光传感器

光传感器是一种光电设备，能够将光能（光子）——无论是可见光还是红外光——转换为电信号（电子）。

光传感器通过测量存在于非常狭窄频率范围内的辐射能量来生成表示光强度的输出信号，这个频率范围基本上被称为“光”，其频率范围从“红外”到“可见光”再到“紫外”光谱。

光传感器是一种被动设备，它将这种“光能”——无论是可见光还是红外光——转换为电信号输出。光传感器通常被称为“光电设备”或“光传感器”，因为它们将光能（光子）转换为电能（电子）。

光电设备可以分为两大类：一类是在光照下产生电能的设备，如光伏电池或光发射器等；另一类是以某种方式改变其电学特性的设备，如光敏电阻或光电导体。

光传感器的分类

• 光发射电池——这些光电器件在受到足够能量的光子照射时，会从光敏材料（如铯）中释放自由电子。光子所具有的能量取决于光的频率，频率越高，光子能量越大，从而将光能转换为电能。

• 光电导电池——这些光电器件在受到光照时，其电阻会发生变化。光电导性是由光照射到半导体材料上引起的，该材料控制通过它的电流。因此，在给定电压下，更多的光会增加电流。最常见的光电导材料是用于LDR光电池的硫化镉。

• 光伏电池——这些光电器件根据接收到的辐射光能产生电动势，其效果与光电导性相似。光能照射到夹在一起的两个半导体材料上，产生大约0.5V的电压。最常见的光伏材料是用于太阳能电池的硒。

• 光结器件——这些光电器件主要是真正的半导体器件，如光电二极管或光电晶体管，它们利用光来控制电子和空穴通过其PN结的流动。光结器件专门设计用于检测应用和光穿透，其光谱响应调谐到入射光的波长。

光电导电池作为光传感器

光电导光传感器不产生电能，而是在受到光能照射时简单地改变其物理特性。最常见的光电导器件是光敏电阻，它根据光强度的变化改变其电阻。

光敏电阻是使用光能来控制电子流动的半导体器件，从而控制通过它们的电流。常用的光电导电池称为光敏电阻或LDR。

光敏电阻（LDR）

顾名思义，光敏电阻（LDR）由一块暴露的半导体材料（如硫化镉）制成，当光照射到它时，其电阻从几千欧姆（在黑暗中）下降到几百欧姆，通过在材料中产生空穴-电子对

净效应是随着光照强度的增加，导电性提高，电阻降低。此外，光敏电阻的响应时间较长，需要几秒钟才能响应光强度的变化。

用作半导体衬底的材料包括硫化铅（PbS）、硒化铅（PbSe）、锑化铟（InSb），它们检测红外范围的光，而最常用的光敏电阻光传感器是硫化镉（Cds）。

硫化镉用于制造光电导电池，因为其光谱响应曲线与人类眼睛的光谱响应曲线非常匹配，甚至可以简单地使用手电筒作为光源来控制。通常，它在可见光谱范围内的峰值灵敏度波长（λp）约为560nm至600nm。

光敏电阻电池

最常用的光敏电阻光传感器是ORP12硫化镉光电导电池。这种光敏电阻的光谱响应约为610nm，位于黄到橙光区域。当未受光照时（暗电阻），电池的电阻非常高，约为10MΩ，而在完全光照下（亮电阻），电阻下降到约100Ω。

为了增加暗电阻并因此减少暗电流，电阻路径在陶瓷衬底上形成锯齿形图案。CdS光电池是一种非常低成本的设备，常用于自动调光、黑暗或黄昏检测，用于打开和关闭路灯，以及用于摄影曝光计类型的应用。

将光敏电阻与标准电阻串联连接在单个直流电源电压上有一个主要优点，即在不同光照水平下，它们的连接处会出现不同的电压。

串联电阻R2上的电压降由光敏电阻RLDR的电阻值决定。这种产生不同电压的能力产生了一个非常方便的电路，称为“电位分压器”或电压分压网络。

我们知道，串联电路中的电流是相同的，当LDR由于光强度变化而改变其电阻值时，VOUT处的电压将由分压公式决定。LDR的电阻RLDR可以在阳光下从约100Ω变化到绝对黑暗中的超过10MΩ，这种电阻变化被转换为VOUT处的电压变化，如图所示。

光敏电阻的一个简单用途是作为光敏开关，如下所示。

这个基本的光传感器电路是一个继电器输出的光控开关。在光敏电阻LDR和电阻R1之间形成一个分压电路。当没有光时，即在黑暗中，LDR的电阻非常高，在兆欧姆（MΩ）范围内，因此晶体管TR1的基极偏置电压为零，继电器断电或“关闭”。

