光电子技术课程设计指导书

光电子技术基础课程设计指导书

西安理工大学

2010年12月

目录

第1章光敏电阻及其应用电路分析与设计 (1)

第2章光电池及其应用电路分析 (7)

第3章热释电传感器及其应用 (13)

第4章光电耦合器及其应用电路 (24)

第1章光敏电阻及其应用电路分析与设计

1.1 光敏电阻的功能与结构

光敏电阻是根据光电导效应制成的光电探测器件，所谓光电导效应就是光电材料受到光辐射后，材料的电导率发生变化。它可以这样理解：材料的电导率、电阻与该材料内部电子受到的束缚力有关，束缚力越大，电子越难自由运动，电导率越小，电阻越大；当电子吸收外来的一定能量的光子后，根据能量守恒原则，动能增加，材料对电子的束缚力减弱，电导率减小，电阻减小。从而等到结论：光敏电阻的阻值会随着光照强弱的变化而变化。光照强，光敏电阻的阻值就小；光照弱，光敏电阻的阻值就大。暗电阻光敏电阻在不受光时的阻值称为暗电阻，亮电阻光敏电阻在受光照射时的电阻称为亮电阻。

光敏电阻在应用时，通常采用的电路形式如图1-1所示。R p为光敏电阻，R L为负载电阻，V b为偏置电压，V L为光敏电阻两端电压。

图1-1 光敏电阻基本应用电路

光敏电阻在使用时呈现一定的电路特性：光敏电阻的两极加上一定电压后，当光照射在光电导体时，由光照产生的光生载流子在外加电场作用下沿一定方向运动，在电路中产生电流。光敏电阻的电路特性（电阻、转换效率等）和光电导体长度有关。通常将光敏电阻的光敏面作成蛇形，电极作成梳状，如图1-2所示；这样既可保证有较大的受光表面，也可以减小电极之间距离，从而既可减小极间电子渡越时间，也有利于提高灵敏度。

图1-2 光敏电阻的电路符号及蛇形结构

1.2 光敏电阻的特性

光敏电阻的材料和结构不同，会使光敏电阻呈现不同的特性。在不同的应用场合下，就应选用不同特性的光敏电阻。光敏电阻的选择通常应考虑光电材料的光谱特性、光电电路的转换效率和响应时间等因素。

1.2.1 光谱特性

光敏电阻的光电导效应不是在任意的光照下都能呈现，只有光子能量大于材料的间接能隙（原子的能级之差）时，光敏电阻才能呈现光电导效应。光敏电阻与入射光光谱之间的特性，称之为光敏电阻的光谱特性。不同光敏材料的光谱特性有很大差异。

光敏电阻按材料分类有两种类型：本征型光敏电阻和掺杂型光敏电阻。由于掺杂材料灵活改变了光敏电阻的光谱特性，目前市场上所采用的基本上是掺杂型光敏电阻。其光谱特性及最佳工作波长范围可分为三类：一类是紫外光敏感型光敏电阻，如硫化镉和硒化镉等。另一类是可见光敏感型光敏电阻，如硫化铊等。还有一类是红外光敏感型光敏电阻，如硫化铅等。常见的光敏电阻有硫化镉光敏电阻、硫化铅光敏电阻、锑化铟光敏电阻、碲镉汞系列光敏电阻等。特别提示的是：硫化镉与人眼的光谱光视效率曲线的范围和峰值波长(555nm) 非常接近，因此可用于与人眼有关的仪器，例如照相机、照度计、光度计等。

图1-3 光敏电阻的光谱特性曲线

1.2.2 照度特性

在光敏电阻上加上一定电压时，光敏电阻的光电流或光电阻与入射光照度之间的关系称为光敏电阻的照度特性。CdS光敏电阻在恒定电压作用下的光照特性曲线如图1-4所示，当照度很低时，曲线近似为线性，随着照度的增高，线性关系变坏，当照度很高时，曲线近似为抛物线形。图中，曲线的斜率表示的是光敏电阻的转换效率（入射光辐射与光生电流）。在光电测量场合下，对照度曲线线性度要求较高；但在光电开关应用中，对线性度要求不高。

图1-4 硫化镉光敏电阻的光电特性曲线

1.2.3 响应时间

光敏电阻在光照时，光生载流子的产生或消失都要经过一段时间，这就是光敏电阻的响应时间，它反映了光敏电阻的惰性。光敏电阻的响应时间约为10-2~10-3s，与其他光电器件相比，其响应时间是最慢的。CdSe光敏电阻的响应时间约为10ms，CdS的响应时间约为100ms。因此，光敏电阻通常都工作于直流或低频状态下。

1.2.4 温度特性

温度特性温度变化影响光敏电阻的光谱响应，同时，光敏电阻的灵敏度和暗电阻都要改变，尤其是响应于红外区的硫化铅光敏电阻受温度影响更大。图1-5为硫化铅光敏电阻的光谱温度特性曲线，它的峰值随着温度上升向波长短的方向移动。因此，硫化铅光敏电阻要在低温、恒温的条件下使用。对于可见光的光敏电阻，其温度影响要小一些。

