2、光敏Z-元件伏安曲線的光敏特性

在測試光敏Z-元件的光敏特性時，采用不同波長的光源會有較大的差異。我們使用的光源是波長為600nm左右的光源，經測量，當E1=0lx、E2=300lx、E3=600lx、E4=900lx時，其正向伏安特性曲線均在第I象限，E2=300lx時的伏安特性表現為：O、P2、f和m；E3=600lx時為：O、P3、f和m；E4=900lx時為：O、P4、f和m。第III象限中，光敏Z-元件的反向電流IR隨照度的增加而增大。在光敏Z-元件靈敏度參數中，反向靈敏度SR可達800mV/100lx。閾值靈敏度Sth可達-80mV～ -200mV/100lx。

????3、Z-元件的光伏特性

??? 光伏特性是指光敏元件在光的照射下，元件產生電動勢（光電池、光電二極管有良好的光伏特性），當把電阻與電流表串聯接到該光敏元件的正、負極上，電流表中有電流產生，這一特性就稱為光（生）伏（特）特性。Z-元件的光生伏特電動勢（R→∞）為200mV～300mV，該元件的短路電流可達60mA。

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三、典型工作電路

??? 光敏Z-元件與溫敏Z-元件僅從伏安特性的走勢上看，很難被加以區分。唯一的辦法是從外觀上觀察，溫敏Z-元件的管芯外包封的是不透明的樹脂，而光敏Z-元件管芯外包封的是透明的樹脂。由于光敏和溫敏Z-元件具有相似的伏安特性，光敏Z-元件的典型工作電路、解析圖和信號波形圖等都與溫敏Z-元件的相同。

??? 光敏Z-元件的典型工作電路[4]有三種：

（1）光敏Z-元件的正向應用，此時輸出開關信號。當無光照時，其輸出電壓VO為低電平VOL，VOL≤0.4V；有光照時，其輸出電壓VO為高電平VOH，VOH≥5.0V。這種輸出正階躍開關信號的電路，負載電阻RL的一端接地，若將Z-元件與電阻RL互換位置，把Z-元件負極接地，則該電路就輸出負階躍開關信號，這時VOH＞5.0V，VOL=Vf。

（2）光敏Z-元件的反向應用，此時輸出模擬信號。

（3）組成鋸齒波振蕩電路。在輸出負階躍信號的電路中，使RL=15kΩ～33kΩ，并在RL兩端并聯一只0.022μF～0.1μF的電容器，就組成了一個鋸齒波振蕩電路。該電路鋸齒波信號的頻率f（Hz）是照度E（lx）的函數，對照度而言，頻率的靈敏度為正；同時，鋸齒波的幅值Vp也是照度E的函數，對照度而言，幅值的靈敏度為負。

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四、光電三端傳感器

1、無溫漂MG-1型光電開關
??? 該光電開關（見圖3）由光接收電路、溫度補償電橋和比較器電路等三部分組成。
??? 在電路圖中，Z、C1、RL組成光接收輸入級，光源可以是波長范圍450nm～900nm中的任何一種。C1的作用是防止開機時電源電壓的沖擊，使Z-元件進入低阻飽和導通M3區工作，它也可以不用。選擇負載電阻RL則確保Z-元件在使用溫度范圍內，穩定工作在高阻的M1區。通常使E≤Vth，并調節RL使VA≈（0.4～0.5）E。電路中，R、R1和C2組成一個消除溫漂信號的補償電橋。電橋的輸入信號是光敏Z-元件的輸出即VA，電橋的輸出信號為VBC，該信號送到下級比較器，由于該電橋加入了慣性電子元件C2，當無光照時，VBC=S+15(mV)，電阻R1可以根據下式計算：

