项目1常见光电器件的应用Word文档格式.docx

项目1常见光电器件的应用Word文档格式.docx

《项目1常见光电器件的应用Word文档格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《项目1常见光电器件的应用Word文档格式.docx（13页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

5偏置电压低，无极性之分，使用方便。

缺点：

1强光照射下的线性较差；

2弛豫过程较长，响应速度慢；

3频率响应较差。

3、光敏电阻器的分类按半导体材料分：

本征型光敏电阻、掺杂型光敏电阻。

后者性能稳定，特性较好，故目前大都采用它。

根据光敏电阻的光谱特性，可分为三种光敏电阻器：

紫外光敏电阻器：

对紫外线较灵敏，包括硫化镉、硒化镉光敏电阻器等，用于探测紫外线。

红外光敏电阻器：

主要有硫化铅、碲化铅、硒化铅、锑化铟等光敏电阻器，广泛用于导弹制导、天文探测、非接触测量、人体病变探测、红外光谱，红外通信等国防、科学研究和工农业生产中。

可见光光敏电阻器：

包括硒、硫化镉、硒化镉、碲化镉、砷化镓、硅、锗、硫化锌光敏电阻器等。

主要用于各种光电控制系统，如光电自动开关门户，航标灯、路灯和其他照明系统的自动亮灭，自动给水和自动停水装置，机械上的自动保护装置和“位置检测器”，极薄零件的厚度检测器，照相机自动曝光装置，光电计数器，烟雾报警器，光电跟踪系统等方面。

4、光敏电阻器的应用

光敏电阻属半导体光敏器件，除具灵敏度高，反应速度快，光谱特性及r值一致性好等特点外，在高温，多湿的恶劣环境下，还能保持高度的稳定性和可靠性，可广泛应用于照相机，太阳能庭院灯，草坪灯，验钞机，石英钟，音乐杯，礼品盒，迷你小夜灯，光声控开关，路灯自动开关以及各种光控玩具，光控灯饰，灯具等光自动开关控制领域。

实训任务：

根据光敏电阻器的特性设计一个光控开关电路，要求通过光敏电阻器控制电路在一些楼道、路灯等公共场所实现天黑时会自动开灯，天亮时自动熄灭。

参考电路如图4所示，电路中VS1是晶闸管，Rl是光敏电阻器。

图4光控开关电路

其控制原理：

当光线亮时，光敏电阻器Rl阻值小，220V交流电压经VD1整流后的单向脉冲性直流电压在RP1和Rl分压后的电压小，加到晶闸管VS1控制极的电压小，这时晶闸管VS1不能导通，所以灯HL回路无电流，灯不亮。

当光线暗时，光敏电阻器Rl阻值大，RPI和Rl分压后的电压大，加到晶闸管VS1控制极的电压大，这时晶闸管VS1进入导通状态，所以灯HL回路有电流流过，灯点亮。

2）设计要求是：

“智能家具照明灯”在天暗时自动点亮，天亮时自动熄灭，那么光敏电阻

1）导线

选填“A”或“B”）．连接家庭电路中的火线

阻值大小应随光照强度的增加而

（3）保持光照强度不变，闭合开关S后，滑片P由a端向b端移动过程中，电流表示数I

与电压表示数U的关系如图5（b）所示，计算滑动变阻器的最大阻值是多少欧？

（电源电压U0不变）参考答案解：

（1）A

（2）减小

（3）当滑片位于b端时，电路为热敏电阻的简单电路，电压表测电源的电压，由图可知电源的电压U=12V

当滑片位于a端时滑动变阻器与光敏电阻串联，电压表测光敏电阻两端的电压，电流表测电路中的电流，由表可知，

I=0.1A，U光敏=2V

则电路中的总电阻R总=UI=120.1=120Ω

光敏电阻的阻值R光敏=U光敏I=20.1=20Ω滑动变阻器的最大阻值Rab=R总﹣R光敏=120Ω﹣20Ω=100Ω

任务二光电耦合器及其应用

1.光电耦合器的基本知识光电耦合器是将LED和光敏三极管紧密的组装在一起，密封在一个对外隔光的封装之内，以便于LED的光线能够落到光敏三极管的表面上，如图4-1所示，尽管两个器件在物理上是分离的，但是LED的导通电流能够控制V1的导通电流。

原因在于输入（LED）与输出（光敏三极管V1）之间是通过光耦合的，

故这样的封装器件称为光电耦合器。

图2-1PC817型光电耦合器在电气测量、控制电路中，光电耦合器可实现输入输出的隔离，有效地提高控制系统的抗干扰能力；

实现测试电路与被测试电路之间的隔离能有效的保护测试设备。

光电耦合器已广泛的应用于电气绝缘、电平转换、级间耦合、驱动电路、开关电路、多谐振荡器、信号隔离等具体电路中。

光电耦合器的另一个重要特性是用IF控制I，信号的传递是单向的。

图2-2基本的光电耦合器内部结构

2.

