光敏Z-元件组成的三端式光传感器

2、光敏Z-元件伏安曲线的光敏特性

在测验光敏Z-元件的光敏特性时，选用不同波长的光源会有较大的差异。咱们运用的光源是波长为600nm左右的光源，经丈量，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随照度的添加而增大。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，元件发生电动势（光电池、光电二极管有杰出的光伏特性），当把电阻与电流表串联接到该光敏元件的正、负极上，电流表中有电流发生，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、典型作业电路

    光敏Z-元件与温敏Z-元件仅从伏安特性的走势上看，很难被加以区别。仅有的方法是从外观上调查，温敏Z-元件的管芯外包封的是不通明的树脂，而光敏Z-元件管芯外包封的是通明的树脂。因为光敏和温敏Z-元件具有类似的伏安特性，光敏Z-元件的典型作业电路、解析图和信号波形图等都与温敏Z-元件的相同。

    光敏Z-元件的典型作业电路[4]有三种：

（1）光敏Z-元件的正向运用，此刻输出开关信号。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交换方位，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-元件的反向运用，此刻输出模拟信号。

（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两头并联一只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；一起，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）由光接纳电路、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组成光接纳输入级，光源可所以波长规模450nm～900nm中的任何一种。C1的效果是避免开机时电源电压的冲击，使Z-元件进入低阻饱满导通M3区作业，它也可以不必。挑选负载电阻RL则确保Z-元件在运用温度规模内，安稳作业在高阻的M1区。一般使E≤Vth，并调理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，因为该电桥参加了惯性电子元件C2，当无光照时，VBC=S+15(mV)，电阻R1可以依据下式核算：

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

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

虽然Z-元件有必定的温漂，即VA随T（℃）而改变，可是环境的温度改变极为缓慢，一般它的改变率dT（℃）/dt≤0.5℃/min，这样的温度改变率，相当于VA具有±（0.5mV～1mV）/S的温漂。参加C2后，VB电压改变的时刻常数τ≈RC2，该点电压即VB安稳所需的时刻t≈5τ=5RC=5（s）。这就表明，因为选用了具有惯性元件的补偿电桥，不论环境温度是上升仍是下降，始终坚持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）。因为C点无惯性元件，B点有惯性元件，光照开端t=0后的一段时刻内，VC＞VB，使比较器输出一个高电平VO= VOH；当B点充电完毕后，Z-元件依然回到稳态，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，每遭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型光电开关由光接纳电路、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纳输入级。因为咱们要下降输入级功耗，所以光敏Z-元件作业在反向状况，此状况下的常温电流为2mA～12mA。这样，一方面下降了功耗，一起Z-元件反向作业的光灵敏度SR[mv/lx]也比正向光灵敏度高。反向作业时输出阻抗可高达几兆欧甚至十几兆欧，为了完成前后级的阻抗匹配，选用一级微功耗由运放构成的跟从器，跟从器的输出VA加到图3（a）的A点，用以替代由Z-元件、RL和C1构成的无温漂光电接纳的输入级，比较器、跟从器为一只微功耗双运放MAX4471，这样即构成了一个完好的低功耗MG-2型光电开关电路。该光电开关相同具有主动温漂补偿功用，无光照与有光照的作业进程及输出信号的波形图，均与MG-1的剖析相同。

3、高灵敏度MG-3型光电开关
    MG-3型光电开关由光接纳输入级、温度补偿电桥和比较器三部分组成。为了进步灵敏度，利用了光敏Z-元件Vth参数对光灵敏度高的特色，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不只对光照的灵敏度很高，一起对温度也灵敏，而Vth值就等于锯齿波Vf的幅值Vp，所以Vp就会跟着温度的改变而发生漂移。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，这儿选用由运放构成的跟从式检波器电路，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，用以替代图3（a）中光敏Z-元件正向作业的光电接纳级，就构成了MG-3型光电开关的完好电路。此电路的Sth灵敏度为负，因此，跟从式检波器的输出VA也是一个光灵敏度为负的直流电平。一起，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的核算仍可用（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、运用示例

