Z半导体敏感元件应用Word下载.docx

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　　磁敏Z-元件是Z-半导体敏感元件产品系列中[3]第三个重要品种。

它具有与温敏Z-元件相似的伏安特性，该元件体积小，应用电路极其简单，在磁场的作用下，能输出模拟信号、开关信号和脉冲频率信号，而且输出信号的幅值大、灵敏度高、抗干扰能力强。

　　光敏、磁敏Z-元件及其三端数字传感器，通过光、磁的作用，可实现对物理参数的测量、控制与报警。

　　二、光敏Z-元件及其技术参数

　　2．光敏Z-元件的伏安特性曲线

　　图1为光敏Z-元件的的伏安特性曲线。

在第一象限，OP段M1区为高阻区。

pf段M2区为负阻区，fm段M3区为低阻区。

其中Vth叫阈值电压，表示在T时Z-元件两端电压的最大值。

Ith叫阈值电流，是Z-元件与Vth对应的电流。

Vf叫导通电压，是M3区电压的最小值。

If叫导通电流，是对应Vf的电流，也是M3区电流的最小值。

在第三象限为反向特性，反向电流IR是在无光照时反向电压VR为25V时测量的，其值很小。

　　3．光敏Z-元件的分档代号与技术参数

　　光敏Z-元件的分档代号与技术参数见表1。

其分档代号按Vth值的大小排列。

型号分二种，按其响应波长分。

目前产品波长代号皆为1。

　　三、光敏Z-元件的光敏特性

　　1．无光照时光敏Z-元件正、反向伏安特性的测量

　　用遮光罩把光敏Z-元件罩上，即在无光照的情况下，利用图1特性测量电路测量其正、反向伏安特性，测量电路与方法与温敏Z-元件相同[6]。

　　2．光敏Z-元件正向光敏特性

　　把Z-元件接在正向特性测量电路上，Z-元件放置在可变照度的光场中。

测量时照度由小到大，每次递增100lx，用数字照度计校准，然后测量Z-元件的正向特性，记录不同照度时的Vth、Ith、Vf。

从测试可知，光敏Z-元件的阈值点P随着照度的增加，一直向左偏上方向移动如图2，Vth随光照增加而增大，Vf变化较小。

Vth、Ith与照度L的关系参看图3。

　　光敏Z-元件的正向特性还具有光生伏特现象，Z-元件的“正”极即光生伏特的“+”极。

目前，光生伏特饱和电动势为200mV左右，短路电流随光照增强而增大。

当照度为100lx~5000lx时短路电流为几微安至几十微安。

　　3．光敏Z-元件反向光敏特性

　　把Z-元件连接在反向特性测量电路中，并把Z-元件置于可变光场中。

改变光场照度，用数字照度计校准，测量其反向特性，即反向电压VR与反向电流IR的关系。

其特性如图2。

可以看出其反向电阻随照度增加而减小，反向电流随光照增强而变大。

　　四、光敏Z-元件的应用电路

　　光敏Z-元件有与温敏Z-元件相似的正、反向伏安特性，温敏Z-元件的应用电路，在理论上都适用于光敏Z-元件。

考虑到光敏Z-元件的Vth、Ith、IR有一定的温漂，因此在光开关电路中，应当有抗温度干扰的余量，在模拟应用电路中，应采用具有抗温漂自动补偿电路。

　　1．M1→M3转换，输出负阶跃开关信号电路［3］，［4］

　　负阶跃开关信号输出电路示于图4，工作过程的图解示于图4。

在无光照时，OP1为光敏Z-元件M1区特性，阈值点为P1，E为电源电压，以负载电阻值RL和电源电压E确定的直线交电压轴为E，交电流轴为E/RL。

Q1为无光照时的工作点其坐标为Q1，输出电压VO1＝VZ1＝E-IZ1RL。

我们选择合适的电路参数，使在照度为E2时，阈值点P1移至P2，并刚好在直线上，这时Q2与P2重合。

光敏Z-元件开始进入了负阻M2区，Q2点在几微秒之内即达到了f点［5］，其坐标为f。

此时输出电压为VO2＝VOL＝Vf，输出端输出一个负阶跃开关信号。

为了得到一个负阶跃开关信号，在照度为L2时，工作点Q2与阈值点Vth2重合，电路中各参数必须满足的条件可用下述状态方程描述：

　　E＝Vth2＋Ith2RL

　　其中，负载电阻值RL一般为1~2kW，选择原则是，当在照度L2时，Z-元件工作在M3区，工作点Q2的电压为VZ2＝Vf，电流为IZ2＝If，电压与电流之积为VfIf＝P，并且P≤PM≤50mW。

