K2=K1.所以G=R3/R2(4) 从式(4)可以看出,该隔离电路的电压增益只与电阻R3和R2有关,与光耦的电流传输特性无关,从而实现电压信号隔离.25 光 电 技 术 应 用 第24卷图3 正极性信号隔离电路2.2 运算放大器A 1、A 2的选择HCNR201是电流驱动,其工作电流要求1～20mA ,因此运放A 1的驱动电流必须可以达到20mA.由于隔离信号为双极性,则设计中采用双电源供电的LM358运算放大器,其输出电流可达40mA.运放A 2组成一电压跟随电路,实现输出电路的阻抗匹配.设计中运放A 2也选用双电源供电的LM358运算放大器.2.3 电阻R 1、R 2和R 3的取值由运放A 1(电路图如图3所示)虚断特性知U +=U -=V in(5)由电路图3可知I f =(V out -V d 1)/R 1(6)其中,V d 1为发光二极管D 1的正向压降.I 1=U -/R 2=V in /R 2(7)由于I 1=0.005I f [6],则式(6)、式(7)可化简为V in /R 2=0.005(V out -V d 1)/R 1(8)当R 1=0.005R 2时,V out -V d 1=V in ,即I f =V in /R 1,则R 1=V in /I f(9)设计中V in =-4～+4V ,由于MORNSUN 电源隔离器提供电源,因此V cc =+12V ,V ee =-12V ,为满足I f 取值范围1～20mA ,R 1=V in /I f =4/(20×10-3)=200Ω,R 2=R 1/0.005=40k Ω,R 3=R 2=40kΩ.2.4 隔离电路试验结果该电路首先在protuse 进行仿真实验,其输入信号为峰峰2V 的正弦波,(如图2)当只用光耦1进行信号隔离时,其输出波形如图4所示,由图4知光耦1只隔离正极性的信号,对负极性信号无隔离作用.当只用光耦2进行信号隔离时,其输出波形如图5所示,由图5知光耦2对正极性信号无隔离作用.当用光耦1和光耦2组成的互补电路(如图2)进行信号隔离时,其输出波形如图6所示,由图6知该互补电路可实现对双极性信号的隔离.图4 正极性信号输出图5 负极性信号输出图6 双极性信号输出该电路已用于井中大功率瞬变电磁场采集仪器中,所采集的井中大功率脉冲电磁场源发射电压与35第6期 杨居朋等:基于线性光耦HCNR201双极性信号隔离 图7 井中大功率脉冲电磁场源的发射电压与电流波形电流波形如图7所示,所采电压信号为分压后发射源电压,其分压比例为1000:1.由图7可知最大电压为1.5V,则发射源电压为1500V,所采集最低电压为-0.4V,则发射源电压为-400V.为方便对电流信号的采集,把电流信号经0.5Ω电阻变为电压进行采集,由图7知所采集最高电压20V,流经放电线圈的电流为40A,其电流波形与理论推导的波形相一致.经试验验证在强电压环境(1500～-400V)下,连续对发射源信号进行采集,高压未烧毁采集卡.因此该隔离电路实现了对双极性信号隔离采集,且可隔离瞬变额定电压为8000V.3 结 束 语实验结果表明,应用线性光耦HCNR201组成的双极性信号隔离电路线性度好、电路简单,有效地解决了高压强电磁对高速采集系统的影响,且由于光耦输入阻抗小,极大地衰减了叠加在采集信号上的干扰信号,提高了信号的信噪比,提高了信号处理的精确度.文中所设计的双极性隔离电路以其低成本、高稳定度、高线性度的优点可广泛应用在自动化仪表输入输出隔离、热电偶的隔离、数据通信、电压电流检测和测量、工业控制等领域.参考文献[1] 谭颖琦,范大鹏,陶溢.基于线性光耦HCNR200的DSP采集电路设计与实现[J].电测与仪表,2006(6):46-48.[2] 秦伟刚.光电耦合隔离技术与应用[J].仪器仪表学报,2006(6):2603-2604.[3] 张宝生,王念生.基于高线性度模拟光耦器件HC2NR200模拟量隔离板[J].仪表技术,2005(5):59-60.[4] AN SAN G HOU.A Wide Bandwidth Isolation AmplifierDesign Using Current Conveyors[J].Analog IntegratedCircuits and Signal Processing,2004,40:31-38. [5] 邱吉冰,赵伟.电流小信号隔离采集板的设计与实现[J].自动化仪表,2007(4):61-63.[6] 李海波,林辉.线性光揭在电流采样中的应用[J].光电器件,2003(11):37-38.(上接第35页)(1)加工精度.加工精度须达到纳米级.普通的飞秒激光加工的精度还不能满足要求.高精集束电子流或其他高精度集束粒子流有可能成为理想的加工手段.(2)解决光敏元件的辐射耐受性问题.真空条件下直接面对太阳辐射的恶劣环境要求对器件或窗口材料的性能进行进一步的深入研究.