電子元器件基礎(chǔ)貴州電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院謝忠福

電子元器件基礎(chǔ)貴州電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院謝忠福1項(xiàng)目8光電器件（建議學(xué)時(shí)：8學(xué)時(shí)）

本項(xiàng)目將主要介紹光電二極管、光電三極管、光敏電阻、光電池、光控晶閘管、光電耦合器的結(jié)構(gòu)、符號(hào)、特性、參數(shù)和應(yīng)用。通過各種光電器件的學(xué)習(xí)，掌握光電器件在電子電路中的應(yīng)用。能力目標(biāo)了解光電二極管結(jié)構(gòu)和符號(hào)掌握光電二極管的特性曲線和好壞判別了解光電二極管的主要參數(shù)及二極管的應(yīng)用掌握光電三極管結(jié)構(gòu)、特性曲線和參數(shù)掌握光電三極管的特性曲線和好壞判別了解光電三極管的主要參數(shù)及應(yīng)用了解光敏電阻的結(jié)構(gòu)和符號(hào)了解光敏電阻的種類、參數(shù)及好壞判別了解光敏電阻的應(yīng)用了解光電池的結(jié)構(gòu)和符號(hào)了解光電池的參數(shù)及光電池的應(yīng)用掌握光控晶閘管的結(jié)構(gòu)和符號(hào)掌握光控晶閘管的工作原理、特性曲線及應(yīng)用了解光電耦合器的結(jié)構(gòu)和符號(hào)掌握光電耦合器的主要參數(shù)和好壞判別了解光電耦合器的應(yīng)用2

任務(wù)8-1光電二極管任務(wù)描述本任務(wù)主要學(xué)習(xí)光電二極管結(jié)構(gòu)和符號(hào)，光電二極管的特性曲線和好壞判別，光電二極管的主要參數(shù)，光電二極管的應(yīng)用等內(nèi)容。

8.1.1光電二極管結(jié)構(gòu)、特性曲線和參數(shù)

1．光電二極管結(jié)構(gòu)和符號(hào)光電二極管結(jié)構(gòu)和符號(hào)如圖8.1.1所示。圖8.1.13

2．光電二極管的特性曲線和好壞判別

（1）特性曲線

光電二極管工作時(shí)，除PN結(jié)應(yīng)受到光線照射外，還必須處在反向偏置電壓條件下。圖8.1.2為光電二極管的特性曲線，由普通二極管伏安特性可知，加反向電壓將產(chǎn)生反向電流。稱為反向飽和電流。光電二極管在反向電壓下沒有光照時(shí)，有很小的反向飽和電流。有光照時(shí)，反向電流會(huì)隨光照加強(qiáng)而增大。

這是因?yàn)楣茏訜o光照時(shí)呈現(xiàn)的反向電阻很大，一般可達(dá)4MΩ；有光照射時(shí)呈現(xiàn)的反向電阻較小，一般為幾百歐到一千歐。可見，光電二極管的工作實(shí)質(zhì)，就是反向電阻值隨光照強(qiáng)度而變化。圖8.1.24

（2）好壞判別用萬用表R×1k檔測(cè)量光電二極管的正、反向電阻和有光照的反向電阻，然后與正常值比較可判別其好壞。例如2CU3型光電二極管反向電阻830kΩ，正向電阻5.2kΩ。有光照的反向電阻560Ω。

3．光電二極管的主要參數(shù)

（1）最高工作電壓

（2）暗電流指在管子加反向電壓而且無光照的條件下，光電二極管導(dǎo)通的反向電流，或叫反向漏電流。

（3）亮電流反向電流只要是光線照射產(chǎn)生的，統(tǒng)稱為光電二極管的光電流。光線越強(qiáng)，光電流越大，光電流大到接近極限值時(shí)，就稱為亮電流。其它參數(shù)有結(jié)電容、電流靈敏度、峰值波長(zhǎng)、響應(yīng)時(shí)間和一般二極管的參數(shù)。

