情境七 设计光电开关讲解

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1、情境七 设计光电开关 Date1 任务一 光电传感器 在这一章里，要给大家简单介绍光电效应 ，着重讲解光电元件的原理、分类、特性、 电路接线以及光电传感器的应用。 光电传感器的最大特点是非接触测量。 *2 1860年，英国物 理学家麦克斯韦建 立了电磁理论，认 识到光是一种电磁 波。1905年，德国 物理学家爱因斯坦 用光量子学说解释 了光电发射效应， 并为此而获得1921 年诺贝尔物理学奖 。 Date3 第一节 光电效应及光电元件 用光照射某一物体，可以看作物 体受到一连串能量为hf 的光子的轰击，组 成这物体的材料吸收光子能量而发生相应 电效应的物理现象称为光电效应。 外光电效应：在光线

2、的 作用下能使电子逸出物体表 面的现象称为外光电效应， 基于外光电效应的光电元件 有紫外光电管、光电倍增管 、光电摄像管等。 Date4 紫外管外形 当入射紫外 线照射在紫外管阴 极板上时，电子克 服金属表面对它的 束缚而逸出金属表 面，形成电子发射 。紫外管多用于紫 外线测量、火焰监 测等。 紫外线 Date5 光敏电阻 当光敏电阻受 到光照时， 阻值减小。 Date6 光敏电阻 原理演示 当光 敏电阻受到光 照时，光生电 子-空穴对增加 ，阻值减小， 电流增大。 暗电流（越小越好） 光照变化产生的电流 称为暗电流 Date7 光敏二极管 将光敏二极管 的PN 结设置在透明管 壳顶部的正下方

3、，光照 射到光敏二极管的PN 结时，电子-空穴对数 量增加，光电流与照度 成正比。 Date8 光敏二极管外形 光敏二极管阵列 包含1024个InGaAs 元件的线性光电二极管阵 列，可用于分光镜。 Date9 红外发射、接收对管外形 红外发射管 红外接收管 Date10 光敏二极管的反向偏置接法 在没有光照时， 由于二极管反向偏置，所 以反向电流很小，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（又称耗尽层）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。 Date11 光敏二极管的反向偏置接线 （

4、参考上页图）及光电特性演示 在没有光照时，由 于二极管反向偏置，反向电流 （暗电流）很小。 当光照增加 时，光电流I 与光照度成正 比关系。 光敏二 极管的 反向偏 置接法 UO + 光照 Date12 光敏三极管 光敏三极管有两个PN结。与普通 三极管相似，有电流增益，灵敏度比光敏 二极管高。多数光敏三极管的基极没有引 出线，只有正负（C、E）两个引脚，所 以其外型与光敏二极管相似，从外观上很 难区别。 Date13 光敏三极管外形 Date14 光敏三极管内部结构 a) 内部组成 b)管芯结构 c）结构简化图 1集电极引脚 2管芯 3外壳 4玻璃聚光镜 5发射极引脚 6N+ 衬底 7N型集

5、电区 8SiO2保护圈 9集电结 10P型基区 11N型发射区 12发射结 Date15 硅光敏晶体管 的光谱特性 电磁波频 谱 Date16 光敏二极管、三极管的光电特性比较 0 光照 光 电 流 光敏 三极管 光敏 二极管 3000lx 4mA 请判断光敏二极管、 三极管的灵敏度 孰高孰低 0.3mA 请作图计算当E=100lx时，光敏二极管的光电流I I E Date17 光敏晶闸管 光敏晶闸管有三个引出电极，即阳极a、阴 极k和门极g 。它的顶部有一个玻璃透镜，光敏晶闸 管的阳极与负载串联后接电源正极，阴极接电源负 极，门极可悬空。当有一定照度的光信号通过玻璃 窗口照射到正向阻断的PN

6、结上时，将产生门极电流 ，从而使光敏晶闸管从阻断状态变为导通状态。导 通后，即使光照消失，光敏晶闸管仍维持导通。要 切断已触发导通的光敏晶闸管，必须使阳极与阴极 的电压反向，或使负载电流小于其维持电流。光敏 晶闸管的特点是：导通电流比光敏三极管大得多， 工作电压有的可达数百伏，因此输出功率大，可用 于工业自动检测控制。 Date18 光敏晶闸管外形 光敏面 Date19 基于光生伏特效应的光电元件 光电池 在N型衬底上制造一薄层P型层作为 光照敏感面，就构成最简单的光电池。当入 射光子的能量足够大时，P型区每吸收一个光 子就产生一对光生电子-空穴对， 光生 电子 -空穴对的的扩散运动使电子通过

