【正文】 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 。 +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 。 (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 。 無光照時 ， 系統(tǒng)處于某一工作狀態(tài) ， 如通態(tài)或斷態(tài) 。 當系統(tǒng)略有偏差時 ， 電路輸出差動信號帶動執(zhí)行機構進行糾正 ， 以此達到跟蹤的目的 。 (a) 光電追蹤電路 +12V R4 R3 R6 R5 R2 R1 W BG1 BG2 圖 (a)為光電地構成的光電跟蹤電路 ， 用兩只性能相似的同類光電池作為光電接收器件 。 調節(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 ， 但它們的基本結構和制造工藝不完全相同 。 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、調節(jié)控制和阻塞二極管組成。 ?將光電池作光電轉換器件應用 ， 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換效率 。 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 。 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換成電能 ， 即太陽能電池 。 在待測轉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。 第五節(jié) 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、光電轉速傳感器 2 3 1 2 3 1 (a) (b) 光電數(shù)字式轉速表工作原理圖 下圖是光電數(shù)字式轉速表的工作原理圖。 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 。 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 。 該組合形式采用了放大三極管構成的高傳輸效率的光電耦合器，適用于直接驅動和較低頻率的裝置中。 (a) (b) (c) (d) 光電耦合器的組合形式 該形式結構簡單、成本低，通常用于 50kHz以下工作頻率的裝置內。 管心先裝于管腳上 ， 中間再用透明樹脂固定 ， 具有集光作用， 故此種結構靈敏度較高 。 絕緣玻璃 發(fā)光二極管 透明絕緣體 光敏三極管 塑料 發(fā)光二極管 光敏三極管 透明樹脂 1. 光電耦合器的結構 采用金屬外殼和玻璃絕緣的結構 ， 在其中部對接 ， 采用環(huán)焊以保證發(fā)光二極管和光敏二極管對準 ， 以此來提高靈敏度 。我國也能生產(chǎn) 512 320像元的面型 CCD圖像傳感器。這種結構的器件操作簡單，但單元設計復雜，感光單元面積減小，圖像清晰。隨后，在每個水平回掃周期內，存儲區(qū)中整個電荷圖像一次一行地向上移到水平讀出移位寄存器中。即一列感光單元，一列不透光的存儲單元交替排列。 光柵報時鐘 二相驅動 輸出寄存器 檢波二極管 視頻輸出 垂直轉移 寄存器 感光區(qū) 二相驅動 (c) 圖 (c)所示結構是用得最多的一種結構形式。 當整幀視頻信號自存儲移出后 ， 就開始下一幀信號的形成 。 在垂直回掃結束后 ， 感光區(qū)回復到積光狀態(tài) 。 二相驅動 視頻輸出 行 掃 描 發(fā) 生 器 輸出寄存器 檢波二極管 二相驅動 感光區(qū) 溝阻 P1 P2 P3 P1 P2 P3 P1 P2 P3 感光區(qū) 存儲區(qū) 析像單元 視頻輸出 輸出柵 串行讀出 面型 CCD圖像傳感器結構 (a) (b) 圖 （ b） 所示結構增加了具有公共水平方向電極的不透光的信息存儲區(qū) 。行掃描電路將光敏元件內的信息轉移到水平（行）方向上，由垂直方向的寄存器將信息轉移到輸出二極管，輸出信號由信號處理電路轉換為視頻圖像信號。 目前存在三種典型結構形式 ， 如圖所示 。 單 、 雙數(shù)光敏元件中的信號電荷分別轉移到上 、 下方的移位寄存器中 ， 然后 ， 在控制脈沖的作用下 ， 自左向右移動 ， 在輸出端交替合并輸出 ， 這樣就形成了原來光敏信號電荷的順序 。 這個過程重復地進行就得到相繼的行輸出 ,從而讀出電荷圖形 。 當轉移完畢 ,轉移柵電壓降低 ,梳妝電極電壓回復原來的高電壓狀態(tài) ,準備下一次光積分周期 。 在光積分時間結束時 ,轉移柵上的電壓提高 (平時低電壓 ),與 CCD對應的電極也同時處于高電壓狀態(tài) 。 