《光电技术课程设计课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《光电技术课程设计课件.ppt（72页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、 光电技术课程设计光电技术课程设计实验一实验一 光敏电阻光控灯设计光敏电阻光控灯设计实验二实验二 光敏电阻可控振荡器电子鸟设计光敏电阻可控振荡器电子鸟设计实验三实验三 光敏二（三）极管光控开关设计光敏二（三）极管光控开关设计实验四实验四 光敏三极管光控语言电路设计光敏三极管光控语言电路设计实验五实验五 硅光电池光照度计设计硅光电池光照度计设计实验六实验六 红外报警设计红外报警设计 实验一实验一 光敏电阻光控灯设计光敏电阻光控灯设计一、实验原理一、实验原理 光敏电阻在黑暗的室温条件下，由于热激发产生的光敏电阻在黑暗的室温条件下，由于热激发产生的载流子使它具有一定的电导，该电导称为暗电导，其载流子
2、使它具有一定的电导，该电导称为暗电导，其倒数为暗电阻，一般的暗电导值都很小（或暗电阻阻倒数为暗电阻，一般的暗电导值都很小（或暗电阻阻值都很大）。当有光照射在光敏电阻上时，它的电导值都很大）。当有光照射在光敏电阻上时，它的电导将变大，这时的电导称为光电导。电导随光照量变化将变大，这时的电导称为光电导。电导随光照量变化越大的光敏电阻，其灵敏度就越高，这个特性就称为越大的光敏电阻，其灵敏度就越高，这个特性就称为光敏电阻的光电特性，也可定义为光电流与照度的关光敏电阻的光电特性，也可定义为光电流与照度的关系。系。光敏电阻在弱辐射和强辐射作用下表现出不同的光光敏电阻在弱辐射和强辐射作用下表现出不同的光电特
3、性（线性和非线性），实际上，它的光电特性可电特性（线性和非线性），实际上，它的光电特性可用在用在“恒定电压恒定电压”下流过光敏电阻的电流与作用到光下流过光敏电阻的电流与作用到光敏电阻上的光照度敏电阻上的光照度E E的关系曲线来描述。不同材料的光的关系曲线来描述。不同材料的光照特性是不同的，绝大多数光敏电阻光照特性是非线照特性是不同的，绝大多数光敏电阻光照特性是非线性的。性的。光敏电阻的本质是电阻，符合欧姆定律，因此它具光敏电阻的本质是电阻，符合欧姆定律，因此它具有与普通电阻相似的伏安特性。在一定的光照下，加有与普通电阻相似的伏安特性。在一定的光照下，加到光敏电阻两端的电压与流过光敏电阻的亮电流
4、之间到光敏电阻两端的电压与流过光敏电阻的亮电流之间的关系称为光敏电阻的伏安特性。的关系称为光敏电阻的伏安特性。二、光敏电阻光控灯设计二、光敏电阻光控灯设计 实验参考原理如图。实验参考原理如图。当外界光线突然变暗时，光敏电阻阻值增大，电容当外界光线突然变暗时，光敏电阻阻值增大，电容E1E1正极电位升高，电源经正极电位升高，电源经R5R5、E1E1、R6R6和和Q3Q3的发射结对的发射结对E1E1进行充电。此充电电流使得进行充电。此充电电流使得Q3Q3导通，使得继电器线导通，使得继电器线圈通电工作，常闭触点断开，常开触点闭合，实现对圈通电工作，常闭触点断开，常开触点闭合，实现对外电路的控制，此时外
5、电路的控制，此时LED1LED1发光二极管点亮发光。发光二极管点亮发光。当当E1E1充电稳定后，充电稳定后，Q3Q3失去基极电流而截止，继电器失去基极电流而截止，继电器常开触点断开，发光二极管熄灭。调整常开触点断开，发光二极管熄灭。调整E1E1的容值可改的容值可改变变LEDLED点亮时间，点亮时间，E1E1容值越大，延迟时间愈长。容值越大，延迟时间愈长。三、光敏电阻光控灯设计实验步骤三、光敏电阻光控灯设计实验步骤1 1、打开实验箱电源，调节照度计、打开实验箱电源，调节照度计“调零调零”旋钮，至照旋钮，至照度计显示为度计显示为“000.0”“000.0”为止，关闭实验箱电源。为止，关闭实验箱电源
6、。2 2、J7J7、J8J8分别连接实验箱上的光敏电阻结构件黄、蓝分别连接实验箱上的光敏电阻结构件黄、蓝插孔，同时将套筒红、黑插孔与照度计红、黑插孔相插孔，同时将套筒红、黑插孔与照度计红、黑插孔相连。连。3 3、连接模块上的、连接模块上的J1J1插孔至插孔至J5J5插孔，插孔，J2J2插孔至插孔至J6J6插孔，插孔，打开实验箱电源，按下开关打开实验箱电源，按下开关K1K1和和K4K4，同时保证其余开，同时保证其余开关都弹起。关都弹起。4 4、调节光源照度观察模块上、调节光源照度观察模块上LED1LED1灯亮灭延时情况；灯亮灭延时情况；（照度从最大值调到照度最小值）。（照度从最大值调到照度最小值
