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光敏Z-元件组成的三端式光传感器

2010年05月06日 15:47 www.elecfans.com 作者:本站 用户评论(0

光敏Z-元件组成的三端式光传感器

本文在光敏Z-元件特性分析的基础上,结合应用与开发实践,重点介绍了低漂移、低功耗和高灵敏度一系列三端(或一线)式光电开关的设计与应用实例。本文可供广大使用光敏Z-元件的用户进行参考。
关键词:敏感元件;Z-元件;光敏Z-元件;光电开关
中图分类号:TP212.14 文献标识码: A  


一、前言

在人类的生活以及生产实践、国防军事科学中,需要经常地通过各种各样的对光(或电磁波)敏感的器官、传感器和设备来确定目标的位置、位移、运动规律以及在一定范围内的有或无,以决定下一步的工作决策。

    任何一个对光(一定频率范围的电磁波)敏感的元件、传感器、探测器其敏感范围都有一定的局限性(见图1)。比如,人的视觉器官就是一套优秀的可见光传感单元,但在无可见光照明时,人的视觉器官就无能为力了。因此,为了探测不同颜色(或者波长)的光(或电磁波)的有无及强度,人们研制了多种敏感元件和探测器,其中,光敏Z元件就是最新发展起来的一种新型测量元件。

光敏Z-元件是Z-半导体敏感元件产品系列中的重要品种之一[1]。它用硅材料制做而成,其光谱响应曲线与硅光敏二极管相近,峰值波长为820nm,响应范围约为500nm~1000nm。具有应用电路极其简单、体积小、功耗低、灵敏度高等特点。它可输出模拟信号,还可不经过A/D或V/F变换直接输出开关或频率等数字信号。用光敏Z-元件制成的光电传感器,因其价格低、可靠性高等特点可广泛用于测量、报警与自动控制系统中。

二、光敏Z-元件的特性[2]

1、无光照时的光敏Z-元件的伏安特性[3,4]。

如图2,在第1象限中,光照度为E1为0时,光敏Z-元件呈无光照时的正向伏安特性,由O、P1(Vth1、Ith1)、f (Vf、If)和m(Im)四个点(以下表示法相同)来表示,反向无光照时的伏安特性表现为在III象限的E1为0时的曲线。无光照时的反向电流IR通常很小,只有2mA~12mA。光敏Z-元件的主要参数中Vth、Ith、IR都略有温漂,请参看参考文献[3]中的表1。

2、光敏Z-元件伏安曲线的光敏特性

在测试光敏Z-元件的光敏特性时,采用不同波长的光源会有较大的差异。我们使用的光源是波长为600nm左右的光源,经测量,当E1=0lx、E2=300lx、E3=600lx、E4=900lx时,其正向伏安特性曲线均在第I象限,E2=300lx时的伏安特性表现为:O、P2、f和m;E3=600lx时为:O、P3、f和m;E4=900lx时为:O、P4、f和m。第III象限中,光敏Z-元件的反向电流IR随照度的增加而增大。在光敏Z-元件灵敏度参数中,反向灵敏度SR可达800mV/100lx。阈值灵敏度Sth可达-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,元件产生电动势(光电池、光电二极管有良好的光伏特性),当把电阻与电流表串联接到该光敏元件的正、负极上,电流表中有电流产生,这一特性就称为光(生)伏(特)特性。Z-元件的光生伏特电动势(R→∞)为200mV~300mV,该元件的短路电流可达60mA。

 

三、典型工作电路

    光敏Z-元件与温敏Z-元件仅从伏安特性的走势上看,很难被加以区分。唯一的办法是从外观上观察,温敏Z-元件的管芯外包封的是不透明的树脂,而光敏Z-元件管芯外包封的是透明的树脂。由于光敏和温敏Z-元件具有相似的伏安特性,光敏Z-元件的典型工作电路、解析图和信号波形图等都与温敏Z-元件的相同。

    光敏Z-元件的典型工作电路[4]有三种:

(1)光敏Z-元件的正向应用,此时输出开关信号。当无光照时,其输出电压VO为低电平VOL,VOL≤0.4V;有光照时,其输出电压VO为高电平VOH,VOH≥5.0V。这种输出正阶跃开关信号的电路,负载电阻RL的一端接地,若将Z-元件与电阻RL互换位置,把Z-元件负极接地,则该电路就输出负阶跃开关信号,这时VOH>5.0V,VOL=Vf。

