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防盗报警器原理(光电三极管)

2020-01-24 17:58

  光电三极管也称光敏三极管,它的电流受外部光照控制。是一种半导体光电器件。比光电二极管灵敏得多,光照集中电结附近区域。

  利用雪崩倍增效应可获得具有内增益的半导体光电二极管(APD),而采用一般晶体管放大原理,可得到另一种具有电流内增益的光伏探测器,即光电三极管。它的普通双极晶体管十分相似,都是由两个十分靠近的p-n结-------发射结和集电结构成,并均具有电流发大作用。为了充分吸收光子,光电三极管则需要一个较大的受光面,所以,它的响应频率远低于光电二极管。[1]

  光电三极管是一种相当于在基极和集电极之间接有光电二极管的普通三极管,因此,结构与一般晶体管类似,但也有其特殊地方。如图2.1.1所示。图中e.b.c分别表示光电三极管的发射极.基极和集电极。正常工作时保证基极--集电极结(b—c结)为反偏正状态,并作为受光结(即基区为光照区)。光电三极管通常有npn和pnp型两种结构。常用的材料有硅和锗。例如用硅材料制作的npn结构有3DU型,pnp型有3GU型。采用硅的npn型光电三极管其暗电流比锗光电三极管小,且受温度变化影响小,所以得到了广泛应用。[2]

  光电三极管的工作有两个过程,一是光电转换;二是光电流放大。光电转换过程是在集---基结内进行,它与一般光电二极管相同。[3]当集电极加上相对于发射极为正向电压而基极开路时(见图2.1.1(b)),则b--c结处于反向偏压状态。无光照时,由于热激发而产生的少数载流子,电子从基极进入集电极,空穴则从集电极移向基极,在外电路中有电流(即暗电流)流过。当光照射基区时,在该区产生电子---空穴对,光生电子在内电场作用下漂移到集电极,形成光电流,这一过程类似于光电二极管。于此同时,空穴则留在基区,使基极的电位升高,发射极便有大量电子经基极流向集电极,总的集电极电流为

  式中β为共发射极电流放大倍数。因此,光电三极管等效于一个光电二极管与一般晶体管基极---集电极结的并联。它是把基极---集电极光电二极管的电流(光电流IP)放大β倍的光伏探测器,可用图2.1.1(c)来表示。与一般晶体管不同的是集电极电流IC由基极---集电极结上产生的光电流IP=Ib控制。也就是说,集电结起双重作用,一是把光信号变成电信号起光电二极管的作用;二是将光电流放大,起一般晶体三极管的集电极的作用。[4]

  根据光电三极管的工作原理,我们可以比较容易的画出他的等效电路。由于它的集电结势垒电容Ccb远小于发射结势垒电容Cbe,我们可以得到如图2.2.1光电三极管的交流等效电路,图中ip为集电结光电二极管的电流源,Cbe为发射结电容;rbe为发射结正向微分交流电阻;iLw为放大后的电流源;iL=βip;β为光电三极管的放大倍数;Rce为集电极发射极电阻;Cce为集电极发射极间电容;RL为负载电阻。由图5--40等效电路,

  式中, , 为入射光信号的角频率,选择合适的负载,使得 ,则 ,输出电压为

  由上式可看出,当输入光信号时,由于发射结电容相对较大,造成对信号的分流,将使有效输出信号减小。此外,电容 的旁路也会减少流过 的输出电流。利用光电三极管的等效电路在计算机和分析它的时间响应和输出外特性是非常方便的。[5]

  图2.3.1表示光电三极管的 关系曲线。由图可见,光电三极管在偏压为零时,集电流为零。当有光照时,光电三极管输出电流比同样光照下光电二极管的输出电流大 倍。图中曲线还表明,在光功率等间距增大的情况下,输出电流并不等间距增大,这是由于电流放大倍数 随信号光电流的增大而增大所引起的。

  光电三极管的频率响应与 结的结构及外电路有关。通常需考虑:少数载流子对发射结和收集结势垒电容( 和 )的充放电时间;少数载流子渡越基区所需时间;少数载流子扫过收集势垒区的渡越时间;通过收集结到达收集区的电流流经收集区及外负载电阻产生的结压将,使收集结电荷量改变的时间常数。于是光电三极管总响应时间应为上述各个时间之和。因此,光电三极管的响应时间比光电二极管的要长的多。由于光电三极管广泛应用于各种光电控制系统,其输入光信号多为脉冲信号,即工作在大信号或开关状态,因而光电三极管的响应时间或响应频率将是光电三极管的重要参数。[6]

