简述光敏电阻的结构原理。

A、光电池时基于光生伏特效应制成的，时自发电势有源器件，其中硅电池应用最广泛

B、光敏电阻的工作原理是基于光电导效应，具有很高的灵敏度

C、光敏二极管的结构与普通半导体二极管类似，一般工作与反向偏置状态

D、入射光高于红限频率，如果光线比较微弱就不会又光电子发射出来。

光电信号检测电路的测试

  实验目的

  通过对光伏型与可变电阻型器件的变换电路的测试实验，充分掌据光电检测器件输入电路的各种变换型式，以便根据不同的用途选用不同的电路型式。

  实验内容

  (1)光伏型器件——硅光电池变换电路(即输入电路)实验。

  (2)光电导型(可变电阻型)器件——光敏电阻变换电路(即输入电路)实验。

  实验仪器与器材

  (1)直流稳压电源

  (2)万用表

  (3)照度计

  (4)硅光电池与光敏电阻各1只

  (5)晶体二、三极管和电阻电容元件若干

  实验基本原理

  1．光伏型光电检测电路

  (1)电路变换型式

  对于光伏器件，输入电路的基本型式主要有三种，如下图所示。在图(a)中，光伏器件直接和负载电阻连接，这种电路称作无偏置电路；在图(b)的电路中，负载电阻上除串联光伏器件外尚有与器件端电压相反方向的偏置电源，组成反向偏置电路；图(c)是作为能量变换器使用的太阳能电池充电电路。通常光电池多采用图(a)和(c)的电路，光电二极管多采用图(b)的电路。

 

  (2)无偏置电路

  下图给出了无偏置光电池输入电路的等效电路(图a)及其计算图解(图b)。对图(a)的回路，可建立的电路方程为

  U=IR_L

 

  其中

    (15-1)

  利用图解计算法，对给定的输入光通量Φ₀，只要选定负载电阻R_L，工作点Q，即可由负载线与光电池相应的伏安曲线的交点确定电流与电压值。如该工作点点处的电流I_Q与电压U_Q即为R_L上的输出值。相对Φ₀的光通量增量±△Φ将形成对应的电流变化±△j和电压变化±△U。

  由于光电池特性的非线性，负载电阻的选择会影响光电池的输出信号。例如在下图(a)中，对应于光通量的增加量△Φ=Φ₁-Φ₂，在短路状态下(即R_L=0)，输出电流增量△I=I_sc1-I_sc2，输出电压为零。随着R_L的增大，输出电压随之增大，直到某一临界电阻R_M之后负载上的电压变成饱和，而输出电流逐渐变小，如图(b)所示。另一方面，输入光通量也影响输入电路的工作状态。由图(a)中可以看出，对确定的负载电阻如R_M，当输入光通量较小时，负载上的输出电流和电压近似地随入射光通量成正比例增加，而当入射光通量较大时，输出电流和电压逐渐呈现饱和状态。负载电阻愈大时，则情况愈明显(如图中R₂的情况)。

 

  可以利用式(15-1)定量地描述负载电阻和入射光通量对电路工作状态(I，U，P)的影响，即

    (15-2)

  (15-3)

  (15-4)

  根据上述公式，在同一入射光通量下，负载电阻对光电池输出电压、电流、功率的影响曲线表示在图(b)中。由图(b)中可见，根据所选负载电阻的数值可以把光电池的工作曲线分作四个区域，分别由图中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ表示，对应的四个工作状态为短路或线性电流放大、空载电压输出、线性电压放大和功率放大。下面讨论前三种工作状态。

  ①短路或线性电流放大

  这是一种电流变换状态。在这种状态下，后续电流放大级作为负载从光电池中吸取最大的输出电流。为此，要求负载电阻或后续放大电路输入阻抗尽可能小。由图(a)中可看到，由于R_L很小，输出电流接近于短路电流，它与光通量有良好的线性关系，即

   (15-5)

  和△I=S△Φ  (15-6)

  此外，在短路状态下，检测器件的噪声电流较低，从而改善了信噪比，所以最适用于弱光信号的检测。这种短路电流，随检测器件的受光面积的大小而改变。同一片光电池的短路电流随光电检测器件的受光面积成正比的变化曲线，如下图所示，图中A为受光面积。

 

