基于光電池實(shí)現(xiàn)光強(qiáng)度自動(dòng)報(bào)警電路的原理及設(shè)計(jì)方案研究

現(xiàn)行的光控儀，如光強(qiáng)測(cè)量?jī)x，光控報(bào)警系統(tǒng)等，種類繁多。但存在性能不穩(wěn)定，靈敏度低，制作繁瑣等不少弊端。本文主要是以光電池特性的實(shí)驗(yàn)為基本理論，通過光強(qiáng)度控制電路、光強(qiáng)度測(cè)量電路和光強(qiáng)度報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和裝配，對(duì)光測(cè)控儀作進(jìn)一步的探索和實(shí)踐，實(shí)踐證明本光強(qiáng)度自動(dòng)控制報(bào)警系統(tǒng)克服了以上弊端，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。

1、光電池的工作原理及其特性

1.1 光電池的工作原理

在一塊N形硅片表面，用擴(kuò)散的方法摻入一些P型雜質(zhì)，形成PN結(jié)，光這就是一塊硅光電池。當(dāng)照射在PN上時(shí)，如光子能量hv大于硅的禁帶寬度E時(shí)，則價(jià)帶中的電子躍遷到導(dǎo)帶，產(chǎn)生電子空穴對(duì)。因?yàn)镻N結(jié)阻擋層的電場(chǎng)方向指向P區(qū)，所以，任阻擋層電場(chǎng)的作用下，被光激發(fā)的電子移向N區(qū)外側(cè)，被光激發(fā)的空穴移向P區(qū)外側(cè)，從而在硅光電池與PN結(jié)平行的兩外表而形成電勢(shì)差，P區(qū)帶正電，為光電池的正極，N區(qū)帶負(fù)電，為光電池的負(fù)極。照在PN結(jié)上的光強(qiáng)增加，就有更多的空穴流向P區(qū)，更多的電子流向N區(qū)，從而硅光電池兩外側(cè)的電勢(shì)差增加。如上所述，在光的作用下，產(chǎn)生一定方向一定大小的電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象，叫作光生伏特效應(yīng)。

1.2 硅光電池特性

1.2.1 光照特性

不同強(qiáng)度的光照射在光電池上，光電池有不同的短路電流Isc和開路電在Voc，如圖1所示。由圖1可知短路電流Isc—光強(qiáng)Ev特性是一條直線，即短路電流在很寬的光強(qiáng)范圍內(nèi)，與光強(qiáng)成線性關(guān)系，而開路電壓是非線性的，而且，在當(dāng)光強(qiáng)較小，約20mW／cm2時(shí)，短路電壓就趨于飽和。因此，要想用光電池來測(cè)量或控制光的強(qiáng)弱，應(yīng)當(dāng)用光電池的短路電流特性。

1.2.2 硅光電池的光譜特性：

圖2是硅光電池、硒光電池的光譜特性曲線。顯而易見，不同的光電池，光譜曲線峰值的位置不同，例如硅光電池峰值波長(zhǎng)在0.8μm左右，硒光電池在0.54μm左右。硅光電池的光譜范圍寬，在0.45～1.1μm之間，硒光電池的光譜范圍在0.34～0.75μm之間，只對(duì)可見光敏感。

值得注意的是，光電池的光譜曲線形狀，復(fù)蓋范圍，不僅與光電池的材料有關(guān)，還與制造工藝有關(guān)，而且還隨著環(huán)境溫度的變化而變化。

1.2.3 光電池的溫度特性

光電池的溫度特性如圖3所示。由圖可知，開路電壓隨溫度的升高而快速下降，短流電流隨溫度升高而緩緩增加。所以，用光電池作傳感器制作的測(cè)量?jī)x器，即使采用Isc—Ev特性，在被測(cè)參量恒定不變時(shí)，儀器的讀數(shù)也會(huì)隨環(huán)境溫度的變化而漂移，所以，儀器必須采用相應(yīng)的溫度補(bǔ)償措施。

2、光強(qiáng)度自動(dòng)報(bào)警控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)思想

通過上面對(duì)光電池的各項(xiàng)特性的研究，我們發(fā)現(xiàn)，硅光電池的頻譜響應(yīng)范圍寬，并且其短路電流與光照強(qiáng)度成線性關(guān)系，應(yīng)用Isc與Ev的線性關(guān)系設(shè)計(jì)的光強(qiáng)測(cè)控儀線路簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)。且由于線性關(guān)系，進(jìn)行光強(qiáng)測(cè)量會(huì)減小誤差。所以本儀器的光電轉(zhuǎn)換器件是光電池。

