光傳感器

光傳感器是一種光電設備，能夠將光能（光子）——無(wú)論是可見(jiàn)光還是紅外光——轉換為電信號（電子）。

光傳感器通過(guò)測量存在于非常狹窄頻率范圍內的輻射能量來(lái)生成表示光強度的輸出信號，這個(gè)頻率范圍基本上被稱(chēng)為“光”，其頻率范圍從“紅外”到“可見(jiàn)光”再到“紫外”光譜。

光傳感器是一種被動(dòng)設備，它將這種“光能”——無(wú)論是可見(jiàn)光還是紅外光——轉換為電信號輸出。光傳感器通常被稱(chēng)為“光電設備”或“光傳感器”，因為它們將光能（光子）轉換為電能（電子）。

光電設備可以分為兩大類(lèi)：一類(lèi)是在光照下產(chǎn)生電能的設備，如光伏電池或光發(fā)射器等；另一類(lèi)是以某種方式改變其電學(xué)特性的設備，如光敏電阻或光電導體。

光傳感器的分類(lèi)

? 光發(fā)射電池——這些光電器件在受到足夠能量的光子照射時(shí)，會(huì )從光敏材料（如銫）中釋放自由電子。光子所具有的能量取決于光的頻率，頻率越高，光子能量越大，從而將光能轉換為電能。

? 光電導電池——這些光電器件在受到光照時(shí)，其電阻會(huì )發(fā)生變化。光電導性是由光照射到半導體材料上引起的，該材料控制通過(guò)它的電流。因此，在給定電壓下，更多的光會(huì )增加電流。最常見(jiàn)的光電導材料是用于LDR光電池的硫化鎘。

? 光伏電池——這些光電器件根據接收到的輻射光能產(chǎn)生電動(dòng)勢，其效果與光電導性相似。光能照射到夾在一起的兩個(gè)半導體材料上，產(chǎn)生大約0.5V的電壓。最常見(jiàn)的光伏材料是用于太陽(yáng)能電池的硒。

? 光結器件——這些光電器件主要是真正的半導體器件，如光電二極管或光電晶體管，它們利用光來(lái)控制電子和空穴通過(guò)其PN結的流動(dòng)。光結器件專(zhuān)門(mén)設計用于檢測應用和光穿透，其光譜響應調諧到入射光的波長(cháng)。

光電導電池作為光傳感器

光電導光傳感器不產(chǎn)生電能，而是在受到光能照射時(shí)簡(jiǎn)單地改變其物理特性。最常見(jiàn)的光電導器件是光敏電阻，它根據光強度的變化改變其電阻。

光敏電阻是使用光能來(lái)控制電子流動(dòng)的半導體器件，從而控制通過(guò)它們的電流。常用的光電導電池稱(chēng)為光敏電阻或LDR。

光敏電阻（LDR）

顧名思義，光敏電阻（LDR）由一塊暴露的半導體材料（如硫化鎘）制成，當光照射到它時(shí)，其電阻從幾千歐姆（在黑暗中）下降到幾百歐姆，通過(guò)在材料中產(chǎn)生空穴-電子對

凈效應是隨著(zhù)光照強度的增加，導電性提高，電阻降低。此外，光敏電阻的響應時(shí)間較長(cháng)，需要幾秒鐘才能響應光強度的變化。

用作半導體襯底的材料包括硫化鉛（PbS）、硒化鉛（PbSe）、銻化銦（InSb），它們檢測紅外范圍的光，而最常用的光敏電阻光傳感器是硫化鎘（Cds）。

硫化鎘用于制造光電導電池，因為其光譜響應曲線(xiàn)與人類(lèi)眼睛的光譜響應曲線(xiàn)非常匹配，甚至可以簡(jiǎn)單地使用手電筒作為光源來(lái)控制。通常，它在可見(jiàn)光譜范圍內的峰值靈敏度波長(cháng)（λp）約為560nm至600nm。

光敏電阻電池

最常用的光敏電阻光傳感器是ORP12硫化鎘光電導電池。這種光敏電阻的光譜響應約為610nm，位于黃到橙光區域。當未受光照時(shí)（暗電阻），電池的電阻非常高，約為10MΩ，而在完全光照下（亮電阻），電阻下降到約100Ω。

為了增加暗電阻并因此減少暗電流，電阻路徑在陶瓷襯底上形成鋸齒形圖案。CdS光電池是一種非常低成本的設備，常用于自動(dòng)調光、黑暗或黃昏檢測，用于打開(kāi)和關(guān)閉路燈，以及用于攝影曝光計類(lèi)型的應用。

