8模塊八、光學(xué)量檢測(cè)(上)

1、機(jī)、電類(lèi)《傳感器與檢測(cè)技術(shù)項(xiàng)目教程》模塊八、光學(xué)量檢測(cè) 課件統(tǒng)一書(shū)號(hào)：ISBN 978-7-111-48817-0課程配套網(wǎng)站www.sensor-measurement.net或www.liangsen.net 2015年2月第1版,（作者：梁森、黃杭美、王明霄、王侃夫）,本模塊介紹“光學(xué)量” 的基本概念、各種光電元件，例如：紫外光電管、光敏電阻、光敏二極管、光敏晶體管、光電池，介紹各種光電元件的應(yīng)用。還介紹了光導(dǎo)纖

2、維傳感器及其應(yīng)用。,內(nèi)容簡(jiǎn)介,今天是：2024年4月1日星期一,模塊八、光學(xué)量檢測(cè)（上） 目錄,知識(shí)鏈接 光學(xué)量的基本概念項(xiàng)目一、光電元件及應(yīng)用電路（中、下）項(xiàng)目二、光電傳感器的應(yīng)用（下）拓展閱讀 光導(dǎo)纖維傳感器及應(yīng)用,現(xiàn)在時(shí)間是：01:45,知識(shí)鏈接 光學(xué)量的基本概念,圖8-1 廣義電磁波譜,光學(xué)常用的度量,表8-1 常用光度學(xué)的名稱(chēng)、符號(hào)、單位及說(shuō)明,光學(xué)量名詞解釋,（1）光通量：光源在單位時(shí)間內(nèi)向周?chē)臻g輻射

3、出去的并使人眼產(chǎn)生光感的能量大小，用符號(hào)Φ表示，單位為流明（lm），是人眼感受到的555nm光輻射功率。在較明亮的環(huán)境中，人的視覺(jué)對(duì)波長(zhǎng)為555nm左右的綠色光最敏感。由于人眼對(duì)不同波長(zhǎng)光的相對(duì)視見(jiàn)率不同，所以不同波長(zhǎng)光的輻射功率相等時(shí)，其光通量并不相等。對(duì)于人眼最敏感的555nm的綠光。,1W=683lm（綠色），而1W的650nm光（紅色） ,人的感覺(jué)僅為73 lm。,光通量（續(xù)）,40W白熾燈發(fā)射的光通量為350 lm；40W熒光

4、燈發(fā)射的光通量為2000 lm；單只高亮度LED的光通量與消耗的功率有關(guān)，常見(jiàn)范圍為20~100 lm。,明視覺(jué)和暗視覺(jué)條件下的光譜光效率函數(shù),光學(xué)量名詞解釋?zhuān)ɡm(xù)）,（2）發(fā)光強(qiáng)度：簡(jiǎn)稱(chēng)光強(qiáng)，表示發(fā)光強(qiáng)弱，用符號(hào)I表示，單位是坎德拉（cd）。曾經(jīng)使用過(guò)的單位有燭光、支光。 發(fā)光強(qiáng)度定義為：頻率為540×1012Hz（即波長(zhǎng)555nm）的單色光源每單位立體角（1個(gè)球面度）輻射能為1/683W時(shí)的光通量。若光源發(fā)出的波長(zhǎng)為5

5、55nm單色輻射是均勻的，則發(fā)光體在某給定方向上的發(fā)光強(qiáng)度就等于發(fā)光體在該方向的立體角Ω內(nèi)傳輸?shù)墓馔喀党栽摿Ⅲw角所得的值，即：I=Φ/Ω。,,（2）發(fā)光強(qiáng)度（續(xù)）,若點(diǎn)光源各向同性，且 I=1cd時(shí)，Φ=4πI=12.56 lm與力學(xué)的單位比較，“光通量”相當(dāng)于“壓力”，而“發(fā)光強(qiáng)度”相當(dāng)于“壓強(qiáng)”。,太陽(yáng)的發(fā)光強(qiáng)度為3×1027cd；高亮度LED的發(fā)光強(qiáng)度為10cd；普通蠟燭的發(fā)光強(qiáng)度約為1cd。,,晴天太陽(yáng),1坎德拉

