发光器件与光电耦合器件.ppt

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1、第6章 发光器件 与光电耦合器件,一切能产生光辐射的辐射源都称为光源。,光源,一、光电仪器中的常用光源,按照发光机理，光源可以分为如下几类：,热辐射光源,气体放电光源,固体发光光源,激光器,太阳白炽灯、卤钨灯黑体辐射器,汞灯、荧光灯、钠灯氙灯、金属卤化物灯氘灯、空心阴极灯,场致发光灯发光二极管,气体激光器、固体激光器染料激光器、半导体激光器,由物体温度高于绝对零度而产生的物体热辐射，称为热辐射光源。,由于物体在特定环境下受外界能量激发而产生辐射，为激发辐射，其光源被称为冷光源。,冷光源按激发方式分可分为光致发光、化学发光、摩擦发光、阴极射线致发光、电致发光等。,（1）辐射效率和发光效率,一、光

2、电仪器中的常用光源,1、光源的基本特性参数,在给定 波长范围内，某一光源发出的辐射通量与产生这些辐射通量所需要的电功率之比，称为该光源在规定光谱范围内的辐射效率。,（1）辐射效率和发光效率,一、光电仪器中的常用光源,1、光源的基本特性参数,某一光源所发射的光通量与产生这些光通量所需的电功率之比，就是该光源的发光效率。,单位为lm/W,（1）辐射效率和发光效率,一、光电仪器中的常用光源,1、光源的基本特性参数,（2）光谱功率分布,一、光电仪器中的常用光源,1、光源的基本特性参数,光源在不同光谱上辐射出不同的光谱功率，常用光谱功率分布来描述。若令其最大值为1，得到相应归一化的光谱功率分布，称为相对

3、光谱功率分布。,光源的光谱功率分布通常可分为四种情况：线状光谱、带状光谱、连续光谱、混合光谱。,（2）光谱功率分布,一、光电仪器中的常用光源,1、光源的基本特性参数,（3）空间光强分布,一、光电仪器中的常用光源,1、光源的基本特性参数,对于各向异性光源，其发光强度在空间各方向上是不相同的。若在空间某一截面上，自原点向各径向取矢量，矢量长度与该方向的发光强度成正比。将各矢量的端点连起来，就得到光源在该截面上的发光强度曲线，即配光曲线。,在光学仪器中，为了提高光的利用率，一般选择发光强度高的方向作为照明方向。,（3）空间光强分布,一、光电仪器中的常用光源,1、光源的基本特性参数,（4）光源的色温,

4、一、光电仪器中的常用光源,1、光源的基本特性参数,黑体的温度决定了它的光辐射特性。对于非黑体辐射，它的某些特性常用黑体辐射的特性来近似地表示。对于一般光源，常用用分布温度、色温和相关色温表示。,分布温度：辐射源在某一波段范围内辐射的相对光谱功率分布，与黑体在某一温度下辐射的相对光谱功率分布一致，那么该黑体的温度就称该辐射源的分布温度。,（4）光源的色温,一、光电仪器中的常用光源,1、光源的基本特性参数,色温：辐射源发射光的颜色与黑体在某一温度下辐射光的颜色相同，则黑体的这一温度称为该辐射源的色温。,相关色温：在均匀色度图中，如果光源的色坐标点与某一温度下的黑体辐射的色坐标点最接近，则该黑体的温

5、度称为该光源的相关色温。,（4）光源的色温,一、光电仪器中的常用光源,1、光源的基本特性参数,（4）光源的色温,一、光电仪器中的常用光源,1、光源的基本特性参数,（5）光源的颜色,一、光电仪器中的常用光源,1、光源的基本特性参数,光源的颜色包含了两方面的含义：色表和显色性。,用眼睛直接观察光源时所看到的颜色称为光源的色表。,当用这种光源照射物体时，物体呈现的颜色（也就是物体反射光在人眼内产生的颜色感觉）与该物体在完全辐射体照射下所呈现的颜色的一致性，称为该光源的显色性。,显色性较好的光源，适用于辩色要求较高的场合。,（5）光源的颜色,一、光电仪器中的常用光源,1、光源的基本特性参数,显色指数：

6、用来准确描述光源显色性的一种参数，用Ra表示。太阳光的显色性Ra=100(即任何物体在太阳光的照射下，该物体具有最真实的颜色或质感)。,显色性好（Ra70）,显色性差(Ra65),一、光电仪器中的常用光源,2、热辐射源,任何物体只要其温度大于绝对零度，就会向外界辐射能量，其辐射特性与温度有关。,物体靠加热保持一定温度，使其内能不变而持续辐射的形式称为热辐射。热辐射源遵循有关黑体辐射定律。,（1）太阳,一、光电仪器中的常用光源,2、热辐射源,（2）黑体模拟器,一、光电仪器中的常用光源,2、热辐射源,角度特性和光谱特性与理想黑体特性相似的辐射源，称为黑体模拟器。,目前的黑体模拟器最高工作温度为30

