第二章：光電傳感器及控制系統(tǒng)

1、第二章 光電傳感器控制技術(shù)與系統(tǒng)光電傳感器是以光敏器件作為檢測(cè)元件，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的裝置。用這種傳感器進(jìn)行測(cè)控時(shí)，只需將其它的非電量轉(zhuǎn)換為光信號(hào)即可。廣泛用于物位、速度、位移、溫度、白度、壓力，以及一些機(jī)械量、幾何量的測(cè)量與自動(dòng)控制、電子計(jì)算機(jī)、智能機(jī)器人等，是目前應(yīng)用最廣泛的傳感器之一。光敏器件是利用物質(zhì)的光電效應(yīng)，將光量轉(zhuǎn)換為電量的一種變換器件。它的發(fā)展迅速，品種繁多，常見(jiàn)的有光敏電阻、光電二級(jí)管、光電三級(jí)管、光電耦合器、硅光電池和光控晶閘管等。§1 光敏電阻控制技術(shù)與系統(tǒng)一、光敏電阻 1光電導(dǎo)效應(yīng)半導(dǎo)體材料受光照射時(shí)，載流子數(shù)目增加，電阻率減少，這種現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)效應(yīng)。當(dāng)

2、一束光照射到半導(dǎo)體時(shí)，如果光的頻率足夠高，光子的能量(h = 6.626×10-34 (J·S)為普朗克常數(shù)，f為頻率)大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度，就能產(chǎn)生出自由電子和“空穴”，使半導(dǎo)體的載流子數(shù)目增加，電阻率減小。入射光的強(qiáng)度越大，激發(fā)出來(lái)的自由電子和空穴越多，半導(dǎo)體的電阻率減小得就越厲害。如果半導(dǎo)體是摻雜的，因?yàn)閺碾s質(zhì)上釋放一個(gè)電子（或空穴）所需的能量比本征半導(dǎo)體價(jià)電子所需的能量小，所以較長(zhǎng)波長(zhǎng)的光也能產(chǎn)生光電導(dǎo)。具有光電導(dǎo)效應(yīng)的材料稱為光導(dǎo)材料。大多數(shù)的半導(dǎo)體和絕緣體都具有光電導(dǎo)效應(yīng)。但能利用于制作光敏器件的卻不多。從目前的光敏電阻來(lái)看，可分為三種類

3、型：第一類為可見(jiàn)光光敏電阻，如硫化鎘 ，硒化鎘，硫硒化鎘，硫化鎘硫化錳光敏電阻等；第二類為紅外光光敏電阻，如硫化鉛，硒化鉛，銻化鉛，砷化鉛，碲鎘汞，碲化鉛等光敏電阻；第三類為紫外光光敏電阻，如硫化鉛，硫化鋅鎘，硫化鍺鎘，硒碲銻三元素化合物等光敏電阻。2光敏電阻的結(jié)構(gòu)光敏電阻是根據(jù)半導(dǎo)體光電導(dǎo)效應(yīng)，用光導(dǎo)材料制成的光電元件，又稱作光導(dǎo)管。其典型結(jié)構(gòu)如圖21所示。管芯是一塊裝于絕緣襯底上，帶有兩個(gè)歐姆接觸電極的光電導(dǎo)體，半導(dǎo)體吸收光子而產(chǎn)生的光電導(dǎo)效應(yīng)只限于光照的表面薄層，雖然產(chǎn)生的載流子也有少數(shù)擴(kuò)散到內(nèi)部去，但深入的厚度有限，因此，光電導(dǎo)體一般都作成薄層。為了提高靈敏度，光敏電阻的電極一般采用梳

4、狀圖案，如圖22所示。殼體具有良好的密封性能，以保證光敏電阻靈敏度不受潮濕等影響。光敏電阻沒(méi)有極性，是一個(gè)純電阻元件。兩極間既可加直流電壓，也可加交流電壓。光敏電阻在電路中的符號(hào)見(jiàn)圖23。圖2-1 光敏電阻的典型結(jié)構(gòu)1光電導(dǎo)體 2玻璃 3電極4絕緣襯底 5金屬殼 6引線圖2-2 光敏電阻的芯片結(jié)構(gòu)1電極 2光電導(dǎo)體圖2-3 光敏電阻的符號(hào)3光敏電阻的特性（1）靈敏度a ：電阻靈敏度 光敏電阻在室溫環(huán)境，處于全暗條件下，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間具有的電阻值稱為暗電阻，一般在M數(shù)量級(jí)，常用“olx”表示；受到一定光照時(shí)的電阻值稱為亮電阻Rl ，Rl一般為K數(shù)量級(jí)，常用“100 lx”表示。暗電阻與亮電阻阻值之

