采用硅光电池实现光照度计电路设计与分析.docx
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采用硅光电池实现光照度计电路设计与分析
采用硅光电池实现光照度计
电路设计和分析
作者姓名：
###
专业名称：
应用物理学
指导教师：
###讲师
摘要
本文通过理论分析与数值比对来确定光照强弱与光电池输出光电信号的关系，并且通过这种关系设计了相应的光电检测电路，更直观展现光伏技术在实际生活中的应用。
随着光伏技术的日渐成熟以及应用的扩展，对光照的研究也日新月异。
所以对如何更加准确的测定光照参数也提出了更高的要求。
针对不同的要求，如何快速设计出对应的光电探测器，又有了新的课题。
本文在此背景下，进行了光照度计电路的设计与分析。
本论文共分四部分：
第一部分为光电池特性介绍及实验特性参数，第二部分为电路方案设计和电路实现，第三部分为利用Protel99SE进行电路设计，第四部分为电路实物制作与调试。
关键词：
光电池转换电路光电效应伏安特性
Abstract
Acomparsionbetweenanalysistheoryandnumericalratio,whichcandeterminetherelationshipbetweentheintensityofilluminationandopticalsignalofphotocelloutputinthispaper.Andwedesignacorrespondingcircuitofphotoelectricdetectionbytherelationshipshowingtheapplicationofphotoelectrictechnologyinourdailylife.
Withthedevelopmentandwidespreadofphotoelectrictechnology,fracturetreatmenthasbeenchangingquickly.Sotherehavemorehighrequirementsabouthowtodeterminetheparameterofthelightmoreexactly.Asfordifferentrequirements,itisanewprojecttodesignthecorrespondingelectrophptonicdetector.Underthisbackground,thispaperdiscussdesignandanalysisofthecircuitoflightmeter.
Therearefourpartsinthispaper：
Inthefirstpart,itintroducethecharacterofphotoelectriccellandcharacteristicparameterofexperiment.Thesecondpartisaboutdesigningschemeofcircuitandrealizingthecircuit,ThethirdpartisusingProtel99SEtodesigncircuit,Thefourthpartistomanufactureandadjustthecircuit.
analysistheor随着光伏技术的日渐成熟以及应用的扩展，对光照的研究也日新月异。
所以对如何更加准确的测定光照参数变化也提出了更高的要求。
针对不同的要求，如何快速设计出对应的光电探测器，又有了新的课题。
本文在此背景下，进行了光照度计电路的设计与分析。
Keywords:
Potoelectriccell,Conversioncircuit,Photoelectriceffect,
Volt-Amperecharacteristic
前言
1839年，法国科学家贝克雷尔（becωurel）就发现，光照能使半导体材料的不同部位之间产生电位差。
这种现象后来被称为“光生伏特效应”，简称“光伏效应”。
随后就引发了人们对太阳能开发的热潮，时至今日，已经有越来越多的光伏产品面世。
光伏技术也被应用于科学研究与能源开发方面，例如：
光伏发电、半导体照明、光电探测、光通信等。
半导体光电探测技术也在数码摄像、光通信、太阳能电池等领域得到广泛的应用。
它能见看不见摸不着的光信号，转化为直观的电信号，为光电研究提供了可靠的探测手段，是目前应用最为广泛的探测技术之一，具有技术先进、非接触式、性能可靠、低碳环保等优点。
