红外辐射红外器件与典型应用PDF电子书下载

目录 1

第1章　红外辐射基础 1

1.1　红外辐射及红外光谱 1

1.2　红外热效应与红外吸收 1

1.3　红外辐射技术术语、定义、符号和单位 3

1.4　点源和面源 5

1.5　辐射能的传播 7

1.5.1　辐射能逆二次方传播定律 7

1.5.2　朗伯（Lambert）余弦定律 7

1.6　黑体和黑体辐射 9

1.7　红外辐射基本定律 10

1.7.1　基尔霍夫（Kirchhoff）定律 10

1.7.2　斯忒藩-玻尔兹曼（Stefan-Boltzman）定律 11

1.7.3　维恩位移定律 12

1.7.4　普朗克定律（公式） 13

1.8　黑体辐出度的计算和通用函数表 14

1.8.1 f（λT）函数表 14

1.8.2 F（λT）函数表 17

1.8.3　f（λT）,F（λT）函数表的使用和计算举例 17

2.1.1 比辐射率（ε） 20

2.1 非黑体辐射 20

第2章 实际辐射源和光电探测器 20

2.1.2 实际物体的辐射 21

2.2　影响物体发射率的因素和变化规律 21

2.3　辐射体分类及辐射参数 23

2.3.1　三类辐射体 23

2.3.2　物体的吸收率、反射率和透射率 24

2.4　红外辐射源 25

2.4.1　标准辐射源 26

2.4.2　几种工程用辐射源 26

2.4.4　月球、行星、恒星 27

2.4.3　太阳 27

2.4.5　地球 28

2.4.6　人体 28

2.5　红外探测器及其分类 28

2.5.1　热探测器 29

2.5.2　光子（或量子）探测器 30

第3章　红外发光二极管及发光组件 31

3.1　PN结的形成和自发辐射 31

3.1.1　PN结及其能带图 31

3.1.2　PN结的伏-安特性 32

3.1.3　PN结的自发辐射 33

3.2　LED的能带结构和发光波长及辐射强度 34

3.2.1 LED的发光波长和材料的跃迁类型 34

3.2.2 LED的PN结材料和发光色及发光效率 36

3.3　红外发光二极管的外形与内部结构 37

3.3.1 红外LED的外形结构 37

3.3.2 红外LED的内部结构 38

3.4 表面红外发光二极管（SLED） 40

3.5 侧面发光二极管（ELED） 41

3.6　红外高速发光二极管 42

3.7 超辐射红外发光二极管（SLD） 43

3.8　红外发光二极管的基本特性和测试方法 44

3.8.1 LED的伏-安（V-A）特性 44

3.8.2 LED的电光转换（P-I）特性 45

3.8.3　LED的辐射光谱分布 47

3.8.4 LED辐射方向性图和半功率角宽度θ0.5 48

3.8.5 LED的几个重要参数 49

3.9 红外发光二极管的选型、使用和安装 50

3.9.1 HG系列红外发光二极管 51

3.9.2　TLN系列红外发光二极管 53

3.9.4　红外发光二极管的驱动、正确使用和安装 54

3.9.3　GL型和其他系列红外发光二极管 54

3.10　红外发光LED组件 56

3.11　设计红外发射电路的注意事项 57

3.12 几种典型的红外光发射电路 58

第4章 固体和气体红外激光源 61

4.1　红宝石激光器 61

4.2 钇铝柘榴石（Nd:YAG）激光器 62

4.3　玻璃系列激光器 63

4.4　钛宝石激光器 64

4.5.1 内镜型He-Ne激光器 67

4.5　He-Ne气体激光器 67

4.5.2　外镜型He-Ne激光器 68

4.5.3 He-Ne混合气体受激辐射机理及能级图 68

4.6　CO2激光器 69

4.6.1 CO2激光器的激发方式和相应结构 70

4.6.2　CO2激光器的发光波长和跃迁能级图 73

第5章 半导体激光二极管（LD） 75

5.1　半导体激光器的一般工作原理 75

5.1.1　物质的光吸收与发射 75

5.1.2　半导体中载流子的统计分布与粒子数反转 76

5.1.3　重掺杂下PN结的能带分布和受激辐射机理 79

5.1.4　激光振荡条件与光学谐振腔 80

5.2.1　按垂直于PN结方向的结构分类 81

5.2　法布里-珀罗（F-P）腔型半导体二极管激光器 81