5、差RdRl與亮電阻Rl之比，稱為光敏電阻的電阻靈敏度。即 （1）b積分靈敏度 光敏電阻加上一定電壓并受光照時(shí)所產(chǎn)生的電流稱為亮電流，無(wú)光照射時(shí)流過(guò)光敏電阻上的電流稱為暗電流。在同一電壓下，亮電流與暗電流之差稱為光電流I，光電流I 和照在光敏電阻上的光通量之比稱為光敏電阻的積分靈敏度。即K= （2）（2）伏安特性在一定光照下，光敏電阻兩端所加電壓與電流之間的關(guān)系稱為伏安特性。對(duì)于光敏元件來(lái)說(shuō)，其光電流隨外加電壓增大而增大。圖24所示硫化鎘光敏電阻的伏安特性。硫化鎘光敏電阻器在規(guī)定的極限電壓下，它的伏安特性具有較好的線性，使用時(shí)注意不要超過(guò)允許功耗線。 功耗線圖2-4 硫化鎘光敏電阻伏安特性R（k

6、）500圖2-5 硫化鎘光敏電阻的光照特性（3）光照特性是指光敏電阻輸出的的電信號(hào)（電阻、電壓、電流）隨光照強(qiáng)度而變化的特性。光敏電阻的光照特性多數(shù)情況下是非線性的，只是在微小區(qū)域呈線性，這是光敏電阻的很大不足。硫化鎘光敏電阻的光照特性如圖25所示。（4）光譜特性是指光敏電阻在不同波長(zhǎng)的單色光照下的靈敏度。光敏電阻對(duì)不同波長(zhǎng)的光靈敏度不同，若繪成曲線就可得光譜靈敏度的分布圖，如圖26所示。因此，在選擇光敏電阻時(shí)，必須結(jié)合光源進(jìn)行考慮。圖2-7 硫化鎘光敏電阻對(duì)脈沖光的響應(yīng)特性tKr（kA°）圖26 光敏電阻的光譜特性Kr(%)（5）時(shí)間與頻率特性光敏電阻突然受到光照時(shí)，光電流并不是立

7、即升到最大值。光照突然消失時(shí)，光電流也不立刻下降到暗電流值。這表明，光電流的變化滯后于光的變化。常用上升時(shí)間tr ，下降時(shí)間tf表示這種滯后現(xiàn)象。大多數(shù)光敏電阻的響應(yīng)時(shí)間為幾十毫秒到幾百毫秒。硫化鎘光敏電阻對(duì)脈沖光的響應(yīng)特性如圖27所示。不同材料的光敏電阻，響應(yīng)時(shí)間不同，因此他們的頻率特性也就不同。（6）溫度特性光敏電阻同其它半導(dǎo)體器件一樣，受溫度影響較大，不少的光敏電阻在低溫下的靈敏度較高，而在高溫下暗電阻和靈敏度均下降，圖26所示的光譜特性將向左移。通常用電阻溫度系數(shù)來(lái)描述光敏電阻的這一特性，它表示溫度改變一度時(shí)，電阻值的相對(duì)變化。（7）額定功率（也稱功耗）是指光敏電阻用于某電路中所允許加

8、上的功率。這主要取決于光敏電阻器本身特性，環(huán)境溫度及光敏電阻本身所產(chǎn)生的溫度，當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，光敏電阻允許消耗的功率就降低。額定功率為 W=I2RL （3）式中：W為光敏電阻的額定功率（W）；I為光電流（A）；RL為亮阻（）。二、應(yīng)用光敏電阻的控制電路1用光敏電阻構(gòu)成的光電開(kāi)關(guān)電路用一光源與一個(gè)光敏電阻器可以構(gòu)成光電開(kāi)關(guān)電路。這種開(kāi)關(guān)電路可用于各種物體檢測(cè)、光電控制、自動(dòng)報(bào)警等系統(tǒng)。硫化鎘光敏電阻構(gòu)成的光電開(kāi)關(guān)電路如圖28所示。圖中的光敏電阻RG可采用MG41-100A元件、BG1和BG2可采用3AG型高頻管，繼電器J為啟動(dòng)電流小于15mA的RM4小型繼電器，光源可采用6V/3W的白熾燈泡。