硅光电池就是科学家们通过多光伏技术研究，所诞生的一种重要的光电转换原件。
它具有高效的光电转换效率。
利用它的这个特点我们可以对光照进行分析，从而得到可靠的光照数据。
检测是通过一定的物理方式，分辨出被测参数量并归属到某一范围带，以此来判别被测量是否合格或参数量是否存在。
本文通过硅光电池的光电效应实现了光信号到电信号的转变，从而为光信号的测量提供了准确可靠的数据。
为了提高传输效率并且无畸变地变换光电信号，光电探测器不仅要和被测信号、光学系统相匹配，而且要和后续的电子线路在特性和工作参数上相匹配，使每个相互连接的器件都处于最佳的工作状态。
本文光照探测电路、转换电路、显示电路进行的设计都是在Protel99SE上进行，这为电路的制作提供了很好的设计途径，节省了大量的人力物力和财力。
同时用Protel99SE设计电路的也避免了因为电路设计错误，而造成的浪费。
比较全面的系统地介绍了硅光电池对光照探测的理论原理和应用基础，取材合适，深度适宜，在理论方面力求简洁易懂，力求紧跟技术发展方向富有启发性。
本文从可以发展方向入手，系统的讲解了硅光电池的基本特性、基本应用和发展前景。
1光伏技术的发展历程简介
1.1光伏技术的历程
早在1839年，法国科学家贝克雷尔（becωurel）就发现，光照能使半导体材料的不同部位之间产生电位差。
这种现象后来被称为“光生伏特效应”，简称“光伏效应”。
1954年恰宾和皮尔松在美国贝尔实验室首次制成了实用的单晶硅太阳电池，效率为6％。
同年，威克尔首次发现了砷化镓有光伏效应，并在玻璃上沉积硫化镉薄膜，制成了太阳电池。
太阳电池开始了缓慢的发展。
1973年爆发了中东战争，引起了第一次石油危机，从而使许多国家，特别是工业发达国家，加强了对太阳能及其他可再生能源技术发展的支持，在世界上再次兴起了开发利用太阳能热潮。
1973年，美国制定了政府级阳光发电计划，太阳能研究经费大幅度增长，而且成立了太阳能开发银行，促进太阳能产品的商业化。
于1978年美国建成了100kwp太阳地面光伏电站。
日本1974年公布了政府制定的“阳光计划”。
进入21新世纪，光伏技术的应用也越来与广泛，光伏产品也大量出现在了人们的日常生活当中。
表1.1世界光伏电池发展的主要节点
1954
美国贝尔实验室发明单晶硅太阳能电池，效率为6%
1955
第一个光伏航灯问世，美国RAC发明GaAs太阳能电池
1958
太阳能电池首次装备于美国先锋1号卫星，转换效率为8%
1959
第一个单晶硅太阳能电池问世
1960
太阳能电池首次实现并网运行
1974
突破反射绒面技术，硅太阳能电池效率达到18%
1975
非晶硅及带硅太阳能电池问世
1978
美国建成100KW光伏电站
1980
单晶硅太阳能电池效率达到20%，多晶硅为14.5%，GaAs为2.5%
1986
美国建成6.5KW光伏电站
1990
德国提出“2000光伏屋顶计划”
1995
高效聚光GaAs太阳能电池问世，效率达32%
1997
美国提出“克林顿总统百万太阳能屋顶计划”,日本提出“新阳光计划”
1998
单晶硅太阳能电池效率达24.7%荷兰提出“百万光伏屋顶计划”
2000
太阳能电池总产量达287MW，欧洲计划2010年生产60亿瓦光伏电池
1.2光伏技术的现状
光伏产业主要有两大技术路线：
晶硅电池和薄膜电池。
晶硅太阳能电池是目前发展最成熟、商业化程度最高的产品，市场占有率达90%以上。
薄膜电池的技术还在初期发展阶段。
在国际光伏发电市场的带动下，我国光伏电池制造产业快速发展，已经形成了从硅材料、器件、生产设备、应用系统等较为完整的产业链。
光伏电池转换效率不断提高，制造能力迅速扩大。
无论是装备制造还是配套的辅料制造，国产化进程都在加速。
在光伏产业链中，有实际产能的多晶硅生产商20～30家，60多家硅片企业，电池企业60多家，组件企业330多家。
到2010年底，国内已经有海外上市的光伏产品制造公司16家，国内上市的光伏产品制造公司16家，行业年产值超过3000多亿元，进出口额220亿美元，就业人数近百万人。
光伏设备制造业逐渐形成规模，为产业发展提供了强大的支撑。
在晶体硅太阳能电池生产线的十几种主要设备中，8种以上国产设备已在国内生产线中占据主导地位。
其中单晶炉、扩散炉、等离子刻蚀机、清洗制绒设备、组件层压机、太阳模拟仪等已达到或接近国际先进水平，性价比优势十分明显。
多晶硅铸锭炉、多线切割机等设备制造技术取得重大进步，打破国外产品的垄断，有些设备开始出口，如扩散炉、层压机等。