7、00K，而实际应用的大多是2000K以下。,（3）白炽灯,一、光电仪器中的常用光源,2、热辐射源,将灯丝通电加热到白炽状态，利用热辐射发出可见光的电光源。,结构：普通白炽灯泡的主要部件是玻壳和灯丝。,玻壳一般用透明玻璃制成。为避免灯丝眩光，对玻壳可进行内涂覆或磨砂处理，以形成光的漫反射。为加强某一方向的发光强度，还在玻壳上蒸涂铝反射层。一些特殊用途的灯泡采用彩色玻璃。,（3）白炽灯,一、光电仪器中的常用光源,2、热辐射源,灯丝 又称白炽体。是灯泡的发光体,常用钨制成单螺旋丝或双螺旋丝。,灯丝有如下基本要求：熔点温度高。蒸发速率小。辐射选择性好。机械加工性能好。在高温下能充分定型。有较大的电阻率

8、。,（3）白炽灯,一、光电仪器中的常用光源,2、热辐射源,白炽灯有真空钨丝白炽灯、充气钨丝白炽灯和卤钨灯等，光辐射由钨丝通电加热发出的。,真空钨丝白炽灯的工作温度为23002800K，光效为10lm/W。,（3）白炽灯,一、光电仪器中的常用光源,2、热辐射源,白炽灯有真空钨丝白炽灯、充气钨丝白炽灯和卤钨灯等，光辐射由钨丝通电加热发出的。,真空钨丝白炽灯的工作温度为23002800K，光效为10lm/W。,（3）白炽灯,一、光电仪器中的常用光源,2、热辐射源,充气钨丝白炽灯由于在灯泡中充入和钨不发生化学反应的氩、氮等惰性气体，使由灯丝蒸发出来的钨原子在和惰性气体原子碰撞时，部分钨原子能返回灯丝。

9、这样可以有效地抑制钨的蒸发，从而使白炽灯的工作温度提高到27003000K，相应的光效提高到17lm/W。,（3）白炽灯,一、光电仪器中的常用光源,2、热辐射源,如果在灯泡内充入卤钨循环剂（如氯化碘、溴化硼等），在一定温度下可以形成卤钨循环，就构成了卤钨灯。卤钨灯的工作温度为3200K，光效为30lm/W。,一、光电仪器中的常用光源,3、气体放电光源,一、光电仪器中的常用光源,3、气体放电光源,利用气体放电原理制成的光源称为气体放电光源。,制作时在灯中充入发光用的气体，在电场作用下激励出电子和离子，气体变成导电体。当离子向阴极，电子向阳极运动时，从电场中获得能量，使内层电子跃迁到高能级，引起原

10、子的激发，受激原子回到低能级时就会发射出可见辐射或紫外辐射。这样的发光机制被称为气体放电原理。,一、光电仪器中的常用光源,3、气体放电光源,气体放电光源的分类：,（1）按气体放电类型分：辉光放电灯、弧光放电灯、高频放电灯等（2）按放电时灯内气体压强分：低压放电灯、高压放电灯和超高压放电灯（3）按放电发光物质的种类分：汞灯、钠灯、各种金属卤化物灯和稀有气体灯（4）按灯的电极形式分：冷阴极气体放电灯、热阴极气体放电灯和无极气体放电灯,一、光电仪器中的常用光源,3、气体放电光源,气体放电光源的特点：,（1）发光效率高（2）结构紧凑（3）寿命长（4）光色适应性强,一、光电仪器中的常用光源,3、气体放电

11、光源,（1）汞灯,利用汞放电时产生汞蒸气获得可见光的电光源。,汞灯又分低压汞灯、高压汞灯和超高压汞灯。,低压汞灯：低压汞灯点燃时汞蒸气压小于一个大气压，此时汞原子主要辐射波长为253.7nm和185nm的紫外线。,低压汞灯有两类：冷阴极辉光放电灯和热阴极弧光放电灯。,一、光电仪器中的常用光源,3、气体放电光源,（1）汞灯,高压汞灯：当汞灯内的蒸汽压达到15大气压时，汞灯电弧的辐射光谱就会产生明显变化，光谱线加宽，出现弱的连续光谱，紫外辐射明显减弱，而可见辐射增加。,高压汞灯的发光效率达64lm/W。,一、光电仪器中的常用光源,3、气体放电光源,（1）汞灯,球形超高压汞灯：灯内汞蒸气气压达到10

