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巧用光电开关电路图和工作原理

发布时间:2008-09-03电子产品
[北京创业网-www.09010.com]消息:巧用光电开关种种 硅光敏二极管、硅光敏三极管是一种将光信号转变为电信号的半导体器件,由它组成的光电开关不仅体积
[北京创业网-www.09010.com]消息:巧用光电开关种种

硅光敏二极管、硅光敏三极管是一种将光信号转变为电信号的半导体器件,由它组成的光电开关不仅体积小、寿命长和抗干扰能力强,而且还具有无触点输入和输出等优点,故被广泛地应用在工农业生产、国防军事、天文地理及日常生活等领域中。

在实际应用中,光电开关既有触发式、延时式,又有亮控式和暗控式等,可以说是变化多端、适用性极强,是实现自动控制不可少的重要器件。现介绍多种以光电为开关的实用电路,供读者参考选用。

1.光敏三极管的工作原理

在图38-1中,(a)为亮控式光电开关,(b)为暗控式光电开关。

 

图38-1

在图(a)中,电阻R1与光敏三极管BG1组成BG2管的偏置电路,继电器J为开关电路负载。

当一定波长的光照射到BG1的基极时,便产生光电流,使BG2管基极处低电位而截止,BG2管集电极处高电位,BG3管导通,继电器J得电动作,实现了光电开关的亮控制。

在图(b)中,无光照时,由于光敏三极管BG1的暗阻很大,BG2管基极处高电位导通,继电器J得电动作,这样就实现了光电开关的暗控制。依上述工作原理,可开拓出许多实用性的光电开关电路,今举种种实用电路于后。

2.自控夜间闪光指示灯

在夜间,城市许多地方(如道路施工场地)或野外作业施工的单位,都需要在施工现场安装指示灯,以保证夜间行人及行车的安全。自控夜间闪光指示灯,便具有白天自动关闭而夜间又自动开启闪光、指示的功能。电路简单、安装容易、工作可靠。

自控夜间闪光指示灯的电路如图38-2所示。

 

图38-2

图中,BG1~BG3组成亮控式光电开关电路,BG4、BG5组成自激多谐振荡器,改变电容C1或C2的容量,即可改变闪光指示灯的频率。BG6、BG7组成复合管放大器,以便用较小的电流带动较大的负载。

在白天,BG3管导通,单向可控硅SCR的控制极因无触发电压而关断,自激多谐振荡器电路的电源不通,灯泡ZD不闪亮;进入夜间,BG3管截止,可控硅SCR导通,使多谐振荡器工作,指示灯便一闪一闪地发光,十分醒目。

自控夜间闪光指示灯的印刷电路如图38-3所示。

 

图38-3

3.与电网并用的闪光指示灯

目前,为整顿城市市容,美化城市面貌,都在搞穿过公路敷设地下电缆、地下排水沟等工程建设,这样必需在路面上开沟挖槽,若不安装施工指示灯,将给车辆行驶带来很大危险,因此施工现场都装有安全信号灯。图38-4便是由220V市电经电容降压的夜间光电开关信号灯电路。

 

图38-4

220V市电经电容C1降压、D1~D4桥式整流和DW稳压后,向光电开关电路提供稳定的9V直流电源。白天在强光作用下光电开关阻断,由时基电路NE555构成的振荡器,因电路无电源电压不能工作,双向可控硅SCR1无触发电流而处于关断状态,红色信号灯ZD不亮。

当进入夜晚,BG1因无光照,使光电开关处于通的状态,NE555等组成的振荡器工作,③脚便不断地输出超低频矩形脉冲,触发双向可控硅SCR1不停地导通与关断,使信号灯一闪一闪地发亮。

电路的印刷电路如图38-5所示。

 

图38-5

4.光控路灯

图38-6为光控路灯电路,白天路灯熄灭,夜间路灯自动点燃。

 

图38-6

图中,电容C1、C2和二极管D1及稳压管DW,组成简单的电容降压整流电路,接通电源后获得12V左右的直流电压。三极管BG、光敏二极管D2和双向可控硅等,组成光电开关电路。

在白天,光敏二极管D2因受光照呈低电阻,BG管基极电位下降,使BG截止,电阻R1上无电压输出,故双向可控硅SCR处于关断状态,灯泡ZD不亮。当夜幕降临时,D2因无光照其暗阻增大,使BG基极电位升高而导通,R1上输出的电压触发可控硅SCR导通,路灯得电点亮。调节电位器W,可调节BG基极电位高低,即调整了光控的灵敏度。

在安装时,光敏二极管D2应加有防雨的透明玻璃罩,且安放在能全天被日光照射的地方。D2也可用光敏电阻或光敏三极管。

光控路灯的印刷电路如图38-7所示。

 