6、（1cd）：?jiǎn)紊庠疵繂挝涣Ⅲw角（1個(gè)球面度）輻射能為1/683W時(shí)的光通量。曾經(jīng)使用過(guò)的單位有燭光、支光。,1“燭光”,發(fā)光強(qiáng)度（續(xù)）,LED的發(fā)光強(qiáng)度分布示意圖,要使被照射點(diǎn)看起來(lái)更亮，不僅要提高光通量，而且要增大會(huì)聚的手段，實(shí)際上就是減少發(fā)光的立體角，就能得到更大的發(fā)光強(qiáng)度。,LED的發(fā)光強(qiáng)度可以達(dá)到幾十cd,光學(xué)量名詞解釋?zhuān)ɡm(xù)）,（3）照度：描述物體被照亮的程度，用符號(hào)E表示，單位為勒克斯（lx），相當(dāng)于1m2面積上受到1

7、個(gè)lm光通量的照射。若受照面積為A，所接收的光通量為Φ，則照度被定義為E=Φ/A，1 lx=1 lm/m2。,傾斜照亮被照物時(shí)的照度變小。,光學(xué)量名詞解釋?zhuān)ɡm(xù)）,照度平方反比定律：點(diǎn)光源照射在物體上，物體的照度（均勻時(shí)）與從光源到物體的距離的平方成反比。,,表8-2 日常生活環(huán)境的照度,教室課桌的照度測(cè)量,光學(xué)量名詞解釋?zhuān)ɡm(xù)）,（4）亮度：描述人對(duì)發(fā)光體或被照射物體表面的發(fā)光或反射光強(qiáng)度所感受到的明亮程度，用符號(hào)L表示，單位為坎德拉每

8、平米（cd/m2），過(guò)去使用過(guò)的單位有尼特（nt）。亮度是針對(duì)面光源而言的。人眼能夠感覺(jué)的亮度范圍極寬，從千分之幾cd/m2直到幾百萬(wàn)cd/m2。,人眼對(duì)380～780納米內(nèi)不同波長(zhǎng)的光具有不同的敏感程度，稱(chēng)為人眼的視敏特性。人眼感覺(jué)到的紅、綠、藍(lán)三者亮度之和決定了物體的總亮度。,表8-3 常見(jiàn)物體的亮度,直視紅色激光將對(duì)眼睛造成損害,太陽(yáng)耀斑,晴天天空的亮度,乙炔火焰的亮度,滿(mǎn)月時(shí)的地面,熾熱的鎢絲亮度,光學(xué)量名詞解釋?zhuān)ɡm(xù)）,光通

9、量、發(fā)光強(qiáng)度、亮度、照度之間的關(guān)系,項(xiàng)目一 光電元件及應(yīng)用電路,【項(xiàng)目教學(xué)目標(biāo)】? 知識(shí)目標(biāo)1）了解常用光電元件的基本特性。2）了解光電池的短路電流測(cè)量電路。? 技能目標(biāo)1）掌握光敏晶體管應(yīng)用電路的計(jì)算。2）掌握光控電路的分析。,現(xiàn)在時(shí)間是：01:45,光電效應(yīng),用光照射某一物體，可以看作物體受到一連串能量為hf 的光子的轟擊，組成這物體的材料吸收光子能量而發(fā)生相應(yīng)電效應(yīng)的物理現(xiàn)象稱(chēng)為光電效應(yīng)。1）在光線(xiàn)的作用下能使