7、）。5 5、将、将“电源调节电源调节”旋钮逆时针旋至不可调位置，关闭旋钮逆时针旋至不可调位置，关闭实验箱电源。实验箱电源。四、要求：四、要求：（1 1）利用二次开发实验模块自行搭建电路，电路如图）利用二次开发实验模块自行搭建电路，电路如图所示。所示。（2 2）参考电路原理图自行进行调试。）参考电路原理图自行进行调试。实验二实验二 光敏电阻可控振荡器电子鸟设计光敏电阻可控振荡器电子鸟设计一、实验参考原理图一、实验参考原理图二、实验参考原理二、实验参考原理 手控电子鸟电路的振荡是通过控制手控电子鸟电路的振荡是通过控制555555的复位端的复位端4 4实实现的，拨位开关现的，拨位开关K7K7拨向左端
8、，拨向左端，4 4端接高电平，电路产生端接高电平，电路产生振荡输出音频信号，扬声器发声，振荡输出音频信号，扬声器发声，K7K7拨向右端，拨向右端，4 4端断端断开，电路停止工作。开，电路停止工作。电路中电路中555555芯片与电阻芯片与电阻R22R22、RLRL及电容及电容C1C1组成无稳态振组成无稳态振荡器，振荡频率为荡器，振荡频率为f=1.43/(R22+2RL)*C1f=1.43/(R22+2RL)*C1。光敏电阻。光敏电阻的电阻值随着光照强弱变化而变化，照在的电阻值随着光照强弱变化而变化，照在RLRL上的光线上的光线越强，越强，RLRL阻值越小，振荡频率阻值越小，振荡频率f f就越高。
9、就越高。调节光源调节单元的调节光源调节单元的“照度加照度加”或或“照度减照度减”旋钮，旋钮，以改变投射到以改变投射到RLRL上的光线强度，蜂鸣器就能模拟出忽上的光线强度，蜂鸣器就能模拟出忽高忽低、非常逼真的多种高忽低、非常逼真的多种“鸟鸣声鸟鸣声”，且指示灯，且指示灯LEDLED亮。亮。三、实验实验步骤三、实验实验步骤 利用二次开发实验模块自行搭建电路，电路如图利用二次开发实验模块自行搭建电路，电路如图4-24-2所示。参考电路原理图自行进行调试。所示。参考电路原理图自行进行调试。1 1、打开实验箱电源，调节照度计、打开实验箱电源，调节照度计“调零调零”旋钮，至照旋钮，至照度计显示为度计显示为
10、“000.0”“000.0”为止，关闭实验箱电源。为止，关闭实验箱电源。2 2、J7J7、J8J8分别连接实验箱上的光敏电阻结构件黄、蓝分别连接实验箱上的光敏电阻结构件黄、蓝插孔，同时将套筒红、黑插孔与照度计红、黑插孔相插孔，同时将套筒红、黑插孔与照度计红、黑插孔相连。连。3 3、打开实验箱电源，按下开关、打开实验箱电源，按下开关K1K1和和K6K6，K7K7拨向左端，拨向左端，同时保证其余开关都弹起。同时保证其余开关都弹起。4 4、调节光照强度，听蜂鸣器声音变化，用示波器观察、调节光照强度，听蜂鸣器声音变化，用示波器观察蜂鸣器正端波形（或蜂鸣器正端波形（或R23R23左端波形）。左端波形）。
11、5 5、将、将“电源调节电源调节”旋钮逆时针旋至不可调位置，关闭旋钮逆时针旋至不可调位置，关闭实验箱电源。实验箱电源。四、实验注意事项四、实验注意事项 1 1、打开电源之前，将、打开电源之前，将“电源调节电源调节”旋钮逆时针调至旋钮逆时针调至底端。底端。2 2、实验操作中不要带电插拔导线，应该在熟悉原理、实验操作中不要带电插拔导线，应该在熟悉原理后，按照电路图连接，检查无误后，方可打开电源进后，按照电路图连接，检查无误后，方可打开电源进行实验。行实验。3 3、若照度计、电流表或电压表显示为、若照度计、电流表或电压表显示为“1“1”时说时说明超出量程，应改为合适的量程再测试。明超出量程，应改为合
12、适的量程再测试。4 4、严禁将任何电源对地短路、严禁将任何电源对地短路。实验三实验三 光敏二（三）极管光控开关设计光敏二（三）极管光控开关设计一、光敏二（三）极管的结构和原理一、光敏二（三）极管的结构和原理1 1、光敏二极管的结构和原理、光敏二极管的结构和原理 光敏二极管的核心部分是一个光敏二极管的核心部分是一个PNPN结，因此属于单向导结，因此属于单向导电的非线性元件。光敏二极管管壳上的一个玻璃窗口电的非线性元件。光敏二极管管壳上的一个玻璃窗口能接收外部的光照；光敏二极管能接收外部的光照；光敏二极管PNPN结势垒区很薄，光结势垒区很薄，光生载流子的产生主要在生载流子的产生主要在PNPN结两边