5

8.1.2光電二極管的應(yīng)用

1．GK-1型微型光控開關(guān)的結(jié)構(gòu)原理圖8.1.3(a)是GK-1型光控開關(guān)的外形，圖8.1.3(b)是它的內(nèi)部原理結(jié)構(gòu)。內(nèi)部電路由光電二極管、低電平放大器、電平比較器、電壓調(diào)整器、輸出功率驅(qū)動(dòng)器五部分組成。其中，低電平放大器是一個(gè)低噪聲小電流放大器；電平比較器由一個(gè)施密特電路構(gòu)成，輸入電平在一段范圍內(nèi)波動(dòng)時(shí)，能保持線路的輸出狀態(tài)不變，以消除電路的臨界波動(dòng)點(diǎn)；電壓調(diào)整器是微型光控開關(guān)內(nèi)部的穩(wěn)壓器，能保證光電二極管和低電平放大器工作在穩(wěn)定的3V電壓下，不受外界電源波動(dòng)影響；輸出功率驅(qū)動(dòng)器是一個(gè)幾百毫瓦的NPN型三極管，C極為開關(guān)電路的輸出。這五部分被集成在2mm×3.5mm的硅片上，成為一個(gè)微型光控開關(guān)。6圖8.1.37

2．GK-1型微型光控開關(guān)的應(yīng)用圖8.1.4是GK-1型光控開關(guān)的實(shí)際應(yīng)用電路。工作原理如下：白天亮度高，GK-1型光控開關(guān)中的光電二極管感應(yīng)到亮光后，就使GK-1內(nèi)部輸出功率驅(qū)動(dòng)器截止，GK-1③端無輸出，繼電器開關(guān)斷開，雙向晶閘管不導(dǎo)通，故路燈不點(diǎn)亮。夜晚，無光照射GK-1型光控開關(guān)中光電二極管，GK-1③端輸出導(dǎo)通電流，繼電器開關(guān)吸合，觸發(fā)雙向晶閘管導(dǎo)通電流，點(diǎn)亮路燈。第二天天亮?xí)r，光控開關(guān)GK-1自動(dòng)關(guān)燈，晚上又自動(dòng)開燈。圖8.1.48任務(wù)8-2光電三極管任務(wù)描述本任務(wù)主要學(xué)習(xí)光電三極管結(jié)構(gòu)和符號(hào)，光電三極管的特性曲線和好壞判別，光電三極管的特性曲線，光電三極管的光譜響應(yīng)曲線，光電三極管的主要參數(shù)，光電三極管的應(yīng)用等內(nèi)容。

8.2.1光電三極管結(jié)構(gòu)、特性曲線和參數(shù)

1．光電三極管結(jié)構(gòu)和符號(hào)

光電三極管與普通三極管結(jié)構(gòu)相似，也是PNP或NPN三層結(jié)構(gòu)，如圖8.2.1(a)所示。引出e、b、c三個(gè)電極封裝的光電三極管稱三極型光電三極管。只引出e、c兩個(gè)電極封裝的光電三極管稱兩極型光電三極管，如圖8.2.1(b)所示。圖8.2.1(c)為某光電三極管實(shí)物圖。圖8.2.19光電三極管的圖形符號(hào)如圖8.2.2所示。圖8.2.2

2．光電三極管的特性曲線和好壞判別

（1）光電三極管的特性曲線光電三極管工作時(shí)，b極不加電壓，這與普通三極管不同，但c-e極的偏置條件與一般三極管相同。圖8.2.3是光電三極管的特性曲線，由圖可見，管子導(dǎo)通的光電流基本與外加電壓無關(guān)，只隨光照強(qiáng)弱變化。在c極電壓一定，且光線由暗變亮?xí)r，管子產(chǎn)生的光電流就由小變大。10

（2）光電三極管的光譜響應(yīng)曲線光電流與光波波長(zhǎng)的關(guān)系曲線稱為光電三極管的光譜響應(yīng)曲線。圖8.2.4為光電三極管3DU2、3DU5的光譜響應(yīng)曲線。由圖可見，用不同波長(zhǎng)的單位光通量，分別照射管子芯片，產(chǎn)生的光電流不同。不同型號(hào)光電三極管的光譜響應(yīng)曲線峰值對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)也不同。

