雙光控延時(shí)節(jié)電開關(guān)的設(shè)計(jì)與制作

雙光控延時(shí)節(jié)電開關(guān)的設(shè)計(jì)與制作摘 要 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們?cè)谙硎苤呖萍紟淼母哔|(zhì)量現(xiàn)代生活的同時(shí)，對(duì)于節(jié)約能源的問題給予越來越多的重視。近些年，照明控制手段在公共場(chǎng)所得到逐步提升,光控開關(guān)、聲光控開關(guān)、微波感應(yīng)開關(guān)和熱釋遠(yuǎn)紅外感應(yīng)開關(guān)等節(jié)能產(chǎn)品出現(xiàn)在日常生活中。其中，光控開關(guān)不易受環(huán)境噪聲影響而產(chǎn)生誤動(dòng)作，節(jié)能效果又很理想，省去了開燈、關(guān)燈的麻煩，將其作為街道、宿舍走廊或其它公共場(chǎng)所的照明燈，既節(jié)約用電，符合日熄夜亮的調(diào)節(jié)作用，亦可作為防盜報(bào)警以及光控節(jié)水開關(guān)之用，給人們的生活帶來了無比的方便，因而備受青睞。本論文介紹了照明電子開關(guān)的研究目的、意義、發(fā)展趨勢(shì)以及分類，并利用物理學(xué)、光電技術(shù)和電工電子學(xué)等知識(shí)，對(duì)光控開關(guān)進(jìn)行了研究。首先掌握相關(guān)元器件的主要性能參數(shù)、工作原理和光控開關(guān)的基礎(chǔ)知識(shí)，通過參數(shù)計(jì)算、電路調(diào)試、電路設(shè)計(jì)，自然光與紅外光雙光控延時(shí)節(jié)電開關(guān)就可以完成制作。雙光控延時(shí)節(jié)電開關(guān)節(jié)電效果明顯，適合于走廊、樓道等場(chǎng)合的照明，從而實(shí)現(xiàn)日熄夜亮的自動(dòng)控制。論文還對(duì)此開關(guān)的工作原理、元件選用、電路調(diào)試和結(jié)果作了闡述。 關(guān)鍵字：光控開關(guān) 結(jié)型光電器件 光生伏特效應(yīng) 半導(dǎo)體 The Design and Fabrication of Double Light-operated Switch with Delay and Energy SavingABSTRACTAlong with the development of science and technology, people give more and more attention on the problem of energy saving when they enjoy the high-quality modern lives brought by high technology. In recent years, the control instruments of lighting in public have been updated gradually. There are many energy-saving productions, for instance, acousto-optic controlled switch, light-operated switches, microwave sensors switches, pyroelectric far-infrared sensors switches and so on. Among of them, light-operated switches hardly make malfunction which is brought by the environment or the noise. At the same time, the energy-saving effects of them are very satisfactory and they also make us save the time for turn on and turn off the light. They are appropriate for lighting of streets, dormitory corridors and other public places. In addition, they have the function of turning off when its bright and turning on when its dark for saving electricity. They can also use as annunciator for alarm and light-operated switches for saving water. They catch the most intention of people for bringing convenience to lives. Consequently, they are in peoples good graces.In this dissertation, the purpose, meaning, development trends and classification of the electronic switch for lighting were introduced. With the knowledge of physics, photoelectric technology and electronics, the research on light-operated switch was done. Based on the basic knowledge