9、其原理為：當(dāng)有光照時(shí)，光敏電阻RG阻值減小，電流增加，使BG1的基極電流增加，BG1導(dǎo)通，同時(shí)使得BG2導(dǎo)通，繼電器J吸合，繼電器在控制電路中的接點(diǎn)動(dòng)作，使主電路工作。當(dāng)無(wú)光照時(shí)，光敏電阻RG阻值增加，BG1的基極電流減小，BG1截止，使得BG2也截止，J釋放，帶動(dòng)主電路動(dòng)作。這樣就實(shí)現(xiàn)了由光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再由電信號(hào)進(jìn)行控制，從而達(dá)到了光電自動(dòng)控制的目的。該光電開(kāi)關(guān)電路在使用中，應(yīng)注意下列問(wèn)題：a 應(yīng)在規(guī)定的使用環(huán)境溫度條件下，在額定功率下使用，以免燒壞；b 在電路中必須設(shè)置限流電阻，如圖28中的R2，其阻值大小應(yīng)根據(jù)光敏電阻器的額定功率和使用環(huán)境條件選擇；c 對(duì)使用的光敏電阻應(yīng)加裝防光罩

10、，以防止雜散光的干擾；d 在常溫、干燥條件下貯存，并應(yīng)避免強(qiáng)光照射。+圖2-8 硫化鎘光敏電阻構(gòu)成的光電開(kāi)關(guān)電路R1RwR2R3R42光電觸發(fā)器圖29是用光敏電阻構(gòu)成的光電觸發(fā)電路。無(wú)光照射時(shí)，光敏電阻RG電阻值大，電流小，T1截止、T2飽和導(dǎo)通，輸出為低電平。當(dāng)光敏電阻RG受光照射時(shí)，電阻小，電流大，電路翻轉(zhuǎn)，T1飽和導(dǎo)通，T2截止，變?yōu)楦唠娖健＜丛撚|發(fā)器采用光作為觸發(fā)信號(hào)，觸發(fā)后面的電路。圖2-9 光電觸發(fā)器U03生產(chǎn)線運(yùn)行自動(dòng)監(jiān)控裝置在一些工廠里，各生產(chǎn)工序之間的制品或零件交換是由自動(dòng)傳輸線來(lái)完成的。這里介紹的生產(chǎn)線運(yùn)行自動(dòng)監(jiān)控裝置，可以根據(jù)生產(chǎn)的需要，設(shè)置不同數(shù)量的光電傳感器用于控制流

11、水線上的零件或制品運(yùn)行，并可集中顯示和控制。當(dāng)某一個(gè)傳感器一旦“發(fā)現(xiàn)”故障，能自動(dòng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)或使下一個(gè)生產(chǎn)工序的設(shè)備停轉(zhuǎn)。+12R0圖2-10 自動(dòng)監(jiān)控裝置電路原理圖圖210是自動(dòng)監(jiān)控裝置的電原理圖，其中只給出了一個(gè)光電傳感器控制電路的一個(gè)單元部分，可按實(shí)際需要增加。將光源和光敏電阻相對(duì)安裝在流水線的兩側(cè)。12V直流電源經(jīng)電阻R1和光敏電阻R0的內(nèi)阻分壓，使P點(diǎn)得到某一電壓值。隨著流水線上制品位置的不斷移動(dòng)，會(huì)斷續(xù)地遮沒(méi)光源，使照射到光敏電阻上的光線呈脈沖狀，的電阻值也隨著相應(yīng)地發(fā)生脈沖變化，從而引起P點(diǎn)電壓呈脈沖狀起伏跳變。這種變換的交流分量，通過(guò)電容C1耦合，經(jīng)二極管D1整流，從而為BG

12、1的基極提供了偏置電流，使BG1飽和導(dǎo)通，同時(shí)還向電容C2充電，使BG1工作點(diǎn)穩(wěn)定，導(dǎo)通可靠，同時(shí)BG2，BG3截止，繼電器K不動(dòng)作。當(dāng)自動(dòng)線上的制品因故中斷，或是傳送帶運(yùn)行停止時(shí)，光敏電阻R0出現(xiàn)的受光狀態(tài)為：光源始終照射到光敏電阻R0上，或光源被制品遮住，光敏電阻不受光的照射。這兩種現(xiàn)象在電路的P點(diǎn)都會(huì)反映出一種結(jié)果，即R0上的光脈沖信號(hào)消失，P點(diǎn)的電脈沖信號(hào)也消失。電容C1無(wú)交變信號(hào)輸入，二極管D1無(wú)整流電流輸出，晶體管BG1截止，BG2、BG3飽和導(dǎo)通，使繼電器K吸合。繼電器的接觸點(diǎn)接通報(bào)警電路及驅(qū)動(dòng)中間繼電器完成停機(jī)（上一道工序或下一道工序停機(jī)）。§2 光敏晶體管控制技術(shù)與