圖8.2.4圖8.2.311

（3）好壞判別通過測(cè)量光電三極管有光照和無光照時(shí)的極間電阻可判別其好壞。對(duì)于有b極的光電三極管無光照時(shí)極間電阻的測(cè)量方法和大小與普通三極管相同。而無b極的光電三極管只能測(cè)c-e極間電阻，其正反向電阻正常值均為無窮大。有光照時(shí)，用萬用表R×1檔或R×10檔測(cè)c-e極間電阻，其正向電阻約為10~100Ω，反向電阻無窮大。若實(shí)際測(cè)量結(jié)果與正常值接近，表明管子是好的。

2．光電三極管的主要參數(shù)

（1）最高反向電壓

（2）暗電流

（3）亮電流

（4）響應(yīng)時(shí)間指光電三極管自撤銷光照之時(shí)起，到光電流降至光照時(shí)光電流的63%所需要的時(shí)間。12

8.2.2光電三極管的應(yīng)用圖8.2.5為暗導(dǎo)通電路。工作過程如下：當(dāng)一定光照射時(shí)，VT1的c-e極呈低阻狀態(tài)，VT1和R1的分壓就使VT2截止，負(fù)載RL無電流流過，此時(shí)光控開關(guān)處于關(guān)斷狀態(tài)。反之，無光照時(shí)，VT1的c-e極電阻較大，VT2導(dǎo)通，負(fù)載RL有電流流過，光控開關(guān)處于導(dǎo)通狀態(tài)。圖8.2.6為亮導(dǎo)通電路。其在圖8.2.5基礎(chǔ)上增加了一級(jí)反向放大器VT5，使兩圖的光控狀態(tài)恰恰相反。圖8.2.6圖8.2.513任務(wù)8-3光敏電阻任務(wù)描述

本任務(wù)主要學(xué)習(xí)光敏電阻的結(jié)構(gòu)和符號(hào)，光敏電阻的種類，光敏電阻的參數(shù)及好壞判別，光敏電阻的應(yīng)用等內(nèi)容。

8.3.1光敏電阻的常識(shí)

1．光敏電阻的結(jié)構(gòu)和符號(hào)

光敏電阻的結(jié)構(gòu)和符號(hào)如圖8.3.1所示。它主要由光敏層、金屬電極、透明板、電極引腳四部分構(gòu)成。光敏層由鉈、鎘、鉛、鉍的硒化物及硫化物構(gòu)成，多用硫化鎘（CdS）制作管心。光敏電阻就是利用管心材料的特性來工作的。當(dāng)有光照射光敏電阻時(shí)，管心材料的電阻率就發(fā)生顯著變化。光照愈強(qiáng)，阻值愈小，光照愈弱，阻值愈大。這就是光敏電阻的特性。圖8.3.114

光敏電阻常制成薄膜結(jié)構(gòu)，為了能吸收更多的光，一般都把CdS表面膜作成彎曲的弓字形，如圖8.3.1(c)中成品光敏電阻的外表。由于硫化鎘怕受潮，所以又在它表面涂有一層防潮的透明油脂。

2．光敏電阻的種類、參數(shù)及好壞判別

（1）光敏電阻的種類根據(jù)入射波長(zhǎng)的不同，光敏電阻可分為以下三種類型。

1）可見光光敏電阻。

2）紅外光光敏電阻。

3）紫外光光敏電阻。

（2）光敏電阻的參數(shù)及好壞判別光敏電阻的主要參數(shù)除具有普通電阻的一切參數(shù)，另外還有暗阻和亮阻。通過測(cè)量光敏電阻的暗阻和亮阻可判別其好壞。如果測(cè)量值與正常值接近（有一定的離散性），說明被測(cè)光敏電阻是好的；若與正常值相差太大，則是壞的。15

8.3.2光敏電阻的應(yīng)用圖8.3.2是光敏電阻最簡(jiǎn)單的應(yīng)用電路。電源E首先加在光敏電阻與RP串聯(lián)電路上，通過調(diào)整RP可取出分壓值加到VT的b極，三極管發(fā)射結(jié)便得到正向偏置電壓。同時(shí)電源也通過表頭M加到VT的c極，VT導(dǎo)通電流通過微安表頭，表針偏轉(zhuǎn)指出數(shù)值，此數(shù)值并不是電流值，而是轉(zhuǎn)換后的光照強(qiáng)度值。圖8.3.2