随着光照水平的增加，LDR的电阻开始下降，导致V1处的基极偏置电压上升。在由与电阻R1形成的分压网络确定的某个点，基极偏置电压足够高以打开晶体管TR1，从而激活继电器，继电器又用于控制一些外部电路。当光照水平再次下降到黑暗时，LDR的电阻增加，导致晶体管的基极电压下降，在由分压网络再次确定的固定光照水平下关闭晶体管和继电器。

通过将固定电阻R1替换为电位器VR1，可以预设继电器“打开”或“关闭”的光照水平。上述类型的简单电路灵敏度较低，其开关点可能由于温度或电源电压的变化而不一致。通过将LDR纳入“惠斯通电桥”布置并用运算放大器替换晶体管，可以轻松制作更灵敏的精密光控电路。

光照水平传感电路

在这个基本的暗感应电路中，光敏电阻LDR1和电位器VR1形成一个简单的电阻桥网络的可调臂，通常称为惠斯通电桥，而两个固定电阻R1和R2形成另一个臂。桥的两侧在电源电压上形成分压网络，其输出V1和V2分别连接到运算放大器的非反相和反相电压输入。

运算放大器配置为差分放大器，也称为电压比较器，其输出电压状态由两个输入信号或电压V1和V2之间的差异决定。电阻组合R1和R2在输入V2处形成一个固定电压参考，由两个电阻的比率设置。LDR – VR1组合提供一个与光敏电阻检测到的光照水平成比例的变量电压输入V1。

与之前的电路一样，运算放大器的输出用于控制继电器，继电器由自由轮二极管D1保护。当LDR感测到的光照水平及其输出电压低于V2处设置的参考电压时，运算放大器的输出状态改变，激活继电器并切换连接的负载。

同样，当光照水平增加时，输出将切换回来，关闭继电器。两个开关点的滞后由反馈电阻Rf设置，可以选择任何合适的放大器电压增益。

这种光传感器电路的操作也可以通过反转光传感器LDR和电位器VR1的位置来反转，以在光照水平超过参考电压水平时打开继电器，反之亦然。电位器可用于“预设”差分放大器的开关点到任何特定的光照水平，使其成为理想的光传感器项目电路。

光结器件

光结器件基本上是由硅半导体PN结制成的光传感器或探测器，对光敏感，可以检测可见光和红外光水平。光结器件专门用于感测光，这类光电光传感器包括光电二极管和光电晶体管。

光电二极管

光电二极管光传感器的构造类似于传统的PN结二极管，只是二极管的外壳是透明的或具有透明透镜，以将光聚焦到PN结上以提高灵敏度。该结将响应光，特别是较长波长，如红色和红外光，而不是可见光。

这一特性对于具有透明或玻璃珠体的二极管（如1N4148信号二极管）可能是一个问题。LED也可以用作光电二极管，因为它们可以从其结发射和检测光。所有PN结都是光敏的，可以在无偏置电压模式下用作光电导器件，光电二极管的PN结始终“反向偏置”，因此只有二极管的漏电流或暗电流可以流动。

在没有光照在其结上（暗模式）时，光电二极管的电流-电压特性（I/V曲线）与普通信号或整流二极管非常相似。当光电二极管正向偏置时，电流呈指数增长，与普通二极管相同。当施加反向偏置时，会出现小的反向饱和电流，导致耗尽区增加，这是结的敏感部分。光电二极管也可以使用固定偏置电压连接在电流模式下。电流模式在很宽的范围内非常线性。

光电二极管构造和特性

当用作光传感器时，锗光电二极管的暗电流（0勒克斯）约为10uA，硅型二极管的暗电流约为1uA。当光照射到结上时，会形成更多的空穴/电子对，漏电流增加。随着结的照度增加，漏电流增加。

因此，光电二极管的电流与照射到PN结上的光强度成正比。光电二极管用作光传感器时的一个主要优点是它们对光强度变化的快速响应，但这种光电器件的一个缺点是即使完全光照下电流也相对较小。

以下电路显示了使用运算放大器作为放大器件的光电流-电压转换器电路。输出电压（Vout）为Vout = IP*Rƒ，与光电二极管的光强度特性成正比。

这种类型的电路还利用运算放大器的特性，两个输入端子在大约零电压下工作，以无偏置操作光电二极管。这种零偏置运算放大器配置为光电二极管提供高阻抗负载，从而减少暗电流的影响，并使光电流相对于辐射光强度的线性范围更宽。电容器Cf用于防止振荡或增益峰值，并设置输出带宽（1/2πRC）。

光电二极管光传感器电路

光电二极管是非常通用的光传感器，可以在纳秒内打开和关闭其电流流动，常用于相机、光表、CD和DVD-ROM驱动器、电视遥控器、扫描仪、传真机和复印机等，并且当集成到运算放大器电路中时，用作光纤通信的红外光谱探测器、防盗报警运动检测电路以及众多成像、激光扫描和定位系统等。

