光傳感器

光傳感器是一種光電設(shè)備，能夠?qū)⒐饽埽ü庾樱獰o論是可見光還是紅外光——轉(zhuǎn)換為電信號(hào)（電子）。

光傳感器通過測(cè)量存在于非常狹窄頻率范圍內(nèi)的輻射能量來生成表示光強(qiáng)度的輸出信號(hào)，這個(gè)頻率范圍基本上被稱為“光”，其頻率范圍從“紅外”到“可見光”再到“紫外”光譜。

光傳感器是一種被動(dòng)設(shè)備，它將這種“光能”——無論是可見光還是紅外光——轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出。光傳感器通常被稱為“光電設(shè)備”或“光傳感器”，因?yàn)樗鼈儗⒐饽埽ü庾樱┺D(zhuǎn)換為電能（電子）。

光電設(shè)備可以分為兩大類：一類是在光照下產(chǎn)生電能的設(shè)備，如光伏電池或光發(fā)射器等；另一類是以某種方式改變其電學(xué)特性的設(shè)備，如光敏電阻或光電導(dǎo)體。

光傳感器的分類

? 光發(fā)射電池——這些光電器件在受到足夠能量的光子照射時(shí)，會(huì)從光敏材料（如銫）中釋放自由電子。光子所具有的能量取決于光的頻率，頻率越高，光子能量越大，從而將光能轉(zhuǎn)換為電能。

? 光電導(dǎo)電池——這些光電器件在受到光照時(shí)，其電阻會(huì)發(fā)生變化。光電導(dǎo)性是由光照射到半導(dǎo)體材料上引起的，該材料控制通過它的電流。因此，在給定電壓下，更多的光會(huì)增加電流。最常見的光電導(dǎo)材料是用于LDR光電池的硫化鎘。

? 光伏電池——這些光電器件根據(jù)接收到的輻射光能產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，其效果與光電導(dǎo)性相似。光能照射到夾在一起的兩個(gè)半導(dǎo)體材料上，產(chǎn)生大約0.5V的電壓。最常見的光伏材料是用于太陽(yáng)能電池的硒。

? 光結(jié)器件——這些光電器件主要是真正的半導(dǎo)體器件，如光電二極管或光電晶體管，它們利用光來控制電子和空穴通過其PN結(jié)的流動(dòng)。光結(jié)器件專門設(shè)計(jì)用于檢測(cè)應(yīng)用和光穿透，其光譜響應(yīng)調(diào)諧到入射光的波長(zhǎng)。

光電導(dǎo)電池作為光傳感器

光電導(dǎo)光傳感器不產(chǎn)生電能，而是在受到光能照射時(shí)簡(jiǎn)單地改變其物理特性。最常見的光電導(dǎo)器件是光敏電阻，它根據(jù)光強(qiáng)度的變化改變其電阻。

光敏電阻是使用光能來控制電子流動(dòng)的半導(dǎo)體器件，從而控制通過它們的電流。常用的光電導(dǎo)電池稱為光敏電阻或LDR。

光敏電阻（LDR）

顧名思義，光敏電阻（LDR）由一塊暴露的半導(dǎo)體材料（如硫化鎘）制成，當(dāng)光照射到它時(shí)，其電阻從幾千歐姆（在黑暗中）下降到幾百歐姆，通過在材料中產(chǎn)生空穴-電子對(duì)

凈效應(yīng)是隨著光照強(qiáng)度的增加，導(dǎo)電性提高，電阻降低。此外，光敏電阻的響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，需要幾秒鐘才能響應(yīng)光強(qiáng)度的變化。

用作半導(dǎo)體襯底的材料包括硫化鉛（PbS）、硒化鉛（PbSe）、銻化銦（InSb），它們檢測(cè)紅外范圍的光，而最常用的光敏電阻光傳感器是硫化鎘（Cds）。