12、20个大气压，这样灯的辐射光谱与高压汞灯相比有明显不同：紫外辐射减少，可见光辐射光谱线较宽，连续部分增加，并且红外光谱辐射增强。,一、光电仪器中的常用光源,3、气体放电光源,（2）氙灯,利用氙气放电而发光的电光源。高压氙灯的辐射光谱是连续的，与日光的光谱能量分布相接近，色温为6000K左右，显色指数90以上，因此有“小太阳”之称。,氙灯可分为长弧氙灯、短弧氙灯和脉冲氙灯三种。,一、光电仪器中的常用光源,3、气体放电光源,（2）氙灯,长弧氙灯：当氙灯的电极间距为15130cm时称为长弧氙灯。它的工作气压一般为一个大气压，发光效率为2530lm/W。,长弧氙灯的辐射光谱与日光接近，适于大面积照明，

13、也可用作电影摄影、彩色照相制版、复印等方面的光源；同时，在棉织物的颜色检验、药物和塑料老化试验、植物栽培、光化反应等方面，也可作模拟日光和人工老化光源。此外，大功率长弧氙灯还可作为连续激光光源。,一、光电仪器中的常用光源,3、气体放电光源,（2）氙灯,短弧氙灯：当氙灯的电极间距缩短到毫米数量级时称为短弧氙灯。它的工作气压一般为1020个大气压。短弧氙灯的电弧亮度很高，其阴极点的最大亮度可达几十万坎德拉每平方厘米，电弧亮度在阴极和阳极距离上分布是很不均匀的。,短弧氙灯常用于电影放映、荧光分光光度计以及模拟日光等场合。,一、光电仪器中的常用光源,3、气体放电光源,（2）氙灯,脉冲氙灯：脉冲氙灯的发

14、光是不连续的，能在很短的时间内发出很强的光。管内气压均在一个大气压一下。它用高压电脉冲激发产生光脉冲。脉冲氙灯广泛用作固体机关器的光泵、照相制版、高速摄影和光信号源等方面。,短弧氙灯常用于电影放映、荧光分光光度计以及模拟日光等场合。,一、光电仪器中的常用光源,3、气体放电光源,（3）荧光灯,利用荧光粉把低气压汞蒸气放电过程中产生的紫外线转变成可见光的电光源。一般制成管形。荧光灯的发光效率高,发光面积大,光线柔和,使用寿命长,可以使光色近似日光色或其他各种光色，是一种良好的室内照明光源。,结构荧光灯由玻管、电极、汞和惰性气体、灯头等部件组成。,一、光电仪器中的常用光源,3、气体放电光源,（3）荧

15、光灯,1971年,荷兰的库达姆发明三基色荧光灯。三基色荧光灯的显色性优良，发光效率也很高。采用稀土金属三基色荧光粉制成的荧光灯，一般显色指数Ra可超过90，发光效率可超过901m/W，并能在相同照度下产生更明亮的感觉和更舒适的视觉效果。,一、光电仪器中的常用光源,3、气体放电光源,（3）荧光灯,发光原理 荧光灯工作时，在放电过程中被电场加速的电子与汞原子碰撞，汞原子吸收电子的动能而被激发。激发原子在短时间(10-810-9秒)内又回到原来的低能量状态。这时原子由于碰撞而吸收的能量以电磁波辐射能的形式释放出来。在低气压汞蒸气放电条件下，大部分辐射能量集中在波长为 253.7nm和185.0nm的

16、两条谱线上，其中前一条谱线占总辐射能量的90以上，起主要作用。波长为 253.7nm的辐射是人眼看不见的紫外线，它照射到玻管内壁的荧光粉涂层上后即转变成可见光。,一、光电仪器中的常用光源,3、气体放电光源,（4）金属卤化物灯,在普通照明用高压汞灯的电弧管内，加入某种金属卤化物或几种金属卤化物的混合物而制成的一种气体放电灯。具有发光效率高、色温高、显色性好等特点。,金属卤化物灯具有光效高(60100流明/瓦)、光色好、结构紧凑等特点，又可做成不同色温（24007500K）的光源,甚至通过添加某种特殊的金属卤化物可制成主要辐射紫外、红外或某种特定光谱的光源。,一、光电仪器中的常用光源,3、气体放电

