光电开关2

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