电子元器件基础 贵州电子信息职业技术学院 谢忠福

1. 电子元器件基础 贵州电子信息职业技术学院 谢忠福

2. 项目8 光电器件 • （建议学时：8学时） • 本项目将主要介绍光电二极管、光电三极管、光敏电阻、光电池、光控晶闸管、光电耦合器的结构、符号、特性、参数和应用。通过各种光电器件的学习，掌握光电器件在电子电路中的应用。 • 能力目标 • 了解光电二极管结构和符号 • 掌握光电二极管的特性曲线和好坏判别 • 了解光电二极管的主要参数及二极管的应用 • 掌握光电三极管结构、特性曲线和参数 • 掌握光电三极管的特性曲线和好坏判别 • 了解光电三极管的主要参数及应用 • 了解光敏电阻的结构和符号 • 了解光敏电阻的种类、参数及好坏判别 • 了解光敏电阻的应用 • 了解光电池的结构和符号 • 了解光电池的参数及光电池的应用 • 掌握光控晶闸管的结构和符号 • 掌握光控晶闸管的工作原理、特性曲线及应用 • 了解光电耦合器的结构和符号 • 掌握光电耦合器的主要参数和好坏判别 • 了解光电耦合器的应用

3. 任务8-1 光电二极管 任务描述 本任务主要学习光电二极管结构和符号，光电二极管的特性曲线和好坏判别，光电二极管的主要参数，光电二极管的应用等内容。 8.1.1 光电二极管结构、特性曲线和参数 1．光电二极管结构和符号 光电二极管结构和符号如图8.1.1所示。 图8.1.1

4. 2．光电二极管的特性曲线和好坏判别 （1）特性曲线 光电二极管工作时，除PN结应受到光线照射外，还必须处在反向偏置电压条件下。图8.1.2为光电二极管的特性曲线，由普通二极管伏安特性可知，加反向电压将产生反向电流。称为反向饱和电流。光电二极管在反向电压下没有光照时，有很小的反向饱和电流。有光照时，反向电流会随光照加强而增大。 这是因为管子无光照时呈现的反向电阻很大，一般可达4MΩ；有光照射时呈现的反向电阻较小，一般为几百欧到一千欧。可见，光电二极管的工作实质，就是反向电阻值随光照强度而变化。 图8.1.2

5. （2）好坏判别 用万用表R×1k档测量光电二极管的正、反向电阻和有光照的反向电阻，然后与正常值比较可判别其好坏。例如2CU3型光电二极管反向电阻830kΩ，正向电阻5.2 kΩ。有光照的反向电阻560Ω。 3．光电二极管的主要参数 （1）最高工作电压 （2）暗电流 指在管子加反向电压而且无光照的条件下，光电二极管导通的反向电流，或叫反向漏电流。 （3）亮电流 反向电流只要是光线照射产生的，统称为光电二极管的光电流。光线越强，光电流越大，光电流大到接近极限值时，就称为亮电流。 其它参数有结电容、电流灵敏度、峰值波长、响应时间和一般二极管的参数。

6. 8.1.2 光电二极管的应用 1．GK-1型微型光控开关的结构原理 图8.1.3 (a)是GK-1型光控开关的外形，图8.1.3 (b) 是它的内部原理结构。内部电路由光电二极管、低电平放大器、电平比较器、电压调整器、输出功率驱动器五部分组成。其中，低电平放大器是一个低噪声小电流放大器；电平比较器由一个施密特电路构成，输入电平在一段范围内波动时，能保持线路的输出状态不变，以消除电路的临界波动点；电压调整器是微型光控开关内部的稳压器，能保证光电二极管和低电平放大器工作在稳定的3V电压下，不受外界电源波动影响；输出功率驱动器是一个几百毫瓦的NPN型三极管，C极为开关电路的输出。这五部分被集成在2mm×3.5 mm的硅片上，成为一个微型光控开关。

7. 图8.1.3

8. 2．GK-1型微型光控开关的应用 图8.1.4是GK-1型光控开关的实际应用电路。 工作原理如下：白天亮度高，GK-1型光控开关中的光电二极管感应到亮光后，就使GK-1内部输出功率驱动器截止，GK-1③端无输出，继电器开关断开，双向晶闸管不导通，故路灯不点亮。夜晚，无光照射GK-1型光控开关中光电二极管，GK-1③端输出导通电流，继电器开关吸合，触发双向晶闸管导通电流，点亮路灯。第二天天亮时，光控开关GK-1自动关灯，晚上又自动开灯。 图8.1.4

