模擬電子技術(shù)第7章

1、7.1 7.1 電光器件及其應(yīng)用電光器件及其應(yīng)用7.2 7.2 光電器件及其應(yīng)用光電器件及其應(yīng)用7.3 7.3 光電耦合器及其應(yīng)用光電耦合器及其應(yīng)用* *7.4 7.4 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)用教學目標教學目標1、了解發(fā)光二極管的分類；熟悉電路符號及其特性、應(yīng)用、了解發(fā)光二極管的分類；熟悉電路符號及其特性、應(yīng)用電路組成；會估算限流電阻。掌握發(fā)光二極管使用注意事電路組成；會估算限流電阻。掌握發(fā)光二極管使用注意事項，了解項，了解LED數(shù)碼管、點陣顯示器構(gòu)成及工作原理。數(shù)碼管、點陣顯示器構(gòu)成及工作原理。 2、熟悉光敏二極管圖形符號、工作原理，了解其主要參熟悉光敏二極管圖形

2、符號、工作原理，了解其主要參數(shù)，熟悉使用注意事項。數(shù)，熟悉使用注意事項。 3、熟悉光敏三極管圖形符號，掌握使用方法。、熟悉光敏三極管圖形符號，掌握使用方法。 4、熟悉光耦合器分類、基本工作原理、電路符號，了解、熟悉光耦合器分類、基本工作原理、電路符號，了解其主要參數(shù)，熟悉光耦合器使用注意事項。選學光耦合器其主要參數(shù)，熟悉光耦合器使用注意事項。選學光耦合器常用電路組成、工作原理。選學典型集成光隔離放大器及常用電路組成、工作原理。選學典型集成光隔離放大器及其應(yīng)用。其應(yīng)用。 1 1、電光器件是通過電場或電流激發(fā)固體發(fā)光材料使之、電光器件是通過電場或電流激發(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

3、光能的器件。這類器件主產(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)光二極管和半導體激光器等。要有發(fā)光二極管和半導體激光器等。 2 2、發(fā)光二極管的光輻射是自發(fā)發(fā)射，光譜較寬，但相、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。位不一致。 3 3、激光器發(fā)出的光是受激發(fā)射的相干光，其光譜寬度、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)光二極管小比發(fā)光二極管小1 12 2個數(shù)量級。個數(shù)量級。 7.1 電光器件及其應(yīng)用電光器件及其應(yīng)用7.1.1 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 diodeLight emitting diode，縮

4、寫，縮寫LEDLED）是最常見）是最常見的電的電- -光轉(zhuǎn)換器件。光轉(zhuǎn)換器件。 一、發(fā)光二極管的分類一、發(fā)光二極管的分類 (1)(1)按發(fā)光顏色劃分按發(fā)光顏色劃分：紅色、橙色、綠色（又細分黃綠、標準綠和純綠）、藍光等。(2)(2)按摻或不摻散射劑、有色還是無色劃分按摻或不摻散射劑、有色還是無色劃分：有色透明、無色透明、有色散射和無色散射四種。其中，散射型發(fā)光二極管常用來做指示燈。 (3)按發(fā)光管出光面特征劃分為按發(fā)光管出光面特征劃分為：圓燈、方燈、矩形、面發(fā)光管、側(cè)向管、表面安裝用微型管等。其中，圓形燈按直徑分為2mm、4.4mm、5mm、8mm、10mm及20mm等，且外形尺寸以3mm、5m

5、m最為常見。 國外通常把3mm的發(fā)光二極管記作T-1；把5mm的記作T-1（3/4）；把4.4mm的記作T-1（1/4）。 (4)按發(fā)光強度劃分按發(fā)光強度劃分：普通亮度的LED（發(fā)光強度100mcd）；高亮度的LED(發(fā)光強度在10100mcd間)。 (5)按工作電流劃分：按工作電流劃分：一般LED(工作電流在十幾毫安至幾十毫安)；低電流LED(工作電流在2mA以下，其亮度與普通發(fā)光管相同）。 除上述分類方法外，還有按芯片材料分類及按功能分類的方法。 二、發(fā)光二極管的圖形符號及特性二、發(fā)光二極管的圖形符號及特性1發(fā)光二極管外形封裝、圖形符號、伏安特性發(fā)光二極管外形封裝、圖形符號、伏安特性 發(fā)光

6、二極管的外形封裝、圖形符號、伏安特性曲線如圖7.1.1所示。當所施加正向電壓（UF）未達開啟電壓時，正向電流IF幾乎為零，但電壓一旦超過開啟電壓時，電流急劇上升，電流、電壓幾乎成線性關(guān)系，即發(fā)光二極管呈歐姆導通特性。 圖7.1.1 發(fā)光二極管的外形封裝、圖形符號、伏安特性曲線(a) 外形圖 (b) 圖形符號 (c) 特性曲線發(fā)光二極管圖片2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用的基本半導體材料有GaP、GaAsP、GaALAs等。不同的半導體材料及工藝使發(fā)光二極管的顏色、波長、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)光二極管的開啟電壓通常稱作正向電壓，它