光線為中等亮度時(shí)，調(diào)節(jié)RP使表針指在刻度正中間，之后照度表就可正常工作。當(dāng)光照強(qiáng)時(shí)，光敏電阻阻值小，VT導(dǎo)通電流大，照度表指示值大；當(dāng)光照弱時(shí)，光敏電阻阻值大，VT導(dǎo)通電流小，照度表指示值??；無光照時(shí)，光敏電阻阻值極大，VT截止，照度表指示為零。16任務(wù)8-4光電池任務(wù)描述

本任務(wù)主要學(xué)習(xí)光電池的結(jié)構(gòu)和符號(hào)，光電池的應(yīng)用，光電池的參數(shù)等內(nèi)容。8.4.1光電池的結(jié)構(gòu)和符號(hào)光電池也是光敏器件中一個(gè)種類，不僅能將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，還能將光能轉(zhuǎn)換為電能儲(chǔ)存起來。圖8.4.1是光電池結(jié)構(gòu)和符號(hào)。光電池由PN結(jié)構(gòu)成，也好像一個(gè)半導(dǎo)體二極管，但這個(gè)PN結(jié)的工作面積比一般二極管要大得多，目的是使光電池能接受更多光照。光電池通常只有一面接受光的照射，稱為光電池的受光面。不接受光線照射的一面稱為背光面。光電池工作時(shí)能將光能轉(zhuǎn)化成電能形成電壓，電壓的正極多為受光面。圖8.4.117

8.4.2光電池的參數(shù)（1）開路電壓是指光電池受光照射時(shí)產(chǎn)生的無負(fù)載輸出電壓。（2）短路電流是指光電池在陽光照射下，正負(fù)極短路時(shí)的電流。（3）尺寸（4）效率指光電池將光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿哪芰?，是以功率方式來轉(zhuǎn)換的，常用百分?jǐn)?shù)表示。例如某光電池在光照強(qiáng)度為0.1W/cm2的陽光照射下，能從每cm2的面積上得到0.015W的電能，那么它的效率就為：

8.4.3光電池的應(yīng)用

光電池在實(shí)際應(yīng)用中有兩種應(yīng)用，一是作為光敏管起光控作用，二是作能源轉(zhuǎn)換，將光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。硅光電池與其它類型的光電元件（硒光電池、光敏電阻、光電管等）相比有體積小、重量輕、光電轉(zhuǎn)換率高、性能穩(wěn)定、使用方便、不需外加電源裝置等優(yōu)點(diǎn)。

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圖8.4.2是利用光電池組裝的照度計(jì)，可用來檢測(cè)自然界光線亮度。電路原理為:當(dāng)有光照射光電池時(shí)，光電池兩端產(chǎn)生電壓，形成電流回路。電流流過表頭線圈，線圈帶動(dòng)指針偏轉(zhuǎn)，于是就可從表盤上讀出自然界光照強(qiáng)度值。在原理上與圖8.3.2所示電路相同，但這種照度計(jì)不需另外設(shè)置電源，電路更簡(jiǎn)單。圖8.4.219任務(wù)8-5光控晶閘管任務(wù)描述

本任務(wù)主要學(xué)習(xí)光控晶閘管的結(jié)構(gòu)和符號(hào)，光控晶閘管的工作原理，光控晶閘管的特性曲線，光控晶閘管的應(yīng)用，光控晶閘管應(yīng)用注意事項(xiàng)等內(nèi)容。

8.5.1光控晶閘管的結(jié)構(gòu)和符號(hào)

光控晶閘管有單向和雙向之分，單向晶閘管結(jié)構(gòu)與普通晶閘管相同，也是由P1N1P2N2四層半導(dǎo)體構(gòu)成三個(gè)PN結(jié)，有A和K極。根據(jù)需要與制造不同，有的引出G極構(gòu)成三極型光控晶閘管，有的則不引出G極構(gòu)成兩極型光控晶閘管。光控晶閘管結(jié)構(gòu)、符號(hào)及實(shí)物如圖8.5.1所示。圖8.5.120