17、光源,（4）金属卤化物灯,工作原理金属卤化物灯点燃后，放电产生的热量加热了泡壳，附着在管壁内的金属卤化物从管壁处蒸发，然后向电弧中心扩散。当金属卤化物分子扩散进入高温电弧中心后，卤化物分子在电弧的高温下分解成金属原子和卤素原子。金属原子在电弧中受激而发出该金属的特性光谱。另一方面，电弧中心的金属原子和卤素原子也向管壁扩散，而管壁温度远低于电弧温度。当金属原子和卤素原子在比较冷的管壁区域相遇时，它们将再次化合形成卤化物。卤化物再向电弧中心扩散，如此往复循环，不断地向电弧提供金属蒸气，使灯不断地辐射出强烈的光。,6.1 发光二极管的基本工作原理与特性,1907年首次发现半导体二极管在正向偏置的情况

18、下发光。70年代末，人们开始用发光二极管作为数码显示器和图像显示器。进十年来，发光二极管的发光效率及发光光谱都有了很大的提高，用发光二极管作光源有许多优点。,6.1.1 发光二极管的发光机理,发光二极管（即LED）是一种注入电致发光器件，它由P型和 N型半导体组合而成。其发光机理常分为PN结注入发光与异质结注入发光两种。,1.PN结注入发光,1.PN结注入发光,PN结处于平衡时，存在一定的势垒区，其能带如图6-1 所示。当加正偏压时，PN结区势垒降低，从扩散区注入的大量非平衡载流子不断地复合发光，并主要发生在p区。,2.异质结注入发光,为了提高载流子注入效率，可以采用异质结。图2-13（a）表

19、示理想的异质结能带图。由于p区和n区的禁带宽度不相等，当加上正向电压时小区的势垒降低，两区的价带几乎相同，空穴就不断向n区扩散。,对n区电子，势垒仍然较高，不能注入p区。这样，禁带宽的p区成为注入源，禁带窄的n区成为载流子复合发光的发光区（图2-13（b）。例如，禁带宽EG2=1.32eV 的p-GaAs与禁带宽EG10.7eV p-GaAs与禁带宽EG10.7eV的n-GaSb组成异质结后，n-GaAs的空穴注入n-GaAs区复合发光。,由于n区所发射的光子能量hv比EG2 小得多，它进入p区不会引起本征吸收而直接透射出去。,6.1.2 基本结构,1.面发光二极管,图6-3所示为波长0.80

20、.9m的双异质结GaAsAIGaAs面发光型LED的结构。它的有源发光区是圆形平面，直径约为50m，厚度小于2.5m。一段光纤(尾纤)穿过衬底上的小圆孔与有源发光区平面正垂直接入，周围用粘合材料加固，,用以接收有源发光区平面射出的光，光从尾纤输出。有源发光区光束的水平、垂直发散角均为120。,2.边发光二极管,图6-4所示为波长1.3m的双异质结InGaAsPInP边发光型LED的结构。它的核心部分是一个N型AIGaAs有源层，,及其两边的P型AIGaAs和N型AIGaAs导光层(限制层)。导光层的折射率比有源层低，比周围其他材料的折射率高，从而构成以有源层为芯层的光波导，有源层产生的光辐射从

21、其端面射出。,为了和光纤的纤芯尺寸相配合，有源层射出光的端面宽度通常为5070m，长度为100150m。边发光LED的方向性比面发光器件要好，其发散角水平方向为2535，垂直方向为120。,6.1.3 LED的特性参数,1.发光光谱和发光效率,LED的发光光谱指LED发出光的相对强度(或能量)随波长(或频率)变化的分布曲线。它直接决定着发光二极管的发光颜色，并影响它的发光效率。发射光谱的形成由材料的种类、性质以及发光中心的结构决定的，而与器件的几何形状和封装方式无关。描述光谱分布的两个主要参量,是它的峰值波长和发光强度的半宽度。对于辐射跃迁所发射的光子，其波长与跃迁前后的能量差E之间的关系为h

22、cE。复合跃迁前后的能量差大体就是材料的禁带宽Eg。因此，峰值波长由材料的禁带宽度决定。,例如GsAs的峰值波长出现在1.1eV，比室温下的禁带宽度少0.3eV。图6-5给出了GaAs0.6Po.4 和GaP的发射光谱。当GaAs1xPx中的x值不同时，峰值波长在620680nm之间变化，谱线半宽度大致为 2030nm。GaP发红光的峰值波长在700nm附近，半宽度大约为100nm。峰值光子的能量还与温度有关，它随温度的增加而减少。在结温上升时，谱带波长以0.20.3nm/的比例向长波方向移动。发光二极管发射的光通量与输人电能之比表示发光效率，单位lm/W；也有人把光强度与注入电流之比称为发光

