1.4 光传感器

光的检测是植物、动物甚至设备的基本需求。设备研究人员致力于开发光检测技术，并制造出性能卓越的设备。光是一种电磁辐射，其波长比无线电波短得多，频率则高得多。光是一种量子力学现象，以离散的粒子形式存在，这些粒子被称为光子。

什么是光传感器？

光传感器是一种被动传感器，通过检测特定频率范围内的辐射能量来指示光的强度。在电磁波谱中，用于光传感器检测的频率范围从红外线到可见光，甚至延伸到紫外线。

光传感器将光能（以光子的形式）转换为电能（以电子的形式），因此它们也被称为光电传感器、光电探测器或光电设备。

光传感器或光电传感器可以根据受到影响的物理量分为三大类：光敏电阻、光伏型和光发射型。光发射型传感器在暴露于光线下时会产生电能；光敏电阻在受到光照时会改变其电气特性。基于上述分类，可以对以下设备进行分类。

光电发射管： 这种类型的光电设备在受到足够能量的光子撞击时，会从光敏材料中释放自由电子。常用的光敏材料是铯。光子的能量取决于光的波长或频率。

光子的能量公式为：

$E = \frac{hc}{\lambda}$

其中：

$h$ 是普朗克常数（$h = 6.626 \times 10^{-34}$ J·s），

$c$ 是光速（$c = 3 \times 10^8$ m/s），

$\lambda$ 是光的波长。

如果光的频率越高，光子的能量就越高。

光电导管： 这种类型的光电设备在受到光照射时会改变其电阻的电气特性。常用的光电导材料是硫化镉（CdS），它被用于光敏电阻光电池。这些电池中的光电导性是由于光照射到半导体材料上，从而控制通过它的电流。在给定的施加电压下，当光的强度增加时，电流也会增加。

光伏电池： 这种类型的光电设备会生成一个与辐射光能量成正比的电势或电动势。太阳能电池是一种常见的光伏电池，使用硒作为光伏材料。它们是通过将两种半导体材料夹在一起制成的，当光能照射到它们时，会生成大约0.5 V的电压。

光电结二极管： 这种类型的光电设备通常是半导体器件，利用光来控制电子或空穴在结区的流动。光电二极管和光电三极管是这一类别的主要设备。它们是专门为检测应用而设计的。

光敏电阻（LDR）

当受到光能照射时，光电导光传感器会改变其物理特性。光敏电阻是一种常见的光电导设备。光敏电阻是一种半导体器件，利用光能来控制电子的流动，从而控制电流的流动。

最常见的光电导电池类型是光敏电阻（LDR）。顾名思义，光敏电阻是一种半导体器件，其电阻会根据光的存在而改变。光敏电阻的电阻会从黑暗中的数千欧姆高值变化到光照射时的仅几百欧姆，这是通过在材料中产生电子 - 空穴对实现的。

制造光敏电阻最常用的材料是硫化镉（CdS）。其他材料如硫化铅（PbS）、锑化铟（InSb）或硒化铅（PbSe）也可以用作半导体基底。

硫化镉被用于对近红外光和可见光敏感的光敏电阻中。其被使用的原因在于其光谱响应曲线与人眼非常接近。它可以由简单的光源（如手电筒）控制，硫化镉材料的峰值敏感波长约为560 nm到600 nm，处于可见光谱范围内。

硫化镉以锯齿形图案沉积在绝缘体上，如下图所示。

采用锯齿形路径的原因是增加暗电阻，从而降低暗电流。这种电池被封装在玻璃中，以防止基底受到污染。

光敏电阻的符号如下图所示。

最流行的光电导电池类型是 ORP12 硫化镉光电导电池。

ORP12 型光电导电池的特性如下：峰值光谱响应为 610 nm，暗电阻为 10 MΩ，光照时电阻为 100 Ω。

光敏电阻电压分压网络

光敏电阻通常与一个电阻串联，并连接到单一的直流电源上。连接方式如下图所示。

这种连接方式的优点是，在不同光强下，它们的连接点会出现不同的电压。这种连接是一个电压分压网络或电位分压器的例子。原因是光敏电阻的电阻值 $R_{LDR}$ 将决定串联电阻 $R_1$ 上的电压降。

串联连接中的电流是相同的，由于光强的变化导致光敏电阻的电阻值变化，输出电压将通过电压分压公式确定。

输出电压 $V_{OUT} = V_{IN} \times \left( \frac{R_1}{R_{LDR} + R_1} \right)$。

在无光的情况下，光敏电阻的电阻值高达 10 MΩ。在阳光照射下，光敏电阻的电阻值会降至 100 Ω。光敏电阻在不同光强下的电阻变化如下图所示。

光敏开关是光敏电阻的常见应用。光敏电阻开关的电路如下图所示。

这是一个具有继电器输出的光激活开关的光传感器电路。光敏电阻 $R_{LDR}$ 和电阻 $R_1$ 构成一个电压分压网络。在无光的情况下，即在黑暗中，光敏电阻的电阻值为兆欧姆级。基极偏置电压为零，晶体管处于关闭状态。

随着光强的增加，光敏电阻的电阻值降低，偏置电压增加。在由电压分压网络确定的某一点上，偏置电压足够高，使晶体管导通。这反过来又激活了继电器，可以用来控制其他外部电路。

使用 LDR 的光感电路

LDR 开关的灵敏度相对较低。为了提高光感灵敏度，可以进行一些改进。将固定电阻 $R_1$ 替换为电位器 $VR_1$，将晶体管替换为运算放大器，并将光敏电阻纳入惠斯通电桥中。使用光敏电阻的新型且更灵敏的光感电路如下图所示。

