光电耦合器件在电子电路中的应用实验1

光电耦合器件在电子电路中的应用实验P实验一、实验目的1．熟悉光电耦合器件及其种类，基本掌握常用

光电耦合器件的使用。2．掌握光电耦合器件的常用电路的设计、调试方法。—集成运算放大器(简称运放)OperationalAmplifier凹口或小圆孔作为标记双列直插DIP(DoubleInLinePackage)表面贴装(扁平)SMD(SurfaceMountingDevice)芯片座8脚正电源负电源同相输入反相输入输出调零端调零端悬空μA741（μA741引脚或运放LM741）二、相关知识（LM358引脚）负电源正电源LM324V+V-1234567141312111098（LM324引脚）（实验用运放LM358）二、相关知识（实验用光耦TLP521-2）双路光耦TLP521-2）——隔离放大器简介1.“隔离”与“耦合”：电气隔离（即电气绝缘）、信号耦合（信号传输）。三、实验说明2.实现“隔离”与“耦合”的方法：

采用光电耦合器件(简称光耦)、电磁耦合器件即变压器。3.作用：有效地提高控制系统的抗干扰能力；有效地保护测试设备（强、弱电隔离）；有效地保护被测试对象（如人体安全）。4.光耦结构与原理光电耦合器由发光器件（如发光二极管）和受光器件（光接收器、光敏器件，如光敏三极管）封装在一个组件内构成；当发光二极管流过电流IF时发出红外光，光敏三极管受光激发后导通，并在外电路作用下产生电流

IC。常用光电耦合器内部结构

(a)晶体管型(b)基极引出的晶体管型(c)达林顿型(d)晶闸管型——隔离放大器简介三、实验说明

5.光电耦合器的分类(1)根据光电耦合器输出形式可分为：a.光敏器件输出型：光敏二极管输出型，光敏三极管输出型，光电池输出型，光可控硅输出型等。

b.NPN三极管输出型：交流输入型，直流输入型，互补输出型等。

c.达林顿三极管输出型：交流输入型，直流输入型。

d.逻辑门电路输出型：门电路输出型，施密特触发输出型，三态门电路输出型等。e.功率输出型：IGBT/MOSFET等输出。(2)根据光电耦合器输入输出关系可分为：

非线性光电耦合器和线性光电耦合器。

非线性光电耦合器的电流传输特性曲线是非线性的，这类光电耦合器适合于开关信号的传输，不适合于传输模拟量。

线性光电耦合器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。常用光电耦合器内部结构(a)晶体管型(b)基极引出的晶体管型(c)达林顿型(d)晶闸管型VCC

RL

IC(mA)UCE=10V42

04080IB(uA)

——隔离放大器简介三、实验说明(2)根据光电耦合器输入输出关系可分为：

非线性光电耦合器和线性光电耦合器。线性与普通光耦的典型特性曲线图(虚线线性和实线普通)

IC/IBβIC电流转移特性曲线电流传输特性曲线三极管的直流电流放大系数（即hFE）4

个控制系数（比例系数）：α：无量纲

r：电阻量纲（欧姆

）.g：电导量纲（西门子S）.β：无量纲转移电导转移电阻转移电压比转移电流比1.4.3晶体管的伏安特性曲线(定量分析)①输入特性曲线IB=f(UBE)|UCE=C.②输出特性曲线IC=f(UCE)|IB=C.③传输特性曲线IC=f(IB)|UCE=C.＋VF－

