1. 線性光耦介紹
線性光耦英文可稱為 Linear Photocoupler，是由 IR LED 與兩個光二極體(Photodiode ; PD)所組成的電子元件。是一種將光信號轉換為電信號或將電信號轉換為光信號的元件。除了能將輸入信號的電氣部分隔離之外，同時也保持輸出信號與輸入信號之間的高精度線性關係，廣泛應用於通信、控制、儀器儀表、計算機網絡等領域。
2. 基本參數
一般基本光耦的 current transfer ratio 或電流增益為非線性，其受環境溫度(TA)、順向電流(IF)等因素影響，而線性光耦利用兩顆光電流相似的 PD 組成。PD2 是用於電氣隔離， PD1 則是做為回授功能來調整 IR LED 的 IF，以確保電流增益不會飄移。 下面介紹線性光耦 3 個最重要的特性: K1 (Servo gain)、K2 (Forward gain)與 K3 (Transfer gain)
圖一 線性光耦元件圖
1. K1 (Servo gain)
K1 定義為 PD1 產生的光電流與輸入端 IR LED 電流所產生的比例差，其公式如下K1 = IPD1 / IF ; IPD1 為 PD1 的光電流，IF 為 IR LED 順向電流以億光 ELL300 在 IF =10mA、VD (PD 的偏壓)=-15V 與 TA=25℃條件下，K1 的 typical值會落在 0.01，代表說 IPD1 typical 值為 100μA。圖二為 IF =10mA、VD =-15V 與 TA=25℃時 K1 的範圍
圖二 K1 的範圍
如圖三 IPD1 會受到 IF 與 TA 的影響，當 IF 增加 IPD1 也會增加；當 TA 增加則 IPD1 會減少。
圖三 標準化光電流曲線
2. K2 (Forward gain)
K2 定義為 PD2 產生的光電流與輸入端 IR LED 電流所產生的比例差，其公式如下K2 = IPD2 / IF ; IPD2 為 PD2 的光電流，由於 K2 與 K1 特性也相似 (因 PD1 與 PD2 產生的光電流相似)，所以標準化的光電流曲線也相似。圖四為 IF =10mA、VD=-15V 與 TA=25℃時 K2 值的範圍
圖四 K2 的範圍
3. K3 (Transfer gain)
如前所述，雖然兩組 PD 所產生的光電流相似，但仍存在差異，而 K3 就是這兩個 PD光電流增益比值，K3 的公式如下K3 = K2/K1
下圖五為當 IF =10mA、VD=-15V 與 TA=25℃時 K3 值的範圍
圖五 K3 的範圍
如圖六及七，線性光耦 K3 受溫度與 IF 影響較一般光耦穩定
圖六 K3 穩定度與線性度範圍
圖七 標準化 K3 穩定度圖
3. 線性光耦應用於光學式伺服回授放大器
以下介紹如運用億光 ELL300 在光學式伺服回授放大器，圖八為光學式伺服回授放大器的基本電路圖
當 V1 尚未給電時，U3 V- (pin2) 與 V+ (pin3) 呈現 0，當 V1 供電後，IR LED (U1 pin1 和2)會產生 IF，此時 PD1 (U1 pin3 和 4)產生 IPD1 與 PD2 (U1 pin5 和 6) 產生 IPD2，導致 V- 產生電壓，而當 V- 和 V+ 的電壓值相同時，這時為穩定閉環狀態。輸出輸入增益(Out / V1)計算公式如下因運算放大器(OPA)虛短路特性，所以
V1 = V+ = V-
IPD1 = IF x K1
V- = IPD1 x R1 = IF x K1 x R1
=> IF = V1 / (K1 x R1) ……….. (1)
IPD2 = IF x K2
Out = -IPD2 x R2 = -IF x K2 x R2
=> IF = -Out / (K2 x R2) ……….. (2)
令(1) = (2)
=> V1 / (K1 x R1) = -Out / (K2 x R2)
=> Out / V1 = (-K2 x R2) / (K1 x R1)
∵ K3 = K2 / K1
∴ Out / V1 = -K3 x (R2 / R1)
問與答
Q1. 什麼是線性光耦，它和一般光耦有何不同？ (What is a linear photocoupler, and how is it different from a general photocoupler?)