13、的扩散区，光电流主结两边的扩散区，光电流主要来自扩散电流而不是漂移电流；为了获得尽可能大要来自扩散电流而不是漂移电流；为了获得尽可能大的光电流，的光电流，PNPN结面积比普通二极管要大的多，通常都结面积比普通二极管要大的多，通常都以扩散层作为受光面，因此，受光面上的电极做的很以扩散层作为受光面，因此，受光面上的电极做的很小。为了提高光电转换能力，小。为了提高光电转换能力，PNPN结的深度较普通二极结的深度较普通二极管浅。管浅。光敏二极管结构简图、符号和等效电路图光敏二极管结构简图、符号和等效电路图 图图1-1 1-1 光敏二极管光敏二极管 光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态（见图）光敏二
14、极管在电路中一般是处于反向工作状态（见图），在没有光照射时，反向电阻很大，反向电流很小（一，在没有光照射时，反向电阻很大，反向电流很小（一般小于般小于0.10.1微安），这个反向电流称为暗电流，当光照微安），这个反向电流称为暗电流，当光照射在射在PNPN结上，光子打在结上，光子打在PNPN结附近，产生光生电子和光生结附近，产生光生电子和光生空穴对，称为光生载流子。空穴对，称为光生载流子。光生载流子光生载流子在在PNPN结处的内电场结处的内电场作用下做定向运动，形成光电流。光的照度越大，光电作用下做定向运动，形成光电流。光的照度越大，光电流越大。流越大。如果在外部电路上如果在外部电路上接上负载，
15、负载上就接上负载，负载上就获得了电信号。因此获得了电信号。因此光敏二极管在不受光光敏二极管在不受光照射时处于截止状态，照射时处于截止状态，受光照射时处于导通受光照射时处于导通状态。状态。光敏二极管在一定负偏压下，当入射光的强度发生光敏二极管在一定负偏压下，当入射光的强度发生变化时，通过光敏二极管的电流随之变化，在较小负变化时，通过光敏二极管的电流随之变化，在较小负载电阻下，光电流和照度成线性关系。如图所示，这载电阻下，光电流和照度成线性关系。如图所示，这就是光敏二极管的光照特性。就是光敏二极管的光照特性。下图表示光照下图表示光照PNPN结的伏安特性，有光照时，相对于无结的伏安特性，有光照时，相
16、对于无光照曲线向下平移，光照越强，曲线愈往下平移，光电光照曲线向下平移，光照越强，曲线愈往下平移，光电流越大。图中第一象限为流越大。图中第一象限为PNPN结加正偏压状态，此时结加正偏压状态，此时PNPN结结暗电流暗电流I ID D远大于光生电流，作为探测器工作在这个区域远大于光生电流，作为探测器工作在这个区域是没有意义的。是没有意义的。光伏探测器多工作在光伏探测器多工作在这个区域。这个区域。第三象限为第三象限为PNPN结加反偏压状态，此时结加反偏压状态，此时PNPN结暗电流结暗电流I ID D=I=ISOSO，数值很小，远小，数值很小，远小于光生电流于光生电流I IS S，光伏探，光伏探测器输
17、出的总电流测器输出的总电流.2 2、光敏三极管的结构和原理、光敏三极管的结构和原理 光敏三极管与普通双结晶体管十分相似，不同之处是光敏三极管与普通双结晶体管十分相似，不同之处是光敏三极管必须有一个对光敏感的光敏三极管必须有一个对光敏感的PNPN结作为感光面。一结作为感光面。一般用集电结作为受光结。因此，光敏三极管实质上是一般用集电结作为受光结。因此，光敏三极管实质上是一种相当于在基极和集电极之间接有光敏二极管的普通三种相当于在基极和集电极之间接有光敏二极管的普通三极管。其结构与一般晶体管相类似。极管。其结构与一般晶体管相类似。图图1-5 1-5 光敏三极管结构及工作原理光敏三极管结构及工作原理
18、（a a）结构示意图）结构示意图 （b b）光电变换原理）光电变换原理 如图如图 （a a）所示，图中）所示，图中e e、b b、c c分别表示光敏三极管分别表示光敏三极管的发射极、基极和集电极。正常工作时保证基极的发射极、基极和集电极。正常工作时保证基极集集电极结（电极结（bebe结）为反偏压状态，并作为受光结（即基结）为反偏压状态，并作为受光结（即基区为光照区）。区为光照区）。光敏三极管通常有光敏三极管通常有NPNNPN和和PNPPNP型两种结构，常用的材型两种结构，常用的材料有硅和锗。例如用硅材料制作的料有硅和锗。例如用硅材料制作的NPNNPN结构有结构有3DU3DU型，型，PNPPNP