R=2（S+15）R/VA????????????????????????????????? （1）

其中，S—比較器比較靈敏度[mV]； R—橋臂電阻[kΩ]；VA—光接收輸入級A點的輸出電壓[mV]。

盡管Z-元件有一定的溫漂，即VA隨T（℃）而變化，但是環境的溫度變化極為緩慢，通常它的變化率dT（℃）/dt≤0.5℃/min，這樣的溫度變化率，相當于VA具有±（0.5mV～1mV）/S的溫漂。加入C2后，VB電壓變化的時間常數τ≈RC2，該點電壓即VB穩定所需的時間t≈5τ=5RC=5（s）。這就表示，由于采用了具有慣性元件的補償電橋，不管環境溫度是上升還是下降，始終保持VB=S+15，VB＞VC，且比較器輸出VO= VOL為低電平。當有光照時，光敏Z-元件的輸出VA為一個正階躍信號的輸出，見圖3（b）。由于C點無慣性元件，B點有慣性元件，光照開始t=0后的一段時間內，VC＞VB，使比較器輸出一個高電平VO= VOH；當B點充電結束后，Z-元件仍然回到穩態，即VC＜VB，比較器輸出變為0，V0O變為低電平VCL。MG-1型光電開關電路不受溫度影響，每受到一次光照就輸出一個正脈沖。

??? 2、低功耗MG-2型光電開關
??? MG-2型光電開關由光接收電路、溫度補償電橋和比較器三部分組成。
??? 圖4是MG-2型光電開關電路的光接收輸入級。因為我們要降低輸入級功耗，所以光敏Z-元件工作在反向狀態，此狀態下的常溫電流為2mA～12mA。這樣，一方面降低了功耗，同時Z-元件反向工作的光靈敏度SR[mv/lx]也比正向光靈敏度高。反向工作時輸出阻抗可高達幾兆歐乃至十幾兆歐，為了實現前后級的阻抗匹配，采用一級微功耗由運放構成的跟隨器，跟隨器的輸出VA加到圖3（a）的A點，用以取代由Z-元件、RL和C1構成的無溫漂光電接收的輸入級，比較器、跟隨器為一只微功耗雙運放MAX4471，這樣即構成了一個完整的低功耗MG-2型光電開關電路。該光電開關同樣具有自動溫漂補償功能，無光照與有光照的工作過程及輸出信號的波形圖，均與MG-1的分析相同。

3、高靈敏度MG-3型光電開關
??? MG-3型光電開關由光接收輸入級、溫度補償電橋和比較器三部分組成。為了提高靈敏度，利用了光敏Z-元件Vth參數對光靈敏度高的特點，所以MG-3型光電開關的輸入級是Z-元件。因為光敏Z-元件的Vth不僅對光照的靈敏度很高，同時對溫度也敏感，而Vth值就等于鋸齒波Vf的幅值Vp，所以Vp就會隨著溫度的變化而產生漂移。為了把鋸齒波信號的幅值Vp變成一個直流電平，以便于溫度補償，也為了輸入級與下級的匹配，這里采用由運放構成的跟隨式檢波器電路，見圖5。在圖5（a）中，輸入級的輸出電壓VA接到圖3中的A點，用以取代圖3（a）中光敏Z-元件正向工作的光電接收級，就構成了MG-3型光電開關的完整電路。此電路的Sth靈敏度為負，因此，跟隨式檢波器的輸出VA也是一個光靈敏度為負的直流電平。同時，為了使光照時的VO是一個正脈沖，在光電信號的溫度補償電橋（圖3（a））中，C2由B點改接到了C點。電路中，VA的值等于鋸齒波的幅值減去檢波二極管的正向壓降，而R1的計算仍可用（1）式。在無光照和有光照時，電路中鋸齒波波形圖及各點信號波形圖請看圖5（b）、（c）。

