第5章光電子器件及其應(yīng)用

1、5.1 5.1 電電- -光器件及其應(yīng)用光器件及其應(yīng)用5.2 5.2 光光- -電器件及其應(yīng)用電器件及其應(yīng)用5.3 5.3 光電耦合器及其應(yīng)用光電耦合器及其應(yīng)用5.4 5.4 發(fā)光二極管應(yīng)用電路設(shè)計(jì)制作示例發(fā)光二極管應(yīng)用電路設(shè)計(jì)制作示例本章教學(xué)目標(biāo)本章教學(xué)目標(biāo)1、熟悉發(fā)光二極管電路符號(hào)及其特性、應(yīng)用電路組成；會(huì)估算限流電阻。掌握發(fā)光二極管使用注意事項(xiàng)，了解LED數(shù)碼管、點(diǎn)陣顯示器構(gòu)成及工作原理。 2、熟悉光敏二極管圖形符號(hào)、工作原理，了解其主要參數(shù)，熟悉使用注意事項(xiàng)。 3、熟悉光敏晶體管圖形符號(hào)，掌握使用方法。 4、熟悉光電耦合器分類、基本工作原理、電路符號(hào)，了解其主要參數(shù)，熟悉光電耦合器使用

2、注意事項(xiàng)。選學(xué)光電耦合器常用電路組成、工作原理。選學(xué)典型集成光電隔離放大器及其應(yīng)用。 1、電光器件是通過(guò)電場(chǎng)或電流激發(fā)固體發(fā)光材料使之產(chǎn)生光輻射，將電能直接轉(zhuǎn)換成光能的器件。這類器件主要有發(fā)光二極管和半導(dǎo)體激光器等。 2、發(fā)光二極管的光輻射是自發(fā)發(fā)射，光譜較寬，但相位不一致。 3、激光器發(fā)出的光是受激發(fā)射的相干光，其光譜寬度比發(fā)光二極管小12個(gè)數(shù)量級(jí)。 5.1 電光器件及其應(yīng)用電光器件及其應(yīng)用5.1.1 發(fā)光二極管發(fā)光二極管 發(fā)光二極管發(fā)光二極管(Light Emitting Diode 縮寫為L(zhǎng)ED)是最常見(jiàn)的電-光轉(zhuǎn)換器件，有紅、黃、綠、藍(lán)、白等單色發(fā)光二極管，也有雙色發(fā)光二極管，有高亮度

3、和超高亮度發(fā)光二極管，還有紅外發(fā)光二極管、激光二極管等，其中外形尺寸以3mm、5mm最為常見(jiàn)。 一、發(fā)光二極管的符號(hào)及特性一、發(fā)光二極管的符號(hào)及特性1發(fā)光二極管外形封裝、圖形符號(hào)、伏安特性發(fā)光二極管外形封裝、圖形符號(hào)、伏安特性 發(fā)光二極管的外形封裝、圖形符號(hào)、伏安特性曲線如圖5.1.1所示。當(dāng)所施加正向電壓（UF）未達(dá)開(kāi)啟電壓時(shí)，正向電流IF幾乎為零，但電壓一旦超過(guò)開(kāi)啟電壓時(shí)，電流急劇上升，電流、電壓幾乎成線性關(guān)系，即發(fā)光二極管呈歐姆導(dǎo)通特性。 圖5.1.1 發(fā)光二極管的外形封裝、圖形符號(hào)、伏安特性曲線發(fā)光二極管圖片 發(fā)光二極管主要參數(shù)發(fā)光二極管主要參數(shù) 制造LED用的基本半導(dǎo)體材料有GaP、

4、GaAsP、GaALAs等。不同的半導(dǎo)體材料及工藝使發(fā)光二極管的顏色、波長(zhǎng)、亮度、正向管壓降、光功率均不相同。 (1)(1)正向電壓正向電壓 發(fā)光二極管的開(kāi)啟電壓通常稱作正向電壓，它大小取決于制作材料。例如GaAsP紅色的LED約為1.7V，而GaP綠色的LED則約為2.3V。(2)(2)反向擊穿電壓反向擊穿電壓 LED的反向擊穿電壓一般大于5V，為使LED安全可靠地工作，安全使用電壓選擇在5V以下 二、發(fā)光二極管的驅(qū)動(dòng)二、發(fā)光二極管的驅(qū)動(dòng) 發(fā)光二極管是一種電流控制器件。正向偏置，且IF在正向工作電流所規(guī)定的范圍之內(nèi)，就能發(fā)光。其供電電源既可以是直流的也可以是交流的。 1 1、直流驅(qū)動(dòng)、直流驅(qū)

5、動(dòng) (1)直流電源驅(qū)動(dòng)直流電源驅(qū)動(dòng) 發(fā)光二極管LED的直流電源驅(qū)動(dòng)電路如圖5.1.2a所示。限流電阻R的估算式為 式中，UF為L(zhǎng)ED正向電壓，一般取12V，IF為正向工作電流， UF與IF可從產(chǎn)品手冊(cè)中查得。 FFCCIUVR圖5.1.2 發(fā)光二極管常見(jiàn)的驅(qū)動(dòng)電路（2）晶體）晶體管驅(qū)動(dòng)管驅(qū)動(dòng) 如圖5.1.2b所示，流過(guò)發(fā)光二極管的正向工作電流IF受到晶體管V控制，使LED的工作處于可控狀態(tài)。 當(dāng)三極管V飽和導(dǎo)通時(shí)，流過(guò)LED的正向工作電流IF經(jīng)電源電壓VCC和集電極電阻R形成，LED發(fā)光，當(dāng)三極管V截止時(shí)，流過(guò)三極管集電極電流是微小的漏電流，不足以使LED發(fā)光，LED熄滅。通過(guò)驅(qū)動(dòng)三極管的導(dǎo)通

