发光器件与光电耦合器件
光电耦合器
光电耦合器光电耦合器亦称光耦合器（Optical Coupler）。
它是以光为媒介，用来传输电信号的器件，内部包括发光器和受光器两部分。
通常是把发光器（可见光LED或红外线LED）与受光器（光电半导体管）封装在同一管壳内。
当输入端加上电信号时，发光器发出光线，受光器接受照之后就产生光电流，从输出端引出，从而实现了“光-电-光”的转换。
下面分别介绍光电耦合器的工作原理及检测方法。
1.工作原理光电耦合器有管式、双列直插式和光导纤维式等封培育形式。
图1是内部结构示意图。
光电耦合器的种类达数十种，主要有通用型（又分无基极引线和基极引线两种）、达林顿型、施密特型、高速型、光集成电路、光纤维、光敏晶闸管型（又分单向晶闸管、双向晶闸管）、光敏场效应管型。
此外还有双通道式（内部有两套对管）、高增益型、交-直流输入型等等。
表1和表2分别列出光电耦合器的分类及典型产品主要参数。
国外生产厂家有英国ISOCOM公司等，国内厂家的苏州半导体总厂等。
光电耦合器的主要优点是：信号单向传输，输入端与输出端隔离，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。
光电耦合器是70年代发展起来产新型器件，现已广泛用于电气绝缘、电平转换、级间耦合、驱动电路、开关电路、斩波器、多谐振荡器、脉冲放大电路、数字仪表、微型计算机中。
利用它还可构成固态继电器（SSR）等。
光电耦合器的参数较多。
最重要的参数是电流放大系数传输比CTR （Curremt-Trrasfer Ratio）。
当接收管的电流放大系数h FE为常数时，它等于输出电流I C之比，通常用百分数来表示。
有公式CTR=I C/ I F×100%采用一只接收管的光电耦合器，CTR为20%～30%；达林顿型可达100%～500%。
这表明，欲获得同样的输出电流，达林顿型只需要较小的输入电流。
图3绘出了典型产品的CTR-I F特性。
2.利用万用表检测光电耦合器的方法鉴于光电耦合器中的发射管与接收管是互相独立的因此可以单独检测这两部分。
光电耦合器件
2. 光电开关 光电开关利用感光元件对变化的入 射光加以接收，并进行光电转换，同时 加以某种形式的放大和控制， 从而获得最终的控制输出“开”、 “关”信号的器件。 图8-22为典型的光电开关结构图。
发光元件 窗 接收元件 壳体
导线
图(a)是一种透射式的光电开关， 它的发光元件和接收元件的光轴是重 合的。
＋Vcc
R
CD4 584
CD4584 双列14脚封装 六非门（施密特触发器） 互补MOS 电源电压：7～15 v
＋Vcc R
图（a）、（b）表示负载为 CMOS比较器等高输入阻抗电路时 的情况，
＋Vcc
R SN 741 4
SN7414 双列14脚封装 六非门（施密特触发器） 双极型低功耗TTL 电源电压：5 v
光电开关的特点：
小型、高速、非接触，而且与TTL、 MOS 等电路容易结合。
用光电开关检测物体时，大部分只 要求其输出信号有“高——低” (1—0) 之 分即可。
图8 - 23 是光电开关的基本电路示例。
＋Vcc
R
CD4 584
＋Vcc R
＋Vcc
R SN 741 4
(a)
(b)
(c)
图8-23 光电开关的基本电路
当不透明的物体位于或经过它们之 间时，会阻断光路，使接收元件接收不 到来自发光元件的光，这样就起到了检 测作用。
图(b)是一种反射式的光电开关。
反射物
接 收 元件
发 光 元件
壳体 导线
它的发光元件和接收元件的光轴在 同一平面且以某一角度相交，交点一般 即为待测物所在处。
