光强度自动报警控制系统的设计

2007-10-12 11:10:25来源: 电子技术

现行的光控仪,如光强测量仪,光控报警系统等,种类繁多。但存在性能不稳定,灵敏度低,制作繁琐等不少弊端。本文主要是以光电池特性的实验为基本理论,通过光强度控制电路、光强度测量电路和光强度报警系统的设计和装配,对光测控仪作进一步的探索和实践,实践证明本光强度自动控制报警系统克服了以上弊端,具有较强的实用性。

1 光电池的工作原理及其特性

1.1 光电池的工作原理

在一块N形硅片表面,用扩散的方法掺入一些P型杂质,形成PN结,光这就是一块硅光电池。当照射在PN上时,如光子能量hv大于硅的禁带宽度E时,则价带中的电子跃迁到导带,产生电子空穴对。因为PN结阻挡层的电场方向指向P区,所以,任阻挡层电场的作用下,被光激发的电子移向N区外侧,被光激发的空穴移向P区外侧,从而在硅光电池与PN结平行的两外表而形成电势差,P区带正电,为光电池的正极,N区带负电,为光电池的负极。照在PN结上的光强增加,就有更多的空穴流向P区,更多的电子流向N区,从而硅光电池两外侧的电势差增加。如上所述,在光的作用下,产生一定方向一定大小的电动势的现象,叫作光生伏特效应。

1.2 硅光电池特性

1.2.1 光照特性

不同强度的光照射在光电池上,光电池有不同的短路电流Isc和开路电在Voc,如图1所示。由图1可知短路电流Isc—光强Ev特性是一条直线,即短路电流在很宽的光强范围内,与光强成线性关系,而开路电压是非线性的,而且,在当光强较小,约20mW/cm2时,短路电压就趋于饱和。因此,要想用光电池来测量或控制光的强弱,应当用光电池的短路电流特性。

1.2.2 硅光电池的光谱特性:

图2是硅光电池、硒光电池的光谱特性曲线。显而易见,不同的光电池,光谱曲线峰值的位置不同,例如硅光电池峰值波长在0.8μm左右,硒光电池在0.54μm左右。硅光电池的光谱范围宽,在0.45~1.1μm之间,硒光电池的光谱范围在0.34~0.75μm之间,只对可见光敏感。

值得注意的是,光电池的光谱曲线形状,复盖范围,不仅与光电池的材料有关,还与制造工艺有关,而且还随着环境温度的变化而变化。

1.2.3 光电池的温度特性

光电池的温度特性如图3所示。由图可知,开路电压随温度的升高而快速下降,短流电流随温度升高而缓缓增加。所以,用光电池作传感器制作的测量仪器,即使采用Isc—Ev特性,在被测参量恒定不变时,仪器的读数也会随环境温度的变化而漂移,所以,仪器必须采用相应的温度补偿措施。

2 光强度自动报警控制系统的设计

2.1 设计思想

通过上面对光电池的各项特性的研究,我们发现,硅光电池的频谱响应范围宽,并且其短路电流与光照强度成线性关系,应用Isc与Ev的线性关系设计的光强测控仪线路简单,容易实现。且由于线性关系,进行光强测量会减小误差。所以本仪器的光电转换器件是光电池。

一个完整的光强测控仪应包括的电路有稳压电源,电流电压转换电路,光强度控制电路,数码显示电路,报警电路等几部分。下面分别进行原理设计。

2.2 电流电压转换电路及光强度控制电路

电流电压转换电路是一个简单的电路,图4是原理图,其原理在此不再赘述。光强度控制电路以光电池的短路电流特性曲线为依据。当环境光照强度减弱到一定程度时,即光电池短路电流减小到一定程度,光强度控制电路接通环境内照明灯;而当环境光强超过某一值时,光强度控制电路自动熄灭照明灯。光强度控制电路的主要功能是实现区间控制,特性与施密特触发器一致,所以施密特触发器时光强度控制电路的主体。

我们使用电流转换电压电路,将光电池短路电流放大并转换成电压信号。电流区间控制就转换为相应的电压区间控制,然后输入到我们使用的施密特触发器中。我们设计比较了多种施密特触发器,最终使用的施密特触发器电路组成如图5所示,其电压区间控制原理如下:在环境光强度很弱的情况下,Vin较低。由于R1和R2的分压,B点有一个电位值VB。此时Vin < VB,所以集成运放输出为高电平,即C点的电位Vc为高电平。而VC为高电平使VB的电位进一步上升,又进一步确保VC为高电平。此时,VC的高电平去控制接通环境照明灯。

当环境光强度逐渐变大时,Vin升高,至Vin>VB,VC跃变为低电平。而VC的下降造成VB的下降,使VC的进一步保持在低电平。此时VB>VC,由于二极管的反向截至特性,VB不对VC造成影响,B点的电位单纯由R1和R2的分压决定。VC为低电平去控制断开环境照明灯。

