第5章光電子器件與其應(yīng)用

第5章光電子器件與其應(yīng)用第一頁，共79頁。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。第二頁，共79頁。1、電光器件是通過電場(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1～2個(gè)數(shù)量級(jí)。

5.1電－光器件及其應(yīng)用第三頁，共79頁。5.1.1發(fā)光二極管

發(fā)光二極管(LightEmittingDiode縮寫為L(zhǎng)ED)是最常見的電-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ф3mm、ф5mm最為常見。

第四頁，共79頁。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)開啟電壓時(shí)，正向電流IF幾乎為零，但電壓一旦超過開啟電壓時(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)、伏安特性曲線第五頁，共79頁。發(fā)光二極管圖片第六頁，共79頁。

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、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)正向電壓

發(fā)光二極管的開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)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以下第七頁，共79頁。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、直流驅(qū)動(dòng)

(1)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1~2V，IF為正向工作電流，UF與IF可從產(chǎn)品手冊(cè)中查得。

第八頁，共79頁。圖5.1.2發(fā)光二極管常見的驅(qū)動(dòng)電路第九頁，共79頁。（2）晶體管驅(qū)動(dòng)如圖5.1.2b所示，流過發(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(dòng)三極管的導(dǎo)通、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

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。

第十頁，共79頁。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)的接法可提高電源的利用率。限流電阻R的取值。

2、交流驅(qū)動(dòng)第十一頁，共79頁。圖5.1.3LED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

第十二頁，共79頁。限流電阻R可由下式估算

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。

第十三頁，共79頁。5.1.2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

1.LED電源指示電路

圖5.1.4給出了LED作電源通斷狀態(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。第十四頁，共79頁。圖5.1.4LED電源指示電路

第十五頁，共79頁。

2.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)電平指示電路第十六頁，共79頁。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(dòng)引起內(nèi)引線斷開，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4s，最好用鑷子夾住管腳進(jìn)行散熱。

第十七頁，共79頁。⑵要合理選擇LED的驅(qū)動(dòng)電流，不能超過規(guī)定限值，以免PN結(jié)結(jié)溫過高，縮短管子壽命。⑶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。⑷嚴(yán)禁用有機(jī)溶液浸泡或清洗。⑸管子極性不能接反，一般引線較長(zhǎng)的為正極，引線較短的為負(fù)極。

第十八頁，共79頁。5.1.3LED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5.1.6LED數(shù)碼管第十九頁，共79頁。LED數(shù)碼管圖片第二十頁，共79頁。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。a～g代表7個(gè)筆段的驅(qū)動(dòng)端，DP是小數(shù)點(diǎn)。公共陽極的數(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．LED數(shù)碼管按內(nèi)部電極接法分類2．按顏色分類LED數(shù)碼管的顏色有紅、橙、黃、綠、藍(lán)等多種。

第二十一頁，共79頁。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7.1.6b所示。3．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．按亮度分類5．?dāng)?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(hào)和A～Z26個(gè)英文字母的顯示器。

第二十二頁，共79頁。5.1.4LED點(diǎn)陣顯示器及其應(yīng)用由LED排列組成矩陣(點(diǎn)陣)用來顯示字符、圖形等，稱為L(zhǎng)ED點(diǎn)陣顯示器件。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，組成由幾萬只管子構(gòu)成的大屏幕顯示器?，F(xiàn)以一個(gè)5×7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5.1.75×7發(fā)光二極管點(diǎn)陣顯示第二十三頁，共79頁。LED點(diǎn)陣圖片第二十四頁，共79頁。在這個(gè)5×7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。第二十五頁，共79頁。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)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，這樣人眼感覺光是永遠(yuǎn)亮著的。第二十六頁，共79頁。圖5.1.85×7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（在制造過程中已裝配好）。5×7發(fā)光二極管點(diǎn)陣顯示器顯示符號(hào)如圖5.1.8所示。

