光电池的应用设计论文

一、摘要

光电传感器作为“为机器安装眼睛与大脑工程”的重要环节,目前已深入到国民经济各个部门，成为跨行业应用的器件。本文根据传感器原理不同，从工作原理、结构及基本特性参数介绍了几种光电传感器，并以光电池为例介绍了和分析了两种实用电路，最后介绍了光电池电路的拓展功能以及光电传感器的应用前景。

关键词：光电传感器 光电池 光控换向

二、引言

目前，光电传感器已经深入到国民经济各个部门，成为跨行业应用的器件，它被广泛应

用到工业生产的许多方面，凡是需要观察和检测的场所都有应用的可能。它的非接触性、无损害、不受电磁干扰、能远距离传送信息以及远距离操纵控制等优点是得到广泛应用的保障。它在航天、航空、石油、化工、国防、安全、旅游、交通、城市建设和农业生产等领域都得到广泛的应用。

光电传感器使人类有效地扩展了自身的视觉能力，使视觉的长波限延伸到亚毫米波（THz波），短波限延伸到紫外线、X射线、Y射线，乃至高能粒子，响应速度达到纳秒级，能够到人们无法达到的场所，将那里发生的瞬间变化过程与长时间历史经历过程记录下来，供人们使用。

第二部分 设计目的

课程设计目的

传感器技术课程设计的目的是使学生能够将《传感器技术》课程的内容与实际应用有机的联系起来，形成测量控制系统的概念，掌握智能检测（或仪表）系统设计的基本思想和方法。培养学生综合运用基础及专业知识的能力，提高解决实际工程技术问题的能力；加强查阅相关图书资料、产品手册和各种工具书的能力；提高书写技术报告和编制技术资料的能力。

第三部 设计过程

一、光电池简介 1、概述

光电池是一种用途很广的光敏器件，其优点是体积小、重量轻、寿命长、性能稳定、光照灵敏度较高、光谱响应频带较宽且本身不耗能，是小型化、微功耗仪器中常见的换能器件。当光电池受到光照时不需要外加其他形式的能量即可产生电流输出，电流大小反映了光照强度大小。

2、光电池原理与结构

光电池是利用光生伏特效应吧光能直接转变成电能的光电器件。由于它能够把太阳能直接转变为电能，因此又称为太阳电池，其实质就是一个电压源。光电池的种类有硒光电池、氧化亚铜光电池、砷化镓光电池、硅光电池（本次设计所使用到的光电池传感器）、硫化铊光电池等。目前应用最广、最有发展前途的是硅光电池和硒光电池。硅光电池价格便宜，转化效率高，寿命长，适合于接受红外光，硒光电池的光电转换效率低。寿命短，适合接受可见光。

2.1 相关元件；感光元件，LED指示灯，电容，电阻，二极管等

3、硅光电池的基本结构

按硅光电池衬底材料不同科分为2DR型和2CR型。如图a所示为2DR型硅光电池，它是以P型硅材料为衬底（即在本征型硅材料中渗入三价元素或镓等）然后再衬底上扩散而形成N型层并将其作为受光面。

硅光电池的受光面的输出电极多做成如图b所示为硅光电池的外形，图所示的梳齿状或“E”字型电极，其目的是减小硅光电池的内阻。

4、硅光电池工作原理

如下图所示，当光作用于PN结时，耗尽区内的光生电子与空穴在内建电场力的作用下分别向N区和P区运动，在闭合的电路中将产生如图所示的输出电流IL，且负载电阻RL上产生电压降U。

三、光控换向电路原理分析

1、光控换向电路（自己设计+其他参考电路。与实物会有所出入，但控制原理相同）

2、电路分析

光控换向电路如下图，BP1--BP4（2CR11）为光电池，作为光照探测元件，其中BP1、BP2用于控制电动机M正传（备注：由于实际中的电路电流和光电池等因素的影响，导致不足以驱动点击转动，所以实际电路中就用激光二极管代替，即BP1、BP2有光照时，激光二极管亮起，并随着光照的增加，亮度增加），其中BP3、BP4用于控制电动机M反转（备注：当BP3、BP4有光照时，激光二极管熄灭）。