  为改善光电三极管的响应频率,从光电三极管的等效电路可知道应尽可能减少 和 时间常数。一方面在工艺上设法减小结电容 . 等;另一方面要合理选择负载电阻 ,减小电路时间常数。图2.3.2给出了在不同负载电阻 下,光电三极管输出电压的相对值与入射光调制频率的关系。由图可知, 愈大,高频响应将愈差。减小 可以改善频率特性。但 降低会导致输出电压下降。因此,在实际使用时,合理选择 和利用高增益运算放大器作后级电压放大,可得到高的输出电压并改善频率响应。此外,为改善频率响应,减小体积,提高增益,电路上常采用高增益.低输入阻抗的运算放大器与之配合。图2.3.3(a)(b)分别表示达林顿光电晶体管的集成电路示意图。实际使用光电三极管时常采用带基极引线的光电三极管,并提供一定的基极电流。对无基极引线的光电三极管,则给予一定照度的背景光,使其工作于线性放大区,以得到较大的集电极电流,这将有利于提高光电三极管的频率响应。图2.3.4给出了光电三极管响应时间与集电极电流 的关系,由图可知,增加集电极电流 可减小光电三极管的响应时间,即提高光电三极管的工作频率。[7]

  与光电二极管相比较,光电三极管频率响应较低,不宜使用于高速,宽带的光电探测系统中,但由于其响应率高,具有电流内增益,故在一般光电探测系统中仍得到广泛应用。

  设计一个报警器。由图3.1(a)、(b)所示电路分别是红外发射器和红外接收、无线(a)所示电路为红外发射器电路。由VT1、VT2、C1以及R1等组成一个300Hz左右的自激振荡器,其振荡器频率主要由时间常数R1 C1决定。红外发射二极管串接在VT2的集电极回路中,在振荡器振荡过程中VT2每导通一次,发光二极管发光一次。R3用于限流,使VT2的电流不超过500mA。

  (b)红外接受无线 遮光式红外监控无线(b)所示电路中,红外就收管VD3选用选用与发射管配套的管型(光波长一致)。VD3将照射的红外光转换成电信号,并经C2、R5加至IC1-a的反相输入端。IC1采用双运放TL072(或LM358、R4558、NE5532),其同相端外接6V骗子电压。该级的放大倍数K=20lg(R8/R5),图示参数给出近53dB的放大量。IC1-a的输出经VD4、C3等整流后,以直接电压形式加至IC1-b的反相输入端。IC1-b与R10、R12、RP1等组成一个电压比较器,当VD3一直受红外光照时,b点的电位VbVa(预先调好),IC1-b的输出端(⑦脚)呈高电平,VT3饱和导通,致使其集电极,(即IC2的④脚)呈低电平(0.4V)。IC2与R15、R16、一氧化碳气体报警器的工作原理C4等组成一个可控多谐振荡级,当它的强制复位④脚呈低电平时,电路被强制复位,振荡中止。

  当有人涉足红外监控区时,红外光束被遮断,IC1-a无信号输入,其输出呈低电平,则电源电压通过R9对C3充电,致使VbVa, IC1-b的⑦脚呈低电平,VT3截止,则IC2的④脚通过R14接电源,呈高电位,IC2起振。其振荡频率f=1.44/[( R15+2 R16)C4],图示参数的振荡频率约为1000Hz。

  IC2输出的音频脉冲信号通过R17、C6加至VT4的基极。VT4与L、C9、C10等组成一个高频振荡器,其振荡频率主要取决于L、C9组成的选频回路,调节C9,使振荡频率在调频波段88-108MHz范围内。同时,该振荡级在输入脉冲信号的激励下呈调频振荡状态,这是由于VT4的集电结电容随调制脉冲的高低电平变化,进而实现调频。调频载波信号通过天线发射出去。

  展开全部1)晶体三极管在防盗报警器电路中广泛用于信号放大与处理.是电路的基本元件.2)所有的晶体三极管的PN结都具有光电效应,而用于防盗报警器电路的多为光电与光敏二极管.自动控制里常见的光藕合器也是用光电与光敏二极管.3)早在70年代人们就利用晶体三极管PN结的光敏效应制做光敏开关,后来衍生了专用的光敏与光电二极管,配合三极管及可控硅广泛的用于自动控制电路!而后在集成电路的发展中晶体管的光电处理更是发展迅速!4)最简单的晶体管光敏防盗抱警器是利用光敏晶体管的遮光截止来控制三极管或集成电路的输出,用可控硅或继电器来执行接通警笛电路!