当有物体经过时，接收元件将接收 到从物体表面反射的光，没有物体时则 接收不到。
光电耦合器件简介
光电耦合器件简介光电偶合器件（简称光耦）是把发光器件（如发光二极体）和光敏器件（如光敏三极管）组装在一起，通过光线实现耦合构成电—光和光—电的转换器件。
光电耦合器分为很多种类，图1所示为常用的三极管型光电耦合器原理图。
当电信号送入光电耦合器的输入端时，发光二极体通过电流而发光，光敏元件受到光照后产生电流，CE导通；当输入端无信号，发光二极体不亮，光敏三极管截止，CE不通。
对于数位量，当输入为低电平“0”时，光敏三极管截止，输出为高电平“1”；当输入为高电平“1”时，光敏三极管饱和导通，输出为低电平“ 0”。
若基极有引出线则可满足温度补偿、检测调制要求。
这种光耦合器性能较好，价格便宜，因而应用广泛。
图一最常用的光电耦合器之部结构图三极管接收型 4脚封装图二光电耦合器之部结构图三极管接收型 6脚封装图三光电耦合器之部结构图双发光二极管输入三极管接收型 4脚封装图四光电耦合器之部结构图可控硅接收型 6脚封装图五光电耦合器之部结构图双二极管接收型 6脚封装光电耦合器之所以在传输信号的同时能有效地抑制尖脉冲和各种杂讯干扰，使通道上的信号杂讯比大为提高，主要有以下几方面的原因：（1）光电耦合器的输入阻抗很小，只有几百欧姆，而干扰源的阻抗较大，通常为105～106Ω。
据分压原理可知，即使干扰电压的幅度较大，但馈送到光电耦合器输入端的杂讯电压会很小，只能形成很微弱的电流，由于没有足够的能量而不能使二极体发光，从而被抑制掉了。
（2）光电耦合器的输入回路与输出回路之间没有电气联系，也没有共地；之间的分布电容极小，而绝缘电阻又很大，因此回路一边的各种干扰杂讯都很难通过光电耦合器馈送到另一边去，避免了共阻抗耦合的干扰信号的产生。
（3）光电耦合器可起到很好的安全保障作用，即使当外部设备出现故障，甚至输入信号线短接时，也不会损坏仪表。
因为光耦合器件的输入回路和输出回路之间可以承受几千伏的高压。
（4）光电耦合器的回应速度极快，其回应延迟时间只有10μs左右，适于对回应速度要求很高的场合。
常用光耦器件
常用光耦器件一、光耦器件概述光耦器件，也称为光电耦合器件，是一种能够实现光电转换的组件。
它通过光电二极管、发光二极管及隔离器件的组合，能够将输入端的电信号转换为输出端的光信号或将输入端的光信号转换为输出端的电信号。
常用的光耦器件有光耦隔离器、光耦继电器、光耦运算放大器等。
二、光耦隔离器1. 概述光耦隔离器是一种将输入端和输出端通过光电转换进行隔离的器件。
它具有输入端和输出端完全电气隔离的特点，能够有效地隔离输入端和输出端之间的电气信号，避免电气噪声和干扰的影响。
光耦隔离器主要由光电二极管和发光二极管组成，工作原理是输入端的电信号驱动发光二极管发出光信号，然后由光电二极管将光信号转换为输出端的电信号。
2. 组成及工作原理光耦隔离器由光电二极管、发光二极管及电气隔离器件组成。
•光电二极管：将输入端的光信号转换为电信号的组件。
•发光二极管：将输入端的电信号转换为光信号的组件。
•隔离器件：保证输入端和输出端实现电气隔离的组件，如隔离介质，隔离电源等。
工作原理： 1. 输入端的电信号驱动发光二极管发出光信号。
2. 光信号经过隔离器件传输到光电二极管。
3. 光电二极管将光信号转换为电信号，输出到输出端。
3. 应用领域光耦隔离器具有电气隔离、抗干扰能力强等特点，广泛应用于以下领域：1.工业控制：用于隔离工业设备中的高电压和低电压电路，保护低电压电路免受高电压干扰。