13、系統(tǒng)一、光敏晶體管 1結(jié)構(gòu)及工作原理半導(dǎo)體光敏二極管與普通二極管類似，PN結(jié)裝于管的頂部，光線可通過(guò)透明窗直接照射到PN結(jié)上。圖211所示是光敏二極管的光電轉(zhuǎn)換原理示意圖及電路符號(hào)。光敏二極管在電路中一般處于反向工作狀態(tài)。無(wú)光照時(shí)，反向電阻很大，反向電流很小。有光照時(shí)，PN結(jié)附近產(chǎn)生電子和空穴，使少數(shù)載流子濃度大大增加，流過(guò)PN結(jié)的反向電流聚增。入射光強(qiáng)度變化時(shí)，光生電流的強(qiáng)度也隨之改變，在負(fù)載電阻Rl上得到一個(gè)隨入射光強(qiáng)度變化的電信號(hào)，即光敏二極管能把光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出。Rl圖2-11 光電二極管轉(zhuǎn)換原理圖 圖2-12 光電三極管轉(zhuǎn)換原理圖光敏三極管是一種相當(dāng)于在基極和集電極之間接有光敏

14、二極管的普通三極管。入射光在基區(qū)和集電區(qū)被吸收而產(chǎn)生電子空穴對(duì)，由此而產(chǎn)生的光生電流由基極進(jìn)入發(fā)射極，從而在集電極回路中得到一個(gè)放大了的信號(hào)電流。所以光敏三極管是一種相當(dāng)于將基極集電極的光敏二極管的光電流加以放大的普通晶體管放大器。選擇合適的負(fù)載，使Rl Rce，則輸出電壓為： 式中： 晶體管電流放大倍數(shù)； C-b結(jié)光敏二極管光電流； 光調(diào)制角頻率；rbe  基極發(fā)射極正向電阻；be  基極發(fā)射極電容；ce  集電極發(fā)射極電容。恒定光照時(shí)： =Rl與光敏二極管相比，信號(hào)放大了信。但不同的，有不同的值，所以

15、，光敏二極管的輸出信號(hào)與輸入信號(hào)沒(méi)有很嚴(yán)格的線性關(guān)系，這是光敏三極管的不足之處，在選用時(shí)，我們應(yīng)考慮到這一特點(diǎn)。2基本特性 光譜特性所有光敏晶體管都具有光譜特性，例如，硅光敏晶體管的響應(yīng)頻率段約在0.41.1m波長(zhǎng)范圍內(nèi)；靈敏峰值在0.8m附近。鍺光敏晶體管的響應(yīng)頻段在0.51.8m波長(zhǎng)范圍內(nèi)，靈敏峰值在1.4m附近。 伏安特性伏安特性一般用伏安特性曲線表示，查硅光敏二、三極管和鍺光敏晶體管的伏安特性曲線我們可以看到，在同樣的照度下，光敏三極管的光電流遠(yuǎn)大于光敏二極管，即光敏三極管具有放大作用，照度越大，光電流也越大。 光照特性光敏晶體管的光照特性也是用曲線來(lái)反應(yīng)，不同材料制成的光敏晶體其光照

16、特性不同。一般光敏二極管的線性較好。光敏三極管在弱光時(shí)，光電流隨照度增加減小，而在強(qiáng)光又有飽和現(xiàn)象，這是由于三極管的值在小電流和大電流時(shí)都要下降的緣故。 頻率響應(yīng)光敏晶體管的頻率響應(yīng)一般用上升時(shí)間tr和下降時(shí)間tf表示。它與器件的物理結(jié)構(gòu)、工作狀態(tài)、入射光波長(zhǎng)等因素有關(guān)。為了獲得較好的頻率響應(yīng)，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，應(yīng)根據(jù)頻響選擇最佳的負(fù)載電阻，最好選用高增益、低輸入阻抗的放大電路與之配合。一般來(lái)說(shuō)，光敏三極管的頻響比同類二極管差，硅光敏三極管的頻響比鍺光敏三極管好。 溫度特性由于反向飽和電流對(duì)溫度的依賴性，光敏晶體管的暗電流對(duì)溫度非常敏感，在應(yīng)用時(shí)，應(yīng)采取溫度補(bǔ)償措施。二、光敏晶體管基本電路1光電開(kāi)

17、關(guān)電路光電開(kāi)關(guān)電路如圖213、214所示。這類電路多用于自動(dòng)控制。無(wú)光照射時(shí)，系統(tǒng)處于某一特定工作狀態(tài)。如晶體管截止，繼電器J失電，常閉觸點(diǎn)閉合，被控設(shè)備處于某種狀態(tài)。有光照時(shí)，系統(tǒng)的工作狀態(tài)隨之發(fā)生改變，如晶體管飽和導(dǎo)通，繼電器J得電，被控設(shè)備處于另一種狀態(tài)。圖2-13 光敏二極管開(kāi)關(guān)電路圖2-14 光敏三極管開(kāi)關(guān)電路JJ這類電路對(duì)光敏器件無(wú)線性要求，只要光信號(hào)滿足某一閾值就可達(dá)到開(kāi)關(guān)控制的目的。電路中的光敏二極管與光敏三極管一般可以互換。2光電觸發(fā)器圖215所示的電路中，當(dāng)無(wú)光照時(shí)，光敏三極管（或光敏二極管）不導(dǎo)通，T1、T2、T3均處于截止?fàn)顟B(tài)，可空硅SCR的控制極沒(méi)有電流流過(guò)，不導(dǎo)通。