5.2.2　按平行于PN结方向的结构分类 83

5.3　GaAs/Al0.3 Ga0.7 As双异质结构条形激光二极管 84

5.4 分布反馈（DFB）激光二极管和分布Bragg反射器激光二极管 87

5.4.1 DFB激光二极管 87

5.4.2　分布布拉格反射器（DBR）激光二极管 88

5.4.3　分别限制式异质结分布反馈（SCH-DFB）激光二极管 89

5.5　量子阱激光二极管 90

5.5.1　量子阱激光器的结构和发光机理 90

5.5.2　量子阱激光器的特点 91

5.6.1 面发射激光器（SELD）的类型和特点 92

5.6　垂直腔面发射激光器（VCSEL） 92

5.6.2　垂直腔面发射激光器（VCSEL）的结构和基本特性 93

5.6.3　垂直腔面发射激光器（VCSEL）的优点和应用 95

5.7　半导体激光二极管的特性及合理应用 97

5.8　半导体激光器组件 102

5.8.1　组件的构成与功用 102

5.8.2　几种实用半导体激光器组件 105

第6章 红外激光在信息处理、工业和军事等领域的应用 113

6.1　激光在信息处理、数字音频中的应用 113

6.1.1　激光信息处理与压缩激光盘 113

6.1.2　激光唱机的构成和数据读取 116

6.2　红外激光雷达 117

6.2.1　激光测距仪 118

6.2.2　地炮红外激光组合雷达 119

6.2.3　红外激光自动跟踪雷达 120

6.2.4　跟踪导弹、飞船发射的红外激光雷达 124

6.3　大气环境监测红外激光雷达 124

6.4　红外激光制导 129

6.4.1　制导及其分类 129

6.4.2　红外制导及系统分类 130

6.4.3　红外激光制导 132

6.5.1　光纤通信系统 134

6.5 以红外光波为传媒的光纤通信系统 134

6.5.2　光放大器 136

6.6　红外激光大气通信 140

6.7　卫星激光通信 141

6.7.1　卫星微波通信 141

6.7.2　卫星运动轨道与同步卫星 142

6.7.3　卫星激光通信 143

6.8　红外激光加工及激光加工装置 145

6.8.1　激光加工及激光加工机概述 145

6.8.2　加工用激光的特性 146

6.8.3　激光切割 149

6.8.4　激光切削 152

6.8.5　激光焊接 153

6.8.6　激光表面处理 155

6.8.7　激光表面去污 157

第7章 红外光电探测器及应用 159

7.1　光电探测器分类及相应原理 159

7.1.1　光电探测器分类 159

7.1.2　半导体的光电导效应和光电导探测器（PC器件） 159

7.1.3　半导体的光生伏特效应和光生伏特探测器（PV器件） 161

7.1.4　光磁电效应和光磁电探测器（PEM器件） 161

7.1.5　光电子发射效应和光电发射探测器（PE器件） 162

7.2　光电导探测器（光敏电阻器）及应用 163

7.2.1　光电导探测器的工作原理 163

7.2.2　光电导探测器的基本特性和主要参数 166

7.2.3　从可见光到远红外光波段的常用光电导探测器 170

7.2.4　常用的MG系列CdS光电导探测器 174

7.2.5　光电导探测器的偏置电路 180

7.2.6　光电导探测器使用注意事项 183

7.2.7　采用光敏电阻的金鸡报晓电路 184

7.2.8　采用光敏电阻的阅读环境照度监视语言告戒电路 185

7.2.9　用光敏电阻制成的光控式路灯自动亮灭电路 186

7.2.10　用光敏电阻作为靶心的打靶中的“好运来”游戏机电路 187

7.3　光电二极管（PD）及应用 188

7.3.1　光电二极管（PD）的结构和工作原理 188

7.3.2　光电二极管（PD）的基本特性和主要参数 189

7.3.3　工程实用PN结型光电二极管 193

7.3.4　光电二极管实用电路六例 198

7.4　PIN型光电二极管（PIN-PD） 200

7.4.1　PIN型光电二极管的结构和工作原理 200

7.4.2　PIN型光电二极管的性能参数和典型管型 201

7.5　雪崩光电二极管（APD） 207

7.5.1　雪崩倍增效应 207

7.5.2　APD的结构及其工作原理 208