  ②空载电压输出

  这是一种非线性电压变换状态。此时光电池应通过高输入阻抗变换器与后续放大电路连接，相当于输出开路。其开路电压可写成

  (15-7)

  式(15-7)表明，光电池的开路电压随入射光通量增大按对数规律增大，并且由于I_p与光电池面积成正比，所以同一光电池的开路电压与光电池光敏面受光面积的对数成正比，如上图所示。必须指出的是，开路电压并不是会无限增大，它的最大值受结势垒高度的限制。通常，光电池的开路电压为0.45～0.6V，因此它的一个优点是，在入射光强从零到某一定值作跳跃变化的光电开关等应用中，可简单地利用U_oc的电压变化而不需加任何偏置电源，即可组成控制电路。此外，由伏安特性可以看到对于较小的入射光通量，开路电压输出变化较大，这对弱光信号的检测特别有利。但光电池开路电压与入射光功率呈非线性关系，同时受温度影响较大，其频率特性也不理想，如果希望得到大的电压输出，则不如采用光电二极管或光电三极管等。

  ③线性电压输出

  从负载电阻对光电池输出电压电流和功率的影像图(b)中的第Ⅲ区域可见，这种工作状态在串联的负载电阻上能得到与输入光通量近似成正比的信号电压，且负载电阻增大有助于提高输出电压。但当负载电阻增大到一定临界值时，输出信号开始发生非线性畸变。为了确定负载电阻的临界条件，我们将式(15-2)展开成幂级数形式为

  

  当时，忽略高阶项，上式可简化为

  

  由于，所以只要满足条件

  

  就可以得到输出电流和输入光功率的线性关系

  I=SΦ(15-8)

  令最大线性允许光电流为I_M，相应的光通量为Φ_M，则可得到输出最大线性电压的临界负载电阻R_M为

  

  对应于Φ_max±△Φ的输入光功率变化，负载上的电压信号变化为

  (15-9)

  在线性关系要求不高的情况下，可以利用图解法简单地得到临界电阻R_M的值。如下图所示，在电压轴上作临界电压U_M=0.7U_oc的垂直线，与对应的伏安曲线相交于M点，这样也可以得到临界电阻的负载线。由于临界电阻R_M上的电压U_M为

  U_M≈R_MI_M≈0.7U_oc

 

  所以，R_M可近似计算为

  (15-10)

  式中，U_oc是对应Φ_max时的值，倍数0.7是经验数据。对应的输出电压变化为

  (15-11)

  2．可变电阻型光电检测电路

  下图给出了阻值随输入光通量改变的光敏电阻的伏安特性，它是一组以输入光功率为参量的通过原点的直线簇。由图中可以看出，在一定范围内光敏电阻的阻值不随外电压改变，仅取决于输入光通量Φ或光照度E，并有

  

  式中，G是亮电导，G_p是光电导，G_d是暗电导。

 

  阻值随温度改变的热敏电阻也属于可变电阻型器件，其电阻值表达式为

  R_T=R₀(1+α_T)

  式中，R_T为温度T时的电阻，R₀为温度T=0时的电阻，α为电阻温度系数，T为温度。当温度变化△T时，电阻的变化量△R_T为

  △R_T=R₀α△T

  (1)简单输入电路

  图(a)是最简单的光敏电阻输入电路，电路的图解计算法表示在图(b)中。由于是线性电路，所以其图解计算比较简单，在建立负载线之后，即可确定对应于输入光通量Φ₁～Φ₃变化的负载电阻上的输出信号。

  电路的工作状态也可以用解析法按线性电路规律计算，由图(a)有

    (15-12)

  (15-13)

  当输入光通量变化时，光敏电阻阻值变化△R，从而引起负载电流变化△I，将式(15-12)对R求微分，可得

  

  由于G_p可以写成下列形式

  G_p=S_gE=SΦ

  所以

  故(15-14)

  (15-15)

  式(15-14)和(15-15)给出了，由于输入光通量的变化△Φ，引起的负载电流和电压的变化量。下面讨论两种典型的工作状态：

  ①恒流偏置

  当负载电阻比光敏电阻大得多，即R_LR的情况下，式(15-12)变成

  

  这时可以认为，负载电流与光敏电阻阻值无关，并近似保持常数，因而这种电路称为恒流偏置电路。同样道理，式(15-14)变成

  (15-16)