7、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 三、發(fā)光二極管的驅(qū)動三、發(fā)光二極管的驅(qū)動 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、直流驅(qū)動 (1)直流電源驅(qū)動直流電源驅(qū)動 發(fā)光二極管LED的直流電源驅(qū)動電路如圖7.1.2a所示。限流電阻R的估算式為 式中，UF為LED正向電壓，一般取12V，IF為正向工作電流， UF

8、與IF可從產(chǎn)品手冊中查得。 FFCCIUVR圖7.1.2 發(fā)光二極管常見的驅(qū)動電路(a) 直流電源驅(qū)動 (b) 三極管驅(qū)動原理圖 (c) 三極管驅(qū)動實用電路 附錄B圖B.2所示可燃氣體報警器電路中，VD6黃色LED驅(qū)動電路、VD7紅色LED驅(qū)動電路與圖7.1.2(a)所示電路相同。黃色LED選用2EF841，導通電壓為1.9V，A2輸出低電平的輸出電壓UL為0.77V，最大工作電流IFM=30mA。限流電阻R5=220， IIFMLFCCFRUUVmA105符合要求。 （2）三極）三極管驅(qū)動管驅(qū)動 如圖7.1.2b所示，流過發(fā)光二極管的正向工作電流IF受到三極管V控制，使LED的工作處于可控狀

9、態(tài)。 當三極管V飽和導通時，流過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，當三極管V截止時，流過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。通過驅(qū)動三極管的導通、截止，使LED的工作處于可控狀態(tài)。 圖7.1.2（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LED正向工作電壓，IF為LED正向工作電流，UF、IF可從產(chǎn)品手冊上查得。 圖7.1.2(c)是截取附錄圖B.2可燃氣體報警器綠色LED驅(qū)動電路而得，R11為LED限流電阻，V1飽和導通電壓UCES=0.3V

10、，LED選2EF551，查表得：UF=2V，IF=10mA，IFM=50mA，則 50mAmA1027023 . 0511VRUUVIFCESCCF符合要求。 圖中，R10為驅(qū)動管V1的基極限流電阻，應(yīng)根據(jù)式 CCCCSRVI來估算選用。驅(qū)動管V1選9013F，查附錄表A-5，=96，則 A193270965VRVIICCCCSBSR10由下式估算 BSFBEDiIUUUUR110式中，Ui為驅(qū)動高電平電壓，本例取4V；UD為二極管VD13導通電壓，硅管取0.7V；UBE1為V1發(fā)射結(jié)正偏導通電壓，硅管取0.7V。 代入數(shù)據(jù)，算得R10=3.11K，為使V1在輸入為高電平時可靠飽和導通，所選電

11、阻可略低于估算值，取標稱值3K。 發(fā)光二極管輸出的光強度在很寬的電流范圍內(nèi)與流過它的PN結(jié)的正向電流成正比，故可利用交流驅(qū)動對LED的發(fā)光強度作線性調(diào)制，且常用于光通信及光耦合隔離電路中。2、交流驅(qū)動、交流驅(qū)動(1)(1)交流驅(qū)動電路交流驅(qū)動電路 為使LED輸出較大的光功率，必須采用交流電流源來驅(qū)動。 交流驅(qū)動電路如圖7.1.3所示，圖(a)中的VD對LED起反向保護作用，圖(b)的接法可提高電源的利用率。 圖7.1.3 LED的交流驅(qū)動電路（a）二極管反向保護電路 （b）雙發(fā)光二極管電路 (2)限流電阻估算限流電阻估算 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

12、，UF為LED正向工作電壓，IF為正向工作電流。 7.1.2 發(fā)光二極管的應(yīng)用發(fā)光二極管的應(yīng)用 LED具有體積小、亮度高、工作電壓低、功耗小、驅(qū)動簡單、響應(yīng)速度快、壽命長、可靠性高、穩(wěn)定性好、單色性好、色彩鮮艷、小型化而易與集成電路匹配等優(yōu)點。因此發(fā)展、應(yīng)用前景極為廣闊，常用于狀態(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7.1.4給出了LED作電源通斷狀態(tài)指示的實用電路。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7.1.4 LED電源指示電路 2.2.音

