光敏Z-元件組成的三端式光傳感器

2、光敏Z-元件伏安曲線的光敏特性

在測試光敏Z-元件的光敏特性時(shí)，采用不同波長的光源會(huì)有較大的差異。我們使用的光源是波長為600nm左右的光源，經(jīng)測量，當(dāng)E1=0lx、E2=300lx、E3=600lx、E4=900lx時(shí)，其正向伏安特性曲線均在第I象限，E2=300lx時(shí)的伏安特性表現(xiàn)為：O、P2、f和m；E3=600lx時(shí)為：O、P3、f和m；E4=900lx時(shí)為：O、P4、f和m。第III象限中，光敏Z-元件的反向電流IR隨照度的增加而增大。在光敏Z-元件靈敏度參數(shù)中，反向靈敏度SR可達(dá)800mV/100lx。閾值靈敏度Sth可達(dá)-80mV～ -200mV/100lx。

????3、Z-元件的光伏特性

??? 光伏特性是指光敏元件在光的照射下，元件產(chǎn)生電動(dòng)勢（光電池、光電二極管有良好的光伏特性），當(dāng)把電阻與電流表串聯(lián)接到該光敏元件的正、負(fù)極上，電流表中有電流產(chǎn)生，這一特性就稱為光（生）伏（特）特性。Z-元件的光生伏特電動(dòng)勢（R→∞）為200mV～300mV，該元件的短路電流可達(dá)60mA。

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三、典型工作電路

??? 光敏Z-元件與溫敏Z-元件僅從伏安特性的走勢上看，很難被加以區(qū)分。唯一的辦法是從外觀上觀察，溫敏Z-元件的管芯外包封的是不透明的樹脂，而光敏Z-元件管芯外包封的是透明的樹脂。由于光敏和溫敏Z-元件具有相似的伏安特性，光敏Z-元件的典型工作電路、解析圖和信號(hào)波形圖等都與溫敏Z-元件的相同。

??? 光敏Z-元件的典型工作電路[4]有三種：

（1）光敏Z-元件的正向應(yīng)用，此時(shí)輸出開關(guān)信號(hào)。當(dāng)無光照時(shí)，其輸出電壓VO為低電平VOL，VOL≤0.4V；有光照時(shí)，其輸出電壓VO為高電平VOH，VOH≥5.0V。這種輸出正階躍開關(guān)信號(hào)的電路，負(fù)載電阻RL的一端接地，若將Z-元件與電阻RL互換位置，把Z-元件負(fù)極接地，則該電路就輸出負(fù)階躍開關(guān)信號(hào)，這時(shí)VOH＞5.0V，VOL=Vf。

（2）光敏Z-元件的反向應(yīng)用，此時(shí)輸出模擬信號(hào)。

（3）組成鋸齒波振蕩電路。在輸出負(fù)階躍信號(hào)的電路中，使RL=15kΩ～33kΩ，并在RL兩端并聯(lián)一只0.022μF～0.1μF的電容器，就組成了一個(gè)鋸齒波振蕩電路。該電路鋸齒波信號(hào)的頻率f（Hz）是照度E（lx）的函數(shù)，對照度而言，頻率的靈敏度為正；同時(shí)，鋸齒波的幅值Vp也是照度E的函數(shù)，對照度而言，幅值的靈敏度為負(fù)。

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四、光電三端傳感器

1、無溫漂MG-1型光電開關(guān)
??? 該光電開關(guān)（見圖3）由光接收電路、溫度補(bǔ)償電橋和比較器電路等三部分組成。
??? 在電路圖中，Z、C1、RL組成光接收輸入級(jí)，光源可以是波長范圍450nm～900nm中的任何一種。C1的作用是防止開機(jī)時(shí)電源電壓的沖擊，使Z-元件進(jìn)入低阻飽和導(dǎo)通M3區(qū)工作，它也可以不用。選擇負(fù)載電阻RL則確保Z-元件在使用溫度范圍內(nèi)，穩(wěn)定工作在高阻的M1區(qū)。通常使E≤Vth，并調(diào)節(jié)RL使VA≈（0.4～0.5）E。電路中，R、R1和C2組成一個(gè)消除溫漂信號(hào)的補(bǔ)償電橋。電橋的輸入信號(hào)是光敏Z-元件的輸出即VA，電橋的輸出信號(hào)為VBC，該信號(hào)送到下級(jí)比較器，由于該電橋加入了慣性電子元件C2，當(dāng)無光照時(shí)，VBC=S+15(mV)，電阻R1可以根據(jù)下式計(jì)算：

