光電器件6.1光電元件6.2光電耦合器6.3

LED數碼管

6.1光電元件

1.發光二極管發光二極管(LightEmittingDiode，LED)是一種能將電能轉換為光能的半導體器件，由磷化鎵、砷化鎵、磷砷化鎵、砷磷化鎵等半導體材料制成。發光二極管在電路中用文字符號VD表示，其圖形符號如圖6-1所示。圖6-1發光二極管的圖形符號

1)發光二極管的分類

發光二極管的種類很多，分類方法各有不同。

(1)按材料分。

按材料的不同，LED可分為砷化鎵LED、磷砷化鎵LED、磷化鎵LED、砷磷化鎵LED等。

(2)按發光二極管的發光顏色分。

按發光二極管的發光顏色可分為紅色、綠色、黃色、橙色等可見光發光二極管以及不可見的紅外發光二極管。

(3)按發光效果分。

按發光效果可分為固定顏色LED和變色LED兩類，其中變色LED包括雙色和三色等。

(4)按發光二極管的封裝外形分。

按發光二極管的封裝外形可分為圓柱形、矩形、方形、三角形、組合形發光二極管。其中圓形發光二極管的外徑有?2～?20?mm等多種規格，常用的有?3?mm、?5?mm等。

(5)按封裝形式分。

按封裝形式可分為有色透明封裝(C)、無色透明封裝(T)、有色散射封裝(D)和無色散射封裝(W)。

(6)按封裝材料分。

按封裝材料的不同可分為塑料封裝、陶瓷封裝、金屬封裝、樹脂封裝和無引線封裝。

常見發光二極管的外形如圖6-2所示。

圖6-2常見LED的外形

2)發光二極管的主要參數

發光二極管的主要參數有最大工作電流IFM和最高反向電壓URM。

(1)最大工作電流IFM。

IFM是指發光二極管長期正常工作所允許通過的最大正向電流。使用中不能超過此值，否則將會燒毀發光二極管。

(2)最高反向電壓URM。

URM是指發光二極管在不被擊穿的前提下所能承受的最大反向電壓。使用中不應使發光二極管承受超過此參數值的電壓，否則發光二極管將可能被擊穿。

發光二極管的參數還有光參數，如半峰寬度、峰值波長、發光強度等，其中發光強度表示發光二極管的發光亮度，由峰值波長可知發光二極管的發光顏色，如峰值波長為70?nm時，發光二極管就發出紅色光。

3)發光二極管的檢測

用萬用表檢測發光二極管時，必須使用R×10k擋。因為發光二極管的管壓降為2?V左右，而在使用萬用表R×1k及其以下各電阻擋時，由于表內電池僅為1.5?V，低于管壓降，無論是正向還是反向接入，發光二極管都不可能導通，也就無法檢測。用R×10k擋時表內接有15?V(有些萬用表為9?V)電池，高于管壓降，所以可以用來檢測發光二極管。

(1)發光二極管正、負極的判別。

通常，發光二極管兩管腳中，較長的是正極，較短的是負極。對于透明或半透明塑料封裝的發光二極管，可以用肉眼觀察到它的內部電極的形狀，內電極較小的為正極，內電極較大的為負極，如圖6-3所示。

圖6-3發光二極管的引腳識別

(2)用萬用表檢測發光二極管的性能。

檢測時，將萬用表的黑表筆(表內電池正極)接LED正極，紅表筆(表內電池負極)接LED負極，這時發光二極管為正向驅動，表針應偏轉過半，同時LED中有一個發光亮點。

4)發光二極管的正確選用

普通發光二極管的工作電壓一般都為2～2.5?V，電路只要滿足工作電壓的要求，不論是直流還是交流都可以。可根據要求選擇發光二極管的發光顏色；可根據安裝位置，選擇發光二極管的形狀和尺寸。

