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1、西安邮电学院光电传感器仿真设计报告系部名称：电子与信息工程学生姓名：专业名称：电子科学与技术班 级：时间： 2011年6月25日红外取暖器温度控制电路仿真设计一、 题目功能分析 利用光电传感技术进行红外取暖器温度控制电路的设计和仿真。二、 实验方案选择（包括器件选型）本实验用到的器件都是基本元器件，在此仅介绍一下可控硅。可控硅元件的工作原理及基本特性电路如下：可控硅是P1N1P2N2四层三端结构元件，共有三个PN结，分析原理时，可以把它看作由一个PNP管和一个NPN管所组成，由于可控硅只有导通和关断两种工作状态，所以它具有开关特性。一.理论基础光电效应 光电效应一般有外光电效应、光导效应、光生
2、伏特效应。光照在照在光电材料上，材料表面的电子吸收的能量，若电子吸收的能量足够大是，电子会克服束缚脱离材料表面而进入外界空间，从而改变光电子材料的导电性，这种现象成为外光电效应根据爱因斯坦的光电子效应，光子是运动着的粒子流，每种光子的能量为hv(v为光波频率，h为普朗克常数，h6.63*10-34 J/HZ)，由此可见不同频率的光子具有不同的能量，光波频率越高，光子能量越大。假设光子的全部能量交给光子，电子能量将会增加，增加的能量一部分用于克服正离子的束缚，另一部分转换成电子能量。根据能量守恒定律： 式中，m为电子质量,v为电子逸出的初速度,A微电子所做的功。 由上式可知，要使光电子逸出阴极表
3、面的必要条件是hA。由于不同材料具有不同的逸出功，因此对每一种阴极材料，入射光都有一个确定的频率限，当入射光的频率低于此频率限时，不论光强多大，都不会产生光电子发射，此频率限称为“红限”。相应的波长为 式中，c为光速，A为逸出功。二.光电元件及特性 根据外光电元件制造的光电元件有光电子，充气光电管和光电倍曾管。 1.光电管 光电管的种类繁多，典型的产品有真空光电管和充气光电管，光它的外形和结构如图1所示，半圆筒形金属片制成的阴极K和位于阴极轴心的金属丝制成的阳极A封装在抽成真空的玻壳内，当入射光照射在阴极上时，单个光子就把它的全部能量传递给阴极材料中的一个自由电子，从而使自由电子的能量增加h。
4、当电子获得的能量大于阴极材料的逸出功A时，它就可以克服金属表面束缚而逸出，形成电子发射。这种电子称为光电子，光电子逸出金属表面后的初始动能为光电管正常工作时，阳极电位高于阴极，如图2所示。在人射光频率大于“红限”的前提下，从阴极表面逸出的光电子被具有正电位的阳极所吸引，在光电管内形成空间电子流，称为光电流。此时若光强增大，轰击阴极的光子数增多，单位时间内发射的光电子数也就增多，光电流变大。在图2所示的电路中，电流和电阻只上的电压降就和光强成函数关系，从而实现光电转换。当光线照射到光电阴极K上时，电子从阴极表面逸出，并被光电阳极的正电厂吸收，外电路产生电流I，在负载电阻 上的电压光电管的光电特性
5、如图3 所示，从图中可知，在光通量不太大时，光电特性基本是一条直线。图1 可控硅基本伏安特性 （1）反向特性当控制极开路，阳极加上反向电压时（见图3），J2结正偏，但J1、J2结反偏。此时只能流过很小的反向饱和电流，当电压进一步提高到J1结的雪崩击穿电压后，接差J3结也击穿，电流迅速增加，图3的特性开始弯曲，如特性OR段所示，弯曲处的电压URO叫“反向转折电压”。此时，可控硅会发生永久性反向击穿。（2）正向特性当控制极开路，阳极上加上正向电压时（见图2），J1、J3结正偏，但J2结反偏，这与普通PN结的反向特性相似，也只能流过很小电流，这叫正向阻断状态，当电压增加，图1的特性发生了弯曲，如特性