2.通信设备：用于隔离通信设备中的输入端和输出端，提高系统的稳定性和可靠性。
3.医疗设备：用于隔离医疗设备中的输入端和输出端，确保患者和操作人员的安全。
4.动力电子：用于隔离控制信号和功率电子设备，提高系统的稳定性和可靠性。
三、光耦继电器1. 概述光耦继电器是一种将输入端的电信号转换为输出端的光信号，实现电气隔离和信号放大的器件。
它可以用于驱动高电压负载，同时具有电气隔离的特点，适用于各种需要信号隔离和放大的应用场景。
2. 组成及工作原理光耦继电器由光电二极管、发光二极管和继电器组成。
光电耦合器件
3. 传输参数 （1）电流比CTR 指直流状态下，输出电流与输入电流之比。 一般 < 1。 （2）隔离电阻 RISO。指输入输出间绝缘电阻。 （3）极间耐压 UISO。 指发光管光电管间的绝缘耐压，一般在 500 V以上。 （4）脉冲上升时间和下降时间、输入输出的寄 生电容
以目前应用最广泛的发光二极管 和光敏三极管组合成的光电耦合 器为例，其内部结构。
ISOCOM公司是具有30年的与业光耦制造
经验，是英国光耦制造与家。
小批量采贩
1、小批量采贩原因多样化，采贩渠道多样化 2、工程师对小批量采贩的技术支持需求增加 3、小批量采贩网站的易用性和参考资料受欢迎 4、更多的工程师开始使用网络结算通道 5、对目录分销商的认知度在提升，使用的人在增加
添加文本样机开収（71.6%）和小批量生产模式（28.4%） 仌然是2011年小批量采贩的主要原因，但原有物料替换试 样（18%）和科学研究（13.1%）引起的小批量采贩表现较 活跃，这两项是2011调查新增的选项。此外，小批量采贩 的原因还包括产品维修（9.9%）和量产物料丌足（9%）。
现货市场/贸易商（50.2%）是小批量采贩的主要渠道，目录分销商（17.6%）、 授权分销商（14.0%）、B2B网站（13.2%）前景丌容忽视。现货市场质量无 保障，但价格低；目录分销商产品种类全，质量有保障，但价格高；授权分销 商技术支持力量强；B2B网站贩物便捷，可见小批量采贩正在趋向更加多样化 的采贩渠道。
1、组成开关电路
2、组成逻辑电路 当A或B只要有一个为低 电平时，B1或B2其中一 个或两个将会截止，F=o； 只有当输入逻辑电平A=1、 B=l时，输出F=1，完成 了“与”逻辑功能。
还可以根据其它逻辑运 算规律，组成“或门”、 “与非门”、“非门” 等逻辑电路。
光耦的工作原理及应用
光耦的工作原理及应用光耦（Optocoupler），又称光隔离器、光电耦合器或光电耦合件，是一种将输入与输出电路通过光线隔离的器件。
它由一个发光二极管（LED）和一个光敏三极管（光控晶体管或光电二极管）组成。
光耦通过光信号来传递输入信号，并同时实现输入输出之间的电气隔离，避免了传统接触式隔离器件中的直流/交流信号干扰和电气噪声。
光耦工作原理主要基于光电效应。
当输入端施加电压时，发光二极管（LED）发射出一束光，光线经过绝缘层（通常为空气或玻璃）传递到光敏三极体上。
当光线照射到光敏三极体上时，电流得以产生。
光敏三极体通过放大效应将输入端的电流转化为相应的输出电压或电流。
这种光电转换过程实现了输入与输出间的光电隔离。
光耦的应用：1.电气隔离：光耦的最主要应用之一是在输入和输出电路之间实现电气隔离，以防止输入信号对于输出电路的干扰。
特别是在高压或高电磁干扰的环境下，光耦可以有效地隔离输入和输出电路，提高系统的稳定性。
2.电流控制：光耦通常用于控制较高电流的开关或继电器。
通过控制输入端的光信号强度，可以控制输出端的电流。
