光传感器特性和原理分析教程

光传感器生成表示通过测量存在于很窄的范围内基本上被称为“光”的频率的辐射能量的光的强度的输出信号，并且在频率范围从“红外线”到“可见”高达“紫外线”光谱。

光传感器是一种无源设备，可以将可见光或光谱的红外部分中的“光能”转换为电信号输出。由于将光能（光子）转换为电（电子），所以光传感器被称为“光电设备”或“光电传感器”。

光电器件可分为两大类，一类是在发光时产生电的器件，例如光电或光电发射器，另一类是通过某种方式改变其电性能的器件，例如光电电阻或光电导体。这导致以下设备分类。

• •光电发射电池–这些光电设备在受到足够能量的光子撞击时，会从铯等感光材料中释放自由电子。光子具有的能量取决于光的频率，频率越高，光子将光能转换成电能的能量就越多。
• •光电导电池–这些光电设备在受到光照时会改变其电阻。光电导是由光照射到控制流过它的电流的半导体材料产生的。因此，对于给定的施加电压，更多的光会增加电流。最常见的光电导材料是用于LDR光电管的硫化镉。
• •光伏电池–这些光电设备产生的电动势与接收到的辐射光能成比例，并且与光电导性相似。光能落在夹在中间的两种半导体材料上，产生大约0.5V的电压。最常见的光伏材料是太阳能电池中使用的硒。
• •光电结器件–这些光电器件主要是真正的半导体器件，例如光电二极管或光电晶体管，它们使用光来控制电子和空穴在其PN结上的流动。光电结器件是专门为检测器应用和光穿透而设计的，其光谱响应已调整到入射光的波长。
  

光电导电池甲光电导光传感器不产生电力，但是当经受光能量简单地改变其物理性质。最常见的光电导类型是光敏电阻，它可以根据光强度的变化来改变其电阻。
光电电阻器是半导体器件，利用光能控制电子的流动，从而控制流过电子的电流。常用的光电导电池称为光敏电阻或LDR。
光敏电阻
顾名思义，光敏电阻（LDR）由一块裸露的半导体材料制成，例如硫化镉，它的电阻从黑暗中的几千欧姆改变为当光照射到其上时，其电阻会从几百欧姆变为几百欧姆。材料中的空穴电子对。

最终的效果是提高了电导率，同时降低了电阻，从而提高了照明度。而且，光致抗蚀剂单元具有长的响应时间，需要许多秒来响应光强度的变化。
用作半导体衬底的材料包括硫化铅（PbS），硒化铅（PbSe），锑化铟（InSb），它们检测红外范围内的光，所有光敏性光传感器中最常用的是硫化镉（Cds）。


硫化镉用于制造光电导电池，因为它的光谱响应曲线与人眼的光谱响应曲线非常匹配，甚至可以使用简单的手电筒作为光源进行控制。然后，通常，它在可见光谱范围内具有约560nm至600nm的峰值灵敏度波长（λp）。
光敏电阻单元最常用的光阻性光传感器是ORP12硫化镉光电导电池。该光敏电阻在黄色到橙色的光区域中具有大约610nm的光谱响应。未照明时，电池的电阻（暗电阻）很高，大约为10MΩ，而在完全照明时（照明电阻）则下降到大约100Ω。

为了增加暗电阻并因此减小暗电流，电阻路径在整个陶瓷基板上形成了锯齿形图案。CdS光电管是一种非常廉价的设备，通常用于自动调光，黑暗或暮光检测中，用于将路灯“打开”和“关闭”，以及用于照度计类型的应用。
在单个直流电源电压上将一个与光相关的电阻器与这样的标准电阻器串联连接具有一个主要优势，对于不同的光线水平，它们的结点处将出现不同的电压。

串联电阻R 2两端的压降大小由光敏电阻R LDR的电阻值确定。这种产生不同电压的能力产生了非常方便的电路，称为“电位分压器”或分压器网络。

众所周知，流经串联电路的电流很常见，随着LDR由于光强度而改变其电阻值，出现在V OUT的电压将由分压器公式确定。LDR的电阻R LDR可以从日光下的约100Ω变化到绝对黑暗中的10MΩ以上，并且该电阻变化将转换为V OUT的电压变化，如图所示。

光敏电阻的一种简单用法是作为光敏开关，如下所示。
LDR开关

基本的光传感器电路是继电器输出的光激活开关。在光敏电阻LDR和电阻器R1之间形成分压电路。当不存在光时，即在黑暗中，LDR的电阻在兆欧（MΩ）范围内非常高，因此将零基极偏压施加到晶体管TR1上，并且继电器断电或“关闭”。

