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1、第七章 光电子器件及其应用,7.1 电光器件及其应用 7.2 光电器件及其应用 7.3 光电耦合器及其应用 *7.4 集成光电隔离放大器及其应用,教学目标,1、了解发光二极管的分类；熟悉电路符号及其特性、应用电路组成；会估算限流电阻。掌握发光二极管使用注意事项，了解LED数码管、点阵显示器构成及工作原理。,2、熟悉光敏二极管图形符号、工作原理，了解其主要参数，熟悉使用注意事项。,3、熟悉光敏三极管图形符号，掌握使用方法。,4、熟悉光耦合器分类、基本工作原理、电路符号，了解其主要参数，熟悉光耦合器使用注意事项。选学光耦合器常用电路组成、工作原理。选学典型集成光隔离放大器及其应用。,1、电光器件是
2、通过电场或电流激发固体发光材料使之产生光辐射，将电能直接转换成光能的器件。这类器件主要有发光二极管和半导体激光器等。 2、发光二极管的光辐射是自发发射，光谱较宽，但相位不一致。 3、激光器发出的光是受激发射的相干光，其光谱宽度比发光二极管小12个数量级。,7.1 电光器件及其应用,7.1.1 发光二极管,发光二极管（Light emitting diode，缩写LED）是最常见的电-光转换器件。,一、发光二极管的分类,(1)按发光颜色划分：红色、橙色、绿色（又细分黄绿、标准绿和纯绿）、蓝光等。 (2)按掺或不掺散射剂、有色还是无色划分：有色透明、无色透明、有色散射和无色散射四种。其中，散射型发
3、光二极管常用来做指示灯。,(3)按发光管出光面特征划分为：圆灯、方灯、矩形、面发光管、侧向管、表面安装用微型管等。其中，圆形灯按直径分为2mm、4.4mm、5mm、8mm、10mm及20mm等，且外形尺寸以3mm、5mm最为常见。 国外通常把3mm的发光二极管记作T-1；把5mm的记作T-1（3/4）；把4.4mm的记作T-1（1/4）。,(4)按发光强度划分：普通亮度的LED（发光强度100mcd）；高亮度的LED(发光强度在10100mcd间)。,(5)按工作电流划分：一般LED(工作电流在十几毫安至几十毫安)；低电流LED(工作电流在2mA以下，其亮度与普通发光管相同）。,除上述分类方法
4、外，还有按芯片材料分类及按功能分类的方法。,二、发光二极管的图形符号及特性,1发光二极管外形封装、图形符号、伏安特性,发光二极管的外形封装、图形符号、伏安特性曲线如图7.1.1所示。当所施加正向电压（UF）未达开启电压时，正向电流IF几乎为零，但电压一旦超过开启电压时，电流急剧上升，电流、电压几乎成线性关系，即发光二极管呈欧姆导通特性。,图7.1.1 发光二极管的外形封装、图形符号、伏安特性曲线 (a) 外形图 (b) 图形符号 (c) 特性曲线,发光二极管图片,2发光二极管主要参数,制造LED用的基本半导体材料有GaP、GaAsP、GaALAs等。不同的半导体材料及工艺使发光二极管的颜色、波
5、长、亮度、正向管压降、光功率均不相同。,(1)正向电压,发光二极管的开启电压通常称作正向电压，它大小取决于制作材料。例如GaAsP红色的LED约为1.7V，而GaP绿色的LED则约为2.3V。,(2)反向击穿电压,LED的反向击穿电压一般大于5V，为使LED安全可靠地工作，安全使用电压选择在5V以下,三、发光二极管的驱动,发光二极管是一种电流控制器件。正向偏置，且IF在正向工作电流所规定的范围之内，就能发光。其供电电源既可以是直流的也可以是交流的。,1、直流驱动,(1)直流电源驱动 发光二极管LED的直流电源驱动电路如图7.1.2a所示。限流电阻R的估算式为,式中，UF为LED正向电压，一般取