9. 任务8-2 光电三极管 任务描述 本任务主要学习光电三极管结构和符号，光电三极管的特性曲线和好坏判别，光电三极管的特性曲线，光电三极管的光谱响应曲线，光电三极管的主要参数，光电三极管的应用等内容。 8.2.1 光电三极管结构、特性曲线和参数 1．光电三极管结构和符号 光电三极管与普通三极管结构相似，也是PNP或NPN三层结构，如图8.2.1 (a)所示。引出e、b、c三个电极封装的光电三极管称三极型光电三极管。只引出e、c两个电极封装的光电三极管称两极型光电三极管，如图8.2.1 (b)所示。图8.2.1 (c)为某光电三极管实物图。 图8.2.1

10. 光电三极管的图形符号如图8.2.2所示。 图8.2.2 2．光电三极管的特性曲线和好坏判别 （1）光电三极管的特性曲线 光电三极管工作时，b极不加电压，这与普通三极管不同，但c-e极的偏置条件与一般三极管相同。图8.2.3是光电三极管的特性曲线，由图可见，管子导通的光电流基本与外加电压无关，只随光照强弱变化。在c极电压一定，且光线由暗变亮时，管子产生的光电流就由小变大。

11. 图8.2.3 图8.2.4 （2）光电三极管的光谱响应曲线 光电流与光波波长的关系曲线称为光电三极管的光谱响应曲线。图8.2.4为光电三极管3DU2、3DU5的光谱响应曲线。由图可见，用不同波长的单位光通量，分别照射管子芯片，产生的光电流不同。不同型号光电三极管的光谱响应曲线峰值对应的波长也不同。

12. （3）好坏判别 通过测量光电三极管有光照和无光照时的极间电阻可判别其好坏。 对于有b极的光电三极管无光照时极间电阻的测量方法和大小与普通三极管相同。而无b极的光电三极管只能测c-e极间电阻，其正反向电阻正常值均为无穷大。 有光照时，用万用表R×1档或R×10档测c-e极间电阻，其正向电阻约为10~100Ω，反向电阻无穷大。若实际测量结果与正常值接近，表明管子是好的。 2．光电三极管的主要参数 （1）最高反向电压 （2）暗电流 （3）亮电流 （4）响应时间 指光电三极管自撤销光照之时起，到光电流降至光照时光电流的63%所需要的时间。

13. 8.2.2 光电三极管的应用 图8.2.5为暗导通电路。工作过程如下：当一定光照射时，VT1的c-e极呈低阻状态，VT1和R1的分压就使VT2截止，负载RL无电流流过，此时光控开关处于关断状态。反之，无光照时，VT1的c-e极电阻较大，VT2导通，负载RL有电流流过，光控开关处于导通状态。 图8.2.6为亮导通电路。其在图8.2.5基础上增加了一级反向放大器VT5，使两图的光控状态恰恰相反。 图8.2.6 图8.2.5

14. 任务8-3 光敏电阻 任务描述 本任务主要学习光敏电阻的结构和符号，光敏电阻的种类，光敏电阻的参数及好坏判别，光敏电阻的应用等内容。 8.3.1 光敏电阻的常识 1．光敏电阻的结构和符号 光敏电阻的结构和符号如图8.3.1所示。它主要由光敏层、金属电极、透明板、电极引脚四部分构成。光敏层由铊、镉、铅、铋的硒化物及硫化物构成，多用硫化镉（CdS）制作管心。光敏电阻就是利用管心材料的特性来工作的。当有光照射光敏电阻时，管心材料的电阻率就发生显著变化。光照愈强，阻值愈小，光照愈弱，阻值愈大。这就是光敏电阻的特性。 图8.3.1

15. 光敏电阻常制成薄膜结构，为了能吸收更多的光，一般都把CdS表面膜作成弯曲的弓字形，如图8.3.1(c)中成品光敏电阻的外表。由于硫化镉怕受潮，所以又在它表面涂有一层防潮的透明油脂。光敏电阻常制成薄膜结构，为了能吸收更多的光，一般都把CdS表面膜作成弯曲的弓字形，如图8.3.1(c)中成品光敏电阻的外表。由于硫化镉怕受潮，所以又在它表面涂有一层防潮的透明油脂。 2．光敏电阻的种类、参数及好坏判别 （1）光敏电阻的种类 根据入射波长的不同，光敏电阻可分为以下三种类型。 1）可见光光敏电阻。 2）红外光光敏电阻。 3）紫外光光敏电阻。 （2）光敏电阻的参数及好坏判别 光敏电阻的主要参数除具有普通电阻的一切参数，另外还有暗阻和亮阻。 通过测量光敏电阻的暗阻和亮阻可判别其好坏。如果测量值与正常值接近（有一定的离散性），说明被测光敏电阻是好的；若与正常值相差太大，则是坏的。