我们对电路各参数作以下设置。R1=35k,R2=10k,R4=R5=10k,R3=41.8k。集成运放输出高电平为4.3V,低电平为-3.7V。

当C点为高电平时,根据等效电路我们计算B点的理论电位值为2.18V。

2)当C点为低电平时,B点的理论电位值为1.11V,我们可以得出电路电压传输特性图如图6所示。可知,正向阂值电压VT+=2.18V,负向阈值电压VT=1.11V,回差电压VT=VT+—VT-=1.07V。

而在实验室使用万用电表对该电路进行实际测量时,发现测量值与理论值有一定偏差。(1)C点为高电平时,VB=1.932V,Vin上升至1.910V便发生电路状态转换。(2)C点为低电平时,VB=1.097V,Vin下降至1.480V便发生电路状态转换。实际回差电压仅为0.45V。

根据我们的实验和计算,在实际连接电路时,我们选用器件的参数如下:R1=69k,R2=10k,R4=R5=10k,R3=30k。经理论计算得,(1)VC为高电平时,VB=2.02V。VC为低电平时,VB=0.63V。在对计算值进行修正后,我们得到电路实际正向阈值电压VT+=1.96V,电路实际负向阈值电压VT_=1.03V。回差电压VT=VT+—VT=0.97V,实际电路电压传输特性如图7所示。

值得一提的是,由于VC快速跃变,使得三极管在截止和深度饱和状态之间转换。三极管的工作状态易受温度影响,但是三极管的截止电压和深度饱和电压受温度变化影响较小,且集成运放的高低电平4.3V和-3.7V足够使三极管在截止和深度饱和状态之间发生转换。所以使用三极管去驱动继电器还是相当可靠的。

2.3 自动报警电路工作原理

图8自动报警电路的原理图。

改变光电池光强,测出光强较大、较小时对应的VOH、VOL,再调W1和W2,使IC1+和IC2+输入分别对应VOH和VOL。当VO>VOH时,IC1输出低电平,发光二极管LED2正向导通发光报警,同时使555时基电路输出低电平,对CD4017(上跳沿有效)的脚14而言输入是下降沿,故CD4017不工作。IC2输出低电平,发光二极管LED1和蜂鸣器不工作。当VO < VOL时,IC1输出高电平,发光二极管LED2截止,555时基电路输出高电平,而IC2输出高电平,发光二极管LED1和蜂鸣器工作,同时使CD4017的脚13端置1,计数器停止。当VOL < VO < VOH时,IC1输出高电平,IC2输出低电平,发光二极管LED1和蜂鸣器都不工作,同时555时基电路输出高电平,CD4017的端为低电平,CD4017计数,它控制的十个二极管顺次发光,表示正常工作。

2.4 数显电路的基本工作原理

图9是数显电路原理

CL7107计数器的最大计数值为1999,当计数器满2000个数时计数器便产生进位信号而且计数器自动归零。这段时间是0~t1(如图10所示)。若已知时钟脉冲的周期为TC,则0~t1这段对Ui的积分时间为T1=2000Tc,0~t1时间内,积分器的输入电压U0(t1)=2000Ui/RCT。

t=t1时,计数器产生的进位信号触发控制逻辑门把S1从Ui打向-UREF,电容C开始反向充电,使U0逐渐升高,并不断向零伏接近,计数器仍持续计数。因比较器输出从t=0开始一直保持为高电平。

当t=t2时,积分器输出电压U0升至0V,使比较器输出为低电平,控制门G关闭,时钟脉冲不能进入计数器,这样计数器在t1~t2间隔内所计数值N(12)被保留一段时间,并由二进制转换为十进制,由驱动器驱动LED显示为十进数。反向积分时间T2=t2-t1=N(12)Tc,UREF为恒定电压,在t1~t2时间内,积分器电压的变化量U0(t1~t2)为U0(t1~t2)=(UREF/RC)×N(12)Tc,由上述已知t2时刻积分器的输出电压U0(t2)为零,又U0(t2)=U0(t1)+U0(t1~t2)=(-Ui/RC)×2000Tc+UREF/RC)×N(12)T2=0。整理得N(12)=(Ui/UREF)×2000。N(12)是LED数码块上显示的读数。它与Ui成线性关系。如(UREF/2000)=0.1mV,那么N(12)的值就是被测电压Ui的0.1mv的倍数。如(UREF/2000)=1mV,则N(12)为Ui的毫伏数,此时7107的量程为199mV。图10上的U0积分曲线是由两段斜率不同的直线组成的,因此又成为双斜率积分型A/D转换器。

从t~t2,U0=0开始,控制门G关闭,并触发计数器向外输出读数。使S2合上保持U0=0,时间间隔为(t2~t3),在(t=t3)时,控制逻辑单元使N位计数器复零,使S2打开,S1与Ui相连,积分器重新开始积分。

关键字:激发  伏特  空穴  线性

编辑: 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/designarticles/ledanddisplay/200710/16183.html
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