10、電子逸出物體表面的現(xiàn)象稱(chēng)為外光電效應(yīng)，基于外光電效應(yīng)的光電元件有光電管、光電倍增管等。2）在光線(xiàn)的作用下能使物體的電阻率改變的現(xiàn)象稱(chēng)為內(nèi)光電效應(yīng)，也稱(chēng)為光電導(dǎo)效應(yīng)。基于內(nèi)光電效應(yīng)的光電元件有光敏電阻、光敏二極管、光敏晶體管及光敏晶閘管等。,光電效應(yīng)（續(xù)）,3）在光線(xiàn)的作用下，物體產(chǎn)生一定方向電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象稱(chēng)為光生伏特效應(yīng)，基于光生伏特效應(yīng)的光電元件有光電池等。第一類(lèi)光電元件屬于玻璃真空管元件，第二、三類(lèi)屬于半導(dǎo)體元件。,1905年德國(guó)

11、物理學(xué)家愛(ài)因斯坦用光量子學(xué)說(shuō)解釋了光電發(fā)射效應(yīng)，并為此而獲得1921年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。,任務(wù)一 紫外光電管的特性及應(yīng)用電路,圖8-2 光電管及外光電效應(yīng)a）光電管 b）外光電效應(yīng)示意圖,1－陽(yáng)極A 2－陰極K 3－石英玻璃外殼 4－抽氣管蒂 5－陽(yáng)極引腳 6－陰極引腳 7－金屬表面 8－光子 9－光致發(fā)射電子,任務(wù)一 紫外光電管的特性及應(yīng)用電路,圖8-3 光電管的圖形符號(hào)及測(cè)量電路,紫外光電

12、管,當(dāng)入射紫外線(xiàn)照射在紫外管陰極板上時(shí)，電子克服金屬表面對(duì)它的束縛而逸出金屬表面，形成電子發(fā)射。紫外管多用于紫外線(xiàn)測(cè)量、火焰監(jiān)測(cè)等?？梢?jiàn)光較難引起光電子的發(fā)射?；鹧娴妮椛涔庵邪溯^大比例的紫外光。,紫外線(xiàn),玻殼用石英材料制造，對(duì)紫外線(xiàn)透光率較好的,任務(wù)二 光敏電阻的特性及應(yīng)用電路,光敏電阻是基于內(nèi)光電效應(yīng)的光電元件，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉等特點(diǎn)。但其線(xiàn)性度較差，溫漂較大。一、光敏電阻的的結(jié)構(gòu)及工作原理材料：金屬的硫化物、硒化物

13、、碲化物等半導(dǎo)體。半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力取決于半導(dǎo)體載流子數(shù)目的多少。當(dāng)光敏電阻受到光照時(shí),產(chǎn)生自由電子和空穴。光照越強(qiáng),阻值就越低。入射光消失,電子-空穴對(duì)逐漸復(fù)合。,光敏電阻外形及結(jié)構(gòu),當(dāng)光敏電阻受到光照時(shí)， 兩個(gè)電極之間的阻值減小。,,光敏電阻原理演示,當(dāng)光敏電阻受到光照時(shí)，光生電子-空穴對(duì)增加，阻值減小，電流增大。,無(wú)光照時(shí)的電流稱(chēng)為暗電流（溫度升高，暗電流增大）,,,光照產(chǎn)生的電流稱(chēng)為亮電流,二、光敏電阻的特性和參數(shù),（1）暗

14、電阻：置于室溫、全暗條件下測(cè)得的穩(wěn)定電阻值稱(chēng)為暗電阻，通常大于1MΩ。光敏電阻受溫度影響甚大，溫度上升，暗電阻減小，暗電流增大，靈敏度下降，這是光敏電阻的一大缺點(diǎn)。（2）光電特性：在光敏電阻兩極電壓固定不變時(shí)，照度與電阻及電流間的關(guān)系稱(chēng)為光電特性。,圖8-6 光敏電阻特性,二、光敏電阻的特性和參數(shù)（續(xù)）,（3）光譜特性：對(duì)波長(zhǎng)為500~700nm的入射光有較大的響應(yīng)。（4）響應(yīng)時(shí)間：受光照后，光電流需要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間（上升響應(yīng)時(shí)間）