6、、截止，使LED的工作處于可控狀態(tài)。 圖5.1.2（b）所示電路限流電阻R由下式估算 FFCESCCIUUVR式中，UCES為晶體管飽和壓降，硅管取0.3V，鍺管取0.1V；UF為L(zhǎng)ED正向工作電壓，IF為L(zhǎng)ED正向工作電流，UF、IF可從產(chǎn)品手冊(cè)上查得。 發(fā)光二極管輸出的光強(qiáng)度在很寬的電流范圍內(nèi)與流過(guò)它的PN結(jié)的正電流成正比，因此，利用交流驅(qū)動(dòng)可方便地對(duì)LED的發(fā)光強(qiáng)度作線性調(diào)制，并經(jīng)常用于光通信及光耦合隔離電路中。另一方面，為使LED輸出較大的光功率，必須采用交流電流源來(lái)驅(qū)動(dòng)。 交流驅(qū)動(dòng)的電路如圖5.1.3所示，圖5.1.3(a)中的VD對(duì)LED起反向保護(hù)作用，圖5.1.3(b)的接法可提

7、高電源的利用率。限流電阻R的取值。 2、交流驅(qū)動(dòng)、交流驅(qū)動(dòng)圖5.1.3 LED的交流驅(qū)動(dòng)電路（a）二極管反向保護(hù)電路 （b）雙發(fā)光二極管電路 限流電阻R可由下式估算 FFSIUUR2式中,US為交流電源電壓的有效值，UF為L(zhǎng)ED正向工作電壓，IF為正向工作電流。 5.1.2 發(fā)光二極管的應(yīng)用發(fā)光二極管的應(yīng)用 發(fā)光二極管具有體積小、驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單、響應(yīng)速度快、壽命長(zhǎng)、可靠性高、穩(wěn)定性好、單色性好、色彩鮮艷、易與集成電路匹配等優(yōu)點(diǎn)，因此其應(yīng)用范圍很廣，常見(jiàn)的有狀態(tài)指示、電平指示及信息顯示等。 一、發(fā)光二極管應(yīng)用示例一、發(fā)光二極管應(yīng)用示例 1. LED電源指示電路電源指示電路 圖5.1.4給出了LED作電

8、源通斷狀態(tài)指示的實(shí)用電路。圖中LED與穩(wěn)壓管串聯(lián)，它的正向電壓作為穩(wěn)定輸出電壓的一部分，其中R為限流電阻，LED所發(fā)出的光作電源指示。圖5.1.4 LED電源指示電路 2.2.音頻信號(hào)電平指示音頻信號(hào)電平指示 電路如圖5.1.5所示。它是利用LED的發(fā)光特性來(lái)對(duì)電路中電壓或功率的變化作出相應(yīng)的顯示。它用于音響設(shè)備中，用來(lái)動(dòng)態(tài)指示音響輸出信號(hào)電壓的大小。當(dāng)輸出信號(hào)電壓大時(shí)，亮著的發(fā)光二極管數(shù)目增多；當(dāng)輸出信號(hào)電壓小時(shí)，亮著的發(fā)光二極管數(shù)目減少。 圖5.1.5 音頻信號(hào)電平指示電路二、發(fā)光二極管使用注意事項(xiàng)二、發(fā)光二極管使用注意事項(xiàng) （1）對(duì)于全塑形封裝的LED，正、負(fù)極引腳靠環(huán)氧樹(shù)脂固定，為避免

9、管芯受熱損壞和因環(huán)氧樹(shù)脂受熱軟化致使引腳移動(dòng)引起內(nèi)引線斷開(kāi)，裝配焊接時(shí)要注意： 第一，印制電路板上LED安裝孔應(yīng)與管子兩管腳間距相同，使引腳與環(huán)氧樹(shù)脂管帽不產(chǎn)生應(yīng)力； 第二，焊接所用電烙鐵應(yīng)選25W 以下，焊接點(diǎn)應(yīng)離管帽4mm以上； 第三，焊接時(shí)電烙鐵接觸時(shí)間不要超過(guò)4 s，最好用鑷子夾住管腳進(jìn)行散熱。 要合理選擇LED的驅(qū)動(dòng)電流，不能超過(guò)規(guī)定限值，以免PN結(jié)結(jié)溫過(guò)高，縮短管子壽命。 限流電阻R對(duì)保證LED正常工作起決定作用。一旦R值選定，電源VCC值就不能改變，否則將會(huì)造成LED發(fā)光強(qiáng)度的變化，嚴(yán)重時(shí)會(huì)損壞LED。 嚴(yán)禁用有機(jī)溶液浸泡或清洗。 管子極性不能接反，一般引線較長(zhǎng)的為正極，引線較短