13、頻信號電平指示電路音頻信號電平指示電路 電路如圖7.1.5所示。它是利用LED的發(fā)光特性來對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，用來動態(tài)指示音響輸出信號電壓的大小。當輸出信號電壓大時，亮著的發(fā)光二極管數(shù)目增多；當輸出信號電壓小時，亮著的發(fā)光二極管數(shù)目減少。 圖7.1.5 音頻信號電平指示電路二、發(fā)光二極管使用注意事項二、發(fā)光二極管使用注意事項 對于全塑形封裝的LED，正、負極引腳靠環(huán)氧樹脂固定，為避免管芯受熱損壞和因環(huán)氧樹脂受熱軟化致使引腳移動時內(nèi)引線斷開，裝配焊接時要注意： 第一，印制電路板上LED安裝孔應(yīng)與管子兩引腳間距相同，使引腳與環(huán)氧樹脂管帽不產(chǎn)生應(yīng)力； 第二，焊接

14、所用電烙鐵應(yīng)選25W 以下，焊接點應(yīng)離管帽4mm以上；第三，焊接時電烙鐵接觸時間不要超過4s，最好用鑷子夾住管腳進行散熱。(1) (1) 焊接注意事項焊接注意事項(2) (2) 驅(qū)動電流和限流電阻選擇驅(qū)動電流和限流電阻選擇 要合理選擇LED的驅(qū)動電流，不能超過允許值，以免PN結(jié)結(jié)溫過高，縮短管子壽命。 限流電阻R對保證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，否則將會造成LED發(fā)光強度的變化，嚴重時會損壞LED。7.1.3 LED數(shù)碼管及其應(yīng)用數(shù)碼管及其應(yīng)用 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

15、7.1.6 LED數(shù)碼管（a）小型LED數(shù)碼管 （b) 大型LED數(shù)碼管LED數(shù)碼管圖片 LED數(shù)碼管分共陽和共陰極兩種，外形及結(jié)構(gòu)如圖7.1.6所示。ag代表7個筆段的驅(qū)動端，DP是小數(shù)點。公共陽極的數(shù)碼管，公共端接高電平，驅(qū)動端接低電平；公共陰極的數(shù)碼管，公共端接低電平，驅(qū)動端接高電平。 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

16、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+、等各種符號和AZ26個英文字母的顯示器。 1 1LEDLED點陣顯示器組成點陣顯示器組成 *7.1.4 LED點陣顯示器點陣顯示器 由LED排列組成矩陣形式用來顯示字符、圖象等的顯示器稱為LED點陣顯示器。 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

17、萬只管子構(gòu)成的大屏幕顯示器。 如圖7.1.7所示為一個57發(fā)光二極管點陣顯示器。它能夠顯示字母、數(shù)字、符號等。 圖7.1.7 57發(fā)光二極管點陣顯示（a）14腳雙列直插式組件 （b）示意符號LED點陣圖片2 2工作原理工作原理 在這個57發(fā)光二極管點陣顯示器中，包含36個發(fā)光二極管，排列為七行五列，另一個發(fā)光二極管是用于小數(shù)點的（D.P.）。 這個顯示器能夠顯示字母、數(shù)字、符號等。把行輸入連接到發(fā)光二極管的負極，把列輸入連接到發(fā)光二極管的正極。 要產(chǎn)生所需符號，用掃描信號把某些行接至低電平，同時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： 列1是高電平，同時這個列上的

18、所有七行都是低電平； 列2是高電平，同時只有行1和行4是低電平； 列3是高電平，同時只有行1 和行4是低電平； 列4是高電平，同時只有行1和行4是低電平； 列5是高電平，同時只有行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)的隨機存取存儲器或固定存儲器的尋址同步。如果掃描信號頻率是100Hz以上，則發(fā)光二極管的閃爍大約是每秒100次，這樣人眼感覺光是永遠亮著的。圖7.1.8 57發(fā)光二極管點陣顯示符號 （a）字母F （b）其他符號 有些發(fā)光二極管點陣顯示器在陽極回路中需要外接串聯(lián)限流電阻器。其他種類的點陣顯示器把這些電阻器裝在外殼內(nèi)一起包封（在制造過程中已裝配好）。5

19、7發(fā)光二極管點陣顯示器顯示符號如圖7.1.8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，故又稱光電探測器。 常見光-電器件有光電二極管、光敏三極管、光敏場效應(yīng)管、光控晶閘管、光敏電阻器、太陽電池等。 7.2 7.2 光電器件及其應(yīng)用光電器件及其應(yīng)用 一、光電二極管圖形符號及工作原理一、光電二極管圖形符號及工作原理7.2.17.2.1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

20、敏二極管、HgCdTe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。 半導體光敏器件的基本工作原理是半導體中的光生伏特效應(yīng)。由于PN結(jié)存在內(nèi)建電場，在受到光照時，便有光電流流過外接電路，即使沒有外加偏壓，PN結(jié)也會產(chǎn)生光生電動勢，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兩種工作模式。 1 1光伏、光電導工作模式光伏、光電導工作模式 光電二極管有光伏和光電導兩種工作模式。光伏模式不加偏置電壓，而光電導模式則要加反向偏置電壓。如Si光電二極管工作于光電導工作模式，太陽能電池工作于光伏模式。 結(jié)型光電二極管圖形符號、原理電