18、當(dāng)有光照射到光敏三極管（或光敏二極管）上時(shí)，T1、T2、T3導(dǎo)通，觸發(fā)可空硅導(dǎo)通。圖2-15 光電觸發(fā)電路圖2-16 光電跟蹤器3光電跟蹤器光電跟蹤器的基本電路如圖216所示。接受器為兩只性能相似的同類型光敏器件。把它們接入差動(dòng)放大器電路，由差動(dòng)放大器的特性我們可知，當(dāng)光敏器件受光照相同時(shí)，差動(dòng)電路沒(méi)有信號(hào)輸出，執(zhí)行機(jī)構(gòu)將按預(yù)定的方式工作。當(dāng)系統(tǒng)略有偏差時(shí)，光敏器件所受光照便會(huì)產(chǎn)生差異，差動(dòng)電路便有信號(hào)輸出，從而帶動(dòng)后繼電路及執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使之進(jìn)行糾正偏差，達(dá)到自動(dòng)跟蹤的目的。4光電放大電路當(dāng)需要對(duì)光信號(hào)作定量檢測(cè)時(shí)，尤其是當(dāng)光信號(hào)特別微弱的場(chǎng)合，需要用到圖217所示的光電放大電路。如光電編碼器、

19、光電計(jì)數(shù)器等；物體的色度、光亮度、照度、溶液的濃度、紙張的灰度、白度等。用放大電路將光信號(hào)線性放大，然后帶動(dòng)儀器儀表或顯示記錄機(jī)構(gòu)。+VC-VC圖2-17 光電放大基本電路三、應(yīng)用實(shí)例1暗通光控開(kāi)關(guān)當(dāng)外界光亮?xí)r，光敏晶體管導(dǎo)通，A點(diǎn)接近地電位，0。故BG1截止。BG2也截止。繼電器不吸合。當(dāng)外界光變暗時(shí)，光敏晶體管電阻變大。A點(diǎn)電位上升，上升，一旦達(dá)到BG1的導(dǎo)通電流，BG1、BG2導(dǎo)通，繼電器吸合。 2亮通光控開(kāi)關(guān)當(dāng)有光照時(shí) ，光敏器件的阻值減小，BG1的基極電流增大，使BG1導(dǎo)通，從而使BG2、BG3導(dǎo)通，繼電器吸合。當(dāng)光線變暗時(shí)，光敏器件的阻值增大，三極管截止，繼電器不吸合，負(fù)載停止工作

20、。圖2-18 暗通光控開(kāi)關(guān)圖2-19 亮通光控開(kāi)關(guān)3亮通，暗通復(fù)合光控開(kāi)關(guān)如果需要光亮?xí)r開(kāi)動(dòng)一套設(shè)備，光暗時(shí)開(kāi)動(dòng)另一套設(shè)備時(shí)，可使用圖220所示的電路。該電路實(shí)際上是由兩套電路組成，BG1、BG2是一個(gè)亮通電路，BG1、BG3是一個(gè)暗通電路。無(wú)光照時(shí)，光敏器件的反向電阻很大，BG1有足夠的基極電流，使BG1導(dǎo)通，其集電極為低電位，使NPN管BG2截止，BG3(PNP)導(dǎo)通，繼電器J1吸合，J2不吸合。有光照時(shí)，光敏器件的反向電阻很小，A點(diǎn)為低電位，BG1截止，其集電極B點(diǎn)為高電位，使BG3 截止，而C點(diǎn)為高電位，使BG2導(dǎo)通，J2吸合，J1斷開(kāi)。BBG1圖2-20 亮、暗復(fù)合光控開(kāi)關(guān)圖2-21

