采用硅光电池实现光照度计电路设计与分析 - 图文

成都理工大学工程技术学院毕业论文

采用硅光电池实现光照度计

电路设计和分析

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专业名称：应 用 物 理指导教师：# # # 讲师

学

采用硅光电池实现光照度计电路设计和分析

摘要

本文通过理论分析与数值比对来确定光照强弱与光电池输出光电信号的关系，并且通过这种关系设计了相应的光电检测电路，更直观展现光伏技术在实际生活中的应用。

随着光伏技术的日渐成熟以及应用的扩展，对光照的研究也日新月异。所以对如何更加准确的测定光照参数也提出了更高的要求。针对不同的要求，如何快速设计出对应的光电探测器，又有了新的课题。本文在此背景下，进行了光照度计电路的设计与分析。

本论文共分四部分：第一部分为光电池特性介绍及实验特性参数，第二部分为电路方案设计和电路实现，第三部分为利用Protel 99SE进行电路设计，第四部分为电路实物制作与调试。

关键词 ：光电池 转换电路 光电效应 伏安特性

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采用硅光电池实现光照度计电路设计和分析

Abstract

A comparsion between analysis theory and numerical ratio, which can determine the relationship between the intensity of illumination and optical signal of photocell output in this paper. And we design a corresponding circuit of photoelectric detection by the relationship showing the application of photoelectric technology in our daily life.

With the development and widespread of photoelectric technology, fracture treatment has been changing quickly. So there have more high requirements about how to determine the parameter of the light more exactly. As for different requirements, it is a new project to design the corresponding electrophptonic detector. Under this background, this paper discuss design and analysis of the circuit of light meter.

There are four parts in this paper：In the first part, it introduce the character of photoelectric cell and characteristic parameter of experiment. The second part is about designing scheme of circuit and realizing the circuit, The third part is using Protel 99SE to design circuit, The fourth part is to manufacture and adjust the circuit.

Keywords: Potoelectric cell, Conversion circuit,Photoelectric effect,

Volt-Ampere characteristic

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目录

摘要 ............................................................................................................ I Abstract .................................................................................................. II 目录 ......................................................................................................... III 前言 ........................................................................................................... 1 1 光伏技术的发展历程简介 ................................................................... 2

1.1 光伏技术的历程 ......................................................................... 2 1.2 光伏技术的现状 ......................................................................... 3 2 硅光电池的工作特性 ........................................................................... 4 2.1 硅光电池的工作原理 ................................................................. 4 2.2 硅光电池的负载特性 ................................................................. 6 2.2.1硅光电池零偏和负偏时光电流与输入光信号的关系 ...... 7 2.2.2 硅光电池输出接恒定负载时产生的光伏电压与输入光信号的关系 .................................................................................................... 8 3 电路的设计方案 ................................................................................. 10

3.1 电路的设计要求 ....................................................................... 10 3.2 电路的方框图 ........................................................................... 10 3.3 电路的原理图 ........................................................................... 11 3.4 电路的工作过程 ....................................................................... 11 4 各单元电路实现 ................................................................................. 12

4.1 光电池的输入信号电路 ........................................................... 12 4.2 电平放大转换电路 ................................................................... 12 4.2.1 运算放大器LM741的性能简介 ....................................... 13 4.2.2 同相比例放大电路 ........................................................... 13 4.2.3 电平转换串联电路 ........................................................... 14 4.3 电平显示电路 ........................................................................... 14

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5 利用Protel对光照度计电路设计 ................................................... 15

5.1 Protel电子绘图软件简介 ......................................................... 15 5.2 电路原理图绘制 ....................................................................... 16 5.2.1 生成电路原理图过程 ....................................................... 16 5.2.2 生成BOM表 ....................................................................... 19 5.2.3 生成网络表Netlist ........................................................ 21 5.2.4 电路ERC表 ....................................................................... 22 5.3 电路PCB图绘制 ..................................................................... 23 5.3.1 生成单面PCB图过程 ....................................................... 23 5.3.2 电路DRC检测 ................................................................... 26 6 光照度计电路制作 ............................................................................. 27

6.1 电路的焊接 ............................................................................... 27 6.2 电路的调试及结果 ................................................................... 27 总结 ......................................................................................................... 30 致谢 ......................................................................................................... 31 参考文献 ................................................................................................. 32 附件1 软件安装说明 .......................................................................... 33

Protel的安装与配置 ....................................................................... 33

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Protel 99SE软件沿袭了Protel以前版本方便易学的特点，内部界面与Protel 98大体相同，新增加了一些功能模块。Protel公司引进了德国INCASES公司的先进技术，在Protel 99SE中集成了信号完整性工具，精确的模型和板分析，帮助你在设计周期里利用信号完整性分析可获得一次性成功和消除盲目性。Protel 99SE容易使用的特性就是新的“这是什么” 帮助。按下任何对话框右上角的小问号，然后选择你所要的信息。现在可以很快地看到 特性的功能，然后用到设计中，按下状态栏末端的按钮，使用自然语言帮助顾问。