R=2（S+15）R/VA????????????????????????????????? （1）

其中，S—比較器比較靈敏度[mV]； R—橋臂電阻[kΩ]；VA—光接收輸入級(jí)A點(diǎn)的輸出電壓[mV]。

盡管Z-元件有一定的溫漂，即VA隨T（℃）而變化，但是環(huán)境的溫度變化極為緩慢，通常它的變化率dT（℃）/dt≤0.5℃/min，這樣的溫度變化率，相當(dāng)于VA具有±（0.5mV～1mV）/S的溫漂。加入C2后，VB電壓變化的時(shí)間常數(shù)τ≈RC2，該點(diǎn)電壓即VB穩(wěn)定所需的時(shí)間t≈5τ=5RC=5（s）。這就表示，由于采用了具有慣性元件的補(bǔ)償電橋，不管環(huán)境溫度是上升還是下降，始終保持VB=S+15，VB＞VC，且比較器輸出VO= VOL為低電平。當(dāng)有光照時(shí)，光敏Z-元件的輸出VA為一個(gè)正階躍信號(hào)的輸出，見圖3（b）。由于C點(diǎn)無慣性元件，B點(diǎn)有慣性元件，光照開始t=0后的一段時(shí)間內(nèi)，VC＞VB，使比較器輸出一個(gè)高電平VO= VOH；當(dāng)B點(diǎn)充電結(jié)束后，Z-元件仍然回到穩(wěn)態(tài)，即VC＜VB，比較器輸出變?yōu)?，V0O變?yōu)榈碗娖絍CL。MG-1型光電開關(guān)電路不受溫度影響，每受到一次光照就輸出一個(gè)正脈沖。

??? 2、低功耗MG-2型光電開關(guān)
??? MG-2型光電開關(guān)由光接收電路、溫度補(bǔ)償電橋和比較器三部分組成。
??? 圖4是MG-2型光電開關(guān)電路的光接收輸入級(jí)。因?yàn)槲覀円档洼斎爰?jí)功耗，所以光敏Z-元件工作在反向狀態(tài)，此狀態(tài)下的常溫電流為2mA～12mA。這樣，一方面降低了功耗，同時(shí)Z-元件反向工作的光靈敏度SR[mv/lx]也比正向光靈敏度高。反向工作時(shí)輸出阻抗可高達(dá)幾兆歐乃至十幾兆歐，為了實(shí)現(xiàn)前后級(jí)的阻抗匹配，采用一級(jí)微功耗由運(yùn)放構(gòu)成的跟隨器，跟隨器的輸出VA加到圖3（a）的A點(diǎn)，用以取代由Z-元件、RL和C1構(gòu)成的無溫漂光電接收的輸入級(jí)，比較器、跟隨器為一只微功耗雙運(yùn)放MAX4471，這樣即構(gòu)成了一個(gè)完整的低功耗MG-2型光電開關(guān)電路。該光電開關(guān)同樣具有自動(dòng)溫漂補(bǔ)償功能，無光照與有光照的工作過程及輸出信號(hào)的波形圖，均與MG-1的分析相同。