21、 報(bào)警電路原理圖4 用光敏電阻和555構(gòu)成的光電報(bào)警電路：圖221中555接成多諧振蕩器工作方式。與一般振蕩器電路不同的是我們?cè)?55的復(fù)位端4腳與地之間接有一個(gè)光敏電阻GR。當(dāng)光照到GR上時(shí)，GR的內(nèi)阻變小，4腳電位降低，555復(fù)位，這時(shí)3腳輸出低電平，揚(yáng)聲器不發(fā)聲。當(dāng)照在GR上的光被遮擋時(shí)，光敏電阻阻值變大，4腳變?yōu)楦唠娖?，電路起振，揚(yáng)聲器發(fā)出報(bào)警聲。該電路可用于工業(yè)上的物位、液位檢測(cè)，安全保護(hù)等方面。5用555構(gòu)成的雙光控開(kāi)關(guān) 圖2-22 雙光控開(kāi)關(guān)電路原理圖Rw：100， R1: 50, R2: 47, R3: 10K, R4: 1M,R5: 20K, R6: 20K, R7: 510

22、, C1:22,C2:0.01,C3:470D1:HG505或日產(chǎn)GL-5S。工作電流200mA光輻射功率50-70 mw.最大控制距離10m.T1,T3:3DU31或3DU5T2，T4：CS9014或CS9013，D2-D5：1N4001B：3-5W小型變壓器，VS：耐壓值大于400V雙向可控硅。雙光控開(kāi)關(guān)電路原理如圖222所示。時(shí)基電路555與R4，C1構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)電路，穩(wěn)定時(shí)，555輸出端3腳為低電平。當(dāng)其觸發(fā)端2腳有負(fù)脈沖作用或?yàn)榈碗娖綍r(shí)，單穩(wěn)態(tài)電路進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)，其輸出端3腳輸出高電平。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，電路自動(dòng)翻回初始狀態(tài)，其3腳又為低電平，暫穩(wěn)態(tài)結(jié)束。紅外發(fā)光二極管D1與光敏三極管T1構(gòu)成

23、一路光控電路；光敏三極管T3與自然光構(gòu)成另一路光控電路。白天，光照射強(qiáng)度較大，T3的c-e極間呈現(xiàn)低電阻，在T4 有較大的偏流而導(dǎo)通，其集電極也就是555電路的強(qiáng)度復(fù)位端4為低電平，555處于復(fù)位狀態(tài)，其3腳輸出低電平，此時(shí)，雙向可控硅Vs的控制極無(wú)觸發(fā)電壓而處于關(guān)斷狀態(tài)，燈泡HL不亮。到了夜晚，光照強(qiáng)度明顯減弱，T3的c-e極間呈高電阻，使T4由導(dǎo)通變?yōu)榻刂梗?55強(qiáng)復(fù)位端4腳變?yōu)楦唠娖?，退出?fù)位狀態(tài)，其輸出端3輸出高電平。如果此時(shí)D1發(fā)出的紅外光照在光敏晶體管T1上，則T1的c-e極間呈現(xiàn)低電阻，此時(shí)T2基極為低電平，T2截止，則555觸發(fā)端2為高電平，由于2腳為低電平或負(fù)脈沖觸發(fā)，所以此

24、時(shí)555仍處初始穩(wěn)定狀態(tài)，即輸出端3為低電平，因此SCR關(guān)斷，燈泡HL仍不亮。當(dāng)有人經(jīng)過(guò)而擋住D1與T1之間的光路時(shí)，T1呈高阻狀態(tài)，使T2基極為高電位，T2導(dǎo)通，555的2腳變?yōu)榈碗娖?，觸發(fā)555進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)，其3腳輸出高電平，觸發(fā)SCR使其導(dǎo)通，燈泡HL點(diǎn)亮，經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間TW =1.1R4C1(S)后，電路暫穩(wěn)態(tài)結(jié)束，555的3腳變?yōu)榈碗娖健CR關(guān)斷，HL熄滅。6紅外光電數(shù)字轉(zhuǎn)速測(cè)控紅外光電數(shù)字轉(zhuǎn)速測(cè)控裝置是把旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速變換成相應(yīng)頻率的脈沖，然后用測(cè)量電路測(cè)出脈沖頻率，由頻率值就可知道所測(cè)的轉(zhuǎn)速值，這種方法具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠、測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn)，因此目前應(yīng)用很廣。紅外光電數(shù)字轉(zhuǎn)速測(cè)控裝置

25、的結(jié)構(gòu)原理如圖223所示。它由裝在旋轉(zhuǎn)軸上的開(kāi)孔圓盤、紅外發(fā)光二極管、光敏三極管組成。從紅外發(fā)光二極管發(fā)射的紅外光通過(guò)開(kāi)孔圓盤照射到光敏三極管上，使光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。開(kāi)孔圓盤上開(kāi)有一定數(shù)量的小孔，當(dāng)圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)一周時(shí)，光敏三極管就感受與開(kāi)孔數(shù)相等次數(shù)的光，產(chǎn)生相應(yīng)數(shù)量的脈沖電信號(hào)。紅外光電轉(zhuǎn)換電路如圖224所示，圖中T1為光敏三極管3DU31，當(dāng)有光照射時(shí)，電阻減小，光電流I增加，使T2導(dǎo)通，由T3和T4組成的射極耦合觸發(fā)器的輸出Vsc為高電位。反之，Vsc為低電位。將變換電路輸出的脈沖信號(hào)Vsc送入計(jì)數(shù)電路進(jìn)行計(jì)數(shù)和顯示，便可得到轉(zhuǎn)速。1光敏元件 2縫隙板3開(kāi)孔圓盤 4光源圖2-23 直射式光