19、型有型有3GU3GU型。采用硅的型。采用硅的NPNNPN型光敏三极管其暗电流比型光敏三极管其暗电流比锗光敏三极管小，且受温度变化影响小。锗光敏三极管小，且受温度变化影响小。光敏三极管的工作有两个过程，一是光电转换；二是光敏三极管的工作有两个过程，一是光电转换；二是光电流放大。光电转换过程是在光电流放大。光电转换过程是在bcbc结内进行，与一般光结内进行，与一般光敏二极管相同。当集电极加上相对于发射极为正向电压敏二极管相同。当集电极加上相对于发射极为正向电压而基极开路时（图（而基极开路时（图（b b），则），则bcbc结处于反向偏压状态。结处于反向偏压状态。无光照时，由于热激发而产生的少数载流子
20、电子从基极无光照时，由于热激发而产生的少数载流子电子从基极进入集电极，空穴则从集电极移向基极，在外电路中有进入集电极，空穴则从集电极移向基极，在外电路中有电流（即暗电流）流过。当光照射基区时，在该区产生电流（即暗电流）流过。当光照射基区时，在该区产生电子电子空穴对，光生电子在内电场作用下漂移到集电极空穴对，光生电子在内电场作用下漂移到集电极，形成光电流，这一过程类似于光敏二极管。与此同时，形成光电流，这一过程类似于光敏二极管。与此同时。空穴则留在基区，使基区的电位升高，发射极便有大。空穴则留在基区，使基区的电位升高，发射极便有大量电子经基极流向集电极，总的集电极电流为量电子经基极流向集电极，总
21、的集电极电流为式中式中为共发射极电流放大倍数。为共发射极电流放大倍数。光敏三极管等效于一个光敏二极管与一般晶体基极光敏三极管等效于一个光敏二极管与一般晶体基极集电极结的并联。它是把基极集电极光敏二极管的集电极结的并联。它是把基极集电极光敏二极管的电流（光电流电流（光电流I IP P）放大）放大倍的光伏探测器，可用图倍的光伏探测器，可用图5 5（c c）来表示。）来表示。图图1-5 1-5 光敏三极管结构及工作原理光敏三极管结构及工作原理（a a）结构示意图）结构示意图 （b b）光电变换原理）光电变换原理 （c c）电流放大作用）电流放大作用 图图1-6 1-6 光敏三极管特性光敏三极管特性3
22、 3、光敏三极管的特性、光敏三极管的特性光敏三极管的光照特性、伏安特性、暗电流与温度的光敏三极管的光照特性、伏安特性、暗电流与温度的关系如图关系如图1-61-6（c c）示。）示。由于晶体管的放大作用，基极开路时的暗电流及它随由于晶体管的放大作用，基极开路时的暗电流及它随温度上升都比光敏二极管大。温度上升都比光敏二极管大。二、光敏三极管光控开关设计二、光敏三极管光控开关设计1 1、实验原理参考图、实验原理参考图2 2、实验原理、实验原理 当光生电流大于一定值时，三极管当光生电流大于一定值时，三极管Q3Q3导通，导通，Q3Q3发射极发射极电平提升，电平提升，Q4Q4基极获得高电平，此时基极获得高
23、电平，此时Q4Q4导通。导通。Q4Q4射极电射极电平拉高，致继电器线圈通电，继电器吸合，平拉高，致继电器线圈通电，继电器吸合，LED3LED3发光。发光。三、实验要求三、实验要求 （1 1）利用二次开发实验模块自行搭建电路，电路如图）利用二次开发实验模块自行搭建电路，电路如图所示。所示。（2 2）参考电路原理图自行进行调试）参考电路原理图自行进行调试.（3 3）参考光控开关实验的实验步骤进行二次开发实）参考光控开关实验的实验步骤进行二次开发实验，观察实验现象是否和模块实验现象一致。验，观察实验现象是否和模块实验现象一致。实验四实验四 光敏三极管光控语言电路设计光敏三极管光控语言电路设计一、实验
24、原理参考图一、实验原理参考图二、实验原理二、实验原理 实验采用光敏三极管作为光敏器件。实验采用光敏三极管作为光敏器件。当无光情况下，合上开关当无光情况下，合上开关K3K3，三极管，三极管3DG63DG6导通，导通，Q2Q2导通，这个时候定时器导通，这个时候定时器1 1脚电平拉低，脚电平拉低，NE555NE555开始工作，开始工作，3 3脚输出脉冲驱动扬声器发出声音。脚输出脉冲驱动扬声器发出声音。当有光照的情况下，当有光照的情况下，Q1Q1的基极电平被拉低，的基极电平被拉低，Q2Q2不导不导通，此时定时器的通，此时定时器的1 1脚电平不确定，器件无供电回路，脚电平不确定，器件无供电回路，NE55
25、5NE555不工作，扬声器不工作。不工作，扬声器不工作。三、光控语言电路调试三、光控语言电路调试（1 1）利用二次开发实验模块自行搭建电路，电路如）利用二次开发实验模块自行搭建电路，电路如图所示。图所示。（2 2）参考电路原理图自行进行调试。）参考电路原理图自行进行调试。实验五实验五 硅光电池光照度计设计硅光电池光照度计设计一、光电池的结构和原理一、光电池的结构和原理1 1、光电池的工作原理、光电池的工作原理 光电池是一种直接将光能转换为电能的光电器件。光电池是一种直接将光能转换为电能的光电器件。光电池在有光线作用时实质就是电源，电路中有了这光电池在有光线作用时实质就是电源，电路中有了这种器件
