电子元器件及其应用课件：光电器件

光电器件6.1光电元件6.2光电耦合器6.3

LED数码管

6.1光电元件

1.发光二极管发光二极管(LightEmittingDiode，LED)是一种能将电能转换为光能的半导体器件，由磷化镓、砷化镓、磷砷化镓、砷磷化镓等半导体材料制成。发光二极管在电路中用文字符号VD表示，其图形符号如图6-1所示。图6-1发光二极管的图形符号

1)发光二极管的分类

发光二极管的种类很多，分类方法各有不同。

(1)按材料分。

按材料的不同，LED可分为砷化镓LED、磷砷化镓LED、磷化镓LED、砷磷化镓LED等。

(2)按发光二极管的发光颜色分。

按发光二极管的发光颜色可分为红色、绿色、黄色、橙色等可见光发光二极管以及不可见的红外发光二极管。

(3)按发光效果分。

按发光效果可分为固定颜色LED和变色LED两类，其中变色LED包括双色和三色等。

(4)按发光二极管的封装外形分。

按发光二极管的封装外形可分为圆柱形、矩形、方形、三角形、组合形发光二极管。其中圆形发光二极管的外径有ϕ2～ϕ20 mm等多种规格，常用的有ϕ3 mm、ϕ5 mm等。

(5)按封装形式分。

按封装形式可分为有色透明封装(C)、无色透明封装(T)、有色散射封装(D)和无色散射封装(W)。

(6)按封装材料分。

按封装材料的不同可分为塑料封装、陶瓷封装、金属封装、树脂封装和无引线封装。

常见发光二极管的外形如图6-2所示。

图6-2常见LED的外形

2)发光二极管的主要参数

发光二极管的主要参数有最大工作电流IFM和最高反向电压URM。

(1)最大工作电流IFM。

IFM是指发光二极管长期正常工作所允许通过的最大正向电流。使用中不能超过此值，否则将会烧毁发光二极管。

(2)最高反向电压URM。

URM是指发光二极管在不被击穿的前提下所能承受的最大反向电压。使用中不应使发光二极管承受超过此参数值的电压，否则发光二极管将可能被击穿。

发光二极管的参数还有光参数，如半峰宽度、峰值波长、发光强度等，其中发光强度表示发光二极管的发光亮度，由峰值波长可知发光二极管的发光颜色，如峰值波长为70 nm时，发光二极管就发出红色光。

3)发光二极管的检测

用万用表检测发光二极管时，必须使用R×10k挡。因为发光二极管的管压降为2 V左右，而在使用万用表R×1k及其以下各电阻挡时，由于表内电池仅为1.5 V，低于管压降，无论是正向还是反向接入，发光二极管都不可能导通，也就无法检测。用R×10k挡时表内接有15 V(有些万用表为9 V)电池，高于管压降，所以可以用来检测发光二极管。

(1)发光二极管正、负极的判别。

通常，发光二极管两管脚中，较长的是正极，较短的是负极。对于透明或半透明塑料封装的发光二极管，可以用肉眼观察到它的内部电极的形状，内电极较小的为正极，内电极较大的为负极，如图6-3所示。

图6-3发光二极管的引脚识别

(2)用万用表检测发光二极管的性能。

检测时，将万用表的黑表笔(表内电池正极)接LED正极，红表笔(表内电池负极)接LED负极，这时发光二极管为正向驱动，表针应偏转过半，同时LED中有一个发光亮点。

4)发光二极管的正确选用

普通发光二极管的工作电压一般都为2～2.5 V，电路只要满足工作电压的要求，不论是直流还是交流都可以。可根据要求选择发光二极管的发光颜色；可根据安装位置，选择发光二极管的形状和尺寸。

使用发光二极管时应注意不要超过其最大功耗、最大正向电流和反向击穿电压等，还应注意以下几个问题：

(1)若用电压源驱动，则应在电路中串接限流电阻，以限制流过管子的正向电流，防止LED因电流过大而损坏。

(2)使用交流驱动时，为防止LED被反向击穿，可在其两端并联反极性整流二极管保护。

(3)在焊接发光二极管时，烙铁的温度不应过高或焊接时间不宜过长，以免损坏发光二极管。

2.光电二极管

光电二极管又叫光敏二极管，是一种能够将光能转换成电能的半导体器件，其外形和图形符号如图6-4所示。

图6-4光电二极管的外形与图形符号

1)光电二极管的工作原理

光电二极管的作用是进行光电转换，其通常工作在反向电压状态，如图6-5所示。

图6-5光电二极管工作原理

2)光电二极管的参数

光电二极管的参数较多，在使用时一般只需关注最高工作电压、光电流、光电灵敏度等主要参数即可。

(1)最高工作电压URM。

最高工作电压URM是指在无光照、反向电流不超过规定值的前提下，光电二极管所允许加的最高反向电压。使用中，不能超过此参数值。

(2)光电流IL。

光电流IL是指在受到一定光照时，工作在反向电压下的光电二极管中所流过的电流，约为几十微安。一般情况下，选用光电流较大的光电二极管效果较好。

(3)光电灵敏度Sn。

光电灵敏度Sn是指在光照下，光电二极管的光电流IL与入射光功率之比，单位为μA/μW。光电灵敏度Sn越高越好。

3)光电二极管的检测

(1)光电二极管的正、负极判别。

光电二极管两管脚有正、负极之分。通常，靠近管键或色标的是正极，另一脚是负极；较长的是正极，较短的是负极，如图6-6所示。

图6-6光电二极管的正、负极判别

(2)用万用表检测光电二极管的好坏。

将万用表置R×1k挡，黑表笔(表内电池正极)接光电二极管正极，红表笔接负极，测其正向电阻，应为10～20 kΩ；对调两表笔，即红表笔接光电二极管正极，黑表笔接负极，然后用一遮光物(例如黑纸片等)将光电二极管的透明窗口遮住，这时测得的是无光照情况下的反向电阻，应为无穷大；移去遮光物，使光电二极管的透明窗口朝向光源(自然光、白炽灯或手电筒等)，这时表针应向右偏转至几kΩ处，这说明被测管是好的。