  式(15-16)表明，输出信号电流取决于光敏电阻和负载电阻的比值，与偏置电压成正比。此外，还可以证明恒流偏置的电压信噪比比较高，因此适用于高灵敏度测量，这是它的优点。但是，由于R_L很大，为使光敏电阻正常工作，其偏置电压则需要很高(达100V以上)，这给使用带来不便。通常，可用晶体管来实现恒流偏置，如下图所示。它利用晶体管在线性工作区时集一射极等效交流电阻很大，近似于恒流特性来实现偏置。显然，由于在电路中引入了晶体管及电阻等，将给检测电路引入额外的噪声。

 

  ②恒压偏置

  当负载电阻比光敏电阻小得多，即R_LR，则加在光敏电阻上的电压近似为电源电压U_b，与R无关。这种偏置称为恒压偏置。对于响应度要求不是太高，而探测器本身噪声又比较大时，一般都采用这种恒压偏置电路。这时，负载R_L上的信号电压由式(15-15)变成

  △U=SU_bR_L·△Φ  (15-17)

  式(15-17)表明，恒压偏置的输出信号与光敏电阻的阻值无关，仅取决于S△Φ即光电导的相对变化。这样，检测电路在更换光敏电阻时，对电路初始状态就影响不大。这就是这种恒压偏置电路的优点。

  (2)电桥输入电路

  为避免可变电阻型器件受环境温度的影响，通常采用如下图所示的电桥电路。以热敏电阻为例，选择性能相同的两个热敏电阻和作电桥测量臂的电阻；普通电阻作为补偿臂电阻，外加电源电压为U_b。在无外来辐射照射时，调节补偿电阻R₂，可使电桥平衡。此时

  R₂=R₁

 

  电桥输出信号为U₀=0。当有辐射作用于热敏电阻上时，温升△T引起电阻的改变为

  =R₀₁+△R

  式中，R0₀₁1为热敏电阻的暗电阻。此时电桥平衡破坏，开路电压U₀为

  

  在弱辐射作用下，有△RR₀₁+R₁，取R₁=R₂=R和R₀₁=R₀₂=R₀，其中R₀₂是的暗电阻。则上式可变为

  (15-18)

  由式(15-18)可见，输出电压U₀与热敏电阻变化量△R成正比例，并与负载电阻R有关。令

  

  则可计算出，当R=R₀时，U₀取最大值为

  (5-19)

光伏效应检测器件——光电池，光敏二、三极管特性测试

  实验目的

  通过对典型光伏器件——硅光电池、硅光电二极管和光电三极管的特性参数的测量，使同学们进一步理解硅光伏器件的原理、特性及其基本使用方法。

  实验内容

  (1)作出光电池的V_LS、I_LS及P随R_L变化的曲线，找出其最佳负载电阻。

  (2)画出典型光伏器件——硅光电池、硅光电二极管和光电三极管的输出特性曲线。

  (3)画出硅光电池、硅光电二极管和光电三极管的光照特性曲线。

  实验原理

  半导体光伏检测器件的核心是PN结的光电效应，PN结光电池与光电二极管是最简单的半导体光电检测器件。

  下图(a)所示是一个未加电压的PN结，它是一个由不可移动的带正、负电荷的离子组成的耗尽层，或称作势垒区。当以适当波长的光照射PN结时，P型和N型半导体材料将吸收光能。如果光子能量hf≥E_g时，则光子将被吸收，使价带中的电子受激跃迁到导带中，而在价带中留下空穴，如图(b)所示。这一过程称为光吸收。因光照射而在导带和价带中产生的电子和空穴称为光生载流子。

 

 

  产生在耗尽层的光生载流子在内建场的作用下作漂移运动：空穴向P区方向运动；电子向N区方向运动，它们在PN结的边缘被收集。另外，耗尽层外的光生少数载流子会发生扩散运动：P区中的光生电子向N区扩散；N区中的光生空穴向P区扩散。在扩散的同时，一部分光生少数载流子将被多数载流子复合掉。由于这些区域的电场很小，甚至可以称为无场区，光生少数载流子在这些区域扩散速率较慢，只有小部分能扩散到耗尽层，继而在内建场的作用下分别快速漂移到对方区域。这样，在P区就出现了过剩空穴的积累，N区出现了过剩电子的积累，于是在耗尽层的两侧就产生了一个极性如图(c)所示的光生电动势。这一现象称为光生伏特效应。产生于耗尽层的电子和空穴也要产生光生伏特效应。基于这一效应，如果将PN结的外电路构成回路，则外电路中会出现信号电流。这种由光照射激发的电流称为光电流。

