第10章 光电测控电路
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第10章 光电测控电路. 本章基本内容 10.1 概述 10.2 光敏晶体管和光敏电阻 10.3 光电耦合器及其开关电路 10.4 光电测控的应用举例 10.5 光电池及其应用. 10.1 概述 光电传感器不仅具有检测物理量的功能，利用光电开关器件还可以对电路进行控制，具有这两个功能的光电传感器电路称为光电测控电路。 MGK 系列光电开关还有下列一些特点 ： (1) 对射式、反射式、镜面反射式光电开关都有防止相互干扰功能，安装方便。 - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
第 10 章 光电测控电路 本章基本内容
10.1 概述
10.2 光敏晶体管和光敏电阻
10.3 光电耦合器及其开关电路
10.4 光电测控的应用举例
10.5 光电池及其应用
10.1 概述 光电传感器不仅具有检测物理量的功能，利用光电开关器件还可以
对电路进行控制，具有这两个功能的光电传感器电路称为光电测控电路。
MGK 系列光电开关还有下列一些特点：(1) 对射式、反射式、镜面反射式光电开关都有防止相互干扰功能，
安装方便。(2) 对 ES 外同步（外诊断）控制端的进行设置可在运行前预检光电
开关是否正常工作。并可随时接受计算机或可编程控制器的中断或检测指令，外诊断与自诊断的适当组合可使光电开关智能化。
(3) 响应速度快，高速光电开关的响应时间可达到 0.1ms ，每分钟可进行 30 万次检测操作，能检出高速移动的微小物体。
(4) 采用专用集成电路和先进的 SMBG 表面安装工艺，具有很高的可靠性。
(5) 体积小（最小仅 20×31×12mm3 ）、重量轻，安装调试简单，并具有短路保护功能。
10.2 光敏晶体管和光敏电阻10.2.1 光敏晶体管光敏晶体管通常指光敏二极管、光敏三极管和光敏晶闸
管，它们的工作原理也是基于内光电效应，它们与光敏 电 阻 的 差 别 仅 在 于 光 线 照 射 在 半 导 体 PN 结上， PN 结参与了光电转换过程。
1. 光敏二极管(1) 光敏二极管的结构与工作原理 光敏二极管又称为光电二极管，它的结构与一般二极管
相似，装在透明玻璃外壳中，如图 10.1(a) 所示。 光敏二极管与普通二极管的不同之处在于 PN 结装在透
明管壳的顶部，可以直接受到光照。光敏二极管的内部结构如图 10.1(b) 所示。光敏二极管在电路中一般处于反向工作状态，它的符号及其在电路中的接法分别如图 10.1 （ c ）、（ d ）所示。
（ e ） 图 10.1 光敏二极管的结构和工作原理
(2) 光敏二极管的主要技术参数① 最高反向工作电压：指光敏二极管在无光条件下，反
向漏电流不大于 0.1μA 时所能承受的最高反向电压。② 暗电流：指光敏二极管在无光照、最高反向电压条件
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。一般锗二极管的暗电流比较大，约 为 几 个 微 安 ， 硅 光 敏 二 极 管 的 暗 电 流则小 于0.1μA 。
③ 光电流：指光敏二极管受一定的光照、在最高反向电压产生的电流，其值越大越好。
④ 灵敏度：反应光敏二极管对光的敏感程度的一个参数，由在每微瓦的入射光能量下所产生的光电流来表示。其值越高，说明光敏二极管对光的反应就越灵敏。
⑤ 响应时间：表示光敏二极管将光信号转换成电信号所需要的时间。响应时间越短，说明其光电转换速度越快，即工作频率越高。
除此之外，还有结电容、正向压降、光谱范围和峰值波长等参数。另外，还有 PIN 结光电二极管、雪崩光电二极管等。
2. 光敏三极管 (1) 光敏三极管的结构与工作原理 光敏三极管 ( 也称为光敏晶体管 ) 的结构与一般三极管
很相似，为适应光电转换的要求，它的基区做得较大，而且基极往往不接引线，发射区面积做得比较小，并在基区边缘，以避免发射极引线遮住基区影响灵敏度。 光敏三极管有 NPN型和 PNP型两种，它在结构上与普通三极管类似，通常只有两个电极（也有三个的）。NPN 型的结构简化图及基本电路如图 10.2(a) 所示；
PNP型的结构简化图及基本电路如图 10.2(b) 所示。暗电流
集电极光电流
1ceo cboI I
C SI I
图 10.2 光敏三极管的结构和工作电路 (2) 光敏三极管的基本特性① 光敏三极管的光谱响应 图 10.3 所示为光敏三极管的光谱响应曲线。
② 光敏三极管的伏安特性 光敏三极管在不同的照度下的伏安特性如图 10.4 所示 .