我国已经掌握了产业链的各个环节中的关键技术，并在不断地创新和发展，如电池技术、多晶硅制造技术等，多晶硅电池的平均出厂效率达到16%。
英利、天合、阿特斯、晶澳、韩华、南京中电等国际化公司也都持有自己的专有技术，电池的转换效率均达到世界一流水平，，使得我国光伏组件在世界上具有很强的价格竞争力。
2硅光电池的工作特性
2.1硅光电池的工作原理
光电二极管是典型的光电效应探测器，具有量子噪声低、响应快、使用方便等特点，广泛应用于激光探测器。
外反偏电压与结内电场一致，当PN结及其附近被光照时，就会产生载流子（及电子空穴对）。
结区内的电子-空穴对在势垒去电场的作用下，电子被拉向N区，空穴被拉向P区而形成光电流。
同时势垒区一侧一个扩展长度内的光生载流子先向势垒区扩散，然后在势垒区电场作用下也参与导电。
当入射光强度变化时，光生载流子的浓度及通过外回路的光电流也随之发生相应的变化。
这种变化在入射光强度很大的动态范围内仍能保持线性关系。
硅光电池是一个大面积的光电二极管，他被设计用于把入射到它表面的光能转化为电能，因此，可用作光电探测器，被广泛用于太空和野外便携式仪器等的能源。
光电池的结构如图2.1所示，当半导体PN结处于零偏或负片时，在他们结合面耗尽区存在一内电场。
当没有光照时，光电二极管相当于普通的二极管。
其伏安特性是：
（1.1）
图2.1光电池结构示意图
式（1.1）中
为流过二极管的总电流，
为反向饱和电流，
为电子电荷，
为玻尔兹曼常数，
为工作绝对温度，
为加在二极管两端的电压。
对于外加正向电压，
随
指数增长，成为正向电流：
当外加电压反向时，在方向击穿电压之内，反向饱和电流基本是个常数。
当有光照时，入射光子将把处于介带中的束缚电子激发到导带，激发出的电子空穴对在内电场作用下分别漂移到N型区和P型区，当PN结两端加载负载时就有一光生电流流过负载。
流过PN结两端的电流可由式（式1.2）确定：
（1.2）
此式表示硅光电池的伏安特性。
式（1.2）中
为流过硅光电池的总电流，
反向饱和电流，V为PN结两端电压，T为工作绝对温度，
为产生的反向光电流。
从式中可以看到，当光电池处于零偏时，V=0，流过PN结的电流
；当光电池处于负偏时，流过PN结的电流
。
因此，当光电池作光电转换器时，光电池必须处于零偏或负偏状态。
比较（1.1）式和（1.2）式可知，硅光电池的伏安特性曲线相当于普通二极管的伏安特性曲线向下平移。
光电池处于零偏或负偏状态时，产生的光电流
与输入光功率
有一下关系：
（1.3）
式（1.3）中R值随入射光波长的不同而变化，对不同材料制作的光电池R值分别在短波长和长波长处存在一截止波长，在长波长处要求入射光子的能量大于材料的能级间隙
，以保证处于介带中的束缚电子得到足够的能量被激发到导带，对于硅光电池其长波截止波长为
，在波长也处于也由于材料有较大吸收系数使R值很小。
图2.2是光电池光信号接收端的工作原理框图，光电池把接收到的光信号转变为之成正比的电流信号，就可以测定光电池的饱和电流
。
当发送的光信号被正弦信号调制时，则光电池输出电压信号中将包含正弦信号，据此可通过示波器测定光电池的频率响应特性。
图2.2光电池光电信号接收框图
2.2硅光电池的负载特性
光电池作为电池使用如图2.3所示。
在内电场作用下，入射光子由于内光电效应把处于介带中的束缚电子激发到导带，而产生光伏电压，在光电池两端加一个负载就会有电流流过，当负载很小时，电流较小而电压较大；当负载很大时，电流较大而电压较小。
实验时可改变负载电阻
的值来测定硅光电池的伏安特性。
图2.3硅光电池伏安特性的测定
硅光电池特性试验仪框图如图2.4所示。
超高亮度LED在可调电流和调制信号驱动下发出的光照射到光电池表面功能转换开关可分别打到零偏、负载或负载。
图2.4硅光电池特性试验仪框图
2.2.1硅光电池零偏和负偏时光电流与输入光信号的关系
打开仪器电源，调节发光二极管静态驱动电流，其调节范围为0~20mA（相应于发光强度指示0~20.00），将功能转换开关分别打到零偏和负偏，将硅光电池输出端连接到I/V转换模块的输入端，将I/V转换模块的输出端连接到数显电压表头的输入端，分别测定光电池在零偏和负偏时光电流与输入光信号关系。
记录数据并在同一张方格纸上作图，比较硅光电池在零偏和负偏时两条曲线关系，如图2.5（a）和图2.5（b）。
表2.1硅光电池零偏和负偏时光电流与输入光信号的值
零偏
输入光信号（mA）
0
3