光电晶体管光传感器

光电晶体管的替代光结器件是光电晶体管，它基本上是带有放大的光电二极管。光电晶体管光传感器具有反向偏置的集电极-基极PN结，使其暴露于辐射光源。

光电晶体管的工作方式与光电二极管相同，只是它们可以提供电流增益，并且比光电二极管敏感得多，电流是标准光电二极管的50到100倍，任何普通晶体管都可以通过在集电极和基极之间连接光电二极管轻松转换为光电晶体管光传感器。

光电晶体管主要由双极NPN晶体管组成，其大基区电气上未连接，尽管一些光电晶体管允许基极连接以控制灵敏度，并使用光子光生成基极电流，从而引起集电极到发射极电流流动。大多数光电晶体管是NPN型，其外壳是透明的或具有透明透镜，以将光聚焦到基结上以提高灵敏度。

光电晶体管构造和特性

在NPN晶体管中，集电极相对于发射极正偏置，因此基极/集电极结反向偏置。因此，当没有光照射到结上时，正常的漏电流或暗电流流动，这非常小。当光照射到基极时，该区域会形成更多的电子/空穴对，由此产生的电流被晶体管放大。

通常，光电晶体管的灵敏度是晶体管直流电流增益的函数。因此，整体灵敏度是集电极电流的函数，可以通过在基极和发射极之间连接电阻来控制，但对于非常高灵敏度的光耦类型应用，通常使用达林顿光电晶体管。

光电达林顿晶体管使用第二个双极NPN晶体管来提供额外的放大，或者在由于低光照水平或选择性灵敏度需要更高的光检测器灵敏度时使用，但其响应速度比普通NPN光电晶体管慢。

光电达林顿器件由一个普通光电晶体管组成，其发射极输出耦合到更大的双极NPN晶体管的基极。由于达林顿晶体管配置提供的电流增益等于两个单独晶体管的电流增益的乘积，光电达林顿器件产生非常灵敏的检测器。

光电晶体管光传感器的典型应用包括光隔离器、槽型光开关、光束传感器、光纤和电视遥控器等。在检测可见光时，有时需要红外滤光片。

另一种值得一提的光结半导体光传感器是光控晶闸管。这是一种光激活晶闸管或硅控整流器（SCR），可用作交流应用中的光激活开关。然而，与等效的光电二极管或光电晶体管相比，它们的灵敏度通常非常低。

为了帮助提高它们对光的灵敏度，光控晶闸管在栅极结周围做得更薄。这种过程的缺点是它限制了它们可以切换的阳极电流量。然后，对于更高电流的交流应用，它们用作光耦中的引导器件，以切换更大更传统的晶闸管。

光伏电池

最常见的光伏光传感器是太阳能电池。太阳能电池将光能直接转换为直流电能，以电压或电流的形式为电阻负载（如灯、电池或电机）供电。因此，光伏电池在许多方面类似于电池，因为它们提供直流电源。

然而，与我们上面看到的其他光电器件不同，这些光电器件使用甚至来自手电筒的光强度来操作，光伏太阳能电池最好使用太阳的辐射能量。

太阳能电池用于许多不同类型的应用中，以提供传统电池的替代电源，例如在计算器、卫星中，现在在家庭中提供一种可再生能源。

光伏电池由单晶硅PN结制成，与光电二极管相同，具有非常大的光敏区域，但在无反向偏置的情况下使用。它们在黑暗中具有与非常大的光电二极管相同的特性。

当光照时，光能导致电子流过PN结，单个太阳能电池可以产生约0.58V（580mV）的开路电压。太阳能电池具有“正”和“负”侧，就像电池一样。

单个太阳能电池可以串联连接以形成太阳能电池板，从而增加输出电压，或并联连接以增加可用电流。商业上可用的太阳能电池板以瓦特为单位，这是在完全光照下输出电压和电流（伏特乘以安培）的乘积。

典型光伏太阳能电池的特性

太阳能电池的可用电流量取决于光强度、电池的大小及其效率，通常在15%到20%之间。为了提高电池的整体效率，商业上可用的太阳能电池使用多晶硅或无定形硅，它们没有晶体结构，可以产生每平方厘米20到40mA的电流。

用于光伏电池构造的其他材料包括砷化镓、铜铟二硒化物和碲化镉。这些不同的材料各自具有不同的光谱带响应，因此可以“调谐”以在不同波长的光下产生输出电压。

在本教程中，我们看了几种被归类为光传感器的设备示例。这包括那些有和没有PN结的设备，它们可以用于测量光强度。

在下一个教程中，我们将看看称为执行器的输出设备。执行器将电信号转换为相应的物理量，如运动、力或声音。一种常用的输出设备是电磁继电器。