of light-operated switch, the operating principle of the components and the main performance parameters, double light operated switch which is infrared light and natural light operated switch with delay and energy saving was fabricated through design electro-circuit, calculation parameters and debugging electro-circuit. This switch has autonomous control of the light in the corridors and other public occasions, to achieve the purpose of conservation of electricity. Moreover, the operating principle, component selecting, electro-circuit debugging and result on this switch were elaborated. Key words：Light-operated switch Semiconductor Photovoltaic effect Junction photo-conducting device 目 錄第一章 緒論- 1 -1.1照明電子開關(guān)研究目的與意義- 1 -1.2光控開關(guān)的簡(jiǎn)介- 1 -1.3本文主要研究工作- 1 -第二章 光控開關(guān)的基礎(chǔ)知識(shí)- 3 -2.1 半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)- 3 -2.1.1半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)56- 3 -2.1.2熱平衡態(tài)下的載流子- 4 -2.1.3非平衡態(tài)下的載流子- 5 -2.1.4載流子的輸運(yùn)擴(kuò)散與漂移- 6 -2.1.5半導(dǎo)體對(duì)光的吸收- 6 -2.2 半導(dǎo)體的光生伏特效應(yīng)68- 7 -2.2.1半導(dǎo)體P-N結(jié)- 7 -2.2.2 P-N結(jié)的電流電壓特性- 9 -2.2.3 P-N結(jié)光伏效應(yīng)- 9 -2.3 結(jié)型光電器件原理- 10 -2.3.1熱平衡態(tài)下的P-N結(jié)8- 10 -2.3.2光照下的P-N結(jié)- 11 -2.4 本章小結(jié)- 12 -第三章 光控開關(guān)的原理與制作- 13 -3.1光控開關(guān)中相關(guān)元器件的介紹- 13 -3.1.1光敏二極管- 13 -3.1.2光敏三極管- 14 -3.1.3發(fā)光二極管- 16 -3.2 光控開關(guān)的工作原理- 18 -3.3 光控開關(guān)的元件選用- 18 -3.4 電路調(diào)試及結(jié)果- 19 -3.5本章小結(jié)- 20 -第四章 總結(jié)與展望- 21 -4.1 工作總結(jié)- 21 -4.2 光控開關(guān)領(lǐng)域的展望- 21 -參考文獻(xiàn)- 23 -致 謝- 24 -天津理工大學(xué)2015屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書第一章 緒論1.1照明電子開關(guān)研究目的與意義 隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步和發(fā)展，人們的生活水平也隨之逐步提高,大家對(duì)于節(jié)約能源的問題也越來越重視。我國(guó)的住宅建筑設(shè)計(jì)規(guī)范中規(guī)定，除了部分高層住宅的電梯與應(yīng)急照明燈，其余均應(yīng)采用自熄開關(guān)。自熄開關(guān)既能節(jié)約能源，又可以改善人們的居住環(huán)境。如果照明用的是夜間長(zhǎng)明燈，每年的燈泡損耗費(fèi)用，更換燈泡等人工費(fèi)用，每個(gè)燈的年消耗近百元，這不僅會(huì)浪費(fèi)大量能源，還會(huì)由于頻繁更換燈泡導(dǎo)致維修工作量增加。采用自熄開關(guān)達(dá)到節(jié)能及方便文明的目的，才能從根本改變這一現(xiàn)象 1 。對(duì)于已出現(xiàn)的各式各樣自熄電子開關(guān)，在使用過程中，逐步凸顯了它的優(yōu)越性。自熄電子開關(guān)是一種照明電子開關(guān)，依據(jù)啟動(dòng)電子開關(guān)工作的方式, 照明電子開關(guān)可以歸納為接觸型和非接觸型。接觸型開關(guān)，顧名思義，就是啟動(dòng)開關(guān)時(shí)，需要按一下按鈕或觸摸傳感部件。此類開關(guān)本身具有很多弊端，因其安裝于公共場(chǎng)所，既不衛(wèi)生，又不安全，這使得接觸型開關(guān)逐步被淘汰。非接觸型開關(guān)本身帶有光控部件，晚間在傳感器的作用范圍內(nèi)，只要接受到人體信息，燈便照明。實(shí)際情況也很好說明開關(guān)類型正在由接觸性轉(zhuǎn)變?yōu)榉墙佑|型 2 。在人民生活水平不斷提高的當(dāng)今社會(huì)，在我們享受著高科技給我們帶來的高質(zhì)量現(xiàn)代生活的同時(shí)，節(jié)約能源是我們千萬不能忽視的問題。