| 要 點(diǎn)
光敏電阻器可以啟動(dòng)簡(jiǎn)單的照明傳感器。
光電二極管提高了檢測(cè)精度,加快了響應(yīng)時(shí)間。
集成的放大器簡(jiǎn)化了模擬接口問(wèn)題。
數(shù)字輸出的光電傳感器適合于直接與邏輯電路的連接。
彩色光電傳感器達(dá)到了新的精度/低成本點(diǎn)。 光能級(jí)的精確檢測(cè)在汽車、消費(fèi)以及工業(yè)設(shè)備的應(yīng)用中有無(wú)限的前景。新一代光電傳感器簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)師的任務(wù),以最低成本實(shí)現(xiàn)色彩分析。
隨著冬天的結(jié)束,白晝逐漸加長(zhǎng),光的威力開始清晰體現(xiàn)。它的影響遍及所有事物和所有人：植物努力生長(zhǎng)以吸收盡可能多的陽(yáng)光,人們也總是在陽(yáng)光燦爛的日子里才心情舒暢。所有小學(xué)生都明白這個(gè)道理：光是生命之源,如從近紫外光中汲取能量而茁壯生長(zhǎng)的熱帶珊瑚,還有那些在無(wú)雪覆蓋的短暫時(shí)間里開花的北極植物。對(duì)于各種植物,有機(jī)體響應(yīng)的不僅是光的強(qiáng)度,而且還有光照中的頻譜內(nèi)容。很多應(yīng)用既要用到光照強(qiáng)度,也要求頻譜內(nèi)容,或者兩者兼俱。例如水族箱主人會(huì)嘗試為魚類合成自然光線,另外還有材料分析和宇宙探索這些科學(xué)研究。在制造業(yè)中,通常會(huì)在自動(dòng)分撿設(shè)備中使用顏色檢測(cè),而低級(jí)的光傳感器則會(huì)出現(xiàn)在很多產(chǎn)品中,從安保照明到兒童玩具。
這些應(yīng)用以及其它很多應(yīng)用都要依賴于光電檢測(cè)器,這是一個(gè)經(jīng)常被忽視的市場(chǎng),而現(xiàn)在它正受到消費(fèi)電子的強(qiáng)勁推動(dòng),如手機(jī)和液晶電視。由于消費(fèi)者渴望在更小的外殼中裝入越來(lái)越多的功能,光電檢測(cè)器正在降低系統(tǒng)功耗方面扮演重要的角色,即有助于使耗電的 LED 背光適應(yīng)周圍的光照水平。常用光電傳感器的另一個(gè)增長(zhǎng)中的領(lǐng)域是更廣泛的照明業(yè),這里對(duì)能效的需求影響著地球的生態(tài)健康。還有更多復(fù)雜的裝置可以用于分析光譜的 RGB（紅、綠、藍(lán)）組成,并正逐步進(jìn)入家居應(yīng)用,如氣氛照明控制等。這些部件的高精度可以降低很多系統(tǒng)的成本,如工業(yè)自動(dòng)化和醫(yī)療儀器。那么,現(xiàn)在的產(chǎn)品設(shè)計(jì)師都能找到哪些光控器件,這些模擬部件與數(shù)字系統(tǒng)接口時(shí)應(yīng)注意什么？
在考慮所有器件和接口方式以前,先來(lái)回顧一下有關(guān)光的基礎(chǔ)知識(shí)以及光電檢測(cè)的機(jī)理�？赡芎芏喙こ處煏�(huì)認(rèn)為這些不過(guò)是中學(xué)物理知識(shí),但作這種復(fù)習(xí)對(duì)光電檢測(cè)的實(shí)際應(yīng)用還是有好處的。課本中說(shuō),光是材料中的原子“由于熱、化學(xué)或其它反應(yīng)”而釋放能量的產(chǎn)物。此外,電磁波譜的光波范圍從大約 3000 nm 的遠(yuǎn)紅外到大約 300 nm 的紫外,而人類只能感受從 700 nm ~ 400 nm 之間一個(gè)較小窗口內(nèi)的顏色。雖然電磁波譜中的各個(gè)波長(zhǎng)之間沒(méi)有等級(jí),但攝影師通常會(huì)對(duì)可見光作下述劃分：藍(lán)色從 400 nm ~ 500 nm,綠色從 500 nm ~ 600 nm,而紅色從 600 nm ~700 nm。人眼對(duì)超出這個(gè)范圍以外的波長(zhǎng)幾乎沒(méi)有感受能力,根據(jù)彩色視覺(jué)的 Young-Helmholtz 理論,這是因?yàn)槿搜垡暰W(wǎng)膜上的三類圓錐感受器分別響應(yīng)短、中、長(zhǎng)波可見光。這一理論亦解釋了一個(gè)事實(shí),即可以通過(guò)三原色（紅、綠、藍(lán)）的適當(dāng)混合,合成任何顏色。