这在一些需要电流隔离和精确控制的场合非常有用，例如电源开关控制、电机控制等。
3.脉冲传输：光耦因其能够传递高速脉冲信号而被广泛应用于通信和数据传输领域。
光耦能够提供高达几GHz的带宽，具备高速传输功能。
因此，在高速通信和数据传输系统中，光耦能够实现输入输出的电气隔离和高速信号传输。
4.隔离和保护：光耦可以用于隔离敏感的电路，防止高压或高电流的输入信号对其造成损坏。
光耦在控制智能电力开关、隔离高压测量电路、保护传感器和测量仪器等方面发挥重要作用。
5.反馈控制：在一些反馈控制系统中，光耦可以实现反馈信号的精确隔离，以防止反馈信号对控制器产生负面影响。
尤其是在高电压或高温环境下，通过光耦提供的电气隔离可以有效地保护控制回路的稳定性和可靠性。
总结：光耦是一种能够实现输入与输出电路之间的光电隔离的器件。
第6章 发光器件与光电耦合器件下
激光 :受激放大的光 普通光 :自发辐射光
5
粒子数分布反转
在激光物质中，外来的光子可以引起受激辐射，也可能被 受激吸收，而产生激光的必要条件之一就是受激辐射要占 主导地位，此时就必须从外部给工作物质输入能量，使处 于激发态的载流子多于处于基态的载流子，也就是把载流 于激发态的载流子多于处于基态的载流子，也就是把载流 子的正常分布倒转过来——粒子数反转 子的正常分布倒转过来——粒子数反转 粒子数反转的条件：增益大于阈值增益或注入电流大于阈 粒子数反转的条件：增益大于阈值增益或注入电流大于阈 值电流。
1、有能激活介质的泵浦装置； 有能激活介质的泵浦装置； 能让粒子数反转使受激辐射足以克服损耗； 2、能让粒子数反转使受激辐射足以克服损耗； 有一个谐振腔提供正反馈和高增益， 3、有一个谐振腔提供正反馈和高增益，维持受 激辐射。 激辐射。 半导体激光器是向半导体PN结注入电流 实现 结注入电流，实现 半导体激光器是向半导体 结注入电流 粒子数反转分布，产生受激辐射，再利用谐振 粒子数反转分布，产生受激辐射， 腔的正反馈，实现光放大而产生激光振荡的 腔的正反馈，实现光放大而产生激光振荡的
20122012-3-7 7
谐振腔损耗
透过 反射 吸收 散射 衍射
谐振腔 失掉
偏振损失
起偏器泡克尔晶体
20122012-3-7 8
增益和损耗
增益<损耗
增益=损耗
增益>损耗
20122012-3-7
9
法布里 - 珀罗谐振腔 (FabryPerot, FP)
解 理 面
有源区
注入电流
解 理 面
L R1 z=0 R2 z=L
25
L=250µm W=12 µm T=300K
光电耦合器件简介
光电耦合器件简介光电偶合器件（简称光耦）是把发光器件（如发光二极体）和光敏器件（如光敏三极管）组装在一起，通过光线实现耦合构成电—光和光—电的转换器件。
光电耦合器分为很多种类，图1所示为常用的三极管型光电耦合器原理图。
838电子当电信号送入光电耦合器的输入端时，发光二极体通过电流而发光，光敏元件受到光照后产生电流，CE导通；当输入端无信号，发光二极体不亮，光敏三极管截止，CE不通。
对于数位量，当输入为低电平“0”时，光敏三极管截止，输出为高电平“1”；当输入为高电平“1”时，光敏三极管饱和导通，输出为低电平“ 0”。
若基极有引出线则可满足温度补偿、检测调制要求。
这种光耦合器性能较好，价格便宜，因而应用广泛。
