光敏Z-元件组成的三端式光传感器

光敏Z-元件组成的三端式光传感器

本文在光敏Z-元件特性分析的基础上，结合应用与开发实践，重点介绍了低漂移、低功耗和高灵敏度一系列三端（或一线）式光电开关的设计与应用实例。本文可供广大使用光敏Z-元件的用户进行参考。
关键词：敏感元件；Z-元件；光敏Z-元件；光电开关
中图分类号：TP212.14 文献标识码： A  

一、前言

在人类的生活以及生产实践、国防军事科学中，需要经常地通过各种各样的对光（或电磁波）敏感的器官、传感器和设备来确定目标的位置、位移、运动规律以及在一定范围内的有或无，以决定下一步的工作决策。

    任何一个对光（一定频率范围的电磁波）敏感的元件、传感器、探测器其敏感范围都有一定的局限性（见图1）。比如，人的视觉器官就是一套优秀的可见光传感单元，但在无可见光照明时，人的视觉器官就无能为力了。因此，为了探测不同颜色（或者波长）的光（或电磁波）的有无及强度，人们研制了多种敏感元件和探测器，其中，光敏Z元件就是最新发展起来的一种新型测量元件。

光敏Z-元件是Z-半导体敏感元件产品系列中的重要品种之一[1]。它用硅材料制做而成，其光谱响应曲线与硅光敏二极管相近，峰值波长为820nm，响应范围约为500nm～1000nm。具有应用电路极其简单、体积小、功耗低、灵敏度高等特点。它可输出模拟信号，还可不经过A/D或V/F变换直接输出开关或频率等数字信号。用光敏Z-元件制成的光电传感器，因其价格低、可靠性高等特点可广泛用于测量、报警与自动控制系统中。

二、光敏Z-元件的特性[2]

1、无光照时的光敏Z-元件的伏安特性[3,4]。

如图2，在第1象限中，光照度为E1为0时，光敏Z-元件呈无光照时的正向伏安特性，由O、P1（Vth1、Ith1）、f （Vf、If）和m（Im）四个点（以下表示法相同）来表示，反向无光照时的伏安特性表现为在III象限的E1为0时的曲线。无光照时的反向电流IR通常很小，只有2mA～12mA。光敏Z-元件的主要参数中Vth、Ith、IR都略有温漂，请参看参考文献[3]中的表1。

2、光敏Z-元件伏安曲线的光敏特性

在测试光敏Z-元件的光敏特性时，采用不同波长的光源会有较大的差异。我们使用的光源是波长为600nm左右的光源，经测量，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随照度的增加而增大。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，元件产生电动势（光电池、光电二极管有良好的光伏特性），当把电阻与电流表串联接到该光敏元件的正、负极上，电流表中有电流产生，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、典型工作电路

    光敏Z-元件与温敏Z-元件仅从伏安特性的走势上看，很难被加以区分。唯一的办法是从外观上观察，温敏Z-元件的管芯外包封的是不透明的树脂，而光敏Z-元件管芯外包封的是透明的树脂。由于光敏和温敏Z-元件具有相似的伏安特性，光敏Z-元件的典型工作电路、解析图和信号波形图等都与温敏Z-元件的相同。

    光敏Z-元件的典型工作电路[4]有三种：

（1）光敏Z-元件的正向应用，此时输出开关信号。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互换位置，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-元件的反向应用，此时输出模拟信号。

（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两端并联一只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；同时，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）由光接收电路、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组成光接收输入级，光源可以是波长范围450nm～900nm中的任何一种。C1的作用是防止开机时电源电压的冲击，使Z-元件进入低阻饱和导通M3区工作，它也可以不用。选择负载电阻RL则确保Z-元件在使用温度范围内，稳定工作在高阻的M1区。通常使E≤Vth，并调节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，由于该电桥加入了惯性电子元件C2，当无光照时，VBC=S+15(mV)，电阻R1可以根据下式计算：

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

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

尽管Z-元件有一定的温漂，即VA随T（℃）而变化，但是环境的温度变化极为缓慢，通常它的变化率dT（℃）/dt≤0.5℃/min，这样的温度变化率，相当于VA具有±（0.5mV～1mV）/S的温漂。加入C2后，VB电压变化的时间常数τ≈RC2，该点电压即VB稳定所需的时间t≈5τ=5RC=5（s）。这就表示，由于采用了具有惯性元件的补偿电桥，不管环境温度是上升还是下降，始终保持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）。由于C点无惯性元件，B点有惯性元件，光照开始t=0后的一段时间内，VC＞VB，使比较器输出一个高电平VO= VOH；当B点充电结束后，Z-元件仍然回到稳态，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，每受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型光电开关由光接收电路、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收输入级。因为我们要降低输入级功耗，所以光敏Z-元件工作在反向状态，此状态下的常温电流为2mA～12mA。这样，一方面降低了功耗，同时Z-元件反向工作的光灵敏度SR[mv/lx]也比正向光灵敏度高。反向工作时输出阻抗可高达几兆欧乃至十几兆欧，为了实现前后级的阻抗匹配，采用一级微功耗由运放构成的跟随器，跟随器的输出VA加到图3（a）的A点，用以取代由Z-元件、RL和C1构成的无温漂光电接收的输入级，比较器、跟随器为一只微功耗双运放MAX4471，这样即构成了一个完整的低功耗MG-2型光电开关电路。该光电开关同样具有自动温漂补偿功能，无光照与有光照的工作过程及输出信号的波形图，均与MG-1的分析相同。