通過對(duì)照明電子開關(guān)的研究發(fā)現(xiàn)，光控開關(guān)就是這樣一種節(jié)能產(chǎn)品，它既很好地解決了能源節(jié)約的問題，又給人們的生活帶來了無比的方便。不僅如此，它還能推廣到其它的開關(guān)裝置（如水龍頭，從而大大節(jié)約水資源）以及防盜報(bào)警的裝置等。隨著人們對(duì)于節(jié)約能源的問題給予越來越多的重視，近年來，許多的節(jié)能產(chǎn)品越來越受到人們的青睞，所以光控延時(shí)節(jié)電開關(guān)會(huì)有很好的市場(chǎng)前景。1.2光控開關(guān)的簡(jiǎn)介光控開關(guān)，就是依靠光強(qiáng)度來控制的開關(guān)。它是一種內(nèi)無接觸點(diǎn)，帶自動(dòng)檢測(cè)亮度，采用光線的強(qiáng)弱來實(shí)現(xiàn)對(duì)用電器電源自動(dòng)控制的節(jié)能電子開關(guān)。光控開關(guān)的工作是根據(jù)其受到光亮度的大小控制可控硅的導(dǎo)通和阻斷，從而控制開關(guān)的“開”和“關(guān)”。目前，聲控或聲光雙控自動(dòng)照明燈開關(guān)在一些住宅小區(qū)中使用較多，但由于聲控開關(guān)易受環(huán)境噪聲影響產(chǎn)生錯(cuò)誤感應(yīng)，不能起到很好的節(jié)能效果。行人在夜間經(jīng)過樓道也會(huì)通過跺腳或拍手制造一些噪音，使開關(guān)工作。而光控開關(guān)則可以彌補(bǔ)這些不足之處，不但省去了開燈、關(guān)燈的麻煩，起到日熄夜亮的控制作用，以節(jié)約用電，更適合作為控制此類公共場(chǎng)所照明的開關(guān)4，還可作為防盜報(bào)警以及光控節(jié)水開關(guān)之用。1.3本文主要研究工作本畢業(yè)設(shè)計(jì)主要研究工作是在前期查閱大量的文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上，并通過相關(guān)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)際動(dòng)手進(jìn)行了光電開關(guān)實(shí)驗(yàn)，從而將自己在大學(xué)四年中學(xué)習(xí)的有關(guān)方面的理論知識(shí)進(jìn)一步鞏固，學(xué)會(huì)綜合運(yùn)用所學(xué)物理學(xué)、電工電子學(xué)和光電技術(shù)的知識(shí)。首先對(duì)光控開關(guān)所用的元器件進(jìn)行選擇，從而初步設(shè)計(jì)出雙光控延時(shí)節(jié)電開關(guān)的電路，并通過實(shí)際操作在面包板上連接出電路，經(jīng)過調(diào)試，對(duì)電路進(jìn)行多次修改，從而達(dá)到雙光控延時(shí)節(jié)電的目的。然后在由此制出的實(shí)際的電路，經(jīng)過調(diào)試，從而完成紅外光與自然光雙光控延時(shí)節(jié)電開關(guān)實(shí)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制作，達(dá)到所要的性能和指標(biāo)。通過這些實(shí)際操作，可以很好地把所學(xué)的理論知識(shí)用于實(shí)踐操作，通過實(shí)際的應(yīng)用，熟練掌握一些光電器件的工作原理、主要特性和用途，增強(qiáng)動(dòng)手能力，創(chuàng)新能力以及理論聯(lián)系實(shí)際的能力，培養(yǎng)自己如何處理好從發(fā)現(xiàn)問題、分析問題到解決問題這一系列的過程，為今后的實(shí)際工作以及進(jìn)一步的學(xué)習(xí)打下良好的基礎(chǔ)。- 2 -第二章 光控開關(guān)的基礎(chǔ)知識(shí) 光控開關(guān)所采用的元器件大多是由半導(dǎo)體材料制備的，因此，本章簡(jiǎn)述半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)，半導(dǎo)體的光生伏特效應(yīng)和結(jié)型光電器件的原理。2.1 半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)2.1.1半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)56 實(shí)際應(yīng)用的半導(dǎo)體材料大多為晶體，又有單晶與多晶之分。圖2.1 晶體實(shí)物圖Fig.2.1 The actual picture of crystal1. 半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)由于在半導(dǎo)體的晶體中有大量距離很近的原子聚集在一起，造成原子的各個(gè)殼層之間交疊。最外面的電子殼層交疊程度最深，內(nèi)層交疊程度則較輕，如圖2.2所示。電子有可能在整個(gè)晶體中運(yùn)動(dòng)即電子的共有化運(yùn)動(dòng)。圖2.2 電子共有化運(yùn)動(dòng)示意圖Fig.2.2 The schematic drawing of electronic communization movement本來處于同一能量狀態(tài)的電子通過電子共有化運(yùn)動(dòng)會(huì)發(fā)生了能量微小的差異。例如，組成晶體的N個(gè)原子在某一能級(jí)上的電子本來都具有相同的能量，現(xiàn)在它們由于處于共有化狀態(tài)而具有各自不盡相同的能量。