6、12V，IF为正向工作电流， UF与IF可从产品手册中查得。,图7.1.2 发光二极管常见的驱动电路 (a) 直流电源驱动 (b) 三极管驱动原理图 (c) 三极管驱动实用电路,附录B图B.2所示可燃气体报警器电路中，VD6黄色LED驱动电路、VD7红色LED驱动电路与图7.1.2(a)所示电路相同。黄色LED选用2EF841，导通电压为1.9V，A2输出低电平的输出电压UL为0.77V，最大工作电流IFM=30mA。限流电阻R5=220，,符合要求。,（2）三极管驱动,如图7.1.2b所示，流过发光二极管的正向工作电流IF受到三极管V控制，使LED的工作处于可控状态。,当三极管V饱和导通时，
7、流过LED的正向工作电流IF经电源电压VCC和集电极电阻R形成，LED发光，当三极管V截止时，流过三极管集电极电流是微小的漏电流，不足以使LED发光，LED熄灭。通过驱动三极管的导通、截止，使LED的工作处于可控状态。,图7.1.2（b）所示电路限流电阻R由下式估算,式中，UCES为晶体管饱和压降，硅管取0.3V，锗管取0.1V；UF为LED正向工作电压，IF为LED正向工作电流，UF、IF可从产品手册上查得。,图7.1.2(c)是截取附录图B.2可燃气体报警器绿色LED驱动电路而得，R11为LED限流电阻，V1饱和导通电压UCES=0.3V，LED选2EF551，查表得：UF=2V，IF=1
8、0mA，IFM=50mA，则,符合要求。,图中，R10为驱动管V1的基极限流电阻，应根据式,来估算选用。,驱动管V1选9013F，查附录表A-5，=96，则,R10由下式估算,式中，Ui为驱动高电平电压，本例取4V；UD为二极管VD13导通电压，硅管取0.7V；UBE1为V1发射结正偏导通电压，硅管取0.7V。,代入数据，算得R10=3.11K，为使V1在输入为高电平时可靠饱和导通，所选电阻可略低于估算值，取标称值3K。,发光二极管输出的光强度在很宽的电流范围内与流过它的PN结的正向电流成正比，故可利用交流驱动对LED的发光强度作线性调制，且常用于光通信及光耦合隔离电路中。,2、交流驱动,(1
9、)交流驱动电路,为使LED输出较大的光功率，必须采用交流电流源来驱动。,交流驱动电路如图7.1.3所示，图(a)中的VD对LED起反向保护作用，图(b)的接法可提高电源的利用率。,图7.1.3 LED的交流驱动电路 （a）二极管反向保护电路 （b）双发光二极管电路,(2)限流电阻估算,限流电阻R可由下式估算,式中,US为交流电源电压的有效值，UF为LED正向工作电压，IF为正向工作电流。,7.1.2 发光二极管的应用,LED具有体积小、亮度高、工作电压低、功耗小、驱动简单、响应速度快、寿命长、可靠性高、稳定性好、单色性好、色彩鲜艳、小型化而易与集成电路匹配等优点。因此发展、应用前景极为广阔，常
10、用于状态指示、电平指示及信息显示等。,一、发光二极管应用示例,1. LED电源指示电路,图7.1.4给出了LED作电源通断状态指示的实用电路。图中LED与稳压管串联，它的正向电压作为稳定输出电压的一部分，其中R为限流电阻，LED所发出的光作电源指示。,图7.1.4 LED电源指示电路,2.音频信号电平指示电路,电路如图7.1.5所示。它是利用LED的发光特性来对电路中电压或功率的变化作出相应的显示。它用于音响设备中，用来动态指示音响输出信号电压的大小。当输出信号电压大时，亮着的发光二极管数目增多；当输出信号电压小时，亮着的发光二极管数目减少。,图7.1.5 音频信号电平指示电路,二、发光二极管
11、使用注意事项,对于全塑形封装的LED，正、负极引脚靠环氧树脂固定，为避免管芯受热损坏和因环氧树脂受热软化致使引脚移动时内引线断开，装配焊接时要注意： 第一，印制电路板上LED安装孔应与管子两引脚间距相同，使引脚与环氧树脂管帽不产生应力； 第二，焊接所用电烙铁应选25W 以下，焊接点应离管帽4mm以上；第三，焊接时电烙铁接触时间不要超过4s，最好用镊子夹住管脚进行散热。,(1) 焊接注意事项,(2) 驱动电流和限流电阻选择,要合理选择LED的驱动电流，不能超过允许值，以免PN结结温过高，缩短管子寿命。 限流电阻R对保证LED正常工作起决定作用。一旦R值选定，电源VCC值就不能改变，否则将会造成L