16. 8.3.2 光敏电阻的应用 图8.3.2是光敏电阻最简单的应用电路。电源E首先加在光敏电阻与RP串联电路上，通过调整RP可取出分压值加到VT的b极，三极管发射结便得到正向偏置电压。同时电源也通过表头M加到VT的c极，VT导通电流通过微安表头，表针偏转指出数值，此数值并不是电流值，而是转换后的光照强度值。 图8.3.2 光线为中等亮度时，调节RP使表针指在刻度正中间，之后照度表就可正常工作。当光照强时，光敏电阻阻值小，VT导通电流大，照度表指示值大；当光照弱时，光敏电阻阻值大，VT导通电流小，照度表指示值小；无光照时，光敏电阻阻值极大，VT截止，照度表指示为零。

17. 任务8-4 光电池 任务描述 本任务主要学习光电池的结构和符号，光电池的应用，光电池的参数等内容。 8.4.1 光电池的结构和符号 光电池也是光敏器件中一个种类，不仅能将光信号转变为电信号，还能将光能转换为电能储存起来。 图8.4.1是光电池结构和符号。光电池由PN结构成，也好像一个半导体二极管，但这个PN结的工作面积比一般二极管要大得多，目的是使光电池能接受更多光照。光电池通常只有一面接受光的照射，称为光电池的受光面。不接受光线照射的一面称为背光面。光电池工作时能将光能转化成电能形成电压，电压的正极多为受光面。 图8.4.1

18. 8.4.2 光电池的参数 （1）开路电压 是指光电池受光照射时产生的无负载输出电压。 （2） 短路电流 是指光电池在阳光照射下，正负极短路时的电流。 （3）尺寸 （4）效率 指光电池将光能转变为电能的能力，是以功率方式来转换的，常用百分数表示。例如某光电池在光照强度为0.1W/cm2的阳光照射下，能从每cm2的面积上得到0.015W的电能，那么它的效率就为： 8.4.3 光电池的应用 光电池在实际应用中有两种应用，一是作为光敏管起光控作用，二是作能源转换，将光能转变为电能。 硅光电池与其它类型的光电元件（硒光电池、光敏电阻、光电管等）相比有体积小、重量轻、光电转换率高、性能稳定、使用方便、不需外加电源装置等优点。

19. 图8.4.2是利用光电池组装的照度计，可用来检测自然界光线亮度。图8.4.2是利用光电池组装的照度计，可用来检测自然界光线亮度。 电路原理为:当有光照射光电池时，光电池两端产生电压，形成电流回路。电流流过表头线圈，线圈带动指针偏转，于是就可从表盘上读出自然界光照强度值。在原理上与图8.3. 2所示电路相同，但这种照度计不需另外设置电源，电路更简单。 图8.4.2

20. 任务8-5 光控晶闸管 任务描述 本任务主要学习光控晶闸管的结构和符号，光控晶闸管的工作原理，光控晶闸管的特性曲线，光控晶闸管的应用，光控晶闸管应用注意事项等内容。 8.5.1 光控晶闸管的结构和符号 光控晶闸管有单向和双向之分，单向晶闸管结构与普通晶闸管相同，也是由P1N1P2N2四层半导体构成三个PN结，有A和K极。根据需要与制造不同，有的引出G极构成三极型光控晶闸管，有的则不引出G极构成两极型光控晶闸管。光控晶闸管结构、符号及实物如图8.5.1所示。 图8.5.1

21. 三极型双向光控晶闸管有T1、T2和G极。两极型单向光控晶闸管只有T1和T2极。三极型双向光控晶闸管有T1、T2和G极。两极型单向光控晶闸管只有T1和T2极。 图8.5.1 (b)所示图形符号，与光电二极管的图形符号完全相同。但在电路图中光电二极管符号旁边一般都标记“VD”字符，而两极型单向光控晶闸管符号旁边一般都标记“VS”字符，以示区别。 8.5.2 光控晶闸管的工作原理和特性曲线 1．光控晶闸管的工作原理 光控晶闸管工作原理基本与普通单、双向晶闸管相同，仅在控制形式上有区别。普通晶闸管靠控制极加信号触发导通，光控晶闸管靠光信号来控制导通。 单向光控晶闸管一旦被光信号触发导通，即使撤销光信号，晶闸管仍会保持导通状态不变，除非撤销两极电压，或外加反向电压，光控晶闸管才能由导通转变为截止，这与普通晶闸管的关断特性相同。