15、才能達(dá)到其穩(wěn)定值。,光敏電阻的特性和參數(shù)（續(xù)）,同樣，在停止光照后，光電流也需要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間（下降響應(yīng)時(shí)間）才能恢復(fù)到其暗電流值。上升響應(yīng)時(shí)間和下降響應(yīng)時(shí)間為30ms左右，不能用于要求快速響應(yīng)的場(chǎng)合。（5）工作溫度：通常為-30～+70℃，大于工作溫度上限時(shí)，溫漂嚴(yán)重；小于工作溫度下限時(shí)，靈敏度下降較多。,GL系列光敏電阻的特性參數(shù),三、光敏電阻的測(cè)量電路,光敏電阻RΦ與負(fù)載電阻RL串聯(lián)后，接到電源Ei上。當(dāng)無(wú)光照時(shí)，光敏電阻RΦ很大

16、，IΦ在RL上的壓降Uo1很小。隨著照度增大，RΦ減小，a圖中的Uo隨之增大。b圖與圖a圖相反。照度增大，Uo2反而減小。Uo可以接到CMOS數(shù)字集成電路的輸入端，在某一照度時(shí)，數(shù)字電路的輸出電平翻轉(zhuǎn)。,圖8-7 光敏電阻的基本應(yīng)用電路a）Uo與照度變化趨勢(shì)相同的電路 b）Uo與照度變化趨勢(shì)相反的電路,任務(wù)三 光敏二極管的特性及應(yīng)用電路,一、光敏二極管的結(jié)構(gòu)及工作原理光敏二極管的工作原理是基于內(nèi)光電效應(yīng)。PN結(jié)被設(shè)置在透

17、明管殼頂部的正下方，可以直接受到光的照射。在電路中必須處于反向偏置狀態(tài)。,a）外形圖 b）封裝結(jié)構(gòu) c）管芯結(jié)構(gòu) d）圖形符號(hào),1－負(fù)極引腳 2－管芯 3－外殼 4－玻璃聚光鏡 5－正極引腳 6－N型襯底7－SiO2保護(hù)圈8－SiO2透明保護(hù)層 9－鋁引出電極10－P型擴(kuò)散層 11－耗盡層 12－金絲引出線(xiàn),圖8-8 光敏二極管,部分光敏二極管特性參數(shù),.,,金屬封裝光敏二極管,將光敏二極管的PN

18、 結(jié)設(shè)置在透明管殼頂部的正下方，光照射到光敏二極管的PN結(jié)時(shí)，電子-空穴對(duì)數(shù)量增加，光電流與照度成正比。,,透鏡,+,-,各種光敏二極管,光敏二極管陣列,,包含1024個(gè)InGaAs元件的線(xiàn)性光電二極管陣列，可用于分光光譜儀。,紅外發(fā)射、接收對(duì)管,紅外發(fā)射管（調(diào)制器）,紅外接收管,解調(diào)器 解調(diào)后的波形,二、特殊光敏二極管（PIN二極管）,PIN光敏二極管是在P區(qū)和N區(qū)之間插入一層較厚的I本征半導(dǎo)體層，從而使PN結(jié)的間距加寬，結(jié)電容變

19、小(幾個(gè)pF)。因此，PIN光敏二極管的頻帶較寬，可達(dá)GHz數(shù)量級(jí)。PIN光敏二極管的工作電壓（反向偏置電壓）只需十幾伏，光電轉(zhuǎn)換效率較高，靈敏度比普通的光敏二極管高得多。特殊結(jié)構(gòu)的PIN二極管可用于測(cè)量紫外線(xiàn)、X射線(xiàn)或γ射線(xiàn)。PIN光敏二極管的缺點(diǎn)是I層電阻較大，輸出電流較小，一般多為微安數(shù)量級(jí)，沒(méi)有倍增效應(yīng)。目前已將PIN管與前置運(yùn)算放大器集成在同一硅片上，并封裝于一個(gè)管殼內(nèi)，用于光纖通信。,PIN二極管外形,.,PIN二極管的PN