电阻 $LDR$、$VR_1$、$R_1$ 和 $R_2$ 构成惠斯通电桥。电桥的两侧 $LDR - VR_1$ 和 $R_1 - R_2$ 形成电位分压器，输出电压分别为 $V_1$ 和 $V_2$。这些电压分别连接到运算放大器的非反相输入端和反相输入端。运算放大器作为差分放大器运行，其输出是两个输入电压 $V_1$ 和 $V_2$ 之差的函数。这也可以被称为带反馈的电压比较器。反馈电阻 $R_f$ 用于提供所需的电压增益。

运算放大器的输出连接到继电器，可以控制外部电路。当由于 LDR 感光而产生的电压 $V_1$ 低于作为参考电压的 $V_2$ 时，放大器的输出改变状态。这导致继电器激活，负载被接通。

随着光强的增加，输出切换回原状态，继电器被关闭。

在这里，当光强较小时，继电器被接通。通过调换光感电阻和电位器的位置，可以反转操作。现在，当光强增加并超过参考电压设定的水平时，继电器被接通。

光电二极管

光电二极管属于光电结器件类别，本质上是一个 PN 结光传感器。它们通常由半导体 PN 结制成，对可见光和红外光敏感。当光照射到光电二极管上时，电子和空穴被分离，从而使结区导通。

光电二极管的构造与普通 PN 结二极管相同。典型的光电二极管如下图所示。

信号二极管和整流二极管上使用的不透明涂层在光电二极管中是不存在的。这使得二极管足够透明，允许光线通过并影响结区的导电性。

光电二极管的符号如下图所示。

工作原理

光电二极管是反向偏置的，即其电流的自然流动方向被偏置，从而只允许非常小的漏电流通过。如果足够能量的光子撞击二极管的结区，会释放出一个电子，如果该电子具有足够的能量，它可能会跨越能垒，从而导致小漏电流的流动。漏电流的大小与结区的光照强度成正比。

光电二极管特性

在无光条件下，光电二极管的电流 - 电压特性与普通二极管相似。与普通二极管类似，当光电二极管正向偏置时，电流呈指数增长。当其反向偏置时，会出现一个称为反向饱和电流的小漏电流，这会导致耗尽区的增加。

当光电二极管用作光传感器时，对于锗型二极管，暗电流约为10 µA，而对于硅型二极管，暗电流为1 µA。暗电流是指在光强为0 Lux时的电流。

使用光电二极管进行光感测

光电二极管可以在两种模式下工作和偏置：光伏模式和光电导模式。

在光伏模式下，光电二极管连接到虚拟地前置放大器。电路如下图所示。

当光子入射时，会产生一个电压，并通过运算放大器进行放大。除了热生成的电流外，由于二极管两端没有直流偏置，因此没有基本的漏电流。

一个类似的电路将光生成的电流转换为电压，并通过运算放大器进行放大，如下图所示。

这些电路利用了运算放大器的特性，即两个输入端的电压为零，从而在没有任何直流偏置的情况下运行二极管。这种运算放大器的配置为光电二极管提供了高阻抗负载，从而实现了与入射光强度相对更宽的电流范围。

在光电导模式下，光电二极管采用直流偏置，由于直流偏置和光感测而流经二极管的电流通过电阻转换为电压，并通过运算放大器进行放大。这种方法通过减小光电二极管的电容来扩大耗尽区。

光电导模式下的光电二极管电路如下图所示。

电容器用于设置输出带宽为 $\frac{1}{2\pi R_FC_F}$，并防止振荡。然而，由于电容器需要充电，存在 $RC$ 延迟。

光电三极管

除了用二极管制造光电结器件外，还可以用三极管制造光传感器。形象地说，光电三极管基本上是一个光电二极管和一个放大三极管的组合。

光电三极管的光电二极管和三极管的表示如下图所示。

光电三极管的符号如下图所示。

在光电三极管中，集电极 - 基极结充当光电二极管。集电极 - 基极结是反向偏置的，并暴露在光源下。该结处的电流通过正常的三极管作用被放大，因此集电极电流较大。

工作原理

光电三极管的工作原理与光电二极管类似。其额外的优势在于能够提供较大的集电极电流，并且比光电二极管更灵敏。光电三极管中的电流是光电二极管中的50到100倍。通过将一个光电二极管连接到普通三极管的集电极和基极之间，可以将其转换为光电三极管。

光电三极管特性

光电三极管基本上是NPN型三极管，其较大的基极端子被电气隔离或未连接。为了控制灵敏度，一些光电三极管允许基极连接。如果使用基极连接，在光子击中表面时，会产生基极电流，并导致集电极 - 发射极电流流动。

为了在集电极 - 基极结处实现反向偏置，集电极相对于发射极处于较高电位。在无光条件下，会有一小部分正常的漏电流流动。当基极端子受到光照时，该区域的电子 - 空穴对数量增加，产生的电流通过三极管作用被放大。

光强、电流和输出电压之间的关系如下图所示。

使用光电三极管进行光感测

一个涉及光电三极管的简单光感测电路如下图所示。

光电三极管的灵敏度取决于三极管的直流电流增益。因此，整体灵敏度（作为集电极电流的函数）可以通过发射极和基极之间的电阻来控制。

对于高灵敏度应用（如光耦合器），使用达林顿光电三极管。它通常被称为光电达林顿三极管，使用第二个双极型NPN结三极管。这个第二个三极管提供额外的放大。

带有第二个三极管的光电三极管放大器电路如下图所示。

光电达林顿三极管的符号如下图所示。

光电达林顿三极管由一个光电三极管组成，其发射极输出连接到第二个较大NPN三极管的基极。光电达林顿器件是一个非常灵敏的探测器，因为总电流增益是个体电流增益的乘积。