26、就不需要外加电源。种器件就不需要外加电源。光电池的工作原理是基于光电池的工作原理是基于“光生伏特效应光生伏特效应”的，它的，它实质上是一个大面积的实质上是一个大面积的PNPN结，当光照射到结，当光照射到PNPN结的一个结的一个面，例如面，例如P P型面时，若光子能量大于半导体材料的禁带型面时，若光子能量大于半导体材料的禁带宽度，那么宽度，那么P P型区每吸收一个光子就产生一对自由电子型区每吸收一个光子就产生一对自由电子和空穴，和空穴，电子电子-空穴对从表面向内迅速扩散，在结电空穴对从表面向内迅速扩散，在结电场的作用下，最后建立一个与光照强度有关的电动势。场的作用下，最后建立一个与光照强度有关的
27、电动势。图图1 1是硅光电池原理图，其中是硅光电池原理图，其中(a)(a)为结构示意图，为结构示意图，(b)(b)为为等效电路。等效电路。图图1 1 硅光硅光电电池原理池原理图图2 2、光电池的特性参数、光电池的特性参数（1 1）光照特性光照特性 光电池的光照特性，用入射光强光电池的光照特性，用入射光强-电流电压特性和入电流电压特性和入射光强射光强-负载特性来描述。负载特性来描述。入射光强入射光强-电流电压特性描述的是开路电压电流电压特性描述的是开路电压V VOCOC和短开路和短开路电流电流I ISCSC随入射光强变化的规律，如下图所示。随入射光强变化的规律，如下图所示。入射光强入射光强-电流
28、电压特性电流电压特性描述的是开路电压描述的是开路电压V VOCOC和短和短开路电流开路电流I ISCSC随入射光强变随入射光强变化的规律，如下图所示。化的规律，如下图所示。V VOCOC随入射光强按对数规律随入射光强按对数规律变化，变化，I ISCSC与入射光强成线性与入射光强成线性关系。关系。光电池用作探测器时，通常是以电流源形式使用，光电池用作探测器时，通常是以电流源形式使用，总要接负载电阻总要接负载电阻R RL L，这时电流记作，这时电流记作图图3 光光电电池的入射光池的入射光强强-电电流流-负载负载特性曲特性曲线线与入射光强不再成线性关系，与入射光强不再成线性关系，越大，线性范围越小，
29、如下图所示：越大，线性范围越小，如下图所示：为光电池内阻。为光电池内阻。入射光强入射光强-负载特性描述的是在相同照度下，输出电压、负载特性描述的是在相同照度下，输出电压、输出电流、输出功率随负载变化的规律。如下图所示：输出电流、输出功率随负载变化的规律。如下图所示：当当R RL LRdRd时，可近时，可近似看做短路，输出电流似看做短路，输出电流为为I ISCSC，与入射光强成正，与入射光强成正比，比，R RL L越小，线性度越越小，线性度越好，线性范围越大。好，线性范围越大。当当R RL L为为时，可近似时，可近似看做开路，输出电压为看做开路，输出电压为V VOCOC。随着随着R RL L的变
30、化，输出的变化，输出功率也变化，当功率也变化，当时，输出功率最大，时，输出功率最大，R RM M称最佳负载。称最佳负载。2.2 2.2 光谱特性光谱特性 光电池的光谱特性取决于所采用的材料。硒光电池光电池的光谱特性取决于所采用的材料。硒光电池在可见光谱范围内有较高的灵敏度，峰值波长在在可见光谱范围内有较高的灵敏度，峰值波长在540nm540nm附近，它适宜于测量可见光。如果硒光电池与适当的附近，它适宜于测量可见光。如果硒光电池与适当的滤光片配合，它的光谱灵敏度与人眼很接近，可用它滤光片配合，它的光谱灵敏度与人眼很接近，可用它客观的决定照度。客观的决定照度。硅光电池可以应用的范围是硅光电池可以应
31、用的范围是4004001100nm1100nm。峰值波长。峰值波长在在850nm850nm附近。附近。光电池的光谱峰值位置不仅与制造光电池的材料有光电池的光谱峰值位置不仅与制造光电池的材料有关，也和制造工艺有关，并且随使用温度的不同而有关，也和制造工艺有关，并且随使用温度的不同而有所移动。所移动。2.3 2.3 伏安特性伏安特性 无光照时，光电池伏安特性曲线与普通半导体二极无光照时，光电池伏安特性曲线与普通半导体二极管相同。有光照时，沿电流轴方向平移，平移幅度与管相同。有光照时，沿电流轴方向平移，平移幅度与光照度成正比。曲线与电压轴交点称为开路电压光照度成正比。曲线与电压轴交点称为开路电压V