23、效率，单位为cdA（坎/安）。GaAs红外发光二极管的发光效率由输出辐射功率与输入电功率的百分比表示。,发光效率由内部量子效率与外部量子效率决定。内部量子效率在平衡时，电子-空穴对的激发率等于非平衡载流子的复合率（包括辐射复合和无辐射复合），而复合率又分别决定于载流子寿命r和rn，其中辐射复合率与1/r成正比，无辐射复合率为1/rn，内部量子效率为,（6-1）,式中，neo为每秒发射出的光子数,ni为每秒注入到器件的电子数,r是辐射复合的载流子寿命,rn是无辐射复合的载流子寿命。由式中可以看出，只有rnr，才能获得有效的光子发射。,必须指出，辐射复合发光的光子并不是全部都能离开晶体向外发射。光

24、子通过半导体有一部分被吸收，有一部分到达界面后因高折射率（折射系统的折射系数约为34）产生全反射而返回晶体内部后被吸收，只有一部分发射出去。因此，将单位时间发射到外部的光子数nex除以单位时间内注入到器件的电子-空穴对数nin定义为外部量子效率ex，即,(6-2),对 GaAs这类直接带隙半导体，in可接近100。但ex很小，如CaPZn-O红光发射效率ev很小，最高为15；发绿光的GaPN的ev约为0.7；对发红光的 GaAs0.6P0.4，其ex约为0.4；对发红外光的In0.32Ga0.68PTe，Zn的ev约为 0.1。,2.时间响应特性与温度特性,提高外部量子效率的措施有三条：用比空

25、气折射率高的透明物质如环氧树脂（n2=1.55）涂敷在发光二极管上；把晶体表面加工成半球形；用禁带较宽的晶体作为衬底，以减少晶体对光吸收。,发光二极管的时间响应快，短于1s，比人眼的时间响应要快得多，但用作光信号传递时，响应时间又显得太长。发光二极管的响应时间取决于注入载流子非发光复合的寿命和发光能级上跃迁的几率。,通常发光二极管的外部发光效率均随温度上升而下降。图6-6 表示GaP（绿色）、GaP（红色）、GaAsP三种发光二极管的相对光亮度Le,r与温度t的关系曲线。,3.发光亮度与电流的关系,发光二极管的发光亮度L是单位面积发光强度的量度。在辐射发光发生在P区的情况下，发光亮度L与电子扩

26、散电流idn之间的关系为,(6-3),式中，是载流子辐射复合寿命R和非辐射复合寿命NR的函数,如图6-7所示为GaAslxPx、GalxAlxAs和GaP(绿色)发光二极管的发光亮度与电流密度的关系曲线。这些LED的亮度与电流密度近似成线性关系，且在很大范围内不易饱和。,4.最大工作电流,在低工作电流下，发光二极管发光效率随电流的增加而明显增加，但电流增加到一定值时，发光效率不再增加；相反，发光效率随工作电流的继续增加而降低。图6-8表示发红光的GaP发光二极管内量子效率in的相对值与电流密度J及温度T间的关系。随着发光管电流密度的增加，pn结的温度升高，将导致热扩散，使发光效率降低。,因此，

27、最大工作电流密度应低于最大发射效率的电流密度值。若发光二极管的最大容许功耗为Pmax，则发光管最大容许的工作电流为,（6-4）,式中，rd为发光二极管的动态内阻；If、Uf均为发光二极管在较小工作电流时的电流和正向压降。,5.伏安特性,发光二极管的伏安特性如图6-9所示，它与普通二极管的伏安特性大致相同。电压小于开启点的电压值时无电流，电压一超过开启点就显示出欧姆导通特性。这时正向电流与电压的关系为,iioexp(eV/mkT)(6-5),式中，m为复合因子。在较宽禁带的半导体中，当电流i0.1mA时，通过结内深能级进行复合的空间复合电流起支配作用，这时m2。电流增大后，扩散电流占优势时，m1

28、。因而实际测得的m值大小可以标志器件发光特性的好坏。,6.寿命,发光二极管的寿命定义为亮度降低到原有亮度一半时所经历的时间。二极管的寿命一般都很长，在电流密度小于lA/cm2时，一般可达106h，最长可达109h。随着工作时间的加长，亮度下降的现象叫老化。老化的快慢与工作电流密度有关。随着电流密度的加大，老化变快，寿命变短。,7.响应时间,在快速显示时，标志器件对信息反应速度的物理量叫响应时间，即指器件启亮(上升)与熄灭(衰减)时间的延迟。实验证明，二极管的上升时间随电流的增加而近似呈指数衰减。它的响应时间一般是很短的，如GaAs1-xPx仅为几个ns，GaP约为100ns。在用脉冲电流驱动二