6、OA段所示，弯曲处的是UBO叫：正向转折电压 图2 阳极加正向电压由于电压升高到J2结的雪崩击穿电压后，J2结发生雪崩倍增效应，在结区产生大量的电子和空穴，电子时入N1区，空穴时入P2区。进入N1区的电子与由P1区通过J1结注入N1区的空穴复合，同样，进入P2区的空穴与由N2区通过J3结注入P2区的电子复合，雪崩击穿，进入N1区的电子与进入P2区的空穴各自不能全部复合掉，这样，在N1区就有电子积累，在P2区就有空穴积累，结果使P2区的电位升高，N1区的电位下降，J2结变成正偏，只要电流稍增加，电压便迅速下降，出现所谓负阻特性，见图1的虚线AB段。任何一种取暖器都存在辐射与对流这两种传热作用，其
7、中辐射的主要成分是红外线。红外取暖器依靠电热辐射元件及反射装置向空间特定方向发射主波段为2.515m的红外辐射来实现传热功能。红外辐射（即红外线）是波长位于可见光红光和微波之间的电磁波，具有传递迅速（真空中速度约为每秒30万公里）和热效应显著的特点。人体和自然界的多数物质对红外辐射具有较强的吸收任何一种取暖器都存在辐射与对流这两种传热作用，其中辐射的主要成分特性，能在接受辐射后加剧其分子运动，并立即转化为热能、温度迅速升高，这就是红外线的热效应。红外取暖器是家庭的取暖设备，其发热管大多为三到四支组成，每支发热管由一开关控制，通过选择开关来控温，控温极不均匀。经过比较我最终采用此电路，该电路元器
8、件比较简单，可控性较强，系统性能稳定。本电路通过IC(555)和可控硅的控制电路可使所有发热管同时使用，实现无级调节。光敏电阻 光敏电阻的工作原理是基于内光电效应。在半导体光敏材料的两端装上电极引线，将其封在带有透明窗的管壳里就构成了光敏电阻。光敏电阻的特性和参数如下：1）暗电阻 光敏电阻置于室温、全暗条件下的稳定电阻值称为暗电阻，此时流过电阻的电流称为暗电流。2)亮电阻 光敏电阻置于室温和一定光照条件下测得稳定电阻值称为亮电阻，此时流过电阻的电流称为亮电流。4.伏安特性 光敏电阻两端所加的电压和流过光敏电阻的电流间的关系称为伏安特性，如图5所示。从图中可知，伏安特性近似直线，但使用时应限制光
9、敏电阻两端的电压，以免超过虚线所示的功耗区。图5光敏电阻的伏安特性三.光电传感器光电传感器是通过把光强度的变化转换成电信号的变化来实现控制的，它的基本结构如图6，它首先把被测量的变化转换成光信号的变化,然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号.光电传感器一般由光源,光学通路和光电元件三部分组成.光电检测方法具有精度高,反应快,非接触等优点,而且可测参数多,传感器的结构简单,形式灵活多样,因此,光电式传感器在检测和控制中应用非常广泛. 图7光电传感器是一种依靠被测物与光电元件和光源之间的关系，来达到测量目的的，因此光电传感器的光源扮演着很重要的角色，光电传感器的电源要是一个恒光源，电源稳定性的
10、设计至关重要，电源的稳定性直接影响到测量的准确性，常用光源有以下几种： 1)发光二极管 是一种把电能转变成光能的半导体器件。它具有体积小、功耗低、寿命长、响应快、机械强度高等优点，并能和集成电路相匹配。因此，广泛地用于计算机、仪器仪表和自动控制设备中。 2)丝灯泡 这是一种最常用的光源，它具有丰富的红外线。如果选用的光电元件对红外光敏感，构成传感器时可加滤色片将钨丝灯泡的可见光滤除，而仅用它的红外线做光源，这样，可有效防止其他光线的干扰。 光敏三极管在低照度入射光下工作时，或者希望得到较大的输出功率时，也可以配以放大电路，如图9所示。四、 结论及心得 通过所学知识并查阅大量的资料我最终完成这次作业，感受颇多 。这次仿真实践让我对光电传感技术这门课所学的知识比如各种光电传感器的基本原理、特性有了进一步的掌握，对这门技术的理解和认识不再仅仅停留在书本上，而是与实际生活中的具体应用相联系；虽然这个系统比较简单不能涵盖光电传感技术所有的内容，但是通过亲自动手完成这份报告解决仿真过程中遇到的问题，我受益匪浅。
