光电传感器光电器件原理和特性.ppt

光敏传感器-理论,内容,光敏传感器光敏器件类型和原理常用光敏器件特性和基本应用光敏二极管光敏晶体管光敏电阻,光敏传感器,光敏传感器的工作原理是：把被测量的变化转换成光信号的变化，然后通过光敏器件变换成电信号，检测电路对电信号进行处理。,被测量的变化,光信号的变化,电信号的变化,光敏传感器,光敏传感器的构成：光源、光学通路、光敏器件、检测处理电路。常用光源：白炽灯、气体放电光源、LED、激光器（固体、气体、液体、半导体激光器）光敏传感器特点：非接触、响应快、性能可靠。,光敏器件类型和原理,光敏器件是把光信号转换为电信号的一种元器件，广泛应用于自动控制、安防、广播电视等领域。半导体光敏器件体积小、重量轻、灵敏度高、功耗低、便于集成。光敏器件的工作基础是光电效应。光电效应分为光电子发射、光电导效应和光生伏特效应。前一种现象发生在物体表面，被光激发产生的电子逸出物质表面，又称外光电效应。后两种现象发生在物体内部，被光激发所产生的载流子（自由电子或空穴）仍在物质内部运动，使物质的电导率发生变化或产生光生伏特的现象，称为内光电效应。,光电效应,外光电效应：物质吸收光子并激发出自由电子的现象。基于外光电效应的器件有光电管、光电倍增管。内光电效应：光电导效应：当入射光子射入到半导体时，半导体吸收入射光子产生电子空穴对，使其电导率增大。基于这种效应的器件有光敏电阻。光生伏特效应：在光作用下能使物体产生一定方向电动势的现象。基于该效应的器件有光电池和光敏二极管、光敏三极管。,检测对象,可见光和不可见光，不可见光有紫外线和近红外线由于光的波长和电磁波的性质不同，要根据被检测对象的性质，即光的波长和响应速度来选择传感器,常用光敏器件,器件介绍-光敏电阻,图6.2-1,硫化镉CdS，无光照时，载流子极少，电阻较大，随着光的照度增大，CdS材料中载流子浓度增加，电阻值变小。,器件介绍-光敏电阻,光敏电阻没有极性,纯粹是一个电阻器件,使用时既可加直流电压,也可以加交流电压。无光照时,光敏电阻值（暗电阻）很大,电路中电流（暗电流）很小。当光敏电阻受到一定波长范围的光照时,它的阻值（亮电阻）急剧减少,电路中电流迅速增大。一般希望暗电阻越大越好,亮电阻越小越好,此时光敏电阻的灵敏度高。实际光敏电阻的暗电阻值一般在兆欧级,亮电阻在几千欧以下。,光敏电阻特点,光谱响应范围宽（特别是对于红光和红外辐射）；偏置电压低，工作电流大；动态范围宽，既可测强光，也可测弱光；光电导增益大，灵敏度高；无极性，使用方便；在强光照射下，光电线性度较差光电响应时间较长，频率特性较差。,光敏电阻的主要参数,暗电阻：光敏电阻在不受光时的阻值称为暗电阻,此时流过的电流称为暗电流。亮电阻：光敏电阻在受光照射时的电阻称为亮电阻,此时流过的电流称为亮电流。光电流：亮电流与暗电流之差称为光电流。,（1）伏安特性（2）光照特性（3）光谱特性（4）响应时间和频率特性（5）温度特性,光敏电阻的基本特性,（1）伏安特性,在一定照度下，光敏电阻两端所加的电压与光电流之间的关系,在给定的偏压情况下，光照度越大，光电流也就越大；在一定光照度下，加的电压越大，光电流越大，没有饱和现象。光敏电阻的最高工作电压是由耗散功率决定的，耗散功率又和面积以及散热条件等因素有关。,使用时注意功率超过该值？,（2）光照特性,光敏电阻的光电流与光强之间的关系,人眼对光的感觉量为基准的单位-光通量来衡量光能量。光通量的用符号表示，单位为流明（lm）。,（3）光谱特性,光敏电阻对不同波长的光，灵敏度是不同的,A=0.1nm=10(-10)m念埃 就是10的负10次方米,（4）响应时间和频率特性,光电导的弛豫现象：光电流的变化对于光的变化，在时间上有一个滞后。通常用响应时间t表示。,（5）温度对光谱特性影响,随着温度升高，光谱响应峰值向短波方向移动。因此，采取降温措施，可以提高光敏电阻对长波光的响应。,A=0.1nm=10(-10)m念埃 就是10的负10次方米,光的波长,A=0.1nm=10(-10)m念埃 就是10的负10次方米,光敏电阻应用电路,光强度超限报警电路,光控振荡电路,用万用表或示波器观察光强度变化时U+、U-和Uo的变化,Uo,应用电路分析,图1.34 亮光报警电路P28图1.35 标志灯电路P29,器件介绍光电二极管概述,光电二极管和普通二极管一样，也是由一个PN结组成的半导体器件，也具有单方向导电特性。但是，在电路中不是用它作整流元件，而是通过它把光信号转换成电信号。