  展开全部防盗报警系统是用物理方法或电子技术,自动探测发生在布防监测区域内的侵入行为,产生报警信号,并提示值班人员发生报警的区域部位,显示可能采取对策的系统。防盗报警系统是预防抢劫、盗窃等意外事件的重要设施。一旦发生突发事件,就能通过声光报警信号在安保控制中心准确显示出事地点,使于迅速采取应急措施。防盗报警系统与出入口控制系统、闭路电视监控系统、访客对讲系统和电子巡更系统等一起构成了安全防范系统。防盗报警系统通常由:探测器(又称报警器)、传输通道和报警控制器三部分构成。

  报警探测器是由传感器和信号处理组成的,用来探测入侵者入侵行为的,由电子和机械部件组成的装置,是防盗报警系统的关键,而传感器又是报警探测器的核心元件。采用不同原理的传感器件,可以构成不同种类、不同用途、达到不同探测目的的报警探测装置。

  (1)报警探测器按工作原理主要可分为红外报警探测器、微波报警探测器、被动式红外/微波报警探测器、玻璃破碎报警探测器、振动报警探测器、超声波报警探测器、激光报警探测器、磁控开关报警探测器、开关报警探测器、视频运动检测报警器、声音探测器等许多种类。

  (3)报警探测器按探测范围的不同又可分为点控报警探测器、线控报警探测器、面控报警探测器和空间防范报警探测器。

  除了以上区分以外,还有其他方式的划分。在实际应用中,根据使用情况不同,合理选择不同防范类型的报警探测器,才能满足不同的安全防范要求。

  报警探测器作为传感探测装置,用来探测入侵者的入侵行为及各种异常情况。在各种各样的智能建筑和普通建筑物中需要安全防范的场所很多。这些场所根据实际情况也有各种各样的安全防范目的和要求。因此,就需要各种各样的报警探测器,以满足不同的安全防范要求。

  根据实际现场环境和用户的安全防范要求,合理的选择和安装各种报警探测器,才能较好的达到安全防范的目的。当选择和安装报警探测器不合适时,有可能出现安全防范的漏洞,达不到安全防范的严密性,给入侵者造成可乘之机,从而给安全防范工作带来不应有的损失。

  报警探测器要求具有防拆动、防破坏功能。当报警探测器受到破坏、人为将其传输线短路或断路,以及非法试图打开其防护罩时,均应能产生报警信号输出;另外报警探测器还应具有一定的抗干扰措施,以防止各种误报现象的发生,例如:防宠物和小动物骚扰、抗因环境条件变化而产生的误报干扰等。

  报警探测器的灵敏度和可靠性是相互影响的。合理选择报警探测器的探测灵敏度和采用不同的抗外界干扰的措施,可以提高报警探测器性能。采用不同的抗干扰措施,决定了报警探测器在不同环境下的使用性能。了解各种报警探测器的性能和特点,根据不同使用环境,合理配置不同的报警探测器是防盗报警系统的关键环节。

  展开全部报警器采用无线反馈报警原理,由两大部分组成:第一部分由防盗入侵探测器和微型无线报警发射机组成;第二部分为无线报警接收控制器。使用时将第一部分安装在储藏室、车库等需要防范的场所;第二部分则放置在居民住室内。电路原理一、入侵探测器和微型报警发射机部分图1为入侵探测器和微型无线报警发射机的电路原理图。小磁铁与触点常闭型干簧管E组成入侵探测器,将小磁铁安装在储藏室的门扇上,干簧管E紧靠小磁铁,安装于相对的门框上。平时门处于关闭状态,由于小磁铁紧靠E,使E内部两常闭触点依靠外磁力作用而断开,微型发射机因无电源不工作。一旦发生盗情,小磁铁就会随门扇远离E,E失去外磁场的作用,其内部两触点依靠自身的弹力而闭合,微型发射机得电立即发出编警电信号。IC1(VD5026)是一数字编码集成电路,其共设8个地址码,即A1~A8;4个数据码,即D1~D4。(编者注:VD5026/5027的相关介绍可参见今年《电子报》第35期本版中《编解码电路与系统安全》一文)。经地址编码的数据由IC1的脚输出。IC1的振荡频率由外接电阻R1决定,R1阻值越小,振荡频率越高。R1的阻值可在120kΩ~470kΩ之间选择,但应注意R1的阻值必须和报警接收部分的解码器VD5027的振荡电阻R15(见图2)的阻值严格一致,否则无法可靠解码。晶体管V1与C1、C2、L1、L2等元件组成调制和射频发射电路,其发射频率在300MHz左右,为了增加发射电路的稳定性,天线可直接印制在电路板上。

