第十章光电传感器第一讲1.docx
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第十章光电传感器第一讲1
教师授课方案（首页）
授课班级
09D电气1、电气2
授课日期
课节
2
课堂类型
讲授
课题
第十章光电传感器第一节光电效应及光电传感器
第二节光电元件的基本应用电路
教学目的
与要求
【知识目标】
1、理解光电效应、了解光电元件及特性、参数
2、掌握光电元件的基本应用电路
【能力目标】培养学生理论分析及理论联系实际的能力，在实际测量中会分析光电元件的基本应用电路。
【职业目标】培养学生爱岗敬业的情感目标。
重点难点
重点：
光电元件的基本应用电路
难点：
无
教具教学辅助活动
教具：
多媒体课件、光电元件及光电传感器实物、习题册
教学辅助活动：
提问、学生讨论
一节教学过程安排
复习
1、简述热电偶的冷端补偿方法
2、简述热电偶的冷端补偿导线配型以及补偿时的注意事项
3、温控仪表的接线方法
5分钟
讲课
1、光电效应、光电元件及特性、参数
2、光电管、光敏二极管、光敏三极管、光敏晶闸管的应用电路
73分钟
小结
小结见内页，之后利用10分钟时间与学生互动答疑
10分钟
作业
习题册第十章光电传感器习题
2分钟
任课教师：
叶睿2011年2月6日
审查教师签字：
年月日
教案附页
【复习提问】
上节课知识点：
1、简述热电偶的冷端补偿方法
2、简述热电偶的冷端补偿导线配型以及补偿时的注意事项
3、温控仪表的接线方法
第十章光电传感器
【章节导入】：
光电传感器是将光信号（例如转速、浊度）转换为电信号的传感器。
此传感器具有反应快、非接触测量的优点。
【本章要点】：
1、学习光电效应、光电元件的结构、工作原理、特性
2、掌握光电元件的基本应用电路
3、光电传感器的各种应用
4、掌握光电开关及光电断续器的使用方法。
第一节光电效应及光电传感器
【本节内容设计】
通过实物展示、课件与教师讲授光电效应、光电元件、光电元件的特性与参数，为光电传感器的学习奠定基础
【授课内容】
光电效应：
用光照射某一物体，可以看作物体受到一连串能量为hf的光子的轰击，组成这物体的材料吸收光子能量而发生相应电效应的物理现象称为光电效应。
通常把光电效应分为三类：
（1）外光电效应：
在光线的作用下能使电子逸出物体表面的光电效应。
基于外光电效应的光电元件：
光电管、光电倍增管、光电摄像管等（玻璃真空管元件）。
（2）内光电效应：
在光线的作用下能使物体的电阻率改变的光电效应
基于内光电效应光电元件：
光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管及光敏晶闸管等。
（3）光生伏特效应：
在光线的作用下，物体产生一定方向电动势的光电效应。
基于光生伏特效应的光电元件：
光电池等。
一、基于外光电效应的光电元件：
在光线的作用下能使电子逸出物体表面的现象称为外光电效应，基于外光电效应的光电元件有紫外光电管、光电倍增管、光电摄像管等。
举例：
紫外管
人们可以根据检测对象是可见光或紫外光而选择不同阴极材料的光电管。
光电管的图形符号及测量电路如图所示。
目前紫外光电管在工业检测中多用于紫外线测量、火焰监测等，可见光较难引起光电子的发射。
二、基于内光电效应的光电元件
（一）光敏电阻
1、光敏电阻的特性及参数
（1）暗电阻：
置于室温、全暗条件下测得的稳定电阻值称为暗电阻。
通常大于1MΩ。
光敏电阻受温度影响甚大，温度上升，暗电阻减小，暗电流增大，灵敏度下降，这是光敏电阻的一大缺点。
（2）亮电阻：
置于室温和一定光照度下测得的稳定电阻值。
此时流过的电流称为亮电流。
（3）光电特性：
在光敏电阻两极电压固定不变时，光照度与电阻及电流间的关系称为光电特性。
某型号光敏电阻的光电特性如图所示。
从图中可以得出的结论：
（1）当光照大于100lx时，它的光电特性非线性就十分严重了。
（2）当光敏电阻受到光照时，阻值减小。
（二）光敏二极管、光敏三极管、光敏晶闸管
1、光敏二极管
将光敏二极管的PN结设置在透明管壳顶部的正下方，光照射到光敏二极管的PN结时，电子-空穴对数量增加，光电流与照度成正比。
（1）PIN光电二极管