ab126计算公式大全图一最常用的光电耦合器之内部结构图三极管接收型4脚封装图二光电耦合器之内部结构图三极管接收型6脚封装图三光电耦合器之内部结构图双发光二极管输入三极管接收型4脚封装图四光电耦合器之内部结构图可控硅接收型6脚封装图五光电耦合器之内部结构图双二极管接收型6脚封装光电耦合器之所以在传输信号的同时能有效地抑制尖脉冲和各种杂讯干扰，使通道上的信号杂讯比大为提高，主要有以下几方面的原因：（1）光电耦合器的输入阻抗很小，只有几百欧姆，而干扰源的阻抗较大，通常为105～106Ω。
据分压原理可知，即使干扰电压的幅度较大，但馈送到光电耦合器输入端的杂讯电压会很小，只能形成很微弱的电流，由于没有足够的能量而不能使二极体发光，从而被抑制掉了。
（2）光电耦合器的输入回路与输出回路之间没有电气联系，也没有共地；之间的分布电容极小，而绝缘电阻又很大，因此回路一边的各种干扰杂讯都很难通过光电耦合器馈送到另一边去，避免了共阻抗耦合的干扰信号的产生。
（3）光电耦合器可起到很好的安全保障作用，即使当外部设备出现故障，甚至输入信号线短接时，也不会损坏仪表。
因为光耦合器件的输入回路和输出回路之间可以承受几千伏的高压。
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6.1.2 LED的特性参数
（1） 发光光谱和发光效率 LED发出光的相对强度(或能量)随波长(或频率)变化的分布曲
线称为其发光光谱。 它由材料的种类、性质以及发光中心结构决定，与器件的几
何形状、外部结构和封装方式无关。 描述光谱分布的主要参量是
第6章 发光器件与光电耦合器件
本章将着重介绍目前占据光源市场分量最大的LED发光二极管 及其光电耦合器。
• 6.1 LED的基本工作原理 1907年首次发现半导体二极管在正向偏置情况下会发光。 70年代末，开始用发光二极管作为数码显示器和简单图像的 显示器。 近20年来，由于发光二极管的发光效率、发光光谱与半导体 制造工艺的进步，尤其是发蓝光的LED与银光材料研制成功，使 LED制造成本急剧下降，应用市场急剧升温，成为21世纪科技发 展的亮点。 LED的突出优点为：
发光束的水平、垂直发 散角均为120°。
（2） 边发光LED 图6-4所示为波长1.3μm的 双异质结InGaAsP／InP边发光 型LED的结构。 核心部分是N型AIGaAs有 源层，及两边的P型AIGaAs和 N型AIGaAs导光层。 导光层的折射率比有源层 低，比周围材料的折射率高。
为和纤芯尺寸相配合，光的端面宽度通常为50～70μm，长 度为100～150μm。
0.02
0.4
2.05
GaAs0.35P0.65:N 红光 0.638
0.5
0.2
0.95
1.96
GaAs0.15P0.85:N 黄光 0.589
0.2
0.05
0.90
2.1
GaAs
红外 0.9
1.35
In0.32Ga0.68P[Te,Zn]
0.2
0.1
对 GaAs这类直接带隙半导体，ηin可接近100％。ηex很小，如CaP[Zn-O]红 光发射效率ηev很小，最高为15％；发绿光的GaP[N]的ηev约为0.7％；对发红光 的 GaAs0.6P0.4，其ηex约为0.4％。
辐射复合率，1/τrn为无辐射复合率，内部量子效率为
in
neo ni
1
1r /nr
只有τrn＞＞τr，才能获得有效的光子发射。
辐射复合发出的光子并不能全部离开晶体向外发射，它
将有一部分在通过半导体时被吸收，一部分在界面被全反射
而返回晶体内部，只有一部分发射出去。
因此，发射到外部的光子数nex与单位时间内注入到器件
（1）电光转换效率高（高于90%）、响应速度快； （2）体积小，重量轻，便于集成； （3）工作电压低，耗电少，驱动简便，容易用硬件电路与 计算机控制； （4）既能制成单色性好的各种单色LED管，又能制成发白 光的LED管； （5）发光亮度高，亮度易于控制与调节，被广泛应用于数 字仪表的显示器、大屏幕图像显示器和在光电检测领域的特种 光源使用。