第二十七頁，共79頁。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、太陽電池等。

5.2光－電器件及其應(yīng)用

第二十八頁，共79頁。一、光電二極管工作原理及主要參數(shù)5.2.1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、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(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)，便有光電流流過外接電路，即使沒有外加偏壓，PN結(jié)也會(huì)產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)，這種光電效應(yīng)（Photogalvaniceffect）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。

第二十九頁，共79頁。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)型光電二極管及其伏安特性第三十頁，共79頁。光電二極管圖片第三十一頁，共79頁。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（<0.3μA）稱為暗電流(Darkcurrent)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(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

第三十二頁，共79頁。在圖5.2.1（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(shí)電路中無電流流過，當(dāng)有光照時(shí)產(chǎn)生光電流（又稱亮電流Photocurrent），該光電流在外電路的負(fù)載RL上產(chǎn)生的光生電壓U反過來加于光電二極管上，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。

第三十三頁，共79頁。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0.1μA/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0.4~1.1μm之間。(3)峰值波長(zhǎng)(Peakwavelength)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1.465μm，硅管的峰值波長(zhǎng)為0.9μm。(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)第三十四頁，共79頁。二、光電二極管應(yīng)用（一）應(yīng)用示例1.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)用電路第三十五頁，共79頁。(1)圖a為無偏置電路，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。在無光照時(shí)，三極管V截止，繼電器KA繞組無電流通過，觸點(diǎn)處常開狀態(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)光電開光控制。第三十六頁，共79頁。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

圖5.2.3光電流－電壓轉(zhuǎn)換電路

第三十七頁，共79頁。根據(jù)虛地、虛斷概念有

IF=－IR

Uo=IFRF故

Uo=IRRL≈（－IS－IL）RF式中，IS為光電二極管的反向飽和電流，一般IL＞＞

IS，所以U≈－ILRF上式表明輸出電壓與光照輸入關(guān)系近乎線性。第三十八頁，共79頁。（二）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)境溫度不宜過高。（5）必須根據(jù)不同的用途選擇適當(dāng)?shù)墓苄?，如光控電路中，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(shí)用酒精棉擦拭干凈。第三十九頁，共79頁。5.2.2光電晶體管及其應(yīng)用一、光電晶體管光電晶體管又稱光敏三極管（Phototransistor），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β時(shí)，光電晶體管的光電流要比光電二極管的光電流大β倍?？傊?，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。

第四十頁，共79頁。5.2.2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

第四十一頁，共79頁。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)用圖5.2.5光敏三極管組成的光敏繼電器電路第四十二頁，共79頁。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用一只達(dá)林頓結(jié)構(gòu)的光敏管來代替，如3DU912系列。第四十三頁，共79頁。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。

第四十四頁，共79頁。5.2.3太陽能電池利用太陽能轉(zhuǎn)換為電能的半導(dǎo)體器件稱為太陽能電池，又稱為光電池（Photocell）。自1954年美國貝爾實(shí)驗(yàn)室研制成功第一塊有實(shí)用價(jià)值的太陽能電池后，太陽能光電池的研究開發(fā)和應(yīng)用受到世界各國的高度重視，其特點(diǎn)是清潔、無污染、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)用領(lǐng)域。我國已經(jīng)能生產(chǎn)硅太陽能光電池，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。

第四十五頁，共79頁。5.2.3太陽能電池一、太陽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)。第四十六頁，共79頁。5.2.3太陽能電池二、太陽能電池的特性太陽能電池的圖形符號(hào)和工作電路如圖5.2.6所示，其中負(fù)載電阻為R，在太陽能電池受到光照時(shí)，太陽能電池兩端的電壓是U，產(chǎn)生一定的電流I，太陽能電池內(nèi)PN結(jié)正偏。如改變負(fù)載電阻R，太陽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，即開路電壓；當(dāng)太陽能電池不受光照時(shí)，即為暗特性如圖5.2.7曲線2所示。影響太陽能電池的輸出伏安特性的原因很多，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。第四十七頁，共79頁。5.2.3太陽能電池圖5.2.7太陽能電池的圖形符號(hào)和工作電路