那么，它是怎样把光信号转换成电信号的呢？普通二极管在反向电压作用在处于截止状态，只能流过微弱的反向电流，光电二极管在设计和制作时尽量使PN结的面积相对较大，以便接收入射光。光电二极管是在反向电压作用下工作的，没有光照时，反向电流极其微弱，叫暗电流；有光照时，反向电流迅速增大到几十微安，称为光电流。光的强度越大，反向电流也越大。光的变化引起光电二极管电流变化，这就可以把光信号转换成电信号，成为光电传感器件。,检测方法,电阻测量法用万用表1k挡。光电二极管正向电阻约10k左右。在无光照情况下，反向电阻为时，这管子是好的(反向电阻不是时说明漏电流大)；有光照时，反向电阻随光照强度增加而减小，阻值可达到几k或1k以下，则管子是好的；若反向电阻都是或为零，则管子是坏的。,检测方法,电压测量法用万用表1V档。用红表笔接光电二极管“+”极，黑表笔接“”极，在光照下，其电压与光照强度成比例，一般可达0204V。,检测方法,短路电流测量法用万用表50A档。用红表笔接光电二极管“+”极，黑表笔接“”极，在白炽灯下(不能用日光灯)，随着光照增强，其电流增加是好的，短路电流可达数十至数百A。,如何区分发光二极管和光敏二极管,判据一：在红外对管的端部不受光线照射的条件下调换表笔测量，发射管的正向电阻小，反向电阻大，且黑表笔接正极(长引脚)时，电阻小的(1k20k)是发射管。正反向电阻都很大的是接收管。判据二：黑表笔接负极(短引脚)时电阻大的是发射管，电阻小并且万用表指针随着光线强弱变化时，指针摆动的是接收管。注：（1）黑表笔接正极，红表笔接负极时测量正向电阻。（2）电阻大是指三用表指针基本不动。,红外发光管的判别,管子的极性不能搞错，通常较长的引脚为正极，另一脚为负极。如果从引脚长度上无法辨识（比如已剪短引脚的），可以通过测量其正反向电阻确定之。测得正向电阻较小时，黑表笔所接的引脚即为正极。通过测量红外发光二极管的正反向电阻，还可以在很大程度上推测其性能的优劣。以500型万用表R1k档为例，如果测得正向电阻值大于20k，就存在老化的嫌疑；如果接近于零，则应报废。如果反向电阻只有数千欧姆，甚至接近于零，则管子必坏无疑；它的反向电阻愈大，表明其漏电流愈小，质量愈佳。,器件介绍-光敏二极管-原理,光敏二极管又称光电二极管，它是一种光电转换器件，其基本原理是利用PN结的光生伏特效应，即光照到PN结上时，PN结吸收光能，产生电动势的现象。光敏二极管分有PN结型、PIN结型、雪崩型和GaAsP型，其中用得最多的是PN结型，价格便宜。光敏二极管有两种工作状态：（1）当光敏二极管加上反向电压时，管子中的反向电流随着光照强度的改变而改变，光照强度越大，反向电流越大，大多数都工作在这种状态。（2）光敏二极管上不加反向电压，利用PN结在受光照时产生正向电压的原理，把它用作微型光电池。这种工作状态，一般作光电检测器。,器件介绍-光敏二极管-原理,光电二极管是将光信号变成电信号的半导体器件。它的核心部分也是一个PN结，和普通二极管相比，在结构上不同的是，为了便于接受入射光照，PN结面积尽量做的大一些，电极面积尽量小些，而且PN结的结深很浅，一般小于1微米。光电二极管是在反向电压作用之下工作的。没有光照时，反向电流很小（一般小于0.1微安），称为暗电流。当有光照时，携带能量的光子进入PN结后，把能量传给共价键上的束缚电子，使部分电子挣脱共价键，从而产生电子-空穴对，称为光生载流子。,器件介绍-光敏二极管-原理,它们在反向电压作用下参加漂移运动，使反向电流明显变大，光的强度越大，反向电流也越大。这种特性称为“光电导”。光电二极管在一般照度的光线照射下，所产生的电流叫光电流。如果在外电路上接上负载，负载上就获得了电信号，而且这个电信号随着光的变化而相应变化。,器件介绍-光敏二极管参数,开路电压：PN结两端开路时，其电压称为开路电压。与光通量对数成正比，其温度系数很大。短路电流：PN结两端短路时，其电流称为短路电流。短路电流与照度成正比，其温度系数很小。暗电流：是指光敏二极管在无光照及最高反向工作电压条件下的漏电流。暗电流越小，光敏二极管的性能越稳定，检测弱光的能力越强。暗电流随温度与反偏电压而变化。响应特性：由PN结的结电容与负载电阻决定。反偏电压越大，结电容越小，工作频率越高。