LED低成本太陽方位探測技術(shù)

成都鐘順科技發(fā)展有限公司 ■ 何海鴻 馮軍帥 李松柏 趙亮

一 引言

半導(dǎo)體光電探測器以其體積小、重量輕、響應(yīng)速度快、靈敏度高、易于與其他半導(dǎo)體器件集成等優(yōu)點，成為最理想的光源探測器，廣泛應(yīng)用于光通信、信號處理、傳感系統(tǒng)和測量系統(tǒng)。近年來，半導(dǎo)體光電探測器正向超高速、高靈敏度、寬帶寬以及單片集成的方向發(fā)展。在市場經(jīng)濟的作用下，產(chǎn)品在保證性能的同時，還要考慮成本，低成本、高性能的產(chǎn)品才能在市場中具有競爭力。本文通過對發(fā)光二極管(LED)、光敏二極管和電荷耦合器件(CCD)進行對比，根據(jù)其特點，選出其中性價比高、適合于太陽探測的元件設(shè)計太陽方位探測儀。

二 LED與光敏二極管、CCD的對比

LED是一種固態(tài)的半導(dǎo)體器件，它可直接將電轉(zhuǎn)化為光，同樣也可感光產(chǎn)生電壓。LED具有體積小(mm級)、壽命長(數(shù)萬h)、檢測精度高(0.1?左右)、耐候性強、成本低廉且便于安裝使用等優(yōu)點，特別適合于戶外惡劣條件下使用。其感光范圍視材料而定，一般采用硅材料，能感應(yīng)波長為700～1000nm的光線。LED產(chǎn)生的信號較強，在強光下實測其產(chǎn)生的電壓高達1.7V。且由于LED是電壓型器件，具有良好的信號匹配能力，非常易于進行信號采集和控制。LED雖產(chǎn)熱量很少，但散熱能力差，且市場上LED產(chǎn)品的質(zhì)量參差不齊，選材較差的直接影響LED壽命。

光敏二極管具有信號線性好、響應(yīng)速度快、噪音低、小型輕量以及耐震動與沖擊等優(yōu)點，對寬波長范圍的光線具有較高的靈敏度(430～1100nm)，硅光敏二極管的響應(yīng)峰值為940nm。但光敏二極管輸出電流小，產(chǎn)生的信號弱，易受噪音影響。同時，由于其屬于電流型器件，信號匹配能力弱，不易于信號采集和控制。

CCD對近紅外較敏感，光譜響應(yīng)可延伸至1μm左右(視材料而定)，其響應(yīng)峰值為綠光(550nm)。CCD的視場角一般在±60?左右，其精度能達到≤0.05?。用CCD作為光電探測器，突破了以往光敏元件的局限，其主要優(yōu)勢在于：CCD有工業(yè)化生產(chǎn)工藝背景支持，有利于光敏感器設(shè)計的標準化和模塊化；CCD具有動態(tài)分辨率高、體積小、超低噪聲、光譜響應(yīng)寬等優(yōu)點。雖然CCD的檢測精度高，但其價格與前兩種器件相比更昂貴，要考慮實際情況選用，所以在低成本陽光探測中一般不予選用。

LED、光敏二極管和CCD的對比見表1。從表中可知，用CCD做太陽方位檢測儀元件，其光電特性很好，但成本過高，不適合用于低成本探測儀；光敏二極管成本低，但抗干擾能力差，檢測精度不高；而LED檢測精度高且信號匹配強，即使是惡劣環(huán)境下也不受影響，同時成本很低，是低成本太陽方位探測儀的首選。本文將以LED作為太陽方位探測元件，進行相關(guān)設(shè)計和探討。

表1 LED、光敏二極管和CCD對比

三 LED太陽方位探測器

1 原理

光子是具有能量的粒子，當入射光子使電子由價帶躍升到導(dǎo)帶時，導(dǎo)帶中的電阻和價帶中的空穴均參與導(dǎo)電，形成光電流，該現(xiàn)象被稱為光電效應(yīng)。一些半導(dǎo)體材料具有獨特的光敏特性，即當半導(dǎo)體材料受到一定波長光線的照射時，其電阻率明顯減小，這個現(xiàn)象叫半導(dǎo)體的光電導(dǎo)特性。利用這個特性制作的半導(dǎo)體器件叫光電導(dǎo)器件。LED就屬于光電導(dǎo)器件，在光照下會產(chǎn)生電壓。