26、電轉(zhuǎn)速測(cè)控裝置的結(jié)構(gòu)原理圖2-24 紅外光電轉(zhuǎn)換電路原理圖目前用于數(shù)字頻率計(jì)，計(jì)數(shù)器的通用計(jì)數(shù)器系列有ICM7216（5G7216D）、5G7225等中小規(guī)模集成電路。倍圖2-25 紅外數(shù)字轉(zhuǎn)速測(cè)控原理框圖我們知道，用計(jì)數(shù)器測(cè)量的結(jié)果是每秒鐘所輸入脈沖的個(gè)數(shù)，而物體的轉(zhuǎn)速一般用r/min表示，在本測(cè)速裝置中，假設(shè)每轉(zhuǎn)一周，產(chǎn)生一個(gè)脈沖，如果再經(jīng)過(guò)60倍頻，即將一個(gè)脈沖細(xì)分為60個(gè)脈沖，相當(dāng)于物體每轉(zhuǎn)一周得到60個(gè)脈沖。這樣，后面的計(jì)數(shù)器測(cè)量的結(jié)果就是每分鐘的轉(zhuǎn)速了。紅外數(shù)字轉(zhuǎn)速測(cè)控原理框圖如圖225所示。§3 光電耦合器及在自動(dòng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用一、基本原理光電耦合器又稱為光電隔離器，

27、是近年發(fā)展起來(lái)的一種新型半導(dǎo)體光電元件。這是一種把發(fā)光元件與受光元件組合在一起的器件。使用這種器件可以有效的隔離噪聲和抑制干擾，同時(shí)在電氣上實(shí)現(xiàn)了絕緣耦合，避免了直接耦合而造成前、后級(jí)之間的反饋所產(chǎn)生的影響。我國(guó)生產(chǎn)的光電耦合器其發(fā)光元件一般采用砷化鎵紅外發(fā)光二極管，而采用的受光元件有很多種類，一般為硅光敏二極管、三極管、達(dá)林頓管所組成的器件。由于把發(fā)光元件和受光元件都密封在同一密閉的管殼內(nèi)，所以構(gòu)成了一個(gè)四端器件。發(fā)光元件的兩個(gè)引腳為輸入端，受光元件的兩個(gè)引出線為輸出端。其原理是：當(dāng)在輸入端加一電信號(hào)時(shí)，發(fā)光元件就發(fā)出與輸入信號(hào)強(qiáng)弱相應(yīng)的光信號(hào)，受光元件受到此光的照射后便產(chǎn)生光電流輸出，這樣

28、便實(shí)現(xiàn)了在電氣上絕緣的以光耦合的電信號(hào)的傳輸過(guò)程。二、光電耦合器的結(jié)構(gòu)、代號(hào)、電路符號(hào)光電耦合器的封裝形式，常見(jiàn)的有管形封裝、雙列直插封裝、金屬殼封裝和光導(dǎo)纖維連接等多種。圖226為管形光電耦合器與雙列直插式光電耦合器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖和一般光電耦合器的電路符號(hào)。+輸入端（發(fā)光二極管）玻璃外殼空隙輸入端（光敏元件）管腳黑色樹(shù)脂透明樹(shù)脂管腳輸出端輸入端輸入輸出(a) 管形光電耦合器(b) 雙列直插式光電耦合器(c) 一般光電耦合器的電路符號(hào)(a)(b)(d)(c)(a) 發(fā)光二極管光敏電阻器式 (b) 發(fā)光二極管光敏二極管式(c) 發(fā)光二極管光敏三極管式 (d) 發(fā)光二極管光電池式圖2-27 光電