10、的為負(fù)極。 5.1.3 LED數(shù)碼管數(shù)碼管 將發(fā)光二極管（LED）制成條狀，再按一定方式連接，組成數(shù)字8，就構(gòu)成LED數(shù)碼管。它是目前較常用的一種數(shù)顯器件。圖5.1.6 LED數(shù)碼管LED數(shù)碼管圖片 LED數(shù)碼管分共陽(yáng)和共陰極兩種，外形及結(jié)構(gòu)如圖7.1.6所示。ag代表7個(gè)筆段的驅(qū)動(dòng)端，DP是小數(shù)點(diǎn)。公共陽(yáng)極的數(shù)碼管，公共端接高電平，驅(qū)動(dòng)端接低電平；公共陰極的數(shù)碼管，公共端接低電平，驅(qū)動(dòng)端接高電平。 1 1LEDLED數(shù)碼管按內(nèi)部電極接法分類數(shù)碼管按內(nèi)部電極接法分類2 2按顏色分類按顏色分類LED數(shù)碼管的顏色有紅、橙、黃、綠、藍(lán)等多種。 小型LED數(shù)碼管通常采用雙列直插封裝；大型LED則采用印

11、刷板插入式，如圖7.1.6 b所示。 3 3插接方法及封裝插接方法及封裝 數(shù)碼管有普通亮度和高亮度之分，后者在大約1mA的工作電流下可發(fā)光。4 4按亮度分類按亮度分類5 5數(shù)碼管與顯示器數(shù)碼管與顯示器 一位LED顯示器就是通常所說(shuō)的LED數(shù)碼管，兩位以上的一般稱作顯示器。 根據(jù)顯示位數(shù)的多少，可劃分成一位、雙位、多位顯示器。一位LED顯示器就是通常所說(shuō)的LED數(shù)碼管，兩位以上的一般稱作顯示器。除顯示數(shù)字的LED外，還有能顯示+、等各種符號(hào)和AZ26個(gè)英文字母的顯示器。 5.1.4 LED點(diǎn)陣顯示器及其應(yīng)用點(diǎn)陣顯示器及其應(yīng)用 由LED排列組成矩陣(點(diǎn)陣)用來(lái)顯示字符、圖形等，稱為L(zhǎng)ED點(diǎn)陣顯示器

12、件。目前，人們用高亮度發(fā)光二極管以及含有多只高亮度芯片的平面管作為像素，組成由幾萬(wàn)只管子構(gòu)成的大屏幕顯示器。現(xiàn)以一個(gè)57發(fā)光二極管點(diǎn)陣顯示器為例簡(jiǎn)述其顯示基本原理，如圖5.1.7所示。 圖5.1.7 57發(fā)光二極管點(diǎn)陣顯示LED點(diǎn)陣圖片 在這個(gè)57發(fā)光二極管點(diǎn)陣顯示器中，包含36個(gè)發(fā)光二極管，排列為七行五列，另一個(gè)發(fā)光二極管是用于小數(shù)點(diǎn)的（D.P.）。 這個(gè)顯示器能夠顯示字母、數(shù)字、符號(hào)等。把行輸入連接到發(fā)光二極管的負(fù)極，把列輸入連接到發(fā)光二極管的正極。 要產(chǎn)生所需符號(hào)，用掃描信號(hào)把某些行接至低電平，同時(shí)把某些列接至高電平。 例如要產(chǎn)生字母F，則需在行列輸入線上接如下信號(hào)： 列1是高電平，同時(shí)

13、這個(gè)列上的所有七行都是低電平； 列2是高電平，同時(shí)只有行1和行4是低電平； 列3是高電平，同時(shí)只有行1 和行4是低電平； 列4是高電平，同時(shí)只有行1和行4是低電平； 列5是高電平，同時(shí)只有行1是低電平。 把脈沖程序控制連接到列輸入線，并使它和向行輸入線供給數(shù)據(jù)的隨機(jī)存取存儲(chǔ)器或固定存儲(chǔ)器的尋址同步。如果掃描信號(hào)頻率是100Hz以上，則發(fā)光二極管的閃爍大約是每秒100次，這樣人眼感覺(jué)光是永遠(yuǎn)亮著的。圖5.1.8 57發(fā)光二極管點(diǎn)陣顯示符號(hào) 有些發(fā)光二極管點(diǎn)陣顯示器在陽(yáng)極回路中需要外接串聯(lián)限流電阻器。其他種類的點(diǎn)陣顯示器把這些電阻器裝在外殼內(nèi)一起包封（在制造過(guò)程中已裝配好）。57發(fā)光二極管點(diǎn)陣顯示

14、器顯示符號(hào)如圖5.1.8所示。 光電器件又稱光敏器件，能將光能轉(zhuǎn)變成電能，一般以光測(cè)控器的形式工作于各種電路和控制系統(tǒng)中，故又稱光電探測(cè)器。 常見(jiàn)光-電器件有光電二極管、光敏三極管、光敏場(chǎng)效應(yīng)管、光控晶閘管、光敏電阻器、太陽(yáng)電池等。 5.2 5.2 光電器件及其應(yīng)用光電器件及其應(yīng)用 一、光電二極管工作原理一、光電二極管工作原理及主要參數(shù)及主要參數(shù) 5.2.15.2.1光電二極管及其應(yīng)用光電二極管及其應(yīng)用 光敏二極管亦稱光電二極管（Photodiode，縮寫PD），為了提高它的工作性能，人們研制出許多性能優(yōu)良的新品種，如Si光敏二極管、PIN光敏二極管、雪崩光敏二極管、肖特基光敏二極管、HgCd