6
9
12
15
18
输出电压（mV）
0.0
7.9
20.3
33.1
46.1
59.2
72.2
负偏
输入光信号（mA）
0
3
6
9
12
15
18
输出电压（mV）
0.0
7.9
20.3
33.3
46.6
59.9
73.2
图2.5（a）硅光电池零偏时光电流与输入信号的关系
图2.5（b）硅光电池负偏时光电流与输入光信号的关系
2.2.2硅光电池输出接恒定负载时产生的光伏电压与输入光信号的关系
将功能转换开关打到“负载”处，将硅光电池输出端连接恒定负载电阻和数显电压表，从0~20mA调节发光二极管静态驱动电流，实验测定光电池输出电压随输入光强度变化的关系曲线，如图2.6（a）和图2.6（b）。
表2.2硅光电池输出接恒定负载时（R=1KΩ）产生的光伏电压与输入光信号值
输入光强（mA）
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
输出电压（mV）
0.0
10.4
22.2
34．2
46.4
58.6
70.7
82.4
95.2
107.5
表2.3输入光信号为16mA时，电压随电阻变化关系数据记录
电阻（Ω）
100
500
1000
1500
2000
2500
3000
电压（mV）
1.9
9.0
17.2
24.7
31.5
37.8
43.7
电阻（Ω）
4000
4500
5000
5500
6000
7000
8000
电压（mV）
54.1
58.8
63.1
67.2
71.0
74.6
78.0
3电路的设计方案
3.1电路的设计要求
本电路的目的是实现对光照的采样分析，所以采用硅光电池实现光照度计电路的设计要求主要有以下几点：
1、硅光电池采用零偏工作方式作为输入回路；
2、电平转换电路采用零点漂移可调的运算放大器；
3、光的强度显示采用串联LED显示方式；
4、直流工作电源采用正、负双电源供电方式。
3.2电路的方框图
图3.1采用硅光电池实现光照度计电路方框图
3.3电路的原理图
图3.2采用硅光电池实现光照度计电路原理图
3.4电路的工作过程
首先，硅光电池受光的影响产生电流，经过并联采样电阻
产生电压信号，此电压信号进入运算放大器的同相端进行放大；经过100倍放大后产生伏级的电压输出信号，即电平输出信号。
其次将电平输出信号经电平分配电阻产生串联式式LED的各自工作电压，以驱动LED，并按电位大小依次点亮LED发光。
点亮串联LED的多少，由光的强弱来决定。
4各单元电路实现
4.1光电池的输入信号电路
将硅光电池作为电流源，与电阻
并联后构成信号源。
为便于信号放大，经等效变换，将电流源[如图4.1（a）]变为电压源[如图4.1（b）]。
为硅光电池受光照时产生的电流。
图4.1（a）电流源图4.2（b）电压源
4.2电平放大转换电路
运算放大器（简称“运放”）是具有很高放大倍数的电路单元。
在实际电路中，通常结合反馈网络共同组成某种功能模块。
由于早期应用于模拟计算机中，用以实现数学运算，故得名“运算放大器”。
运放是一个从功能的角度命名的电路单元，可以由分立的器件实现，也可以实现在半导体芯片当中。
随着半导体技术的发展，大部分的运放是以单芯片的形式存在。
运放的种类繁多，广泛应用于电子行业当中。
运放有两个输入端a（反相输入端），b（同相输入端）和一个输出端o。
也分别被称为倒向输入端非倒向输入端和输出端。
当电压U-加在a端和公共端（公共端是电压为零的点，它相当于电路中的参考结点。
）之间，且其实际方向从a端高于公共端时，输出电压U实际方向则自公共端指向o端，即两者的方向正好相反。
当输入电压U+加在b端和公共端之间，U与U+两者的实际方向相对公共端恰好相同。
为了区别起见，a端和b端分别用"-"和"+"号标出，但不要将它们误认为电压参考方向的正负极性。
电压的正负极性应另外标出或用箭头表示。
4.2.1运算放大器LM741的性能简介
LM741是一种应用非常广泛的通用型运算放大器。
由于采用了有源负载，所以只要两级放大就可以达到很高的电压增益和很宽的共模及差模输入电压范围。
本电路采用内部补偿，电路比较简单不易自激，工作点稳定，使用方便，而且设计了完善的保护电路，不易损坏。
LM741可应用于各种数字仪表及工业自动化控制设备中。
LM741通用运算放大器可采用双电源供电或单电源供电，可零点漂移调节。
4.2.2同相比例放大电路
根据同相比例运算放大电路的输入电压与输出电压的计算关系：
（4.1）