29、耦合器電路符號(hào)圖2-26 兩種光電耦合器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及電路符號(hào)由于光電耦合器中的光敏元件有光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管和光電池等，所組成的光電耦合器性能各異，所以電路符號(hào)也不盡相同，其電路圖形符號(hào)如圖227所示。三、主要特點(diǎn)1實(shí)現(xiàn)了電氣絕緣耦合。光電耦合器的輸入端和輸出端之間從電氣上來(lái)說(shuō)是絕緣的，絕緣電阻根據(jù)封裝形式有些差異，一般都大于1010，耐壓值超過(guò)1KV，有的品種可高達(dá)10KV。2單向性。因?yàn)楣鈧鬏數(shù)膯蜗蛐裕盘?hào)只能從發(fā)光源單向傳送到光敏元件，而不會(huì)反向傳輸，所以輸出信號(hào)不會(huì)影響輸入端。3共模抑制比大。發(fā)光源通常是砷化鎵紅外發(fā)光二極管，它是一種低阻抗電流驅(qū)動(dòng)性元件，元件共模抑制大，所

30、以可抑制干擾，消除噪聲。4容易和邏輯電路配合。當(dāng)使用幾種不同類型的邏輯元件組成系統(tǒng)時(shí)，用光電耦合器可以很好地解決互相連接時(shí)的電平轉(zhuǎn)換和隔離問(wèn)題。5響應(yīng)速度快。時(shí)間常數(shù)約幾微秒甚至幾毫微秒。6無(wú)觸點(diǎn)，壽命長(zhǎng)，體積小，耐沖擊。四、光電耦合器的驅(qū)動(dòng)電路和輸出電路1驅(qū)動(dòng)電路圖2-28 光電耦合器驅(qū)動(dòng)電路光電耦合器的驅(qū)動(dòng)電路實(shí)際上就是如何為光電耦合器中的砷化鎵紅外發(fā)光二極管提供足夠大的工作電流，使它發(fā)出一定強(qiáng)度的紅外線。圖228是簡(jiǎn)單而實(shí)用的驅(qū)動(dòng)電路。圖228（a）為普通驅(qū)動(dòng)電路，在圖228（a）中，Rs為限流電阻、調(diào)節(jié)它的大小可調(diào)節(jié)發(fā)光二極管的發(fā)光亮度，同時(shí)能限制發(fā)光二極管的工作電流，以免過(guò)大而燒壞發(fā)

31、光二極管，UDC為直流電源電壓。圖228（b）是恒流驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)電流不受電源電壓變化的影響。2輸出電路光電耦合器的輸出電路，就是將光敏元件產(chǎn)生的光電流通過(guò)內(nèi)部或外接電路進(jìn)行放大后輸出，以達(dá)到信號(hào)傳遞的要求。下面介紹幾種常用的輸出電路。圖2-29 光電耦合器輸出電路圖229（a）為輸入端有光照時(shí)輸出“0”狀態(tài)的電路，即輸出低電平。當(dāng)有光照時(shí)，光敏三極管GBG導(dǎo)通，輸出端U0輸出低電平。圖229（b）為輸入端有光照時(shí)輸出“1”狀態(tài)的電路，即有光照時(shí)，光敏三極度管GBG導(dǎo)通，輸出端U0輸出高電平。圖229（c）為光敏三極管加引出線外接電位器W，可以調(diào)整對(duì)輸入端的光照感應(yīng)強(qiáng)度。圖229（d）是一種能

32、提高信噪比的電路。該電路采用了差分電路，其一側(cè)為光電耦合器，另一側(cè)用的是普通NPN型硅三極管，起到了補(bǔ)償溫度的變化和電源波動(dòng)的作用，獲得較高的信噪比。五、光電耦合器在自動(dòng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用1光電耦合器電子開(kāi)關(guān)用光電耦合器作電子開(kāi)關(guān)，其電路如圖230所示。圖230（a）為常開(kāi)式電子開(kāi)關(guān)。輸入端無(wú)信號(hào)時(shí)，Ui=0，三極管BG截止，G0輸入端發(fā)光二極管無(wú)電流流過(guò)，不發(fā)光，G0輸出端的光敏元件無(wú)信號(hào)輸出，相當(dāng)于開(kāi)關(guān)常開(kāi)。當(dāng)輸入端有信號(hào)輸入，即Ui為高電平時(shí)，BG導(dǎo)通，G0內(nèi)的發(fā)光二極管被點(diǎn)亮，所產(chǎn)生的光照射到G0輸出端的光敏元件上，G0便有信號(hào)輸出。圖230（b）為常閉式光電開(kāi)關(guān)，當(dāng)BG基極無(wú)信號(hào)輸入時(shí)，即Ui=0，BG是截止的，電源Vcc通過(guò)電阻Rs為G0的輸入端提供電流，發(fā)光二極管所發(fā)出的光使G0的輸出端有信號(hào)輸出，相當(dāng)于開(kāi)關(guān)的閉合狀態(tài)。當(dāng)在BG基極加一個(gè)高電位信號(hào)，則BG導(dǎo)通，此時(shí)，相當(dāng)于將G0的輸入端短路，從而G0輸出端無(wú)信號(hào)輸