  当光电池两端接某一负载R_L时，设流过R_L的电流为I_LS，其上的电压降为U_LS，则R_L上产生的电功率为

  P_L=U_LS·I_LS

  P_L与入射光功率之比称为光电池的转换效率η。下图表示输出电压U_LS、输出电流I_LS、输出功率P_LS随负载R_L变化关系的曲线。

 

  从图看出，U_LS随R_L加大而升高。当R_L为∞时，U_LS等于开路电压U_oc；R_L为低阻时，I_LS趋近于短路电流I_sc，当R_L=0时，I_LS=I_sc。随着R_L变化，输出功率P_L也变化，当R_L=R_M时，P_L为最大值P_M，即在负载电阻上获得最大功率输出，此时的负载电阻R_M称为最佳负载电阻。在把光电池作为换能器件时，应按此点考虑。但值得注意的是，即使对同一光电池，如照度不同，R_M也会不同。

  此外，从下图光电池的伏安特性曲线上，也可表示出输出功率的大小。R_L负载线就是过原点斜率为的直线，该直线与特性曲线交于P_L点，P_L点在I轴和U轴上投影为输出电流I_L和输出电压U_L，输出功率P_L等于矩形OI_LP_LU_L的面积。若过U_oc和I_sc作特性曲线的切线，它们相交于P_Q点，连结P_Q点和原点O的直线也就是最佳负载线，最佳负载电阻为R_M。该直线与特性曲线交于P_M，最大输出功率P_M等于矩形OI_MP_MU_M面积，此时流过负载R_M上的电流为I_M，R_M上的压降为U_M。

 

  因此，光电池的输出特性曲线，是指在一定光照下与它所连接的负载R_L两端的电压U_L和通过R_L的电流I_L的关系曲线。当光电池输出端开路时测得两端输出电压为开路电压U_oc；当输出端短路时通过的电流为短路电流I_sc。

  光电二极管的输出特性曲线是指对应于不同的照度下，U_L与I_L的变化关系曲线。

  光电三极管的输出特性曲线是指对应于不同的照度下，U_ce与I_c的变化关系曲线。

  在不同的入射光照度下，光电二极管和光电三极管的光电流。以及光电池的开路电压和短路电流均将随之变化。

  实验使用的仪器和器材

  (1)照度计  一台

  (2)钨丝灯光源  一座

  (3)直流稳压电源  一台

  (4)万用表或数字电压表一台

  (5)微安表  一个

  (6)标准光源箱

  (7)标准电阻箱

  (8)硅光电池(2CR型)、硅光电二极管(2CU型)、硅光电三极管(3DU型)各一个。

  (9)电阻100Ω、510Ω、3kΩ各一支。

  实验线路

  硅光器件的最基本的使用线路如下图所示。

 

  在不同的入射光照度下，光电二极管和光电三极管的光电流。以及光电池的开路电压和短路电流均将随之变化。

欲设计一个带放大器的照度计，其原理电路如下图所示，只是在R₂后再同样串接一个R₃。已知光电池2CR21的电流灵敏度为S_I=7nA/lx·mm²，光敏面积为A=25mm²，而放大器选用输入阻抗高的由场效应管为前级的运算放大器组成。现拟用量程为10V的电压表作照度指示，试计算照度分级为1000lx、100lx、10lx三挡下的反馈电阻R₁，R₂，R₃的取值?

A．外光电效应

B．内光电效应

C．光生伏特效应

D．电阻应变效应

A．基本掌握

B．继续学习

A．光敏电阻的阻值随入射光辐射照度变化而变化

B．光敏电阻的暗阻越大越好

C．光敏电阻的亮阻越小越好

D．增加光敏电阻的暗电流和亮电流可提高光敏电阻的灵敏度

简述发电机电气制动的构成原理？制动电阻的投入时间整定原则是什么？

A．千欧

B．兆欧

C．毫欧

D．百欧