【文章內(nèi)容簡介】 上用擴散的方法摻人一些 P型雜質(zhì)而形成的一個大面積 PN結(jié)。 ?當光照射 P區(qū)表面時，若光子能量大于硅的禁帶寬度，則在 P型區(qū)內(nèi)每吸收一個光子便產(chǎn)生一個電子 空穴對， P區(qū)表面吸收的光子越多，激發(fā)的電子空穴越多，越向內(nèi)部越少。這種濃度差便形成從表面向體內(nèi)擴散的自然趨勢。由于 PN結(jié)內(nèi)電場的方向是由 N區(qū)指向 P區(qū)的，它使擴散到 PN結(jié)附近的電子 —空穴對分離，光生電子被推向 N區(qū)，光生空穴被留在 P區(qū)。從而使 N區(qū)帶負電， P區(qū)帶正電，形成光生電動勢。 光電池的示意圖 + 光 P N － SiO2 RL (a) 光電池的結(jié)構(gòu)圖 I 光 P N ?若用導線連接 P區(qū)和 N區(qū)，電路中就有光電流流過。 ?電流的方向由 P區(qū)流經(jīng)外電路至 N區(qū)。若將外電路斷開，就可測出光生電動勢。 + + + 光電池的表示符號 、 基本電路如圖所示 。 I U RL (a) (b) 圖 光電池符號和基本工作電路 光電池的光譜特性 ? 不同的光電池，光譜峰值的位置不同 。 ? 硅光電池： – 峰值： – 光譜范圍： ~ ? 硒光電池： – 峰值： – 光譜范圍： ~ ? 可利用光源性質(zhì)選擇光電池，也可根據(jù)光電池特性來選擇光源。 ΦPN 結(jié)NPE20406080100Kr(%)12λ ( μ m )0 . 60 . 4 0 . 8 1 . 01 . 2a ) 結(jié)構(gòu)示意圖 b ) 圖形符號 1 硅光電池 2 硒光電池光電池的光譜特性 適用于可見光 應用范圍廣 一、煙塵濁度監(jiān)測儀 防止工業(yè)煙塵污染是環(huán)保的重要任務之一 。為了消除工業(yè)煙塵污染 ， 首先要知道煙塵排放量 ，因此必須對煙塵源進行監(jiān)測 、 自動顯示和超標報警 。 煙道里的煙塵濁度是用通過光在煙道里傳輸過程中的變化大小來檢測的 。 如果煙道濁度增加 ，光源發(fā)出的光被煙塵顆粒的吸收和折射增加 ， 到達光檢測器的光減少 ， 因而光檢測器輸出信號的強弱便可反映煙道濁度的變化 。 光電傳感器的應用舉例 平行 光源 光電 探測 放大 顯示 刻度 校正 報警器 吸收式煙塵濁度檢測系統(tǒng)原理圖 煙道 二、光電轉(zhuǎn)速傳感器 2 3 1 2 3 1 (a) (b) 光電數(shù)字式轉(zhuǎn)速表工作原理圖 下圖是光電數(shù)字式轉(zhuǎn)速表的工作原理圖。 圖 (a)是在待測轉(zhuǎn)速軸上固定一帶孔的轉(zhuǎn)速調(diào)置盤，在調(diào)置盤一邊由白熾燈產(chǎn)生恒定光，透過盤上小孔到達光敏二極管組成的光電轉(zhuǎn)換器上，轉(zhuǎn)換成相應的電脈沖信號，經(jīng)過放大整形電路輸出整齊的脈沖信號，轉(zhuǎn)速由該脈沖頻率決定。 在待測轉(zhuǎn)速的軸上固定一個涂上黑白相間條紋的圓盤，它們具有不同的反射率。當轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時，反光與不反光交替出現(xiàn)，光電敏感器件間斷地接收光的反射信號，轉(zhuǎn)換為電脈沖信號。 三、光電池應用 光電池主要有兩大類型的應用： ?將光電池作光伏器件使用 ， 利用光伏作用直接將大陽能轉(zhuǎn)換成電能 ， 即太陽能電池 。 這是全世界范圍內(nèi)人們所追求 、 探索新能源的一個重要研究課題 。 太陽能電池已在宇宙開發(fā) 、 航空 、 通信設施 、 太陽電池地面發(fā)電站 、日常生活和交通事業(yè)中得到廣泛應用 。 目前太陽電池發(fā)電成本尚不能與常規(guī)能源競爭 ， 但是隨著太陽電池技術不斷發(fā)展 ， 成本會逐漸下降 ， 太陽電池定將獲得更廣泛的應用 。 ?將光電池作光電轉(zhuǎn)換器件應用 ， 需要光電池具有靈敏度高 、 響應時間短等特性 ， 但不必需要像太陽電池那樣的光電轉(zhuǎn)換效率 。 這一類光電池需要特殊的制造工藝 ， 主要用于光電檢測和自動控制系統(tǒng)中 。 光電池應用舉例如下： 1．太陽電池電源 太陽電池電源系統(tǒng)主要由太陽電池方陣、蓄電池組、調(diào)節(jié)控制和阻塞二極管組成。如果還需要向交流負載供電，則加一個直流－交流變換器，太陽電池電源系統(tǒng)框圖如圖。 調(diào)節(jié)控制器 逆變器 交流負載 太陽 電池 方陣 直流負載 太陽能電池電源系統(tǒng) 阻塞二極管 2．光電池在光電檢測和自動控制方面的應用 光電池作為光電探測使用時 ， 其基本原理與光敏二極管相同 ， 但它們的基本結(jié)構(gòu)和制造工藝不完全相同 。 由于光電池工作時不需要外加電壓；光電轉(zhuǎn)換效率高 ， 光譜范圍寬 ， 頻率特性好 ， 噪聲低等 ， 它已廣泛地用于光電讀出 、光電耦合 、 光柵測距 、 激光準直 、 電影還音 、紫外光監(jiān)視器和燃氣輪機的熄火保護裝置等 。 (a) 光電追蹤電路 +12V R4 R3 R6 R5 R2 R1 W BG1 BG2 圖 (a)為光電池構(gòu)成的光電跟蹤電路 ， 用兩只性能相似的同類光電池作為光電接收器件 。 當入射光通量相同時 ， 執(zhí)行機構(gòu)按預定的方式工作或進行跟蹤 。 當系統(tǒng)略有偏差時 ， 電路輸出差動信號帶動執(zhí)行機構(gòu)進行糾正 ， 以此達到跟蹤的目的 。 光電池在檢測和控制方面應用中的幾種基本電路 V0 BG2 BG1 +12V C J R1 R2 (b) 光電開關 圖 (b)所示電路為光電開關 ， 多用于自動控制系統(tǒng)中 。 無光照時 ， 系統(tǒng)處于某一工作狀態(tài) ， 如通態(tài)或斷態(tài) 。當光電池受光照射時 ， 產(chǎn)生較高的電動勢 ， 只要光強大于某一設定的閾值 ， 系統(tǒng)就改變工作狀態(tài) ， 達到開關目的 。 (c) 光電池觸發(fā)電路 R1 R2 R3 R4 R5 R6 BG1 BG2 BG3 BG4 C1 C2 C3 +12V W 圖 (c)為光電池觸發(fā)電路 。 當光電池受光照射時 ， 使單穩(wěn)態(tài)或雙穩(wěn)態(tài)電路的狀態(tài)翻轉(zhuǎn) ，改變其工作狀態(tài)或觸發(fā)器件 (如可控硅 )導通 。 +12V 5G23 (d) 光電池放大電路 C3 12V W R1 R2 R3 R4 R5 C1 C2 1 8 7 6 5 4 3 2 圖 (d)為光電池放大電路 。 在測量溶液濃度 、 物體色度、 紙張的灰度等場合 ， 可用該電路作前置級 ， 把微弱光電信號進行線性放大 ， 然后帶動指示機構(gòu)或二次儀表進行讀數(shù)或記錄 。 在實際應用中 ， 主要利用光電池的光照特性、 光譜特性 、 頻率特性和溫度特性等 ， 通過基本電路與其它電子線路的組合可實現(xiàn)或自動控制的目的 。 220V C1 路燈 CJD10 8V 200μ F 200μ F C2 C3 100μ F R1 R3 R5 R7 R4 R6 R7 R2 J 470kΩ 200kΩ 10kΩ BG1 280kΩ 25kΩ 57kΩ 10kΩ BG2 BG3 BG4 2CR 如圖所示，在白天，硅光電池輸出電壓使 BG1導通， BG2截止，繼電器不吸合；天黑時，硅光電池輸出電壓漸小，使得 BG1截止， BG2導通，繼電器吸合，照明燈亮。電路中 BG BG3組成施密特觸發(fā)器，用來避免照明燈產(chǎn)生忽明忽暗的抖動現(xiàn)象。也可在較寬范圍內(nèi)選擇點亮照明燈的照度 (即天黑到什么程度亮燈 )，電容 C起延時作用 (約 5s)，以避免閃電引起瞬間滅燈現(xiàn)象。 