7.5.3 国产雪崩光电二极管APD的性能参数和典型器件 211

7.6　特殊光电二极管及组合器件 213

7.7 内含光电二极管的低噪声集成放大器和应用电路 217

7.7.1　DFA系列（DFA—XXXX）光电转换集成放大电路 218

7.7.2 HAD系列（1100A）光电转换集成放大电路 219

7.7.3　HFD系列（1060，1100）光电转换集成放大电路 220

7.7.4 HUV系列（1100BG,1100BQ,2000B,4000B）光电转换集成放大器电路 222

7.7.5 HUV双系列（2525BG）集成电路 224

7.7.6 HTE系列（2100BQ,2104BQ）集成电路 226

7.7.7　双光电二极管双通道DTC系列集成电路 227

7.7.8 含光电二极管和单电源运放的集成电路OPT101 229

7.7.9 含光电二极管和放大器的OPT202型集成电路和应用 233

7.7.10　含光电二极管和放大器的OPT209型集成电路和应用 237

7.7.11 含光电二极管和放大器的OPT301型集成电路和应用 242

7.8　光电晶体管及其应用 248

7.8.1 同质结光电晶体管的结构和工作原理 248

7.8.2　光电晶体管的主要特性 250

7.8.3　波长可选的异质结光电晶体管 253

7.8.4　光电场效应晶体管 255

7.8.5　达林顿型光电三极管 256

7.8.6　光控可控硅及其应用 257

第8章 光电耦合器件及应用电路 264

8.1　光电耦合器件概述 264

8.2　光电耦合器的结构和分类 264

8.3 白炽灯-光敏电阻型光电耦合器 266

8.4　氖灯-光敏电阻型光电耦合器 269

8.5　二极管-光敏电阻型光电耦合器 270

8.5.1　二极管光敏电阻型光电耦合器的结构和特性 270

8.5.2　VTL型系列光电耦合器的性能和典型器件介绍 272

8.5.3　二极管-光敏电阻型光电耦合器的基本电路设计和计算 273

8.5.4　二极管-光敏电阻型光电耦合器应用实例 276

8.6　二极管-二极管型光电耦合器 283

8.7.1　二极管-三极管型光电耦合器的结构、原理和电路符号 287

8.7.2　二极管-三极管型光电耦合器的信息传输原理及优缺点 287

8.7　二极管-三极管型光电耦合器 287

8.7.3　二极管-三极管型光电耦合器的性能参数及其测量 288

8.7.4　常见二极管-三极管型光电耦合器的产品型号、参数及典型管型举例说明 293

8.7.5　二极管-高压三极管输出式光电耦合器 298

8.8　二极管-达林顿输出型光电耦合器 300

8.8.1　二极管-达林顿输出型光电耦合器的组成和性能参数 300

8.8.2　常见二极管-达林顿输出型光电耦合器的产品型号、参数及典型管型举例说明 302

8.9　二极管-光敏可控硅型光电耦合器／光电隔离器 303

8.9.2　二极管-双向可控硅型光电耦合器的产品型号、参数及典型耦合器举例说明 304

8.9.1 二极管-光敏可控硅型光电耦合器的组成、特点和电路符号 304

8.9.3　二极管-光敏可控硅光电耦合器的典型应用电路 308

8.10　交流输入-晶体管输出型光电耦合器 310

8.11 光电耦合器在信号耦合和隔离电路中的设计及实际应用 313

8.11.1　小信号交流耦合电路的设计计算 314

8.11.2　脉冲耦合电路的设计计算 315

8.12　光电耦合器在长线传输中的设计和应用 316

8.12.1　采用光电耦合器传输数字信号的设计计算 316

8.12.2　采用光电耦合器的非对称负载长线传输电路 318

8.13　光电耦合器在隔离放大器中的应用 319

8.12.4　对称负载接地的长线传输电路 319

8.12.3　终端负载对称的长线传输电路 319

8.13.1 使用二极管-二极管光电耦合器的宽频带隔离放大器 320

8.13.2　采用二极管-三极管光电耦合器的电平反馈式扫描幅度控制电路 320

8.13.3　采用二极管-三极管型光电耦合器的线性放大器 320

8.13.4　光电耦合器隔离正反相输入线性放大器 321

8.13.5　光电耦合比较放大器电路 321