使用發光二極管時應注意不要超過其最大功耗、最大正向電流和反向擊穿電壓等，還應注意以下幾個問題：

(1)若用電壓源驅動，則應在電路中串接限流電阻，以限制流過管子的正向電流，防止LED因電流過大而損壞。

(2)使用交流驅動時，為防止LED被反向擊穿，可在其兩端并聯反極性整流二極管保護。

(3)在焊接發光二極管時，烙鐵的溫度不應過高或焊接時間不宜過長，以免損壞發光二極管。

2.光電二極管

光電二極管又叫光敏二極管，是一種能夠將光能轉換成電能的半導體器件，其外形和圖形符號如圖6-4所示。

圖6-4光電二極管的外形與圖形符號

1)光電二極管的工作原理

光電二極管的作用是進行光電轉換，其通常工作在反向電壓狀態，如圖6-5所示。

圖6-5光電二極管工作原理

2)光電二極管的參數

光電二極管的參數較多，在使用時一般只需關注最高工作電壓、光電流、光電靈敏度等主要參數即可。

(1)最高工作電壓URM。

最高工作電壓URM是指在無光照、反向電流不超過規定值的前提下，光電二極管所允許加的最高反向電壓。使用中，不能超過此參數值。

(2)光電流IL。

光電流IL是指在受到一定光照時，工作在反向電壓下的光電二極管中所流過的電流，約為幾十微安。一般情況下，選用光電流較大的光電二極管效果較好。

(3)光電靈敏度Sn。

光電靈敏度Sn是指在光照下，光電二極管的光電流IL與入射光功率之比，單位為μA/μW。光電靈敏度Sn越高越好。

3)光電二極管的檢測

(1)光電二極管的正、負極判別。

光電二極管兩管腳有正、負極之分。通常，靠近管鍵或色標的是正極，另一腳是負極；較長的是正極，較短的是負極，如圖6-6所示。

圖6-6光電二極管的正、負極判別

(2)用萬用表檢測光電二極管的好壞。

將萬用表置R×1k擋，黑表筆(表內電池正極)接光電二極管正極，紅表筆接負極，測其正向電阻，應為10～20?kΩ；對調兩表筆，即紅表筆接光電二極管正極，黑表筆接負極，然后用一遮光物(例如黑紙片等)將光電二極管的透明窗口遮住，這時測得的是無光照情況下的反向電阻，應為無窮大；移去遮光物，使光電二極管的透明窗口朝向光源(自然光、白熾燈或手電筒等)，這時表針應向右偏轉至幾kΩ處，這說明被測管是好的。

4)光電二極管的正確選用

光電二極管的種類很多，而且參數相差較大，選用時要根據電路的要求，首先確定選用什么類別的，再確定選用什么型號的，最后再從同型號中選用參數滿足電路要求的光電二極管。

3.光電三極管

光電三極管的作用也是實現光電轉換。但是，光電二極管光電轉換的靈敏度低，而光電三極管實質是在光電二極管的基礎上加了一級放大，使其光電轉換的靈敏度大大提高。

1)光電三極管的外形

光電三極管為NPN結構，基極即為光窗口。大多數光電三極管只有發射極E和集電極C兩個管腳。也有部分光電二極管基極B有引出管腳，作為溫度補償，不用時可將其減去。光電三極管的外形和圖形符號如圖6-7所示。

圖6-7光電三極管的外形與圖形符號

2)光電三極管的工作原理

光電三極管可以等效為光電二極管和一般三極管的組合元件，如圖6-8所示。

圖6-8光電三極管的等效電路

3)光電三極管的檢測

(1)從外觀上檢查判別光電三極管的引腳。

靠近管鍵或色標的是發射極E，離管鍵或色標較遠的是集電極C，較長的管腳是發射極E，較短的管腳是集電極C。如圖6-9所示。

圖6-9光電三極管的引腳識別

(2)用萬用表檢測光電三極管的好壞。

將萬用表置于R×1k擋，用黑表筆接光電二極管的集電極C，紅表筆接光電三極管的發射極E。用遮光物遮住光電三極管的光窗口，由于沒有光照，光電三極管中沒有電流，其電阻值應接近無窮大；移去遮光物，將光電三極管的光窗口朝向光源，這時萬用表的指針應向右偏轉至幾kΩ或1?kΩ左右，指針的偏轉幅度表征了光電三極管的靈敏度。