PIN光电二极管是在P区和N区之间插入一层电阻率很大的I层，从而减小了PN结的电容，提高了工作频率。
PIN光敏二极管的工作电压（反向偏置电压）高，可达100V，光电转换效率高，暗电流小，其灵敏度比普通的光敏二极管高得多，响应频率可达数十兆赫，可用作各种数字与模拟光纤传输系统，各种家电遥控器的接收管（红外波段）、UHF频带小信号开关、中波频带到1000MHZ之间电流控制、可变衰减器、各种通信设备收发天线的高频功率开关切换和RF领域的高速开关等。
特殊结构的PIN二极管还可用于测量紫外线或射线等。
（2）APD光敏二极管（雪崩光敏二极管）
硅雪崩光电二极管是采用n+p-πp+型结构的可见光和近红外探测器，它具有高响应度，高信噪比，高响应速度等特点，工作电压达到上百伏。
可广泛应用于微光信号检测、长距离光纤通信、激光测距、激光制导等光电信息传输和光电对抗系统。
（3）光敏二极管的反向偏置接法
在没有光照时，由于二极管反向偏置，所以反向电流很小，这时的电流称为暗电流，相当于普通二极管的反向饱和漏电流。
当光照射在二极管的PN结（又称耗尽层）上时，在PN结附近产生的电子-空穴对数量也随之增加，光电流也相应增大，光电流与照度成正比。
2、光敏三极管
光敏三极管有两个PN结。
与普通三极管相似，有电流增益，灵敏度比光敏二极管高。
多数光敏三极管的基极没有引出线，只有正负（c、e）两个引脚，所以其外型与光敏二极管相似，从外观上很难区别。
光线通过透明窗口落在基区及集电结上。
光敏三极管比二极管的灵敏度高β倍。
3、光敏晶闸管
光敏晶闸管有三个引出电极，即阳极a、阴极k和门极g。
它的顶部有一个玻璃透镜，光敏晶闸管的阳极与负载串联后接电源正极，阴极接电源负极，门极可悬空。
当有一定照度的光信号通过玻璃窗口照射到正向阻断的PN结上时，将产生门极电流，从而使光敏晶闸管从阻断状态变为导通状态。
导通后，即使光照消失，光敏晶闸管仍维持导通。
要切断已触发导通的光敏晶闸管，必须使阳极与阴极的电压反向，或使负载电流小于其维持电流。
光敏晶闸管的特点是：
导通电流比光敏三极管大得多，工作电压有的可达数百伏，因此输出功率大，可用于工业自动检测控制。
（三）光敏晶体管的特性
1、光谱特性
同材料的光敏晶体管对不同波长的入射光其相对灵敏度Kr是不同的，现在已分别制出对红外光、可见光、蓝紫光敏感的光敏晶体管。
有时在光敏晶体管的透光玻璃上配以不同颜色的滤光玻璃，使光谱响应峰值波长根据需要改变。
颜色传感器：
能输出红、绿、蓝三色信号。
计算机根据三色信号的比例，可以判断被测物的颜色。
2、伏安特性
光敏二极管的伏安特性工作在第三象限，因光电效率较低，正常使用时需加1.5V以上的反向工作电压
光敏三极管在不同照度下的伏安特性与普通三极管类似，光敏三极管的工作电压应在3V以上。
3、光电特性
下图1是光敏二极管2是光敏三极管的光电效应曲线。
光电流IΦ与光照度成线性关系。
2的斜率比1大，说明光敏三极管的灵敏度比光敏二极管的大。
4、温度特性
温度变化对亮电流影响不大，但温度对暗电流的影响较大；所以在微光测量时注意：
光敏三极管的温漂比光敏二极管大许多，所以必须采用光敏二极管，但光敏二极管的灵敏度较低，在高准确度测量中选用硅光敏二极管并且采用低温漂、高准确度的运算放大器。
5、响应时间
工业级硅光敏二极管的响应时间：
10_7～10_5s左右，光敏三极管的响应时间比光敏二极管慢一个数量级。
光敏二极管与光敏三极管的频率特性
当光脉冲的重复频率提高时，由于光敏二极管的PN结电容需要一定的充放电时间，所以它的输出电流的变化无法立即跟上光脉冲的变化，输出波形产生失真。
截止频率、tr上升时间，tf下降时间：
当光敏二极管的输出电流或电压脉冲幅度减小到低频时的1/
时，失真十分严重，该光脉冲的调制频率就是光敏二极管的最高工作频率fH，又称截止频率。
光敏三极管的tr上升时间，tf下降时间与光敏二极管的比较。
三、基于光生伏特效应的光电元件——光电池
（一）结构及工作原理
1、结构及工作原理
在N型衬底上制造一薄层P型层作为光照敏感面，就构成最简单的光电池。
当入射光子的能量足够大时，P型区每吸收一个光子就产生一对光生电子—空穴对，光生电子—空穴对的的扩散运动使电子通过漂移运动被拉到N型区，空穴留在P区，所以N区带负电，P区带正电。
