光電池光電阻

1、 光電器件是將光能轉換為電能的一種傳感器件，它是構成光電式傳感器最主要的部件。 光電器件響應快、結構簡單、使用方便，而且有較高的可靠性，因此在自動檢測、計算機和控制系統(tǒng)中，應用非常廣泛。 光電檢測方法具有精度高、反映快、非接觸等優(yōu)點，而且可測參數(shù)多，傳感器的結構簡單，形式靈活多樣，因此在檢測和控制領域內(nèi)得到廣泛應用。 光電傳感器一般由光源、光學通路和光電元件三部分組成。它首先把被測量的變化轉換成光信號的變化，然后借助光電元件進一步將光信號轉換成電信號。 hEh普朗克常數(shù)v光波頻率 對不同頻率的光，其光子能量是不相同的，光波頻率越高，光子能量越大。用光照射某一物體，可以看做是一連串能量為E的光子

2、轟擊在這個物體上，此時光子能量就傳遞給電子，并且是一個光子的全部能量一次性地被一個電子所吸收，電子得到光子傳遞的能量后其狀態(tài)就會發(fā)生變化，從而使受光照射的物體產(chǎn)生相應的電效應，我們把這種物體材料吸收光子能量而發(fā)生相應電效應的物理現(xiàn)象稱為光電效應。（1）外光電效應：在光線作用下能使電子逸出物體表面的稱為外光電效應?；谠撔墓怆娖骷泄怆姽堋⒐怆姳对龉艿?。（2）內(nèi)光電效應：在光線作用下能使物體電阻率改變的稱為內(nèi)光電效應，又稱光電導效應?；谠撔墓怆娖骷泄饷綦娮?、光敏晶體管等。（3）半導體光生伏特效應。在光線作用下能使物體產(chǎn)生一定方向電動勢的稱為半導體光生伏特效應。基于該效應的光電器件有光

3、電池等。 光譜特性：光敏元件上加上一定的電壓，這時如有一單色光照射到光敏元件上，如果入射光功率相同，光電流會隨入射光波長的不同而變化。 伏安特性：在一定照度下，光電流I與光敏元件兩端電壓V的對應關系，稱為伏安特性。伏安特性可以幫助我們確定光敏元件的負載電阻，設計應用電路。 響應時間：不同光敏器件的響應時間有所不同。光敏電阻較慢，約為（10-110-3）s，一般不能用于要求快速響應的場合。工業(yè)用的硅光敏二極管的響應時間為（10-510-7）s左右，光敏三極管的響應時間比二極管約慢一個數(shù)量級，在要求快速響應或入射光、調(diào)制光頻率較高時應選用硅光敏二極管。圖 光電管的結構（1）光電管a. 光電管的結構

4、： 光電管由一個陰極和一個陽極構成，并密封在一支真空玻璃管內(nèi)。光電管的特性主要取決于光電管陰極材料。 光電管正常工作時，陽極電位高于陰極，在入射光頻率大于“紅限”的前提下，從陰極表面逸出的光電子被具有正電位的陽極所吸引，在光電管內(nèi)形成空間電子流，稱為光電流。 電流和電阻R0上的電壓降就和光強成函數(shù)關系，從而實現(xiàn)光電轉換，即：U=F（）c. 光電管的性質(zhì) 適用于不同的光譜范圍。 同一種光電管對不同頻率的入射光靈敏度并不相同。光電倍增管基本電路 光電倍增管有極高的靈敏度。在輸出電流小于1mA的情況下，它的光電特性在很寬的范圍內(nèi)具有良好的線性關系。多用于微光測量。 光電管接上工作電壓后，在沒有光照的