20、結(jié)與內(nèi)部電場(chǎng),特殊光敏二極管（續(xù)：APD二極管）,APD光敏二極管(雪崩光敏二極管)是一種具有內(nèi)部倍增放大作用的光敏二極管,靈敏度比PIN大幾百倍。當(dāng)有一個(gè)光子從外部射入到其PN結(jié)上時(shí),將產(chǎn)生一個(gè)電子空穴對(duì)。由于PN結(jié)上施加了較高的工作電壓(約100V),接近于反向擊穿電壓，因此能將光子所產(chǎn)生的光電子加速到具有很高的動(dòng)能,撞擊其他原子,產(chǎn)生新的電子空穴對(duì),如此多次碰撞,以致最終造成載流子按幾何級(jí)數(shù)劇增的“雪崩”效應(yīng),形成對(duì)原始光電流的放

21、大作用,增益可達(dá)幾千倍,而雪崩產(chǎn)生和恢復(fù)所需的時(shí)間可小于10ns,適用于微光信號(hào)檢測(cè)以及長(zhǎng)距離光纖通信,可以取代“光電倍增管”。APD光敏二極管的主要缺點(diǎn)：噪聲大。若有用光電信號(hào)只有幾個(gè)毫微瓦(nW),就會(huì)被噪聲淹沒(méi)。,APD光敏二極管的PN結(jié)、內(nèi)部電場(chǎng)分布及電子倍增,APD載流子雪崩式倍增示意圖,APD光敏二極管的外形及用途,APD二極管適用于微光測(cè)量和光纖通信。,GD3250系列硅雪崩光電二極管的特性參數(shù),InGaAs-PIN

22、 及InGaAs-APD近紅外二極管特性,三、光敏二極管的特性,（1）最高反向工作電壓：在無(wú)光照的條件下，反向漏電流不大于10μA時(shí)所能承受的最高反向電壓值。（2）暗電流：在無(wú)光照及最高反向工作電壓條件下的漏電流。暗電流越小，光敏二極管的性能越穩(wěn)定，檢測(cè)弱光的能力就越強(qiáng)。（3）光電流：在受到一定光照時(shí)，在最高反向工作電壓下產(chǎn)生的電流。,圖8-9 光敏二極管的伏安特性,（4）伏安特性：光敏二極管工作在第三象限，流過(guò)它的電流與照度成正比

23、（曲線(xiàn)的間隔相等），正常使用時(shí)應(yīng)施加1.5V以上的反向偏置電壓為宜。,光敏二極管的特性（續(xù)）,（5）光電特性：光電流IΦ與照度基本成線(xiàn)性關(guān)系。,圖8-10 某系列光敏二極管的光電特性1－光敏二極管光電特性 2－光敏晶體管光電特性,光敏二極管的特性（續(xù)）,（6）光譜特性：不同材料的光敏二極管對(duì)不同波長(zhǎng)入射光的靈敏度不同?？刂芇N結(jié)的制造工藝，也能得到不同的光譜特性。硅光敏元件的峰值波長(zhǎng)為0.8μm左右。現(xiàn)在已分別制出對(duì)

24、紅外光、可見(jiàn)光直至藍(lán)紫光敏感的光敏晶體管。Kr 表示相對(duì)于峰值波長(zhǎng)為100%時(shí)的相對(duì)靈敏度。還可在光敏二極管的透光窗口上配以不同顏色的濾光玻璃，以達(dá)到光譜修正的目的，使光譜響應(yīng)峰值波長(zhǎng)根據(jù)需要而改變，據(jù)此可以制作色彩傳感器。,圖8-11 光敏二極管的光譜特性,1－常規(guī)工藝硅光敏二極管的光譜特性 2－濾光玻璃引起的光譜特性紫偏移3－濾光玻璃引起的光譜特性紅偏移,光敏二極管的特性（續(xù)）,（7）結(jié)電容Ct：PN結(jié)在最高反偏電壓時(shí)的電