21、路、伏安特性如圖7.2.1所示。 2 2光電二極管圖形符號、工作原理、伏安特性。光電二極管圖形符號、工作原理、伏安特性。 圖7.2.1 結(jié)型光電二極管及其伏安特性 (a) 符號 (b) 光電導模式 (c) 光伏模式 (d) 伏安特性光電二極管圖片在圖7.2.1（b）中，光敏二極管在外加反偏電壓的作用下工作于光導模式，當未受光照時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，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為溫度的電壓當量（常溫時為26mV），U為外加負偏壓。 當有光照時產(chǎn)生光電流IL，其中的負號表示光

22、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。此時負載RL上的電流為上述兩種電流的相量和，即 在圖7.2.1（c）中，光敏二極管在無外加偏壓下工作于光伏模式，未加光照時電路中無電流流過，當有光照時產(chǎn)生光電流（又稱亮電流Photo current），該光電流在外電路的負載RL上產(chǎn)生的光生電壓U反過來加于光電二極管上，這等于給PN結(jié)加了一個正向偏壓，從而在PN結(jié)上又會產(chǎn)生正向電流，其表達式如上式ID所示。 上述兩種電流的疊加就是此時流過負載RL的總電流，其表達式與(7.2.2)式完全一樣。 光電導模式中的U為外加負偏壓，而光伏模式中的U

23、則為正的光生電壓。 二、硅光敏二極管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)二、硅光敏二極管的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 國產(chǎn)硅光敏二極管按襯底材料的導電類型不同，有2CU和2DU兩大系列。其中2CU系列以型硅為襯底，2DU系列為型硅材料為襯底。它們的結(jié)構(gòu)和電路符號如圖7.2.2所示。 圖7.2.2 2CU、 2DU系列硅光敏二極管結(jié)構(gòu)（a）2CU系列結(jié)構(gòu) （b）2DU系列結(jié)構(gòu) 由圖可見，CU系列光敏二極管只有兩條引出線，而DU系列光敏二極管有三條引出線。從高摻雜型硅區(qū)引出電極稱為環(huán)極。 型管加環(huán)極的目的是為了減小暗電流和噪聲。從圖7.2.2可知，光敏二極管的受光面涂有SiO2防反射膜，而SiO2中常含少量的鈉、鉀、氫等正離子。SiO2為電

24、介質(zhì)，正離子在其中不能移動，但可使型硅表面產(chǎn)生感應(yīng)電子層，這一電子層與型硅導電類型相同，可使型硅表面與區(qū)連通。 當管子加反偏電壓時，從前極流出的暗電流為結(jié)反向漏電流與表面感應(yīng)層產(chǎn)生漏電流之和，使暗電流增加。加入環(huán)極且把它接到比前極更高電位上，為表面漏電流提供一條不經(jīng)過負載流至電源的通路。從而達到減小暗電流、減小噪聲的目的。如使用時環(huán)極懸空，除暗電流和噪聲較大外，其他性能均不受影響。 2型管反偏時，SiO2膜中正離子靜電感應(yīng)產(chǎn)生的導電層與型襯底相同，不會產(chǎn)生表面漏電流，故不需加環(huán)極。 (1) 靈敏度 它是給定的入射光的光電流與光照功率（或光照強度）的比值，該值愈大愈好，其典型值為0.1A/Ix數(shù)

25、量級。(2) 光譜范圍 指光電二極管入射光允許波長范圍一般在0.41.1m之間。(3) 峰值波長(Peak wave length) 指光電二極管靈敏度最高時入射光的波長。鍺管的峰值波長為1.465m，硅管的峰值波長為0.9m。(4) 響應(yīng)時間 指光電二極管將光信號轉(zhuǎn)換成電信號所需要的時間。三、光電二極管主要參數(shù)三、光電二極管主要參數(shù)四、光電二極管的應(yīng)用四、光電二極管的應(yīng)用 1. 應(yīng)用示例應(yīng)用示例 （1）光電二極管簡單應(yīng)用電路）光電二極管簡單應(yīng)用電路 圖7.2.3 光電二極管的簡單應(yīng)用電路 （a）無偏置電路 （b）反向偏置應(yīng)用電路（c）光電開關(guān)電路（d）光控繼電器電路 (1)圖a為無偏置電路，