如果一塊晶體中有N個(gè)原子，那么N個(gè)原子中每一個(gè)相同能級(jí)都分裂成為N個(gè)新的能級(jí)，這N個(gè)能級(jí)之間能量差異極小。一般N值很大，這N個(gè)能級(jí)就形成了有一定寬度的能帶。能帶示意圖如圖2.3所示。圖2.3 原子能級(jí)分裂成能帶示意圖Fig.2.3 The schematic drawing of atomic energy level splits energy band原子中每一個(gè)電子所在的能級(jí)都可在晶體中分裂成能帶。電子總是先占滿內(nèi)層能級(jí)所分裂的允帶，再占據(jù)能量更高的外一層允帶。滿帶上電子不導(dǎo)電，泡利不相容原理認(rèn)為，每個(gè)能級(jí)上能僅能容納兩個(gè)自旋方向相反的電子，若外加電場(chǎng)，這兩個(gè)自旋相反的電子受力方向也相反。2本征半導(dǎo)體與雜質(zhì)半導(dǎo)體(1)本征半導(dǎo)體：本征半導(dǎo)體是指結(jié)構(gòu)完整無晶格缺陷、純凈無摻雜的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體。例如純凈的硅稱為本征硅。 (2)雜質(zhì)半導(dǎo)體：圖2.4.1 圖2.4.2圖2.4.1 N型半導(dǎo)體，圖2.4.2 P型半導(dǎo)體圖2.4 雜質(zhì)硅的原子圖象和能帶圖Fig.2.4 The atomic image and energy band diagram of impurity silicon 2.1.2熱平衡態(tài)下的載流子在沒有其他外界作用的情況下，溫度固定的半導(dǎo)體通過熱激發(fā)產(chǎn)生自由電子和空穴。能量為E的能態(tài)，在某溫度下熱平衡態(tài)，被電子占據(jù)的概率可以由費(fèi)米-狄拉克函數(shù)給出，即 (2.1)圖2.5 費(fèi)米-狄拉克函數(shù)曲線Fig.2.5 Fermi - Di Lake function curvef(E)：費(fèi)米分布函數(shù)；k：波耳茲曼常數(shù)，1.3810-23J/K；T：絕對(duì)溫度；EF：費(fèi)米能級(jí)。常溫下EF隨材料摻雜程度而變化5。2.1.3非平衡態(tài)下的載流子在外界條件有變化時(shí)，半導(dǎo)體中載流子濃度也要隨之變化，系統(tǒng)狀態(tài)為非熱平衡態(tài)。這時(shí)載流子濃度與熱平衡狀態(tài)時(shí)濃度相比，所增加的量稱為非平衡載流子。1產(chǎn)生與復(fù)合 N型半導(dǎo)體在非平衡狀態(tài)下載流子濃度為： (2.2) (2.3) (2.4)nn和pn分別是N型半導(dǎo)體中多數(shù)載流子電子和少數(shù)載流子空穴的濃度；nn0和pn0分別是光照前一定溫度下熱平衡時(shí)電子和空穴的濃度；nn和pn分別是非平衡載流子電子和空穴的濃度。滿足 (2.5) (2.6)條件的注入稱為強(qiáng)光注入；滿足 (2.7) (2.8)條件的注入稱為弱光注入。2.1.4載流子的輸運(yùn)擴(kuò)散與漂移 晶體中電子的運(yùn)動(dòng)類似于氣體分子的熱運(yùn)動(dòng)。無外加電場(chǎng)時(shí)，電子做平均定向速度為零的無規(guī)則運(yùn)動(dòng)。下圖為光注入，非平衡載流子擴(kuò)散示意圖。圖2.6 光注入，非平衡載流子擴(kuò)散示意圖Fig.2.6 The schematic drawing of non-balance current carrier diffusion when the light pours in2.1.5半導(dǎo)體對(duì)光的吸收入射到半導(dǎo)體表面的光方式為垂直進(jìn)入到半導(dǎo)體，光強(qiáng)遵照吸收定律： (2.9)圖2.7 光垂直入射于半導(dǎo)體表面時(shí)發(fā)生反射與吸收Fig.2.7 The light happens reflection and absorption when it has a normal incidence in semiconductor surfaceIx：距離表面x遠(yuǎn)處的光強(qiáng)；I0：入射光強(qiáng)；r：材料表面的反射率；：材料吸收系數(shù)。1.本征吸收： 產(chǎn)生本征吸收的條件：即 (2.10) 從而有 (2.11) (2.12) h：普朗克常數(shù)；c：光速；0：材料的頻率閾值；0：材料的波長(zhǎng)閾值2.非本征吸收：雜質(zhì)吸收、自由載流子吸收、激子吸收和晶格吸收等都屬于非本征吸收。2.2 半導(dǎo)體的光生伏特效應(yīng)68 光生伏特效應(yīng)是一種簡(jiǎn)稱為光伏效應(yīng)的內(nèi)光電效應(yīng)，指由于光照使不均勻，使半導(dǎo)體或半導(dǎo)體與金屬不同組合部位之間產(chǎn)生電位差。2.2.1半導(dǎo)體P-N結(jié)如圖2.8所示。P-N結(jié)在半導(dǎo)體材料的交界處就形成。圖2.8 P-N結(jié)的原理結(jié)構(gòu)Fig.2.8 The principle structure of P-N junctionP-N結(jié)的能帶圖如圖2.9所示。費(fèi)米能級(jí)因在N型材料中電子濃度較高，位置亦較高?？昭舛仍赑型材料中較高，費(fèi)米能級(jí)位置較低。費(fèi)米能級(jí)在平衡時(shí)，應(yīng)在同一高度上。圖2.9 P-N結(jié)能帶Fig.2.9 The energy band of P-N junctionP-N結(jié)勢(shì)壘高度與摻雜程度密切相關(guān)。