潜在的解决形式如下:①进一步开发耐辐射光敏器件;②开发高一致性光学窗口材料;③采用算法精确处理器件和材料的一致性,减小误差.(3)数据处理帧频需要提高.提高AD转换器采样速度或改进算法.参考文献[1] 郁发新,孙琳琳.基于太阳矢量的皮卫星姿态角测量误差分析[J].吉林大学学报,2008,38(4):976-981. [2] 母方欣,方群,罗建军.基于最小二乘法的月球探测器自主导航[J].计算机仿真,2007,24(11):45-48. [3] 陈非凡,陈益峰.采用光学非线性补偿的两轴微型太阳敏感器[J].清华大学学报(自然科学版),2004,44(2): 197-201.[4] 何丽,胡以华.太阳敏感器的原理与技术发展趋势[J].电子元件与材料,2006,25(9):5-8.[5] 朱鸿泰,孙胜利,陈桂林.CMOS APS在太阳敏感器中的应用研究[J].红外技术,2004,26(4):76-79.[6] 何丽,胡以华,杨勇.一种新的APS数字式太阳敏感器测姿算法[J].传感器世界,2007,13(6):6-10.[7] 樊巧云,江洁,张广军.小型CMOS太阳敏感器[J].光电工程,2007,34(2):133-137.[8] 丁天怀,毕研刚,王鹏.基于CMOS APS的微型数字式太阳敏感器[J].清华大学学报(自然科学版),2008,48(2):203.[9] 居戬之,韦晓茹,朱亚一,等.CCD像元光电转换效率不一致性补偿技术[J].传感器世界,2007(10):18-22.[10] 朱鸿泰,孙胜利,陈桂林.基于CMOS APS高精度太阳敏感器[J].传感器世界,2006(9):26-30.45 光 电 技 术 应 用 第24卷。
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。
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。
线性光耦隔离检测电压电路
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。
光耦隔离电路
光耦隔离电路一、光耦隔离电路简介光耦隔离电路是一种常用的电子电路，用于将输入信号和输出信号进行电气隔离。
它通过光电转换的原理，将输入信号转换为光信号，再经过光电转换将光信号转换为输出信号，实现输入和输出之间的电气隔离。
二、光耦隔离电路的原理光耦隔离电路的核心部分是光耦合器件，它由一个发光二极管（LED）和一个光敏三极管（光电晶体管）组成。
当输入信号加到发光二极管上时，发光二极管发出光信号，光信号经过隔离介质（通常是光耦合器件的外壳）传播到光敏三极管上，光敏三极管根据光信号的强弱来控制输出电路的电流。
三、光耦隔离电路的优势1.电气隔离：光耦隔离电路能够有效地隔离输入和输出信号，避免因输入信号的干扰或输出信号的反馈影响到其他电路的正常工作。
2.高速传输：光信号的传输速度非常快，光耦隔离电路能够实现高速的信号传输，适用于需要快速响应的应用场景。
3.电气隔离：光耦隔离电路能够有效地隔离输入和输出信号，避免因输入信号的干扰或输出信号的反馈影响到其他电路的正常工作。
4.低功耗：光耦隔离电路通常由LED和光敏三极管组成，功耗较低，适用于对功耗要求较高的应用场景。
四、光耦隔离电路的应用1.电力系统：光耦隔离电路广泛应用于电力系统中，用于隔离高压电路和低压电路，避免电气设备之间的相互影响。
2.通信系统：光耦隔离电路用于隔离通信系统中的输入信号和输出信号，保证通信系统的稳定性和可靠性。
3.工业自动化：光耦隔离电路在工业自动化控制系统中起着重要作用，用于隔离控制信号和执行器之间的电气连接，保护控制系统的安全性。
4.医疗设备：光耦隔离电路被广泛应用于医疗设备中，用于隔离医疗设备和患者之间的电气连接，保护患者的安全。
五、光耦隔离电路的设计与应用注意事项1.光耦合器件的选择：根据具体应用需求选择合适的光耦合器件，包括发光二极管和光敏三极管的参数。
2.输入电路的设计：合理设计输入电路，包括电阻、电容等元件的选择，以保证输入信号的稳定性和准确性。
线性光耦隔离原理
线性光耦隔离原理
光耦隔离技术是一种利用光电效应将输入和输出电路隔离开来的方法。
其中，线性光耦隔离原理基于发光二极管和光电二极管之间的光束传输。
在线性光耦隔离器中，输入端的信号通过电流转换成光信号。
发光二极管接收到电流后，将电流转换成等量的光能量，并将光信号传输到隔离区域。
隔离区域是通过光束传输的介质（一般是空气或光纤）来完成的。
光束经过隔离区域后，被光电二极管接收，并将光能量转换回电信号。
这个电信号将成为输出端的信号，与输入端的信号相对应。
通过光束的传输，线性光耦隔离器实现了输入和输出电路之间的电隔离。