3、高灵敏度MG-3型光电开关
    MG-3型光电开关由光接收输入级、温度补偿电桥和比较器三部分组成。为了提高灵敏度，利用了光敏Z-元件Vth参数对光灵敏度高的特点，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不仅对光照的灵敏度很高，同时对温度也敏感，而Vth值就等于锯齿波Vf的幅值Vp，所以Vp就会随着温度的变化而产生漂移。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，这里采用由运放构成的跟随式检波器电路，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，用以取代图3（a）中光敏Z-元件正向工作的光电接收级，就构成了MG-3型光电开关的完整电路。此电路的Sth灵敏度为负，因此，跟随式检波器的输出VA也是一个光灵敏度为负的直流电平。同时，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的计算仍可用（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、应用示例

    1、光电报警器

    该光电报警器是遮光型防入侵光电报警器。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。工作过程是这样的：信号源使发光管发出光脉冲，脉宽为 0.2ms、频率为100Hz。这个连续的脉冲光照在MG-2的光敏Z-元件上，输出100Hz的正脉冲。在连续正脉冲的作用下， V1向C充电，充电的时间为0.2ms，充电的间隔时间为10ms，每次充电后，C上的电压uC都接近电源电压6V；在充电后的9.8ms后，电容器通过R1和MG-2的输出进行放电。因为充电时间常数小，放电时间常数大，对于反相器D1的输入而言，uC就是它的输入电压。在正常连续光脉冲的作用下，总是输入高电平，反相器输出为低电平VOL，可控硅不被触发，不发出声光报警信号。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，进而放电，直至 uC→UOL时，反相器D1便输出高电平，V2被触发导通，从而HL、HA得电，发出声、光报警信号。

    2、电机稳速控制器

    有些电子部件或游乐设备对电动机转速的稳定性要求较高，大都设置了转速控制电路。电机稳速控制器就是其中一种。

    图7是电机稳速控制器框图。它包括信号源，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，安装着能够反射光的黑、白（光亮）相间条格的光盘，白条是反光的，黑条不反光。信号源使发光管发出光，由于光盘上白条的反光作用，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，当超出允许的转速误差范围就发送控制指令，送给数控电源，调节电机电压VM，使转速重新回到设定允许的误差范围内。

    3、光电式安全控制器

    一些机械类生产和加工设备及机电一体化的装置常有高温、高压、密封防泄漏等特点，并有大量的机械运动，为了操作者的安全，往往要采取一些机械的或光电类的安全连锁电路，使得在不停机、不停电就会产生不安全因素或后果时，自动停机并发出故障信号，从而保证了设备和人身的安全。

    图8是光电式安全控制器的电路构成。

它由信号源、MG-3型光电开关、延时（YS）电路、故障显示和终端控制电路组成。其工作过程是这样的：信号源驱动红外发光二极管发出1000Hz的光脉冲，脉宽占空比为1:1。MG-3光电传感器接收到光脉冲后，其输出信号VO也是1000Hz的脉冲信号。该连续的脉冲信号作用到延时（YS）电路后，输出信号VY始终保持低电平VY=VOL≤0.1V，因而可控硅V3截止，没有声、光报警信号产生。固态继电器SSR则直流侧没有电流，交流侧截止，使交流接触器K不吸合，其常开触头K-1和常闭触头K-2保持原态，运行的机械装置继续正常工作。通常光源与光敏Z-元件之间是被保护的工作空间，光路不被遮挡。当有不可进入光路中的任何异物（被保护的对象）进入光路后，光源所发出的光脉冲由于异物的遮挡，使MG-3的输出信号VO产生丢失。延时环节YS可在丢失5～7个脉冲后，使其输出电压VY由低电平VOL变为高电平VOH ,高电平通过限流电阻R触发V3使其导通，交流接触器K吸合。这时常开触头K-1闭合，接通刹车电磁铁迅速刹车，常闭触头K-2断开，使运动部件主轴失电不能运动，从而实现了保护功能。而去除光路中的异物即可重新开机。

六、结束语

    光是一个重要的物理量。随着科学技术的不断进步，光的产生、检测和控制等技术正在快速发展。

    光敏Z-元件作为一种光的敏感元件，以其较高的性价比、低漂移、低功耗、高灵敏度、长寿命等特点引起了人们的关注，而基于这种元件的三端（或一线）式光传感器已广泛的应用于各行业，实现了报警、检测、自动控制和安全保护多项功能。相信伴随着制作工艺的进一步成熟，光敏Z-元件一定会发挥更大的作用。