8.14 用光电耦合器实现不同逻辑电路的连接和电平匹配 322

8.14.1 HTL-TTL-HTL逻辑电路的互连 323

8.14.2　采用光电耦合器的接口电路 323

8.15.1　用光电耦合器组成常闭和常开开关 325

8.14.3　采用光电耦合器的数字电平匹配电路 325

8.15　用光电耦合器组成各种无触点开关电路 325

8.15.2　用光电耦合器组成自锁功能的无触点开关 326

8.15.3　用光电耦合器组成单刀双掷开关 327

8.15.4　用光电耦合器组成双刀双掷开关电路 328

8.16　用光电耦合器组成各种脉冲整形电路 329

8.16.1　光电耦合器与晶体管放大器组成同相整形电路 329

8.16.2　光电耦合器与门电路组成同相输出驱动电路 329

8.16.3　光电耦合器与门电路组成反相整形电路 330

8.16.4　光电耦合器与分立元件施密特触发器组成同相整形驱动电路 330

8.17.1 用光电耦合器组成与门及非门逻辑电路 331

8.17　用光电耦合器组成各种逻辑电路 331

8.17.2　用光电耦合器组成或门、或非门逻辑电路 332

8.17.3　用光电耦合器组成禁阻门电路 332

8.18　用光电耦合器组成各种触发器和振荡器 332

8.18.1　用光电耦合器组成双稳态触发电路 333

8.18.2　用光电耦合器组成单稳态电路 333

8.18.3　用光电耦合器组成双稳态隔离输出电路 334

8.18.4　用光电耦合器组成多谐振荡器隔离电路 334

8.18.5　用光电耦合器组成施密特触发器电路 335

8.18.6　用光电耦合器组成音频振荡器 335

8.18.7　用光电耦合器组成多谐振荡器 336

8.19　用光电耦合器组成各种驱动电路 337

8.19.1　有源与非门驱动电路 337

8.19.2 门电路和晶体管混合驱动电路 337

8.19.3　用光电耦合器隔离并驱动可控硅控制电路 338

8.19.4　用光电耦合器组成多组驱动电路 339

8.19.5　用光电耦合器组成传真机记录管的隔离、驱动电路 339

8.20　光电耦合器在稳压源和过流保护电路中的应用 340

8.20.1　用光电耦合器隔离的可控硅触发控制交流供电电路 340

8.20.2　采用光电耦合器的交流供电切换电路 340

8.20.3　用光电耦合器进行隔离调整的500V高压稳压电路 341

8.20.6　用光电耦合器进行精密调整的1000V高压稳压电路 342

8.20.4　采用光电耦合器进行隔离调整的1000V高压稳压电路 342

8.20.5　用光电耦合器构成的控制高压开关电路 342

8.21　用光电耦合器组成隔离式斩波器和调制器 343

8.21.1　用光电耦合器构成的隔离式斩波电路 343

8.21.2　由两个光电耦合器构成的直接斩波取样电路 344

8.21.3　用光电耦合器组成交流信号斩波取样电路 344

8.21.4　用光电耦合器组成相位差180°的方波调制器 344

8.22　光电耦合器在计时、定时方面的应用 345

8.22.1　钟控定时运行节电插座电路 345

8.22.2　竞赛用数字计时器电路 346

8.22.3　竞赛用60秒声光数字计时器电路 347

8.22.4　家用电器0.5～24h定时关断“叮咚”发声控制电路 348

8.22.5 采用可控硅型光电耦合器的定时安全供电插座伴鸟鸣声报叫电路 349

8.22.6　0.5～24h声光显示任意定时军号发声电路 350

8.23　光电耦合器在话铃检测、话机留言、自动录音方面的应用 351

8.23.1　采用光电耦合器的无绳电话机铃流检测电路 351

8.23.2　采用光电耦合器检测电话回铃音电路 352

8.23.3　采用光电耦合器的电话自动录音控制电路 352

8.23.4　电话实时全自动录音控制电路 353

8.23.5　采用光电耦合器隔离的用语音代替电话铃声的留言控制器电路 354

8.24.1　具有“高压危险”语言告警功能的漏电保护插座电路 356

8.24　光电耦合器在安全用电、供电方面的应用 356

8.24.2　市电AC220V来电、停电音响报叫器电路 357

8.24.3　AC220V来电乐曲发声报叫电路 358