图 10.3 光敏三极管的光谱特性 图 10.4 光敏三极管的伏安特性
③ 光敏三极管的温度特性
图 10.5 所示为锗光敏三极管的温度特性曲线，光敏三极管的暗电流与温度的关系如图 10.5(a) 所示；光电流与温度的关系如图 10.5(b) 所示。
图 10.5 锗光敏三极管的温度特性
④ 光敏三极管的时间常数 实验证明，光敏三极管可看成一个小惯性环节 . 一般锗
管的时间常数约为 ,而硅管的时间常数约为 左右。若检测装置要求快速，可选择硅光敏晶体管。
42 10 s
42 10 s610 s
3. 光敏晶闸管 光敏晶闸管（ LCR ）又称为光控晶闸管（或光控可控硅），由光辐射触发而导通，其结构如图 10.6(a) 所示。它有三个引出电极，分别为阳极 A 、阴极 K 、控制极 G ；它有三个 PN 结 . 光敏晶闸管的符号如图 10.6(b) 所示；
其等效电路如图 10.6(c) 所示；曲型应用电路如图 10.6(d)所示。
图 10.6 光敏晶闸管的结构及等效电路
10.2.2 光敏电阻1. 工作原理 光敏电阻是采用半导体材料制成的，利用内光电效应工作的光电元件。在光线的作用下其阻值往往变小，这种现象称为光导效应，因此，光敏电阻又称光导管。
图 10.7 光敏电阻结构示意图及图形符号 2. 基本特性和参数(1) 暗电阻、亮电阻
(2) 伏安特性 在一定照度下，光敏电阻两端所加的电压与流过光敏电阻的电流之间的关系，称为伏安特性，如图 10.8 所示。
图 3.8 光敏电阻的伏安特性 图 3.9 光敏电阻的光电特性
(3) 光电特性 如图 10.9 所示。
(4) 光谱特性 (5) 频率特性
图 10.10 光敏电阻的光谱特性 图 10.11 光敏电阻的频率特性 (6) 温度特性 光敏电阻和其他半导体器件一样，受温度影响较大。当温度升高时，它的暗电阻会下降。温度的变化对光谱特性也有很大影响，随着温度的上升峰值会向波长变短的方向移动。
10.3 光电耦合器及其开关电路 10.3.1 光电耦合器的工作原理 光电耦合器件实际上是一个电量转换器，由于它实现了电隔离，提高了抗干扰性能，并且由于它具有单向信号传输功能，因而有脉冲转换和直流电平转换特性。 光电耦合器在模拟信号处理电路中也会得到愈来愈广泛的应用。 典型的光电耦合器的内部等效电路如图 10.12(a) 所示，图 10.12 （ b ）为光电耦合器的基本接线电路。
图 10.12 光电耦合器电路
10.3.2 光电耦合器的特性与实用技术1. 光电耦合器特性光电耦合器特性是输入发光二极管和输出光电元件的特性曲线的合成，如图 10.13 所示。
图 10.13 光电耦合器的特性曲线
2. 光电耦合器的实用技术光电耦合器有两种基本电路：高速光电耦合器电路如图 10.14(a) 所示，高传输比的光电耦合器电路如图10.14(b) 所示。
图 10.14 光电耦合器的基本电路
在设计电路时，选用光电耦合器必须遵从如下基本原则：① 所选用的光电耦合器必须符合国家或国际的有关隔离击穿电压的标准。
② 若用放大电路去驱动光电耦合器，必须精心设计 ,保证它能够补偿耦合器的温度不稳定性和漂移。
③ 选用的光电耦合器必须有较高的传输比。
光电耦合器有四种基本组合形式，如图 10.15 所示。（ 1 ）发光二极管—三极管型。如图 10.15 （ a ）所示。
如国产GD-5型，结构简单、成本低、适用于低于 50的工作频率。
（ 2 ）发光二极管—复合三极管型，如图 10.15 （ b ）所示。采用光敏二极管和三极管串接作为受光元件，如果二极管用 PIN型光敏二极管，则光电耦合器适用于较高的工作频率。
（ 3 ）发光二极管—达林顿型，如图 10.15 （ c ）所示。输出部分增加一个放大器，适用于直接驱动和较低频率的装置中。如 GD-D型，工作频率低于 10kHz 。
（ 4 ）发光二极管—集成电路型，如图 10.15 （ d ）所示。它是高速、高传输效率的光电耦合器。近年来也将发光元件、光敏元件和集成片组合同在一半导体基片上，构成放大和逻辑电路为一体的各种集成功能块，是很有前途的一种光电耦合器件。
图 10.15 光电耦合器的四种基本组合形式
光电耦合器的作用有以下几个方面：可将输入和输出两部分的地线分开，各自使用一套电源供电。这样，信息通过光电转换，单向传递，干扰信号很难从输出端反馈到输入端 , 从而起到了隔离作用；光电耦合器还可以进行电平转换，例如，图 10.16所示电路 .