22. 光控双向晶闸管与普通双向晶闸管的触发特点有所不同。普通双向晶闸管加正、反向触发电压都能导通。光控双向晶闸管在有光照时导通，而无光照时截止。光控双向晶闸管的关断特性与普通双向晶闸管相同，都是在撤销主电压或将主电压反向时，才能使双向晶闸管由导通变为截止。光控双向晶闸管与普通双向晶闸管的触发特点有所不同。普通双向晶闸管加正、反向触发电压都能导通。光控双向晶闸管在有光照时导通，而无光照时截止。光控双向晶闸管的关断特性与普通双向晶闸管相同，都是在撤销主电压或将主电压反向时，才能使双向晶闸管由导通变为截止。 2．光控晶闸管的特性曲线 光控晶闸管伏安特性和普通晶闸管相似，只是用光信号代替电信号。普通晶闸管的转折电压随触发电流增加而降低，而光控晶闸管的转折电压随光照强度增加而降低。它们的特性曲线相似，这里仅作如上说明。

23. 8.5.3 光控晶闸管的应用及注意事项 1．光控晶闸管的应用 图8.5.2是应用双向光控晶闸管控制电扇的电路，当有光照射双向光控晶闸管时，双向光控晶闸管导通电流，电扇工作；无光照射时，双向光控晶闸管关断，电扇停止转动。 图8.5.2 2．光控晶闸管应用注意事项 光控晶闸管的选用原则与普通晶闸管相同，但应注意以下问题。不同的光具有不同波长，光控晶闸管接受不同波长光时，响应速度也不一样，对波长范围为80~98nm的红外线最敏感。砷化镓发光二极管发出的光，光波为94~95nm时功率最大，所以它是控制光控晶闸管较为理想的光源。当然也可用白炽灯光来做光控晶闸管的控制光源。

24. 光控晶闸管有三极型和两极型。三极型光控晶闸管可作为普通晶闸管来应用，更多的则是作为光控晶闸管来应用。作普通晶闸管应用时，可按普通晶闸管应用方法将控制极利用起来，但必须避免光照影响；作光控晶闸管应用时，由于采用光信号控制，必须用一个2~100kΩ的电阻将控制极与阴极连接起来，绝对不可悬空，还可在电阻上并联一个0.001~0.01μF的电容，以防止电磁杂波信号由控制极引入，使光控晶闸管误触发导通。接上电阻后，还可减轻由于温度变化对控制灵敏度的影响，如图8.5.3。光控晶闸管有三极型和两极型。三极型光控晶闸管可作为普通晶闸管来应用，更多的则是作为光控晶闸管来应用。作普通晶闸管应用时，可按普通晶闸管应用方法将控制极利用起来，但必须避免光照影响；作光控晶闸管应用时，由于采用光信号控制，必须用一个2~100kΩ的电阻将控制极与阴极连接起来，绝对不可悬空，还可在电阻上并联一个0.001~0.01μF的电容，以防止电磁杂波信号由控制极引入，使光控晶闸管误触发导通。接上电阻后，还可减轻由于温度变化对控制灵敏度的影响，如图8.5.3。 图8.5.3

25. 任务8-6 光电耦合器 任务描述 本任务主要学习光电耦合器的结构和符号，光电耦合器的主要参数，光电耦合器好坏的判别，光电耦合器的应用等内容。 8.6.1 光电耦合器的结构和符号 光电耦合器是将发光管和光电管做在一起的组合器件，能进行电-光-电转换，既有分立元件特点，也有组合集成特点，常称为光耦合器或光耦。 图8.6.1是光电耦合器的组成结构示意图，内部由发光管和光电管构成，常将这种组成结构分为发光和受光两个部分。发光部分是发光管，受光部分是光电管。光电耦合器工作时，信号是从发光管输入，从光电管输出。所以发光部分称为输入端，受光部分称为输出端。 发光部分多为发光二极管或红外发射二极管。其作用是将一定频率的电信号转换为一定波长的光信号。 受光部分多为两极型或三极型光电三极管，作用是接受一定波长的光信号，然后转换为一定频率的电信号。