随着光水平的增加，LDR的电阻开始减小，从而导致V1处的基极偏置电压上升。在由电阻器R1形成的分压器网络确定的某个点上，基极偏置电压足够高，足以使晶体管TR1 “导通”，从而激活继电器，继而用于控制某些外部电路。随着光水平再次变暗，LDR的电阻增加，导致晶体管的基极电压降低，从而以分压器网络再次确定的固定光水平将晶体管和继电器“关闭”。

通过将固定电阻器R1替换为电位计VR1，可以将继电器“ ON”或“ OFF”的点预设为特定的亮度。上面显示的这种类型的简单电路具有相当低的灵敏度，并且由于温度或电源电压的变化，其开关点可能不一致。如图所示，通过将LDR并入“惠斯通电桥”装置并用运算放大器代替晶体管，可以轻松制造出更加灵敏的精密光激活电路。
亮度感应电路在这个基本的暗感应电路中，光敏电阻LDR1和电位计VR1构成简单电阻桥网络（通常称为惠斯通电桥）的一个可调臂，而两个固定电阻R1和R2形成另一臂。桥的两端形成跨电源电压的分压器网络，其输出V1和V2分别连接到运算放大器的同相和反相电压输入。

运算放大器被配置为差分放大器，也称为电压比较器，具有反馈，其输出电压条件由两个输入信号或电压V1和V2之差确定。电阻器组合R1和R2在输入V2上形成固定的参考电压，该参考电压由两个电阻器的比率设定。该LDR - VR1组合提供了一个可变电压输入V1成比例的光量由光敏电阻被检测。

与前面的电路一样，运算放大器的输出用于控制继电器，该继电器由续流二极管D1保护。当LDR感测到的光电平及其输出电压降至V2设置的参考电压以下时，运算放大器的输出将更改状态，从而激活继电器并切换连接的负载。

同样，随着光强度的增加，输出将切换回“ OFF”状态。通过选择反馈电阻Rf可以设置两个开关点的磁滞，以给出放大器的任何合适的电压增益。

当光水平超过参考电压水平时，也可以通过反转光传感器LDR和电位计VR1的位置来使这种类型的光传感器电路的操作反向，以切换继电器“ ON”，反之亦然。电位计可用于将差分放大器的开关点“预设”到任何特定的光照水平，使其非常适合作为简单的光传感器投影电路。

光结器件光电结器件基本上是PN结光传感器，或者是由对光敏感的硅半导体PN结制成的检测器，可以检测可见光和红外光水平。光电结器件专门用于感测光，此类光电传感器包括光电二极管和光电晶体管。
光电二极管。
光电二极管光传感器的结构与常规PN结二极管的结构相似，不同之处在于，二极管的外壳是透明的或具有透明透镜以将光聚焦到PN结上以提高灵敏度。接合点将响应特别是更长波长的光，例如红色和红外线，而不是可见光。

对于具有透明或玻璃珠体的二极管（例如1N4148信号二极管），此特性可能会成为问题。LED还可以用作光电二极管，因为它们既可以发射光，也可以检测来自其结的光。所有PN结均对光敏感，可在光导无偏电压模式下使用，并且光电二极管的PN结始终为“反向偏置”，因此仅二极管泄漏或暗电流可以流动。

结点处没有光的光电二极管的电流-电压特性（I / V曲线）（暗模式）与正常信号或整流二极管非常相似。当光电二极管被正向偏置时，电流将呈指数增长，这与普通二极管相同。当施加反向偏置时，会出现小的反向饱和电流，这会导致耗尽区（这是结的敏感部分）的增加。光电二极管也可以通过结两端的固定偏置电压以电流模式连接。当前模式在很宽的范围内是非常线性的。
光电二极管的构造和特性当用作光传感器时，光电二极管的暗电流（0 lux）对于天竺葵约为10uA，对于硅型二极管约为1uA。当光落在结上时，会形成更多的空穴/电子对，泄漏电流会增加。随着结的照度增加，该泄漏电流增加。

因此，光电二极管电流与下降到PN结上的光强度成正比。当用作光传感器时，光电二极管的一个主要优点是它们对光水平变化的快速响应，但是这种类型的光电设备的一个缺点是即使在完全点亮时电流也相对较小。

以下电路显示了使用运算放大器作为放大设备的光电流电压转换器电路。输出电压（Vout）为Vout = I P *Rƒ，与光电二极管的光强度特性成正比。

这种类型的电路还利用运算放大器的特性，该运算放大器的两个输入端子的电压约为零，从而可在没有偏置的情况下操作光电二极管。这种零偏置运算放大器配置为光电二极管提供了高阻抗负载，从而减少了暗电流的影响，并且光电流相对于辐射光强度的线性范围更广。电容器C f用于防止振荡或增益峰值，并设置输出带宽（1 /2πRC）。
光电二极管放大电路光电二极管是非常通用的光传感器，可以在几纳秒内将其电流“打开”和“关闭”，通常用于照相机，测光表，CD和DVD-ROM驱动器，电视遥控器，扫描仪，传真机和复印机等。并集成到运算放大器电路中，例如用于光纤通信的红外光谱检测器，防盗报警运动检测电路以及众多成像，激光扫描和定位系统等。
光电晶体管光电晶体管