電子濃度在P區(qū)導(dǎo)帶中為 (2.13)同樣，n區(qū)內(nèi)的電子濃度為 (2.14)如上所述，平衡時(shí)P區(qū)和N區(qū)的費(fèi)米能級(jí)相等，即Efp=Efn= Ef。上兩式整理后可得 (2.15)其中qV0為勢(shì)壘高度，V0為電勢(shì)差。于是 (2.16)在室溫下，多數(shù)載流子的濃度等于雜質(zhì)濃度，即nn=Nd，pp=Na，且有np=ni2/Na，則式(2.16)也可改寫成 (2.17)由上式可見，P-N結(jié)兩邊的摻雜濃度愈高，P-N結(jié)的勢(shì)壘也愈大。P-N結(jié)兩邊少數(shù)載流子與多數(shù)載流子濃度之間的重要關(guān)系： (2.18)同理 (2.19)2.2.2 P-N結(jié)的電流電壓特性圖2.10 P-N結(jié)導(dǎo)電特性Fig.2.10 The conductivity of P-N junctionP-N結(jié)主要特性是整流效應(yīng)，即單向?qū)щ娦?，如圖2.10所示。2.2.3 P-N結(jié)光伏效應(yīng)P-N結(jié)光伏器件的結(jié)構(gòu)如圖2.11所示。圖2.11 P-N結(jié)光伏器件結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2.11 The structural diagram of the P-N junction photovoltaic devices在光照下流過P-N結(jié)的總電流為 (2.20)式中I0=LWJ0為反向飽和電流；LW為材料的截面積；Ip為光生電流。光電流在入射光的輻通量為時(shí)為 (2.21)式中，為量子效率。在短路(RL=0)情況下，V=0，得到短路電流為 (2.22)在開路(RL)情況下，I=0，開路電壓為 (2.23)從上式及式(2.21)可見，開路電壓與入射光輻通量?jī)烧叱蓪?duì)數(shù)關(guān)系。2.3 結(jié)型光電器件原理2.3.1熱平衡態(tài)下的P-N結(jié)81.P-N結(jié)的形成：圖2.12 熱平衡下P-N結(jié)模型及能帶圖Fig.2.12 The p-n junction model and its energy band diagram at the thermal equilibrium2.P-N結(jié)能帶與接觸電勢(shì)差：費(fèi)米能級(jí)在單獨(dú)存在勢(shì)壘高度等于N型、P型半導(dǎo)體時(shí)之差為： (2.24) 得 (2.25) 電子電量為q；接觸電勢(shì)差又稱為內(nèi)建電勢(shì)用UD表示。對(duì)于在耗盡區(qū)以外的狀態(tài)： (2.26) 受主、施主、本征載流子濃度分別用NA、ND、ni表示。 可見UD與摻雜濃度有關(guān)。2.3.2光照下的P-N結(jié)1.P-N結(jié)光電效應(yīng)： 圖2.13 光照下光電流的產(chǎn)生動(dòng)態(tài)圖Fig.2.13 The dynamic chart of photoelectric current production under illumination Ln+Lp=L遠(yuǎn)大于P-N結(jié)本身的寬度。2.光照下的P-N結(jié)電流方程： IpI0。此時(shí) (2.27) 令I(lǐng)p=SE，則 (2.28)3.開路電壓Uoc：上述電流方程中I=0時(shí)的U值： (2.29) (2.30)4.短路電流Isc：弱光照下，Isc與E有線性關(guān)系。圖2.14.1 圖2.14.2圖2.14.1無光照時(shí)熱平衡態(tài)；圖2.14.2穩(wěn)定光照下P-N結(jié)外電路開路；圖2.14.3 圖2.14.4圖2.14.3穩(wěn)定光照下P-N結(jié)外電路短路；圖2.14.4有光照有負(fù)載。圖2.14 不同狀態(tài)下P-N結(jié)的能帶圖Fig.2.14 The energy band diagram of P-N junction in different states2.4 本章小結(jié) 本章首先介紹了一下半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)，包括半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)、熱平衡態(tài)下的載流子、非平衡態(tài)下的載流子、載流子的輸運(yùn)擴(kuò)散與漂移和半導(dǎo)體對(duì)光的吸收，然后介紹了一下半導(dǎo)體的光生伏特效應(yīng)，使得對(duì)半導(dǎo)體P-N結(jié)、P-N結(jié)的電流電壓特性以及P-N結(jié)光伏效應(yīng)有一個(gè)了解。最后對(duì)結(jié)型光電器件原理作了一下簡(jiǎn)單介紹，由此對(duì)熱平衡態(tài)下的P-N結(jié)以及光照下的P-N結(jié)有了一個(gè)初步的了解，為下一章光控開關(guān)具體的設(shè)計(jì)與制作工作作了理論上的鋪墊。- 12 -第三章 光控開關(guān)的原理與制作本章簡(jiǎn)單介紹一下光控開關(guān)中的相關(guān)元器件，包括光敏二極管、光敏三極管以及它們之間的區(qū)別，然后敘述光控開關(guān)的工作原理與電路設(shè)計(jì)，并對(duì)其元件的選用也作了簡(jiǎn)單介紹，最后對(duì)電路的調(diào)試以及調(diào)試后的結(jié)果進(jìn)行闡述。