硫化鎘用于制造光電導(dǎo)電池，因?yàn)槠涔庾V響應(yīng)曲線與人類眼睛的光譜響應(yīng)曲線非常匹配，甚至可以簡(jiǎn)單地使用手電筒作為光源來控制。通常，它在可見光譜范圍內(nèi)的峰值靈敏度波長(zhǎng)（λp）約為560nm至600nm。

光敏電阻電池

最常用的光敏電阻光傳感器是ORP12硫化鎘光電導(dǎo)電池。這種光敏電阻的光譜響應(yīng)約為610nm，位于黃到橙光區(qū)域。當(dāng)未受光照時(shí)（暗電阻），電池的電阻非常高，約為10MΩ，而在完全光照下（亮電阻），電阻下降到約100Ω。

為了增加暗電阻并因此減少暗電流，電阻路徑在陶瓷襯底上形成鋸齒形圖案。CdS光電池是一種非常低成本的設(shè)備，常用于自動(dòng)調(diào)光、黑暗或黃昏檢測(cè)，用于打開和關(guān)閉路燈，以及用于攝影曝光計(jì)類型的應(yīng)用。

將光敏電阻與標(biāo)準(zhǔn)電阻串聯(lián)連接在單個(gè)直流電源電壓上有一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)，即在不同光照水平下，它們的連接處會(huì)出現(xiàn)不同的電壓。

串聯(lián)電阻R2上的電壓降由光敏電阻RLDR的電阻值決定。這種產(chǎn)生不同電壓的能力產(chǎn)生了一個(gè)非常方便的電路，稱為“電位分壓器”或電壓分壓網(wǎng)絡(luò)。

我們知道，串聯(lián)電路中的電流是相同的，當(dāng)LDR由于光強(qiáng)度變化而改變其電阻值時(shí)，VOUT處的電壓將由分壓公式?jīng)Q定。LDR的電阻RLDR可以在陽(yáng)光下從約100Ω變化到絕對(duì)黑暗中的超過10MΩ，這種電阻變化被轉(zhuǎn)換為VOUT處的電壓變化，如圖所示。

光敏電阻的一個(gè)簡(jiǎn)單用途是作為光敏開關(guān)，如下所示。

這個(gè)基本的光傳感器電路是一個(gè)繼電器輸出的光控開關(guān)。在光敏電阻LDR和電阻R1之間形成一個(gè)分壓電路。當(dāng)沒有光時(shí)，即在黑暗中，LDR的電阻非常高，在兆歐姆（MΩ）范圍內(nèi)，因此晶體管TR1的基極偏置電壓為零，繼電器斷電或“關(guān)閉”。

隨著光照水平的增加，LDR的電阻開始下降，導(dǎo)致V1處的基極偏置電壓上升。在由與電阻R1形成的分壓網(wǎng)絡(luò)確定的某個(gè)點(diǎn)，基極偏置電壓足夠高以打開晶體管TR1，從而激活繼電器，繼電器又用于控制一些外部電路。當(dāng)光照水平再次下降到黑暗時(shí)，LDR的電阻增加，導(dǎo)致晶體管的基極電壓下降，在由分壓網(wǎng)絡(luò)再次確定的固定光照水平下關(guān)閉晶體管和繼電器。

通過將固定電阻R1替換為電位器VR1，可以預(yù)設(shè)繼電器“打開”或“關(guān)閉”的光照水平。上述類型的簡(jiǎn)單電路靈敏度較低，其開關(guān)點(diǎn)可能由于溫度或電源電壓的變化而不一致。通過將LDR納入“惠斯通電橋”布置并用運(yùn)算放大器替換晶體管，可以輕松制作更靈敏的精密光控電路。

光照水平傳感電路

在這個(gè)基本的暗感應(yīng)電路中，光敏電阻LDR1和電位器VR1形成一個(gè)簡(jiǎn)單的電阻橋網(wǎng)絡(luò)的可調(diào)臂，通常稱為惠斯通電橋，而兩個(gè)固定電阻R1和R2形成另一個(gè)臂。橋的兩側(cè)在電源電壓上形成分壓網(wǎng)絡(luò)，其輸出V1和V2分別連接到運(yùn)算放大器的非反相和反相電壓輸入。