每個(gè)波長(zhǎng)都有一個(gè)相關(guān)的能級(jí),表示為電子伏特(eV),它對(duì)半導(dǎo)體的選擇有直接影響。不同的半導(dǎo)體材料有不同的 eV 帶隙能量,它表示在限定且極有限光譜部分的峰值光敏度。光的能級(jí)與檢測(cè)的波長(zhǎng)就決定了哪種材料最適合某種應(yīng)用。最重要的是,光電檢測(cè)是一個(gè)量子過(guò)程,因?yàn)橐粋�(gè)光子的能量與其波長(zhǎng)成反比,對(duì)于確定量的入射光,每秒鐘到達(dá)檢測(cè)器的光子數(shù)量與光子的波長(zhǎng)呈線性比例。因此,一個(gè)檢測(cè)器的量子效率會(huì)隨著波長(zhǎng)的增加而增加。最新物理學(xué)理論認(rèn)為,理想光電二極管（最常見的檢測(cè)器類型）的響應(yīng)度表示為,每瓦光輸入功率的電輸出安培數(shù),是光子波長(zhǎng)微米值的 0.807 倍：
Rideal = 0.807lmm mA/mW
在實(shí)際應(yīng)用中,在 0.4mm ~ 1mm 區(qū)域內(nèi)工作的硅光電二極管只有這個(gè)理想值的 30%左右。理想響應(yīng)度與器件實(shí)際響應(yīng)度之比就是量子效率(h),這個(gè)值在很多器件的數(shù)據(jù)表中都可以看到。
LDR 簡(jiǎn)化光控繼電器
有件事可能大多數(shù)人都不記得了,那就是光電檢測(cè)器的出現(xiàn)比硅時(shí)代要早幾十年。許多早期實(shí)驗(yàn)者利用了材料的光敏特性,用銅氧化物技術(shù)手工制造出了光電管。具體工藝是將一塊薄銅片的某個(gè)小局部加熱至紅熾,在銅片處在熾熱狀態(tài)時(shí)沉淀一滴強(qiáng)堿性溶液,然后將一根純銅線按壓在氧化區(qū),構(gòu)成第二個(gè)電極。西門子公司最先制造出硒電池,它在一個(gè)帶鉑電極的云母基板上使用硒,硒電池是一種非常精致的光生伏打器件,電話發(fā)明人 Alexander Graham Bell 早在 1879 年就將其用于光電通信連接的檢測(cè)器。由于構(gòu)造一個(gè)簡(jiǎn)單光度計(jì)只需一支微安計(jì),這種相當(dāng)笨重而不太靈敏的檢測(cè)器技術(shù)一直應(yīng)用于相機(jī)曝光表中,直到20世紀(jì) 70 年代中期出現(xiàn)了所謂“藍(lán)光敏感”的光電二極管。后者有接近人眼的響應(yīng)特性,能夠制造出通過(guò)鏡片測(cè)光的微型系統(tǒng)。
今天,一種傳統(tǒng)技術(shù)正廣泛使用在各種光控繼電器應(yīng)用中,如兒童玩具以及街道燈,這就是光敏電阻器（LDR）,如其名所示,它是光致電阻,而不是光生伏打。這種雙端器件中通常含一層燒結(jié)的硫化鎘（CdS）成份,經(jīng)真空沉積在一個(gè)陶瓷基板上,并用光刻技術(shù)刻出形狀。封裝形式可以有許多類型,從大批量成本低至 0.10 美元的薄漆膜封裝,到每支數(shù)美元的密封的晶體管式金屬外殼封裝;歐姆觸點(diǎn)將其連接到引線。這種傳感器沒(méi)有結(jié)點(diǎn),它是一種體效應(yīng)器件,即它的體電阻率會(huì)隨著入射光強(qiáng)度的增加而成比例地減小。理想情況下,元件電阻 K 的變化符合下式：K = log(R1/R2) / log (E2/E1),其中 R 表示在光強(qiáng)度 E 時(shí)光電管的電阻值。
描述一支光電管電阻值的業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)方法是使用一個(gè)鎢絲燈泡,該燈泡發(fā)出光線的相關(guān)色溫為 2856°K,數(shù)據(jù)表上經(jīng)常把它叫做“CIE 標(biāo)準(zhǔn)光源 A”（CIE 是國(guó)際色彩委員會(huì)的簡(jiǎn)稱）。CIE 是一個(gè)參考組織,它涉及所有有關(guān)光線的問(wèn)題,從街道燈、游泳池照明,直到色彩描繪的定義以及所有測(cè)量慣例等。在自由空間中,2856°K 鎢光源的輸出可以與太陽(yáng)大約 5900°K 的黑體輻射相比較（在地球表面,由于存在二氧化碳、水蒸汽等大氣成份,太陽(yáng)光譜有吸收帶,見圖 1）。因?yàn)橐粋�(gè)真正黑體輻射物的光譜輸出只依賴于溫度,鎢燈的能量通常在可見光譜部分,且進(jìn)入紅外區(qū)域,因此它是一個(gè)很實(shí)用的近似體。