在每一個光敏元件上都有一個梳狀公共電極 ,由一個 P型溝阻使其在電氣上隔開 。 終端的輸出二極管搜集了少數(shù)載流子 ，送入放大器處理 ， 便實現(xiàn) 電荷移動 。然后 ， p3的電位升高 ， P2回到低電位 ， 電荷包從 P2下轉到 P3下的勢阱 （ t=t3） ， 以此控制 ， 使 P1下的電荷轉移到P3下 。 圖 (b)采用電注入方式 。 見圖 P1 P1 P2 P2 P3 P3 P1 P1 P2 P2 P3 P3 P1 P1 P2 P2 P3 P3 P1 P1 P2 P2 P3 P3 (a) Ф1 Ф2 Ф3 t0 t1 t2 t3 t Ф (b) 電荷轉移過程 t=t0 t=t1 t=t2 t=t3 0 三相控制是在線陣列的每一個像素上有三個金屬電極 P1,P2,P3,依次在其上施加三個相位不同的控制脈沖 Φ1，Φ2， Φ3， 見圖 （ b） 。 也有二相 、 三相等控制方式之分 。 對于 N型硅襯底的 CCD器件 ， 電極加正偏壓時 ， 少數(shù)載流子為空穴 。 當向 SiO2表面的電極加正偏壓時 ， P型硅襯底中形成耗盡區(qū) （ 勢阱 ） ， 耗盡區(qū)的深度隨正偏壓升高而加大 。 CCD的最小單元是在 P型（ 或 N型 ） 硅襯底上生長一層厚度約為 120nm的SiO2， 再在 SiO2層上依次沉積鋁電極而構成MOS的電容式轉移器 。 CCD自 1970年問世以后 ， 由于它的低噪聲等特點 ， CCD圖象傳感器廣泛的被應用在微光電視攝像 、 信息存儲和信息處理等方面 。 二、光固態(tài)圖象傳感器 光固態(tài)圖象傳感器由 光敏元件陣列 和 電荷轉移器件集合而成 。 ISD2在長波區(qū)較大，ISD1在短波區(qū)較大；因而 ISD2 / ISD1與入射單色光波長的關系就可以確定。利用不同結深二極管的組合，即可構成測定波長的半導體色敏傳感器。即半導體中不同的區(qū)域對不同波長分別具有不同靈敏度。紫外光部分吸收系數(shù)大，經(jīng)過很短距離就被吸收完畢；因此，淺結對紫外光有較高靈敏度。 雙結光電二極管的 P+N結為淺結 ， NP結為深結 。 0 100 1000 500 5000 10000 20 40 60 100 80 RL =1kΩ RL =10kΩ RL =100kΩ 入射光調制頻率 / HZ 相對靈敏度/% 圖 第四節(jié) 其它光電傳感器 一、色敏光電傳感器 P + N P SiO2 電極 1 電極 2 電極 3 1 2 3 色敏光電傳感器和等效電路 色敏光電傳感器實際上是光電傳感器的一種特殊類型 。 對于鍺管 ， 入射光的調制頻率要求在 5kHz以下 。 光敏三極管的頻率特性受負載電阻的影響 ， 減小負載電阻可以提高頻率響應 。從特性曲線可以看出，溫度變化對光電流的影響很小，而對暗電流的影響很大．所以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。C 25 0 50 100 0 200 300 400 10 20 30 40 50 60 70 80 T/186。當光照足夠大 (幾 klx)時，會出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，從而使光敏三極管既可作線性轉換元件，也可作開關元件。它給出了光敏三極管的輸出電流 I 和照度之間的關系。 光敏三極管能把光信號變成電信號 ， 而且輸出的電信號較大 。 光敏三極管在不同的照度下的伏安特性 ， 就像一般晶體管在不同的基極電流時的輸出特性一樣 。故在可見光或探測赤熱狀態(tài)物體時 ， 一般選用硅管；但對紅外線進行探測時 ,則采用鍺管較合適 。鍺的峰值波長為 15000197。 （ 1）光譜特性 相對靈敏度/% 硅 鍺 入射光 λ/197。 因為光子能量太小 ， 不足以激發(fā)電子空穴對 。 P P N N N P e b b c RL E e c 光敏三極管的主要特性： 光敏三極管存在一個最佳靈敏度的峰值波長 。當集電極加上正電壓 ,基極開路時 ,集電極處于反向偏置狀態(tài)。 2. 光敏三極管 光敏三極管有 PNP型和 NPN型兩種，如圖。由于雪崩反應是隨機的，所以它的噪聲較大，特別是工作電壓接近或等于反向擊穿電壓時，噪聲可增大到放大器的噪聲水平，以至無法使用。 這種管子響應速度特別快 ， 帶寬可達100GHz， 是目前響應速度最快的一種光電二極管 。 因此 ， 這種管子有很高的內增益 ， 可達到幾百 。 這種管子 工作電壓很高 ， 約 100～ 200V， 接近于反向擊穿電壓 。目前有將 PIN管與前置運算放大器集成在同一硅片上并封裝于一個管殼內的商品出售。由耗盡層寬度與外加電壓的關系可知，增加反向偏壓會使耗盡層寬度增加，從而結電容要進一步減小，使頻帶寬度變寬。 PSi NSi ISi PIN管結構示意圖 最