图38-7

5.光电自动节水开关

光电自动节水开关的电路如图38-8所示。

 

图38-8

在光照时,BG1产生的电流提供给BG2的基极,使BG2导通,BG3截止,双向可控硅SCR因无触发电压而关断,控制水流的电磁阀不动作,无水流出。当有人去洗手将光线遮住时,BG1暗阻增大,促使BG2截止,BG2集电极电位升高,BG3导通,电阻R2上输出电压,触发可控硅SCR导通,电磁阀线圈得电,使电磁阀打开,水从水管中自动流出。当手离开水池时,光线又直射到BG1上,可控硅因BG3截止而无触发电压输出,又关断,使电磁阀关闭,水流停止。

光电自动节水开关的安装示意,如图38-9所示。

 图38-9

 

光电自动节水开关的印刷电路,如图38-10所示。

 

图38-10

6.自动照明门铃

当天黑以后走廊又没灯光的时候,门铃按钮是不容易找到的,尤其是初访客人,只能敲门行事。如果在门铃按钮开关上装一只发光二极管,天黑后发光二极管能自动闪光,天亮后自动熄灭,则为来访客人提供了方便。

图38-11,就是自动照明门铃的电路。

 

图38-11

合上电源开关K1后,在白天光敏三极管BG1因受光照电阻减小,BG2管基极电位降低,使BG2、BG3均截止,电路停振,发光二极管不亮。

在晚上,由于光敏三极管BG1未受到光照,暗阻增大,BG2的基极电位升高,便使BG2、BG3组成的直接耦合放大器,因电容C1的正反馈作用而振荡工作,发光二极管LED便随着闪闪发光。此时,按下按钮开关K2,继电器J的常开触点闭合,接通音乐门铃电路的电源,即发出“叮嘱”门铃声。

调节W1,不但能改变“叮咚”门铃的音量,又能改变“叮咚”门铃的节奏;调节W2,可改变“叮咚”门铃的音调。

自动照明门铃的印刷电路,如图38-12所示。

 

图38-12

7.光电报警开关

光控报警开关有两种方式,一种是光控开关待报警状态,一直受到光照,当光线受阻时,立即报警;另一种是光控电路在待报警期间不受光照,可一旦受到光照时,立即报警。

光电报警开关的电路,如图38-13所示。

 

图38-13

平时由于外来光线被挡住,光敏三极管呈高阻状态,BG2与BG3导通,而BG4截止,继电器J处于释放状态,后部的报警声响电路因无工作电源,不能报警发声。

当某种原因有光线照在光敏三极管BG1上时,BG2、BG3均截止,而BG4导通,继电器J得电,其常开触点J1闭合,接通报警电路的电源,则立刻报警发声。

光电报警开关的印刷电路,如图38-14所示。

 

图38-14

8.低功耗路灯光电开关

本电路的特点是功耗小,无论白天或晚间其工作电流不大于1mA,若选用6节1号电池,可使用一年时间。

低功耗路灯光电开关电路,如图38-15所示,它是由光电转换部分、与非门、微分电路及控制执行电路四部分组成。

 

图38-15

当有光照时,光敏三极管BG1导通,a点电位达到与非门YF1的开门电平,输出端b点为低电位,则YF2输出高电平,经电容C1和电阻R5组成的微分电路,在C点输出一个正尖峰脉冲,使BG2导通,继电器J1得电吸合,常闭触点J1-1断开,交流接触器CJ断电释放,其自保触点CJ1-1断开,路灯熄灭。

当进入夜晚无光照时,a点为低电位,b点为高电平,经与非门YF3及YF4和电容C2、电阻R6组成的另一微分电路,在d点又产生一正尖脉冲,使三极管BG3导通,继电器J2又瞬间吸合(随即释放)。常开触点J2-1闭合,交流接触器CJ得电动作,CJ1-1又恢复自保,路灯电源被接通点亮。由于继电器J1与J2均采用了瞬间吸合便释放的方法,故电路功耗极小。

与非门是选用CMOS集成电路CO36,2输入4与非门一块。

低功耗路灯光电开关印刷电路,如图38-16所示。

 

图38-16

9.列车灯光控开关

在我国的火车列车上,各车厢的照明灯都是由乘务员手控其亮与熄,遇上隧道较多路段需乘务人员逐车接通开关,很不方便。若采用光电开关,遇有隧道或进入夜间自动点亮,出了隧道或进入白天,灯又自行熄灭。

列车灯光控开关电路,如图38-17所示。

 