一個(gè)完整的光強(qiáng)測(cè)控儀應(yīng)包括的電路有穩(wěn)壓電源，電流電壓轉(zhuǎn)換電路，光強(qiáng)度控制電路，數(shù)碼顯示電路，報(bào)警電路等幾部分。下面分別進(jìn)行原理設(shè)計(jì)。

2.2 電流電壓轉(zhuǎn)換電路及光強(qiáng)度控制電路

電流電壓轉(zhuǎn)換電路是一個(gè)簡(jiǎn)單的電路，圖4是原理圖，其原理在此不再贅述。光強(qiáng)度控制電路以光電池的短路電流特性曲線為依據(jù)。當(dāng)環(huán)境光照強(qiáng)度減弱到一定程度時(shí)，即光電池短路電流減小到一定程度，光強(qiáng)度控制電路接通環(huán)境內(nèi)照明燈；而當(dāng)環(huán)境光強(qiáng)超過某一值時(shí)，光強(qiáng)度控制電路自動(dòng)熄滅照明燈。光強(qiáng)度控制電路的主要功能是實(shí)現(xiàn)區(qū)間控制，特性與施密特觸發(fā)器一致，所以施密特觸發(fā)器時(shí)光強(qiáng)度控制電路的主體。

我們使用電流轉(zhuǎn)換電壓電路，將光電池短路電流放大并轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。電流區(qū)間控制就轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓區(qū)間控制，然后輸入到我們使用的施密特觸發(fā)器中。我們?cè)O(shè)計(jì)比較了多種施密特觸發(fā)器，最終使用的施密特觸發(fā)器電路組成如圖5所示，其電壓區(qū)間控制原理如下：在環(huán)境光強(qiáng)度很弱的情況下，Vin較低。由于R1和R2的分壓，B點(diǎn)有一個(gè)電位值VB。此時(shí)Vin 《 VB，所以集成運(yùn)放輸出為高電平，即C點(diǎn)的電位Vc為高電平。而VC為高電平使VB的電位進(jìn)一步上升，又進(jìn)一步確保VC為高電平。此時(shí)，VC的高電平去控制接通環(huán)境照明燈。

當(dāng)環(huán)境光強(qiáng)度逐漸變大時(shí)，Vin升高，至Vin》VB，VC躍變?yōu)榈碗娖健６鳹C的下降造成VB的下降，使VC的進(jìn)一步保持在低電平。此時(shí)VB》VC，由于二極管的反向截至特性，VB不對(duì)VC造成影響，B點(diǎn)的電位單純由R1和R2的分壓決定。VC為低電平去控制斷開環(huán)境照明燈。

我們對(duì)電路各參數(shù)作以下設(shè)置。R1=35k，R2=10k，R4=R5=10k，R3=41.8k。集成運(yùn)放輸出高電平為4.3V，低電平為-3.7V。

當(dāng)C點(diǎn)為高電平時(shí)，根據(jù)等效電路我們計(jì)算B點(diǎn)的理論電位值為2.18V。

2）當(dāng)C點(diǎn)為低電平時(shí)，B點(diǎn)的理論電位值為1.11V，我們可以得出電路電壓傳輸特性圖如圖6所示?？芍蜷u值電壓VT+=2.18V，負(fù)向閾值電壓VT=1.11V，回差電壓VT=VT+—VT-=1.07V。

而在實(shí)驗(yàn)室使用萬用電表對(duì)該電路進(jìn)行實(shí)際測(cè)量時(shí)，發(fā)現(xiàn)測(cè)量值與理論值有一定偏差。（1）C點(diǎn)為高電平時(shí)，VB=1.932V，Vin上升至1.910V便發(fā)生電路狀態(tài)轉(zhuǎn)換。（2）C點(diǎn)為低電平時(shí)，VB=1.097V，Vin下降至1.480V便發(fā)生電路狀態(tài)轉(zhuǎn)換。實(shí)際回差電壓僅為0.45V。

根據(jù)我們的實(shí)驗(yàn)和計(jì)算，在實(shí)際連接電路時(shí)，我們選用器件的參數(shù)如下：R1=69k，R2=10k，R4=R5=10k，R3=30k。經(jīng)理論計(jì)算得，（1）VC為高電平時(shí)，VB=2.02V。VC為低電平時(shí)，VB=0.63V。在對(duì)計(jì)算值進(jìn)行修正后，我們得到電路實(shí)際正向閾值電壓VT+=1.96V，電路實(shí)際負(fù)向閾值電壓VT_=1.03V?；夭铍妷篤T=VT+—VT=0.97V，實(shí)際電路電壓傳輸特性如圖7所示。

值得一提的是，由于VC快速躍變，使得三極管在截止和深度飽和狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換。三極管的工作狀態(tài)易受溫度影響，但是三極管的截止電壓和深度飽和電壓受溫度變化影響較小，且集成運(yùn)放的高低電平4.3V和-3.7V足夠使三極管在截止和深度飽和狀態(tài)之間發(fā)生轉(zhuǎn)換。所以使用三極管去驅(qū)動(dòng)繼電器還是相當(dāng)可靠的。

