【文章內(nèi)容簡介】 括光電池和工作于光電池狀態(tài)下的光電二極管等。 光伏型光電器件的伏安特性和等效電路 27 光電池的輸出電流可改寫成如下形式 式中 ＝ kT/q≈26mV （ T＝ 300K）， Ip＝ SE 在使伏安特性倒轉(zhuǎn)到第一象限的情況下，伏安特性可表示為 或 相應的等效電路表示在上圖 b中。光伏型光電器件輸入電路的計算將根據(jù)前述的表達式和相應的伏安曲線以及電路方程進行。 pUU IeII T ??? )1( /0TU)1( /0 ??? TUUp eIII00 /)](l n [ IIIIUU pT ???28 其中上圖 a是光伏器件直接和負載電阻連接的電路，稱作無偏置電路。在圖 b的電路中，負載電阻上除串聯(lián)光伏器件外尚有與器件端電壓相反方向的偏置電源，組成反向偏置電路。圖 c是作為能源變換器使用的太陽能電池充電電路。通常光電池多采用上圖 a和 c的電路，光電二極管多采用上圖b的電路。 29 利用圖解計算法，對給定的輸入光通量 ，只要選定負載電阻 RL ，工作點 Q即可由負載線與光電池伏安曲線的交點確定。該點處的電流電壓值 IQ與 UQ即為 RL上的輸出值。相對 的光通量增量 177。 ΔΦ將形成對應的電流變化 177。 ΔI和電壓變化 177。 ΔU。 上圖給出了無偏置光電池輸入電路的等效電路（圖 a）及其計算圖解（圖 b）。對圖 a的回路建立電路方程，有 和 )1( /0 ??? TUUp eIII下面以光電池為例介紹無偏置電路的靜態(tài)計算方法。 LIRU ?0?0?30 由于光電池特性的非線性，負載電阻的選擇會影響光電池的輸出信號。例如在上圖 a中，對應光通量的增量 ΔΦ＝ Φ1Φ2，在短路狀態(tài)下（ RL＝ 0），輸出電流增量 Δ I＝ ISC1ISC2，輸出電壓為零。隨著 RL的增大，電流逐漸變小，輸出電壓隨之增大，直到某一臨界電阻 RL之后負載上的電壓變得飽合（見上圖 b）。 31 根據(jù)上述公式，在同一入射光通量下，負載電阻對光電池輸出電壓、電流、功率的影響曲線表示在上圖 b中。 )1( /0 ??? TL UIRp eIII]/)/l n [ ( 00 IIRUIUU LpT ???])(l n [)(00IIRUIRUUIUP LpLT????? 另一方面，輸入光通量也影響輸入電路的工作狀態(tài)。由圖中可以看出，對確定的負載電阻如 Rs，當輸入光通量較小時負載上的輸出電流和電壓近似地隨入射光通量成正比例增加，而當入射光通量較大時輸出電流和電壓逐漸呈現(xiàn)飽合狀態(tài)。負載電阻愈大情況愈明顯（如圖 a中 R2的情況）。 可以定量地描述負載電阻和入射光通量對電路工作狀態(tài)（ I、 U、 P）的影響： 32 1）短路或線性電流放大 這是一種電流變換狀態(tài)，在這種狀態(tài)下，后續(xù)電流放大級作為負載從光電池中取得最大的輸出電流。為此要求負載電阻或后續(xù)放大器輸入阻抗盡可能小。由上圖 a中可看到由于 RL很小，輸出電流接近于短路電流，它與入射光通量有良好的線性關(guān)系，即 ?????? ? SIeIII scRUIRp LTL 0/0 |)1(???? SI 由圖 b可見，根據(jù)選用負載電阻的數(shù)值可以把光電池的工作狀態(tài)分作：短路或線性電流放大、空載電壓輸出、線性電壓放大和功率放大四個區(qū)域，分別由圖中 Ⅰ 、 Ⅱ 、Ⅲ 、 Ⅳ 表示。下面討論前三種工作狀態(tài) 33 此外，在短路狀態(tài)下器件噪聲電流較低，信噪比改善，所以最適用于弱光信號的檢測。 