數(shù)據(jù)表中描述的是黑色條件下以及照明強(qiáng)度為一個(gè)以上勒克斯（lx）時(shí)的電阻值。根據(jù)照度的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量方法,1勒（ lx） 代表每平方米面積上有1流明光通量,因此,這是某一表面上輻射能量的一種測(cè)量方式,在 540E12 Hz 頻率（或人眼響應(yīng)中心的 555 nm）下的標(biāo)準(zhǔn)值為 1.46 mW。與之作比較,普通室內(nèi)照明強(qiáng)度通常在 250勒~400勒,直射陽(yáng)光超過(guò) 100000勒。商用 LDR的 動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)好幾倍,能適應(yīng)從月光到日光的應(yīng)用。 
商用 LDR 在其量程的中點(diǎn)也具有良好的線性,它們的電阻特性使它們也很容易應(yīng)用于分壓電路。它們還有低噪聲、低失真以及無(wú)階躍的響應(yīng)特性,因而這些器件可以替代音響以及類似增益控制應(yīng)用中的電位器。Silonex 等供應(yīng)商的光阻式光電耦合器為這種快被遺忘的模擬控制概念提供了一個(gè)最新選擇。LDR的其它優(yōu)點(diǎn)包括高靈敏度、基本類似于人眼的光譜響應(yīng)等。大多數(shù)器件的峰值響應(yīng)都在約550 nm處,但也可以調(diào)整基本材料的構(gòu)成,在515 nm~615 nm區(qū)間提供嚴(yán)格定義的峰值,而在其中增加一根硒線可以將峰值靈敏度擴(kuò)展至725 nm（圖2）。但是,由于傳感器的電阻依賴于其薄膜的微結(jié)構(gòu),所以一般已定條件下的電阻值覆蓋范圍的比率是3:1,在允許的 -40℃ ~ +75℃工作溫度范圍內(nèi),溫度系數(shù)性能為正數(shù),約為 +0.4%/℃。這種材料的其它缺點(diǎn)還有響應(yīng)時(shí)間慢,要數(shù)百毫秒才能穩(wěn)定,以及記憶效應(yīng)差,在高亮度下曝光后可能要數(shù)天以后才能恢復(fù)。
代表性的LDR供應(yīng)商包括 Hamamatsu、Perkin-Elmer、Silonex和 Tesla Blatna。例如,Perkin-Elmer獲得廣泛應(yīng)用的VT935G采用了一個(gè)保護(hù)性的環(huán)氧涂層,以盡量降低家居照明這類良性環(huán)境下的成本。它的暗阻超過(guò)1MΩ,三個(gè)亮光組在10lux時(shí)平均值跨越從18.5 kΩ~40.5 kΩ范圍。該公司亦提供各種光電管系列,采用密封的金屬/玻璃外殼封裝,包括TO-5、TO-8和TO-46外殼。Silonex的NSL系列現(xiàn)有耐用的TO-5和TO-18封裝,提供的暗/亮電阻響應(yīng)在全照度下覆蓋50Ω~20 kΩ范圍,在黑暗時(shí)則為100kΩ~880MΩ,都有幾倍的動(dòng)態(tài)范圍。該公司的NSL-21UV401適合用于火焰檢測(cè),它有一個(gè)石英窗口,能夠傳導(dǎo)短波波長(zhǎng),使該器件能夠接收350 nm的近紫外光,而擋住98%的可見光譜。大多數(shù)器件的最大額定電壓都在320V ~ 600V之間,可以用于交流電,Tesla Blatna則比較特別,它提供的 K2553和P2853系列器件可以承受1500V電壓。
對(duì)一個(gè)典型的光控繼電器應(yīng)用而言,LDR與邏輯器件的接口不可能太簡(jiǎn)單,見圖 3,它顯示了采用 Perkin-Elmer VT90N2的最低成本消費(fèi)類產(chǎn)品部分。圖中,施密特觸發(fā)器U1A將偏置電阻器R3和LDR之間接點(diǎn)上電平與自己的供電電壓作連續(xù)對(duì)比,得出控制電源開關(guān)的觸發(fā)器信號(hào)。用電位器和一個(gè)限流電阻器代替R3以增加開關(guān)閾值控制,這種方法經(jīng)常出現(xiàn)在控制鹵素泛光燈的被動(dòng)紅外運(yùn)動(dòng)檢測(cè)器上。另一種評(píng)測(cè)環(huán)境光強(qiáng)度同時(shí)提供自動(dòng)校驗(yàn)功能的方法是將偏置電阻器與LDR之間的結(jié)點(diǎn)連接到一個(gè)微控制器的ADC上。在電池供電工作情況下,將LDR低側(cè)連
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