IF

＋

VCE

－（COM2）IC

非线性光电耦合器的电流传输特性曲线是非线性的，这类光电耦合器适合于开关信号的传输，不适合于传输模拟量。

线性光电耦合器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。VCC

RL

——隔离放大器简介三、实验说明＋VF－

IF

＋

VCE

－（COM2）正向电流IF—正向压降VF

电流传输比CTR（电流传输系数、电流转移系数）：输出管的工作电压为规定值时，输出电流（集电极电流IC）和发光二极管正向电流IF之比为电流传输比CTR。IC

1.光电耦合器的伏安特性测量（“间接测量法”测量电流、

“逐点测量法”测量伏安特性）VI＋VF－＋

VCE

－VCC

IF

（COM2）(1)反相器—电子开关—非门测试条件实测值VF(V)IF(mA)VCE(V)IC(mA)CTRVI=0V(COM1)，R1=250

VI=+5V，R1=250

VI=+5V，R1=470

VI=+5V，R1=1k

VI=+5V，R1=2k

VI=+5V，R1=5.1k

VI=+5V，R1=10k

VI=+5V，R1=100k

TLP521-2

R1IC

RL

2.2k

四、实验内容—

反相传输电路

（COM1）（+15V）b）分析RL固定时，R1值应多大才合理？—

电平转换电路—浮地或浮置，共地要求输入为

0~5VDC电平信号，对应输出约为

15~0VDC的电平转换。a)根据测量结果绘制输入伏安特性曲线。VI＋VF－＋

VCE

－VCC

IF

（COM2）TLP521-2

R1IC

RL

2.2k

（COM1）（+15V）1.光电耦合器的伏安特性测量（“间接测量法”测量电流、

“逐点测量法”测量伏安特性）(1)反相器—电子开关—非门测试条件实测值VF(V)IF(mA)VCE(V)IC(mA)CTRVI=0V(COM1)，R1=250

VI=+5V，R1=250

VI=+5V，R1=470

VI=+5V，R1=1k

VI=+5V，R1=2k

VI=+5V，R1=5.1k

VI=+5V，R1=10k

VI=+5V，R1=100k

四、实验内容b）分析RL固定时，R1值应多大才合理？要求输入为

0~5VDC电平信号，对应输出约为

15~0VDC的电平转换。a)根据测量结果绘制输入伏安特性曲线。—

反相传输电路

—

电平转换电路—浮地或浮置，共地VI＋VF－＋

VCE

－VCC

IF

（COM2）TLP521-2

R1IC

RL

2.2k

（COM1）（+15V）1.光电耦合器的伏安特性测量（“间接测量法”测量电流、

“逐点测量法”测量伏安特性）(1)反相器—电子开关—非门测试条件实测值VF(V)IF(mA)VCE(V)IC(mA)CTRVI=0V(COM1)，R1=250

VI=+5V，R1=250

VI=+5V，R1=470

VI=+5V，R1=1k

VI=+5V，R1=2k

VI=+5V，R1=5.1k

VI=+5V，R1=10k

VI=+5V，R1=100k

四、实验内容b）分析RL固定时，R1值应多大才合理？要求输入为

0~5VDC电平信号，对应输出约为

15~0VDC的电平转换。a)根据测量结果绘制输入伏安特性曲线。—

电平转换电路—浮地或浮置，共地—

反相传输电路

1.光电耦合器的伏安特性测量（“间接测量法”测量电流、

“逐点测量法”测量伏安特性）VI＋VF－＋

VCE

－VCC

IF

250

（COM2）测试条件VI=+5V、R1=250

实测值VF(V)IF(mA)VCE(V)IC(mA)CTRRL=100kΩRL=5.1kΩRL=2.2kΩRL=1kΩRL=470ΩRL=220ΩRL=51Ω（光耦TLP521-2发热）TLP521-2

R1IC

RL

四、实验内容（COM1）（+15V）(2)输出伏安特性测量a)根据测量结果绘制输出伏安特性曲线。b)分析VCE增大时VF

是增大还是减小？（光耦TLP521-2发热的影响。）c)分析VCE增大时CTR值的变化。1.光电耦合器的伏安特性测量（“间接测量法”测量电流、

“逐点测量法”测量伏安特性）

IC(mA)UCB=UCE－UBE=0V

饱和区

放大区

ICEO

0uA

00.710截止区20

VCE(V)

U(BR)CEO......IF

15.2mA四、实验内容(2)输出伏安特性测量a)根据测量结果绘制输出伏安特性曲线。b)分析VCE增大时VF

是增大还是减小？（光耦TLP521-2发热的影响。）c)分析VCE增大时CTR值的变化。vI＋vF－＋

vCE

－VCC

iF

（COM2）2.测量反相器的最高工作频率（或传输速率）TLP521-2

R1iC

RL

2.2k

四、实验内容（COM1）（+15V）250

（1）输入信号是前沿陡峭的大幅度方波，

用示波器监视输入电压波形，使其峰峰值达10Vpp后保持不变。再增大输入信号的频率，当输出电压波形开始成

锯齿波时用示波器测量其峰峰值Vpp、频率。

示波器双踪显示vI、vCE

的波形，记录波形可用图片。分析该反相器的最高工作频率（或传输速率）应多大才合理？tovCEV+om≥13Vpp0.9V+om0.1V+om4.放大电路上限频率fH、下限频率fL的测量7．测量