26、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)速度比無偏置電路高幾倍，Uo=IRRL。 (3)圖c中，當光照射PD時，光電流在RB上產(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；當無光照時，V導通，輸出低電平。 (4)圖d為光控繼電器電路。在無光照時，三極管V截止，繼電器KA繞組無電流通過，觸點處常開狀態(tài)。當有光照且達到一定光強時，則V導通，KA吸合，從而實現(xiàn)光電開光控制。 由集成運放組成的光電流電壓轉(zhuǎn)換電路如圖7.2.4所示。圖中PD工作于光電導模式。IR為PD受光照時產(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

27、路 圖7.2.4 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 UILRF 上式表明輸出電壓與光照輸入關(guān)系近乎線性。2. 光電二極管使用注意事項光電二極管使用注意事項 （1）RL選取時，光導模式光電二極管要保證光電二極管反偏電壓不少于5V；當偏置電壓小于5V時，光電流與入射光強度不再呈線性關(guān)系，使電路性能變壞。同時又不能超過最大反向電壓，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。 （

28、4）入射光強度要適當，使用的環(huán)境溫度不宜過高。 （5）必須根據(jù)不同的用途選擇適當?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，以保證器件光電靈敏度。管殼臟了，應(yīng)及時用酒精棉擦拭干凈。 7.2.2 光電三極管及其應(yīng)用光電三極管及其應(yīng)用一、光電三極管的外形、圖形符號和等效電路一、光電三極管的外形、圖形符號和等效電路 光電三極管又稱光敏三極管（Phototran sistor），它的外形、電路符號和等效電路如圖7.2.5所示。它可以看作集電結(jié)上并聯(lián)了一個光電二極管的普通三極管。在光照的作用下，光電二極管將光信號轉(zhuǎn)換成電信號，并經(jīng)三極管放大。 圖7.2.5 光電三極

29、管的外形圖、圖形符號和等效電路(a) 外形圖 (b) 圖形符號 (c) 等效電路 顯然在三極管的電流放大系數(shù)為時，光敏三極管的光電流要比光敏二極管的光電流大倍。 總之，光敏三極管有許多與光電二極管相似的特性與參數(shù)。 光敏三極管的靈敏度遠比光電二極管高，為了進一步提高靈敏度人們制出了達林頓光電三極管，進一步提高了光電流。 光電三極管組成的光敏繼電器電路如圖7.2.6所示。二、光電三極管的應(yīng)用二、光電三極管的應(yīng)用圖7.2.6 光敏三極管組成的光敏繼電器電路（a）高靈敏硅光敏三極管組成的光敏繼電器電路（b）復合管放大光敏繼電器電路 圖a使用了高靈敏硅光敏三極管3DU80B，該管在鎢燈（2856K）照

30、度為1000Lx時能提供2mA的光電流，因而可以直接帶動靈敏繼電器。 與繼電器線圈并聯(lián)的二極管在光敏管關(guān)斷瞬間對它進行保護。 若用一普通光敏三極管時，由于靈敏度低一個數(shù)量級，因此必須進行放大。 圖b為簡單的達林頓放大電路，3DU32受光照產(chǎn)生的光電流經(jīng)過一級晶體管放大后便可驅(qū)動繼電器。圖b中的光敏三極管與放大管可用一只達林頓結(jié)構(gòu)的光敏管來代替，如3DU912系列。 在使用時，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；工作時電壓、電流、功耗等不允許超過其最大值。 其它注意事項與光敏二極管相同，為提高響應(yīng)速度，可使用基極帶引線的光敏三極管，并加上適當偏流。 7.3 光耦合

31、器及其應(yīng)用光耦合器及其應(yīng)用 7.3.1 光耦合器光耦合器 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傳輸電信號的光電器件。發(fā)光器件電光，受光器件光電，實現(xiàn)了電到光、光再電的傳輸。 光是傳輸?shù)拿浇椋瑥亩馆斎牒洼敵鰞啥藢崿F(xiàn)電氣上的絕緣和隔離，輸出端對輸入端無反饋作用，信號能從輸入單向傳輸?shù)捷敵觯哂锌箶_能力強、響應(yīng)速度快、工作穩(wěn)定可靠等優(yōu)點。 光電耦合器的分類：光電耦合器的分類：(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，達林頓晶體管型，雙向晶閘管型，集成電路輸出型、高壓型、

32、高速型等； 當發(fā)光器發(fā)光二極管中有電流IF流過時，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)光二極管中沒有電流IF流過，即發(fā)光二極管不發(fā)光，光電三極管就無光電流產(chǎn)生。因此輸入電信號可以經(jīng)過光媒質(zhì)傳輸?shù)捷敵龆耍瑢崿F(xiàn)輸入和輸出電隔離。 一、光耦合器的基本原理一、光耦合器的基本原理圖7.3.1 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，輸出部分是硅光敏三極管，如圖7.3.1所示 光耦合器圖片 幾種常用光電耦合器如圖7.3.2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；