6.2光?電?耦?合?器

1.光電耦合器的種類光耦合器外形有兩種，其中國產的GD14型等，管腳為雙向同軸的塑封結構；國產GH301和進口產品4N25型等為雙列直插式結構，并有四腳和六腳兩種，其符號與外形如圖6-10所示。圖6-10光點耦合器的符號與外形

光電耦合器的種類很多，在不同的場合可根據需要采用不同種類的光電耦合器。常見光電耦合器的類型和電路圖形符號如圖6-11所示。

圖6-11光電耦合器的類型與電路圖形符號

2.光電耦合器的主要參數

1)輸入參數

輸入參數是指輸入端發光器件的主要參數，包括光強度以及最大工作電流等。

2)輸出參數

輸出參數是指輸出端受光器件的主要參數，如用光電二極管或光電三極管時，則參數有光電流和暗電流、飽和壓降、最高工作電壓、響應時間以及光電靈敏度等。

3)傳輸參數

(1)極間耐壓。

極間耐壓指光電耦合器的輸入端與輸出端之間的絕緣耐壓值。當發光器件與受光器件的距離較大時，其極間耐壓值就高，反之就低。

(2)極間電容。

極間電容指光電耦合器的輸入端與輸出端之間的分布電容，一般為幾皮法。

(3)隔離阻抗。

隔離阻抗指光電耦合器的輸入端與輸出端之間的絕緣電阻值，其值可達1012

Ω以上。

(4)電流傳輸比。

電流傳輸比是指當輸出端工作電壓為一個定值時，輸出端電流與輸入端發光二極管的正向工作電流之比。電流傳輸比可表征光電耦合器傳輸信號能力。

3.光電耦合器的檢測

光電耦合器也可用萬用表檢測，輸入部分和檢測發光二極管相同，輸出部分與受光器件類型有關，對于輸出為光電二極管、三極管的，則可按光電二極管、光電三極管的檢測方法測量。下面以通用型光電耦合器為例，介紹光電耦合器的檢測方法。

1)靜態檢測

由于光電耦合器的發射管(輸入端)和接收管(輸出端)是相互隔離的，因此可以用萬用表單獨檢測這兩部分。

測量接收管的集電結和發射結電阻時，無論正測還是反測，其阻值都應為無窮大，否則表示接收管已損壞。

2)動態檢測

給光電耦合器的輸入端加一電壓，使發光二極管發光，同時檢測輸出端光電三極管有無產生電流，以此來檢測該光電耦合器的好壞。

保持這種連接，將與發光二極管連接的萬用表置R×100擋，降低驅動電流，發光二極管發的光減弱，此時光電三極管產生的電流就小了，表示現在萬用表指示電阻值變大了(大約由幾十歐變為幾千歐)。如果接收管輸出兩端之間的阻值變化不大，說明該光電耦合器已損壞而不能使用。

6.3LED?數?碼?管

1.?LED數碼管的結構和工作原理

LED數碼管有共陰極與共陽極兩種結構，內部結構如圖6-12所示。a～g代表7個筆段的驅動端，DP是小數點。第3腳與第8腳內部連通，為公共端。圖6-12

LED數碼管的結構

2.?LED數碼管的檢測

1)判別LED數碼管是共陰極還是共陽極

將萬用表置R×10k擋，用黑表筆接LED數碼管的1腳，紅表筆接LED數碼管的3腳或8腳，如果LED數碼管g段發出光來，說明LED數碼管是共陰極的。

如果此時g段不發出光來，交換表筆，即黑表筆接LED數碼管的3腳或8腳，紅表筆接LED數碼管的1腳，