《傳感器與檢測(cè)技術(shù)》課件-5.1-5 光電池原理及應(yīng)用

光電池原理及應(yīng)用01光電池02光電池的工作特性

03光電池的測(cè)量電路目錄

一、光電池

光電池的工作原理基于光生伏特效應(yīng)，能將入射光能量轉(zhuǎn)換成電壓和電流。它的制作材料種類很多，如硅、砷化鎵、硒、鍺、硫化錫等，其中應(yīng)用最廣泛的是硅光電池。

硅光電池性能穩(wěn)定、光譜范圍寬、頻率特性好、轉(zhuǎn)換效率高且價(jià)格便宜。從能量轉(zhuǎn)換角度來(lái)看，光電池是作為輸出電能的器件而工作的。例如人造衛(wèi)星上就安裝有展開(kāi)達(dá)十幾米長(zhǎng)的太陽(yáng)能光電池板。從信號(hào)檢測(cè)角度來(lái)看，光電池作為一種自發(fā)電型的光電傳感器，可用于檢測(cè)光的強(qiáng)弱以及能引起光強(qiáng)變化的其他非電量。1.結(jié)構(gòu)及工作原理圖5-14光電池結(jié)構(gòu)和符號(hào)

一、光電池

硅光電池是在N型硅片襯底上制造一薄層P型層作為光照敏感面，形成一個(gè)大面積的PN結(jié)，如圖5-14所示。P型層做得很薄，從而使光線能穿透到PN結(jié)上。當(dāng)光照能量足夠大時(shí)，就將在PN結(jié)附近激發(fā)產(chǎn)生電子-一空穴對(duì)，這種由光激發(fā)生成的電子—空穴對(duì)稱為光生載流子。圖5-14光電池結(jié)構(gòu)和符號(hào)

一、光電池

它們?cè)诮Y(jié)電場(chǎng)的作用下，電子被推向N區(qū)，而空穴被拉向P區(qū)。這種推拉作用的結(jié)果，使得N區(qū)積累了多余電子而形成為光電池的負(fù)極，而P區(qū)因積累了空穴而成為光電池的正極，因而兩電極之間便有了電位差，這就是光生伏特效應(yīng)。1.結(jié)構(gòu)及工作原理光敏面2.光電池的外形一、光電池

圖能提供較大電流的大面積光電池外形2.光電池的外形

一、光電池光電池在人造衛(wèi)星上的應(yīng)用

一、光電池圖5-15所示為硒、硅、鍺光電池的光譜特性，從曲線上可以看出，它們的光譜峰值位置是不同的，而且光譜響應(yīng)波長(zhǎng)范圍也不一樣，硅光電池的響應(yīng)波長(zhǎng)范圍約在0.45~1.4μm之間而硒光電池的響應(yīng)波長(zhǎng)范圍約在0.34~07μm之間1.光譜特性

二、光電池的工作特性圖5-15光譜特性

目前已生產(chǎn)出峰值波長(zhǎng)為0.64μm（可見(jiàn)光）的硅光電池，在紫光(0.4μm）附近仍有65％～70％的相對(duì)靈敏度，這大大擴(kuò)展了硅光電池的應(yīng)用領(lǐng)域。硒光電池和鍺光電池由于穩(wěn)定性較差，目前應(yīng)用較少。1.光譜特性圖5-15光譜特性

二、光電池的工作特性

硅光電池的負(fù)載不同，特性也不同。圖5-16所示為負(fù)載在兩種極端情況下的特性曲線。光電池負(fù)載開(kāi)路時(shí)的開(kāi)路電壓與光照度的關(guān)系曲線，顯然呈非線性關(guān)系，近似于對(duì)數(shù)關(guān)系，起始電壓上升很快，在2000lx以上便趨于飽和。2.光照特性圖5-16光電池光照特性