33、 圖c為達林頓型光耦合器； 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體管（NPN型）光耦合器，這類光耦合器為高速型光耦合器。圖7.3.2 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、光耦合器的主要參數(shù)二、光耦合器的主要參數(shù)(1)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)。(2)輸出參數(shù)輸出參數(shù) 與所用的光電管基本相同，僅對光電流和飽和壓 降加以說明。 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)負載電阻，

34、使輸出電流為一定值（一般為2mA）時，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）、輸出端接有一定負載（約500）、并按規(guī)定極性加一定電壓（通常為10V）時，在輸出端所產(chǎn)生的電流。對于由光電三極管構(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。 3. 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。不加復合管時，總是小于1。 （2

35、）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。7.3.2 光耦合器的應(yīng)用光耦合器的應(yīng)用一、光耦合器的選用一、光耦合器的選用 光耦合器的實際應(yīng)用一般分為線性應(yīng)用和非線性應(yīng)用。 光敏三極管型光耦合器的響應(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，信號較強的場所； 達林頓晶體管型光耦合器響應(yīng)速度慢，線性度好，電流傳輸比CTR大，適用于小信號場合。 因此實際應(yīng)用中必須根據(jù)條件加以合理選用，常見的有4N系列、TLP系列、

36、MOC系列等。 光耦合器根據(jù)電流傳輸比和光耦合器發(fā)光二極管電流特性曲線不同可分為線性光耦合器和普通光耦合器兩種。光耦合器的CRTIF特性曲線如圖7.3.3所示，其中虛線為線性光耦合器，實線為普通光耦合器，從圖中可以看出普通光耦合器CRTIF特性曲線呈非線性，在IF較小時的非線性失真尤為嚴重，因此它不適合傳輸模擬信號。 圖7.3.3 兩種光耦合器的 CRTIF特性曲線 線性光耦合器的CRTIF特性曲線具有良好的線性度，特別是在傳輸小信號時，其交流傳輸比 FLIICTR/很接近于直流電流傳輸比CTR值，可用于模擬信號的傳輸。 線性光耦合器典型產(chǎn)品及主要參數(shù)見表7.3.1。這些光耦合器接收管均為光敏

37、三極管。 光耦合器的CTR類似于三極管的hfe()，是光耦合器的重要參數(shù)。實際的CTR值取決于光耦合器的輸入電流和輸出電流值與光耦的電源電壓值。施加于輸出光敏三極管的偏置電壓UC值不同，其輸出/輸入電流比曲線亦不同。典型光敏三極管輸出/輸入電流比曲線如圖7.3.4所示。圖7.3.4 不同UC值的輸出/輸入電流比曲線 國內(nèi)目前廣泛應(yīng)用的由英國埃索柯姆（Isocom）公司和美國摩托羅拉公司生產(chǎn)的4N系列光耦合器如4N25、4N26、4N35光耦，呈現(xiàn)開關(guān)特性，其線性度差，適用于傳輸數(shù)字電路。在開關(guān)電源中，光耦合器用在輸出電壓取樣、反饋電路部分，應(yīng)選用線性光耦合器。 注意！由于LED的發(fā)光效率和光敏

38、三極管的電流增益變化，各個光敏的實際CTR值可能明顯地偏離典型值。 光耦合器外接三極管電路有兩種基本接法：發(fā)射極接地和集電極接地。 集電極接地時的開關(guān)時間比發(fā)射極接地時的開、關(guān)時間長，因此響應(yīng)速度較慢。 若需要光耦合器有高速響應(yīng)特性，宜采用發(fā)射極接地電路，常見的基本電路如圖7.3.5所示。 為了提高開關(guān)速度，可以提高光敏二極管的反偏電壓，以減小PN結(jié)的結(jié)電容，從而減小開始的時間常數(shù)，如圖7.3.5（c）所示。也可采用如圖7.3.5（d）、（e）所示的光敏三極管型光耦合器。 二、光耦合器的基本電路二、光耦合器的基本電路圖7.3.5 光電耦合器的基本電路（a）、（b）光敏二極管耦合型應(yīng)用電路 （c

39、）提高光敏二極管耦合型開關(guān)速度電路（d）、（e）光敏三極管型光耦合器應(yīng)用電路 由光耦合器組成的開關(guān)電路如圖7.3.6所示。 在圖 （a）中，當輸入信號ui為低電平時，三極管V1處于截止狀態(tài)，光耦合器B1中發(fā)光二極管的電流近似為零，輸出端Q11、Q12間的電阻很大，相當于開關(guān)“斷開”；當ui為高電平時，V1導通，B1中發(fā)光二極管發(fā)光，Q11、Q12間的電阻變小，相當于開關(guān)“接通”該電路因ui為低電平時，開關(guān)不通，故為高電平導通型開關(guān)電路。 同理，圖7.3.6（b）電路中，因無信號(ui為低電平)時，開關(guān)導通，故為低電平導通型開關(guān)電路。 三、開關(guān)電路三、開關(guān)電路 圖7.3.6 開關(guān)電路(a)輸入高