3、高靈敏度MG-3型光電開關(guān)
??? MG-3型光電開關(guān)由光接收輸入級(jí)、溫度補(bǔ)償電橋和比較器三部分組成。為了提高靈敏度，利用了光敏Z-元件Vth參數(shù)對光靈敏度高的特點(diǎn)，所以MG-3型光電開關(guān)的輸入級(jí)是Z-元件。因?yàn)楣饷鬦-元件的Vth不僅對光照的靈敏度很高，同時(shí)對溫度也敏感，而Vth值就等于鋸齒波Vf的幅值Vp，所以Vp就會(huì)隨著溫度的變化而產(chǎn)生漂移。為了把鋸齒波信號(hào)的幅值Vp變成一個(gè)直流電平，以便于溫度補(bǔ)償，也為了輸入級(jí)與下級(jí)的匹配，這里采用由運(yùn)放構(gòu)成的跟隨式檢波器電路，見圖5。在圖5（a）中，輸入級(jí)的輸出電壓VA接到圖3中的A點(diǎn)，用以取代圖3（a）中光敏Z-元件正向工作的光電接收級(jí)，就構(gòu)成了MG-3型光電開關(guān)的完整電路。此電路的Sth靈敏度為負(fù)，因此，跟隨式檢波器的輸出VA也是一個(gè)光靈敏度為負(fù)的直流電平。同時(shí)，為了使光照時(shí)的VO是一個(gè)正脈沖，在光電信號(hào)的溫度補(bǔ)償電橋（圖3（a））中，C2由B點(diǎn)改接到了C點(diǎn)。電路中，VA的值等于鋸齒波的幅值減去檢波二極管的正向壓降，而R1的計(jì)算仍可用（1）式。在無光照和有光照時(shí)，電路中鋸齒波波形圖及各點(diǎn)信號(hào)波形圖請看圖5（b）、（c）。

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五、應(yīng)用示例

??? 1、光電報(bào)警器

????該光電報(bào)警器是遮光型防入侵光電報(bào)警器。電路由MG-2型光電開關(guān)、延時(shí)電路、開關(guān)電路和聲光報(bào)警等部分組成，見圖6。信號(hào)源是一個(gè)振蕩器，可由紅外發(fā)光管射出高能光脈沖，信號(hào)延時(shí)（YS）電路由V1、R1、C、D1組成，觸發(fā)電路由R2、V2組成。聲光報(bào)警部分由發(fā)聲部件HA和發(fā)光部件HL組成。工作過程是這樣的：信號(hào)源使發(fā)光管發(fā)出光脈沖，脈寬為 0.2ms、頻率為100Hz。這個(gè)連續(xù)的脈沖光照在MG-2的光敏Z-元件上，輸出100Hz的正脈沖。在連續(xù)正脈沖的作用下， V1向C充電，充電的時(shí)間為0.2ms，充電的間隔時(shí)間為10ms，每次充電后，C上的電壓uC都接近電源電壓6V；在充電后的9.8ms后，電容器通過R1和MG-2的輸出進(jìn)行放電。因?yàn)槌潆姇r(shí)間常數(shù)小，放電時(shí)間常數(shù)大，對于反相器D1的輸入而言，uC就是它的輸入電壓。在正常連續(xù)光脈沖的作用下，總是輸入高電平，反相器輸出為低電平VOL，可控硅不被觸發(fā)，不發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)。當(dāng)信號(hào)源與光敏Z-元件之間有異物遮擋住信號(hào)源的光路時(shí)，C不能被及時(shí)充電，進(jìn)而放電，直至 uC→UOL時(shí)，反相器D1便輸出高電平，V2被觸發(fā)導(dǎo)通，從而HL、HA得電，發(fā)出聲、光報(bào)警信號(hào)。

??? 2、電機(jī)穩(wěn)速控制器

??? 有些電子部件或游樂設(shè)備對電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性要求較高，大都設(shè)置了轉(zhuǎn)速控制電路。電機(jī)穩(wěn)速控制器就是其中一種。