二、光電池的工作特性

當(dāng)負(fù)載短路時(shí)，短路電流與光照度的關(guān)系曲線為線性關(guān)系。

但隨著負(fù)載電阻的增加，這種線性關(guān)系將變差。

因此，當(dāng)測(cè)量與光照度成正比的其他非電量時(shí)，應(yīng)把光電池作為電流源來(lái)使用，當(dāng)被測(cè)量是開(kāi)關(guān)量時(shí)，可把光電池作為電壓源來(lái)使用。2.光照特性圖5-16光電池光照特性

二、光電池的工作特性

頻率特性是描述入射光的調(diào)制頻率與光電池輸出電流間的關(guān)系。由于光電池受照射產(chǎn)生電子-空穴對(duì)需要一定的時(shí)間，因此當(dāng)入射光的調(diào)制頻率太高時(shí)，光電池輸出的光電流將下降。硅光電池的面積越小，PN結(jié)的極間電容也越小，頻率響應(yīng)就越好，硅光電池的頻率響應(yīng)可達(dá)數(shù)十千赫茲至數(shù)兆赫茲，硒光電池的頻率特性較差，目前已較少使用。3.頻率特性

二、光電池的工作特性

溫度特性是描述光電池的開(kāi)路電壓UO和短路電流Isc隨溫度變化的特性。從圖5-17中可以看出，開(kāi)路電壓隨溫度增加而下降的速度較快，電壓溫度系數(shù)約為－2mV/℃。而短路電流隨溫度上升而緩慢增加，溫度系數(shù)較小。當(dāng)光電池作為檢測(cè)元件時(shí)，應(yīng)考慮溫度漂移的影響，采取相應(yīng)措施進(jìn)行補(bǔ)償。4.溫度特性圖5-17光電池溫度特性

二、光電池的工作特性

利用半導(dǎo)體硅光電池的光電開(kāi)關(guān)電路如圖5-22所示。由于光電池即使在強(qiáng)光下最大輸出電壓也僅0.6V，不足以使VT1管有較大電流輸出，故將硅光電池接于VT1管基極，再用二極管2AP產(chǎn)生正向0.3V，二者電壓迭加使VT1管的e、b極間電壓大于0.7V而使VT1管能導(dǎo)通。

三、光電池的測(cè)量電路圖5-22光電池控制開(kāi)關(guān)電路

三、光電池的測(cè)量電路

圖中，電阻R與光敏電阻RG、電位器RP1和RP2組成分壓電路。在夜晚無(wú)光照射時(shí)，RG的電阻值較高，其上面的壓降較大，所以輸入到晶體管VT1的基極電流較大，VT1導(dǎo)通，VT2也隨之導(dǎo)通。圖5-22光電池控制開(kāi)關(guān)電路

該基極電流經(jīng)VT1和VT2放大后，由VT2的集電極輸出一部分經(jīng)電容C耦合到VT1的基極形成正反饋，滿足了電路的振蕩條件。由于C的容量較大，故振蕩頻率很低，VT2把放大了的振蕩信號(hào)以脈沖電流形式輸送給信號(hào)燈H，它就一閃一閃地發(fā)光。

三、光電池的測(cè)量電路圖5-22光電池控制開(kāi)關(guān)電路

在白天有光照射時(shí)RG內(nèi)阻下降，因此經(jīng)R流入VT1的基極電流，因分流，電流大為減少，使VT1由導(dǎo)通變?yōu)榻刂?，同時(shí)VT2也截止，信號(hào)燈熄滅。這時(shí)，硅光電池組由于有光照射，產(chǎn)生較高的電壓，并向蓄電池充電。

三、光電池的測(cè)量電路圖5-22光電池控制開(kāi)關(guān)電路

調(diào)整R、C可改變閃光頻率和亮滅時(shí)間比。由于RP1是和RG并聯(lián)后又與RP2串聯(lián)，所以，調(diào)節(jié)電位器RP1和RP2的阻值