图1-5 硫化铅光敏电阻的温度特性

1.3 光敏电阻的应用

光敏电阻可将光转换为电信号，是一种典型的光电器件，但光敏电阻和其它半导体光电器件相比有以下特点：（1）光谱响应范围相当宽。根据光电导材料的不同，光谱响应可从紫外光、可见光、近红外扩展到远红外，尤其对红光和红外辐射有较高的响应度。（2）工作电流大，可达数毫安。（3）所测光强范围宽。既可测强光，也可测弱光。（4）灵敏度高。光导电增益大于1。（5）偏置电压低，无极性之分，使用方便。其缺点是在强光照射下光电转换线性较差。光电驰豫过程较长，频率响应很低。

光敏电阻在农业生产和发展生活方面，主要用在自动控制装置和光检测设备中，如生产线上的自动送料、自动门装置、应急自动照明、自动给水与停水装置、生产安全装置、烟雾火灾报警装置等方面，还广泛应用于自动灯塔、劳动保护、照度测量、电子娱乐及家用电器等方面。

1.3.1 光敏电阻的应用电路分析

（1）光敏电阻在自动灯塔中的应用电路分析

如图1-6所示电路为光敏电阻在自动灯塔中的应用电路——电子萤火虫电路原理图。由于检测的是白光的亮度，检测电路中选用CdS光敏电阻（其响应波长为可见光区）。电路由三部分组成：第一部分为光敏电阻RP1、VR1和开关管8050构成的测光与开关电路；第二部分为时基电路NE555、R1、VR2、C2构成的单稳态触发电路；由D1、C1、D3、D2、C4、D4构成的执行电路。

图1-6 光敏电阻在灯塔中的应用——电子萤火虫电路

当光敏电阻所处环境的光线暗到一定程度时，光敏电阻的阻值增大，由RP1和VR1构成的分压电路可使Q1的基极电压低于开关管8050导通所需的0.7V电压，三极管8050截止，U1（NE555）所构成的单稳态触发电路正常工作，U1-③输出脉冲信号。当U1-③输出高电平时，经D2、C4形成充电电路，有适当电流流过D2，D2就会发光，而且随着充电时间推移，电流呈指数规律快速减小，发光管D2发出的光也由强到弱变化。同时，C1 经D3与U1-③形成放电电路。当U1-③输出低电平时，经D1、C1形成充电电路，有适当电流流过D1，D1就会发光，也会出现由亮到暗的变化，发光管D1发出的光也由强到弱变化。同时，C4经D4与U1-③形成放电电路。这样，U1-③输出的脉冲电压的作用下，发光管D1和D2呈现由亮到暗的荧光变化效果。

当光敏电阻所处环境的光线亮到一定程度时，Q1的基极电压高于0.7V，开关管8050导通，U1-⑦电位被固定为低电压，U1构成的单稳态触发电路不能正常工作。U1-③则不能输出脉冲信号，由于电容的隔直作用，发光二极管不能发光。

（2）光敏电阻在烟雾火灾报警装置中的应用——火灾检测报警器电路

图1-7所示为采用光敏电阻作为检测元件的火灾检测报警电路图。电路检测的是火焰（辐射的波长为红外波长2μm左右），所选用的光电检测器件为PbS光敏电阻（其响应波长

为红外区）。电路由三部分组成：一部分由Q1、电阻R1、R2、恒压二极管D1和光敏电阻RP1（构成光敏电阻的恒压偏置方式）构成性能稳定的红外光波检测电路。一部分由Q2和Q3等构成的交流信号放大电路。第三部分为R9和D2构成的光报警电路。

图1-7 火焰检测报警器电路

当被检测物体的温度高于燃点或被检测温度（光敏电阻相应的阻值）时，物体将会发出红外辐射光，当辐射光被光敏电阻接收时，Q2-2将有适当的交变信号输入，放大器放大后，驱动发光二极管D2工作。当无燃点时，光敏电阻呈现很大的电阻，Q1-3不会产生交变信号，后续电路就不会产生动作。

1.3.2 光敏电阻的应用电路设计

（1）光敏电阻在劳动保护中的应用——光线照度提醒电路

课题要求：当光线暗到一定程度（可调），采用声、光提醒；否则，没有任何动作。

设计步骤：①确定系统电路原理框图：由光电器件实时感应光线的变换，产生相应的电信号输出；此信号作为脉冲发生电路的启动信号，报警设备发光二极管（光）和蜂鸣器（声）在脉冲信号的驱动下，产生声光提示。

光线感应电路脉冲产生电路声光驱动电路

②设计单元电路：

光线感应电路：由于感应可见光的亮暗程度，实现开关的动作，电路设计中利用开关管的阈值来实现。可以利用施密特触发器（输出带整形电路）实现，当施密特触发器的输入为逻辑量“1”和逻辑量“0”时，分别实现开关动作。光线感应电路中可利用光敏电阻和外加电阻（可调）的分压电路实现节电处电压的高低，从而实现高低电平，实现不同逻辑输入。