项目1 常见光电器件的应用教案

项目一 常见光电器件的应用把从光信号转换到电信号的器件称之为“光电器件”的话，则电真空器件中主要有光电管、光电倍增管、摄像管、影像增强管等；半导体器件中主要有光电池、光敏电阻、光敏三极管、摄像头上使用的CCD 器件；光耦合器大约也可以算上，不过它是利用光敏器件与半导体发光元件的组合，不是单纯的光电器件。

现在有将LED 器件也称为光电器件，那么“陶瓷场致发光屏”是否也应属光电器件，因为它也是通电后发光的器件，也就是将电信号转换为光信号的器件？实际上，场致发光屏应该属“电光源”之一。

任务一 光敏电阻器及其应用1、光敏电阻器基本知识光敏电阻器是一种特殊的光电导器件，该电阻具有光电导效应，当它受到光辐射后其电导率会发生变化，即其阻值会发生改变。

入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大,光敏电阻器在电路中用字母“R ”或“RL ”、“RG ”表示。

一般用于光的测量、光的控制和光电 转换（将光的变化转换为电的变化）。

使用时无正负极之分。

图1 光敏电阻外观2、光敏电阻器的组成光敏电阻器通常由光敏层、玻璃基片（或树脂防潮膜）和电极等组成。

图2 光敏电阻器的组成部分教学目的 1. 了解常见光电器件的识别与检测方法。

2. 能够根据常用光电电路进行电子制件并调试。

3. 有足够的动手能力完成项目中实操任务。

4. 培养课后反思的习惯，理解并掌握课后习题。

图3 光敏电阻器的相对灵敏度曲线优点：①光谱响应范围宽，尤其对红光和红外辐射有较高的灵敏度；②所测的光强范围宽；③灵敏度较高；④工作电流大，可达数毫安；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。

用它设计了一种“智能家居照明灯”电路，如图5(a)所示．（电磁继电器线圈的电阻不计）图5（a）图5（b）（1）导线（选填“A”或“B”）．连接家庭电路中的火线（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=I U =1.012=120Ω光敏电阻的阻值R 光敏=I U 光敏=1.02=20Ω滑动变阻器的最大阻值R ab =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2-1 PC817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I F 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.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4-3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。

图2-4 4N25型光电耦合器内部结构图2-3 4N25型光电耦合器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。

实训任务：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2-6 PC817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h FE 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（Laste Diode）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（Photo Diode）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5-1 红光半导体激光二极管RLD的外形图5-2 RLD 内部封装图5-3 LD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。