光电二极管的另一种光结器件是光电晶体管，它基本上是具有放大作用的光电二极管。光电晶体管光传感器具有反向偏置的集电极基PN结，将其暴露于辐射光源。
光电晶体管的工作原理与光电二极管相同，不同之处在于它们可以提供电流增益，并且比光电二极管灵敏得多，电流是标准光电二极管的50至100倍，并且任何普通晶体管都可以通过以下方式轻松转换为光电晶体管光传感器：在集电极和基极之间连接光电二极管。

光电晶体管主要由一个双极NPN晶体管组成，其大的基极区域未电气连接，尽管一些光电晶体管允许基极连接来控制灵敏度，并且该晶体管使用光子产生基极电流，进而导致集电极发射极电流流动。 。大多数光电晶体管是NPN型，其外壳是透明的或具有透明的透镜，可将光聚焦到基极结点上，以提高灵敏度。
光电晶体管的构造和特性在NPN晶体管中，集电极相对于发射极正向偏置，因此基极/集电极结被反向偏置。因此，在结点无光的情况下，正常的泄漏或暗电流流过，这很小。当光落在基极上时，在该区域中会形成更多的电子/空穴对，并且通过该作用产生的电流会被晶体管放大。

通常，光电晶体管的灵敏度是晶体管直流电流增益的函数。因此，整体灵敏度是集电极电流的函数，可以通过在基极和发射极之间连接电阻来控制，但是对于非常高灵敏度的光耦合器类型的应用，通常使用达林顿光电晶体管。

光电达林顿晶体管使用第二个双极NPN晶体管来提供额外的放大，或者在由于低光照水平或选择性灵敏度而需要更高光检测器灵敏度的情况下，但其响应速度比普通NPN光电晶体管慢。

达林顿光电器件由一个普通的光电晶体管组成，其发射极输出耦合至更大的双极NPN晶体管的基极。由于达林顿晶体管配置的电流增益等于两个单独晶体管​​的电流增益的乘积，因此光达林顿器件会产生非常灵敏的检测器。

光电晶体管光传感器的典型应用是在光电隔离器，开槽光电开关，光束传感器，光纤和电视型遥控器等中。检测可见光时有时需要使用红外滤光片。

值得一提的另一种光结半导体光传感器是光电晶闸管。这是一种光控晶闸管或可控硅整流器（SCR），可以在AC应用中用作光控开关。但是，与等效的光电二极管或光电晶体管相比，它们的灵敏度通常非常低。

为了帮助提高其对光的敏感性，使光晶闸管的栅极结周围更薄。该过程的缺点是限制了阳极可以切换的阳极电流量。然后，对于更高电流的AC应用，它们被用作光耦合器中的先导设备，以切换更大，更常规的晶闸管。

光伏电池。光伏光传感器最常见的类型是太阳能电池。太阳能电池将光能以电压或电流的形式直接转换为直流电能，以提供给诸如灯，电池或电动机之类的电阻负载。然后，光伏电池在许多方面类似于电池，因为它们提供直流电。

但是，与上面讨论过的其他照相设备不同，这些照相设备甚至使用手电筒也要使用光强度，而光伏太阳能电池使用太阳的辐射能效果最佳。

太阳能电池用于许多不同类型的应用中，以提供传统电池的替代电源，例如计算器，卫星以及现在提供可再生能源形式的家庭。

光伏电池由单晶硅PN结制成，与具有非常大的光敏区域的光电二极管相同，但使用时没有反向偏压。在黑暗中，它们具有与非常大的光电二极管相同的特性。

发光时，光能使电子流经PN结，单个太阳能电池可产生约0.58v（580mV）的开路电压。太阳能电池就像电池一样具有“正极”和“负极”的一面。

各个太阳能电池可以串联在一起以形成增加输出电压的太阳能电池板，或者并联在一起以增加可用电流。市售的太阳能电池板的额定功率为瓦特，是完全照明时输出电压和电流（伏特乘安培）的乘积。
典型的光伏太阳能电池的特性。来自太阳能电池的可用电流量取决于光强度，电池的大小及其效率，效率通常非常低，约为15％至20％。为了增加细胞市售太阳能电池使用多晶硅或非晶硅，其具有没有结晶结构的总体效率，并且可以每厘米产生的20之间的电流至40mA 2。

用于构造光伏电池的其他材料包括砷化镓，二硒化铜铟和碲化镉。这些不同的材料各自具有不同的光谱带响应，因此可以“调整”以产生不同波长的光的输出电压。
在有关光传感器的本教程中，我们查看了归类为光传感器的设备的几个示例。这包括具有和不具有PN结的器件，可用于测量光强度。