转换速率

SRvI＋vF－＋

vCE

－VCC

iF

（COM2）2.测量反相器的最高工作频率（或传输速率）TLP521-2

R1iC

RL

2.2k

四、实验内容（COM1）（+15V）250

（1）输入信号是前沿陡峭的大幅度方波，

用示波器监视输入电压波形，使其峰峰值达10Vpp后保持不变。再增大输入信号的频率，当输出电压波形开始成

锯齿波时用示波器测量其峰峰值Vpp、频率。

示波器双踪显示vI、vCE

的波形，记录波形可用图片。分析该反相器的最高工作频率（或传输速率）应多大才合理？tovCEV+om≥13Vpp0.9V+om0.1V+om（2）输入信号是正弦波、三角波信号时，

用示波器监视输出电压波形，分析该反相器能否传输正弦波、三角波信号？

示波器双踪显示vI、vCE

的波形，记录波形可用图片。vI＋vF－＋

vCE

－VCC

iF

（COM2）TLP521-2

R1iC

RL

四、实验内容（COM1）（+15V）3.用光电耦合器TLP521设计一个报警电路。当输入2VDC时，发光二极管点亮；当输入0VDC时，发光二极管熄灭。或当输入2VDC时，发光二极管熄灭；当输入0VDC时，发光二极管点亮。250

2.2k

分析R1、RL值应多大才合理？注意：2VDC由10k

电位器（可变电阻、变阻器、分压器）对+5VDC分压获得。vI＋vF－＋

vCE

－VCC

iF

（COM2）TLP521-2

R1iC

RL

四、实验内容（COM1）（+15V）3.用光电耦合器TLP521设计一个报警电路。当输入2VDC时，发光二极管点亮；当输入0VDC时，发光二极管熄灭。或当输入2VDC时，发光二极管熄灭；当输入0VDC时，发光二极管点亮。250