(2)光敏Z-元件的反向应用,此时输出模拟信号。

(3)组成锯齿波振荡电路。在输出负阶跃信号的电路中,使RL=15kΩ~33kΩ,并在RL两端并联一只0.022µF~0.1µF的电容器,就组成了一个锯齿波振荡电路。该电路锯齿波信号的频率f(Hz)是照度E(lx)的函数,对照度而言,频率的灵敏度为正;同时,锯齿波的幅值Vp也是照度E的函数,对照度而言,幅值的灵敏度为负。

 

四、光电三端传感器

1、无温漂MG-1型光电开关
    该光电开关(见图3)由光接收电路、温度补偿电桥和比较器电路等三部分组成。
    在电路图中,Z、C1、RL组成光接收输入级,光源可以是波长范围450nm~900nm中的任何一种。C1的作用是防止开机时电源电压的冲击,使Z-元件进入低阻饱和导通M3区工作,它也可以不用。选择负载电阻RL则确保Z-元件在使用温度范围内,稳定工作在高阻的M1区。通常使E≤Vth,并调节RL使VA≈(0.4~0.5)E。电路中,R、R1和C2组成一个消除温漂信号的补偿电桥。电桥的输入信号是光敏Z-元件的输出即VA,电桥的输出信号为VBC,该信号送到下级比较器,由于该电桥加入了惯性电子元件C2,当无光照时,VBC=S+15(mV),电阻R1可以根据下式计算:

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

其中,S—比较器比较灵敏度[mV]; R—桥臂电阻[kΩ];VA—光接收输入级A点的输出电压[mV]。

尽管Z-元件有一定的温漂,即VA随T(℃)而变化,但是环境的温度变化极为缓慢,通常它的变化率dT(℃)/dt≤0.5℃/min,这样的温度变化率,相当于VA具有±(0.5mV~1mV)/S的温漂。加入C2后,VB电压变化的时间常数τ≈RC2,该点电压即VB稳定所需的时间t≈5τ=5RC=5(s)。这就表示,由于采用了具有惯性元件的补偿电桥,不管环境温度是上升还是下降,始终保持VB=S+15,VB>VC,且比较器输出VO= VOL为低电平。当有光照时,光敏Z-元件的输出VA为一个正阶跃信号的输出,见图3(b)。由于C点无惯性元件,B点有惯性元件,光照开始t=0后的一段时间内,VC>VB,使比较器输出一个高电平VO= VOH;当B点充电结束后,Z-元件仍然回到稳态,即VC<VB,比较器输出变为0,V0O变为低电平VCL。MG-1型光电开关电路不受温度影响,每受到一次光照就输出一个正脉冲。


    2、低功耗MG-2型光电开关
    MG-2型光电开关由光接收电路、温度补偿电桥和比较器三部分组成。
    图4是MG-2型光电开关电路的光接收输入级。因为我们要降低输入级功耗,所以光敏Z-元件工作在反向状态,此状态下的常温电流为2mA~12mA。这样,一方面降低了功耗,同时Z-元件反向工作的光灵敏度SR[mv/lx]也比正向光灵敏度高。反向工作时输出阻抗可高达几兆欧乃至十几兆欧,为了实现前后级的阻抗匹配,采用一级微功耗由运放构成的跟随器,跟随器的输出VA加到图3(a)的A点,用以取代由Z-元件、RL和C1构成的无温漂光电接收的输入级,比较器、跟随器为一只微功耗双运放MAX4471,这样即构成了一个完整的低功耗MG-2型光电开关电路。该光电开关同样具有自动温漂补偿功能,无光照与有光照的工作过程及输出信号的波形图,均与MG-1的分析相同。

3、高灵敏度MG-3型光电开关
    MG-3型光电开关由光接收输入级、温度补偿电桥和比较器三部分组成。为了提高灵敏度,利用了光敏Z-元件Vth参数对光灵敏度高的特点,所以MG-3型光电开关的输入级是Z-元件。因为光敏Z-元件的Vth不仅对光照的灵敏度很高,同时对温度也敏感,而Vth值就等于锯齿波Vf的幅值Vp,所以Vp就会随着温度的变化而产生漂移。为了把锯齿波信号的幅值Vp变成一个直流电平,以便于温度补偿,也为了输入级与下级的匹配,这里采用由运放构成的跟随式检波器电路,见图5。在图5(a)中,输入级的输出电压VA接到图3中的A点,用以取代图3(a)中光敏Z-元件正向工作的光电接收级,就构成了MG-3型光电开关的完整电路。此电路的Sth灵敏度为负,因此,跟随式检波器的输出VA也是一个光灵敏度为负的直流电平。同时,为了使光照时的VO是一个正脉冲,在光电信号的温度补偿电桥(图3(a))中,C2由B点改接到了C点。电路中,VA的值等于锯齿波的幅值减去检波二极管的正向压降,而R1的计算仍可用(1)式。在无光照和有光照时,电路中锯齿波波形图及各点信号波形图请看图5(b)、(c)。