32、VOCOC，与电流轴交点称为短路电流与电流轴交点称为短路电流I ISCSC。图图5 5给出了硅光电池的伏安特性曲线。它表示负载为给出了硅光电池的伏安特性曲线。它表示负载为电阻时，受光照射的硅光电池输出电压与电流的关系。电阻时，受光照射的硅光电池输出电压与电流的关系。负载的斜率由负载电阻决定，负载线与伏安特性曲线负载的斜率由负载电阻决定，负载线与伏安特性曲线的交点的交点M M为工作点。负载电阻为工作点。负载电阻RLRL从硅光电池获得的最大从硅光电池获得的最大功率为功率为PmPmmUmmUm。图图5 5 光光电电池的伏安特性曲池的伏安特性曲线线二、硅光电池光照度计设计参考图二、硅光电池光照度计设计
33、参考图利用二次开发实验模块自行搭建电路，电路如图所示。利用二次开发实验模块自行搭建电路，电路如图所示。4 4）将硅光电池探头红黑插孔接到实验箱的光照度红黑）将硅光电池探头红黑插孔接到实验箱的光照度红黑插孔上。打开实验箱电源，调节光照度调节旋钮，使照插孔上。打开实验箱电源，调节光照度调节旋钮，使照度计显示度计显示50Lx50Lx。将硅光电池探头红黑插孔分别连接硅光。将硅光电池探头红黑插孔分别连接硅光电池模块的电池模块的J1J1、J2J2插孔，插孔，J5J5连接连接J13J13。按下开关。按下开关K1K1和和K3K3，用示波器测量，用示波器测量TP3TP3点的电压点的电压U U。（调节。（调节W2
34、W2可改变输出电可改变输出电压的大小）。压的大小）。三、硅光电池光照度计实验步骤：三、硅光电池光照度计实验步骤：一）、调试注意事项一）、调试注意事项1 1、在调试过程中如果发生异常情况应立即关机断电，、在调试过程中如果发生异常情况应立即关机断电，查明情况并纠正后再进行调试，以免造成不良后果，查明情况并纠正后再进行调试，以免造成不良后果，确保安全；确保安全；2 2、在调试过程中插拔任何器件之前，先断电，以免损、在调试过程中插拔任何器件之前，先断电，以免损坏元器件；坏元器件；3 3、严禁将任何电源对地短路；、严禁将任何电源对地短路；4 4、所有连接均在断电情况下操作。、所有连接均在断电情况下操作。
35、二）二）、调试准备、调试准备1 1、光电技术创新综合实验仪（带结构件）一台、光电技术创新综合实验仪（带结构件）一台2 2、硅光电池实验单元一块、硅光电池实验单元一块3 3、示波器一台；、示波器一台；4 4、万用表一块；、万用表一块；5 5、电烙铁一台、电烙铁一台6 6、焊锡丝若干、焊锡丝若干三）、调试说明三）、调试说明1 1、本说明书调试使用的光源为卤素灯，从实验仪主板、本说明书调试使用的光源为卤素灯，从实验仪主板上引出。上引出。2 2、调试之前确保各接插件方向准确无误，元器件之间、调试之前确保各接插件方向准确无误，元器件之间连接良好，杜绝虚连现象的发生。连接良好，杜绝虚连现象的发生。3 3、
36、调试工作务必认真仔细。、调试工作务必认真仔细。四）、调试步骤四）、调试步骤1 1、电源单元调试、电源单元调试1)1)将硅光电池实验模块插入主机箱体的插槽中。将硅光电池实验模块插入主机箱体的插槽中。2)2)打开实验仪开关，测试主板上标有打开实验仪开关，测试主板上标有+5V+5V，-5V-5V接口对接口对GNDGND的电压是否分别为的电压是否分别为+5V+5V和和-5V-5V，允许误差范围为，允许误差范围为5%5%。3)3)若若2 2结论正确，打开硅光电池实验模块结论正确，打开硅光电池实验模块“电源电源”开关开关K1K1，观察指示灯，观察指示灯LED1LED1及及LED2LED2发光是否正常。发光
37、是否正常。该处电路可能出现的问题：该处电路可能出现的问题：a a、电解电容、电解电容E1E1、E2E2极性弄错，焊接错误。极性弄错，焊接错误。b b、贴片发光二极管、贴片发光二极管LED1LED1、LED2LED2极性弄错，焊接错误。极性弄错，焊接错误。C C、电路某处有短路。、电路某处有短路。2 2、特性实验调试、特性实验调试1 1）打开实验仪电源，调节照度计）打开实验仪电源，调节照度计“调零调零”旋钮，至旋钮，至照度计显示为照度计显示为“000.0”“000.0”为止，关闭实验仪电源；为止，关闭实验仪电源；2 2）J14J14连接连接GNDGND，J1J1连硅光电池正极，连硅光电池正极，J