    1、光电报警器

    该光电报警器是遮光型防侵略光电报警器。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。作业进程是这样的：信号源使发光管宣布光脉冲，脉宽为 0.2ms、频率为100Hz。这个接连的脉冲光照在MG-2的光敏Z-元件上，输出100Hz的正脉冲。在接连正脉冲的效果下， V1向C充电，充电的时刻为0.2ms，充电的间隔时刻为10ms，每次充电后，C上的电压uC都挨近电源电压6V；在充电后的9.8ms后，电容器经过R1和MG-2的输出进行放电。因为充电时刻常数小，放电时刻常数大，关于反相器D1的输入而言，uC便是它的输入电压。在正常接连光脉冲的效果下，总是输入高电平，反相器输出为低电平VOL，可控硅不被触发，不宣布声光报警信号。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，然后放电，直至 uC→UOL时，反相器D1便输出高电平，V2被触发导通，然后HL、HA得电，宣布声、光报警信号。

    2、电机稳速操控器

    有些电子部件或游乐设备对电动机转速的安稳性要求较高，大都设置了转速操控电路。电机稳速操控器便是其间一种。

    图7是电机稳速操控器框图。它包含信号源，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，安装着可以反射光的黑、白（亮光）相间条格的光盘，白条是反光的，黑条不反光。信号源使发光管宣布光，因为光盘上白条的反光效果，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，当超出答应的转速差错规模就发送操控指令，送给数控电源，调理电机电压VM，使转速从头回到设定答应的差错规模内。

    3、光电式安全操控器

    一些机械类出产和加工设备及机电一体化的设备常有高温、高压、密封防走漏等特色，并有很多的机械运动，为了操作者的安全，往往要采纳一些机械的或光电类的安全连锁电路，使得在不停机、不停电就会发生不安全要素或结果时，主动停机并宣布毛病信号，然后确保了设备和人身的安全。

    图8是光电式安全操控器的电路构成。

它由信号源、MG-3型光电开关、延时（YS）电路、毛病显现和终端操控电路组成。其作业进程是这样的：信号源驱动红外发光二极管宣布1000Hz的光脉冲，脉宽占空比为1:1。MG-3光电传感器接纳到光脉冲后，其输出信号VO也是1000Hz的脉冲信号。该接连的脉冲信号效果到延时（YS）电路后，输出信号VY始终坚持低电平VY=VOL≤0.1V，因此可控硅V3截止，没有声、光报警信号发生。固态继电器SSR则直流侧没有电流，沟通侧截止，使沟通接触器K不吸合，其常开触头K-1和常闭触头K-2坚持原态，运转的机械设备持续正常作业。一般光源与光敏Z-元件之间是被维护的作业空间，光路不被遮挡。当有不行进入光路中的任何异物（被维护的目标）进入光路后，光源所宣布的光脉冲因为异物的遮挡，使MG-3的输出信号VO发生丢掉。延时环节YS可在丢掉5～7个脉冲后，使其输出电压VY由低电平VOL变为高电平VOH ,高电平经过限流电阻R触发V3使其导通，沟通接触器K吸合。这时常开触头K-1闭合，接通刹车电磁铁敏捷刹车，常闭触头K-2断开，使运动部件主轴失电不能运动，然后完成了维护功用。而去除光路中的异物即可从头开机。

六、完毕语

    光是一个重要的物理量。跟着科学技能的不断进步，光的发生、检测和操控等技能正在快速开展。

    光敏Z-元件作为一种光的灵敏元件，以其较高的性价比、低漂移、低功耗、高灵敏度、长寿命等特色引起了人们的重视，而根据这种元件的三端（或一线）式光传感器已广泛的运用于各行业，完成了报警、检测、主动操控和安全维护多项功用。信任伴跟着制造工艺的进一步老练，光敏Z-元件必定会发挥更大的效果。