3.1光控開關(guān)中相關(guān)元器件的介紹3.1.1光敏二極管光敏二極管是一種光電變換器件，是依據(jù)光照到PN結(jié)后產(chǎn)生的光電效應(yīng)原理（即將吸收的光轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽┒瞥傻模浞?hào)如圖3.1.2所示。它有兩種工作狀態(tài)： 圖3.1.1 圖3.1.2圖3.1.1型號(hào)為2CU2A的光敏二極管實(shí)物圖；圖3.1.2光敏二極管符號(hào)；VD1VD1圖3.1.3 圖3.1.4圖3.1.3典型偏置方式之一；圖3.1.4 典型偏置方式之二。圖3.1 光敏二極管的實(shí)物圖、符號(hào)以及其典型偏置方式11Fig.3.1 The actual picture,sign and its typical bias style of photosensitive diode第一種情況是有反向電壓加在光敏二極管上，光照強(qiáng)度對(duì)反向電壓的影響。無光照時(shí)為暗電流。第二種是沒有電壓加在光敏二極管上，光照對(duì)PN結(jié)產(chǎn)生正向電壓。流過光敏二極管的電流在有光照時(shí)為光電流光敏二極管從結(jié)構(gòu)來分，一般有2DU型和2CU型兩種。2DU型是帶有環(huán)極的，而一般常用的是2CU型，它是全密封、金屬外殼，頂端有玻璃，如圖3.1.1所示。 光敏二極管的管頂為PN結(jié)，是可以直接感應(yīng)光照的地方。如圖3.2所示為光敏二極管的簡(jiǎn)易結(jié)構(gòu)原理圖。圖3.2光敏二極管結(jié)構(gòu)原理圖Fig.3.2 The structure of photodiode 3.1.2光敏三極管如圖3.3為光敏三極管的結(jié)構(gòu)使用電路以及其等效電路，光敏三極管有兩個(gè)PN結(jié)，一般其基極無引線。一般情況下，光敏三極管引出電極數(shù)為兩個(gè)，它的光電特性顯示出非線性。圖3.3光敏三極管結(jié)構(gòu)原理圖Fig3.3 The structure of photoelectricity triode光敏三極管的電路圖形符號(hào)以及外形圖如圖3.4.1所示，光敏三極管的兩種典型偏置方式如圖3.4.2及3.4.2.圖3.4.1 圖3.4.2 圖3.4.3圖3.4.1 電路圖形符號(hào)以及外形；圖3.4.2光敏三極管的典型偏置方式之一；圖3.4.3光敏三極管的典型偏置方式之二；圖3.4.4 圖3.4.5圖3.4.4光敏三極管的基極接地；圖3.4.5 通過一個(gè)可調(diào)電阻接地。圖3.4 光敏三極管的實(shí)物圖、符號(hào)以及其典型偏置方式11Fig.3.4 The actual picture,sign and its typical bias style of the Phototransistor光敏三極管在輸出特性、測(cè)試方法、應(yīng)用電路有自己的特性；它也有比較重要的注意事項(xiàng)：在制作前要按照規(guī)定方法對(duì)其進(jìn)行測(cè)試，無論是紅外發(fā)射管還是接收管都要如此，目的是為了判別光敏二極管和光敏三極管，同時(shí)判斷它的好壞；制作方面還要注意周圍環(huán)境光太強(qiáng)導(dǎo)致放大電路輸出方面達(dá)到飽和而不可控，可以加入紅色的有機(jī)玻璃減輕影響。圖3.5顯示了照度與光電流的關(guān)系在硅光敏二極管和硅光敏三極管的區(qū)別。圖3.5硅光敏二極管（a）和硅光敏三極管（b）光電流與照度曲線Fig3.5 The photoelectric and illumination curve of photodiode（a）and photoelectricity transducer（b）3.1.3發(fā)光二極管核心為PN結(jié)，并由元素周期表中-族化合物GaAs（砷化鎵）、GaP（磷化鎵）、GaAsP（磷砷化鎵）等半導(dǎo)體制成的為發(fā)光二極管。發(fā)光原理圖如圖3.6所示圖3.6 LED發(fā)光原理Fig.3.6 The luminescence principle of light emitting diode除發(fā)光特性外，它還具有正向?qū)?，反向截止、擊穿的特性。光譜特性如圖3.7所示。圖3.7 LED光譜特性Fig.3.7 The spectral character of light emitting diode發(fā)光二極管也有其主要特性：允許功耗Pm 、大正向直流電流IFm 、最大反向電壓VRm 、工作環(huán)境topm等為極限參數(shù)方面的特性；光譜分布和峰值波長(zhǎng)、發(fā)光強(qiáng)度IV 、光譜半寬度 、.半值角1/2和視角、正向工作電流If 、正向工作電壓VF 、V-I特性等是電參數(shù)方面的特性。圖3.8給出不同封裝窗口的LED的角分布曲線。圖3.8 不同封裝窗口的LED的角分布曲線Fig.3.8 The angle distribution curve of LED at different packaging window圖3.9為發(fā)光二極管的電壓與電流的關(guān)系。圖3.9 發(fā)光二極管的電壓與電流的關(guān)系Fig.3.9 The relationship of voltage and current of light-emitting diode3.2 光控開關(guān)的工作原理 基于對(duì)樓道、走廊等場(chǎng)合的照明燈實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的目的，使其在白天照明燈都不會(huì)點(diǎn)亮；如果有任何物體或人在夜晚經(jīng)過時(shí)，照明燈就會(huì)自動(dòng)點(diǎn)亮并延時(shí)一段時(shí)間后熄滅。