運(yùn)算放大器配置為差分放大器，也稱為電壓比較器，其輸出電壓狀態(tài)由兩個(gè)輸入信號(hào)或電壓V1和V2之間的差異決定。電阻組合R1和R2在輸入V2處形成一個(gè)固定電壓參考，由兩個(gè)電阻的比率設(shè)置。LDR – VR1組合提供一個(gè)與光敏電阻檢測(cè)到的光照水平成比例的變量電壓輸入V1。

與之前的電路一樣，運(yùn)算放大器的輸出用于控制繼電器，繼電器由自由輪二極管D1保護(hù)。當(dāng)LDR感測(cè)到的光照水平及其輸出電壓低于V2處設(shè)置的參考電壓時(shí)，運(yùn)算放大器的輸出狀態(tài)改變，激活繼電器并切換連接的負(fù)載。

同樣，當(dāng)光照水平增加時(shí)，輸出將切換回來，關(guān)閉繼電器。兩個(gè)開關(guān)點(diǎn)的滯后由反饋電阻Rf設(shè)置，可以選擇任何合適的放大器電壓增益。

這種光傳感器電路的操作也可以通過反轉(zhuǎn)光傳感器LDR和電位器VR1的位置來反轉(zhuǎn)，以在光照水平超過參考電壓水平時(shí)打開繼電器，反之亦然。電位器可用于“預(yù)設(shè)”差分放大器的開關(guān)點(diǎn)到任何特定的光照水平，使其成為理想的光傳感器項(xiàng)目電路。

光結(jié)器件

光結(jié)器件基本上是由硅半導(dǎo)體PN結(jié)制成的光傳感器或探測(cè)器，對(duì)光敏感，可以檢測(cè)可見光和紅外光水平。光結(jié)器件專門用于感測(cè)光，這類光電光傳感器包括光電二極管和光電晶體管。

光電二極管

光電二極管光傳感器的構(gòu)造類似于傳統(tǒng)的PN結(jié)二極管，只是二極管的外殼是透明的或具有透明透鏡，以將光聚焦到PN結(jié)上以提高靈敏度。該結(jié)將響應(yīng)光，特別是較長(zhǎng)波長(zhǎng)，如紅色和紅外光，而不是可見光。

這一特性對(duì)于具有透明或玻璃珠體的二極管（如1N4148信號(hào)二極管）可能是一個(gè)問題。LED也可以用作光電二極管，因?yàn)樗鼈兛梢詮钠浣Y(jié)發(fā)射和檢測(cè)光。所有PN結(jié)都是光敏的，可以在無偏置電壓模式下用作光電導(dǎo)器件，光電二極管的PN結(jié)始終“反向偏置”，因此只有二極管的漏電流或暗電流可以流動(dòng)。

在沒有光照在其結(jié)上（暗模式）時(shí)，光電二極管的電流-電壓特性（I/V曲線）與普通信號(hào)或整流二極管非常相似。當(dāng)光電二極管正向偏置時(shí)，電流呈指數(shù)增長(zhǎng)，與普通二極管相同。當(dāng)施加反向偏置時(shí)，會(huì)出現(xiàn)小的反向飽和電流，導(dǎo)致耗盡區(qū)增加，這是結(jié)的敏感部分。光電二極管也可以使用固定偏置電壓連接在電流模式下。電流模式在很寬的范圍內(nèi)非常線性。

光電二極管構(gòu)造和特性

當(dāng)用作光傳感器時(shí)，鍺光電二極管的暗電流（0勒克斯）約為10uA，硅型二極管的暗電流約為1uA。當(dāng)光照射到結(jié)上時(shí)，會(huì)形成更多的空穴/電子對(duì)，漏電流增加。隨著結(jié)的照度增加，漏電流增加。

