ＬＥＤ太陽探測器的原理

何海鴻　張旭東　何　歡

[摘要]介紹光電器件的定義、工作原理，講解探索光電效應影響因素的實驗方法，得出光照對LED光電效應的影響方式，著重探討LED可作為監(jiān)測設備探測太陽光線的原理及優(yōu)勢。

[關鍵詞]LED 光電器件 光電效應 太陽探測器

中圖分類號：O59 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2009）0110041-02

一、定義

（一）光電器件

光電器件是把光和電這兩種物理量聯(lián)系起來，使光和電互相轉化的新型半導體器件。

（二）光電效應

在光線作用下，物體內(nèi)的電子逸出物體表面，向外發(fā)射的現(xiàn)象稱為外光電效應。

我們知道，光子是具有能量的粒子，每個光子具有的能力由下式確定。當入射光子使電子由價帶躍升到導帶時，導帶中的電阻和價帶中的空穴二者均參與導電，形成光電流。該現(xiàn)象被稱為光電效應，其外在表現(xiàn)形式主要有兩種：

1．產(chǎn)生電阻的變化，如光敏電阻；

2．產(chǎn)生電動勢，如光伏電池。

根據(jù)光電效應表現(xiàn)形式的不同，光電器件可分為：利用光敏特性工作的光電導器件及利用光伏打效應工作的光電池和半導體發(fā)光器件等。LED太陽探測器屬于光電導器件，其工作原理將會在后文詳細論述。[1]

二、LED的光電特性

光電器件的工作原理可由其具有的光電效應解釋。下面是以發(fā)光二極管（LED）為例，驗證到光電效應有如下特征：[2]

（一）LED的光電效應

在實驗中，我們觀測到LED在受光條件下在其兩端會產(chǎn)生電壓。

見圖1a：

如圖所示，在圖1a中，發(fā)光二極管（LED）在光照條件下，在其（＋）端和（－）端之間會產(chǎn)生電壓。圖1b是其對應的電路符號，其中A端是（＋）端，K端是（－）端。

（二）LED光電效應的探索實驗

1．光照強度的影響

為探索光照強度對LED光電效應的影響，我們設計以下對比實驗，見圖2。

如圖所示，在圖2中，LED-A的受光量大于LED-B的受光量，因此他們所產(chǎn)生的電壓UA＞UB。

通過實驗我們得出：隨著光照的增強，發(fā)光二極管（LED）的光照致電效應也越強烈，產(chǎn)生的電壓越高。

2．入射光線角度的影響

入射角光線從一種媒質入射到與另一種媒質的交界面時，與界面法線的夾角（小于90°）。通過進一步的實驗，我們發(fā)現(xiàn)發(fā)光二極管（LED）的光照致電效應不僅同光照強度正相關，同時與入射光的入射角也密切相關。見圖3：

如圖所示，在圖3中，LED-B的受光面垂直于入射光線，而LED-A的受光面同入射光線成一夾角，在相同光照強度下，UB＞UA。

由此我們得出：在同樣實驗條件下，發(fā)光二極管（LED）的光照致電效應隨著太陽光入射角的增加而減弱。

3．其他特性

除了上面討論的性能，發(fā)光二極管（LED）作為電壓型器件，具有良好的信號匹配能力，在實測中LED在強光下產(chǎn)生的電壓可以高達1.7v。同時，LED工作電壓很低（1.5-3伏），工作電流很?。?0-30毫安），耗電極省；且壽命長、成本低及防護性能良好，實在是低成本太陽檢測器的首選探測器件。

三、LED探測太陽方位的原理

（一）LED光電作用原理

一些半導體材料具有獨特的光敏特性，即當半導體材料受到一定波長光線的照射時，其電阻率明顯減小，或說電導率增大的特性。這個現(xiàn)象也叫半導體的光電導特性。利用這個特性制作的半導體器件叫光電導器件。

半導體材料的電導率是由載流子濃度決定的。載流子就是由半導體原子逸出來的電子及其留下的空位空穴所形成的。電從原子中逃逸出來，必須克服原子的束縛而做功，而光照正是向電子提供能量，使它有能力逃逸出來的一種形式。因此，光照可以改變載流子的濃度，從而必變半導體的電導率。