这种隔离技术可以避免输入信号对输出信号产生干扰，并且可以保护输出端的电路免受输入端的高电压或高电流影响。
此外，光信号的传输还能够提供高速和宽带的传输性能，使得线性光耦隔离器在工业和通信领域得到广泛应用。
总之，线性光耦隔离器通过利用光电效应将电能转换成光能并进行传输，实现了输入和输出电路的隔离。
这种隔离技术具有抗干扰能力强、高速传输等优点，并且在多个领域中都有重要的应用价值。
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HCNR201内部原理及隔离电路
光耦HCNR201内部原理及隔离电路一、概述以avago公司的hcnr201线性光耦为例说明线性光耦的内部原理及隔离电路的原理。
对于数字信号的隔离，使用一般的光耦器件隔离就能达到很好的效果。
然而一般的光耦具有较大的非线性电流传输特性且受温度变化的影响较大，对于模拟信号的传输其精度和线性度难以满足系统要求。
为了能更精确地传送模拟信号，用线性光耦隔离是最好的选择。
线性光耦输出信号随输入信号变化而成比例变化，它为模拟信号传输中隔离电路的简单化、高精度化带来了方便。
在工业测量和控制系统中，为防止外界的各种干扰，必须将测量系统和计算机系统进行电气隔离。
常用的隔离措施有变压器隔离、电容耦合隔离和光耦隔离。
与变压器隔离、电容耦合隔离相比，光耦体积小，价格便宜，隔离电路简单且可以完全消除前后级的相互干扰，具有更强的抗干扰能力。
二、hcnr201线性光耦隔离原理线性光耦hcnr201内部结构原理如图1所示。
hcnr201由一个高性能发光二极管led和两个相邻匹配的光敏二极管pd1和pd2组成，这两个光敏二极管有完全相同的性能参数。
led 是隔离信号的输入端，当有电流流过时就会发光，两个光敏二极管在有光照射时就会产生光电流，hcnr201的内部封装结构使得pd1和pd2都能从led得到近似光照，且感应出正比于led发光强度的光电流。
光敏二极管pd1起负反馈作用用于消除led的非线性和偏差特性带来的误差，改善输入与输出电路间的线性和温度特性，稳定电路性能。
光敏二极管pd2是线性光耦的输出端，接收由led发出的光线而产生与光强成正比的输出电流，达到输入及输出电路间电流隔离的作用。
正是hncnr201内部的封装结构、pd1与pd2的严格比例关系及pd1负反馈的作用保证了线性光耦的高稳定性和高线性度。
图1 线性光耦hcnr201内部结构三、线性光耦hcnr201隔离电路1. 工作原理hcnr201的led、pd1及运放a1等组成隔离电路的输入部分，pd2及运放a2等组成隔离电路的输出部分。
光耦隔离电路
光耦隔离电路光耦隔离电路是一种常见的电子元件，用于隔离输入和输出之间的电气信号。
它由发光二极管(LED) 和光敏三极管(光电晶体管) 组成。
本文将介绍光耦隔离电路的原理、应用和优势。
光耦隔离电路通过光敏三极管来检测输入信号，然后将其转换为光信号。
这些光信号通过光纤或空气传输到输出端，再通过另一个光敏三极管转换为电信号。
由于输入和输出之间没有直接的电气连接，因此可以实现电气隔离。
光耦隔离电路具有很多应用。
首先，它可以用于电气隔离，以保护用户和设备的安全。
例如，在医疗设备、工业控制系统和电力电子设备中，光耦隔离电路可以隔离高电压和低电压电路，以防止电击和电气干扰。
光耦隔离电路还可以用于信号传输和干扰抑制。
由于光信号的传输速度快，传输距离远，且不受电磁干扰影响，因此光耦隔离电路在电信、计算机网络和音频设备中得到广泛应用。
例如，它可以用于隔离数字信号、模拟信号和脉冲信号，以确保信号的准确传输和接收。
光耦隔离电路还可以用于电气隔离和电源隔离。
在一些特殊环境下，如高温、高压和强电磁场环境中，通过使用光耦隔离电路可以实现电气隔离和电源隔离，提高系统的稳定性和可靠性。
光耦隔离电路具有许多优势。
首先，它可以提供高电气隔离性能，可达数千伏的电气隔离电压。
其次，光耦隔离电路具有快速的响应速度和高带宽，可满足高速信号传输的需求。
此外，光耦隔离电路具有低功耗、小体积和长寿命的特点，适合在各种应用中使用。
尽管光耦隔离电路具有许多优势，但也存在一些限制。
首先，光耦隔离电路的传输距离受限，通常在几十米到几百米之间。
其次，光敏三极管的灵敏度受到环境光的影响，因此在设计和使用时需要注意环境光的干扰。
此外，光耦隔离电路的成本较高，需要考虑到成本效益因素。
光耦隔离电路是一种常见的电子元件，用于隔离输入和输出之间的电气信号。
它具有广泛的应用领域，可以实现电气隔离、信号传输和干扰抑制。
光耦隔离电路具有许多优势，如高电气隔离性能、快速的响应速度和高带宽。
光耦隔离电路
光耦电路设计目录简介：输入电路（原边）输出电路（副边）电流传输比：延时：简介：外部信号可能是电压、电流或开关触点，直接接入电路可能会引起瞬时高压、过压、接触点抖动等。