15、Te光伏二極管等等。它們的結(jié)構(gòu)及制作工藝不同，而工作原理基本相同。 半導(dǎo)體光敏器件的基本工作原理是半導(dǎo)體中的光生伏特效應(yīng)。由于PN結(jié)存在內(nèi)建電場(chǎng)，在受到光照時(shí)，便有光電流流過(guò)外接電路，即使沒(méi)有外加偏壓，PN結(jié)也會(huì)產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)，這種光電效應(yīng)（Photogalvanic effect）通常稱為光生伏特效應(yīng)。光電二極管有光伏和光電導(dǎo)兩種工作模式。 光電二極管有光伏和光電導(dǎo)兩種工作模式。光伏模式不加偏置電壓，而光電導(dǎo)模式則要加反向偏置電壓。如Si光電二極管工作于光電導(dǎo)工作模式，太陽(yáng)能電池工作于光伏模式。 結(jié)型光電二極管圖形符號(hào)、原理電路、伏安特性如圖5.2.1所示。 圖5.2.1 結(jié)型光電二極管及其

16、伏安特性光電二極管圖片在圖5.2.1（b）中，光敏二極管在外加反偏電壓的作用下工作于光導(dǎo)模式，當(dāng)未受光照時(shí)即有一微弱的二極管反向漏電流ID（0.3A）稱為暗電流(Dark current)流過(guò)，該反向漏電流滿足普通二極管的伏安特性方程，即 式中，IS為二極管的反向飽和電流，UT為溫度的電壓當(dāng)量（常溫時(shí)為26mV），U為外加負(fù)偏壓。 當(dāng)有光照時(shí)產(chǎn)生光電流IL，其中的負(fù)號(hào)表示光電流的方向是從二極管的N區(qū)流向P區(qū)，即與外電路所標(biāo)注的電流方向相反，IL的值與入射光子數(shù)或入射光功率成正比。此時(shí)負(fù)載RL上的電流為上述兩種電流的相量和，即 在圖5.2.1（c）中，光敏二極管在無(wú)外加偏壓下工作于光伏模式，未加

17、光照時(shí)電路中無(wú)電流流過(guò)，當(dāng)有光照時(shí)產(chǎn)生光電流（又稱亮電流Photo current），該光電流在外電路的負(fù)載RL上產(chǎn)生的光生電壓U反過(guò)來(lái)加于光電二極管上，這等于給PN結(jié)加了一個(gè)正向偏壓，從而在PN結(jié)上又會(huì)產(chǎn)生正向電流，其表達(dá)式如上式ID所示。 上述兩種電流的疊加就是此時(shí)流過(guò)負(fù)載RL的總電流，其表達(dá)式與(5.2.2)式完全一樣。 光電導(dǎo)模式中的U為外加負(fù)偏壓，而光伏模式中的U則為正的光生電壓。 靈敏度 它是給定的入射光的光電流與光照功率（或光照強(qiáng)度）的比值，該值愈大愈好，其典型值為0.1A/Ix數(shù)量級(jí)。(2) 光譜范圍 指光電二極管入射光允許波長(zhǎng)范圍一般在0.41.1m之間。(3) 峰值波長(zhǎng)(P

18、eak wave length) 指光電二極管靈敏度最高時(shí)入射光的波長(zhǎng)。鍺管的峰值波長(zhǎng)為1.465m，硅管的峰值波長(zhǎng)為0.9m。(4) 響應(yīng)時(shí)間 指光電二極管將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)所需要的時(shí)間。 光電二極管主要參數(shù)光電二極管主要參數(shù)二、光電二極管應(yīng)用二、光電二極管應(yīng)用 （一）（一） 應(yīng)用示例應(yīng)用示例 1. 光電二極管簡(jiǎn)單應(yīng)用電路光電二極管簡(jiǎn)單應(yīng)用電路 圖5.2.2 光電二極管的簡(jiǎn)單應(yīng)用電路 (1)圖a為無(wú)偏置電路，適用于光伏模式光電二極管，輸出電壓Uo=IRRL。 (2)圖b為反向偏置應(yīng)用電路，光電二極管的響應(yīng)速度比無(wú)偏置電路高幾倍，Uo=IRRL。 (3)圖c中，當(dāng)光照射PD時(shí)，光電流在RB上