因此，光電二極管的電流與照射到PN結(jié)上的光強(qiáng)度成正比。光電二極管用作光傳感器時(shí)的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是它們對(duì)光強(qiáng)度變化的快速響應(yīng)，但這種光電器件的一個(gè)缺點(diǎn)是即使完全光照下電流也相對(duì)較小。

以下電路顯示了使用運(yùn)算放大器作為放大器件的光電流-電壓轉(zhuǎn)換器電路。輸出電壓（Vout）為Vout = IP*R?，與光電二極管的光強(qiáng)度特性成正比。

這種類型的電路還利用運(yùn)算放大器的特性，兩個(gè)輸入端子在大約零電壓下工作，以無偏置操作光電二極管。這種零偏置運(yùn)算放大器配置為光電二極管提供高阻抗負(fù)載，從而減少暗電流的影響，并使光電流相對(duì)于輻射光強(qiáng)度的線性范圍更寬。電容器Cf用于防止振蕩或增益峰值，并設(shè)置輸出帶寬（1/2πRC）。

光電二極管光傳感器電路

光電二極管是非常通用的光傳感器，可以在納秒內(nèi)打開和關(guān)閉其電流流動(dòng)，常用于相機(jī)、光表、CD和DVD-ROM驅(qū)動(dòng)器、電視遙控器、掃描儀、傳真機(jī)和復(fù)印機(jī)等，并且當(dāng)集成到運(yùn)算放大器電路中時(shí)，用作光纖通信的紅外光譜探測(cè)器、防盜報(bào)警運(yùn)動(dòng)檢測(cè)電路以及眾多成像、激光掃描和定位系統(tǒng)等。

光電晶體管光傳感器

光電晶體管的替代光結(jié)器件是光電晶體管，它基本上是帶有放大的光電二極管。光電晶體管光傳感器具有反向偏置的集電極-基極PN結(jié)，使其暴露于輻射光源。

光電晶體管的工作方式與光電二極管相同，只是它們可以提供電流增益，并且比光電二極管敏感得多，電流是標(biāo)準(zhǔn)光電二極管的50到100倍，任何普通晶體管都可以通過在集電極和基極之間連接光電二極管輕松轉(zhuǎn)換為光電晶體管光傳感器。

光電晶體管主要由雙極NPN晶體管組成，其大基區(qū)電氣上未連接，盡管一些光電晶體管允許基極連接以控制靈敏度，并使用光子光生成基極電流，從而引起集電極到發(fā)射極電流流動(dòng)。大多數(shù)光電晶體管是NPN型，其外殼是透明的或具有透明透鏡，以將光聚焦到基結(jié)上以提高靈敏度。

光電晶體管構(gòu)造和特性

在NPN晶體管中，集電極相對(duì)于發(fā)射極正偏置，因此基極/集電極結(jié)反向偏置。因此，當(dāng)沒有光照射到結(jié)上時(shí)，正常的漏電流或暗電流流動(dòng)，這非常小。當(dāng)光照射到基極時(shí)，該區(qū)域會(huì)形成更多的電子/空穴對(duì)，由此產(chǎn)生的電流被晶體管放大。

通常，光電晶體管的靈敏度是晶體管直流電流增益的函數(shù)。因此，整體靈敏度是集電極電流的函數(shù)，可以通過在基極和發(fā)射極之間連接電阻來控制，但對(duì)于非常高靈敏度的光耦類型應(yīng)用，通常使用達(dá)林頓光電晶體管。

光電達(dá)林頓晶體管使用第二個(gè)雙極NPN晶體管來提供額外的放大，或者在由于低光照水平或選擇性靈敏度需要更高的光檢測(cè)器靈敏度時(shí)使用，但其響應(yīng)速度比普通NPN光電晶體管慢。

光電達(dá)林頓器件由一個(gè)普通光電晶體管組成，其發(fā)射極輸出耦合到更大的雙極NPN晶體管的基極。由于達(dá)林頓晶體管配置提供的電流增益等于兩個(gè)單獨(dú)晶體管的電流增益的乘積，光電達(dá)林頓器件產(chǎn)生非常靈敏的檢測(cè)器。