5.2 电路原理图绘制

开始 设置图纸大小 设置环境 输出报表 原理图部线 放置元件 存盘打印 结束

图5.1 原理图设计流程

5.2.1 生成电路原理图过程

电路原理图的设计主要是Protel 99SE的原理图设计系统（Advanced Schematic）来绘制一张电路原理图。在这一过程中，要充分利用Protel 99SE所提供的各种原理图绘图工具、各种编辑功能，来实现我们的目的，即得到一张正确、精美的电路原理图。首先，在

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WINDOWS下双击Protel 99SE 图标，点击File(文件)中“New”项，新建设计数据库，如图5.2(a)所示。在Browse选项中选取需要存储的文件夹，然后点击“OK”，如图5.2（b），即可建立自己的设计数据库。

图5.2（a） 图标 图5.2（b）建立设计数据库

进入主设计窗口后，选取File/New...打开New Document对话框，如图5.3，选取Schematic Document建立一个新的原理图文档。

图5.3 新建原理图文档

建立好原理图文档后，就会进入Protel 99SE 原理图设计的主界面，如图5.4。

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零件库管理器 画图工具栏 零件管理器 电路图绘制工具栏 编辑区 零件显示

图5.4 原理图设计主界面

进入主界面后，首先设定好设计图纸的大小和样式，我们这里将图纸大小设为A4，工作区颜色为白色。图纸参数设好后，就可以在工作界面添加我们的元器件。

完成原件的选取、位置的调整过后，如图5.5所示。

图5.5 原理图原件选取及布局

最后，所有元件放置完毕后，就可以进行电路图中各对象间的连线（Wiring）如图5.7所示。连线的主要目的是按照电路设计的要求建

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立网络的实际连通性。

要进行操作，可单击电路绘制工具栏上的按钮或执行菜单Place/Wire将编辑状态切换到连线模式，此时鼠标指针由空心箭头变

为十字架。只需将鼠标指针指向欲拉连线的元件端点，单击鼠标左 键，就会出现一条随鼠标指针移动的预拉线，当鼠标指针移动到连线的转弯点时，单击鼠标左键就可定位一次转弯。当拖动虚线到元件的引脚上并单击鼠标左键，可在任何时候双击鼠标左键，就会终止该次连线。若想将编辑状态切回到待命模式，可单击鼠标右键可按下Esc键。

更快捷的连线方法：在待命模式，按鼠标右键，出现图5.6（a）所示的右键菜单，点击Place Wire菜单项就可以进行连线。

（a）

（b）

图5.6 连线编辑

连线完成后，我们就可以看到如图5.6（b）所示的电路原理图。这样一个完整的电路原理图，我们就完成了。

5.2.2 生成BOM表

在原理图界面中，点击菜单栏“Reports”，然后选择“Bill of material”，在选择输出文件格式时，选择“Protel formart” 如图5.7，即可输出BOM表，如图5.8。

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1 2 3 4 5 图5.7 BOM流程图生成流程

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图5.8 BOM表

5.2.3 生成网络表Netlist

网络表（NetList）是电路原理图与设计印刷电路板之间联系的纽带，是设计印刷电路板的灵魂，那么到底什么是网络表呢？简单地说，网络表就是组成一个电路的所有元件和连线的描述集合。一般来说，网络表都是简单的ASCII文本文件。在典型的网络表文件中包含有元件的描述信息，例如元件标号和它的封装类型，以及构成网络定义的元件的引脚和引脚之间的连接关系的描述等。

如要生成网络表，可选Design—Create Netlist…命令，如图5.9，生成后的网络表如图5.10所示：

从该网络表文件，我们可明显看出该文件 有两部分构成。第一部分是由方括号括起 来的，每一组方括号构成一个独立的部 分，它描述了原理图中的某个元件的标号 ）、封装（Footprint）及相关 （Designator

图5.9 -21-

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信息；第二部分是由圆括号括起来的，每一组圆括号构成一个独立的部分，它描述了原理图中的某个节点的连接情况，即共有多少个元件的引脚连到该节点上。

图5.10 网络表

5.2.4 电路ERC表

在原理图绘制完成以后，必须对原理图进行电器规则检测（REC检测），才能最终制作出印制电路板（PCB）。电气规则检查是对已经绘制完成的电路图进行后续处理，以确保原理图绘制软件能够精确地描述你所设计的电路，从而生成一个有效的网络表文件（.NET文件）。通过电气规则检查，即可以检查出电气特性上的矛盾，例如一个输出引脚连到另一个输出引脚（一般这是不允许的），还可以检查出绘图方面的矛盾，