19、產(chǎn)生較大電壓降，使三極管基極處于低電位，三極管V截止，輸出高電平；當(dāng)無(wú)光照時(shí)，V導(dǎo)通，輸出低電平。 (4)圖d為光控繼電器電路。在無(wú)光照時(shí)，三極管V截止，繼電器KA繞組無(wú)電流通過(guò)，觸點(diǎn)處常開(kāi)狀態(tài)。當(dāng)有光照且達(dá)到一定光強(qiáng)時(shí)，則V導(dǎo)通，KA吸合，從而實(shí)現(xiàn)光電開(kāi)光控制。 由集成運(yùn)放組成的光電流電壓轉(zhuǎn)換電路如圖5.2.3所示。圖中PD工作于光電導(dǎo)模式。IR為PD受光照時(shí)產(chǎn)生的電流。2. 光電流電壓轉(zhuǎn)換電路光電流電壓轉(zhuǎn)換電路 圖5.2.3 光電流電壓轉(zhuǎn)換電路 根據(jù)虛地、虛斷概念有 IF=IR Uo=IFRF故 Uo=IRRL（ISIL）RF式中，IS為光電二極管的反向飽和電流，一般IL IS，所以 UI

20、LRF 上式表明輸出電壓與光照輸入關(guān)系近乎線性。（二）（二） 光電二極管使用注意事項(xiàng)光電二極管使用注意事項(xiàng) （1）RL選取時(shí)，光導(dǎo)模式光電二極管要保證光電二極管反偏電壓不少于5V；當(dāng)偏置電壓小于5V時(shí)，光電流與入射光強(qiáng)度不再呈線性關(guān)系，使電路性能變壞。同時(shí)又不能超過(guò)最大反向電壓，以免損壞光電二極管。（2）管子的光譜范圍應(yīng)和光源光譜相適應(yīng)。 （3）安裝時(shí)應(yīng)使入射光路和管子的受光面垂直，應(yīng)設(shè)法避免管子受外界雜散光的影響。 （4）入射光強(qiáng)度要適當(dāng)，使用的環(huán)境溫度不宜過(guò)高。 （5）必須根據(jù)不同的用途選擇適當(dāng)?shù)墓苄停绻饪仉娐分?，一般?yīng)選靈敏度高的管子。 （6）光電二極管管殼必須保持清潔，以保證器件光電

21、靈敏度。管殼臟了，應(yīng)及時(shí)用酒精棉擦拭干凈。 5.2.2 光電晶體管及其應(yīng)用光電晶體管及其應(yīng)用一、光電晶體管一、光電晶體管 光電晶體管又稱光敏三極管（Phototran sistor），它的外形、電路符號(hào)和等效電路如圖5.2.4所示。它可以看作集電結(jié)上并聯(lián)了一個(gè)光電二極管的普通。在光照的作用下，光電二極管將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，并經(jīng)晶體管放大。顯然，在晶體管的電流放大系數(shù)為時(shí)，光電晶體管的光電流要比光電二極管的光電流大倍。總之，光電晶體管有許多與光電二極管相似的特性與參數(shù)。光電晶體管的靈敏度遠(yuǎn)比光電二極管高，為了進(jìn)一步提高靈敏度人們制出了達(dá)林頓光電晶體管，進(jìn)一步提高了光電流。 5.2.2 光電晶體

22、管及其應(yīng)用光電晶體管及其應(yīng)用圖5.2.4 光電晶體管的外形圖、圖形符號(hào)和等效電路 光電晶體管組成的光敏繼電器電路如圖5.2.5所示。二、光電晶體管的應(yīng)用二、光電晶體管的應(yīng)用圖5.2.5 光敏三極管組成的光敏繼電器電路 圖a使用了高靈敏硅光敏三極管3DU80B，該管在鎢燈（2856K）照度為1000Lx時(shí)能提供2mA的光電流，因而可以直接帶動(dòng)靈敏繼電器。 與繼電器線圈并聯(lián)的二極管在光敏管關(guān)斷瞬間對(duì)它進(jìn)行保護(hù)。 若用一普通光敏三極管時(shí)，由于靈敏度低一個(gè)數(shù)量級(jí)，因此必須進(jìn)行放大。 圖b為簡(jiǎn)單的達(dá)林頓放大電路，3DU32受光照產(chǎn)生的光電流經(jīng)過(guò)一級(jí)晶體管放大后便可驅(qū)動(dòng)繼電器。圖b中的光敏三極管與放大管可

23、用一只達(dá)林頓結(jié)構(gòu)的光敏管來(lái)代替，如3DU912系列。 在使用時(shí)，光敏三極管必須外加偏置電路，以保證光敏三極管集電結(jié)反偏、發(fā)射結(jié)正偏；工作時(shí)電壓、電流、功耗等不允許超過(guò)其最大值。 其它注意事項(xiàng)與光敏二極管相同，為提高響應(yīng)速度，可使用基極帶引線的光敏三極管，并加上適當(dāng)偏流。 5.2.3 太陽(yáng)能電池太陽(yáng)能電池 利用太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能的半導(dǎo)體器件稱為太陽(yáng)能電池，又稱為光電池（Photo cell）。自1954年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室研制成功第一塊有實(shí)用價(jià)值的太陽(yáng)能電池后，太陽(yáng)能光電池的研究開(kāi)發(fā)和應(yīng)用受到世界各國(guó)的高度重視，其特點(diǎn)是清潔、無(wú)污染、可再生、能源貯藏豐富，但目前因光電轉(zhuǎn)換效率低、成本較高，限制了其應(yīng)用