12、ED发光强度的变化，严重时会损坏LED。,7.1.3 LED数码管及其应用,将发光二极管（LED）制成条状，再按一定方式连接，组成数字8，就构成LED数码管。它是目前较常用的一种数显器件。,图7.1.6 LED数码管 （a）小型LED数码管 （b) 大型LED数码管,LED数码管图片,LED数码管分共阳和共阴极两种，外形及结构如图7.1.6所示。ag代表7个笔段的驱动端，DP是小数点。公共阳极的数码管，公共端接高电平，驱动端接低电平；公共阴极的数码管，公共端接低电平，驱动端接高电平。,1LED数码管按内部电极接法分类,2按颜色分类,LED数码管的颜色有红、橙、黄、绿、蓝等多种。,小型LED数码
13、管通常采用双列直插封装；大型LED则采用印刷板插入式，如图7.1.6 b所示。,3插接方法及封装,数码管有普通亮度和高亮度之分，后者在大约1mA的工作电流下可发光。,4按亮度分类,5数码管与显示器,一位LED显示器就是通常所说的LED数码管，两位以上的一般称作显示器。,根据显示位数的多少，可划分成一位、双位、多位显示器。一位LED显示器就是通常所说的LED数码管，两位以上的一般称作显示器。除显示数字的LED外，还有能显示+、等各种符号和AZ26个英文字母的显示器。,1LED点阵显示器组成,*7.1.4 LED点阵显示器,由LED排列组成矩阵形式用来显示字符、图象等的显示器称为LED点阵显示器。
14、 人们用高亮度发光二极管以及含有多只高亮度芯片的平面管作为像素，组成由几万只管子构成的大屏幕显示器。 如图7.1.7所示为一个57发光二极管点阵显示器。它能够显示字母、数字、符号等。,图7.1.7 57发光二极管点阵显示 （a）14脚双列直插式组件 （b）示意符号,LED点阵图片,2工作原理,在这个57发光二极管点阵显示器中，包含36个发光二极管，排列为七行五列，另一个发光二极管是用于小数点的（D.P.）。 这个显示器能够显示字母、数字、符号等。把行输入连接到发光二极管的负极，把列输入连接到发光二极管的正极。 要产生所需符号，用扫描信号把某些行接至低电平，同时把某些列接至高电平。,例如要产生字
15、母F，则需在行列输入线上接如下信号： 列1是高电平，同时这个列上的所有七行都是低电平； 列2是高电平，同时只有行1和行4是低电平； 列3是高电平，同时只有行1 和行4是低电平； 列4是高电平，同时只有行1和行4是低电平； 列5是高电平，同时只有行1是低电平。 把脉冲程序控制连接到列输入线，并使它和向行输入线供给数据的随机存取存储器或固定存储器的寻址同步。如果扫描信号频率是100Hz以上，则发光二极管的闪烁大约是每秒100次，这样人眼感觉光是永远亮着的。,图7.1.8 57发光二极管点阵显示符号 （a）字母F （b）其他符号,有些发光二极管点阵显示器在阳极回路中需要外接串联限流电阻器。其他种类的
16、点阵显示器把这些电阻器装在外壳内一起包封（在制造过程中已装配好）。57发光二极管点阵显示器显示符号如图7.1.8所示。,光电器件又称光敏器件，能将光能转变成电能，一般以光测控器的形式工作于各种电路和控制系统中，故又称光电探测器。 常见光-电器件有光电二极管、光敏三极管、光敏场效应管、光控晶闸管、光敏电阻器、太阳电池等。,7.2 光电器件及其应用,一、光电二极管图形符号及工作原理,7.2.1光电二极管及其应用,光敏二极管亦称光电二极管（Photodiode，缩写PD），为了提高它的工作性能，人们研制出许多性能优良的新品种，如Si光敏二极管、PIN光敏二极管、雪崩光敏二极管、肖特基光敏二极管、HgCdTe光伏二极管等等。它们的结构及制作工艺不同，而工作原理基本相同。,半导体光敏器件的基本工作原理是半导体中的光生伏特效应。由于PN结存在内建电场，在受到光照时，便有光电流流过外接电路，即使没有外加偏压，PN结也会产生光生电动势，这种光电效应（P