29、极管时，脉冲的间隔和占空因数必须在器件响应时间所许可的范围内。,6.1.4 驱动电路,发光二极管工作需要施加正向偏置电压，以提供驱动电流。典型的驱动电路如图6-10所示，将LED接入到晶体三极管的集电极，通过调节三极管基极偏置电压，可获得需求的辐射光功率。在光通信中以LED为光源的场合，需要对LED进行调制，则调制信号通过电容耦合到基极，输出光功率则被电信号所调制。,6.2 发光二极管的应用,6.2.1 数字、文字及图像显示 6.2.2 指示、照明 6.2.3 光电开关、报警、遥控、耦合 6.2.4 光源,思考题与习题6,6.1 为什么说发光二极管的发光区在PN结的P区？这与电子、孔穴的迁移率

30、有关吗？6.2 为什么发光二极管必须在正向电压作用下才能发光？反向偏置的发光二极管能发光吗？,6.4 光电耦合器件,6.4.1 光电耦合器件的结构与电路符号,将发光器件与光电接收器件组合成一体，制成具有信号传输功能的器件称为光电耦合器件。光电耦合器件的发光件常用LED发光二极管、LD半导体激光器和微形钨丝灯等。光电接收器件常用光电二极管、光电三极管、光电池及光敏电阻等。由于光电耦合器件的发送端与接收端是电、磁绝缘的，只有光信息相连。因此，在实际应用中它具有许多特点，成为重要的器件。,用来制造光电耦合器件的发光元件与光电接收元件的种类都很多，因而它具有多种类型和多种封装形式。本节仅介绍几种常见的

31、结构。,1.光电耦合器件的结构,光电耦合器件的基本结构如图6-28所示，图6-28（a）为发光器件（发光二极管）与光电接收器件（光电二极管或光电三极管等）被封装在黑色树脂外壳内构成光电耦合器件。图6-28（b）者将发光器件与光电器件封装在金属管壳内构成的光电耦合器件。使发光器件与光电接收器件靠得很近，但不接触。,光电耦合器件的电路符号如图6-29所示，图中的发光二极管泛指一切发光器件，图中的光电二极管也泛指一切光电接收器件。,图6-30所示为几种不同封装的光电耦合器，图中（a）、（b）、（c）分别为三种不同安装方式光电发射器件与光电接收器件分别安装器件的两臂上，分离尺寸一般在412mm，分开的

32、目的是要检测两臂间是否存在物体，以及物体的运动速度等参数。这中封装的器件常被称为光电开关。,图中（d）反光型光电耦合器，LED和光电二极管封装在一个壳体内，两者发射光轴同接收光轴夹一锐角，LED发出的光被测物体反射，并被光电二极管接收，构成反光型光电耦合器。图中（e）为另一种反光型光电耦合器，LED和光电二极管平行封装在一个壳体内，LED发出的光可以在较远的位置上放置的器件反射到光电二极管的光敏面上。显然，这种反光型光电耦合器要比成锐角的耦合器作用距离远。图中（f）DIP封装形式的光电耦合器件。这种封装形式的器件有多种，可将几组光电耦合器封装在一片DIP中，用作多路信号隔离传输。,3.光电耦合

33、器件的特点,具有电隔离的功能,它的输入、输出信号间完全没有电路的联系，所以输入和输出回路的电子零位可以任意选择。绝缘电阻高达1010l012，击穿电压高达10025kV，耦合电容小于1PF。,信号传输方式,信号传输是单向性的，不论脉冲、直流都可以使用。适用于模拟信号和数字信号。,具有抗干扰和噪声的能力,它作为继电器和变压器使用时，可以使线路板上看不到磁性元件。它不受外界电磁干扰、电源干扰和杂光影响。,响应速度快,即具有耦合特性又具有隔离特性 它能很容易地把不同电位的两组电路互连起来，圆满地完成电平匹配、电平转移等功能；,一般可达微秒数量级，甚至纳秒数量级。它可传输的信号频率在直流至10MHz之

34、间。,实用性强,具有一般固体器件的可靠性，体积小(一般66mm)，重量轻，抗震，密封防水，性能稳定，耗电省，成本低，工作温度范围在55+l00之间。,6.4.2 光电耦合器件的特性参数,光电耦合器件的主要特性为隔离特性与传输特性。1.传输特性 光电耦合器件的传输特性就是输入与输出间的特性，它用下列几个性能参数来描述。（1）电流传输比 在直流工作状态下，光电耦合器件的集电极电流Ic与发光二极管的注入电流IF之比定义为光电耦合器件的电流传输比，用表示。如图6-31所示为光电耦合器件的输出特性曲线，在其中部取一工作点Q，它所对应的发光电流为 IFQ，对应的集电极电流为ICQ，,因此该点的电流传输比为