图 10.16 光电耦合器的电平转换电路
10.3.3 由光电耦合器组成的开关电路 1.由光电耦合器组成的常开开关电路 如图 10.17(a) 所示的常开开关电路，当没有脉冲输入时，三极管VT截止，发光二极管不发光，光敏三极管也截止，相当于开关（ a 、b 端）断开。当输入正向脉冲时，三极管 VT 导通，从而使发光二极管导通发光，光敏三极管受光的照射而导通，相当于开关闭合。所以，图 10.17（ a ）所示电路是一个常开开关电路，用图 10.17(b) 所示
符号表示。因而可取代继电器的常开触点。
图 10.17 光电耦合器组成的常开开关电路
2.由光电耦合器组成的常闭开关电路 图 10.18(a) 所示电路是一个常闭开关电路。用图10.18(b) 所示符号表示。因而可取代继电器的常闭触点。
图 2.18 光电耦合器组成的常闭开关电路
3.由光电耦合器组成的常闭常开开关电路 由光电耦合器组成的常闭常开开关电路如图 10.19(a) 所示，常闭
常开开关电路，用图 10.19 （ b ）所示的符号表示。
图 10.19 光电耦合器组成的常闭常开开关电路 4. 由光电耦合器组成的固体继电器电路固体继电器电路指的是用光电耦合器代替继电器的控制
电路，如图 10.20 所示。
图 10.20 光电耦合器组成的零交叉固体继电器电路
固体继电器比电磁继电器具有明显的优越性，它动作速度快、寿命长、体积小，而且是无触头开关，在计算机控制系统中得到广泛应用。
10.4 光电测控的应用举例 利用各种光电器件可以构成许多实用的光电测控电路，如产生各种静止的或移动的视觉显示；对应于有没有光源或者物体进入到光源的作用范围时，实现自动开关和报警动作；由红外光发生器和远距离放置的探测器实现遥控作用；三相供电系统的缺相保护等。
10.4.1 光电传感器应用的几种基本形式根据光通量对光电元件的作用所确定的光学装置的结构
与方式的不同，综合起来有以下几种基本应用形式。(1) 辐射型如图 10.21 （ a ）所示。 (2) 吸收型如图 10.21 （ b ）所示。(3) 反射型如图 10.21 （ c ）所示。(4) 遮挡型如图 10.21 （ d ）所示。(5) 透射型如图 10.21 （ e ）所示。(6) 时差测距如图 10.21(f) 所示。
图 10.21 光电传感器应用的几种基本形式
10.4.2 辐射型测温电路 辐射型测温电路图如图 10.22 所示。检测元件为硫化铅
光敏电阻，能测量高于 的表面温度。
图 10.22 辐射测温电路
100 C
10.4.3 烟尘浊度监测仪
烟道里的烟尘浊度是通过光在烟道里传输过程中的变化大小来检测的。如果烟道浊度增加，光源发出的光被烟尘颗粒吸收和折射就增加，到达光检测器上的光就减少，因而光检测器输出信号的强弱便可反应烟道浊度的变化。
图 10.23 所示是吸收式烟尘浊度监测系统组成框图。为了检测出烟尘中对人体危害性最大的亚微米颗粒的浊度和避免水蒸气和二氧化碳对光源衰减的影响，选取可见光作光源（ 400～ 700nm波长的白织光）。光检测器光谱响应范围为 400～ 600nm 的光电管，获取随浊度变化的相应电信号。
图 10.23 吸收式烟尘温度监测仪框图 10.4.4 声控光敏延时开关电路 声控光敏延时照明开关是一种用于楼梯、走廊、公厕等场合的照明开关。这种开关在白天呈关闭状态，夜晚只要有响声便可开启，延时 45s后又自动关闭。其电路如图 10.24 所示。
图 10.24 声控光敏延时开关电路图