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五、應用示例

??? 1、光電報警器

????該光電報警器是遮光型防入侵光電報警器。電路由MG-2型光電開關、延時電路、開關電路和聲光報警等部分組成，見圖6。信號源是一個振蕩器，可由紅外發光管射出高能光脈沖，信號延時（YS）電路由V1、R1、C、D1組成，觸發電路由R2、V2組成。聲光報警部分由發聲部件HA和發光部件HL組成。工作過程是這樣的：信號源使發光管發出光脈沖，脈寬為 0.2ms、頻率為100Hz。這個連續的脈沖光照在MG-2的光敏Z-元件上，輸出100Hz的正脈沖。在連續正脈沖的作用下， V1向C充電，充電的時間為0.2ms，充電的間隔時間為10ms，每次充電后，C上的電壓uC都接近電源電壓6V；在充電后的9.8ms后，電容器通過R1和MG-2的輸出進行放電。因為充電時間常數小，放電時間常數大，對于反相器D1的輸入而言，uC就是它的輸入電壓。在正常連續光脈沖的作用下，總是輸入高電平，反相器輸出為低電平VOL，可控硅不被觸發，不發出聲光報警信號。當信號源與光敏Z-元件之間有異物遮擋住信號源的光路時，C不能被及時充電，進而放電，直至 uC→UOL時，反相器D1便輸出高電平，V2被觸發導通，從而HL、HA得電，發出聲、光報警信號。

??? 2、電機穩速控制器

??? 有些電子部件或游樂設備對電動機轉速的穩定性要求較高，大都設置了轉速控制電路。電機穩速控制器就是其中一種。

??? 圖7是電機穩速控制器框圖。它包括信號源，單片機、數控電源和MG-3型光電開關。在受控電機M的終端負載轉軸上，安裝著能夠反射光的黑、白（光亮）相間條格的光盤，白條是反光的，黑條不反光。信號源使發光管發出光，由于光盤上白條的反光作用，使照在MG-3上光敏Z-元件上的光就成為一個一個的光脈沖，MG-3的輸出信號VO也就成為與光脈沖同頻率的脈沖信號。把VO送給單片機計數，與設定的轉速比較，當超出允許的轉速誤差范圍就發送控制指令，送給數控電源，調節電機電壓VM，使轉速重新回到設定允許的誤差范圍內。

??? 3、光電式安全控制器

??? 一些機械類生產和加工設備及機電一體化的裝置常有高溫、高壓、密封防泄漏等特點，并有大量的機械運動，為了操作者的安全，往往要采取一些機械的或光電類的安全連鎖電路，使得在不停機、不停電就會產生不安全因素或后果時，自動停機并發出故障信號，從而保證了設備和人身的安全。

??? 圖8是光電式安全控制器的電路構成。

它由信號源、MG-3型光電開關、延時（YS）電路、故障顯示和終端控制電路組成。其工作過程是這樣的：信號源驅動紅外發光二極管發出1000Hz的光脈沖，脈寬占空比為1:1。MG-3光電傳感器接收到光脈沖后，其輸出信號VO也是1000Hz的脈沖信號。該連續的脈沖信號作用到延時（YS）電路后，輸出信號VY始終保持低電平VY=VOL≤0.1V，因而可控硅V3截止，沒有聲、光報警信號產生。固態繼電器SSR則直流側沒有電流，交流側截止，使交流接觸器K不吸合，其常開觸頭K-1和常閉觸頭K-2保持原態，運行的機械裝置繼續正常工作。通常光源與光敏Z-元件之間是被保護的工作空間，光路不被遮擋。當有不可進入光路中的任何異物（被保護的對象）進入光路后，光源所發出的光脈沖由于異物的遮擋，使MG-3的輸出信號VO產生丟失。延時環節YS可在丟失5～7個脈沖后，使其輸出電壓VY由低電平VOL變為高電平VOH ,高電平通過限流電阻R觸發V3使其導通，交流接觸器K吸合。這時常開觸頭K-1閉合，接通剎車電磁鐵迅速剎車，常閉觸頭K-2斷開，使運動部件主軸失電不能運動，從而實現了保護功能。而去除光路中的異物即可重新開機。

六、結束語

??? 光是一個重要的物理量。隨著科學技術的不斷進步，光的產生、檢測和控制等技術正在快速發展。

??? 光敏Z-元件作為一種光的敏感元件，以其較高的性價比、低漂移、低功耗、高靈敏度、長壽命等特點引起了人們的關注，而基于這種元件的三端（或一線）式光傳感器已廣泛的應用于各行業，實現了報警、檢測、自動控制和安全保護多項功能。相信伴隨著制作工藝的進一步成熟，光敏Z-元件一定會發揮更大的作用。