如圖1a所示， LED在光照條件下，會在其(＋)端和(－)端之間產(chǎn)生電壓，其對應(yīng)的電路符號如圖1b所示。其中，A端是(＋)端，K端是(－)端。

LED不同于普通二極管，在反向電壓下工作，其暗電流很小，約0.1μA。在光線照射下，產(chǎn)生“電子－空穴對”——光生載流子，并參加導(dǎo)電增大反向飽和電流。光生載流子的數(shù)量與光強度有關(guān)，因此，反向飽和電流會隨著光強的變化而變化。如果在外電路上接負載，負載就獲得電信號，且電信號會隨光的變化而作相應(yīng)的變化，即將光信號轉(zhuǎn)化為電壓。

2 探測器設(shè)計

隨著光照的增強，LED的光照致電效應(yīng)越強烈，產(chǎn)生的電壓也越高。同時， LED的光照致電效應(yīng)還與入射光的入射角有關(guān)，LED的光照致電效應(yīng)隨著太陽光入射角的增加而減弱。根據(jù)這些特性，可設(shè)計LED太陽探測器。

在數(shù)字量處理電路中，只有“0”和“1”兩種狀態(tài)。“0”視為負電壓，通常將“1”信號定義為有效。LED太陽探測器設(shè)計如圖2所示，圖中兩個LED緊鄰放置，通過觀察太陽在角平分線不同位置時，探測兩個LED產(chǎn)生電壓情況。探測信號真值表見表2。

表2 探測信號真值表

LED具有良好的信號匹配能力，且在強光下產(chǎn)生的電壓高達1.7V。同時，LED工作電壓很低(1.5～3V)，工作電流很小(10～30mA)，耗電非常少。因此我們將LED產(chǎn)生的信號通過TTL電平處理輸出TTL電平信號，其流程如圖3所示。

從圖3可知，LED通過檢測不同位置光照強度的光源，經(jīng)電壓跟隨轉(zhuǎn)化為電信號，送入TTL電平，使其轉(zhuǎn)化為標準TTL電平信號。TTL電平信號有利于計算機處理器控制的內(nèi)部數(shù)據(jù)的傳輸：計算機處理器控制的內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸對電源的要求較低，熱損耗也較低；計算機處理器控制的內(nèi)部數(shù)據(jù)的傳輸是在高速條件下進行，而TTL接口的操作恰能滿足此要求。標準TTL電平信號可直接驅(qū)動直流電機模塊，從而驅(qū)動電機進行相應(yīng)地旋轉(zhuǎn)，以檢測太陽方位并進行實時跟蹤。

四 結(jié)論

該LED太陽方位探測儀的特點是檢測精度高、耐候性強、使用方便，設(shè)計簡單可靠，使用的關(guān)鍵器件LED在市場上極易購得，系統(tǒng)成本也極低。同時，TTL電平信號直接與集成電路連接，不需要價格昂貴的線路驅(qū)動器及接收器電路，極大地降低了成本，大大提高了LED太陽方位探測儀的性價比。在光伏產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展的今天，低成本、高精度、高可靠性的太陽方位探測儀是跟蹤式光伏發(fā)電機的必備器件。同時本儀器也可以用于衛(wèi)星姿態(tài)校正、光通信，以及其他需要跟蹤光源的領(lǐng)域。本文設(shè)計的低成本LED太陽方位探測儀具有良好的兼容性，能夠滿足大部分用戶的使用，具有廣闊的應(yīng)用前景。

[1]顏曉河, 董玲嬌, 蘇紹興.光電傳感器的發(fā)展及其應(yīng)用[J].電子工業(yè)專用設(shè)備, 2006, 35(1):59－62.

[2]劉鳴, 劉鐵根.光電二極管弱光特性檢測儀的研制[J].儀器儀表學報, 2003, 24(4): 83－84.

[3]王慶友.CCD應(yīng)用技術(shù)[M].天津: 天津大學出版社, 2000.

[4]張燕, 曾光宇, 洪志剛.硅PIN光電二極管探測系統(tǒng)的研究[J].核電子學與探測技術(shù), 2008, 28 (2): 391－393.