38、2J2连硅光电池连硅光电池负极，负极，J6J6连连J13J13。3 3）卤素灯光源套筒红黑插孔分别与实验仪主板卤素）卤素灯光源套筒红黑插孔分别与实验仪主板卤素灯供电灯供电012V1012V1和和GND1GND1相连，相连，012V1012V1和和GND1GND1分别连分别连接实验仪上电压表的正负插孔。接实验仪上电压表的正负插孔。4 4）调节光照度调节电位器使光照强度为）调节光照度调节电位器使光照强度为0 0，即照度计，即照度计显示为显示为0 0，按下开关，按下开关K1K1和和K2K2，同时保证其余开关都，同时保证其余开关都弹起。调节模块上的弹起。调节模块上的W1W1，使，使TP3TP3电压为电
39、压为0 0；5 5）调节光照度调节电位器改变光源光照强度，用示）调节光照度调节电位器改变光源光照强度，用示波器波器CH1CH1和和CH2CH2分别观察分别观察TP1TP1和和TP2TP2的电压，两点电压的电压，两点电压应随光照强度的增大而增大。应随光照强度的增大而增大。、简易照度计电路调试、简易照度计电路调试1 1）打开实验仪电源，调节照度计）打开实验仪电源，调节照度计“调零调零”旋钮，至旋钮，至照度计显示为照度计显示为“000.0”“000.0”为止，关闭实验仪电源；为止，关闭实验仪电源；2 2）J5J5连连J13J13，调节光照度调节电位器使光照强度为，调节光照度调节电位器使光照强度为0
40、0，即照度计显示为，即照度计显示为0 0，按下开关，按下开关K1K1和和K3K3，同时保证，同时保证其余开关都弹起。调节模块上的其余开关都弹起。调节模块上的W1W1，使，使TP3TP3电压为电压为0 0；3 3）调节光照度调节电位器改变光源光照强度，用示）调节光照度调节电位器改变光源光照强度，用示波器波器CH1CH1和和CH2CH2分别观察分别观察J5J5和和TP3TP3的电压，两点电压的电压，两点电压应随光照强度的增大而增大。应随光照强度的增大而增大。实验六实验六 红外报警设计红外报警设计 一、原理一、原理 光电报警系统是一种重要的监视系统，目前其种类光电报警系统是一种重要的监视系统，目前其
41、种类已经日益增多。有对飞机、导弹等军事目标入侵进行已经日益增多。有对飞机、导弹等军事目标入侵进行的报警系统，也有对机场、重要设施或危禁区域防范的报警系统，也有对机场、重要设施或危禁区域防范进行报警的系统。进行报警的系统。现实生活中，随着时代的不断进步，人们对自己所现实生活中，随着时代的不断进步，人们对自己所住环境的安全性提出了更高的要求，尤其是在家居安住环境的安全性提出了更高的要求，尤其是在家居安全方面，不得不时刻留意那些不速之客。现在很多小全方面，不得不时刻留意那些不速之客。现在很多小区都安装了智能报警系统，因而大大提高了小区的安区都安装了智能报警系统，因而大大提高了小区的安全程度，有效保证
42、了居民的人身财产安全。由于红外全程度，有效保证了居民的人身财产安全。由于红外线是不可见光，有很强的隐蔽性和保密性，因此在防线是不可见光，有很强的隐蔽性和保密性，因此在防盗、警戒等安保装置中得到了非常广泛的应用。盗、警戒等安保装置中得到了非常广泛的应用。原理图原理图 实验报警系统的频率设在实验报警系统的频率设在40KHZ40KHZ。本实验自拟一个简。本实验自拟一个简单的红外报警设计实验系统，由图单的红外报警设计实验系统，由图2-12-1所示的四个部分所示的四个部分组成。组成。发射系统包括调制信号和红外发射二极管，发射红发射系统包括调制信号和红外发射二极管，发射红外调制光。在发射系统和接收系统之间
43、有红外光束警外调制光。在发射系统和接收系统之间有红外光束警戒线，当警戒线被阻挡时，接收系统发出指示信号，戒线，当警戒线被阻挡时，接收系统发出指示信号，此信号经放大，驱动报警电路发出报警信号。此信号经放大，驱动报警电路发出报警信号。二、红外驱动调制单元二、红外驱动调制单元 用用NE555NE555定时器构成多谐振荡器用来产生调制信号。定时器构成多谐振荡器用来产生调制信号。NE555NE555内部结构原理如下图内部结构原理如下图2-22-2所示：若不用所示：若不用5 5脚时，当脚时，当2 2脚外加电压小于脚外加电压小于 V Vc c（电源电压）时，比较器（电源电压）时，比较器2 2翻转，导翻转，导
44、致致RSRS触发器翻转，管脚触发器翻转，管脚3 3输出高电平。同时晶体管输出高电平。同时晶体管Q Q截止，截止，使脚使脚7 7内部开路。当内部开路。当6 6脚外加电压高于脚外加电压高于 V Vc c时，比较器时，比较器1 1翻翻转，导致转，导致RSRS触发器翻回，管脚触发器翻回，管脚3 3输出低电平。同时晶体输出低电平。同时晶体管管Q Q导通，使脚导通，使脚7 7内部近似接地。若管脚内部近似接地。若管脚5 5外加比较电压，外加比较电压，则则NE555NE555在外加比较电压下工作。比较器在外加比较电压下工作。比较器1 1或比较器或比较器2 2的的翻转阈电平由管脚翻转阈电平由管脚5 5外加比较电