??? 圖7是電機(jī)穩(wěn)速控制器框圖。它包括信號(hào)源，單片機(jī)、數(shù)控電源和MG-3型光電開關(guān)。在受控電機(jī)M的終端負(fù)載轉(zhuǎn)軸上，安裝著能夠反射光的黑、白（光亮）相間條格的光盤，白條是反光的，黑條不反光。信號(hào)源使發(fā)光管發(fā)出光，由于光盤上白條的反光作用，使照在MG-3上光敏Z-元件上的光就成為一個(gè)一個(gè)的光脈沖，MG-3的輸出信號(hào)VO也就成為與光脈沖同頻率的脈沖信號(hào)。把VO送給單片機(jī)計(jì)數(shù)，與設(shè)定的轉(zhuǎn)速比較，當(dāng)超出允許的轉(zhuǎn)速誤差范圍就發(fā)送控制指令，送給數(shù)控電源，調(diào)節(jié)電機(jī)電壓VM，使轉(zhuǎn)速重新回到設(shè)定允許的誤差范圍內(nèi)。

??? 3、光電式安全控制器

??? 一些機(jī)械類生產(chǎn)和加工設(shè)備及機(jī)電一體化的裝置常有高溫、高壓、密封防泄漏等特點(diǎn)，并有大量的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，為了操作者的安全，往往要采取一些機(jī)械的或光電類的安全連鎖電路，使得在不停機(jī)、不停電就會(huì)產(chǎn)生不安全因素或后果時(shí)，自動(dòng)停機(jī)并發(fā)出故障信號(hào)，從而保證了設(shè)備和人身的安全。

??? 圖8是光電式安全控制器的電路構(gòu)成。

它由信號(hào)源、MG-3型光電開關(guān)、延時(shí)（YS）電路、故障顯示和終端控制電路組成。其工作過程是這樣的：信號(hào)源驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)光二極管發(fā)出1000Hz的光脈沖，脈寬占空比為1:1。MG-3光電傳感器接收到光脈沖后，其輸出信號(hào)VO也是1000Hz的脈沖信號(hào)。該連續(xù)的脈沖信號(hào)作用到延時(shí)（YS）電路后，輸出信號(hào)VY始終保持低電平VY=VOL≤0.1V，因而可控硅V3截止，沒有聲、光報(bào)警信號(hào)產(chǎn)生。固態(tài)繼電器SSR則直流側(cè)沒有電流，交流側(cè)截止，使交流接觸器K不吸合，其常開觸頭K-1和常閉觸頭K-2保持原態(tài)，運(yùn)行的機(jī)械裝置繼續(xù)正常工作。通常光源與光敏Z-元件之間是被保護(hù)的工作空間，光路不被遮擋。當(dāng)有不可進(jìn)入光路中的任何異物（被保護(hù)的對象）進(jìn)入光路后，光源所發(fā)出的光脈沖由于異物的遮擋，使MG-3的輸出信號(hào)VO產(chǎn)生丟失。延時(shí)環(huán)節(jié)YS可在丟失5～7個(gè)脈沖后，使其輸出電壓VY由低電平VOL變?yōu)楦唠娖絍OH ,高電平通過限流電阻R觸發(fā)V3使其導(dǎo)通，交流接觸器K吸合。這時(shí)常開觸頭K-1閉合，接通剎車電磁鐵迅速剎車，常閉觸頭K-2斷開，使運(yùn)動(dòng)部件主軸失電不能運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)了保護(hù)功能。而去除光路中的異物即可重新開機(jī)。

六、結(jié)束語

??? 光是一個(gè)重要的物理量。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，光的產(chǎn)生、檢測和控制等技術(shù)正在快速發(fā)展。

??? 光敏Z-元件作為一種光的敏感元件，以其較高的性價(jià)比、低漂移、低功耗、高靈敏度、長壽命等特點(diǎn)引起了人們的關(guān)注，而基于這種元件的三端（或一線）式光傳感器已廣泛的應(yīng)用于各行業(yè)，實(shí)現(xiàn)了報(bào)警、檢測、自動(dòng)控制和安全保護(hù)多項(xiàng)功能。相信伴隨著制作工藝的進(jìn)一步成熟，光敏Z-元件一定會(huì)發(fā)揮更大的作用。