三極型雙向光控晶閘管有T1、T2和G極。兩極型單向光控晶閘管只有T1

和T2極。圖8.5.1(b)所示圖形符號(hào)，與光電二極管的圖形符號(hào)完全相同。但在電路圖中光電二極管符號(hào)旁邊一般都標(biāo)記“VD”字符，而兩極型單向光控晶閘管符號(hào)旁邊一般都標(biāo)記“VS”字符，以示區(qū)別。

8.5.2光控晶閘管的工作原理和特性曲線

1．光控晶閘管的工作原理光控晶閘管工作原理基本與普通單、雙向晶閘管相同，僅在控制形式上有區(qū)別。普通晶閘管靠控制極加信號(hào)觸發(fā)導(dǎo)通，光控晶閘管靠光信號(hào)來控制導(dǎo)通。單向光控晶閘管一旦被光信號(hào)觸發(fā)導(dǎo)通，即使撤銷光信號(hào)，晶閘管仍會(huì)保持導(dǎo)通狀態(tài)不變，除非撤銷兩極電壓，或外加反向電壓，光控晶閘管才能由導(dǎo)通轉(zhuǎn)變?yōu)榻刂?，這與普通晶閘管的關(guān)斷特性相同。21光控雙向晶閘管與普通雙向晶閘管的觸發(fā)特點(diǎn)有所不同。普通雙向晶閘管加正、反向觸發(fā)電壓都能導(dǎo)通。光控雙向晶閘管在有光照時(shí)導(dǎo)通，而無光照時(shí)截止。光控雙向晶閘管的關(guān)斷特性與普通雙向晶閘管相同，都是在撤銷主電壓或?qū)⒅麟妷悍聪驎r(shí)，才能使雙向晶閘管由導(dǎo)通變?yōu)榻刂埂?/p>

2．光控晶閘管的特性曲線光控晶閘管伏安特性和普通晶閘管相似，只是用光信號(hào)代替電信號(hào)。普通晶閘管的轉(zhuǎn)折電壓隨觸發(fā)電流增加而降低，而光控晶閘管的轉(zhuǎn)折電壓隨光照強(qiáng)度增加而降低。它們的特性曲線相似，這里僅作如上說明。22

8.5.3光控晶閘管的應(yīng)用及注意事項(xiàng)

1．光控晶閘管的應(yīng)用圖8.5.2是應(yīng)用雙向光控晶閘管控制電扇的電路，當(dāng)有光照射雙向光控晶閘管時(shí)，雙向光控晶閘管導(dǎo)通電流，電扇工作；無光照射時(shí)，雙向光控晶閘管關(guān)斷，電扇停止轉(zhuǎn)動(dòng)。圖8.5.2

2．光控晶閘管應(yīng)用注意事項(xiàng)光控晶閘管的選用原則與普通晶閘管相同，但應(yīng)注意以下問題。不同的光具有不同波長(zhǎng)，光控晶閘管接受不同波長(zhǎng)光時(shí)，響應(yīng)速度也不一樣，對(duì)波長(zhǎng)范圍為80~98nm的紅外線最敏感。砷化鎵發(fā)光二極管發(fā)出的光，光波為94~95nm時(shí)功率最大，所以它是控制光控晶閘管較為理想的光源。當(dāng)然也可用白熾燈光來做光控晶閘管的控制光源。23

