成都鐘順科技發(fā)展有限公司 ■ 何海鴻 馮軍帥 李松柏 趙亮

一 引言

半導(dǎo)體光電探測(cè)器以其體積小、重量輕、響應(yīng)速度快、靈敏度高、易于與其他半導(dǎo)體器件集成等優(yōu)點(diǎn)，成為最理想的光源探測(cè)器，廣泛應(yīng)用于光通信、信號(hào)處理、傳感系統(tǒng)和測(cè)量系統(tǒng)。近年來(lái)，半導(dǎo)體光電探測(cè)器正向超高速、高靈敏度、寬帶寬以及單片集成的方向發(fā)展。在市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的作用下，產(chǎn)品在保證性能的同時(shí)，還要考慮成本，低成本、高性能的產(chǎn)品才能在市場(chǎng)中具有競(jìng)爭(zhēng)力。本文通過(guò)對(duì)發(fā)光二極管(LED)、光敏二極管和電荷耦合器件(CCD)進(jìn)行對(duì)比，根據(jù)其特點(diǎn)，選出其中性價(jià)比高、適合于太陽(yáng)探測(cè)的元件設(shè)計(jì)太陽(yáng)方位探測(cè)儀。

二 LED與光敏二極管、CCD的對(duì)比

LED是一種固態(tài)的半導(dǎo)體器件，它可直接將電轉(zhuǎn)化為光，同樣也可感光產(chǎn)生電壓。LED具有體積小(mm級(jí))、壽命長(zhǎng)(數(shù)萬(wàn)h)、檢測(cè)精度高(0.1?左右)、耐候性強(qiáng)、成本低廉且便于安裝使用等優(yōu)點(diǎn)，特別適合于戶外惡劣條件下使用。其感光范圍視材料而定，一般采用硅材料，能感應(yīng)波長(zhǎng)為700～1000nm的光線。LED產(chǎn)生的信號(hào)較強(qiáng)，在強(qiáng)光下實(shí)測(cè)其產(chǎn)生的電壓高達(dá)1.7V。且由于LED是電壓型器件，具有良好的信號(hào)匹配能力，非常易于進(jìn)行信號(hào)采集和控制。LED雖產(chǎn)熱量很少，但散熱能力差，且市場(chǎng)上LED產(chǎn)品的質(zhì)量參差不齊，選材較差的直接影響LED壽命。

光敏二極管具有信號(hào)線性好、響應(yīng)速度快、噪音低、小型輕量以及耐震動(dòng)與沖擊等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)寬波長(zhǎng)范圍的光線具有較高的靈敏度(430～1100nm)，硅光敏二極管的響應(yīng)峰值為940nm。但光敏二極管輸出電流小，產(chǎn)生的信號(hào)弱，易受噪音影響。同時(shí)，由于其屬于電流型器件，信號(hào)匹配能力弱，不易于信號(hào)采集和控制。

CCD對(duì)近紅外較敏感，光譜響應(yīng)可延伸至1μm左右(視材料而定)，其響應(yīng)峰值為綠光(550nm)。CCD的視場(chǎng)角一般在±60?左右，其精度能達(dá)到≤0.05?。用CCD作為光電探測(cè)器，突破了以往光敏元件的局限，其主要優(yōu)勢(shì)在于：CCD有工業(yè)化生產(chǎn)工藝背景支持，有利于光敏感器設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化；CCD具有動(dòng)態(tài)分辨率高、體積小、超低噪聲、光譜響應(yīng)寬等優(yōu)點(diǎn)。雖然CCD的檢測(cè)精度高，但其價(jià)格與前兩種器件相比更昂貴，要考慮實(shí)際情況選用，所以在低成本陽(yáng)光探測(cè)中一般不予選用。

LED、光敏二極管和CCD的對(duì)比見(jiàn)表1。從表中可知，用CCD做太陽(yáng)方位檢測(cè)儀元件，其光電特性很好，但成本過(guò)高，不適合用于低成本探測(cè)儀；光敏二極管成本低，但抗干擾能力差，檢測(cè)精度不高；而LED檢測(cè)精度高且信號(hào)匹配強(qiáng)，即使是惡劣環(huán)境下也不受影響，同時(shí)成本很低，是低成本太陽(yáng)方位探測(cè)儀的首選。本文將以LED作為太陽(yáng)方位探測(cè)元件，進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)和探討。

表1 LED、光敏二極管和CCD對(duì)比

三 LED太陽(yáng)方位探測(cè)器

1 原理

光子是具有能量的粒子，當(dāng)入射光子使電子由價(jià)帶躍升到導(dǎo)帶時(shí)，導(dǎo)帶中的電阻和價(jià)帶中的空穴均參與導(dǎo)電，形成光電流，該現(xiàn)象被稱為光電效應(yīng)。一些半導(dǎo)體材料具有獨(dú)特的光敏特性，即當(dāng)半導(dǎo)體材料受到一定波長(zhǎng)光線的照射時(shí)，其電阻率明顯減小，這個(gè)現(xiàn)象叫半導(dǎo)體的光電導(dǎo)特性。利用這個(gè)特性制作的半導(dǎo)體器件叫光電導(dǎo)器件。LED就屬于光電導(dǎo)器件，在光照下會(huì)產(chǎn)生電壓。