因此在外部信号输入之前，须经过转换、保护、滤波、隔离等措施。
对小功率信号处理时: 通常简单采用RC 积分滤波或再添加门电路；而在对大功率信号处理时：输入与内部电路电压或电源电压的压差较大，常常采用光电耦合器来隔离。
使用光耦设计隔离电路时，特别要注意电流传输比的降额，驱动电流关断和开通的大小，与延迟相关的负载大小及开关速率。
在进行光耦输入电路设计时，是以光耦为中心的输入电路与输出电路（即原边与副边的电路），光耦的工作原理就是输入端输入信号V in，光耦原边二极管发光使得光耦副边的光敏三极管导通，三极管导通形成回路产生相应信号（电压或者电流），这样就实现传递信号的目的。
在进行光耦输出电路设计时，计算公式与输入部分相同，同时需关注电平匹配、阻抗匹配、驱动功率、负载类型和大小。
以下针对光耦输入电路设计为例。
图1 LED驱动电路输入电路（原边）：针对于光耦原边的电路设计，如图1 ，就是设计发光二级管的驱动电路。
因此须首先要了解光耦的原边电流I F和二极管的导通压降V F等相关信息。
根据必要的信息来设计LED驱动电路，和通常的数字输入电路一样，输入端需要添加限流电阻对二极管起保护作用。
而这个电阻的阻值则是此处的关键，对于图1的限流电阻R的阻值可以根据下面的公式计算：……………………… ①基于对抗干扰能力的考虑，通常在靠近光耦的原边并联接入一个电容进行滤波。
并且RC电路的延迟特性也可以达到测试边沿，产生硬件死区、消除抖动等益处。
同时在数字电路中其延迟特性可能会影响到信号的同步问题（尤其是通讯、异步电路、使能控制等），因此要充分注意电路的时间约束。
根据设计要求，为了确保输入端和公共端的电压差Vin在4V以下时，输入无效，光耦断开。
为此我们在输入端与公共端之间并接一个电阻避免输入无效时造成光耦原边的误导通。
基于高线性光耦HCNR201的交流信号隔离电路的实现
The realization of AC signal isolation circuit based on the highlinearity analog optocoupler HCNR201
YIN Yong-qiang1， WEI Meng-jie2， YU Hong-wei3 （1.Wuhan laborers Electric Automation Co., Ltd. Wuhan 430074, China. 2. Nanning superInformation Engineering Co., Ltd. Nanning 530000,China ） Abstract: In this article, the author studied deeply the characteristics of the high -linearity analog optocoupler HCNR201. Combing the especial need of design in the EVT (electric voltage transducer) , the author designed a kind of AC signal isolation circuit ,which is used in the isolation of the first side and the second side of 10kV EVT. The author deeply analyzed the principium of this circuit in theory, then found and analyzed the factors that maybe cause errors in the transmission of signal in the amplitude and the phase. In the end, the author validated the good performance of this circuit through experiments and simulation. From all the data based on the experiments and simulation, we can know that this circuit has the good characteristics such as low cost, high-linearity, high credibility and so on, so we can say that this circuit can be used in the 0.2-class 10kV EVT. Key words: AC signal， isolation， EVT， linearity， phase error
光耦隔离(驱动)电路-v1.0..