將光敏電阻與標準電阻串聯(lián)連接在單個(gè)直流電源電壓上有一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)，即在不同光照水平下，它們的連接處會(huì )出現不同的電壓。

串聯(lián)電阻R2上的電壓降由光敏電阻RLDR的電阻值決定。這種產(chǎn)生不同電壓的能力產(chǎn)生了一個(gè)非常方便的電路，稱(chēng)為“電位分壓器”或電壓分壓網(wǎng)絡(luò )。

我們知道，串聯(lián)電路中的電流是相同的，當LDR由于光強度變化而改變其電阻值時(shí)，VOUT處的電壓將由分壓公式?jīng)Q定。LDR的電阻RLDR可以在陽(yáng)光下從約100Ω變化到絕對黑暗中的超過(guò)10MΩ，這種電阻變化被轉換為VOUT處的電壓變化，如圖所示。

光敏電阻的一個(gè)簡(jiǎn)單用途是作為光敏開(kāi)關(guān)，如下所示。

這個(gè)基本的光傳感器電路是一個(gè)繼電器輸出的光控開(kāi)關(guān)。在光敏電阻LDR和電阻R1之間形成一個(gè)分壓電路。當沒(méi)有光時(shí)，即在黑暗中，LDR的電阻非常高，在兆歐姆（MΩ）范圍內，因此晶體管TR1的基極偏置電壓為零，繼電器斷電或“關(guān)閉”。

隨著(zhù)光照水平的增加，LDR的電阻開(kāi)始下降，導致V1處的基極偏置電壓上升。在由與電阻R1形成的分壓網(wǎng)絡(luò )確定的某個(gè)點(diǎn)，基極偏置電壓足夠高以打開(kāi)晶體管TR1，從而激活繼電器，繼電器又用于控制一些外部電路。當光照水平再次下降到黑暗時(shí)，LDR的電阻增加，導致晶體管的基極電壓下降，在由分壓網(wǎng)絡(luò )再次確定的固定光照水平下關(guān)閉晶體管和繼電器。

通過(guò)將固定電阻R1替換為電位器VR1，可以預設繼電器“打開(kāi)”或“關(guān)閉”的光照水平。上述類(lèi)型的簡(jiǎn)單電路靈敏度較低，其開(kāi)關(guān)點(diǎn)可能由于溫度或電源電壓的變化而不一致。通過(guò)將LDR納入“惠斯通電橋”布置并用運算放大器替換晶體管，可以輕松制作更靈敏的精密光控電路。

光照水平傳感電路

在這個(gè)基本的暗感應電路中，光敏電阻LDR1和電位器VR1形成一個(gè)簡(jiǎn)單的電阻橋網(wǎng)絡(luò )的可調臂，通常稱(chēng)為惠斯通電橋，而兩個(gè)固定電阻R1和R2形成另一個(gè)臂。橋的兩側在電源電壓上形成分壓網(wǎng)絡(luò )，其輸出V1和V2分別連接到運算放大器的非反相和反相電壓輸入。

運算放大器配置為差分放大器，也稱(chēng)為電壓比較器，其輸出電壓狀態(tài)由兩個(gè)輸入信號或電壓V1和V2之間的差異決定。電阻組合R1和R2在輸入V2處形成一個(gè)固定電壓參考，由兩個(gè)電阻的比率設置。LDR – VR1組合提供一個(gè)與光敏電阻檢測到的光照水平成比例的變量電壓輸入V1。

與之前的電路一樣，運算放大器的輸出用于控制繼電器，繼電器由自由輪二極管D1保護。當LDR感測到的光照水平及其輸出電壓低于V2處設置的參考電壓時(shí)，運算放大器的輸出狀態(tài)改變，激活繼電器并切換連接的負載。

同樣，當光照水平增加時(shí)，輸出將切換回來(lái)，關(guān)閉繼電器。兩個(gè)開(kāi)關(guān)點(diǎn)的滯后由反饋電阻Rf設置，可以選擇任何合適的放大器電壓增益。

這種光傳感器電路的操作也可以通過(guò)反轉光傳感器LDR和電位器VR1的位置來(lái)反轉，以在光照水平超過(guò)參考電壓水平時(shí)打開(kāi)繼電器，反之亦然。電位器可用于“預設”差分放大器的開(kāi)關(guān)點(diǎn)到任何特定的光照水平，使其成為理想的光傳感器項目電路。