4)光电二极管的正确选用

光电二极管的种类很多，而且参数相差较大，选用时要根据电路的要求，首先确定选用什么类别的，再确定选用什么型号的，最后再从同型号中选用参数满足电路要求的光电二极管。

3.光电三极管

光电三极管的作用也是实现光电转换。但是，光电二极管光电转换的灵敏度低，而光电三极管实质是在光电二极管的基础上加了一级放大，使其光电转换的灵敏度大大提高。

1)光电三极管的外形

光电三极管为NPN结构，基极即为光窗口。大多数光电三极管只有发射极E和集电极C两个管脚。也有部分光电二极管基极B有引出管脚，作为温度补偿，不用时可将其减去。光电三极管的外形和图形符号如图6-7所示。

图6-7光电三极管的外形与图形符号

2)光电三极管的工作原理

光电三极管可以等效为光电二极管和一般三极管的组合元件，如图6-8所示。

图6-8光电三极管的等效电路

3)光电三极管的检测

(1)从外观上检查判别光电三极管的引脚。

靠近管键或色标的是发射极E，离管键或色标较远的是集电极C，较长的管脚是发射极E，较短的管脚是集电极C。如图6-9所示。

图6-9光电三极管的引脚识别

(2)用万用表检测光电三极管的好坏。

将万用表置于R×1k挡，用黑表笔接光电二极管的集电极C，红表笔接光电三极管的发射极E。用遮光物遮住光电三极管的光窗口，由于没有光照，光电三极管中没有电流，其电阻值应接近无穷大；移去遮光物，将光电三极管的光窗口朝向光源，这时万用表的指针应向右偏转至几kΩ或1 kΩ左右，指针的偏转幅度表征了光电三极管的灵敏度。

6.2光 电 耦 合 器

1.光电耦合器的种类光耦合器外形有两种，其中国产的GD14型等，管脚为双向同轴的塑封结构；国产GH301和进口产品4N25型等为双列直插式结构，并有四脚和六脚两种，其符号与外形如图6-10所示。图6-10光点耦合器的符号与外形

光电耦合器的种类很多，在不同的场合可根据需要采用不同种类的光电耦合器。常见光电耦合器的类型和电路图形符号如图6-11所示。

图6-11光电耦合器的类型与电路图形符号

2.光电耦合器的主要参数

1)输入参数

输入参数是指输入端发光器件的主要参数，包括光强度以及最大工作电流等。

2)输出参数

输出参数是指输出端受光器件的主要参数，如用光电二极管或光电三极管时，则参数有光电流和暗电流、饱和压降、最高工作电压、响应时间以及光电灵敏度等。

3)传输参数

(1)极间耐压。

极间耐压指光电耦合器的输入端与输出端之间的绝缘耐压值。当发光器件与受光器件的距离较大时，其极间耐压值就高，反之就低。

(2)极间电容。

极间电容指光电耦合器的输入端与输出端之间的分布电容，一般为几皮法。

(3)隔离阻抗。

隔离阻抗指光电耦合器的输入端与输出端之间的绝缘电阻值，其值可达1012

Ω以上。

(4)电流传输比。

电流传输比是指当输出端工作电压为一个定值时，输出端电流与输入端发光二极管的正向工作电流之比。电流传输比可表征光电耦合器传输信号能力。

3.光电耦合器的检测

光电耦合器也可用万用表检测，输入部分和检测发光二极管相同，输出部分与受光器件类型有关，对于输出为光电二极管、三极管的，则可按光电二极管、光电三极管的检测方法测量。下面以通用型光电耦合器为例，介绍光电耦合器的检测方法。

1)静态检测

由于光电耦合器的发射管(输入端)和接收管(输出端)是相互隔离的，因此可以用万用表单独检测这两部分。

测量接收管的集电结和发射结电阻时，无论正测还是反测，其阻值都应为无穷大，否则表示接收管已损坏。

2)动态检测

给光电耦合器的输入端加一电压，使发光二极管发光，同时检测输出端光电三极管有无产生电流，以此来检测该光电耦合器的好坏。

保持这种连接，将与发光二极管连接的万用表置R×100挡，降低驱动电流，发光二极管发的光减弱，此时光电三极管产生的电流就小了，表示现在万用表指示电阻值变大了(大约由几十欧变为几千欧)。如果接收管输出两端之间的阻值变化不大，说明该光电耦合器已损坏而不能使用。

6.3LED 数 码 管

1. LED数码管的结构和工作原理

LED数码管有共阴极与共阳极两种结构，内部结构如图6-12所示。a～g代表7个笔段的驱动端，DP是小数点。第3脚与第8脚内部连通，为公共端。图6-12

LED数码管的结构

2. LED数码管的检测

1)判别LED数码管是共阴极还是共阳极

将万用表置R×10k挡，用黑表笔接LED数码管的1脚，红表笔接LED数码管的3脚或8脚，如果LED数码管g段发出光来，说明LED数码管是共阴极的。

如果此时g段不发出光来，交换表笔，即黑表笔接LED数码管的3脚或8脚，红表笔接LED数码管的1脚，