白炽光平等光源 光检测 放大
显示刻度校正报警器
烟筒
10.4.5 光电输液监测器的设计 光电式液滴传感器原理结构图如图 10.25 （ a ）所示。传感器由一对光电管构成，砷化镓红外发光二极管发出平行均匀光束，光束可以由外加信号控制（控制信号由“1”、“ 2”端输入）。光束穿过茂菲式滴管到达光电二
极管。采用砷化镓红外发光二极管作光源，产生直径为3mm （ D1=3mm ）的平行光束，光电二极管的光敏面的直径为，，则光电二极管距茂菲式滴管的滴落中心线的距离不小于 10.3～ 12.4mm ，将光电二极管设计成中心距离可调节，调节范围在 10～ 13mm 之间。 对于不同性质的药液，光电二极管输出的脉冲信号的波形略有不同。随着液体的滴落，光电二极管将输出一系列的脉冲信号如图 10.25 （ b ）所示，该脉冲信号供后继的电压比较电路处理。
图 10.25 光电式液滴传感器及信号输出波形
输液监测器的信号处理电路如图 10.26 所示，电路采用 LM567 集成
芯片。 图 10.26 中 4PIN插座的 1 ， 2 ， 3 ， 4 接线对应于图 10.25 中相
同的符号。
图 10.26 输液监测器的信号处理电路 在 LM567输出端 8脚可得到如图 10.25 （ b ）的脉冲信号输出，图中每一个脉冲对应于一个液滴的滴落。 在实际设计的输液监测系统中，一般以 MCS—51 单片机为核心构成信号处理系统，同时可以监测 60 个床位，每一个床位除了液滴计数信号外，还有漏液已完的呼叫信号，这些信号由 8279以扫描方式巡回读入，数据量大。
10.4.6 光电耦合器缺相保护电路 图 10.27是一个简单的光电耦合器缺相保护电路。三相平衡时， R1 ～R3 结点 H 电位很低，光电耦合器 VT输出近似为零电平。当缺相时， H点电位抬高，光电耦合器输出高电平，经比较器进行比较，输出低电平，封锁驱动信号。比较器的基准可调，以便调节缺相动作阈值。该缺相保护适用于三相四线制，而不适用于三相三线制。电路稍加变动，亦可用高电平封锁 PWM信号。
图 10.27 三相四线制的光电耦合器缺相保护电路
图 10.28 是一种用于三相三线制电源光电耦合器缺相保护电路，这种缺相 保 护 电 路 采 用 光 电 耦 合 器隔离强 电 ， 安全可 靠 。 当缺
A 、 B 、C任何一相时，光电耦合器输出电平低于比较器的反相输入端的基准电压，比较器输出低电平，封锁 PWM驱动信号，关闭电源。比较器输入极性稍加变动，亦可用高电平封锁 PWM信号。 RP1 、 RP2 用于调节缺相保护动作的阈值。
图 10.28 三相三线制的光电耦合器缺相保护电路
10.5 光电池及其应用
10.5.1 光电池1. 光电池的结构和工作原理 光电池是一个有源光电元件，当受到光照时，就产生一定方向的电动势。光电池的工作原理是基于光生伏特效应。光电池的种类很多，有硒光电池、氧化亚铜光电池、硅光电池等。其中硅光电池的光电转换效率高，寿命长，价格便宜，适合红外波长工作，是最受欢迎的光电池，也称为硅太阳能电池。 图 10.29(a) 表示典型的硅光电池构造原理图。光电池的符号如图10.29(b) 所示，光电池与外电路联接如图 10.29(c) 所示。
图 10.29 光电池结构与外电路
2. 光电池的基本特性(1) 光电池的光谱特性 图 10.30 所示为硒光电池和硅光电池的光谱特性曲线，即相对灵敏度和入射光波长之间的关系曲线。从图 10.30可知，不同材料的光电池，光谱特性峰值所对应的入射光波 .