24、領(lǐng)域。我國(guó)已經(jīng)能生產(chǎn)硅太陽(yáng)能光電池，廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星、宇航、通信、高山、海島、草原牧場(chǎng)等場(chǎng)所。 5.2.3 太陽(yáng)能電池太陽(yáng)能電池 一、太陽(yáng)能電池的基本原理一、太陽(yáng)能電池的基本原理 硅光電池是在P型硅片上制成極簿的N型硅片層，再在硅片上的上下兩面各設(shè)一個(gè)電極，并在受光照的表面層涂上抗反射層，就形成了硅光電池。硅光電池實(shí)際上是一個(gè)大的PN結(jié)，是一種光伏模式的光電二極管。 當(dāng)有光照時(shí)，硅原子中的價(jià)電子變成自由電子，而電子原來(lái)位置就成了空穴。在PN結(jié)存在的電場(chǎng)的作用下，PN結(jié)附近的電子被拉向N區(qū)，空穴被拉向P區(qū)，于是N 區(qū)和P區(qū)就分別積聚了大量的電子和空穴，在N區(qū)和P區(qū)兩端產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。這就是光生伏特效應(yīng)

25、。 5.2.3 太陽(yáng)能電池太陽(yáng)能電池 二、太陽(yáng)能電池的特性二、太陽(yáng)能電池的特性 太陽(yáng)能電池的圖形符號(hào)和工作電路如圖5.2.6所示，其中負(fù)載電阻為R ，在太陽(yáng)能電池受到光照時(shí)，太陽(yáng)能電池兩端的電壓是U ，產(chǎn)生一定的電流I ，太陽(yáng)能電池內(nèi)PN結(jié)正偏。如改變負(fù)載電阻R ，太陽(yáng)能電池的輸出伏安特性如圖5.2.7所示，其中特性曲線1為光照特性。電壓U和電流I的關(guān)系曲線處于第四象限，表現(xiàn)為功率輸出元件，負(fù)載電阻R獲得能量，當(dāng)U=0時(shí)，I =ISC ，即短路電流；當(dāng)I = 0時(shí)，則U = UOC，即開(kāi)路電壓；當(dāng)太陽(yáng)能電池不受光照時(shí)，即為暗特性如圖5.2.7曲線2所示。影響太陽(yáng)能電池的輸出伏安特性的原因很多，

26、其中材料、工藝、內(nèi)部等效電阻、溫度等都是十分重要的因素。 5.2.3 太陽(yáng)能電池太陽(yáng)能電池 圖5.2.7 太陽(yáng)能電池的圖形符號(hào)和工作電路 圖5.2.8 太陽(yáng)能電池的輸出伏安特性 5.3 光電耦合器及其應(yīng)用光電耦合器及其應(yīng)用 5.3.1 光電耦合器光電耦合器 光電耦合器是將發(fā)光和受光器組成一體的以光為媒介用來(lái)傳輸電信號(hào)的光電器件。發(fā)光器件電光，受光器件光電，實(shí)現(xiàn)了電到光、光再電的傳輸。 光是傳輸?shù)拿浇?，從而使輸入和輸出兩端?shí)現(xiàn)電氣上的絕緣和隔離，輸出端對(duì)輸入端無(wú)反饋?zhàn)饔?，信?hào)能從輸入單向傳輸?shù)捷敵觯哂锌箶_能力強(qiáng)、響應(yīng)速度快、工作穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)。 一、光電耦合器分類及其工作原理一、光電耦合器分類

27、及其工作原理 (1)外形劃分：外形劃分：雙列直插型、光纖傳輸型、同軸型等；(2)功能劃分：功能劃分：發(fā)光部分都用砷化鎵紅外發(fā)光二極管，受光部分有光電二極管型，光電三極管型，達(dá)林頓晶體管型，雙向晶閘管型，集成電路輸出型、高壓型、高速型等； 當(dāng)發(fā)光器發(fā)光二極管中有電流IF流過(guò)時(shí)，它發(fā)出的光照射到施加有偏壓的受光器硅光電三極管上，光電三極管就有光電流IL產(chǎn)生。如果發(fā)光二極管中沒(méi)有電流IF流過(guò)，即發(fā)光二極管不發(fā)光，光電三極管就無(wú)光電流產(chǎn)生。因此輸入電信號(hào)可以經(jīng)過(guò)光媒質(zhì)傳輸?shù)捷敵龆?，?shí)現(xiàn)輸入和輸出電隔離?；驹砘驹韴D5.3.1 普通光電耦合器 普通光耦合器輸入部分是砷化鎵紅外發(fā)光二極管，輸出部分是

28、硅光敏三極管，如圖5.3.1所示 光電耦合器圖片 幾種常用光電耦合器如圖5.3.2所示。 它們的發(fā)光器均為發(fā)光二極管，而受光器有所不同： 圖a稱為光電二極管型光耦合器； 圖b稱為光耦合器或光隔離器； 圖c為達(dá)林頓型光耦合器； 圖d為雙向晶閘管型光耦合器； 圖e為集成電路光耦合器； 圖f為光電二極管和半導(dǎo)體管（NPN型）光耦合器，這類光耦合器為高速型光耦合器。圖5.3.2 幾種常用光電耦合器 光電耦合器的參數(shù)可分為輸入?yún)?shù)、輸出參數(shù)和傳輸參數(shù)。輸入?yún)?shù)、輸出參數(shù)和傳輸參數(shù)。 二、光電耦合器的主要參數(shù)二、光電耦合器的主要參數(shù)(一一)輸入?yún)?shù)輸入?yún)?shù) 光電耦合器的輸入?yún)?shù)就是發(fā)光二極管的參數(shù)。(二二