7、漂移运动被 拉到N型区，空穴留在P区，所以N区带负电 ，P区带正电。如果光照是连续的，经短暂的 时间，PN结两侧就有一个稳定的光生电动势 输出。 Date20 基于光生伏特效应的光电元件 光电池 新型的硅光电池是 在P型衬底上制造一 薄层N型层作为光照 敏感面，效率更高。N 型区每吸收一个光子 就产生一对光生电子- 空穴对。空穴通过漂 移运动被拉到P型区 ，带正电；电子留在 N区，带负电。 Date21 光电池外形 光敏面 Date22 能提供较大电流的 大面积光电池外形 Date23 光电池串联，能提高电压； 并联，可以提高输处电流 每一片光电池的最大输出电压约为0.6V， 每平方米，晴天的

8、输出电流约为10A。 Date24 太阳能组件 Date25 其他光电池及在照度测量中的应用 柔光罩下面为圆形光电池 Date26 光电池在动力方面的应用 太阳能赛车 太阳能电风扇 太阳能 硅光电池板 Date27 光电池在动力方面的应用（续） 住宅太阳能供电 Date28 光电池在动力方面的 应用（续） 嫦娥一号上的光电池板 Date29 光电池的光电特性 一个典型的硅光电池的光电特性 1开路电压曲线 2短路电流曲线 开路电压为 对数特性 短路电流为 线性特性 Date30 第二节 光电元件的基本应用电路 一、光敏电阻的基本应用电路 a）U与光照变化趋势相同的电路 b）U与光照变化趋势相反的

9、电路 Date31 二、光敏二极管应用电路 利用反 相器可将光敏二 极管的输出电压 转换成TTL电平 。 当光照增 加，Ui（1/2） VDD时，反相器 翻转,输出变为 什么电平？ Date32 光敏三极管光控继电器电路 当无光照时，V1截止，I =0，则V2处于什 么状态？继电器KA吸合还是释放？如果将V1与R b2 位置上下对调，请画出电路，并分析工作过程。 Date33 五、光电池的应用电路 光电池短路电流测量电路 I/U 转换电路的输出电压Uo与光电流I成 正比。若光电池用于微光测量时，I可能较小，则 应增加一级放大电路，并在第二级使用电位器RP微 调总的放大倍数。 Date34 第三

10、节 光电传感器的应用 、光源本身是被测物的应用实例 光的照度E 的单位是lx（勒 克斯），它是常 用的光度学单位 之一，它表示受 照物体被照亮程 度的物理量，可 以用照度计来测 量。 光电池（ 外加柔光 罩） Date35 1.红外线辐射温度计： 红外辐射温度计既可用于高温测量 ，又可用于冰点以下的温度测量，所以是辐 射温度计的发展趋势。市售的红外辐射温度 计的温度范围可以从-303000，中间 分成若干个不同的规格，可根据需要选择适 合的型号。 Date36 红外线辐射温度计外形 激光仅 用于瞄准 Date37 红外线辐射温度计外形 红外线辐射温度 计用于食品温度测量 Date38 红外线辐

11、射温度计的使用 Date39 红外线辐射温度计 在非接触体温测量中的应用（续） Date40 红外线辐射温度计 在非接触体温测量中的应用 耳温仪 Date41 红外线辐射温度计用于人体额温测量 Date42 红外线辐射温度计在 非接触温度测量中的应用 IC的温 度测量 Date43 红外线辐射温度计在非接触温度 测量中的应用（续） 利用红色激光瞄准被测 物（冷藏牛奶和面食） Date44 红外线辐射温度计在非接触温度测量中的 应用（续） 温度 采集系统 利用红色激光瞄准被测 物（电控柜、天花板内 的布线层） Date45 红外线辐射温度计在非接触温度测量中的 应用（续） 利用红色激光瞄准被 测