發(fā)光二極管（LED）的管芯也是一個PN結，只是結面積比普通二極管大，便于接收光線。但和普通二極管不同，光電二極管是在反向電壓下工作的。它的暗電流很小，只有0.1微安左右。在光線照射下產(chǎn)生的“電子－空穴對”叫光生載流子，它們參加導電會增大反向飽和電流。光生載流子的數(shù)量與光強度有關，因此，反向飽和電流會隨著光強的變化而變化，如果在外電路上接上負載，負載上就獲得了電信號，而且這個電信號隨著光的變化而相應變化，即把光信號的變化轉為電壓的變化。

（二）LED太陽探測器工作原理

由前文介紹可知，發(fā)光二極管（LED）在光照下會產(chǎn)生電壓，其電壓的大小不僅同光照強度有關，與光線的入射角也密切相關。于是我們將兩個發(fā)光二極管（LED）緊鄰放置。觀察太陽在角平分線不同位置時，兩個發(fā)光二極管（LED）產(chǎn)生電壓的情況。[3]見圖4a：

如圖所示，圖4a中，角平分線正對太陽，此時兩只LED管的電壓相等即UA＝UB。

那么，太陽在角平分線的左側及右側的情況又如何呢？見圖4b及圖4c：

在圖4b中，太陽在角平分線的右側，此時LED-B的入射角較LED-A小，因此LED-B的電壓大于LED-A的電壓，即UA＜UB。

在圖4c中，太陽在角平分線的左側，此時LED-A的入射角較LED-B小，因此LED-A的電壓大于LED-B的電壓，即UA＞UB。

于是，我們將兩只發(fā)光二極管（LED）方向并聯(lián)，即一只管子的（＋）端接另一只管子的（－）端；（－）端接另一只管子的（＋）端，如圖5a所示。圖5b是其對應電路圖。

圖中，因為D1、D2兩只管子反向并接，所以他們產(chǎn)生的電壓要進行疊加。

根據(jù)上面的分析，可以得到：

當太陽正對時：UD1＝UD2所以U＝ UD1－UD2＝0

當太陽偏左時：UD1＞UD2所以U＝ UD1－UD2＞0

當太陽偏右時：UD1＜UD2所以U＝ UD1－UD2＜0

由于在數(shù)字量處理電路中，只有“0”和“1”兩種狀態(tài)，負電壓視為“0”。通常，我們將“1”信號定義為有效，這樣在圖5的電路中只有太陽偏左時有效。于是，我們把兩只反向并接的發(fā)光二極管（LED）定義為探測組，一個探測組負責一個方位的太陽探測，使用兩個探測組就可以完成太陽方位的探測了。一個探測組負責左側；另一個探測組負責右側。重疊區(qū)域（正對太陽）處，兩個探測組輸出相同。[4]

后續(xù)電路對兩個探測組的信號進行處理后輸出兩路標準的TTL電平的太陽方位信號A和B。其真值表如下：

標準的TTL電平信號可以直接驅動直流電機模塊，從而驅動電機進行相應的旋轉，達到跟蹤太陽的目的。

以上述原理制成的太陽方位探測器輸出的信號與電池板的方位角具有特定數(shù)值關系，從而提高了太陽能電池板角度調節(jié)系統(tǒng)對太陽能電池板進行調節(jié)的精度。另外，通過本設計，能得到受外部太陽光的強弱變化的影響較小的差分相對值的處理信號，從而改進太陽能電池板角度調節(jié)系統(tǒng)的可靠性。

參考文獻：

[1]顏曉河、董玲嬌、蘇紹興，光電傳感器的發(fā)展及其應用[J].電子工業(yè)專用設備，2006.

[2]Michael Krickl，LED應用[J].電子產(chǎn)品世界，2004年03期.

[3]光電與顯示器件[J].電子產(chǎn)品世界，2004年04期.

[4]劉鳴、劉鐵根，光電二極管弱光特性檢測儀的研制[A].中國儀器儀表學會第五屆青年學術會議論文集[C].2003年.

作者簡介：

何海鴻，男，高級工程師，參與成都市科技局第七批科技計劃重點項目“zstaig2000型兆瓦級超大型聚光光伏（CPV）試用電站關鍵技術與設備”的研發(fā)工作；張旭東，男，高級工程師，參與成都市科技局第七批科技計劃重點項目“zstaig2000型兆瓦級超大型聚光光伏（CPV）試用電站關鍵技術與設備”的研發(fā)工作。