4-3

光电耦合器的分类根据光电耦合器输入输出关系可分为：

非线性光电耦合器和线性光电耦合器非线性光电耦合器的电流传输特性曲线是非线性的，这类光电耦合器适合于开关信号的传输，不适合于传输模拟量。

常用的4N系类光电耦合器属于非线性光电耦合器，如图

所示，其内部结构如图4-4所示；

线性光电耦合器的电流传输特性曲线接近直线，并且小信号时性能较好，能以线性特性进行隔离控制。

常用的线性光电耦合器是PC817系列。

根据光电耦合器输出形式可分为：

（1）光敏器件输出型：

光敏二极管输出型，光敏三极管输出型，光电池输出型，光可控硅输出型等。

（2）NPN三极管输出型：

交流输入型，直流输入型，互补输出型等。

（3）达林顿三极管输出型：

交流输入型，直流输入型。

（4）逻辑门电路输出型：

门电路输出型，施密特触发输出型，三态门电路输出型等。

（5）功率输出型：

IGBT/MOSFET等输出。

3.光电耦合器的扩展探究

（1）光耦的输出探究：

普通光耦输出电流不超过10mA，一般不能直接驱动负载电路，可以用三极管放大电流，也可采用输出侧是达林顿型的光耦。

（2）光耦合器的应用探究：

a.在逻辑电路上的应用

光电耦合器可以构成各种逻辑电路，由于光电耦合器的抗干扰性能和隔离性能比晶体管好，因此，由它构成的逻辑电路更可靠。

b.作为固体开关应用

在开关电路中，往往要求控制电路和开关之间要有很好的电隔离，对于一般的电子开关来说是很难做到的，但用光电耦合器却很容易实现。

c.在触发电路上的应用将光电耦合器用于双稳态输出电路，由于可以把发光二极管分别串入两管发射极回路，可有效地解决输出与负载隔离地问题。

d.在脉冲放大电路中的应用光电耦合器应用于数字电路，可以将脉冲信号进行放大。

e.在线性电路上的应用线性光电耦合器应用于线性电路中，具有较高地线性度以及优良地电隔离性能。

f.特殊场合的应用光电耦合器还可应用于高压控制，取代变压器，代替触点继电器以及用于A/D电路等多种场合。

根据光电耦合器的特性设计一个基于4N25型光耦的过压保护电路，

要求带负载工作，过压保护的灵敏度可调。

实训电路如图4-5所示

实训图2-5过压保护电路工作原理：

利用2N45型光电耦合器的通断与否进行控制。

电压正常时，光电耦合器无输出，VT反偏截止。

当初级线圈电压升高时，次级取样电压也随之升高，光电耦合器满足工作条件。

光耦输出电流增大，使VT偏置电压升高并饱和导通，继电器动作吸合，切断电源进而达到保护电气的目的。

若故障消除，电压随之正常，本装置将立即退出工作，恢复电路供电。

注意：

继电器触点选择5A以上，线圈工作电压自定（6V至12V均可），变压器初级线圈电压的最大值应按380V计算，确保过压时电路不损坏，次级线圈电压的选择应根据继电器线圈工作电压。

