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      1. 硅光電池脈動光信號的頻率響應 - 下載本文

        BPW34型硅光電池脈動光信號的頻率響應

        摘要:隨著現代社會的發展,新新能源得到空前發展,光能作為其中一種最有前景的新能源得到廣泛的應用,光電池就是大家現在所熟知的一種對光能的利用。為了研究光電池的特性,用等效電路可以模擬分析光電池在脈動光信號下的頻率響應。本文介紹了光電池的工作原理,以及光電池的伏安特性。在Multisim平臺上作出對光電池的等效電路,分析光電池在實際光照下的工作情況,導出了頻率特性曲線。 關鍵字:光電池,脈動光信號,頻率響應

        BPW34 type Solar cell’s Frequency Response under impulse light signal

        Abstract: With the development of modern society, the new energy like bamboo shoots after a spring rain. And light energy as one of the most promising new energy has been widely used., as every body knows , the Solar cells is one way to use the light energy. Application of equivalent circuit can simulate and analysis the Solar cell’s frequency what works under impulse light. The working principle had been introduced in this test, according to the working principle we can got that the Solar cell’s voltage-current characteristic. Drawing the equivalent circuit about Solar cells upon the Multisim 11.0, analysis how the Solar cells going in the actual situation, and find out the Amplitude-frequency Curve.

        Keywords: Solar cells, slow changing light signal, frequency response

        一、引言

        隨著社會的發展,地球上的傳統能源正在日益變少,環境也被破壞、污染嚴重。人們漸漸將目光投向可再生的新新能源,如太陽能、潮汐能、風能等,這些能源有著很好的發展前景。其中,受關注最高的是太陽能,因為太陽能除了新新能源共有的優點外,還有應用范圍廣,不受空間約束等其他能源不具有的優點。光能產品很多,其中應用最為廣泛的是光電池。

        光電池是一種在光的照射下產生電動勢的半導體元件。光電池的種類很多,常用有硒光 電池、硅光電池和硫化鉈、硫化銀光電池等。主要用于儀表,自動化遙測和遙控方面。有的 光電池可以直接把太陽能轉變為電能,這種光電池又叫太陽能電池。太陽能電池作為能源廣泛應用在人造地衛星、燈塔、無人氣象站等處。

        二、工作原理及等效電路

        在一塊N形硅片表面,用擴散的方法摻入一些P型雜質,形成PN結,這就是一塊硅光電池。當照射在PN上時,如光子能量hv大于硅的禁帶寬度E時,則價帶中的電子躍遷到導帶,產生電子空穴對。因為PN結阻擋層的電場方向指向P區,所以,任阻擋層電場的作用下,被光激發的電子移向N區外側,被光激發的空穴移向P區外側,從而在硅光電池與PN結平行的兩外表而形成電勢差,P區帶正電,為光電池的正極,N區帶負電,為光電池的負極。照在PN結上的光強增加,就有更多的空穴流向P區,更多的電子流向N區,從而硅光電池兩外側的電勢差增加。如上所述,在光的作用下,產生一定方向一定大小的電動勢的現象,叫作光生伏特效應

        光電池的工作原理正是基于“光生伏特效應”。

        光電池實質上是一個大面積的PN結。BPW34型硅光電池的結構如圖1所示。它是在N型硅片上擴散硼形成P型層,并用電極引線把P型和N型層引出,形成正、負極。為防止表面反射光,提高轉換效率,通常在器件受光面上進行氧化,形成SiO2保護膜。光電池的形狀,更具需要可以制成方形、矩形、圓形、三角形和環形等。

        圖1 BPW34型硅光電池的結構示意

        當光找到PN結區時,如果光子能量足夠大,將在結區附近激發出電子—空穴對,在N區聚積負電荷,在P區聚積正電荷,這樣N區和P區之間出現電位差,即光生電動勢。光電池工作原理圖如圖2所示。

        圖2: 光電池的工作原理

        光電池的伏安特性曲線如圖3所示,由圖3可知,在“暗”的時候,它是一條典型的二極管曲線。當有光時,在不同的光照下伏安特性曲線顯然是由典型的二極管曲線沿負電流軸移動而形成的。曲線在第四象限的這部分說明了硅光電池已成為一個功率發生器,在不同的光照度次啊可以得出不同的伏安特性曲線。

        i u 光功率增大 P=0 P1 P2 P3 圖3: 光電池的伏安特性

        光電池的特性受很多因素的影響,下面是它的幾個重要特性

        1、光譜特性:光電池對不同波長的光的靈敏度是不同的。光譜響應峰值所對應的入射光波長是不同的,硅光電池波長在0.8μm附近,硒光電池在0.5μm附近。硅光電池的光譜響應波長范圍為0.4~1.2μm,而硒光電池只能為0.38~0.75μm。可見,硅光電池可以在很寬的波長范圍內得到應用。

        2、光照特性:光電池在不同光照度下,其光電流和光生電動勢是不同的,它們之間的關系就是光照特性。短路電流在很大范圍內與光照強度呈線性關系,開路電壓(即負載電阻RL無限大時)與光照度的關系是非線性的,并且當照度在2000lx時就趨于飽和了。因此用光電池作為測量元件時,應把它當作電流源的形式來使用,不宜用作電壓源。