 

五、应用示例

    1、光电报警器

    该光电报警器是遮光型防入侵光电报警器。电路由MG-2型光电开关、延时电路、开关电路和声光报警等部分组成,见图6。信号源是一个振荡器,可由红外发光管射出高能光脉冲,信号延时(YS)电路由V1、R1、C、D1组成,触发电路由R2、V2组成。声光报警部分由发声部件HA和发光部件HL组成。工作过程是这样的:信号源使发光管发出光脉冲,脉宽为 0.2ms、频率为100Hz。这个连续的脉冲光照在MG-2的光敏Z-元件上,输出100Hz的正脉冲。在连续正脉冲的作用下, V1向C充电,充电的时间为0.2ms,充电的间隔时间为10ms,每次充电后,C上的电压uC都接近电源电压6V;在充电后的9.8ms后,电容器通过R1和MG-2的输出进行放电。因为充电时间常数小,放电时间常数大,对于反相器D1的输入而言,uC就是它的输入电压。在正常连续光脉冲的作用下,总是输入高电平,反相器输出为低电平VOL,可控硅不被触发,不发出声光报警信号。当信号源与光敏Z-元件之间有异物遮挡住信号源的光路时,C不能被及时充电,进而放电,直至 uC→UOL时,反相器D1便输出高电平,V2被触发导通,从而HL、HA得电,发出声、光报警信号。

    2、电机稳速控制器

    有些电子部件或游乐设备对电动机转速的稳定性要求较高,大都设置了转速控制电路。电机稳速控制器就是其中一种。

    图7是电机稳速控制器框图。它包括信号源,单片机数控电源和MG-3型光电开关。在受控电机M的终端负载转轴上,安装着能够反射光的黑、白(光亮)相间条格的光盘,白条是反光的,黑条不反光。信号源使发光管发出光,由于光盘上白条的反光作用,使照在MG-3上光敏Z-元件上的光就成为一个一个的光脉冲,MG-3的输出信号VO也就成为与光脉冲同频率的脉冲信号。把VO送给单片机计数,与设定的转速比较,当超出允许的转速误差范围就发送控制指令,送给数控电源,调节电机电压VM,使转速重新回到设定允许的误差范围内。

    3、光电式安全控制器

    一些机械类生产和加工设备及机电一体化的装置常有高温、高压、密封防泄漏等特点,并有大量的机械运动,为了操作者的安全,往往要采取一些机械的或光电类的安全连锁电路,使得在不停机、不停电就会产生不安全因素或后果时,自动停机并发出故障信号,从而保证了设备和人身的安全。

    图8是光电式安全控制器的电路构成。

它由信号源、MG-3型光电开关、延时(YS)电路、故障显示和终端控制电路组成。其工作过程是这样的:信号源驱动红外发光二极管发出1000Hz的光脉冲,脉宽占空比为1:1。MG-3光电传感器接收到光脉冲后,其输出信号VO也是1000Hz的脉冲信号。该连续的脉冲信号作用到延时(YS)电路后,输出信号VY始终保持低电平VY=VOL≤0.1V,因而可控硅V3截止,没有声、光报警信号产生。固态继电器SSR则直流侧没有电流,交流侧截止,使交流接触器K不吸合,其常开触头K-1和常闭触头K-2保持原态,运行的机械装置继续正常工作。通常光源与光敏Z-元件之间是被保护的工作空间,光路不被遮挡。当有不可进入光路中的任何异物(被保护的对象)进入光路后,光源所发出的光脉冲由于异物的遮挡,使MG-3的输出信号VO产生丢失。延时环节YS可在丢失5~7个脉冲后,使其输出电压VY由低电平VOL变为高电平VOH ,高电平通过限流电阻R触发V3使其导通,交流接触器K吸合。这时常开触头K-1闭合,接通刹车电磁铁迅速刹车,常闭触头K-2断开,使运动部件主轴失电不能运动,从而实现了保护功能。而去除光路中的异物即可重新开机。

六、结束语

    光是一个重要的物理量。随着科学技术的不断进步,光的产生、检测和控制等技术正在快速发展。

    光敏Z-元件作为一种光的敏感元件,以其较高的性价比、低漂移、低功耗、高灵敏度、长寿命等特点引起了人们的关注,而基于这种元件的三端(或一线)式光传感器已广泛的应用于各行业,实现了报警、检测、自动控制和安全保护多项功能。相信伴随着制作工艺的进一步成熟,光敏Z-元件一定会发挥更大的作用。

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