图 10.30 光电池的光谱特性
(2) 光电池的频率特性 光电池的频率特性是指输出电流与入射光调制频率的关系，如图 10.31 所示。当入射光照度变化时，由于光生电子—空穴对的产生和复合都需要一定的时间，因此入射光调制频率太高时，光电池输出电流的变化幅度将下降。
图 10.31 光电池的 频率特性
(3) 稳定性 当光电池密封良好、电极引线可靠、应用合理时 ,光电池的性能是相当稳定的 ,使用寿命也很长。硅光电池的性能比硒光电池更稳定。值得注意的是在高温和强光的照射下 ,会使光电池的性能变坏 ,而且使用寿命也会降低。
10.5.2 光电池的应用1. 光电池的两大应用领域光电池至今主要有两大类型的应用：一类是将光电池作光伏器件使用，利用光伏作用直接将太阳能转换成电能，即太阳能电池。太阳能电池已在宇宙开发、航空、通信设施、太阳能电池地面发电站、日常生活和交通事业中得到广泛应用。目前太阳能电池的发电成本尚不能与常规能源竞争，但是随着太阳能电池技术不断发展，成本会逐渐下降，太阳能电池定将获得更广泛的应用。
另一类是将光电池作为电转换器件应用，需要光电池具有灵敏度高、响应时间短等特性，但不要求像太阳能电池那样的光电转换效率。这一类光电池需要特殊的制造工艺，主要用于光电检测和自动控制系统中。本节讨论光电池这种类型的应用。
2. 光电池的几种基本应用电路
光电池作为光电探测使用时，其基本原理与光敏二极管相同，但它们的基本结构和制造工艺不完全相同。由于光电池工作时不需要外加偏压，光电转换效率高，光谱范围宽，频率特性好，噪声低等，它已广泛地用于光电读出、光电耦合、光栅测距，激光准直、电影还音、紫外光监视器和燃气轮机的熄火装置等。
在实际应用中，主要利用光电池的光照特性、光谱特性、频率特性和温度特性等，通过基本电路与其他电子电路的组合可实现检测或自动控制的目的。光电池在检测和控制方面应用中的几种基本电路如图 10.31 所示。
图 10.32 （ a ）为光电池构成的光电跟踪电路，用两只性能相似的同类型光电池作为光电接收器件。当入射光能量相同时，执行机构按预定的方式工作或进行跟踪。当系统略有偏差时，电路输出差动信号执行纠正，以此达到跟踪的目的。
图 10.32 （ b ）所示电路为光电开关，多用于自动控制系统中。无照射时，系统处于某一工作状态，例如，接通状态或断开状态。当光电池受光照射时，产生较高的电动势，只要光强大于某一设定的阀值，继电器 J 动作，系统就改变工作状态，达到开关目的
图 10.32 光电池的几种基本应用电路
图 10.32 （ c ）为光电池触发电路。当光电池受光照射时，使单稳态或双稳态电路的状态翻转 ( 电路输出信号由低电平转为高电平 ) ，改变其工作状态或触发器件（如可控硅）导通。
图 10.32 光电池的几种基本应用电路
图 10.32 （ d ）为光电池放大电路。在测量溶液浓度、纸张的灰度等场合，可用该电路作前置放大级，把微弱光电信号进行放大，输出信号为，然后带动指示机构或二次仪表进行读数或记录。
图 10.32 光电池的几种基本应用电路
3. 光电池路灯自动控制电路图 10.33 为光电池路灯自动控制器的电路。电路
的主回路的相线由交流接触器 CJD-10 的三个常开触头交联以适应较大负荷的需要。接触器触头的通断由控制回路控制。
当天黑无光照射时，光电池 2CR 本身的电阻和、组成分压器，使 VT1 基极电位为负， VT1 导通，经 VT2 、 VT3 、 VT4 构 成多级直 流放大器， VT4 导通使继电器 J 动作，从而接通交流接触器，使常开触头闭合，路灯亮。当天亮时，硅光电池受光照射后，它产生 0.2～ 0.5V 电动势，使 VT1 在正偏压后截止，后面多级放大器不工作， VT4截止，继电器 J释放使触头断开，灯灭。调节电位计 RP 可调整 VT1 的截止电压，以达到调节自动开关的灵敏度。
图 10.33 光电池路灯自动控制电路