25、容。結(jié)面積越小，結(jié)電容Ct也越小，工作頻率就越高。（8）響應(yīng)時(shí)間：將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)所需要的時(shí)間。響應(yīng)時(shí)間越短，光敏二極管的工作頻率越高。工業(yè)級(jí)硅光敏二極管的響應(yīng)時(shí)間為10_7～10_5s左右。被測(cè)光信號(hào)的調(diào)制頻率較高時(shí)，應(yīng)選用高速硅光敏二極管。,表8-5 幾種光敏材料的光譜峰值波長(zhǎng),光敏二極管的特性（續(xù)）,圖8-12 某型號(hào)光敏二極管的頻率特性a）輸入調(diào)制光脈沖 b）光敏二極管脈沖響應(yīng),（9）溫度特性：溫度變化對(duì)亮電流影響

26、不大，但對(duì)暗電流的影響非常大，并且是非線(xiàn)性的，將給微光測(cè)量帶來(lái)誤差。,四、光敏二極管的應(yīng)用電路,圖8-13 光敏二極管的應(yīng)用電路a）反偏電路 b）反相驅(qū)動(dòng)電路a圖：Uoa=IDRL b圖： Ui＞2.5V時(shí)，Uob=4.9V,光敏二極管的反向偏置接線(xiàn)（參考上頁(yè)8-13a圖）及光電特性演示,在沒(méi)有光照時(shí)，由于二極管反向偏置，反向電流（暗電流）很小。,當(dāng)光照增加時(shí)，光電流IΦ與光照度成正比關(guān)系

27、。,,,光敏二極管的反向偏置接法,,,,,UO,+,—,光照,任務(wù)四 光敏晶體管的特性及應(yīng)用電路,一、光敏晶體管的結(jié)構(gòu)及工作原理光敏晶體管也稱(chēng)為光敏三極管，有兩個(gè)PN結(jié)。有電流增益，靈敏度比光敏二極管高幾十倍，漏電流也較大，恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)，約10μs。,,E,C,集電結(jié),發(fā)射結(jié),負(fù)極,正極,圖8-14 NPN型光敏晶體管,a）管芯結(jié)構(gòu) b) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化圖 c）光敏晶體管外形 d）光敏晶體管圖形符號(hào) e）光敏達(dá)林頓晶

28、體管圖形符號(hào),1－N+襯底 2－N型集電區(qū) 3－透光SiO2保護(hù)圈 4－集電結(jié)JC 5－P型基區(qū) 6－發(fā)射結(jié)JE 7－N型發(fā)射區(qū),光敏晶體管的外形 多數(shù)只有C、E兩個(gè)電極,C,E,B,C,E,二、光敏晶體管的特性,（1）光敏晶體管的伏安特性：在給定的照度下光敏晶體管上的電壓UCE與光電流（即集電極電流）IФ的關(guān)系。,圖8-15 某系列NPN型光敏晶體管的伏安特性,,NPN型光敏晶體管的電流增益,光敏晶體管的集電結(jié)反偏

29、，發(fā)射結(jié)正偏，光照時(shí)有電流增益 。入射光子在集電結(jié)附近產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，集電極電流IC是原始光電流的β倍。,光線(xiàn),集電結(jié)(反偏),大于3V,,光敏晶體管的特性（續(xù)）,（2）光電特性 ：線(xiàn)性度不如光敏二極管好。（3）峰值波長(zhǎng) ：約為0.7μm。（4）響應(yīng)時(shí)間 ：比相應(yīng)的二極管慢一個(gè)數(shù)量級(jí)，為微秒數(shù)量級(jí)。,（5）溫度特性 :溫度對(duì)“光電流”的影響小，對(duì)“暗電流”的影響大。,光敏二極管、光敏晶體管的光電特性比較,,,0,光照,光電