当BP1、BP2遇光照射，而BP3、BP4五光照射时，BP1、BP2各产生0.7--1V电压，并通过R3加到VT1基极，VT1导通，其集电极电位0V，二极管VD2截止，VT3截止，R1、R2分压后所产生的电位较低，VD1导通，VT2导通，与此同时，由于BP3、BP4无光不产生电压，VT6截止，+9V电源通过加到二极管VD3负极，VD3因反向偏置而截止，VT4截止。+9V电源通过R5、R6、VD4加到VT5基极上，VT5导通。这样由于VT2和VT5导通，使得流经电动机M的电流方向，是从GB的正极出发，经VT2、R4、M的A端和B端，再经VT5流回电源负极，激光二极管亮起，并随着光照的亮度增加。若BP3、BP4遇光照，那么BP、BP2无光照射时，由电路的对称性不难分析情况恰与上述的相反，激光二极管熄灭。

如果两组探测器都受光，那么VT1、VT6导通，VT3、VT5截止，即使VT1、VT4导通，电动机M的A端和B端匀为高电位，电动机M不会动（备注：激光二极管熄灭）。

如果BP1--BP均无光照射，这时VT1VT6截止，即使VT3、VT5均导通，电动机M的A端和B端低电位，M也不会动（备注：激光二极管熄灭）。

3、Multisim10.0仿真

（1）、只有BP1、BP受光照时，且光电池产生的光电压为2V（由于光电池的限制，实际中的光电池产生买的电压仅有1V）时，电路经Multtisi10直流分析得各节点的电压如1所示。

由表1中数据我们容易得到此时二极管VD2导通，而二极管VD1、VD3、VD4均截止，与我们分析的一致，同时我们也可以看到电机M（即激光二极管）的A端电位为8.98207V，B端电位为143.97225mV，Uab=8.8380V>6V,所以电机M（即激光二极管）能启动

表1 BP1、BP2产生光电压为2V时电路个节点电压

（2）、只有BP3、BP4受光时，由于电路的对称性可知此时与只有BP1、BP2受光照时情况相似，只有此时电动机M（激光二极管）两端电压Uab=-8.8380V，则电动机反转（即激光二极管熄灭）。

（3）、BP1--BP4均不受光照时，即两侧光电池均不产生光电压时，电路经Multisim10直流分析得各节点的电压如表2所示。由表二可知VT1、VT6均处于截止状态（与分析所得结论一致），电机M（实物中是激光二极管）的A端电位为143.97225mV，B端电位为143.97225mV，均为高电位，Uab==0V,所以电机M不转（但是有与实物中所用的是激光二极管，此时激光二极管会有微亮现象）。

表二

（4）、BP1--BP4均受光照时，且两侧光均生2V（备注：由于本次使用的光电池传感器

的限制，两侧的电压仅有1V左右），由仿真可知下表三。由表三得到，VT1、VT6导通，VT3、VT5截止，电机M的A端电位为8--9V左右，B端电位为8--9V左右，都为高电平，使得Uab=0V,所以电机M不转。

表三

第三部分 总结

本次课程设计简述了光电池的工作原理即基本的特性，又分析了两硅光电池的工作原理和他的主要应用范围，同时基于光控换向电路简要的讲了他的主要设计过程和理论结果。通过本次设计，查阅了许多文献和请教他人，使自身对光电传感器的类型、工作原理和工作时特性参数都有了一定的了解，同时呢，通过自身的对电路拖展功能的思考，使自己能从工程方面思考问题，从理论思考转向对实际问题的思考。并且，提高了自身对调试电路，检查电路错误的能力。之所以有课程实验设计的存在，在一定的程度上是可以回过一下书本知识，看你到底学了什么，学到什么，一定程度上对你这一个学期学习成果的检测，另外可以多方面提高我们的能力，例如学习能力、软件的熟悉程度、工具的使用、动手能力等等。

参考文献

【1】吕勇军主编.传感器技术实用教程.机械工业出版社.2011.9 【2】叶宏.光电传感器—光电池.科技创新导报.2009(26). 【3】王庆有.光电传感器应用技术.机械工业出版社.2007. 【4】吴玉莲.光电池应用两则.家庭电子.1997(7). 【5】卞保民.光电传感器技术.网上课件.2009(11).

附录 实物图