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Z-半导体敏感元件原理与应用一

减小字体 增大字体 作者:佚名  来源:本站整理  发布时间:2009-01-11 00:04:46
P1移至P2,并刚好在直线(E,E/RL)上,这时Q2与P2重合。光敏Z-元件开始进入了负阻M2区,Q2点在几微秒之内即达到了f点[5],其坐标为f(Vf,If)。此时输出电压为VO2=VOL=Vf,输出端输出一个负阶跃开关信号。为了得到一个负阶跃开关信号,在照度为L2时,工作点Q2与阈值点Vth2重合,电路中各参数必须满足的条件可用下述状态方程描述: 

E=Vth2+Ith2RL (1) 

其中,负载电阻值RL一般为1~2kW,选择原则是,当在照度L2时,Z-元件工作在M3区,工作点Q2的电压为VZ2=Vf,电流为IZ2=If,电压与电流之积为VfIf=P,并且P≤PM≤50mW。即在功耗不大于50mW的情况下,选择较小的RL,这个开关信号的振幅为DVO: 

DVO=Vth2-Vf (2) 

公式(1)告诉我们为了要得到负阶跃开关信号,E、Vth2、Ith2三者之间的关系。这时还要考虑以下几个问题: 

(1)从图3(a)知道照度L越大,Vth越小,Ith越大,IthRL也越大,DVO将下降,以至会发生因振幅过小满足不了要求的情况;另一方面,过大的照度也是不经济的。也就是说,照度选择要适当。 

(2)在应用的范围内,在无光照不输出负阶跃开关信号的情况下,工作点Q1选择应尽量偏右,这样有利于减小监控或报警照度。 

(3)供电的直流电源应是一个小功率可调电源。在照度L2监控或报警时,其值应与(1)式计算值相等。 

2. 反向应用输出模拟电压信号 

Z-元件反向电流极小,呈现一个高电阻(1~6MW),这个电阻具有负的光照系数,并在较高电压(30~40V)下,不发生击穿现象。图5 为反向应用电路及工作状态解析图。可以看出在无光照时,L1=0,工作点为Q1(VZ1,IZ1),输出电压为VO1,则: 

VO1=E-VZ1=E-IZ1RL 



当光照为L2时,伏安特性上移,工作点由Q1移至Q2(VZ2,IZ2),输出电压为VO2,则: 

VO2=E-VZ2=E-IZ2RL 

反向光电压灵敏度用SR(mV/100lx)表示:

 (3) 

3.M1→M3,M3→M1相互转换,输出脉冲频率信号 

该电路仅需三个元件,用一个小电容器与Z-元件并联,再串联一负载电阻RL,即可构成光频转换器,如图6所示,达到了用光敏Z-元件实现光控脉冲频率的目的。与温敏Z-元件脉冲频率电路相同,在无光照时,电源通过RL对电容器充电,当VC<Vth时,Z-元件工作在M1区,当VC≥Vth时,Z-元件迅速由M1区经M2区工作在M3区。M3区是低阻区,电容器迅速通过Z-元件放电,当放电至VC≤Vf时,Z-元件脱离M3区回到M1的高阻区,电源通过RL重新对电容器充电,如此周而复始重复上述过程,由输出端输出后沿触发的脉冲频率信号。信号频率用f表示: 

 (4) 

t≈RL C 

从式(4)可以看出,光照越强,Vth越小,而Vf基本不变,因而频率上升的越高。在弱光和强光下,Vth灵敏度较低,所以频率灵敏度也较低,在300~1000lx有较高频率灵敏度。RL值选择范围是8.2kW~20kW,C选择范围是0.01mF~0.22mF,E应为(1.5 ~1.8) Vth。数值小的电容器振荡频率较高,也有较高的频率灵敏度,电源电压的范围较窄;数值较大的电容器振荡频率较低,频率灵敏度也较低,但电源电压范围宽。 

五、 光敏Z-元件特性与应用电路总结 

光敏Z-元件的伏安特性与温敏Z-元件的伏安特性是极为相近的,前者的光特性与后者的温度特性也非常相似[6]。 

Z-元件的特性及应用电路可以概括为:一个特殊的点,即阈值点P(Vth,Ith),该点的电压灵敏度为负,电流灵敏度为正。有二个稳定的工作区,即高阻M1区,和低阻M3区。在VZ<Vth时,工作在高阻M1区,在VZ≥Vth时,迅速越过负阻M2区,工作在低阻M3区,当VZ≤Vf时,又恢复到高阻M1区。有三个基本应用电路,即开关电路,反向模拟电路和脉冲频率电路。有四个主要参数:即Vth、Ith、 Vf、IR。 

上述三个基本应用电路参看表2-1、表2-2、表2-3。表2-4是表2-1中RL与Z-元件互换位置后构成的正阶跃开关电路与输出信号波形;表2-5是表2-2中RL与Z-元件互换位置后构成的NTC电路。 

光敏Z-元件的电参数中Vf的温度系数稍小,Vth、Ith、IR三个参数的温度系数稍大。在要求较高的场合,应当采用电路补偿或元件补偿,使之满足设计要求。 
六、 光敏Z-元件应用示例 

1.有温度补偿的光开关电路 

该电路使用两个光敏Z-元件,并做反向应用,要求两个Z-元件的反向电流相等,且反向温度灵敏度温漂DTR相近。其中V2避光、V1用于光照。图7(b)为解析图,无光照的伏安特性为V1(0lx,T1℃)和V2(0lx,T1℃)有温度变化的伏安特性为V1(0lx,T2℃)和V2(0LX,T2℃),V2受光照的伏安特性为V2(Llx,T2℃)。VR为电位器R两端电压,VR1 (VR2)为T1℃(T2℃)时R两端电压,输出电压VO取自R的二分之一阻值点。在缓慢变温的场合,VO始终等于电源电压的二分之一。只有在V2受光照后,其反向电阻变小,IR增大,但是V1、R1、V2串联电路中流过三个元件中的电流相等,电位器R中点电位上升,输出电压VO2升高。达到设定照度后,D1输出由低电平变成高电平,V3导通,继电器吸合触点用于控制其它电路。
 


 

作者:王建林 姜毓锋 付佳旭 祖雪柏 

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作者:佚名

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