光耦隔离（驱动）电路（V1.0）一、本文件的内容及适用范围本文详细分析了非线性光耦的结构、重要参数，并以此为依据讲解了光耦的应用设计原则及隔离（驱动）电路的设计步骤与方法，最后对单片集成数字隔离器做了简单介绍。
适用于作为艾诺公司开发工程师新项目硬件开发过程、产品设计修改过程、产品问题分析过程、工程师培训的指导性模块与参考文件。
本文中的“光耦”指非线性光耦。
本文中的过程与方法不能完全应用于线性光耦。
二、光耦光电耦合器optical coupler/optocoupler,简称光耦。
是设计上输入与输出之间用来电气隔离并消除干扰的器件。
因线性光耦特有其特点及设计方法，本文在此仅单独讨论在公司产品上广泛应用非线性光耦。
2.1 光耦在公司仪表上的主要应用根据光耦的类型在公司仪表上主要有以下几个方面的应用：1、数字信号隔离：非线性光耦，如6N137对高速数字信号如SPI、UART等接口的隔离。
2、模拟信号隔离传递：线性光耦。
隔离&驱动：普通输出型，如TLP521对IO信号的隔离；达林顿输出型主要用于需要大驱动电流的场合，如继电器的驱动和隔离。
2.2 公司主要应用的主要非线性光耦类别、型号及参数特点主要类别：1、通用型：TLP521、PC817等。
2、数字逻辑输出型（高速、带输出控制脚）：6N137及其变种HCPL06系列等。
3、达林顿输出型：4N30、4N33等。
4、推挽输出型（MOS、IGBT驱动专用）：TLP250、HCPL316等艾诺公司截止到2010年12月常用光耦型号统计及分类见表格《艾诺光耦201012.XLS》。
2.4 光耦基础知识1、光耦结构及原理示意光耦的主要构成部分：LED（电->光）、光电管（光->电）、电流放大（Hfe）部分。
非线性光耦按输出结构分为：普通型、达林顿输出型（高电流传输比，带\不带基极引脚）、逻辑输出型（高速或有控制端）、专用型（内部带推挽，如MOS/IGBT驱动光耦）、双向光耦（LED 部分为两个发光管反向并联，可响应交流信号）。
光耦隔离电路的作用
光耦隔离电路的作用
光耦隔离电路是一种常用的电子电路，其主要作用是实现电气信号的隔离和传输。
它由发光二极管（LED）和光敏三极管（光电晶体管或光敏二极管）组成，通过光的作用来实现输入和输出之间的电气隔离。
以下是光耦隔离电路的主要作用和优势：
1.电气隔离：光耦隔离电路可以将输入端和输出端完全隔离开来，消除了它们之间的直接电气连接。
这种隔离可以防止输入端的电流、电压或噪声对输出端产生干扰，从而提高了电路的稳定性和可靠性。
2.传输信号：光耦隔离电路通过光信号的传输来实现输入端和输出端之间的信号传输。
输入端的电信号被转换成光信号，然后通过光纤或空气传输到输出端，最后再由光敏三极管接收并转换回电信号。
这种光传输的方式可以避免由于电气噪声或干扰引起的信号失真。
3.安全保护：由于输入端和输出端之间存在电气隔离，光耦隔离电路可以在一定程度上保护电路的输入端和输出端不受到高电压、高电流等危险信号的侵害，提高了电路的安全性。
4.波形整形：光耦隔离电路可以实现对输入信号的波形整形，通过LED的驱动电路控制LED的亮度，可以实现对输出信号的幅度和波形进行调节和整形，从而实现对信号的处理和增强。
5.电气隔离效果好：光耦隔离电路具有较好的电气隔离效果，可以在输入端和输出端之间实现高达几千伏的电气隔离，能够有效地防止高压、高频等电气信号的传导和干扰。
综上所述，光耦隔离电路在工业控制、通信设备、医疗器械等领域得到了广泛应用，它具有电气隔离、信号传输、安全保护等多种作