如圖1a所示， LED在光照條件下，會(huì)在其(＋)端和(－)端之間產(chǎn)生電壓，其對(duì)應(yīng)的電路符號(hào)如圖1b所示。其中，A端是(＋)端，K端是(－)端。

LED不同于普通二極管，在反向電壓下工作，其暗電流很小，約0.1μA。在光線照射下，產(chǎn)生“電子－空穴對(duì)”——光生載流子，并參加導(dǎo)電增大反向飽和電流。光生載流子的數(shù)量與光強(qiáng)度有關(guān)，因此，反向飽和電流會(huì)隨著光強(qiáng)的變化而變化。如果在外電路上接負(fù)載，負(fù)載就獲得電信號(hào)，且電信號(hào)會(huì)隨光的變化而作相應(yīng)的變化，即將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓。

2 探測(cè)器設(shè)計(jì)

隨著光照的增強(qiáng)，LED的光照致電效應(yīng)越強(qiáng)烈，產(chǎn)生的電壓也越高。同時(shí)， LED的光照致電效應(yīng)還與入射光的入射角有關(guān)，LED的光照致電效應(yīng)隨著太陽(yáng)光入射角的增加而減弱。根據(jù)這些特性，可設(shè)計(jì)LED太陽(yáng)探測(cè)器。

在數(shù)字量處理電路中，只有“0”和“1”兩種狀態(tài)?！?”視為負(fù)電壓，通常將“1”信號(hào)定義為有效。LED太陽(yáng)探測(cè)器設(shè)計(jì)如圖2所示，圖中兩個(gè)LED緊鄰放置，通過(guò)觀察太陽(yáng)在角平分線不同位置時(shí)，探測(cè)兩個(gè)LED產(chǎn)生電壓情況。探測(cè)信號(hào)真值表見(jiàn)表2。

表2 探測(cè)信號(hào)真值表

LED具有良好的信號(hào)匹配能力，且在強(qiáng)光下產(chǎn)生的電壓高達(dá)1.7V。同時(shí)，LED工作電壓很低(1.5～3V)，工作電流很小(10～30mA)，耗電非常少。因此我們將LED產(chǎn)生的信號(hào)通過(guò)TTL電平處理輸出TTL電平信號(hào)，其流程如圖3所示。

從圖3可知，LED通過(guò)檢測(cè)不同位置光照強(qiáng)度的光源，經(jīng)電壓跟隨轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，送入TTL電平，使其轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)TTL電平信號(hào)。TTL電平信號(hào)有利于計(jì)算機(jī)處理器控制的內(nèi)部數(shù)據(jù)的傳輸：計(jì)算機(jī)處理器控制的內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸對(duì)電源的要求較低，熱損耗也較低；計(jì)算機(jī)處理器控制的內(nèi)部數(shù)據(jù)的傳輸是在高速條件下進(jìn)行，而TTL接口的操作恰能滿足此要求。標(biāo)準(zhǔn)TTL電平信號(hào)可直接驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)模塊，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行相應(yīng)地旋轉(zhuǎn)，以檢測(cè)太陽(yáng)方位并進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤。

四 結(jié)論

該LED太陽(yáng)方位探測(cè)儀的特點(diǎn)是檢測(cè)精度高、耐候性強(qiáng)、使用方便，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單可靠，使用的關(guān)鍵器件LED在市場(chǎng)上極易購(gòu)得，系統(tǒng)成本也極低。同時(shí)，TTL電平信號(hào)直接與集成電路連接，不需要價(jià)格昂貴的線路驅(qū)動(dòng)器及接收器電路，極大地降低了成本，大大提高了LED太陽(yáng)方位探測(cè)儀的性價(jià)比。在光伏產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展的今天，低成本、高精度、高可靠性的太陽(yáng)方位探測(cè)儀是跟蹤式光伏發(fā)電機(jī)的必備器件。同時(shí)本儀器也可以用于衛(wèi)星姿態(tài)校正、光通信，以及其他需要跟蹤光源的領(lǐng)域。本文設(shè)計(jì)的低成本LED太陽(yáng)方位探測(cè)儀具有良好的兼容性，能夠滿足大部分用戶的使用，具有廣闊的應(yīng)用前景。

[1]顏曉河, 董玲嬌, 蘇紹興.光電傳感器的發(fā)展及其應(yīng)用[J].電子工業(yè)專用設(shè)備, 2006, 35(1):59－62.

[2]劉鳴, 劉鐵根.光電二極管弱光特性檢測(cè)儀的研制[J].儀器儀表學(xué)報(bào), 2003, 24(4): 83－84.

[3]王慶友.CCD應(yīng)用技術(shù)[M].天津: 天津大學(xué)出版社, 2000.

[4]張燕, 曾光宇, 洪志剛.硅PIN光電二極管探測(cè)系統(tǒng)的研究[J].核電子學(xué)與探測(cè)技術(shù), 2008, 28 (2): 391－393.