26. 图8.6.1 根据光电耦合器的功能作用不同，受光部分除采用光电三极管外，也可采用光电二极管、达林顿光电三极管或光控晶闸管光电耦合器。受光部分采用光电二极管，就称为二极管型光电耦合器。依此类推，也就有三极管型、达林顿型、晶闸管型等许多种类，如图8.6.1所示，光电耦合器图形符号一般用其结构示意图来表示。

27. 集成光电耦合器的封装形式一般有管型、双列直插式等种，如图8.6.2所示。集成光电耦合器的封装形式一般有管型、双列直插式等种，如图8.6.2所示。 图8.6.2

28. 8.6.2 光电耦合器的主要参数和好坏判别 1．光电耦合器的主要参数 （1）输入端工作电压 是指加在光电耦合器输入端二极管上的正向电压。 （2）输入端最大正向电流 是指输入端加正向电压时，发光二极管导通电流的最大值。 （3）输出端漏电流 也叫反向截止电流。这是指输出端光电三极管在无光照的条件下，c-e极加一定工作电压时流过的微小电流。 （4）输出端反向击穿电压 2．光电耦合器好坏的判别 （1）发光管好坏的判别 将万用表调到R×1k档（不能用R×10k档），用红表笔接发光管负极，黑表笔接正极，正常时正向电阻应为几千欧到几十千欧。再将红黑表笔调换测反向电阻，一般应为无穷大。如果正反向电阻值都符合正常范围，说明发光管是好的。如果正反向电阻值远远偏离正常范围，则发光管是坏的。

29. （2）光电管好坏的判别 静态时，发光管不发光，光电管不接受光。将万用表调到R×1k档，测量c-e极间正反向电阻都应为无穷大，否则说明光电管已损坏。 动态时，发光管发光，光电管接受光，如图8.6.3所示。光电管接受光照后，用R×1档或R×10档测光电管的正向电阻（黑笔接集电极，红笔接发射极），正常阻值应为10~100Ω。反向电阻应为无穷大。如果测量值符合上述结果，则表明光电管是好的，否则是坏的。 图8.6.3

30. 光电管经上述两项测量后，仍不能说就是好的，还必须测量输入、输出绝缘电阻。图8.6.3 光电耦合器的检测电路 如图8.6.3所示，将万用表调到R×10k档，用红笔接处光电耦合器输入端（1脚或2脚），黑笔接输出端（3脚或4脚），正常时输入、输出端绝缘电阻应为无穷大。若测量呈现阻值，说明存在漏电或击穿故障。 只有发光管、光电管、绝缘电阻都正常，才能判断被测光电耦合器是好的。 8.6.3 光电耦合器的应用 光电耦合器具有体积小、重量轻、寿命长、抗干扰强、导通压降小等特点，还有导电无触点、不产生电火花、输入和输出端能实现电性能完全隔离等优点。它多应用于稳压电源、光电开关、逻辑电路、脉冲变压器、光削波器、功率计、限幅器、长线路传输、过流保护、高压控制、线性放大、数模转换、电平匹配等方面。

31. 集成光电耦合器的种类很多，常用作光电开关的是普通光电耦合器，如GBMB型、GD11型等，其输入与输出之间的传输特性线性不好，适于传输数字信号。光电耦合器在开关电路中的应用如图8.6.4所示。集成光电耦合器的种类很多，常用作光电开关的是普通光电耦合器，如GBMB型、GD11型等，其输入与输出之间的传输特性线性不好，适于传输数字信号。光电耦合器在开关电路中的应用如图8.6.4所示。 图8.6.4

32. 图8.6.4(a)工作原理如下：当输入端为高电平时，三极管VT导通。光电耦合器中发光二极管几乎不导通电流，发光二极管不发光，光电耦合器接受光端的光电三极管c-e极间不导通，相当于开关断开；反之，当输入端为低电平时，三极管VT截止。光电耦合器中发光二极管导通电流，发光二极管发光，光电耦合器接受光端的光电三极管c-e极导通，相当于开关闭合。图8.6.4(a)工作原理如下：当输入端为高电平时，三极管VT导通。光电耦合器中发光二极管几乎不导通电流，发光二极管不发光，光电耦合器接受光端的光电三极管c-e极间不导通，相当于开关断开；反之，当输入端为低电平时，三极管VT截止。光电耦合器中发光二极管导通电流，发光二极管发光，光电耦合器接受光端的光电三极管c-e极导通，相当于开关闭合。 图8.6.4(b)工作原理请读者自行分析。 传输模拟信号要用线性光电耦合器。其输出信号与输入信号的变化成比例变化，能实现信号的线性传输。这种光电耦合器如GD2203型。 项目8 完