光結器件

光結器件基本上是由硅半導體PN結制成的光傳感器或探測器，對光敏感，可以檢測可見(jiàn)光和紅外光水平。光結器件專(zhuān)門(mén)用于感測光，這類(lèi)光電光傳感器包括光電二極管和光電晶體管。

光電二極管

光電二極管光傳感器的構造類(lèi)似于傳統的PN結二極管，只是二極管的外殼是透明的或具有透明透鏡，以將光聚焦到PN結上以提高靈敏度。該結將響應光，特別是較長(cháng)波長(cháng)，如紅色和紅外光，而不是可見(jiàn)光。

這一特性對于具有透明或玻璃珠體的二極管（如1N4148信號二極管）可能是一個(gè)問(wèn)題。LED也可以用作光電二極管，因為它們可以從其結發(fā)射和檢測光。所有PN結都是光敏的，可以在無(wú)偏置電壓模式下用作光電導器件，光電二極管的PN結始終“反向偏置”，因此只有二極管的漏電流或暗電流可以流動(dòng)。

在沒(méi)有光照在其結上（暗模式）時(shí)，光電二極管的電流-電壓特性（I/V曲線(xiàn)）與普通信號或整流二極管非常相似。當光電二極管正向偏置時(shí)，電流呈指數增長(cháng)，與普通二極管相同。當施加反向偏置時(shí)，會(huì )出現小的反向飽和電流，導致耗盡區增加，這是結的敏感部分。光電二極管也可以使用固定偏置電壓連接在電流模式下。電流模式在很寬的范圍內非常線(xiàn)性。

光電二極管構造和特性

當用作光傳感器時(shí)，鍺光電二極管的暗電流（0勒克斯）約為10uA，硅型二極管的暗電流約為1uA。當光照射到結上時(shí)，會(huì )形成更多的空穴/電子對，漏電流增加。隨著(zhù)結的照度增加，漏電流增加。

因此，光電二極管的電流與照射到PN結上的光強度成正比。光電二極管用作光傳感器時(shí)的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是它們對光強度變化的快速響應，但這種光電器件的一個(gè)缺點(diǎn)是即使完全光照下電流也相對較小。

以下電路顯示了使用運算放大器作為放大器件的光電流-電壓轉換器電路。輸出電壓（Vout）為Vout = IP*R?，與光電二極管的光強度特性成正比。

這種類(lèi)型的電路還利用運算放大器的特性，兩個(gè)輸入端子在大約零電壓下工作，以無(wú)偏置操作光電二極管。這種零偏置運算放大器配置為光電二極管提供高阻抗負載，從而減少暗電流的影響，并使光電流相對于輻射光強度的線(xiàn)性范圍更寬。電容器Cf用于防止振蕩或增益峰值，并設置輸出帶寬（1/2πRC）。

光電二極管光傳感器電路

光電二極管是非常通用的光傳感器，可以在納秒內打開(kāi)和關(guān)閉其電流流動(dòng)，常用于相機、光表、CD和DVD-ROM驅動(dòng)器、電視遙控器、掃描儀、傳真機和復印機等，并且當集成到運算放大器電路中時(shí)，用作光纖通信的紅外光譜探測器、防盜報警運動(dòng)檢測電路以及眾多成像、激光掃描和定位系統等。

光電晶體管光傳感器

光電晶體管的替代光結器件是光電晶體管，它基本上是帶有放大的光電二極管。光電晶體管光傳感器具有反向偏置的集電極-基極PN結，使其暴露于輻射光源。

光電晶體管的工作方式與光電二極管相同，只是它們可以提供電流增益，并且比光電二極管敏感得多，電流是標準光電二極管的50到100倍，任何普通晶體管都可以通過(guò)在集電極和基極之間連接光電二極管輕松轉換為光電晶體管光傳感器。

光電晶體管主要由雙極NPN晶體管組成，其大基區電氣上未連接，盡管一些光電晶體管允許基極連接以控制靈敏度，并使用光子光生成基極電流，從而引起集電極到發(fā)射極電流流動(dòng)。大多數光電晶體管是NPN型，其外殼是透明的或具有透明透鏡，以將光聚焦到基結上以提高靈敏度。

光電晶體管構造和特性

在NPN晶體管中，集電極相對于發(fā)射極正偏置，因此基極/集電極結反向偏置。因此，當沒(méi)有光照射到結上時(shí)，正常的漏電流或暗電流流動(dòng)，這非常小。當光照射到基極時(shí)，該區域會(huì )形成更多的電子/空穴對，由此產(chǎn)生的電流被晶體管放大。