即在功耗不大于50mW的情况下，选择较小的RL，这个开关信号的振幅为DVO：

　　DVO＝Vth2-Vf

　　公式告诉我们为了要得到负阶跃开关信号，E、Vth2、Ith2三者之间的关系。

这时还要考虑以下几个问题：

　　从图3知道照度L越大，Vth越小，Ith越大，IthRL也越大，DVO将下降，以至会发生因振幅过小满足不了要求的情况；

另一方面，过大的照度也是不经济的。

也就是说，照度选择要适当。

　　在应用的范围内，在无光照不输出负阶跃开关信号的情况下，工作点Q1选择应尽量偏右，这样有利于减小监控或报警照度。

　　供电的直流电源应是一个小功率可调电源。

在照度L2监控或报警时，其值应与式计算值相等。

　　2．反向应用输出模拟电压信号

　　Z-元件反向电流极小，呈现一个高电阻，这个电阻具有负的光照系数，并在较高电压下，不发生击穿现象。

图5为反向应用电路及工作状态解析图。

可以看出在无光照时，L1=0，工作点为Q1，输出电压为VO1，则：

　　VO1=E-VZ1=E-IZ1RL

　　当光照为L2时，伏安特性上移，工作点由Q1移至Q2，输出电压为VO2，则：

　　VO2=E-VZ2=E-IZ2RL

　　反向光电压灵敏度用SR表示：

　　3．M1→M3，M3→M1相互转换，输出脉冲频率信号

　　该电路仅需三个元件，用一个小电容器与Z-元件并联，再串联一负载电阻RL，即可构成光频转换器，如图6所示，达到了用光敏Z-元件实现光控脉冲频率的目的。

与温敏Z-元件脉冲频率电路相同，在无光照时，电源通过RL对电容器充电，当VC<

Vth时，Z-元件工作在M1区，当VC≥Vth时，Z-元件迅速由M1区经M2区工作在M3区。

M3区是低阻区，电容器迅速通过Z-元件放电，当放电至VC≤Vf时，Z-元件脱离M3区回到M1的高阻区，电源通过RL重新对电容器充电，如此周而复始重复上述过程，由输出端输出后沿触发的脉冲频率信号。

信号频率用f表示：

　　t≈RLC

　　从式可以看出，光照越强，Vth越小，而Vf基本不变，因而频率上升的越高。

在弱光和强光下，Vth灵敏度较低，所以频率灵敏度也较低，在300~1000lx有较高频率灵敏度。

RL值选择范围是~20kW，C选择范围是~，E应为Vth。

数值小的电容器振荡频率较高，也有较高的频率灵敏度，电源电压的范围较窄；

数值较大的电容器振荡频率较低，频率灵敏度也较低，但电源电压范围宽。

　　五、光敏Z-元件特性与应用电路总结

　　光敏Z-元件的伏安特性与温敏Z-元件的伏安特性是极为相近的，前者的光特性与后者的温度特性也非常相似［6］。

　　Z-元件的特性及应用电路可以概括为：

一个特殊的点，即阈值点P，该点的电压灵敏度为负，电流灵敏度为正。

有二个稳定的工作区，即高阻M1区，和低阻M3区。

在VZ<

Vth时，工作在高阻M1区，在VZ≥Vth时，迅速越过负阻M2区，工作在低阻M3区，当VZ≤Vf时，又恢复到高阻M1区。

有三个基本应用电路，即开关电路，反向模拟电路和脉冲频率电路。

有四个主要参数：

即Vth、Ith、Vf、IR。

　　上述三个基本应用电路参看表2-1、表2-2、表2-3。

表2-4是表2-1中RL与Z-元件互换位置后构成的正阶跃开关电路与输出信号波形；

表2-5是表2-2中RL与Z-元件互换位置后构成的NTC电路。

　　光敏Z-元件的电参数中Vf的温度系数稍小，Vth、Ith、IR三个参数的温度系数稍大。

在要求较高的场合，应当采用电路补偿或元件补偿，使之满足设计要求。

　　六、光敏Z-元件应用示例

　　1．有温度补偿的光开关电路

　　该电路使用两个光敏Z-元件，并做反向应用，要求两个Z-元件的反向电流相等，且反向温度灵敏度温漂DTR相近。

其中V2避光、V1用于光照。

图7为解析图，无光照的伏安特性为V1和V2有温度变化的伏安特性为V1和V2，V2受光照的伏安特性为V2。

VR为电位器R两端电压，VR1为T1℃时R两端电压，输出电压VO取自R的二分之一阻值点。

在缓慢变温的场合，VO始终等于电源电压的二分之一。

只有在V2受光照后，其反向电阻变小，IR增大，但是V1、R1、V2串联电路中流过三个元件中的电流相等，电位器R中点电位上升，输出电压VO2升高。

达到设定照度后，D1输出由低电平变成高电平，V3导通，继电器吸合触点用于控制其它电路。