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Proteus仿真技术在光电传感器教学中的应用
基金项目:本文系高等职业学校专业骨干教师国家级培训项
目电气自动化技术企业顶岗培训(项目编号的研究
成果。
光电传感器是传感器与检测技术的一项重要内容,广泛应用
于各种光控电路。光电传感器能够将光信号转换为电信号,利用
一些特定材料的光电效应来实现对光信号的检测。由于是对光信
号的检测,光电传感器在教学中搭建实物试验比较困难,内容显
得较为抽象,有一定的教学难度,学生学习也有难度。笔者经过
教学实践,利用计算机仿真技术,通过Proteus软件,搭建光电
传感器虚拟实验,取得了较好的教学效果。
一、Proteus仿真教学简介
Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真软件),从原理图
布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真,一键切换到PCB
设计,真正实现了从概念到产品的完整设计。使用Proteus软
件进行传感器及其检测电路设计是虚拟仿真技术和计算机多媒
体技术相结合的综合运用,有利于培养学生的电路设计能力及仿
真软件的操作能力;在教学实践中,通过使用Proteus软件对
学生进行教学,在不需要硬件投入的条件下,学生普遍反映对传
感器的学习比单纯学习书本知识更容易接受,更容易提高。实践
证明,使用Proteus进行系统仿真开发成功之后再进行实际制
作能极大提高系统设计效率。
二、光电效应及光电器件的Proteus仿真
1.光电效应
光可以认为是一种能量传递的方式,它是由一定能量的粒子
组成,这种粒子叫做光子。光的频率越高,光子的能量越大,用
光照射物体,可以看做是光子对该物体的一系列撞击,物体的粒
子接受光子的撞击后获得能量,产生的电效应就是光电效应。光
电效应分为内光电效应和外光电效应。光照射在某一物体上,使
电子从这些物体表面逸出的现象称为外光电现象,也叫做光电发
射。当光照射于某一物体上,使物体的导电能力发生变化,这种
现象叫做内光电效应,也叫做光电导现象。利用内光电效应可以
制成光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、光敏晶闸管等光电转
换器件,这些都是常见的光电传感器。
2.光电器件的Proteus仿真
利用光电效应可以制作出各种类型的光电转换器件,即光电
传感器。常见的光电器件有光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、
光电池、光电管等。
(1)光敏电阻。光敏电阻是基于内光电效应的光敏传感器,
当有光照射时,其电阻值降低;光照越强,阻值越小。其暗电阻
一般为1MΩ,其亮电阻(当光照为10lX时)一般为几百欧姆到
几千欧姆。光敏电阻一般是将半导体材料粉末烧结在陶瓷衬底上
面,形成一层膜,用两个引线引出。有的在外部用防潮材料或者
玻璃外壳将其密封,起到保护作用。按照光谱特性及其工作波长,
光敏电阻可分为紫外光、红外光和可见光光敏电阻。通过Proteus
提供的光电元件,搭建的光敏电阻电路如图1所示,可以通过调
节图中模拟的灯照强度来仿真光照的强度,箭头向上调节是光照
加强,向下调节是光照减弱。通过调节光照强度可以在LDR1中
获得一个随光照变化的电流,加上电阻分压电路,就可以构成一
个光电电阻的仿真模型。当光照强度越大时,电流越大,电阻越
小。此电路中,电流经电阻转换成电压,光照越强,输出电压越
大。
(2)光敏二极管和光敏三极管。光敏二极管是一种利用PN
结的单向导电性的结型光敏传感器,与一般的二极管不同的是,
PN结上装有透明的外壳,用来接受光照。光敏三极管与普通三
极管一样,有PNP和NPN两种类型,有两个PN结,其中集电结
具有光敏特性,相当于一个光敏二极管。在应用时,集电结反偏、
发射结正偏,在光照的影响下可以等效看成是光敏二极管产生的
光电流在三极管中进行放大,其光电流比光敏二极管的光电流要
大很多,也就是光敏三极管的灵敏度比光敏二极管要高。光敏三
极管常用的材料一般是硅,一般只引出集电结和发射结,外形和
发光二极管相同。光敏三极管的Proteus
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