制作与调试：

按实训图4-5接线，接上负载（灯泡或风扇均可），同时用万用表监测输出电压，调整下偏置电阻，改变其灵敏度，观察电路的动作情况，并做好记录。

使用数字万用表和指针式万用表对PC817型光电耦合器进行检测，分析并记录检测结

果。

其检测电路如图4-6所示，

图2-6PC817型光电耦合器检测电路

检测方法如下：

1.将数字万用表置于NPN档，然后将PC817的1脚（LED的+端）和2脚（LED的-端）分别插入hFE的c、e孔内。

2.将指针万用表置于电阻R*1KΩ档，并将光电耦合器的4脚（光敏三极管的集电极）与指

针式万用表的黑表笔相连，3脚（光敏三极管的发射极）与红表笔相连。

3.通过指针的偏转角度（即光电流的变化），来判断光电耦合器的好坏，测试结果分析：

若指针向右偏转角度大，说明光电耦合器的光电转换率越高，即光电转换灵敏度高，性能良好。

反之，则光电转换灵敏度不强，性能较差。

若指针不摆动，说明光电耦合器已损坏。

习题

1、光电耦合器有什么作用？

2、光电耦合器有何优点？

3、举例说明光电耦合器在生活中的应用？

参考答案

1、光电耦合器可实现输入输出的隔离，有效地提高控制系统的抗干扰能力；

实现测试电路与被测试电路之间的隔离能有效的保护测试设备。

2、信号单向传输，输入端与输出端完全实现了电气隔离，输出信号对输入端无影响，抗干

扰能力强，工作稳定，无触点，使用寿命长，传输效率高。

3、照明灯的自动控制，手机充电器，调制解调器，传真机，微波炉等

任务三红光半导体激光二极管及其应用

激光二极管（LasteDiode）用LD表示，红光半导体激光二极管用RLD表示，之所以称之为红光，是因它的工作波长为670nm，正处于太阳光谱的红光波段之内。

实物图如图5-1所示。

其内部封装如图5-2所示。

射出激光的LD芯片的阴极与管脚1，阳极与管壳即脚2相连，不难发现，与LD一起还有一个接收其激光的光敏二极管（PhotoDiode）PD。

两个阴、阳电极分别由管脚2和3引出。

其电学符号如图5-3所示。

图5-2RLD内部封装图5-3LD的电学符号

1.半导体激光二极管工作原理：

半导体中的光发射通常起因于载流子的复合。

当半导体的PN结加有正向电压时，会削弱PN结势垒，迫使电子从N区经PN结注入P区，空穴从P区经过PN结注入N区，这些注入PN结附近的非平衡电子和空穴将会发生复合，从而发射出波长为λ的光子，其公式如下：

λ=hc/Eg式中：

h—普朗克常数；

c—光速；

Eg—半导体的禁带宽度。

上述由于电子与空穴的自发复合而发光的现象称为自发辐射。

当自发辐射所产生的光子通过半导体时，一旦经过已发射的电子—空穴对附近，就能激励二者复合，产生新光子，这种光子诱使已激发的载流子复合而发出新光子现象称为受激辐射。

如果注入电流足够大，则会形成和热平衡状态相反的载流子分布，即粒子数反转。

当有源层内的载流子在大量反转情况下，少量自发辐射产生的光子由于谐振腔两端面往复反射而产生感应辐射，造成选频谐振正反馈，或者说对某一频率具有增益。

当增益大于吸收损耗时，就可从PN结发出具有良好谱线的相干光——激光，这就是激光二极管的简单原理。

2.半导体激光二极管的分类

激光二极管本质上是一个半导体二极管，按照窗口结构不同可分为球透、平面、非球激光二极管；

按照出光波段不同分为可见光激光二极管和不可见光激光二极管；

按照PN结材

料不同，可将激光二极管分为同质结、单异质结（SH）、双异质结（DH）和量子阱（QW）

激光二极管。

量子阱激光二极管具有阈值电流低，输出功率高的优点。

3.

2mW），线性差、单

半导体激光二极管的特点具有效率高、体积小、寿命长的优点，但其输出功率小（一般小于色性不太好。

4.半导体激光二极管的主要参数

（1）波长：

即激光二极管工作波长，目前可作光电开关用的激光二极管波长有635nm、

650nm、670nm、690nm、780nm、810nm、860nm、980nm等。

（2）阈值电流Ith：

即激光管开始产生激光振荡的电流，对一般小功率激光管而言，其值约在数十毫安，具有应变多量子阱结构的激光管阈值电流可低至10mA以下。

（3）工作电流Iop：

即激光管达到额定输出功率时的驱动电流，此值对于设计调试激光驱动电路较重要。

（4）垂直发散角θ⊥：

激光二极管的发光带在垂直PN结方向张开的角度，一般在15°

~40°

左右。

（5）水平发散角θ∥：

激光二极管的发光带在与PN结平行方向所张开的角度，一般在6°

~10°

（6）监控电流Im：

即激光管在额定输出功率时，在PD管上流过的电流。

5.激光二极管的用途激光的发射原理及产生过程的特殊性决定了激光具有普通光所不具有的特点，即三好

（单色性好、相干性好、方向性好）一高（亮度高）。

利用激光的定向性好和高亮度，可广泛应用于医疗保健、军事、鉴伪、安防、舞台（红、绿、蓝）灯光、各种电动工具、测量类、仪器、设备、水平尺、定位仪、测距仪、测温仪、激光标线仪（投线仪）、电子工量具、投影教学翻页笔、激光笔等。