（4） 最大工作电流
• 6.1.1 LED的发光机理
1. 发光机理 LED是一种注入型电致发光器件，它由半导体PN结构成。
（1）PN结注入发光
如图6-1所示，正偏压使PN结区中 的大量非平衡载流子不断地进行相对 扩散，因电子迁移率μn比空穴迁移率 μp高20多倍，电子很快迁移到P区与空 穴复合而发光。
（2）异质结注入发光
峰值波长和发光光谱的半宽度。 图6-5为GaAs0.6Po.4 和GaP的
发射光谱。峰值波长在620～ 680nm之间，半宽度为 20～30nm。
GaP峰值波长为700nm，半宽 度为100nm。
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，复合率又分别取决于载流子寿命τr和τrn，1/τr为
的电子-空穴对数nin之比定义为外部量子效率ηex，即
ex
nex nin
表6-1为典型LED发光效率与发出可见光发光谱的波长。
表6-1 几种典型LED发光效率与发光波长
名称
发光波 外部量子效率% 可见光发光 禁带宽度Eg 长(μm） 数变值 平均值 效率(lm/W) (eV)
GaAs0.6P0.4 红光
提高外部量子效率的措施有三条：
①用比空气折射率高的透 明物质如环氧树脂（n2 =1.55） 涂敷在发光二极管上；
②把晶体表面加工成半球 形；
③用禁带较宽的晶体作为 衬底，以减少晶体对光吸收。
LED外部发光效率均与温度 有关。
图6-6 为GaP（绿色）、GaP （红色）、GaAsP三种LED相对 光亮度Le,λ,r与温度t的关系曲线。
（2） 时间响应特性与温度特性 LED时间响应快，短于1μs，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。LED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。
（3） 发光亮度与电流的关系
LED发光亮度L是单位面积发光强度的量度。在辐射发光在
P区的情况下，发光亮度L与电子扩散电流idn之间有如下关系：
0.65
0.50.20.38Fra bibliotek1.9
Ga0.65Al0.35As 红光 0.66
0.5
0.2
0.27
1.9
GaP:EnO 红光 0.79
12
12.3
2.4
1.77
GaP:N
绿光 0.568
0.7 0.05～0.15
4.2
2.19
GaP:NN 黄光 0.59
0.1
_
0.45
2.1
GaP
纯绿光 0.555 0.66
L
idn
e R
式中，τ是载流子辐射复合寿命τR和非辐射复合寿命τNR的函数。
如图6-7所示为 GaAsl—xPx、Gal—xAlxAs 和GaPLED发光亮度与 电流密度的关系曲线。
在很大范围内不易 饱和，使得LED可作为 亮度可调的光源，在亮 度调整过程中发光光谱 保持不变。
它更适合脉冲电流 驱动，脉冲状态它的工 作时间短，发热低，可 获得更高的亮度。
图6-2（a） 表示理想的异 质结能带图， （b）为发光 机理。
• 2. 基本结构 （1） 面发光LED
图6-3所示为0.8～0.9μm 的双异质结GaAs／AIGaAs 面发光型LED结构。
它有圆形发光平面，直 径约50μm，厚度小于2.5μm。
一段光纤穿过衬底小圆 孔与有源发光区平面垂直接 入，用粘合材料加固，光从 尾纤输出。