光電晶體管光傳感器的典型應(yīng)用包括光隔離器、槽型光開關(guān)、光束傳感器、光纖和電視遙控器等。在檢測(cè)可見光時(shí)，有時(shí)需要紅外濾光片。

另一種值得一提的光結(jié)半導(dǎo)體光傳感器是光控晶閘管。這是一種光激活晶閘管或硅控整流器（SCR），可用作交流應(yīng)用中的光激活開關(guān)。然而，與等效的光電二極管或光電晶體管相比，它們的靈敏度通常非常低。

為了幫助提高它們對(duì)光的靈敏度，光控晶閘管在柵極結(jié)周圍做得更薄。這種過程的缺點(diǎn)是它限制了它們可以切換的陽(yáng)極電流量。然后，對(duì)于更高電流的交流應(yīng)用，它們用作光耦中的引導(dǎo)器件，以切換更大更傳統(tǒng)的晶閘管。

光伏電池

最常見的光伏光傳感器是太陽(yáng)能電池。太陽(yáng)能電池將光能直接轉(zhuǎn)換為直流電能，以電壓或電流的形式為電阻負(fù)載（如燈、電池或電機(jī)）供電。因此，光伏電池在許多方面類似于電池，因?yàn)樗鼈兲峁┲绷麟娫础?/p>

然而，與我們上面看到的其他光電器件不同，這些光電器件使用甚至來自手電筒的光強(qiáng)度來操作，光伏太陽(yáng)能電池最好使用太陽(yáng)的輻射能量。

太陽(yáng)能電池用于許多不同類型的應(yīng)用中，以提供傳統(tǒng)電池的替代電源，例如在計(jì)算器、衛(wèi)星中，現(xiàn)在在家庭中提供一種可再生能源。

光伏電池由單晶硅PN結(jié)制成，與光電二極管相同，具有非常大的光敏區(qū)域，但在無反向偏置的情況下使用。它們?cè)诤诎抵芯哂信c非常大的光電二極管相同的特性。

當(dāng)光照時(shí)，光能導(dǎo)致電子流過PN結(jié)，單個(gè)太陽(yáng)能電池可以產(chǎn)生約0.58V（580mV）的開路電壓。太陽(yáng)能電池具有“正”和“負(fù)”側(cè)，就像電池一樣。

單個(gè)太陽(yáng)能電池可以串聯(lián)連接以形成太陽(yáng)能電池板，從而增加輸出電壓，或并聯(lián)連接以增加可用電流。商業(yè)上可用的太陽(yáng)能電池板以瓦特為單位，這是在完全光照下輸出電壓和電流（伏特乘以安培）的乘積。

典型光伏太陽(yáng)能電池的特性

太陽(yáng)能電池的可用電流量取決于光強(qiáng)度、電池的大小及其效率，通常在15%到20%之間。為了提高電池的整體效率，商業(yè)上可用的太陽(yáng)能電池使用多晶硅或無定形硅，它們沒有晶體結(jié)構(gòu)，可以產(chǎn)生每平方厘米20到40mA的電流。

用于光伏電池構(gòu)造的其他材料包括砷化鎵、銅銦二硒化物和碲化鎘。這些不同的材料各自具有不同的光譜帶響應(yīng)，因此可以“調(diào)諧”以在不同波長(zhǎng)的光下產(chǎn)生輸出電壓。

在本教程中，我們看了幾種被歸類為光傳感器的設(shè)備示例。這包括那些有和沒有PN結(jié)的設(shè)備，它們可以用于測(cè)量光強(qiáng)度。

在下一個(gè)教程中，我們將看看稱為執(zhí)行器的輸出設(shè)備。執(zhí)行器將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的物理量，如運(yùn)動(dòng)、力或聲音。一種常用的輸出設(shè)備是電磁繼電器。