短路電流隨受光面積的大小而改變，同一片光電池的短路電流或低阻負載時的負載電流與受光面積的變化曲線表示在下圖中，圖中 A為受光面積。 短路電流和開路電壓隨受光面積的變化曲線 34 2）空載電壓輸出 這是一種非線性電壓變換狀態(tài)。此時光電池應通過高輸入阻抗變換器與前級放大電路連接，相當于輸出開路。開路電壓可寫成 上式表明開路電壓與入射光通量的對數(shù)成正比。并且由于 Ip與光電池面積成正比，所以同一光電池的開路電壓與光電池面積的對數(shù)成正比，如上圖所示。 已知在給定入射光功率（光照度 E或光通量 Φ）下的開路電壓 Uoc，可以求出另一個入射光功率（光照度 E′ 或光通量 Φ′ ）下的開路電壓 Uoc′ 。由上式，有 )/l n ()/l n ()1/l n ()/( 000 ISUIIUIIqKTU TpTpoc ??????0lnln IUIUU TpToc ??39。ln39。ln39。 0IUIUU TpToc ??35 聯(lián)立求解上二式，有 所以 通常光電池的開路電壓為 ～ ，在入射光強從零到某一定值作跳躍變化的光電開關(guān)等應用中簡單地利用 Uoc的電壓變化不需加任何偏置電源即可組成控制電路，這是它的優(yōu)點。此外，由伏安特性可以看到對于較小的入射光通量，開路電壓輸出變化較大，這對弱光信號的檢測特別有利。這種使用方式的頻率特性不好，受溫度影響也較大，這是它的不足之處。 )/39。l n (39。lnln39。 ppTocpTpTococ IIUUIUIUUU ?????)/39。l n ()/39。l n (39。 EEUUUUU TocTococ ??????36 3）線性電壓輸出 由圖 負載電阻對光電池輸出電壓電流和功率的影響 中 b的Ⅲ 區(qū)域可見，這種工作狀態(tài)在串聯(lián)負載電阻上能得到與輸入光通量近似成正比的信號電壓。增大負載電阻有助于提高電壓，但卻引起輸出信號的非線性畸變。為了確定負載電阻的臨界條件，可利用式 顯然，在 很大時式中的指數(shù)項不能忽略。將上式展開成冪級數(shù)，忽略高階項，上式可簡化為 I≈S Φ 上式要求 1。由于 I， 所以只要滿足條件 1 就可以得到輸出電流和輸入光強 的線性關(guān)系。 )1( /0 ??? TL UIRp eIIILRTL URI /0負載電阻對光電池輸出電壓電流和功率的影響 0ITL UIR /37 在線性關(guān)系要求不高的情況下，可以利用圖解法簡單地得到臨界電阻 Rs值。此時，在電壓軸上 選取臨界電壓 Us＝ ，與對 應伏安曲線相交于 S點，這樣也可以得到 臨界電阻的負載線。此處倍數(shù) 數(shù)據(jù)。由于臨界電阻 Rs上的電壓 Us為 Us≈RsIs ＝ TUocU光電池近似線性區(qū)間的確定 38 可變電阻型光電器件輸入電路的靜態(tài)計算 阻值隨輸入光通量改變的光敏電阻的伏安特性是一組以輸入光功率為參量的通過原點的直線組，在一定范圍內(nèi)光敏電阻阻值不隨外電壓改變，僅取決于輸入光通量 Φ或光照度E，并有 式中， 是亮電導， 是暗電導。 阻值隨溫度改變的熱敏電阻也屬可變電阻型器件，其電阻值表達式為 式中， 為溫度 T時的電阻， 為溫度 T=0時的電阻， α 為電阻溫度系數(shù)， T為溫度。 當溫度變化 Δ T時，電阻的變化量 為 )/(1/1/ dp GGGIUR ??????? SESG gp dG)1(0 TRR T ???TR 0RTR?TRR T ??? ?0