30、流,,光敏晶體管,光敏二極管,,3000lx,4mA,請(qǐng)分析光敏二極管、光敏晶體管的靈敏度曲線(xiàn)差異,,0.3mA,請(qǐng)作圖并計(jì)算當(dāng)E=1000lx時(shí)，光敏二極管的光電流IΦ,IΦ,E,,,,ICE0,,,部分3DU光敏三極管特性參數(shù),光敏達(dá)林頓管,將光敏三極管與另一個(gè)普通三極管制作在同一個(gè)管芯里，連接成復(fù)合管型式，稱(chēng)為達(dá)林頓型光敏三極管。它的靈敏度更高（β=β1β2），且允許輸出較大的電流。但是達(dá)林頓光敏三極管的漏電（暗電流）也較大，頻

31、響較差，溫漂也較大。,光敏達(dá)林頓三極管圖形符號(hào),達(dá)林頓型光耦合器輸出電流可達(dá)50mA,,光敏晶閘管,光敏晶閘管有三個(gè)引出電極，即陽(yáng)極a、陰極k和門(mén)極g 。它的頂部有一個(gè)玻璃透鏡，光敏晶閘管的陽(yáng)極與負(fù)載串聯(lián)后接電源正極，陰極接電源負(fù)極，門(mén)極可懸空。當(dāng)有一定照度的光信號(hào)通過(guò)玻璃窗口照射到正向阻斷的PN結(jié)上時(shí),將產(chǎn)生門(mén)極電流,從而使光敏晶閘管從阻斷狀態(tài)變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)。導(dǎo)通后,即使光照消失,光敏晶閘管仍維持導(dǎo)通。使陽(yáng)極與陰極的電壓反向,或使負(fù)

32、載電流小于其維持電流，晶閘管截止。光敏晶閘管的特點(diǎn)是：,,導(dǎo)通電流比光敏三極管大得多,工作電壓可達(dá)近千伏，因此輸出功率大，可用于工業(yè)自動(dòng)檢測(cè)控制。,光敏晶閘管用于光控路燈電路,光敏面,,光照小于設(shè)定值時(shí),VT1截止, VT2的門(mén)極電流Ig2較大,VT2導(dǎo)通,電燈HL亮。減小Rg , 門(mén)極電流被旁路,靈敏度降低。,光敏晶閘管多用于弱電控制強(qiáng)電的光耦電路,雙向過(guò)零觸發(fā)晶閘管光耦 MOC30系列,,單片機(jī)控制燈光或交流繼電器電路,,三、光敏

33、晶體管應(yīng)用電路,圖8-16 光敏晶體管的兩種測(cè)量電路a）射極輸出電路 b）集電極輸出電路Uo1=ICRE （8-5）Uo2=VCC-ICRE （8-6）,表8-6 光敏晶體管的輸出狀態(tài)比較,例8-3 光控繼電器電路1）分析工作過(guò)程。2）若VCC=12V，中間繼電器KA的驅(qū)動(dòng)線(xiàn)圈阻值RKA=100Ω，求

34、：在強(qiáng)光照時(shí)，流過(guò)中間繼電器KA的電流。,解 1）當(dāng)無(wú)光照時(shí)，V1截止，IB=0，V2也截止，繼電器KA處于失電（釋放）狀態(tài)。當(dāng)有強(qiáng)光照時(shí)，V1產(chǎn)生較大的光電流IΦ，一部分流經(jīng)RB1及V2的發(fā)射結(jié)。當(dāng)IB>IBES（IBES為集電極飽和電流，IBES=ICES/β）時(shí)，V2飽和，產(chǎn)生較大的集電極飽和電流ICES，ICES=（VCC－0.3V）/RKA，因此繼電器KA得電并吸合。2）由于β足夠大，集電極電流與基極電流IB基本無(wú)

35、關(guān)，ICES≈(12-0.3)V/0.1kΩ=117mA。,圖8-17,任務(wù)五 光電池的特性及應(yīng)用電路,一、硅光電池的結(jié)構(gòu)及工作原理光電池是一種能夠直接把光能轉(zhuǎn)換成電能的半導(dǎo)體器件。它有一個(gè)大面積的PN 結(jié)，正面有透明電極覆蓋。當(dāng) PN結(jié)受到光照時(shí)，在正反面產(chǎn)生“光生電壓”和“光生電流”，這種現(xiàn)象稱(chēng)為光生伏特效應(yīng)。,圖8-18 硅光電池a）結(jié)構(gòu)示意圖 b）圖形符號(hào) c）等效電路,光電池的結(jié)構(gòu)及工作原理示意圖,四象限光電池,光