29、)輸出參數(shù)輸出參數(shù) 與所用的光電管基本相同，僅對(duì)光電流和飽和壓降加以說(shuō)明。 指在由光電三極管構(gòu)成的光電耦合器中，輸入一定電流（一般為20mA），輸出回路按規(guī)定極性加一定電壓（通常為10V），調(diào)節(jié)負(fù)載電阻，使輸出電流為一定值（一般為2mA）時(shí)，光電耦合器輸出的電壓。其值通常為0.3V。 1. 光電流光電流2. 飽和壓降飽和壓降UCE（sat） 指光電耦合器輸入一定的電流（一般為10mA）、輸出端接有一定負(fù)載（約500）、并按規(guī)定極性加一定電壓（通常為10V）時(shí)，在輸出端所產(chǎn)生的電流。對(duì)于由光電三極管構(gòu)成的耦合器，光電流為幾毫安以上；由光電二極管構(gòu)成的耦合器，則約為幾十到幾百微安。 （三）（三）

30、傳輸參數(shù)傳輸參數(shù) 1. 電流傳輸比電流傳輸比CTR 指在直流工作狀態(tài)下，光電耦合器的輸出電流IL與輸入電流IF之比值即CTRIL/IF ，它的大小反映光電耦合器傳輸效率的高低。不加復(fù)合管時(shí)，總是小于1。 2. 隔離電阻隔離電阻RISO 指發(fā)光二極管與光電管之間的絕緣電阻，反映輸入與輸出之間的絕緣水平，一般為1091013。 3. 極間耐壓極間耐壓UISO 指發(fā)光二極管與光電管之間的絕緣耐壓，一般都在500V以上。5.3.2 光電耦合器的應(yīng)用光電耦合器的應(yīng)用一、光電耦合器的基本電路一、光電耦合器的基本電路 光電耦合器外接晶體管放大電路有兩種的基本接法：發(fā)射極接地和集電極接地，集電極接地時(shí)的開(kāi)關(guān)時(shí)

31、間比發(fā)射極接地時(shí)的開(kāi)關(guān)時(shí)間長(zhǎng)，因此響應(yīng)速度較慢。 若需要光電耦合器有高速響應(yīng)特性，宜采用發(fā)射極接地電路，常見(jiàn)的基本電路如圖5.3.3所示。為了提高開(kāi)關(guān)速度，可以提高光電二極管的反偏電壓，以減小PN結(jié)的結(jié)電容，從而減小開(kāi)關(guān)時(shí)間常數(shù)，如圖5.3.3(b)所示，或者采用如圖5.3.3(c)所示的光電晶體管型光電耦合器。 圖5.3.3 光電耦合器常見(jiàn)的基本電路 TTL數(shù)字邏輯集成電路非常易于和光電耦合器電路配合，傳輸脈沖信號(hào)，如圖5.3.4所示。光電耦合器作為TTL接口電路，TTL輸出灌電流直接作為發(fā)光二極管的驅(qū)動(dòng)電流，IF取10 mA為宜，光電晶體管的光電流作為TTL電路輸入，實(shí)現(xiàn)兩部分邏輯脈沖電路

32、隔離。 二、二、TTL接口電路與接口電路接口電路與接口電路 圖5.3.4 TTL接口電路 CMOS邏輯電路輸出電流小，不能直接驅(qū)動(dòng)光電耦合器的發(fā)光二極管，必須經(jīng)過(guò)晶體管放大后驅(qū)動(dòng)光電耦合器中發(fā)光二極管，因此發(fā)光二極管驅(qū)動(dòng)電流IF不受CMOS邏輯電路限制，可以適當(dāng)選擇。CMOS接口電路如圖5.3.5所示。 圖5.3.5 CMOS接口電路 光電晶體管型光電耦合器在一定條件下可以實(shí)現(xiàn)線性隔離放大功能，從光電耦合器輸出特性曲線圖中可知，輸出特性由截止區(qū)、飽和區(qū)、擊穿區(qū)、放大區(qū)四個(gè)區(qū)域組成，只要滿足發(fā)光二極管正向工作電流iF在一定范圍內(nèi)變化，光電三極管輸出電流ic與二極管正向工作電流iF成正比，ic=C

33、TRi F，實(shí)現(xiàn)輸入和輸出線性隔離放大功能，應(yīng)用電路如圖5.3.6所示。 三、光電耦合線性隔離放大器三、光電耦合線性隔離放大器 圖5.3.6 光電耦合線性隔離放大電路的應(yīng)用 光電晶體管型光電耦合器的響應(yīng)速度快，線性度好，電流傳輸比CTR小，適用于要求速度快，線性度好，信號(hào)較強(qiáng)的場(chǎng)所； 達(dá)林頓晶體管型光電耦合器響應(yīng)速度慢，線性度好，電流傳輸比CTR大，適用于小信號(hào)場(chǎng)合。 因此實(shí)際應(yīng)用中必須根據(jù)條件加以合理選用，常見(jiàn)的有4N系列、TLP系列、MOC系列等。 四、光電耦合器的選用四、光電耦合器的選用 四、光電耦合器的選用四、光電耦合器的選用 光電耦合器根據(jù)電流傳輸比和光電耦合器發(fā)光二極管電流特性曲線