如果光照是连续的，经短暂的时间，PN结两侧就有一个稳定的光生电动势输出。
2、光电池与光敏二极管的区别
光电池为正向特性，光敏二极管为反向特性。
（二）光电池的基本特性
1、光谱特性
硅光电池已具有蓝紫近红外的宽光谱特性。
硒、鍺光电池不稳定，应用较少。
2、光电池的光电特性
图10-15某系列硅光电池的光电特性
1－开路电压曲线在3000lx时趋于饱和
2－短路电流曲线
3、光电池的伏安特性
光电电压、光电电流与照度成正比。
Rl增大时，出现非线性。
此问题在下一节解决。
4、光电池的温度特性
开路电压随温度的上升而减小，温度系数-2mV/0C短路电流随温度的上升而缓慢增加。
当光电池作为检测元件时，考虑温漂的影响。
5、频率特性
硅光电池的面积越小，PN结的极间电容也越小，频率响应就越高。
可达数十千赫兹和数兆赫兹。
硒光电池频率响应差，较少使用。
第二节光电元件的基本应用电路
【本节内容设计】
通过课件与教师讲授光电元件的基本应用电路，为光电传感器的学习奠定基础
【授课内容】
光敏电阻、光敏晶体管、光电池等光电元件必须根据各自的特点，使用不同的电路，才能达到最佳的使用效果。
一、光敏电阻基本应用电路
分析图10-17a中，当无光照时，光敏电阻RΦ很大，IΦ在RL上的压降Uo很小。
随着入射光增大，RΦ减小，Uo随之增大。
图10-17b的情况恰好与图17-a相反，入射光增大，Uo反而减小。
图10-17光敏电阻基本应用电路
a）Uo与光照变化趋势相同的电路b）Uo与光照变化趋势相反的电路
二、光敏二极管应用电路
举例说明：
图中RL=20K
，求光照度为多少lx时，Uo输出为高电平？
解：
当光照增加，Ui<（1/2）VDD时，反相器翻转,输出变为高电平
现图中标明VDD=5V，Ui必须小于2.5V
E=0.125lx
只有照度大于1250lx，Uo才为高电平
三、光敏三极管应用电路
1、基本电路
图10-19光敏三极管的两种常用电路
a）射极输出电路b）集电极输出电路
表10-3输出状态比较
电路型式
无光照时
强光照时
三极管状态
IC
Uo
三极管状态
IC
Uo
射极输出
截止
0
0（低电平）
饱和
（VCC-0.３）/RL
VCC-UCES
（高电平）
集电极输出
截止
0
VCC（高电平）
饱和
（VCC-0.３）/RL
UCES（0.3V，
低电平）
分析表10-3：
射极输出电路的输出电压变化与光照的变化趋势相同，而集电极输出恰好相反。
2、应用电路
电路为光控继电器电路。
当无光照时，V1截止，IΦ=0，则V2处于截止状态，继电器KA无电释放。
强光照时，V1导通、V2导通，继电器得电吸合。
四、光敏晶闸管应用电路
VT1为光敏晶闸管、VT2为双向晶闸管。
当光照度下降到一定值时，VT1截止，电源经VD、R1、R2向C1充电。
C1的端电压超过VT2的触发电压，VT2导通，HL路灯亮。
当光照度逐渐增加到一定值，VT1导通C1短路，VT2失去触发电压，在交流电源过零时重新截止，HL路灯灭。
【知识小结】:
通过对以下知识的学习
1、理解光电效应，了解光电元件的分类，了解光电元件的特性
2、掌握并会分析光电管、光敏二极管、光敏三极管、光敏晶闸管的应用电路
为掌握光电传感器传感器的实际应用作知识储备。
【教学后记】:
通过课堂习题的检验,作业的批改,第二堂课的提问,检验出学生对本节课的知识掌握良好,可以顺利地进行下一阶段的学习.
【板书设计】:
如下
第十章光电传感器
第一节光电效应及光电传感器
光电效应及光电元件的分类
一、基于外光电效应的元件
二、基于内光电效应的光电元件
（一）光敏电阻
（二）光敏二极管、光敏三极管、光敏晶体管
（三）光敏晶体管的特性
三、基于外光电效应的光电元件：
光电池
（一）结构及工作原理
（二）与光敏二极管的区别
（三）光电池的特性
第二节光敏元件的应用电路
一、光电管的应用电路
二、光敏二极管应用电路
三、光敏三极管应用电路
四、光敏晶闸管应用电路光敏二极管应用电路
三、光敏三极管应用电路
四、光敏晶体管的应用电路
【知识小结】
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