35、Q=ICQ/IFQ100%（6-19）如果工作点选在靠近截止区的Q1点时，虽然发光电流IF变化了IF，但相应的IC1，变化量却很小。这样，值很明显地要变小。同理，当工作点选在接近饱和区Q3点时，值也要变小。这说明工作点选择在输出特性的不同位置时，就具有不同的值。,因此，在传送小信号时，用直流传输比是不恰当的，而应当用所选工作点Q处的小信号电流传输比来计算。这种以微小变量定义的传输比称为交流电流传输比。,用来表示。即=Ic/IF100%(6-20)对于输出特性线性度做得比较好的光电耦合器件，值很接近值。在一般的线性状态使用中，都尽可能地把工作点设计在线性工作区；对于开关使用状态，由于不关心交流与

36、直流电流传输比的差别，而且在实际使用中直流传输比又便于测量，因此通常都采用直流电流传输比。光电耦合器件的电流传输比与三极管的电流放大倍数都是输出与输入电流之比值，但有本质的差别。光电耦合器件内的输入电流使发光二极管发光，光电耦合器件的输出电流是光电接收器件（光电二极管或光电三极管）接收到的光产生的光电流，可用IF表示，其中与发光二极管的发光效率、光敏三极管的增益及二者之间距离等参数有关的系数，通常称为光激发效率。,图6-32所示为光电耦合器件的电流传输比随发光电流IF的变化曲线。在IF较小时，耦合器件的光电接收器件处于截止区，因此值较小；当IF变大后，光电接收器件处于线性工作状态，值将随IF增

37、加，而后，IF再增大，反而会变小，因为发光二极管发出的光不总与电流成正比。图6-33是随环境温度的变化曲线。,(2)输入与输出间的寄生电容CFC 这是输入与输出端之间的寄生电容。当CFC变大时，会使光电耦合器件的工作频率下降，也能使其共模抑制比CMRR下降，故后面的系统噪音容易反馈到前面系统中。对于一般的光电耦合器件，其CFC仅仅为几个pF，一般在中频范围内都不会影响电路的正常工作，但在高频电路中就要予以重视了。,(3)最高工作频率fm,频率特性分别取决于发光器件与光电接收器件的频率特性，由发光二极管与光电二极管组成的光电耦合器件的频率响应最高，最高工作频率fm接近于10MHz，其他组合的频率

38、响应相应降低。,图6-35示出了一个光电耦合器件的频率曲线。图中RC为光电耦合器的负载电阻，显然，最高工作频率fm与负载电阻值有关。减小负载电阻会使光电耦合器件的最高工作频率fM增高。,（4）脉冲上升时间tr和 下降时间tf,光电耦合器在脉冲电压信号的作用下的时间响应特性用输出端的上升时间tr和下降时间tf描述。如图6-36所示为典型光电耦合器件的脉冲响应特性曲线。,2.隔离特性,(1)输入与输出间隔离电压BVCFO 光电耦合器的输入（发光器件）与输出（光电接收器件）的隔离特性可用它们之间的隔离电压BVCFO来描素。一般低压使用时隔离特性都能满足要求，在高压使用时，隔离电压成为重要的参数。已经

39、可以制造出用于高压隔离应用的耐压高达几千伏或上万伏的光电耦合器件。,(2)输入与输出间的绝缘电阻RFC 光电耦合器隔离特性另一种描述方式是绝缘电阻。光电耦合器的隔离电阻一般在109 1013之间。它与耐压密切相关，它与的关系和耐压与的关系一样。,3.光电耦合器件的抗干扰特性,(1)光电耦合器件抗干扰强的原因 光电耦合器件的输入阻抗很低，一般为101k；而干扰源的内阻很大，为103106。按分压比计算，能够馈送到光电耦合器件输入端的干扰噪声变得很小。由于干扰噪声源的内阻很大，干扰电压供出的能量却很小，只能形成很弱的电流。而发光二极管只有在通过一定的电流时才能发光。因此，被它抑制掉。光电耦合器件的

40、输入、输出是用光耦合的，且被密封在管壳内，不会受到外界光的干扰。光电耦合器件的输入、输出间寄生电容很小(为0.5 2pF)，绝缘电阻大(为10111013)，因而输出系统的各种干扰噪音很难通过光电耦合器件反馈到输入系统。,(2)光电耦合器件抑制干扰噪声电平的估算,在向光电耦合器输送信息(例如矩形脉冲信号)的同时，不可避免地进入干扰信号。这些干扰信号由系统自身产生的干扰、电源脉动干扰、外界电火花干扰以及继电器释放所产生的反电势的泄放干扰等。干扰信号包含各种白噪声和各种频率的尖脉冲，,其中以继电器等电磁电器的开关干扰最为严重。这些干扰信号的波形如图6-37（a）所示。设每个干扰脉冲宽度为1s，重复