5、情況下陽極仍會有個很小的電流輸出，此電流即稱為暗電流。 暗電流的存在決定了光電管可測量光信號的最小值，所以要求其暗電流小并且穩(wěn)定。b. 光照特性1、能量轉換關系： 光能轉換為電能，電路中有了這種器件就不需要外加電源。2、原理：4、優(yōu)點： 性能穩(wěn)定、光譜范圍寬、頻率特性好、傳遞效率高、能耐高溫輻射、價格便宜等。5.4.2 5.4.2 基本特性基本特性1光譜特性 光電池的相對靈敏度Kr與入射光波長l之間的關系稱為光譜特性。圖 光電池的光譜特性曲線 圖 硅光電池的光照特性曲線 光生電動勢U與照度Ee之間的特性曲線稱為開路電壓曲線；光電流密度Je與照度Ee之間的特性曲線稱為短路電流曲線。如上圖所示為硅

6、光電池的光照特性曲線。圖 光電池的頻率特性 光電池的頻率特性是光的調(diào)制頻率f與光電池的相對輸出電流Ir（相對輸出電流=高頻輸出電流/低頻最大輸出電流）之間的關系曲線。 圖 光電池的溫度特性 5、穩(wěn)定性硅光電池的性能比硒光電池更穩(wěn)定。 光敏電阻是采用半導體材料制做，利用內(nèi)光電效應工作的光電元件。它在光線的作用下其阻值往往變小，這種現(xiàn)象稱為光導效應。因此，光敏電阻又稱光導管。1、工作原理u 光敏電阻沒有極性，純粹是一個電阻器件，使用時既可加直流電壓，也可以加交流電壓。u 靈敏度高。u 光敏電阻的暗電阻值一般在兆歐級，亮電阻在幾千歐以下。2、光敏電阻的結構l 暗電阻和暗電流：光敏電阻在室溫和全暗條件

7、下，經(jīng)過一定時間測得的穩(wěn)定電阻值，稱為暗電阻。此時流過的電流，稱為暗電流。l 亮電阻和亮電流：光敏電阻在室溫和一定光照條件下測得的穩(wěn)定電阻值，稱為該光照下的亮電阻。此時流過的電流，稱為亮電流。l 光電流：亮電流與暗電流之差，稱為光電流。顯然，光敏電阻的暗阻越大越好，而亮阻越小越好，也就是說暗電流要小，亮電流要大，這樣光敏電阻的靈敏度就高。圖 光敏電阻的伏安特性曲線4、光敏電阻的基本特性 可見：n 在給定的偏壓情況下，光照度越大，光電流也就越大；n 在一定光照度下，加的電壓越大，光電流越大，沒有飽和現(xiàn)象。n 光敏電阻的最高工作電壓是由耗散功率決定的，耗散功率又和面積及散熱條件等因素有關。n 電阻

8、在一定的電壓范圍內(nèi)，其IU曲線為直線，說明其阻值與入射光量有關，而與電壓、電流無關。（3）光譜特性：光敏電阻對于不同波長l 的入射光，其相對靈敏度Kr是不同的。如右圖所示。 光敏電阻的光電特性呈非線性，因此不適宜做連續(xù)量的檢測元件。圖 光敏電阻的頻率特性 光電導的馳豫現(xiàn)象：光電流的變化對于光的變化，在時間上有一個滯后，光敏電阻有時延特性。圖 硫化鉛光敏電阻的光譜溫度特性 溫度變化影響光敏電阻的光譜響應特性，隨著溫度升高，光譜響應峰值向短波方向移動。圖 硫化鉛光敏電阻的光譜溫度特性6.7.2 6.7.2 光敏晶體管光敏晶體管1、光敏二極管 定義： 是一種利用PN結單向?qū)щ娦缘慕Y型光電器件。 結構