34、不同可分為線性光耦合器和普通光耦合器兩種。 兩種光電耦合器的CRT IF特性曲線如圖5.3.7所示，其中虛線為線性光電耦合器，實(shí)線為普通光電耦合器，從圖中可以看出普通光電耦合器CRT IF特性曲線呈非線性，在IF較小時(shí)的非線性失真尤為嚴(yán)重，因此它不適合傳輸模擬信號(hào)。線性光電耦合器的CRT IF特性曲線具有良好的線性度，特別是在傳輸小信號(hào)時(shí)，其交流傳輸比 CTRIL/IF很接近于直流電流傳輸比CTR值，可用于模擬信號(hào)的傳輸。 四、光電耦合器的選用四、光電耦合器的選用 圖5.3.7 兩種光電耦合器的CTR-IF特性曲線 四、光電耦合器的選用四、光電耦合器的選用 線性光電耦合器典型產(chǎn)品有PC816A

35、、PC817A、CNY17-3、SFH600-2、CNY75G、MOC8101等。 國(guó)內(nèi)目前廣泛應(yīng)用的由英國(guó)埃索柯姆（Isocom）公司和美國(guó)摩托羅拉公司生產(chǎn)的4N系列光電耦合器如4N25、4N26、4N35，呈現(xiàn)開(kāi)關(guān)特性，其線性度差，適用于傳輸數(shù)字電路。 在開(kāi)關(guān)電源中，光電耦合器用在輸出電壓取樣、反饋電路部分時(shí)，應(yīng)選用線性光電耦合器。 5.3.3 集成光電隔離放大器及其應(yīng)用集成光電隔離放大器及其應(yīng)用 把運(yùn)放和光電耦合器集成在同一芯片上，稱為集成光電隔離放大器。光電隔離放大器ISO100如圖5.3.8所示。 它由A1、A2兩個(gè)運(yùn)放和IREF1、IREF2兩個(gè)恒流源以及一個(gè)光電耦合器組成。光電耦

36、合器由發(fā)光二極管LED和光電二極管VD1、VD2組成，對(duì)輸入側(cè)、輸出側(cè)起隔離作用。兩側(cè)電源與地均相互獨(dú)立。 圖5.3.8 光電隔離放大器ISO100 圖5.3.8中A1為單位增益電流放大器（電流放大倍數(shù)為1）起電流電壓轉(zhuǎn)換器作用，IREF1、IREF2為A1、A2提供基準(zhǔn)電流。 5.3.3 集成光電隔離放大器及其應(yīng)用集成光電隔離放大器及其應(yīng)用 當(dāng)ISO100單極性工作時(shí)，引腳16、17、18相連，A1的同相輸入端的電流必須由內(nèi)電路向外流出，當(dāng)輸入電流i1增加時(shí)，A1的輸出電壓上升，驅(qū)動(dòng)電流流過(guò)發(fā)光二極管LED，LED電流增加，VD1的電流也隨之增加。最后使A1的反相輸入端的總電流為0。 VD1

37、起反饋?zhàn)饔?，起穩(wěn)定環(huán)路的作用。流過(guò)VD1的電流應(yīng)當(dāng)?shù)扔谳斎腚娏骱推髦?，于是偏流不?huì)流經(jīng)外加的信號(hào)源。光電二極管VD1、VD2參數(shù)完全相同(稱為全匹配)，所以流過(guò)VD1、VD2的電流相等。使用時(shí)，R f接在、引腳之間(如圖5.3.8虛線所示)，VD2產(chǎn)生的電流全部流入R f ，因的偏流很小，約10 nA，可忽略不計(jì)，所以輸出電壓 uO i1Rf 5.3.3 集成光電隔離放大器及其應(yīng)用集成光電隔離放大器及其應(yīng)用 單極性工作受到一些限制： 輸入電流必須為負(fù)值； 輸入電流必須大于20 nA；否則LED不能繼續(xù)導(dǎo)通，環(huán)路也不穩(wěn)定。 ISO100雙極性工作時(shí)，引腳16和15相連，17和18相連，其實(shí)用電路如圖5.3.9所示。 圖5.3.9中R1、R f為外接電阻。用以控制調(diào)整放大器增益。若內(nèi)電路中VD1、VD2所受光照相同，則 IfOuRRu1若輸入量為iI，則uO= iI R f 。 5.3.3 集成光電隔離放大器及其應(yīng)用集成光電隔離放大器及其應(yīng)用 ISO100雙極性工作時(shí)，輸入電流有一定范圍，正Ii可達(dá)10.5 A，負(fù)Ii可達(dá)10 A。 圖5.3.9 ISO100的基本實(shí)用電路 5.4 發(fā)光二極管應(yīng)用電路設(shè)計(jì)與制作示例發(fā)光二極管應(yīng)用電路設(shè)計(jì)與制作示例 5.4.1 發(fā)光二極管應(yīng)用電路設(shè)計(jì)示例發(fā)光二極管應(yīng)用電路