根據(jù)光控開關(guān)的基礎(chǔ)知識(shí)以及相關(guān)元器件的原理，從而設(shè)計(jì)出一個(gè)紅外線與自然光雙光控延時(shí)節(jié)電開關(guān)的電路，其電路原理圖如圖3.10所示。圖3.10 雙光控延時(shí)節(jié)電開關(guān)原理圖Fig.3.10 The schematic diagram of double light-operated and delayed energy-saving switch3.3 光控開關(guān)的元件選用 若是控制距離在5m 以下，光敏二極管VD1可選用小功率紅外線發(fā)光二極管HG410系列。若是控制距離達(dá)幾十米，可選用大功率紅外線發(fā)光二極管HG520系列。光敏三極管VT1和VT3用3DU31或3DU5。VT2和VT4用9014小功率硅管，在80120之間均可。時(shí)基電路555用國(guó)產(chǎn)SL555或5GI555，也可用進(jìn)口NE555等。燈泡L1選用紅色發(fā)光二極管。電阻選用1/2W和1/4W的小功率電阻即可，阻值大小參照原理圖中的標(biāo)注。電解電容選用10F。3.4 電路調(diào)試及結(jié)果1.準(zhǔn)備工作：首先，由于加工少量PC板價(jià)格較高，所以一開始采用普通面包板來連接電路，這樣既簡(jiǎn)單實(shí)用又易改動(dòng)。按照?qǐng)D3.10，在面包板上接出電路。連接時(shí)必須注意面包板背面的跳線，即哪幾個(gè)點(diǎn)是焊接在一起的，哪幾個(gè)點(diǎn)是沒有焊接在一起的，否則連接的電路就會(huì)出現(xiàn)問題。另外還要注意考慮每一個(gè)元器件在面包板上的布局，盡量做到所用導(dǎo)線數(shù)量合理，連接的電路簡(jiǎn)單明了，以便于接下來電路的檢查。連接完后，仔細(xì)對(duì)照原理圖檢查電路的連接是否正確。注意調(diào)整紅外線發(fā)光二極管VD1與光敏三極管VT1，使其對(duì)準(zhǔn)。制作一個(gè)小帽，模擬黑夜，當(dāng)把小帽蓋在光敏三極管VT3上時(shí)表示夜晚，當(dāng)把小帽揭開時(shí)表示白天。在紅外線發(fā)光二極管VD1與光敏三極管VT1之間使用一個(gè)遮擋物，當(dāng)遮住時(shí)表示有人通過光控開關(guān)，從而把VD1擋??；當(dāng)不遮住時(shí)表示沒人通過光控開關(guān)，此時(shí)VD1發(fā)出紅外光照射在光敏三極管VT1上。發(fā)現(xiàn)電路連接無誤后，便可以在電路的電源端接上5V的電源，注意正負(fù)極不要接反。2.第一次調(diào)試、結(jié)果和原因分析：參照原理圖對(duì)電路進(jìn)行檢查后，接上5V的電源。發(fā)現(xiàn)無論怎樣，燈泡L1都不亮。于是切斷電源，仔細(xì)對(duì)電路作進(jìn)一步的檢查，并用萬用表逐點(diǎn)檢測(cè)。發(fā)現(xiàn)晶體三極管、光敏三極管的c、e極在電路中的接法可能有誤。于是按照晶體三極管、光敏三極管c、e極檢測(cè)方法，用萬用表對(duì)它們進(jìn)行逐一的檢測(cè)，從而分清它們的哪端接電源的正極，哪端接電源的負(fù)極。然后按照正確的極性將它們接入電路中，并再次對(duì)整個(gè)電路仔細(xì)檢查一遍。3.第二次調(diào)試、結(jié)果和原因分析：檢查電路后，再次在電路的電源端接上5V的電源，發(fā)現(xiàn)此次燈泡雖然亮卻并不符合電路應(yīng)有的情況，并且發(fā)現(xiàn)光敏三極管的金屬外殼和頂端玻璃出現(xiàn)了裂痕。于是切斷電源，分析電路，認(rèn)為是因?yàn)楣饷羧龢O管的破裂而造成的燈泡的非正常點(diǎn)亮。然后重新?lián)Q上一個(gè)完好的光敏三極管。4.第三次調(diào)試、結(jié)果和原因分析：再次在電檢查完電路后路的電源端接上5V的電源，發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)了相同的情況，光敏三極管還是在金屬外殼和頂端玻璃處出現(xiàn)了裂痕。于是切斷電源，通過上網(wǎng)查閱資料可知，光敏三極管可能是由于光照太強(qiáng)，于是造成光電流太大，從而達(dá)到了反向擊穿電壓，所以光敏三極管被擊穿，出現(xiàn)裂痕。于是重新?lián)Q上一個(gè)完好的光敏三極管，并在其上蓋上一個(gè)小帽。5.第四次調(diào)試、結(jié)果和原因分析：再次檢查電路，然后在電路的電源端接上5V的電源。觀察燈泡的亮暗情況，同時(shí)用萬用電表測(cè)出不同狀態(tài)下555電路各管腳的情況，發(fā)現(xiàn)無論小帽是否蓋住光敏三極管，當(dāng)紅外線發(fā)光二極管VD1與光敏三極管VT1之間用遮擋物遮住時(shí)，2腳為低電平，3腳為高電平，4腳為高電平，燈泡不亮；把遮擋物拿開時(shí)，2腳為高電平，3腳為低電平，4腳為高電平，燈泡就亮。此結(jié)果與光控開關(guān)電路應(yīng)有的情況不符，于是切斷電源，分析電路。由工作原理可知VT4處于截止?fàn)顟B(tài)，4腳為高電平；VT4有較大的偏流而導(dǎo)通時(shí)，4腳為低電平，因?yàn)?腳總保持高電平，所以可以判斷VT4總處于截止?fàn)顟B(tài)，應(yīng)該是VT4出了問題。于是重新?lián)Q上一個(gè)三極管VT4。 6.