基于光电池实现光强度自动报警电路的原理及设计方案研究

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是数显电路原理图

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。

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