  二、无线是无线接收报警控制器的电路原理图,它由超再生接收、放大、整形、译码电路及报警信号发生电路等部分组成。

  由天线高频放大后,经C4送至超再生射频解调器T2的发射极,解调出的编码数据脉冲信号经C12送至运放集成电路IC1的A1和A2进行放大和整形,最后送入解码电路IC2的第脚进行数据解码。解码集成电路VD5027是编码集成电路VD5026的配对电路。使用中VD5026和VD5027两电路的地址码A1~A8应绝对保持一致,它们的状态码也应保持一样。当VD5026停止发送信号(发射机关机)时,VD5027的脚VT端复零。电路中利用单向可控硅SCR做报警保持,VD5027的脚呈高电平时,SCR被触发导通,音乐片9561因得电而输出报警信号,推动喇叭发声,报警指示灯D2点亮。此后,即使VD5027的脚复零,由于可控硅SCR已导通,因而报警喇叭将一直发声,直至按下报警解除开关K2为止。

  为了防止停电发生漏报警,无线报警接收控制器采用交、直流两种方式供电,并可自动转换。当有交流电源时,一氧化碳气体报警器的工作原理整流输出的9V电源加在二极管D5的负极,二极管D5截止,电路依靠交流供电工作。一旦交流停电,D5的负端因失去9V电压而导通,9V电池通过D5给电路供电,实现交、直流供电自动切换。

  图1中的小磁铁和干簧管E可在市场上购买成品的常闭式门窗戒备传感器。要求防范场所的门扇和门框之间的间隙要小,门关闭后要牢靠,否则被风吹动可能引起误报警。L2可用镀银线mm的漆包线围成,也可直接印刷在电路板上。编码器不需要编码开关,只要将某点与电源正极或负极相连即可。电源用15V叠层电池。整个发射电路可制作在一块比火柴盒还小的电路板上。

  图2中的报警信号接收和报警控制部分中,T1、T2的 β值要求不大于100。电感L1用4.7μH的色码电感,L2用∮0.5mm的漆包线匝自制,天线cm长的软导线为报警解除开关,应采用触点常开按钮。电池为9V叠层电池。整个电路除电源开关、报警解除开关、电源指示灯、报警指示灯安装在面板上外,其它元件均安装制作在一块电路板上。

  根据图1、图2选好元件、焊接在电路板上,将VD5026和VD5027的地址码和状态码设置一致,检查无误后即可通电调试。

  调试的难点为收发频率要严格一致,为此需要将报警发射部分和报警接收部分的调试配合起来进行。初次安装调试,为了确保调试成功,最好在示波器的配合下进行。首先,将发射机部分中的干簧管两端用短接线短路,让发射机一直工作,接通接收部分的电源,先将R16焊开,将示波器的探头接在图2中IC1(LM358)的⑦脚处,将发射机靠近接收机(相距20cm左右),用无感起子调节发射机的微调电容C3和接收机的微调电容C9,直到示波器上有编码脉冲显示为止。再拉开发射机和接收机的距离,使发射机和接收机相距10m左右,将示波器的探头改接在图2中IC1(LM358)的②脚上。仔细调整接收部分的微调电容C9和电感线,直到示波器显示的解调输出的编码脉冲信号的波形幅度最大为止。然后再调整发射机的微调电容C1,边调整边观察示波器波形的变化,使波形幅度达到最大值。反复几次使之达到最佳状态。如果一切都正常,可接上电阻R16,此时扬声器应发出报警声,报警指示灯发光,断开发射机电源,报警仍能维持,按下报警解除开关后,报警应解除。最后可拉开距离进行实验,本报警器在调试正常的情况下,报警距离可达50m以上。

  本报警器电路简单,整机成本仅几十元。通过改变其发射端的传感器,并设置VD5026/5027的地址码、状态码可大大拓展本报警器的用途(如多路报警、数据传输等)。

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