Answer 1 : 線性光耦是一種電子元件，由一個紅外線發光二極體（IR LED）和兩個光電二極體（Photodiode; PD）組成 。它不僅能隔離輸入信號的電氣部分，還能在輸出信號與輸入信號之間維持高精度的線性關係 。與一般光耦不同的是，一般光耦的電流轉換比（current transfer ratio）或電流增益是非線性的，且容易受到環境溫度和順向電流等因素的影響 。而線性光耦則利用兩個光電流相似的光電二極體來解決這個問題，其中一個（PD1）作為回授功能，用來調整 IR LED 的順向電流，以確保電流增益不會漂移 。
2. 線性光耦的三個主要特性參數 K1、K2 和 K3 是什麼？ (What are the three main characteristic parameters of a linear photocoupler: K1, K2, and K3?)
Answer2 : 線性光耦有三個最重要的特性參數:
K1 (Servo gain): K1 是 PD1 產生的光電流（IPD1）與 IR LED 順向電流（IF）的比值 。這個參數用於回授功能 。公式為K1=IPD1/IF 。
K2 (Forward gain): K2 是 PD2 產生的光電流（IPD2）與 IR LED 順向電流（IF）的比值 。PD2 主要用於電氣隔離 。公式為K2=IPD2/IF 。
K3 (Transfer gain): K3 是 K2 和 K1 的比值，代表兩個光電二極體增益的比值 。雖然兩個 PD 產生的光電流相似，但仍存在差異，K3 則反映了這種差異 。公式為
K3=K2/K1 。
3. 環境溫度和 IR LED 電流如何影響線性光耦的光電流？ (How do ambient temperature and IR LED current affect the photocurrent of a linear photocoupler?)
Answer3 : 根據文件中提供的圖表，光電二極體產生的光電流（PD1）會受到順向電流（IF）和環境溫度（TA）的影響 。
順向電流（IF）的影響: 當 IF 增加時，IPD1 也會隨之增加 。
環境溫度（TA）的影響: 當環境溫度升高時，IPD1 會減少 。
4. 線性光耦應用在光學式伺服回授放大器時，其輸出輸入增益公式是什麼？ (When a linear photocoupler is used in an optical servo feedback amplifier, what is the formula for the output-to-input gain?)
Answer4 : 當線性光耦應用於光學式伺服回授放大器時，其輸出輸入增益（Out/V1）的計算公式為:
Out/V1=−K3×(R2/R1)
這個公式是根據運算放大器（OPA）的虛短路特性推導出來的 。推導過程如下：根據虛短路特性，輸入電壓
- V1 等於 V− 的電壓 。
- V− 的電壓等於 IPD1×R1 。因為IPD1=IF×K1 ，所以V1=IF×K1×R1 。
- 輸出電壓 Out 等於−IPD2×R2 。因為IPD2=IF×K2 ，所以 Out=−IF×K2×R2 。
將上述兩個關係式聯立，並利用K3=K2/K1 ，即可推導出最終的增益公式 。
5. 相較於一般光耦，線性光耦在 K3 (Transfer gain) 方面有何優勢？ (Compared to a general photocoupler, what are the advantages of a linear photocoupler in terms of K3 (Transfer gain)?)
Answer5 : 文件指出，相較於一般光耦，線性光耦的 K3 值受溫度（TA）和順向電流（IF）的影響更穩定 。
- 穩定性 (Stability): 根據提供的數據，在 IF=10mA 和 VD=−15V 的條件下，線性光耦的轉換增益穩定度 (ΔK3/ΔTA) 典型值為 ±0.005 %/℃，最大值為 ±0.15 %/℃ 。
- 線性度 (Linearity): 在 IF 從 1mA 到 10mA 的範圍內，其轉換增益的線性度 (ΔK3) 典型值為 ±0.5% 。這些數據都顯示了線性光耦在溫度和電流變化時，其增益的穩定性較佳 。
參考來源