40、電平開關(guān)導通型 (b)輸入低電平開關(guān)導通型 光電耦合放大器電路如圖7.3.7所示這是一個典型的交流耦合放大電路適當選取發(fā)光回路限流電阻Rl，使B3的電流傳輸比為一常數(shù)，即可保證該電路的線性放大作用。四、光耦合放大器四、光耦合放大器 圖7.3.7 光耦合放大電路互補式光耦合隔離放大電路如圖7.3. 8 所示。 圖7.3. 8 互補式光耦合隔離放大電路 運算放大器A1組成輸入放大電路，A2組成輸出放大電路。B1和B2是特性完全對稱的線性光耦合器。B2用作A1和A2間的信號隔離傳輸，B1為A1的非線性反饋，以彌補B2的非線性。若A1和A2處于理想工作狀態(tài)，i1=i2，取R2=R3，A1、A2為反相輸

41、入放大電路，反相輸入端具有“虛地”特性，由電路可得 12110RuRViiPoRRuRVi53210則 iPouRRRu15 由于光耦合器的工作速度遠低于運算放大器的工作速度，為此在的反饋支路中加接電容C以改善電路的頻率特性，并加接R4和電容C來提高電路的穩(wěn)定性。 但C值過大，會使電路頻率上限降低，R4和C值過小，使電路穩(wěn)定性變差，通常C值取1500pF。 該電路的頻帶可達040kHz，線性度為0.1。 五、門廳照明燈自動控制電路五、門廳照明燈自動控制電路 用光電耦合器組成的門廳照明燈自動控制電路如圖7.3.9所示。圖7.3.9 門廳照明燈自動控制電路五、門廳照明燈自動控制電路五、門廳照明燈自

42、動控制電路 圖中S1、S2、S3、S4是四組常開模擬電子開關(guān)，當它們控制端（13、12、6、5）達到規(guī)定控制電壓時，模擬電子開關(guān)處于接通狀態(tài)，而低于開啟電壓電子開關(guān)恢復斷開狀態(tài)。其中S1、S2、S3并聯(lián)使用，以增加驅(qū)動功率和抗干能力，13、12、6端并接后接至由C1、R3組成的延時控制電路。 當門關(guān)閉時，安裝在門框上的常閉型干簧管KD受裝在門上磁鐵作用，其觸點斷開，S1、S2、S3處于數(shù)據(jù)開的狀態(tài)。當夜間打開門，磁鐵遠離KD，其觸點閉合。 此時交流9V電源經(jīng)整流、濾波后得10.8V直流電壓，經(jīng)R1向C1充電，C1兩端電壓很快上升到規(guī)定開啟電壓，使S1、S2、S3處于閉合狀態(tài)，光電耦合器中的發(fā)光

43、二極管LED發(fā)光，從而觸發(fā)光控雙向晶閘管導通，VT亦導通，H點亮。房門關(guān)閉后，控制磁鐵KD觸點斷開，電源停止對C1充電，C1通過R3放電，經(jīng)過一段時間后，C1兩端電壓逐漸下降到S1、S2、S3的開啟電壓以下，S1、S2、S恢復斷開狀態(tài)，導致B6截止，VT亦截止，H熄滅，實現(xiàn)延時關(guān)燈功能。 R為光敏電阻，與R2、S4等構(gòu)成環(huán)境光線檢測電路。當光線很強時，R很小，UR2很高，使S4閉合，短接C1，即使門打開，也不能使S1、S2、S3閉合，無法使H點亮。*7.4 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 集成光電耦合型放大器因其體積小、失調(diào)電壓低、漂移小、頻帶寬、漏電流小和價格低等優(yōu)點，

44、很適合于各種輸入、輸出間需隔離的應(yīng)用場合。特別在工業(yè)過程控制、電機和晶閘管控制、生物醫(yī)學測量、測試設(shè)備、數(shù)據(jù)采集和光電變換器等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。 集成光電耦合型放大器又稱集成光電隔離放大器，有較多型號，受篇幅限制，僅以ISO100小型廉價集成光電隔離放大器為例，介紹其內(nèi)電路、性能及其應(yīng)用電路設(shè)計。 7.4.1 ISO100型集成光電隔離放大器性能特點與主要參數(shù)型集成光電隔離放大器性能特點與主要參數(shù) 一、特點一、特點 ISO100型集成光電隔離放大器應(yīng)用方法與普通運放類似，既可電流輸入，也可電壓輸入，它的體積小，失調(diào)電壓低，價格便宜，耐壓高達750V以上，而且漏電流極小，240V50Hz時，小于