,光敏二极管等效电路,光敏二极管伏安特性,实训所用光敏二极管,实训用的光敏二极管,ApplicationsHigh speed photo detectorSecurity systemCamera,FeaturesFast response timeHigh photo sensitivitySmall junction capacitancePb freeDescriptionsPD333-3C/H0/L2 is a high speed and high sensitive PIN photodiodein a standard 5plastic package.Due to its water clear epoxythe device is sensitive to visible and infrared radiation,PD333-3C，5mm Silicon PIN Photodiode,PD333的电气参数,光敏二极管应用：加反向偏置电压电路一 图1.3b,反向偏置，结电容变小，适宜高速工作。高温时暗电流增大，光电流变小。,在没有光照时，由于二极管反向偏置，所以电流很小，这时的电流称为暗电流，相当于普通二极管的反向饱和漏电流。当光照射在二极管的PN结上时，在PN结附近产生的电子-空穴对数量也随之增加，光电流也相应增大，光电流与照度成正比。,光敏二极管应用：加反向偏置电压电路二 图1.3c,C1交流耦合，隔离直流成分的暗电流。光敏二极管的光电流很小，uA级，反馈电阻采用兆欧级电阻，运放的偏置电流影响不能忽略，宜选用偏置电流小的FET输入型运放。,器件介绍-光敏晶体管,光敏晶体管和普通三极管的结构相类似。不同之处是光敏晶体管有一个对光敏感的PN结作为感光面，一般用集电结作为受光结，因此，光敏晶体实质上是一种相当于在基极和集电极之间接有光敏二极管的三极管。当光照射到 PN 结附近时，由于光生伏特效应，产生光电流。该电流相当于三极管的基极电流，因此将被放大（1+）倍，所以光敏三极管具有比光敏二极管更高的灵敏度。,光敏晶体管的光谱特性曲线,从特性曲线可以看出：该型号光敏晶体管峰值波长为800nm,TOSHIBA TPS601的光谱特性曲线,光敏晶体管的伏安特性,右图为光敏晶体管的伏安特性曲线。光敏晶体管在不同照度 Ee 下的 伏安特性，就象一般晶体管在不同的基极电流时的输出特性一样。只要将入射光在发射极与基极之间的 PN 结附近所产生的光电流看作基极电流，就可将光敏晶体管看成一般的晶体管。,光敏晶体管的温度特性 图1.13,图为光敏晶体管的温度特性曲线。它给出了温度对暗电流的关系。从曲线可知，暗电流随温度变化很大，所在应用时应在线路上采取措施进行温度补偿。,TOSHIBA TPS601的温度特性,基本应用电路 图1.17,共射,共发,高温下降低暗电流,与晶体管级联，提高响应速度,RL越大，灵敏度越高，但响应特性越差,基本放大电路 图1.18,R1阻值的确定与照度、温度、响应速度有关，VCC/ICR1Vcc/ICEO,光电二极管、光电三极管是电子电路中广泛采用的光敏器件。光电二极管和普通二极管一样具有一个PN结，不同之处是在光电二极管的外壳上有一个透明的窗口以接收光线照射，实现光电转换，在电路图中文字符号一般为PD。光电三极管除具有光电转换的功能外，还具有放大功能，在电路图中文字符号一般为VT。光电三极管因输入信号为光信号，所以通常只有集电极和发射极两个引脚线。同光电二极管一样，光电三极管外壳也有一个透明窗口，以接收光线照射。,光电开关,光电开关种类,1、漫反射式光电开关：发射器和接收器于一体，当有被检测物体经过时，物体将光电开关发射器发射的足够量的光线反射到接收器，于是光电开关就产生了开关信号。2、镜反射式光电开关：亦集发射器与接收器于一体，光电开关发射器发出的光线经过反射镜反射回接收器，当被检测物体经过且完全阻断光线时，光电开关就产生了检测开关信号。3、对射式光电开关：包含了在结构上相互分离且光轴相对放置的发射器和接收器，发射器发出的光线直接进入接收器，当被检测物体经过发射器和接收器之间且阻断光线时，光电开关就产生了开关信号。4、槽式光电开关：通常采用标准的U字型结构，其发射器和接收器分别位于U型槽的两边，并形成一光轴，当被检测物体经过U型槽且阻断光轴时，光电开关就产生了开关量信号。5、光纤式光电开关：它采用塑料或玻璃光纤传感器来引导光线，可以对距离远的被检测物体进行检测。通常光纤传感器分为对射式和漫反射式。,在生产线上的应用,镜反射式,漫反射式,槽式,光纤式,对射式,原理,发射器上光信号射出，被检测物对光束反射，接收管接收到的光束有无或强弱发生变化，接收电路检测出这一变化，输出开关信号，从而检测物体有无。,基本输出方式：图1.47,