36、電池的材料：硅、碲化鎘、硫化鎘、砷化鎵、銅銦硒等,光電池內(nèi)部載流子的漂移示意圖,,入射光線(xiàn),太陽(yáng)能電池的種類(lèi),氣相沉積法制作的非晶硅，價(jià)廉，可卷?yè)?,光電池外形,,光敏面,,二、硅光電池的基本特性,（1）光電特性：開(kāi)路電壓Uo與照度的關(guān)系近似于對(duì)數(shù)關(guān)系,在2000lx照度以上就趨于飽和。當(dāng)負(fù)載短路時(shí),光電流在很大范圍內(nèi)與照度呈線(xiàn)性關(guān)系。如果要得到較大的輸出電壓，必須將多塊光電池串聯(lián)起來(lái)。,圖8-19 某系列硅光電池的光電特性,對(duì)數(shù)特

37、性,開(kāi)路電壓,短路電流,1－開(kāi)路電壓曲線(xiàn) 2－短路電流曲線(xiàn),,光電池的光電特性演示,,,0,光照度,請(qǐng)作圖計(jì)算當(dāng)E=1000lx時(shí)，光電池的電流IΦ和電壓Uoc,開(kāi)路輸出電壓,,10000lx,,0.6V,,開(kāi)路電壓 Uoc,E,,,,,,8mA,5000lx,短路輸出電流,,短路電流Isc,,4mA,0.55V結(jié)論？,硅光電池的基本特性（續(xù)）,（2）光譜特性 :硅光電池的峰值波長(zhǎng)為0.7μm。,圖8-20 硒（Se）、

38、硅（Si）、鍺（Ga）光電池的光譜特性,圖8-21 頻率特性,硅光電池的基本特性（續(xù)）,（3）頻率特性：是描述入射光的調(diào)制頻率與光電池輸出電流間的關(guān)系。由于光電池受照射產(chǎn)生電子-空穴對(duì)需要一定的時(shí)間，因此當(dāng)入射光的調(diào)制頻率太高時(shí)，光電池的輸出光電流將下降。硅光電池的面積越小，PN結(jié)的極間電容也越小，頻率響應(yīng)就越好。1mm2硅光電池的頻率響應(yīng)可達(dá)數(shù)兆赫。（4）光電池的溫度特性：是描述光電池的開(kāi)路電壓Uo及短路電流Io隨溫度變化的特性。

39、開(kāi)路電壓隨溫度的增高而下降，開(kāi)路電壓的溫度系數(shù)約為-0.34%/℃，短路電流溫度系數(shù)：+0.017%/℃。當(dāng)光電池作為檢測(cè)元件時(shí)，應(yīng)考慮溫漂的影響，采取相應(yīng)措施進(jìn)行溫度補(bǔ)償。,三、硅光電池的應(yīng)用電路,圖8-22 光電池短路電流測(cè)量電路由于運(yùn)算放大器的開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)Aod→∞，所以UAB→0，由于B點(diǎn)接地，所以A點(diǎn)亦為地電位（虛地）。從光電池的輸出端角度分析，運(yùn)放的輸入端相當(dāng)于將光電池對(duì)地短路，所以其負(fù)載特性屬于短路電流的性質(zhì)。又因?yàn)檫\(yùn)

40、算放大器反相端輸入電流IA→0，所以IR f ≈IΦ，則輸出電壓Uo1=-URf =-IΦ Rf （8-7）,表8-8 常用光電元件及特性,休 息 一 下,拓展閱讀網(wǎng)絡(luò)資料列表網(wǎng)址：http://www.liangsen.net 或www.sensor-measurement.net,,現(xiàn)在時(shí)間是：01:45,2024年4月1日星期一,現(xiàn)在時(shí)間是： 01:45 休息一下！,