ＬＥＤ太阳探测器的原理

何海鸿　张旭东　何　欢

[摘要]介绍光电器件的定义、工作原理，讲解探索光电效应影响因素的实验方法，得出光照对LED光电效应的影响方式，着重探讨LED可作为监测设备探测太阳光线的原理及优势。

[关键词]LED 光电器件 光电效应 太阳探测器

中图分类号：O59 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2009）0110041-02

一、定义

（一）光电器件

光电器件是把光和电这两种物理量联系起来，使光和电互相转化的新型半导体器件。

（二）光电效应

在光线作用下，物体内的电子逸出物体表面，向外发射的现象称为外光电效应。

我们知道，光子是具有能量的粒子，每个光子具有的能力由下式确定。当入射光子使电子由价带跃升到导带时，导带中的电阻和价带中的空穴二者均参与导电，形成光电流。该现象被称为光电效应，其外在表现形式主要有两种：

1．产生电阻的变化，如光敏电阻；

2．产生电动势，如光伏电池。

根据光电效应表现形式的不同，光电器件可分为：利用光敏特性工作的光电导器件及利用光伏打效应工作的光电池和半导体发光器件等。LED太阳探测器属于光电导器件，其工作原理将会在后文详细论述。[1]

二、LED的光电特性

光电器件的工作原理可由其具有的光电效应解释。下面是以发光二极管（LED）为例，验证到光电效应有如下特征：[2]

（一）LED的光电效应

在实验中，我们观测到LED在受光条件下在其两端会产生电压。

见图1a：

如图所示，在图1a中，发光二极管（LED）在光照条件下，在其（＋）端和（－）端之间会产生电压。图1b是其对应的电路符号，其中A端是（＋）端，K端是（－）端。

（二）LED光电效应的探索实验

1．光照强度的影响

为探索光照强度对LED光电效应的影响，我们设计以下对比实验，见图2。

如图所示，在图2中，LED-A的受光量大于LED-B的受光量，因此他们所产生的电压UA＞UB。

通过实验我们得出：随着光照的增强，发光二极管（LED）的光照致电效应也越强烈，产生的电压越高。

2．入射光线角度的影响

入射角光线从一种媒质入射到与另一种媒质的交界面时，与界面法线的夹角（小于90°）。通过进一步的实验，我们发现发光二极管（LED）的光照致电效应不仅同光照强度正相关，同时与入射光的入射角也密切相关。见图3：

如图所示，在图3中，LED-B的受光面垂直于入射光线，而LED-A的受光面同入射光线成一夹角，在相同光照强度下，UB＞UA。

由此我们得出：在同样实验条件下，发光二极管（LED）的光照致电效应随着太阳光入射角的增加而减弱。

3．其他特性

除了上面讨论的性能，发光二极管（LED）作为电压型器件，具有良好的信号匹配能力，在实测中LED在强光下产生的电压可以高达1.7v。同时，LED工作电压很低（1.5-3伏），工作电流很小（10-30毫安），耗电极省；且寿命长、成本低及防护性能良好，实在是低成本太阳检测器的首选探测器件。

三、LED探测太阳方位的原理

（一）LED光电作用原理

一些半导体材料具有独特的光敏特性，即当半导体材料受到一定波长光线的照射时，其电阻率明显减小，或说电导率增大的特性。这个现象也叫半导体的光电导特性。利用这个特性制作的半导体器件叫光电导器件。

半导体材料的电导率是由载流子浓度决定的。载流子就是由半导体原子逸出来的电子及其留下的空位空穴所形成的。电从原子中逃逸出来，必须克服原子的束缚而做功，而光照正是向电子提供能量，使它有能力逃逸出来的一种形式。因此，光照可以改变载流子的浓度，从而必变半导体的电导率。