12、物（电控柜、天花 板内的布线层） Date46 红外线辐射温度计在非接触温度测 量中的应用（续） Date47 红外线辐射温度计的使用距离与 目标直径、面积的关系 m m m Date48 红外线辐射温度计的特性参数 Date49 比色计在高温非接触测 量中的应用 比色式温度传感器抗烟雾、水 蒸气和灰尘能力较强，不受窗口玻璃影 响，能瞄准 ,测量小目标，可不考虑距 离系数，可以不完全被目标充满，不需 调焦就可准确测量。 比色温度计适于环境条件恶劣的工业现场中使用 ，如 :烟雾、水蒸气、灰尘比较严重的钢铁、焦化和 炉窑等应用现场。 红色 黄色 Date50 2.热释电传感器在人体检测、报警中的应

13、用 热释电元件在红外线检测中得到广泛 的应用。它可用于能产生远红外辐射的人体检 测，如防盗门、宾馆大厅自动门、自动灯的控 制等。 热释电元件外形 Date51 热释电传感器简介 热释电红外传感器是一种能检测人或动物发射 的红外线而输出电信号的传感器。热释电晶体广泛用于 红外遥感以及热辐射探测器。除了在楼道自动开关、防 盗报警上得到应用外，在更多的领域得到应用。比如： 在房间无人时能自动减小空调机的功率；电视机能判断 无人观看或观众已经睡觉后自动关机的电路；开启监视 器或自动门铃上的应用；摄影机或数码照相机自动记录 动物或人的活动 您可以根据自己的奇思妙想，结合其他电 路开发出更加优秀的新产品。

14、或自动化控制装置 。 Date52 热释电传感器的内部电路 两块反向 串联的热 释电晶片 场效应管 Date53 热释电传感器工作原理 热释电晶片表面必须罩上一块由一组 平行的棱柱型透镜所组成菲涅尔透镜，每一透 镜单元都只有一个不大的视场角，当人体在透 镜的监视视野范围中运动时，顺次地进入第一 、第二单元透镜的视场，晶片上的两个反向串 联的热释电单元将输出一串交变脉冲信号。当 然，如果人体静止不动地站在热释电元件前面 ，它是“视而不见”的。 Date54 菲涅尔透镜 菲涅尔透 镜 热释电晶片 Date55 菲涅尔透镜外形 传感器不加菲涅尔 透镜时，其检测距离 小于2m，而加上该透 镜后，其检测

15、距离可 增加3倍以上。 Date56 热释电套件 Date57 热释电报警器 菲涅尔透 镜 设定按钮 高分贝喇叭 Date58 热释电报警器（续） 菲涅尔透镜 5mm 接插件 Date59 热释电报警器（续） 吸顶式 热释电报警器 Date60 热释电报警器 （续） 无线报警式 热释电报警器 Date61 热释电传感器应用 热释电传感器 用于自动亮灯，当然 也可以用于防盗。 热释电传感器 的感应范围 Date62 热释电感应灯 热释电 传感器 Date63 自动感应灯 （参考施特朗公司资料） Date64 热释电传感器在智能空调中的应用 智能空调能检测 出屋内是否有人，微 处理器据此自动调节

16、空调的出风量，以达 到节能的目的。 空调中，热释电传感器的菲涅尔 透镜做成球形状，从而能感受到屋内 一定空间角范围里是否有人，以及人 是静止着还是走动着。 上下范围 左右范围 Date65 二、被测物吸收光通量的应用实例 光电式浊度计 和含沙量测量 将装有浊水的试管 插入仪器中 Date66 光电式浊度计工作原理 1恒流源 2半导体激光器 3半反半透 4反射镜 5被测水样 6、9光电池 7、10电流/电压转换器 8标准水样 参比通道（抵消外界影响） Date67 2.烟雾报警器外形 （ 参考南京千里通公司 无线烟雾报警器资料） 无烟雾时，光 敏元件接收到LED发射 的恒定红外光。而在火 灾发生时，烟雾进入检 测室，遮挡了部分红外 光，使光敏三极管的输 出信号减弱，经阀值判 断电路后，发出报警信 号。 烟雾 报警 Date68 无线烟雾报警器内部结构 可发出高分 贝笛鸣声的蜂鸣 器 Date69 无线火灾烟