圖5.2.8太陽能電池的輸出伏安特性

第四十八頁，共79頁。5.3光電耦合器及其應(yīng)用

5.3.1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)拿浇椋瑥亩馆斎牒洼敵鰞啥藢?shí)現(xiàn)電氣上的絕緣和隔離，輸出端對(duì)輸入端無反饋?zhàn)饔?，信?hào)能從輸入單向傳輸?shù)捷敵?，具有抗擾能力強(qiáng)、響應(yīng)速度快、工作穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)。

第四十九頁，共79頁。一、光電耦合器分類及其工作原理(1)外形劃分：雙列直插型、光纖傳輸型、同軸型等；(2)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；第五十頁，共79頁。當(dāng)發(fā)光器發(fā)光二極管中有電流IF流過時(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(hào)可以經(jīng)過光媒質(zhì)傳輸?shù)捷敵龆?，?shí)現(xiàn)輸入和輸出電隔離?；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，輸出部分是硅光敏三極管，如圖5.3.1所示

第五十一頁，共79頁。光電耦合器圖片第五十二頁，共79頁。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。第五十三頁，共79頁。圖5.3.2幾種常用光電耦合器

第五十四頁，共79頁。

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)。

二、光電耦合器的主要參數(shù)(一)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)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明。第五十五頁，共79頁。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2.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500Ω）、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。第五十六頁，共79頁。（三）傳輸參數(shù)1.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CTR＝IL/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109~1013Ω。3.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。第五十七頁，共79頁。5.3.2光電耦合器的應(yīng)用一、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)的開關(guān)時(shí)間比發(fā)射極接地時(shí)的開關(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，常見的基本電路如圖5.3.3所示。為了提高開關(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。

第五十八頁，共79頁。圖5.3.3光電耦合器常見的基本電路第五十九頁，共79頁。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10mA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隔離。

二、TTL接口電路與接口電路圖5.3.4TTL接口電路

第六十頁，共79頁。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5.3.5CMOS接口電路

第六十一頁，共79頁。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=CTR×iF，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圖5.3.6光電耦合線性隔離放大電路的應(yīng)用

第六十二頁，共79頁。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，常見的有4N××系列、TLP×××系列、MOC××××系列等。

四、光電耦合器的選用第六十三頁，共79頁。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ΔCTR＝ΔIL/ΔIF很接近于直流電流傳輸比CTR值，可用于模擬信號(hào)的傳輸。

第六十四頁，共79頁。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

第六十五頁，共79頁。四、光電耦合器的選用線性光電耦合器典型產(chǎn)品有PC816A、PC817A、CNY17-3、SFH600-2、CNY75G、MOC8101等。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××系列光電耦合器如4N25、4N26、4N35，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。

第六十六頁，共79頁。5.3.3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。

第六十七頁，共79頁。5.3.3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起反饋?zhàn)饔茫鸱€(wěn)定環(huán)路的作用。流過VD1的電流應(yīng)當(dāng)?shù)扔谳斎腚娏骱推髦停谑瞧鞑粫?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VD1、VD2的電流相等。使用時(shí)，Rf接在③、⑦引腳之間(如圖5.3.8虛線所示)，VD2產(chǎn)生的電流全部流入Rf，因的偏流很小，約10nA，可忽略不計(jì)，所以輸出電壓uO≈i1Rf

第六十八頁，共79頁。5.3.3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：①輸入電流必須為負(fù)值；②輸入電流必須大于20nA；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

若輸入量為iI，則uO=iI

Rf

。第六十九頁，共79頁。5.3.3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)10.5μA，負(fù)Ii可達(dá)10μA。

圖5.3.9ISO100的基本實(shí)用電路

第七十頁，共79頁。5.4發(fā)光二極管應(yīng)用電路設(shè)計(jì)與制作