用，能够有效地提高电路的稳定性、可靠性和安全性。
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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。
差分放大电路工作原理
本电路中差分放大电路采用多运放、可增益、可调零电路。
图3中，两个光电耦合器的输出分别通过放大器(2)和(3)输入到放大器(4)的同相端和反相端，再差分放大到输出。
放大器(5)主要是用来调零。
其中，光电耦合器(2)的偏置输入电路通过放大电路来补偿光电耦合器(1)的漂移以及非线性部分。
一旦补偿奏效，电路的输出就只与光电耦合器(1)的输入有关。
线性光隔离电路在程控电压源中的应用
本电路所用输入电压是由PC机给定，该电压由程序控制，并且可调节。
通过D/A转换，变成模拟信号后，送到光耦合隔离放大电路的输入端，由隔离放大电路隔离放大后从放大器(5)输出。
同时在输出端找一个反馈点，同样通过隔离放大电路和A/D转换返回PC机，通过反馈调整程序，使输出更精确。
本实验所要求的PC机给定电压为0-5V，输出要求达到0-12V。
光耦合隔离电路在程控电压源中应用的框图如图4所示。
由于试验的目的是为了得到不受输入影响的精确模拟信号，电路首先要凋零，即在零输入状态下保证输出为零。
调试步骤如下：
1.调节放大器(1)的反相端，使输入电压为零(即接地)。
2.为保证光电耦合器(1)工作在线性区，调节放大器(1)同相端的输入电压，使输出电压达到一个线性度较好的工作区。
3.调节光电耦合器(2)，使得两个耦合器的输入电流完全相同(因为其电流工作特l生)，从而使得输出电流也近似相同(因为电子
元器件本身的误差，不可能完全相同)。
4.调节放大器(2)和(3)的正相输入电压，使两者相等。
这样，在放大器(4)的输出端可以得到一个接近零的输出(也不能完全为零)。
R12为放大倍数调节电阻。
5.调节R17使得放大器(5)输出端电压为零，即PR17为调零电阻。
6.根据所给输入电压Vin调节放大倍数，得到所需电压Vout。
通过试验及调试，得到一组线性度很好的数据。
调试中应注意的问题
1.电路中所有+Vcc均为+12V，-Vcc均为-12V，GND为地，但光电耦合器左右两边用两套电源，以避免信号干扰。
2.对单个放大器而言，在调试时，尽量让输出电压在12V以下。
3.光电耦合器的输入电流应在2～10mA为宜(这是光电耦合器的线性区，电流太大或太小都会偏离线性区)，本实验采用
6.17mA(0V输入时)。
且当输入电压Vin从0～5V改变时，光电耦合器(1)的输入电流应尽量在一个较小的范围内变化，这样可以尽可能
保证输入电流在光电耦合器的线性区内变化。
4.电压放大过程实际由两部分组成，第一部分为放大器(1)，第二部分为后四个放大器组成的集成运放块。
结束语
研究结果表明，上述光耦隔离放大电路可用于多种模拟信号的隔离，尤其是隔离数字信号对模拟信号的干扰。
它的优点主要体现在体积小、寿命长、价格便宜、输入与输出之间绝缘、单向传输信号，且工作频率可以高达上百千赫，可以用于频率要求较宽的电路设计。
它除了具有通常光电耦合器所特有的性能外，还具有输出线性度好、光漂移影响小等特点，因此可以用来消除测控系统的外部干扰，抑
制计算机的数字信号对模拟信号的干扰等。
光耦隔离放大电路由于其简单的电路设计及良好的输出特性，在数字电路上得到广泛的应用，尤其是对于小成本投入、高精度电路的设计，有很大的优势。