6.注意事项

（1）激光二极管发射的激光，有可能对人眼造成伤害。

激光管工作时，严禁直接注视其端面。

（2）激光管需要合适的驱动电源，瞬时反向电流不能超过25μA，反向电压不能超过2V，

否则会损坏激光管。

（3）激光管应当存放或工作于干燥环境，以防止结露，结露会损坏激光管。

（4）在较高温度下工作，会增大阈值电流，降低转换效率，加速激光管的老化。

（5）输出功率高于指定参数工作，会加速激光管老化。

（6）激光管需要充分散热或在制冷条件下使用。

（7）激光二极管属于静电敏感器件，应做好防静电措施，在人体有良好接地的情况下方可拿取，否则激光管很容易被静电击穿，造成激光管失效。

防静电可配带防静电手腕带。

（8）接通电源前先插好激光管，电源初始输出电压应为零，电流调节时应缓慢增加或减少，防止电流冲击损坏激光管。

（9）测试激光管时，插入或拔起激光管必须在断电后进行。

切勿带电插/拔激光管，否则激

5-4所示。

光管将会损坏、失效。

根据红光半导体激光二极管的特性，设计一个激光笔。

其原理图如图

图5-4激光笔电路原理图

注：

选用φ6小铜头红光激光二极管，其主要参数为出光功率5mW，工作电流小于40mA，

发射功率135mW。

1．检测激光二极管

从图5-3中可知，激光二极管由两部分构成，一部分是激光发射部分LD，另一部分为

激光接收部分PD。

LD和PD两部分又有公共端，公共端一般同管子的金属外壳相连，所以激光二极管实际上只有三个引脚1、2、3。

检测和判断激光二极管可按如下三个步骤进行：

1）．区分LD和PD。

用万表的R*1K档分别测出激光二极管三个引脚两两之间的阻值，总有一次两脚间的阻值大约在几千欧姆左右，这时黑表笔所接的一端是PD阳极端，红表笔所接的引脚为公共端，剩下的一个引脚为LD阴极端，这样就区分出了PD部分和LD部分。

2）．检测PD部分。

激光二极管的PD部分实质上是一个光敏二极管，用万用表检测方法如下：

用R*1K档测其阻值，若正向电阻为几千欧姆，反向电阻为无穷大，初步表明PD部分是好的；

若正向电阻为0或为无穷大，则表明PD部分已坏。

若反向电阻不是无穷大，而有几百千欧或上千千欧的电阻，说明PD部分已反向漏电，管子质量变差。

3）．检测LD部分。

用万用表的R*1K档测LD部分的正向阻值，即黑表笔接公共端2

脚，红表笔接1脚，正向阻值应在10KΩ～30KΩ之间，反向阻值应为无穷大。

若测得的正向阻值大于55KΩ，反向阻值在100KΩ以下，表明LD部分已严重老化，使用效果会变差。

2．按图5-4装接电路3．实训电路调试

根据激光二极管特性，自行设计一个可调激光电筒，实训参考电路如图5-5所示

图5-5激光电筒实训参考电路

1.检测各元器件的好坏，并做好记录。

2.按照图5-5对激光电筒电路进行装接，装接时应注意装接工艺，并做好防静电处理，避免激光二极管损坏。

3.调试电路。

1、举例说明激光二极管在哪些设备中得到了应用？

2、如何用万表区分激光二极管的ＬＤ和ＰＤ？

3、谈谈你在本次实训中学到了什么？

在哪个方面得到了提高？

参考答案

1、计算机上的光盘驱动器，激光打印机中的打印头，条形码扫描仪，舞台灯光等

2、用万表的R*1K档分别测出激光二极管三个引脚两两之间的阻值，总有一次两脚间的阻值

大约在几千欧姆左右，这时黑表笔所接的一端是PD阳极端，红表笔所接的引脚为公共端，

剩下的一个引脚为LD阴极端，这样就区分出了PD部分和LD部分。