光控晶閘管有三極型和兩極型。三極型光控晶閘管可作為普通晶閘管來應(yīng)用，更多的則是作為光控晶閘管來應(yīng)用。作普通晶閘管應(yīng)用時(shí)，可按普通晶閘管應(yīng)用方法將控制極利用起來，但必須避免光照影響；作光控晶閘管應(yīng)用時(shí)，由于采用光信號(hào)控制，必須用一個(gè)2~100kΩ的電阻將控制極與陰極連接起來，絕對(duì)不可懸空，還可在電阻上并聯(lián)一個(gè)0.001~0.01μF的電容，以防止電磁雜波信號(hào)由控制極引入，使光控晶閘管誤觸發(fā)導(dǎo)通。接上電阻后，還可減輕由于溫度變化對(duì)控制靈敏度的影響，如圖8.5.3。圖8.5.324任務(wù)8-6光電耦合器任務(wù)描述本任務(wù)主要學(xué)習(xí)光電耦合器的結(jié)構(gòu)和符號(hào)，光電耦合器的主要參數(shù)，光電耦合器好壞的判別，光電耦合器的應(yīng)用等內(nèi)容。8.6.1光電耦合器的結(jié)構(gòu)和符號(hào)

光電耦合器是將發(fā)光管和光電管做在一起的組合器件，能進(jìn)行電-光-電轉(zhuǎn)換，既有分立元件特點(diǎn)，也有組合集成特點(diǎn)，常稱為光耦合器或光耦。圖8.6.1是光電耦合器的組成結(jié)構(gòu)示意圖，內(nèi)部由發(fā)光管和光電管構(gòu)成，常將這種組成結(jié)構(gòu)分為發(fā)光和受光兩個(gè)部分。發(fā)光部分是發(fā)光管，受光部分是光電管。光電耦合器工作時(shí)，信號(hào)是從發(fā)光管輸入，從光電管輸出。所以發(fā)光部分稱為輸入端，受光部分稱為輸出端。發(fā)光部分多為發(fā)光二極管或紅外發(fā)射二極管。其作用是將一定頻率的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為一定波長(zhǎng)的光信號(hào)。受光部分多為兩極型或三極型光電三極管，作用是接受一定波長(zhǎng)的光信號(hào)，然后轉(zhuǎn)換為一定頻率的電信號(hào)。25圖8.6.1

根據(jù)光電耦合器的功能作用不同，受光部分除采用光電三極管外，也可采用光電二極管、達(dá)林頓光電三極管或光控晶閘管光電耦合器。受光部分采用光電二極管，就稱為二極管型光電耦合器。依此類推，也就有三極管型、達(dá)林頓型、晶閘管型等許多種類，如圖8.6.1所示，光電耦合器圖形符號(hào)一般用其結(jié)構(gòu)示意圖來表示。26

集成光電耦合器的封裝形式一般有管型、雙列直插式等種，如圖8.6.2所示。圖8.6.227

8.6.2光電耦合器的主要參數(shù)和好壞判別

1．光電耦合器的主要參數(shù)（1）輸入端工作電壓是指加在光電耦合器輸入端二極管上的正向電壓。（2）輸入端最大正向電流是指輸入端加正向電壓時(shí)，發(fā)光二極管導(dǎo)通電流的最大值。（3）輸出端漏電流也叫反向截止電流。這是指輸出端光電三極管在無光照的條件下，c-e極加一定工作電壓時(shí)流過的微小電流。（4）輸出端反向擊穿電壓

2．光電耦合器好壞的判別

（1）發(fā)光管好壞的判別將萬用表調(diào)到R×1k檔（不能用R×10k檔），用紅表筆接發(fā)光管負(fù)極，黑表筆接正極，正常時(shí)正向電阻應(yīng)為幾千歐到幾十千歐。再將紅黑表筆調(diào)換測(cè)反向電阻，一般應(yīng)為無窮大。如果正反向電阻值都符合正常范圍，說明發(fā)光管是好的。如果正反向電阻值遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離正常范圍，則發(fā)光管是壞的。28

（2）光電管好壞的判別

靜態(tài)時(shí)，發(fā)光管不發(fā)光，光電管不接受光。將萬用表調(diào)到R×1k檔，測(cè)量c-e極間正反向電阻都應(yīng)為無窮大，否則說明光電管已損壞。

動(dòng)態(tài)時(shí)，發(fā)光管發(fā)光，光電管接受光，如圖8.6.3所示。光電管接受光照后，用R×1檔或R×10檔測(cè)光電管的正向電阻（黑筆接集電極，紅筆接發(fā)射極），正常阻值應(yīng)為1