可得：
图4.3同相电路
4.2.3电平转换串联电路
为了使多个串联LED按光线强弱依次发光，要将运算放大器的输出点位分配给串联电阻上，以便产生各自LED的工作电压。
多个LED的发光顺序为：
D6、D5、D4、D3、D2、，电位也依次从低到高，当电位较低时仅有D6发光；当电位较高时D6、D5、D4、D3、D2均会发光。
每个LED的电位计算关系如下：
（4.2）
（4.3）
（4.4）
（4.5）
（4.6）
其中：
图4.4电平分配电路
4.3电平显示电路
将5个LED串联，根据光线的强弱依次点亮LED发光，具体电路见图4.4所示。
当电位较低时，只能满足D6的工作电压，所以此时仅有D6发光，其发光强弱也与电压的大小有关;当电位适中时，此时一部分LED发光，其中LED发光的强弱也有所不同；当电位较高时，这时能满足所有LED的工作电压，所以所有了LED均发光，且光强达到最大。
所以，这样我们就可以根据LED的发光情况来判定此时输入电信号的情况，进而实现对硅光电池所接收到的光照进行分析。
5利用Protel对光照度计电路设计
5.1Protel电子绘图软件简介
Protel是Altium公司在80年代末推出的EDA软件，在电子行业的CAD软件中，它当之无愧地排在众多EDA软件的前面，是电子设计者的首选软件，它较早就在国内开始使用，在国内的普及率也最高，有些高校的电子专业还专门开设了课程来学习它，几乎所有的电子公司都要用到它，许多大公司在招聘电子设计人才时在其条件栏上常会写着要求会使用Protel。
早期的Protel主要作为印制板自动布线工具使用，运行在DOS环境，对硬件的要求很低，在无硬盘286机的1M内存下就能运行，但它的功能也较少，只有电路原理图绘制与印制板设计功能，其印制板自动布线的布通率也低，而现今的Protel已发展到DXP2004，是个庞大的EDA软件，完全安装有200多M，它工作在WINDOWS95环境下，是个完整的板级全方位电子设计系统，它包含了电路原理图绘制、模拟电路与数字电路混合信号仿真、多层印制电路板设计（包含印制电路板自动布线）、可编程逻辑器件设计、图表生成、电子表格生成、支持宏操作等功能，并具有Client/Server（客户/服务器）体系结构，同时还兼容一些其它设计软件的文件格式，如ORCAD，PSPICE，EXCEL等，其多层印制线路板的自动布线可实现高密度PCB的100%布通率。
Protel99SE人机界面友好，易学易用，是大中专院校电学专业必学课程，同时也是业界人士首选的电路板设计工具。
Protel99SE由两大部分组成：
电路原理图设计（AdvancedSchematic）和多层印刷电路板设计（AdvancedPCB）。
其中AdvancedSchematic由两部分组成：
电路图编辑器（Schematic）和元件库编辑器（SchematicLibrary）。
Protel99SE采用全新的管理方式，即数据库的管理方式。
Protel99SE是在桌面环境下第一个以独特的设计管理和团队合作技术为核心的全方位的印制板设计系统。
所有Protel99SE设计文件都被存储在唯一的综合设计数据库中，并显示在唯一的综合设计编辑窗口。
Protel99SE软件沿袭了Protel以前版本方便易学的特点，内部界面与Protel98大体相同，新增加了一些功能模块。
Protel公司引进了德国INCASES公司的先进技术，在Protel99SE中集成了信号完整性工具，精确的模型和板分析，帮助你在设计周期里利用信号完整性分析可获得一次性成功和消除盲目性。
Protel99SE容易使用的特性就是新的“这是什么”帮助。
按下任何对话框右上角的小问号，然后选择你所要的信息。
现在可以很快地看到特性的功能，然后用到设计中，按下状态栏末端的按钮，使用自然语言帮助顾问。
5.2电路原理图绘制
图5.1原理图设计流程
5.2.1生成电路原理图过程
电路原理图的设计主要是Protel99SE的原理图设计系统（AdvancedSchematic）来绘制一张电路原理图。
在这一过程中，要充分利用Protel99SE所提供的各种原理图绘图工具、各种编辑功能，来实现我们的目的，即得到一张正确、精美的电路原理图。
首先，在WINDOWS下双击Protel99SE图标，点击File（文件）中“New”项，新建设计数据库，如图5.2（a）所示。
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