采用硅光电池实现光照度计电路设计的电路电器规则检查结果，如图5.11。

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图5.11 电器规则检测

综上所述可以生成一个完整的网络表文件，那么网络表文件生成之后，就可以用它来制作印刷电路板了。

5.3 电路PCB图绘制

编辑好原理图，经过电气规则检测（ERC检测），并生成网络表之后就可以进行PCB设计了。

5.3.1 生成单面PCB图过程

首先，我们Protel 99SE的“New Documents”下新建PCB 文件，如图5.12所示。

图5.12 新建PCB文件

建立好PCB文件之后，就可以进行PCB设计参数的设置了。首

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先，是选择Design设计的Layer Stack Manager（层堆栈管理器）项设置电路板层面，如图5.13（a）。层面设计完成后，就可以进行电气安全距离和线宽的设计了，选择Design设计Rules对话框进行设置，如图5.13（b）。最后，选择Design菜单下的Options…选择，出现 Document Options对话框进行设置背景网络尺寸，如图5.13（c）。

图5.13（a） 设置电路板层面

图5.13（b） 电气安全距离和线宽的设计

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图5.13(c) 设置背景网络尺寸

将PCB设计参数设置完成后，就可以进行PCB绘制了。我们先画好PCB电路板，确定其大小。电路板画好后，接下来就是进行网络表的添加。网络表加载完成后，我们将原件合理的摆放在电路板的区域内。原件摆放完成后，就可以对电路进行自动布线，等布线完成就完成了整个电路板的电脑绘制过程，如图5.14所示。

图5.14 电路绘制完成后实现的PCB图

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5.3.2 电路DRC检测

电路DRC检测主要是对设计完成的电路进行检测，作用就在于检测设计完成的电路是否存在问题，例如：电源短接。检测完成的结果如图5.16所示。检测结果均为0，说明电路正确。

图5.16 电路DRC检测结果

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6 光照度计电路制作

6.1 电路的焊接

电路板制作成功后，我们就可以进行电路板的焊接。需要焊接的元器件有：硅光电池一个，蓝光LED灯珠2只，绿光LED灯珠2只，红光LED灯珠一只，芯片LM741一块，电位器一个，1K电阻2个，100K电阻一个，150Ω电阻一个，220Ω电阻一个，330Ω电阻2个，470Ω电阻一个，导线若干，9V干电池两个。

在进行电路焊接时，使用的工具有电烙铁，焊锡丝，松香等。焊接时必须按照PCB板电器位置摆放原件，并正确的调整好正负极后，即可将元器件焊接上。本次焊接实物图如图6.1所示。

图6.1 电路焊接实物图

6.2 电路的调试及结果

电路焊接完成后，我们就可以进行电路的调试。对电路调试主要是检测电路是否能按照预设的程序完成工作。调试使用的工具主要有：示波器，万用表。调试的目的主要是看电路时否能够能够调零，是否能都根据输入信号的变化产生相应的效果。调试过程可以参靠图6.2。

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图6.2 电路调试

本电路的工作过程如下：

1、当光照较强时，硅光电池能产生足够的光电信号，再将其传输到放大电路，放大电路根据接收到较强输入信号的的强，驱使干电池输出高电平。此时能满足所有LED灯珠的工作电压，所以LED灯珠全亮，且亮度较高。

2、当光照适中时，硅光电池产生稍弱的光电信号，将其传输到放大电路后，放大电路只能驱使干电池输出适当的电压。此时能满足部分LED灯珠的工作电压，所以LED灯珠只有蓝绿灯亮，红灯不亮。

3、当光照较弱时，硅光电池只产生很弱甚至没有光电信号，由于放大电路接收不到输入信号，所以也就没有电压输出。此时所有LED灯珠全灭。

本电路具体的工作效果可以参考图6.4。

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（强）

（适中）

（弱）

图6.3 电路工作调试图

至此，此次实验完成了实电路实物的制作，采用硅光电池实现光照度计的电路设计与分析过程就已经结束了。本次设计出的电路能利用光照使硅光电池的输出参数发生变化，从而驱动整个显示电路的工作，成功的达到了预期的设计要求与实验效果。

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总结

硅光电池是一种直接把光能转换成电能的半导体器件。它的结构很简单，核心部分是一个大面积的PN 结，把一只透明玻璃外壳的点接触型二极管与一块微安表接成闭合回路，当二极管的管芯(PN结)受到光照时，你就会看到微安表的表针发生偏转，显示出回路里有电流，这个现象称为光生伏特效应。硅光电池的PN结面积要比二极管的PN结大得多，所以受到光照时产生的电动势和电流也大得多。

硅光电池作为新型的光电转换原件，在很多的领域都有广泛的应用，例如：数码摄像、光通信、太阳能电池等领域。本文则使用硅光电池进行了光照度计电路的设计与分析。经过大量的实验数据采集、分析，实现了对硅光电池特性的了解，进而成功的设计出了光照度计电路。本文所使用专业的电路设计软件Protel 99SE，为电路设计提供了更多简洁、快速的设计方式，从而为成功的设计出电路奠定了坚实的基础。

限于水平，本文介绍了硅光电池的结构与特性分析、放大电路的工作方式以及Protel 99SE的使用过程。也重点介绍了电路的实现过程。但对硅光电池的应用只局限在了光电探测方面，因此，对于硅光电池的应用拓展还有不足之处。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/lbog.html