9、： 原理： 2、光敏三極管 結構：與一般三極管很相似，具有兩個PN結，只是它的發(fā)射極一邊做得很大，以擴大光的照射面積。 原理：光照射在集電結上時，形成光電流，相當于三極管的基極電流。因而集電極電流是光生電流的倍，所以光敏三極管有放大作用。n 應用：光或探測赤熱狀態(tài)物體時，一般都用硅管。但對紅外光進行探測時，鍺管較為適宜。 光照特性 溫度特性結論：光敏二極管的光照特性曲線的線性較好。結論：在電子線路中應該對暗電流進行溫度補償，否則將會導致輸出誤差。硅光敏晶體管的頻率響應2、光電傳感器的應用形式 按其輸出量性質(zhì)可分為：模擬輸出型光電傳感和數(shù)字輸出型光電傳感器兩大類。光電傳感器的測量形式1-被測量，

10、2-光電元件，3-恒光源該檢測器是用來檢測帶型材料在加工中偏離正確位置的大小及方向，從而為糾偏控制電路提供糾偏信號。主要用于印染、送紙、膠片、磁帶生產(chǎn)過程中。光檢測器輸出信號的強弱可反映煙道濁度的變化。圖 光電轉速表原理圖 圖 光電脈沖轉換電路 轉速n與脈沖頻 率 f 的關系式為： n = 60 f / N（7）光電報警電路 光電開關器件是以光電元件、三極管為核心，配以繼電器組成的一種電子開關。當開關中的光敏元件受到一定強度的光照射時就會產(chǎn)生開關動作。 1發(fā)射器；2接收器；3被測物；4反射鏡圖 光電開關類型及應用 1發(fā)光二極管；2紅外光；3光電元件；4槽；5被測物圖 光電斷續(xù)器 CCD傳感器傳

11、感器 CCD：電荷藕合器件圖像傳感器CCD（Charge Coupled Device），它使用一種高感光度的半導體材料制成，能把光線轉變成電荷，通過模數(shù)轉換器芯片轉換成數(shù)字信號，數(shù)字信號經(jīng)過壓縮以后由相機內(nèi)部的閃速存儲器或內(nèi)置硬盤卡保存，因而可以輕而易舉地把數(shù)據(jù)傳輸給計算機，并借助于計算機的處理手段，根據(jù)需要和想像來修改圖像。CCD由許多感光單位組成，通常以百萬像素為單位。當CCD表面受到光線照射時，每個感光單位會將電荷反映在組件上，所有的感光單位所產(chǎn)生的信號加在一起，就構成了一幅完整的畫面。 CMOS：互補性氧化金屬半導體CMOS（Complementary Metal-Oxide Sem

12、iconductor）和CCD一樣同為在數(shù)碼相機中可記錄光線變化的半導體。CMOS的制造技術和一般計算機芯片沒什么差別，主要是利用硅和鍺這兩種元素所做成的半導體，使其在CMOS上共存著帶N（帶電） 和 P（帶+電）級的半導體，這兩個互補效應所產(chǎn)生的電流即可被處理芯片紀錄和解讀成影像。然而，CMOS的缺點就是太容易出現(xiàn)雜點, 這主要是因為早期的設計使CMOS在處理快速變化的影像時，由于電流變化過于頻繁而會產(chǎn)生過熱的現(xiàn)象。 CCD的優(yōu)勢在于成像質(zhì)量好，但是由于制造工藝復雜，只有少數(shù)的廠商能夠掌握，所以導致制造成本居高不下，特別是大型CCD，價格非常高昂。在相同分辨率下，CMOS價格比CCD便宜，但是CMOS器件產(chǎn)生的圖像質(zhì)量相比CCD來說要低一些。到目前為止，市面上絕大多數(shù)的消費級別以及高端數(shù)碼相機都使用CCD作為感應器；CMOS感應器則作為低端產(chǎn)品應用于一些攝像頭上，若有哪家攝像頭廠商生產(chǎn)的攝想頭使用CCD感應器，廠商一定會不遺余力地以其作為賣點大肆宣傳，甚至冠以“數(shù)碼相機”之名。一時間，是否具有CCD感應器變成了人們判斷數(shù)碼相機檔次