8.24.4　交流电停电语音报叫安全供电插座电路 359

8.24.5　交流电复电叮咚乐曲报讯器电路 360

8.24.6　采用光电耦合器4N26的市电停电声光报知器电路 361

8.24.7　交流电停电语声“请注意”告戒供电插座电路 362

8.25　光电耦合器用于PC机、单片机安全联机和接口 363

8.25.1　计算机CPU运行故障音响监视器电路 363

8.25.2　计算机输入、输出设备与分机或终端的匹配连接电路 363

8.25.4　采用光电耦合器实现微处理器进行安全控制的固态继电电路 364

8.25.3　采用光电耦合器的计算机矩阵隔离和电平匹配网络 364

8.25.5　采用光电耦合器构成CMOS接口电路 365

8.25.6　采用光电耦合器实施单片机对交流电压源的控制电路 366

8.25.7　采用光电耦合器实现IBM PC机与8031单片机间双向通信的电路 367

8.25.8　采用光电耦合器对单板机实施自动复位电路 367

8.26　光电耦合器在日用电子和工业控制方面的应用 368

8.26.1　用光电耦合器组成的充电指示电路 368

8.26.2　采用二极管-光敏电阻型光电耦合器的自动充电器电路 368

8.26.3　光电隔离的间歇式电加热控制电路 370

8.26.4　车床实习保安装置电路 371

8.26.5　用光电耦合器的晶体管扩音器过电流自动保护电路 371

8.26.6　采用光电耦合器的AC220V电压源转化为脉冲方波信号电路 372

8.26.7　采用光电耦合器将扫描信号转变成脉冲信号电路 373

8.26.8　采用光电耦合器将输入音频信号转换成脉冲的电路 373

8.26.9　电话摘机夜间自动照明控制电路 374

8.26.10　用光电耦合器构成隔离式固态继电器电路 375

8.26.11 采用光电耦合器进行多点温度巡检的接口电路 376

第9章　光电断路器、光电开关及其应用 378

9.1　光电断路器及其应用 378

9.1.1　光电断路器的结构、原理和主要参数 378

9.1.2　光电断路器的特点和典型应用 380

9.1.3　KP型光电断路器及外电路连接 382

9.1.4　钱柜、抽屉防盗语言报叫电路 383

9.1.5　采用反射型光电断路器的电磁活塞控制电路 384

9.1.6　公交车安全行车关门声光报叫电路 385

9.1.7　采用反射式光电断路器的计数器电路 386

9.1.8　旅馆客房节电插匙取电、用电控制电路 387

9.2　光电开关及其应用 388

9.2.1　光电开关的分类和工作方式 388

9.2.2　光电开关的结构类型和主要功能 390

9.2.3　光电开关的用途和典型应用 394

9.2.5　采用槽型光电开关的门、窗防盗报警电路 395

9.2.4　采用对射式光电开关和袖珍计算器的自动计数器 395

9.2.6　柜屉抽动无线电报叫装置电路 396

9.2.7　采用反射型光电开关的可逆计数电路 397

9.3　光纤式光电开关及其应用 399

9.3.1　光纤式光电开关的结构特点和工作原理 399

9.3.2　光纤式光电开关的性能及典型应用举例 401

9.4　单片集成光电开关ULN-3300及其应用 403

9.4.1　ULN-3300的组成、原理和性能 404

9.4.2　ULN-3300在光电控制上的典型应用 406

9.4.3　红外光控电动走马灯伴马蹄声电路 406

9.4.4　采用TC-3300的光控放水伴蛙鸣发声电路 408

9.4.5　采用TC-3300光电开关的四位计数电路 409

9.4.6 采用ULN-3300光电开关的可逆计数器电路 409

9.5　反射式红外光电开关TX05D及应用电路 412

9.5.1　TX05D的结构、工作原理 412

9.5.2　采用TX05D和计算器的自动计数电路 413

9.5.3　珍贵物品防接近声光报警电路 414

9.5.4　红外光控“请开门”语言报叫门铃电路 415

9.5.5　红外反射式节水型自动喷泉伴蛙鸣发声控制电路 416

9.5.6　红外光控延时开关插座伴“您好”乐曲发声控制电路 416

9.5.7　反射式红外光控看门狗及门灯点亮电路 417

9.5.8　红外防入侵无线报叫电路 418