45、压在电阻外加比较电压在电阻R R上的分压决定。上的分压决定。该单元由该单元由NE555NE555构成多谐振荡器，产生频率可调的方构成多谐振荡器，产生频率可调的方波信号。波信号。电路图电路图图图 2-2 555内部内部组组成成调制信号产生单元的实用电路如下图调制信号产生单元的实用电路如下图2-32-3所示。所示。图中图中R6R6为基级偏置电阻，为基级偏置电阻，R7R7为限流电阻，为限流电阻，Q1Q1为三极管，为三极管，T2T2和和T3T3外连红外发射二极管外连红外发射二极管BT401.BT401.图图2-3 红外驱动调制单元原理图红外驱动调制单元原理图 NE555 NE555构成多谐振荡器构成多
46、谐振荡器 由电源电压由电源电压VCC(+5V)VCC(+5V)对对R4R4、D11D11、电容器、电容器C3C3充电，即充电，即芯片芯片2 2脚和脚和6 6脚的电压按指数规律上升，由于二极管脚的电压按指数规律上升，由于二极管D11D11的短路作用，其充电时间常数为的短路作用，其充电时间常数为R4C3R4C3。当芯片当芯片2 2脚，也即电容脚，也即电容C3C3电压低于电压低于1/3VCC1/3VCC时，时，3 3脚输脚输出电压出电压V V0 0为高电平，为高电平，7 7脚内部开路。直到当脚内部开路。直到当A A点电压上升点电压上升到到2/3VCC2/3VCC时，时，3 3脚输出电压脚输出电压V
47、V0 0为低电平，同时为低电平，同时7 7脚近似脚近似接地，电容器接地，电容器C3C3通过通过R5R5至至7 7脚放电。放电时间常数为脚放电。放电时间常数为R5C3R5C3。电路中的参数设置，是让信号产生单元产生的频率电路中的参数设置，是让信号产生单元产生的频率在在40KHZ40KHZ时，占空比约为时，占空比约为0.50.5，与实际的安防装置频率，与实际的安防装置频率相相似。相相似。使输出电流大于或等于红使输出电流大于或等于红外发光管的最小工作电流外发光管的最小工作电流 。同时发光管必需串联一。同时发光管必需串联一个限流电阻个限流电阻 ，使输出电，使输出电流小于或等于发光管的最流小于或等于发光
48、管的最大工作电流。大工作电流。图中图中R6R6为基为基级偏置电阻，级偏置电阻，R7R7为限流电为限流电阻，阻，Q1Q1为三极管，为三极管，T2T2和和T3T3外连红外发射二极管外连红外发射二极管BT401.BT401.红外发光管红外发光管BT401BT401的驱动电路的驱动电路 用用NE555NE555组成振荡器来做红外发光管组成振荡器来做红外发光管BT401BT401的驱动时，的驱动时，由于红外发光管由于红外发光管BT401BT401的工作电流约的工作电流约30mA30mA，NE555NE555输出输出功率不够，因此需加一个三极管驱动电路。功率不够，因此需加一个三极管驱动电路。设发光管最大工
49、作电流为设发光管最大工作电流为 Imax,Imax,最大工作电流时最大工作电流时正向压降为正向压降为Vm Vm，则限流电阻，则限流电阻Rf Rf 取值为取值为参考电路如上图参考电路如上图2-3所示。所示。图中图中R6为基级偏置电阻，为基级偏置电阻，R7为限流电阻，为限流电阻，Q1为三极管，为三极管，T2和和T3外连红外发射二极管外连红外发射二极管BT401.（式（式2-1）三、探测信号处理单元三、探测信号处理单元探测信号处理单元原理图探测信号处理单元原理图图2-4探测信号处理单元原理图如图所示，如图所示，T6T6与与T7T7外连外连2CU2B2CU2B光敏二极管，反向接入电光敏二极管，反向接入
50、电路，作为接收系统的感光器件。路，作为接收系统的感光器件。LF353LF353构成放大电路。构成放大电路。从主放大器从主放大器来的交流信来的交流信号经二极管号经二极管D13D13检波，再检波，再经经R17R17、E5E5低低通滤波器后通滤波器后得到直流电得到直流电压，送入比压，送入比较放大器的较放大器的反向输入端反向输入端6 6脚。脚。比较放大器比较放大器另一个另一个 LF353/2 LF353/2构成比较放大器。比较放大器的反向构成比较放大器。比较放大器的反向输入端输入端6 6脚加来自主放大器的信号电压。比较放大器脚加来自主放大器的信号电压。比较放大器的同向输入端的同向输入端5 5脚加某一偏