第五次調(diào)試、結(jié)果和原因分析：檢查電路后，再次在電路的電源端接上5V的電源，觀察燈泡的亮暗情況，同時(shí)用萬用電表測(cè)出不同狀態(tài)下555電路各管腳的情況，發(fā)現(xiàn)當(dāng)不用小帽蓋住光敏三極管時(shí)，無論紅外線發(fā)光二極管VD1與光敏三極管VT1之間是否有遮擋物遮住，2腳為高電平，3腳為低電平，4腳為低電平，燈泡不亮；當(dāng)用小帽蓋住光敏三極管時(shí)，若紅外線發(fā)光二極管VD1與光敏三極管VT1之間沒有遮擋物遮住，2腳為高電平，3腳為低電平，4腳為高電平，燈泡不亮，若有遮擋物遮住，2腳為低電平，3腳為高電平，4腳為高電平，燈泡點(diǎn)亮。此結(jié)果與光控開關(guān)電路的工作原理相符。最后，在根據(jù)此光控開關(guān)原理圖制成的印刷板電路上接出電路，通過調(diào)試發(fā)現(xiàn)：當(dāng)不用小帽蓋住光敏三極管時(shí)，無論紅外線發(fā)光二極管VD1與光敏三極管VT1之間是否有遮擋物遮住，燈泡L1均不亮；當(dāng)用小帽蓋住光敏三極管時(shí)，若紅外線發(fā)光二極管VD1與光敏三極管VT1之間沒有遮擋物遮住，則燈泡L1不亮，若有遮擋物遮住，則燈泡L1點(diǎn)亮，即成功地實(shí)現(xiàn)了一開始電路所要達(dá)到的目的。3.5本章小結(jié)在本章中首先簡(jiǎn)單介紹了一下光控開關(guān)中相關(guān)的元器件，包括光敏二極管、光敏三極管、發(fā)光二極管，然后詳細(xì)講述了所設(shè)計(jì)光控開關(guān)的工作原理并給出了其原理圖，接著說明了此光控開關(guān)選用的元器件，最后敘述了對(duì)電路的多次調(diào)試，包括每次如何進(jìn)行調(diào)試、調(diào)試的結(jié)果、對(duì)結(jié)果的分析和根據(jù)結(jié)果對(duì)電路所作的改進(jìn)或是解決辦法，最終成功地實(shí)現(xiàn)了一開始電路所要達(dá)到的目的。- 24 -第四章 總結(jié)與展望4.1 工作總結(jié) 本文在介紹了照明電子開關(guān)發(fā)展趨勢(shì)以及分類的基礎(chǔ)上，對(duì)其中的一種開關(guān)光控開關(guān)作了分析和研究。通過查閱大量文獻(xiàn)，從而了解了許多光控開關(guān)的基礎(chǔ)知識(shí)，同時(shí)對(duì)光控開關(guān)相關(guān)元器件的工作原理與主要特性有了一定的掌握，進(jìn)而為了對(duì)樓道、走廊等場(chǎng)合的照明燈實(shí)現(xiàn)日熄夜亮的自動(dòng)控制，以達(dá)到節(jié)約用電的目的，利用這些已掌握的物理學(xué)、電工電子學(xué)和光電技術(shù)的知識(shí)，設(shè)計(jì)了紅外光與自然光雙光控延時(shí)節(jié)電開關(guān)。本文所作的工作集中在以下幾個(gè)方面： 1調(diào)查研究照明電子開關(guān)，尤其是光控開關(guān)方面的內(nèi)容，對(duì)其進(jìn)行了詳細(xì)的分析，查閱 了大量的相關(guān)文獻(xiàn)，選擇了雙光控延時(shí)節(jié)電開關(guān)作為本文的研究對(duì)象。2通過研究光控開關(guān)的基礎(chǔ)知識(shí)，進(jìn)而了解了半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)，半導(dǎo)體的光生伏特效 應(yīng)以及結(jié)型光電器件的原理。3通過相關(guān)的實(shí)驗(yàn)和文獻(xiàn)資料，對(duì)光控開關(guān)中相關(guān)結(jié)型光電器件以及555時(shí)基集成電路的工作原理與主要特性有了一定的了解。4基于對(duì)樓道、走廊等場(chǎng)合的照明燈實(shí)現(xiàn)日熄夜亮自動(dòng)控制的目的，借助已掌握的這些原理和知識(shí)，設(shè)計(jì)了雙光控延時(shí)節(jié)電開關(guān)的電路。5對(duì)接出的電路進(jìn)行反復(fù)的調(diào)試，并對(duì)每次的調(diào)試結(jié)果作出分析及解決方法，對(duì)設(shè)計(jì)的電路作出相應(yīng)的改進(jìn)。6通過所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)，找出其能應(yīng)用的領(lǐng)域，分析出其應(yīng)用于實(shí)際的可能性，為以后制備實(shí)際器件做準(zhǔn)備。在電路的設(shè)計(jì)、連接和調(diào)試過程的中，遇到了很多之前沒有考慮到的問題，比如結(jié)型光電器件接入電路時(shí)沒有考慮到正負(fù)極；光敏三極管沒有蓋一個(gè)小帽使得接受的光照太強(qiáng)電流太大而被擊穿。不過，這些問題最后還是一一解決了，這使我了解到在以后的研究以及分析問題中要全面考慮所要面對(duì)的問題，使設(shè)計(jì)做得更完善，更準(zhǔn)確。4.2 光控開關(guān)領(lǐng)域的展望本文設(shè)計(jì)的這種紅外光與自然光雙光控延時(shí)節(jié)電開關(guān)，不僅可對(duì)樓道、走廊等公共場(chǎng)合的照明燈實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，還可作為防盜報(bào)警以及光控節(jié)水開關(guān)之用。下面就對(duì)光控開關(guān)在這些方面的應(yīng)用作一下簡(jiǎn)單的介紹。 當(dāng)作為防盜報(bào)警和節(jié)水開關(guān)使用時(shí)，圖3.10中的光敏三極管VT3不接入電路即可。由于紅外光為非可見光，它具有良好的隱蔽性，作防盜報(bào)警用非常臺(tái)適。圖3.10中的發(fā)