发光二极管（LED）的管芯也是一个PN结，只是结面积比普通二极管大，便于接收光线。但和普通二极管不同，光电二极管是在反向电压下工作的。它的暗电流很小，只有0.1微安左右。在光线照射下产生的“电子－空穴对”叫光生载流子，它们参加导电会增大反向饱和电流。光生载流子的数量与光强度有关，因此，反向饱和电流会随着光强的变化而变化，如果在外电路上接上负载，负载上就获得了电信号，而且这个电信号随着光的变化而相应变化，即把光信号的变化转为电压的变化。

（二）LED太阳探测器工作原理

由前文介绍可知，发光二极管（LED）在光照下会产生电压，其电压的大小不仅同光照强度有关，与光线的入射角也密切相关。于是我们将两个发光二极管（LED）紧邻放置。观察太阳在角平分线不同位置时，两个发光二极管（LED）产生电压的情况。[3]见图4a：

如图所示，图4a中，角平分线正对太阳，此时两只LED管的电压相等即UA＝UB。

那么，太阳在角平分线的左侧及右侧的情况又如何呢？见图4b及图4c：

在图4b中，太阳在角平分线的右侧，此时LED-B的入射角较LED-A小，因此LED-B的电压大于LED-A的电压，即UA＜UB。

在图4c中，太阳在角平分线的左侧，此时LED-A的入射角较LED-B小，因此LED-A的电压大于LED-B的电压，即UA＞UB。

于是，我们将两只发光二极管（LED）方向并联，即一只管子的（＋）端接另一只管子的（－）端；（－）端接另一只管子的（＋）端，如图5a所示。图5b是其对应电路图。

图中，因为D1、D2两只管子反向并接，所以他们产生的电压要进行叠加。

根据上面的分析，可以得到：

当太阳正对时：UD1＝UD2所以U＝ UD1－UD2＝0

当太阳偏左时：UD1＞UD2所以U＝ UD1－UD2＞0

当太阳偏右时：UD1＜UD2所以U＝ UD1－UD2＜0

由于在数字量处理电路中，只有“0”和“1”两种状态，负电压视为“0”。通常，我们将“1”信号定义为有效，这样在图5的电路中只有太阳偏左时有效。于是，我们把两只反向并接的发光二极管（LED）定义为探测组，一个探测组负责一个方位的太阳探测，使用两个探测组就可以完成太阳方位的探测了。一个探测组负责左侧；另一个探测组负责右侧。重叠区域（正对太阳）处，两个探测组输出相同。[4]

后续电路对两个探测组的信号进行处理后输出两路标准的TTL电平的太阳方位信号A和B。其真值表如下：

标准的TTL电平信号可以直接驱动直流电机模块，从而驱动电机进行相应的旋转，达到跟踪太阳的目的。

以上述原理制成的太阳方位探测器输出的信号与电池板的方位角具有特定数值关系，从而提高了太阳能电池板角度调节系统对太阳能电池板进行调节的精度。另外，通过本设计，能得到受外部太阳光的强弱变化的影响较小的差分相对值的处理信号，从而改进太阳能电池板角度调节系统的可靠性。

参考文献：

[1]颜晓河、董玲娇、苏绍兴，光电传感器的发展及其应用[J].电子工业专用设备，2006.

[2]Michael Krickl，LED应用[J].电子产品世界，2004年03期.

[3]光电与显示器件[J].电子产品世界，2004年04期.

[4]刘鸣、刘铁根，光电二极管弱光特性检测仪的研制[A].中国仪器仪表学会第五届青年学术会议论文集[C].2003年.

作者简介：

何海鸿，男，高级工程师，参与成都市科技局第七批科技计划重点项目“zstaig2000型兆瓦级超大型聚光光伏（CPV）试用电站关键技术与设备”的研发工作；张旭东，男，高级工程师，参与成都市科技局第七批科技计划重点项目“zstaig2000型兆瓦级超大型聚光光伏（CPV）试用电站关键技术与设备”的研发工作。