图38-17

电路十分简单,每一车厢装一个如图的光电控制开关,便达到了列车灯自控之目的。

列车灯光控开关的印刷电路,如图38-18所示。

 

图38-18

10.光电测光开关

往往有些工作场合(如车间、操作场地等)的光线不足,可又无法去测量,有了光敏元件,利用一块CMOS及少量元件,即可组成一个很好的测光器。

光电测光开关的电路,如图38-19所示。

 

图38-19

图中YF1-YF4为CO36型二输入与非门集成电路,其中,YF1与YF2、电阻R1、R3、电容C1等组成带控端的节拍脉冲发生器;YF3、YF4与电阻R6、R,和电容C2及压电蜂鸣片HTD等,组成带控制端的音频脉冲振荡器。

电源开关K接通后,节拍脉冲发生器和音频脉冲振荡器即开始工作。在节拍发生器部分,YF1与YF2输出的脉冲极性相反,随着振荡脉冲的输出,发光二极管LED1与LED2交替地发光,闪光周期由R3、C1的数值确定,在音频振荡部分,振荡电压从YF4的输出端取出,使HTD发出单频响声,其音频脉冲频率由R7、C2数值确立。

YF1、YF3各有一输入端用来作控制端,控制端输入的电平高与低,将决定两个脉冲发生器是否振荡。输入电平的高低,除调整W的阻值,而更主要是决定光敏三极管BG的变化,这样将电位器W分档刻度,即可达到测光的目的。

为了便于读者选用好光敏二极管和光敏三极管,现对光敏二极管及光敏三极管,做以下简要介绍。

1.光敏二极管的两种工作状态

光敏二极管又称光电二极管,它是一种光电转换器件,其基本原理是光照到P-N结上时,吸收光能并转变为电能。它具有两种工作状态:

(1)当光敏二极管加上反向电压时,管子中的反向电流随着光照强度的改变而改变,光照强度越大,反向电流越大,大多数都工作在这种状态。

(2)光敏二极管上不加电压,利用P-N结在受光照时产生正向电压的原理,把它用作微型光电池。这种工作状态,一般作光电检测器。

光敏二极管分有P-N结型、PIN结型、雪崩型和肖特基结型,其中用得最多的是P-N结型,价格便宜。

2.光敏二极管的简易检测方法

(1)电阻测量法

用万用表1k档,测正向电阻约10kΩ左右。在无光照情况下,反向电阻应为■,则管子是好的,反向电阻不是■,说明漏电流大;有光照时,反向电阻应随光照增强而减小,阻值小至几kΩ或1kΩ以下,管子即是好的;若正、反向电阻都是■或零,管子是坏的。

(2)电压测量法

用万用表1V档(无1V档可用1.5V或3V档),红表笔接光敏二极管的“十”极,黑表笔接“-”极,在光照情况下,其电压应与光照度成比例,一般可达0.2~0.4V。

(3)短路电流测量法

用万用表50mA或500mA电流档,红表笔接光敏二极管的“十”极,黑表笔接“-”极,在白炽灯下(不能用日光灯),应随光照的增强,其电流随之增加,则管子是好的。短路电流,可达数十mA~数百mA。

3.光敏三极管

光敏三极管又称光电三极管,它也是光电转换器件,可以等效的看作是由一个光敏二极管和一只半导体三极管结合而成,故具有放大作用。光敏三极管最常用的材料是硅,一般情况下,只引出集电极和发射极,其外形与发光二极管相同,使用时必须严加区分。

光敏三极管的简易测试方法是:

(1)电阻测量法

用万用表1k档,红表笔接光敏三极管的发射极,黑表笔接集电极。无光照时,指针微动并接近■;有光照时,应随光照的增强,其电阻变小,可达1kΩ以下。

若黑表笔接光敏三极管的发射极,红表笔接集电极,无光照时,电阻为■;有光照时,电阻为■或指针微动。

(2)电流测量法

将电流表串在电路中,用50mA及0.5mA电流档,电路工作电压为10V,无光照时,电流应小于0.3mA;有光照时,应随光照的增强电流增大,在零点几mA-几mA间变化。

光敏二极管的光电流小,输出特性线性度好,响应时间快;光敏三极管的光电流大,输出特性线性度较差,响应时间慢。一般要求灵敏度高,工作频率低的开关电路,选用光敏三极管,而要求光电流与照度成线性关系或要求在高频率下工作时,应采用光敏二极管。

一般光敏三极管的负载电阻,是光敏二极管负载电阻的1/10。无论光敏二极管或光敏三极管,它们不仅对红外线敏感,对较强的日光和灯光也有作用,当光照过强时会使放大电路输出饱和而失控,应加红色有机玻璃滤光,以减少环境光所造成的影响。