路燈自動控制電路 167。 84 氣敏傳感器 ?氣敏傳感器是用來 感知 、 檢測 氣體 類別 ,濃度 和 成分 的傳感器 。 ?為了保護人類賴以生存的自然環(huán)境，防止不幸事故的發(fā)生，需要對各種有害、可燃性氣體，在環(huán)境中存在的情況進行有效地監(jiān)控。 ?由于氣體種類繁多 , 性質(zhì)各不相同 ,不可能用一種傳感器檢測所有類別的氣體 ,因此 ,能實現(xiàn)氣 電轉(zhuǎn)換的傳感器種類很多 。 ?按構(gòu)成氣敏傳感器材料可分為半導體和非半導體兩大類 .目前實際使用最多的是半導體氣敏傳感器 . ?對氣敏元件的要求： 能長期穩(wěn)定工作，重復性好，響應速度快，共存物質(zhì)產(chǎn)生的影響小。 ?應用： 用半導體氣敏元件組成的氣敏傳感器主要用于工業(yè)上的天然氣、煤氣，石油化工等部門的易燃、易爆、有毒等有害氣體的 監(jiān)測 、 預報 和 自動控制 。 一 、 接觸燃燒式氣體傳感器 檢測原理 可燃性氣體 (H CO、 CH4等 )與空氣中的氧接觸 ，發(fā)生氧化反應 ， 產(chǎn)生反應熱 (無焰接觸燃燒熱 )， 使得作為敏感材料的鉑絲溫度升高 ， 電阻值相應增大 。一般情況下 ， 空氣中可燃性氣體的濃度都不太高 (低于 10％ )， 可燃性氣體可以完全燃燒 ， 其發(fā)熱量與可燃性氣體的濃度有關 。 空氣中可燃性氣體濃度愈大 ，氧化反應 (燃燒 )產(chǎn)生的反應熱量 (燃燒熱 )愈多 ， 鉑絲的溫度變化 (增高 )愈大 ， 其電阻值增加的就越多 。因此 ， 只要測定作為敏感件的鉑絲的電阻變化值(Δ R)， 就可檢測空氣中可燃性氣體的濃度 。 接觸燃燒式氣敏元件的感應特性 0 50 100 150 輸 出 電 壓 / mV 丙烷 乙醇 異丁烷 丙酮 環(huán)己烷 氣體濃度 (XLEL) 但是，使用單純的鉑絲線圈作為檢測元件，其壽命較短，所以，實際應用的檢測元件，都是在鉑絲圈外面涂覆一層氧化物觸媒。這樣既可以延長其使用壽命，又可以提高檢測元件的響應特性。若與相應的電路配合，就能在空氣中當可燃性氣體達到一定濃度時，自動發(fā)出報警信號，其感應特性曲線如圖。 觸媒 Al2O3載體 Pt絲 元件 ()mm (b)敏感元件外形圖 接觸燃燒式氣敏元件結(jié)構(gòu)示意圖 (a)元件的內(nèi)部示意圖 接觸燃燒式氣敏元件的結(jié)構(gòu) 接觸燃燒式氣體敏感元件的 橋式電路 如圖 。 圖中 F1是檢測元件； F2是補償元件 ， 其作用是補償可燃性氣體接觸燃燒以外的環(huán)境溫度 、 電源電壓變化等因素所引起的偏差 。 工作時 ， 要求在 F1和 F2上保持 100mA～ 200mA的電流通過 ， 以供可燃性氣體在檢測元件 F1上發(fā)生氧化反應 (接觸燃燒 )所需要的熱量 。 當檢測元件 F1與可燃性氣體 接觸時 ， 由于劇烈的氧化作 用 (燃燒 )， 釋放出熱量 ， 使 得檢測元件的溫度上升 ， 電 阻值相應增大 ， 橋式電路不 再平衡 ， 在 A、 B間產(chǎn)生電位差 E。 A F2 F1 M R1 R2 C B D W2 W1 E0 ?半導體氣敏傳感器是利用待測氣體與半導體表面接觸時 , 產(chǎn)生的電導率等物理性質(zhì)變化來檢測氣體的 . ?按照半導體與氣體相互作用時產(chǎn)生的變化只限于半導體表面或深入到半導體內(nèi)部 ,可分為 表面控制型 和 體控制 型。 ?前者半導體表面吸附的氣體與半導體間發(fā)生電子接受 ,結(jié)果使半導體的電導率等物理性質(zhì)發(fā)生變化 ,但內(nèi)部化學組成不變 。后者半導體與氣體的反應 ,使半導體內(nèi)部組成發(fā)生變化 ,而使電導率變化 . 二、半導體氣體傳感器 ?按照半導體變化的物理特性 ,又可分為 電阻型和非電阻型 ,電阻型半導體氣敏元件是利用敏感材料接觸氣體時 ,其阻值變化來