2.2k

分析R1、RL值应多大才合理？注意：2VDC由10k

电位器（可变电阻、变阻器、分压器）对+5VDC分压获得。vI＋vF－＋

vCE

－VCC

iF

（COM2）4.测量同相传输电路的最高工作频率（或传输速率）TLP521-2

R1iC

RL

2.2k

四、实验内容（COM1）（+15V）250

(1)设计一个同相传输电路

或

电平转换电路。要求输入为

0~5VDC电平信号，对应输出约为

0~15VDC的电平转换。分析RL固定时，R1值应多大才合理？光耦传输特性实验电路＋

vO

－＋vR1－1、模拟量传输（2）输入信号是前沿陡峭的大幅度方波，

用示波器监视输入电压波形，使其峰峰值达10Vpp

后保持不变。再增大输入信号的频率，当输出电压波形开始成锯齿波时用示波器测量其峰峰值Vpp、频率。

示波器双踪显示vI、vO

的波形，记录波形可用图片。vI＋vF－＋

vCE

－VCC

iF

（COM2）4.测量同相传输电路的最高工作频率（或传输速率）TLP521-2

R1iC

RL

2.2k

四、实验内容（COM1）（+15V）250

分析该同相传输电路的最高工作频率（或传输速率）应多大才合理？tovOV+om≥13Vpp0.9V+om0.1V+om(1)设计一个同相传输电路

或

电平转换电路。要求输入为

0~5VDC电平信号，对应输出约为

0~15VDC的电平转换。分析RL固定时，R1值应多大才合理？＋

vO

－＋vR1－（2）输入信号是前沿陡峭的大幅度方波，

用示波器监视输入电压波形，使其峰峰值达10Vpp

后保持不变。再增大输入信号的频率，当输出电压波形开始成锯齿波时用示波器测量其峰峰值Vpp、频率。

示波器双踪显示vI、vO

的波形，记录波形可用图片。vI＋vF－＋

vCE

－VCC

iF

（COM2）4.测量同相传输电路的最高工作频率（或传输速率）TLP521-2

R1iC

RL

2.2k

四、实验内容（COM1）（+15V）250

分析该同相传输电路的最高工作频率（或传输速率）应多大才合理？tovOV+om≥13Vpp0.9V+om0.1V+om（3）输入信号是正弦波、三角波信号时，

用示波器监视输出电压波形，分析该同相传输电路能否传输正弦波、三角波信号？

示波器双踪显示vI、vO

的波形，记录波形可用图片。(1)设计一个同相传输电路

或

电平转换电路。要求输入为

0~5VDC电平信号，对应输出约为

0~15VDC的电平转换。分析RL固定时，R1值应多大才合理？＋

vO

－＋vR1－vI＋vF－＋

vCE

－VCC

iF

（COM2）4.测量同相传输电路的最高工作频率（或传输速率）TLP521-2

R1iC

RL

2.2k

四、实验内容（COM1）（+15V）250

输入信号是正弦波、三角波信号（低频100Hz以下）时，用示波器双踪显示vR1、vO

的波形，再将显示格式改为XY格式，测量电流传输特性曲线，记录波形可用图片。(4)用示波器测量电流传输特性曲线（电流转移特性曲线）。＋

vO

－＋vR1－DISPLAY（显示）：

选择波形显示方式、YT、XY格式。

vR1=IF*R1（V）

vO=IC*RL（V）由非线性光电耦合器TLP521-2

构成的单电源供电的直流电压光电耦合传输电路四、实验内容非线性光电耦合器在电子电路中的应用5.模拟信号光电隔离放大电路(1)设计一个直流电压测量电路。输入直流电压0~3VDC，输出直流电压约为0~3VDC。由线性光电耦合器HCNR200

构成的单电源供电的直流电压光电耦合传输电路（COM2）（COM1）（+5V）——隔离放大器简介5.模拟信号光电隔离放大电路四、实验内容光耦合器U3B用于隔离，U3A用于反馈控制，两个光电耦合器串联使用，组成差分负反馈对称补偿电路，用来补偿单个光电耦合器的非线性。从电路图可知，光电耦合器的驱动电流

iF=iF1=iF2，因此有i1=i2

。设光电耦合器U3A和U3B的电流非线性传输函数分别为：G1(IF)和G2(IF)，即：I1=G1(IF)和I2=G2(IF)，根据运算放大器的虚短特性，V1P=V1N，有：Vi=I1×R1及VO=I2×R3，则可得直流信号光电隔离放大器电压增益为

A=VO/Vi=I2×R3/I1×R1=K×(G2(IF)/G1(IF))，K=R3/R1。当双光电耦合器U3A和U3B的传输函数的温度特性和电流非线性是完全一致时，即G1(IF)=G2(IF)，则电压增益A=K，K即为该隔离放大器的电压传输比。由此可见，利用光电耦合器U3A和U3B电流传输系数的对称性，一个作输入，一个作反馈，可以巧妙补偿其非线性。（COM2）（COM1）（+5V）(1)设计一个直流电压测量电路。输入直流电压0~3VDC，输出直流电压约为0~3VDC。5.模拟信号光电隔离放大电路四、实验内容（COM2）（COM1）（+5V）（vI）（vO）(1)设计一个直流电压测量电路。输入直流电压0~3VDC，输出直流电压约为0~3VDC。注意：（a）3VDC由10k

电位器对+5VDC分压获得。（b）用示波器监视输出电压vO

的波形，若有

自激振荡现象，则将C增大为2200pF，甚至为0.01µF。（c）运放A1可用U2，运放A2可用U4，光耦

在U7。（d）根据测量结果绘制电压传输特性曲线，

分析该光电隔离放大电路的非线性如何？“逐点测量法”测量伏安特性）5.模拟信号光电隔离放大电路注意C2电容大小，若VDD=15V，则C2为1000pF。四、实验内容以下选做（COM2）（COM1）（+5V）(2)设计一个交流电压光电耦合传输电路。

输入正弦电压峰峰值2.2Vpp，输出正弦电压峰峰值约为2.2Vpp。由非线性光电耦合器TLP521-2

构成的单电源供电的交流电压光电耦合传输电路（vI）（vO）(1)设计一个直流电压测量电路。输入直流电压0~3VDC，输出直流电压约为0~3VDC。5.模拟信号光电隔离放大电路四、实验内容以下选做由线性光电耦合器HCNR200

构成的单电源供电的交流电压光电耦合传输电路由非线性光电耦合器TLP521-2

构成的单电源供电的交