2.3 自動(dòng)報(bào)警電路工作原理

圖8自動(dòng)報(bào)警電路的原理圖。

改變光電池光強(qiáng)，測(cè)出光強(qiáng)較大、較小時(shí)對(duì)應(yīng)的VOH、VOL，再調(diào)W1和W2，使IC1+和IC2+輸入分別對(duì)應(yīng)VOH和VOL。當(dāng)VO》VOH時(shí)，IC1輸出低電平，發(fā)光二極管LED2正向?qū)òl(fā)光報(bào)警，同時(shí)使555時(shí)基電路輸出低電平，對(duì)CD4017（上跳沿有效）的腳14而言輸入是下降沿，故CD4017不工作。IC2輸出低電平，發(fā)光二極管LED1和蜂鳴器不工作。當(dāng)VO 《 VOL時(shí)，IC1輸出高電平，發(fā)光二極管LED2截止，555時(shí)基電路輸出高電平，而IC2輸出高電平，發(fā)光二極管LED1和蜂鳴器工作，同時(shí)使CD4017的腳13端置1，計(jì)數(shù)器停止。當(dāng)VOL 《 VO 《 VOH時(shí)，IC1輸出高電平，IC2輸出低電平，發(fā)光二極管LED1和蜂鳴器都不工作，同時(shí)555時(shí)基電路輸出高電平，CD4017的端為低電平，CD4017計(jì)數(shù)，它控制的十個(gè)二極管順次發(fā)光，表示正常工作。

2.4 數(shù)顯電路的基本工作原理

圖9是數(shù)顯電路原理圖

CL7107計(jì)數(shù)器的最大計(jì)數(shù)值為1999，當(dāng)計(jì)數(shù)器滿2000個(gè)數(shù)時(shí)計(jì)數(shù)器便產(chǎn)生進(jìn)位信號(hào)而且計(jì)數(shù)器自動(dòng)歸零。這段時(shí)間是0～t1（如圖10所示）。若已知時(shí)鐘脈沖的周期為TC，則0～t1這段對(duì)Ui的積分時(shí)間為T1=2000Tc，0～t1時(shí)間內(nèi)，積分器的輸入電壓U0（t1）=2000Ui/RCT。

t=t1時(shí)，計(jì)數(shù)器產(chǎn)生的進(jìn)位信號(hào)觸發(fā)控制邏輯門把S1從Ui打向-UREF，電容C開始反向充電，使U0逐漸升高，并不斷向零伏接近，計(jì)數(shù)器仍持續(xù)計(jì)數(shù)。因比較器輸出從t=0開始一直保持為高電平。

當(dāng)t=t2時(shí)，積分器輸出電壓U0升至0V，使比較器輸出為低電平，控制門G關(guān)閉，時(shí)鐘脈沖不能進(jìn)入計(jì)數(shù)器，這樣計(jì)數(shù)器在t1～t2間隔內(nèi)所計(jì)數(shù)值N（12）被保留一段時(shí)間，并由二進(jìn)制轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制，由驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)LED顯示為十進(jìn)數(shù)。反向積分時(shí)間T2=t2-t1=N（12）Tc，UREF為恒定電壓，在t1～t2時(shí)間內(nèi)，積分器電壓的變化量U0（t1～t2）為U0（t1～t2）=（UREF／RC）×N（12）Tc，由上述已知t2時(shí)刻積分器的輸出電壓U0（t2）為零，又U0（t2）=U0（t1）+U0（t1～t2）=（-Ui／RC）×2000Tc+UREF／RC）×N（12）T2=0。整理得N（12）=（Ui／UREF）×2000。N（12）是LED數(shù)碼塊上顯示的讀數(shù)。它與Ui成線性關(guān)系。如（UREF／2000）=0.1mV，那么N（12）的值就是被測(cè)電壓Ui的0.1mv的倍數(shù)。如（UREF／2000）=1mV，則N（12）為Ui的毫伏數(shù)，此時(shí)7107的量程為199mV。圖10上的U0積分曲線是由兩段斜率不同的直線組成的，因此又成為雙斜率積分型A／D轉(zhuǎn)換器。

從t～t2，U0=0開始，控制門G關(guān)閉，并觸發(fā)計(jì)數(shù)器向外輸出讀數(shù)。使S2合上保持U0=0，時(shí)間間隔為（t2～t3），在（t=t3）時(shí)，控制邏輯單元使N位計(jì)數(shù)器復(fù)零，使S2打開，S1與Ui相連，積分器重新開始積分。

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