45、0.3A。 二、主要參數(shù)二、主要參數(shù) 7.4.2 ISO100型集成光電隔離放大器型集成光電隔離放大器內(nèi)電路、引腳排列與基本接法內(nèi)電路、引腳排列與基本接法 一、內(nèi)電路與引腳排列圖一、內(nèi)電路與引腳排列圖 圖7.4.1 ISO100內(nèi)電路與引腳圖（a）內(nèi)電路 （b）引腳圖 光電隔離放大器ISO100內(nèi)電路與引腳排列圖如圖7.4.1所示。其中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12A基準電流源。光電耦合器由LED與VD1、VD2組成。二、二、IS0100型集成光電隔離放大器的基本接線方法型集成光電隔離放大器的基本接線方法 IS0100型集成光電隔

46、離放大器的基本接線方法有單極性和雙極性兩種接法。單極性同相放大組態(tài)電路如圖7.4.2（a）所示。采用這一接法時，輸入、輸出級的兩個恒流源IREF1、IREF2無用，故16腳、8腳分別接輸入地和輸出地。如外接電路需要恒流源的場合，可將IREF1、IREF2作為獨立的精密恒流源使用。圖（a）所示電路接法僅能放大單極性的負信號。本電路若為電流輸入，輸出電壓為 FioRIU若為電壓輸入為Ui，則輸出電壓為 iFoURRU1圖7.4.2 ISO100基本接法（a）同相單極性接法（b）反相同極性接法（c）反相雙極性接法 若要在同相輸入情況下，既可放大正信號，又可放大負信號，需要對電流源進行改接，將IREF

47、1、IREF2分別接至A1與A2的反相端,以使運放A1的輸出端始終能為LED提供激勵電流。電路接法參閱圖7.4.2（c）。為保證雙極性時放大器工作于線性狀態(tài)，輸入電流的變化范圍應(yīng)在10A以內(nèi)。 單極性反相輸入組態(tài)如圖7.4.2（b）所示。該電路只能放大正信號。反相輸入雙極性放大電路接法如圖7.4.2（c）所示。與圖 (b)不同之處是將兩個恒流源IREF1、IREF2分別由接地改接到A1與A2的反相輸入端。 7.4.3 采用采用IS0100型集成光電隔離放大器應(yīng)用電路設(shè)計注意事項型集成光電隔離放大器應(yīng)用電路設(shè)計注意事項 在用ISO100設(shè)計應(yīng)用電路時，應(yīng)注意以下問題： (1)因ISO100的18

48、腳可能流過較大的直流電流，故輸入回路公共端引腳17應(yīng)通過獨立的引線接到輸入地線，而不應(yīng)與18腳就近短接共用地線，以免引入干擾； (2)信號如通過長線引入，應(yīng)選用有屏蔽的電纜或雙絞線電纜；(3)設(shè)計印制板時應(yīng)注意減少輸入、輸出間的分布電容；(4)輸入、輸出兩部分的外部元件和導線之間的距離應(yīng)盡量遠，以減少漏電流和高壓擊穿。(5)必須采用隔離電源供電，即輸入、輸出正負電源的地線必須是相互隔離的，不能采用同組電源供電。 7.4.4 ISO100型集成光電隔離放大器典型應(yīng)用電路型集成光電隔離放大器典型應(yīng)用電路 一、光電二極管檢測放大電路一、光電二極管檢測放大電路 用光敏二極管作為傳感器，其電流很小，可用

49、ISO100組成隔離放大電路，因光敏二極管的信號電流是單極性的，采用單極性的光電轉(zhuǎn)換放大電路如圖7.4.3所示。 圖7.4.3 光電轉(zhuǎn)換放大器 電路由隔離電源722供電，使輸入級、輸出級的電源各自獨立。C1為電源去耦濾波電容，選0.47F瓷介電容。CF用于改變放大器的頻率特性。通過實際調(diào)試RF可取1M的電阻。則輸出電壓為UOIiRF，變化范圍為010V。 二、在二、在U/I 變換電路中的應(yīng)用變換電路中的應(yīng)用 用ISO100組成U/I變換電路如圖7.4.4所示。 圖7.4.4 U/I變換器電路 它可將50V的電壓信號變成420mA的電流信號。16腳基準電流源經(jīng)電位器RP3（500k）接輸入地，電位器滑動臂經(jīng)R2接ISO100 內(nèi)部運放A1的反相輸入端，調(diào)電位器RP3可改變自反相端流入16腳電流的大小，以調(diào)整失調(diào)及輸入電流，使輸入信號為0V時，輸出電流為20mA。 輸