41、频率为500kHz。经过傅立叶变换，得到含有各种频率的序列余弦函数,U(t)=A/2+(2 A/)cos2Ft(2 A/3)cos23Ft+(2 A/5)cos25Ft(6-21),由上式可以看出，其的直流分量为，交流分量的幅度随频率的升高逐级减弱。,可以用一次分量来近似地表示整个的交流分量 而不会带来太大的误差。,Uf(t)=2 A/cos2Ft(6-22),如图6-38所示，继电器开关干扰常由绕组与接触点间的寄生电容Cs窜入光电耦合器件的输入端。图6-38(b)所示为它的交流等效电路。,设继电器绕组与接触点间的寄生电容Cs为2pF，则等效内阻Zo为,(6-23),设使光电耦合的最小输入电流

42、为1mA，发光二极管的正向压降为1V，故，等效输入阻抗Z=lk。显然，ZZ。在该回路内，当瞬时电流达到1mA时，干扰源的基波幅值为,(6-24),根据式（6-22），可求出使光电耦合器工作的最小电压脉冲的幅值为,Umin=250V,在实际应用中，继电器工作在30V以下，继电器开关引起的干扰脉冲绝不可能高于250V，因此，不会干扰耦合器。,6.5 光电耦合器件的应用,6.5.1 用于电平转换,工业控制系统所用集成电路的电源电压和信号脉冲的幅度常不尽相同，如TTL的电源为5V，HTL为12V，PMOS为22V，CMOS则为520V。如果在系统中必须采用二种集成电路芯片，就必需对电平进行转换，以便逻

43、辑控制的实现。,图6-39所示为利用光电耦合器件实现PMOS电路的电平与TTL电路电平的转换电路。光电耦合器件不但使前后两种不同电平的脉冲信号耦合起来而且使输入与输出电路完全隔离。,6.5.2 用于逻辑门电路,利用光电耦合器件可以构成各种逻辑电路，图6-40所示为两个光电耦合器组成的与门电路，如果在输入端Ui1和Ui2同时输入高电平1，则两个发光二极管GD1和GD2都发光，两个光敏三极管TD1和TD2都导通，输出端就呈现高电平“1”。若输入端Ui1或Ui2中,有一个为低电平“0”，则输出光电三极管中必有一个不导通，使得输出信号为“0”，故为与门逻辑电路，Uo=Ui1 Ui2。光电耦合器件还可以

44、构成与非、或、或非、异或等逻辑电路。,1.PN结注入发光,图6-41所示典型应用电路中左侧的输入电路电源为13.5V的HTL逻辑电路，中间的中央运算器、处理器等电路为+5V电源，后边的输出部分依然为抗干扰特性高的HTL电路。,将这些电源与逻辑电平不同的部分耦合起来需要采用光电耦合器。,输入信号经光电耦合器送至中央运算、处理部分的TTL电路，TTL电路的输出又通过光电耦合器送到抗干扰能力高的HTL电路，光电耦合器成了TTL和HTL两种电路的媒介。,6.5.3 隔离方面的应用,有时为隔离干扰，或者为使高压电路与低压信号分开，可采用光电耦合器。图6-41所示电路中表明了光电耦合器件的又一个重要的功能

45、，即隔离功能。在电子计算机与外围设备相连的情况下，会出现感应噪声、接地回路噪声等问题。为了使输入、输出设备及长线传输设备等外围设备的各种干扰不窜入计算机，以便提高计算机工作的可靠性，亦采用光电耦合器把计算机与外围设备隔离开来。,6.5.4 可控硅控制电路中的应用,可控硅整流器，或SCR，是一种很普通的单向低压控制高压的器件，可以将其用于光触发的形式。同样，双向可控硅是由一种很普通的SCR发展改进的器件，它也可用于光触发形式。将一只SCR和一只LED密封在一个封装中，就可以构成一只光耦合的SCR；而将一只双向可控硅和一只LED密封在一个封装中就可以制成一只光耦合的双向可控硅。,思考题与习题6,6.8 举例说明光电耦合器件可以应用在哪些方面？为什么计算机系统常采用光电耦合器件？6.9 为什么由发光二极管与光电二极管构成的光电耦合器件的电流传输比小于1，而 由发光二极管与光电三极管构成的光电耦合器件的电流传输比可能大于等于1？6.10 用光电耦合器件构成或门、或非门逻辑电路（要求画出电路图）。6.11 光电耦合器件在电路中的信号传输作用与电容的隔直传交作用有什么不同？6.12 试分析图6-44，如果光电耦合双向可控硅的光电流必须大于30 mA，所提供的输入电压不大于5V，试问输入电阻RI至少为多少？,