通常，光電晶體管的靈敏度是晶體管直流電流增益的函數。因此，整體靈敏度是集電極電流的函數，可以通過(guò)在基極和發(fā)射極之間連接電阻來(lái)控制，但對于非常高靈敏度的光耦類(lèi)型應用，通常使用達林頓光電晶體管。

光電達林頓晶體管使用第二個(gè)雙極NPN晶體管來(lái)提供額外的放大，或者在由于低光照水平或選擇性靈敏度需要更高的光檢測器靈敏度時(shí)使用，但其響應速度比普通NPN光電晶體管慢。

光電達林頓器件由一個(gè)普通光電晶體管組成，其發(fā)射極輸出耦合到更大的雙極NPN晶體管的基極。由于達林頓晶體管配置提供的電流增益等于兩個(gè)單獨晶體管的電流增益的乘積，光電達林頓器件產(chǎn)生非常靈敏的檢測器。

光電晶體管光傳感器的典型應用包括光隔離器、槽型光開(kāi)關(guān)、光束傳感器、光纖和電視遙控器等。在檢測可見(jiàn)光時(shí)，有時(shí)需要紅外濾光片。

另一種值得一提的光結半導體光傳感器是光控晶閘管。這是一種光激活晶閘管或硅控整流器（SCR），可用作交流應用中的光激活開(kāi)關(guān)。然而，與等效的光電二極管或光電晶體管相比，它們的靈敏度通常非常低。

為了幫助提高它們對光的靈敏度，光控晶閘管在柵極結周?chē)龅酶?。這種過(guò)程的缺點(diǎn)是它限制了它們可以切換的陽(yáng)極電流量。然后，對于更高電流的交流應用，它們用作光耦中的引導器件，以切換更大更傳統的晶閘管。

光伏電池

最常見(jiàn)的光伏光傳感器是太陽(yáng)能電池。太陽(yáng)能電池將光能直接轉換為直流電能，以電壓或電流的形式為電阻負載（如燈、電池或電機）供電。因此，光伏電池在許多方面類(lèi)似于電池，因為它們提供直流電源。

然而，與我們上面看到的其他光電器件不同，這些光電器件使用甚至來(lái)自手電筒的光強度來(lái)操作，光伏太陽(yáng)能電池最好使用太陽(yáng)的輻射能量。

太陽(yáng)能電池用于許多不同類(lèi)型的應用中，以提供傳統電池的替代電源，例如在計算器、衛星中，現在在家庭中提供一種可再生能源。

光伏電池由單晶硅PN結制成，與光電二極管相同，具有非常大的光敏區域，但在無(wú)反向偏置的情況下使用。它們在黑暗中具有與非常大的光電二極管相同的特性。

當光照時(shí)，光能導致電子流過(guò)PN結，單個(gè)太陽(yáng)能電池可以產(chǎn)生約0.58V（580mV）的開(kāi)路電壓。太陽(yáng)能電池具有“正”和“負”側，就像電池一樣。

單個(gè)太陽(yáng)能電池可以串聯(lián)連接以形成太陽(yáng)能電池板，從而增加輸出電壓，或并聯(lián)連接以增加可用電流。商業(yè)上可用的太陽(yáng)能電池板以瓦特為單位，這是在完全光照下輸出電壓和電流（伏特乘以安培）的乘積。

典型光伏太陽(yáng)能電池的特性

太陽(yáng)能電池的可用電流量取決于光強度、電池的大小及其效率，通常在15%到20%之間。為了提高電池的整體效率，商業(yè)上可用的太陽(yáng)能電池使用多晶硅或無(wú)定形硅，它們沒(méi)有晶體結構，可以產(chǎn)生每平方厘米20到40mA的電流。

用于光伏電池構造的其他材料包括砷化鎵、銅銦二硒化物和碲化鎘。這些不同的材料各自具有不同的光譜帶響應，因此可以“調諧”以在不同波長(cháng)的光下產(chǎn)生輸出電壓。

在本教程中，我們看了幾種被歸類(lèi)為光傳感器的設備示例。這包括那些有和沒(méi)有PN結的設備，它們可以用于測量光強度。

在下一個(gè)教程中，我們將看看稱(chēng)為執行器的輸出設備。執行器將電信號轉換為相應的物理量，如運動(dòng)、力或聲音。一種常用的輸出設備是電磁繼電器。