        3、溫度特性:光電池的溫度特性是描述光電池的開路電壓和短路電流隨溫度變化的情況。由于它關系到應用光電池的儀器或設備的溫度漂移,影響到測量精度或控制精度等重要指標,因此溫度特性是光電池的重要特性之一。開路電壓隨溫度升高而下降的速度較快,而短路電流隨溫度升高而緩慢增加。由于溫度對光電池的工作有很大影響,因此把它作為測量元件使用時,最好能保證溫度恒定或采取溫度補償措施。

        4、頻率特性:光電池的頻率特性是指輸出電流和入射光調制頻率的關系。當入射光照度變化時,由于光生電子―空穴對的產生和復合都需要一定時間,因此入射光。調制頻率太高時,光電池輸出電流的變化幅度將下降。硅光電池的頻率特性較好,工作頻率的上限約為數萬赫茲,而硒光電池的頻率特性較差。在調制頻率較高的場合,應采用硅光電池,并選擇面積較小的硅光電池和較小的負載電阻,進一步減小響應時間,改善頻率特性。

        本文主要研究的是它的頻率特性。

        一般產品的手冊中只給出光電池在特定光照度下的開路電壓值。而在實際應用時,需要知道實際使用照度下的開路電壓值。硅光電池的等效電路圖如圖4 所示,根據等效電路圖,可以討論在實際光照下的光電池的開路電壓。其中i1

        i1 為光電流,i2為二極管電流,C1為結電容。光電池

        中還受到PN結漏電流和泄露電阻影響,但是漏電流

        C1 負載 很小,泄露電阻很大,可以看似為開路,所以在等效

        電路中將它們等效進去。由于要研究光電池在脈動光

        i2 信號的頻率響應,所以光電流不可能是一個恒流源,應該是一個變化的電流源,為了模擬這個量,可以用一個受控電流源,這樣可以將光信號這個因素添加到圖4:光電池的等效電路 里面。

        由圖4可以很容易求得,光電池的短路電流

        isc?i1 (1) 這表明光電池的短路電流與光功率成正比。光電池的開路電壓

        uoc?'kBT?i1?ln??1? (2) e?iso?'當實際照射功率為P時,光電流變為i1,對應的開路電壓為

        kBTi1''uoc?ln(?1) (3) eiso由于i1?iso,則公式(2)(3)里的1可以忽略不計,聯立兩式可得

        uoc'kBTi1'kBTP'?ln()?uoc?ln()?uoc (4)

        ei1eP式中,P為手冊中給定的光功率,在室溫(300K)下,

        kBTe?23(1.38?10?300)?(1.602?10?19)?2.6?10?2V,于是

        'Puoc'?uoc?2.6?10?2ln (v) (5)

        P 三、工作電路

        四、仿真結果

        Multisim仿真結果圖

        五、結論

        脈動光信號探測

        光電池用以探測脈動光信號的變換電路及伏安工作特性如圖3。為了方便分析,令入射光功率為正弦脈動形式,即

        P=P0+Pmsin(wt);

        在這種情況下,光信號功率以P0為平均值在最大值P0+Pm和最小值P0-Pm之間。 套用慢變化光信號探測器的分析結果,有以下結論。

        (1)光電池工作在光電壓區域。為了得到搞的輸出電壓,要求滿足條件

        Rl>>Rb>Rlm

        式中,Rlm為光電池在入射光功率峰值(P0+Pm)下的最佳負載電阻,R0為直流負載(對應為P0),Rl為工作負載電阻,即后級放大器等效輸出阻抗。一般說,采用這種工作方式,頻率特性不好。

        (2)光電池工作在光電流區域。這時要求Rb

        工作情況同樣存在電輸出和電流輸出問題。在電流輸出狀態,要求只RlRb.顯然頻率特性變壞。下面利用光電池的伏安交,直流負載線方法,分析光電池輸出參數的計算公式。 在脈動光信號情況下,直流負載線是通過原點,斜率為tan=1/Rb=Gb的直線,如圖所示,Q為靜態或工作直流工作點。光電池的交流負載為Rb和Rl并聯的等效電阻,因此交流負載是通過Q斷背,tan=1/Rl+1/Rb的直線。 器件資料

        BPW34 是一種高速、高靈敏度的PIN 光電二極管在微型塑料包裝單位。它的最高查看結構 使得它作為一種理想的低成本替代,由于其waterclear 環氧樹脂裝置是靈敏的可見光和紅外輻射。大有效面積具有一個平面相結合提供了一個高靈敏在寬視角。

        特點

        (1)大輻射敏感區(A=7.5 平方毫米) (2)廣角半靈敏度? = ± 65 度 (3)高光敏感性

        (4)響應時間短,能快速響應 (5)小結電容

        (6)適用于可見光和近紅外輻射

        參考文獻

        [1] 安毓英、曾曉東、馮喆珺,《光電探測與信號處理》 科技出版社,2010.5. [2]趙淑范、王憲偉主編,《電子技術實驗與課程設計》.[M]北京:清華大學出版社,2006年 [3]路勇主編,《電子電路實驗及仿真》[M]北京:清華大學出版社、北方交通大學出版社,2006年1月

        [4]陸坤等編.《電子設計技術》.[M]成都:電子科技大學出本社,1997年7月 [5]王建校等編.《電子系統設計與實踐》.[M]北京:高等教育出版社,2008年5月





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