LED低成本太阳方位探测技术

成都钟顺科技发展有限公司 ■ 何海鸿 冯军帅 李松柏 赵亮

一 引言

半导体光电探测器以其体积小、重量轻、响应速度快、灵敏度高、易于与其他半导体器件集成等优点，成为最理想的光源探测器，广泛应用于光通信、信号处理、传感系统和测量系统。近年来，半导体光电探测器正向超高速、高灵敏度、宽带宽以及单片集成的方向发展。在市场经济的作用下，产品在保证性能的同时，还要考虑成本，低成本、高性能的产品才能在市场中具有竞争力。本文通过对发光二极管(LED)、光敏二极管和电荷耦合器件(CCD)进行对比，根据其特点，选出其中性价比高、适合于太阳探测的元件设计太阳方位探测仪。

二 LED与光敏二极管、CCD的对比

LED是一种固态的半导体器件，它可直接将电转化为光，同样也可感光产生电压。LED具有体积小(mm级)、寿命长(数万h)、检测精度高(0.1¡左右)、耐候性强、成本低廉且便于安装使用等优点，特别适合于户外恶劣条件下使用。其感光范围视材料而定，一般采用硅材料，能感应波长为700～1000nm的光线。LED产生的信号较强，在强光下实测其产生的电压高达1.7V。且由于LED是电压型器件，具有良好的信号匹配能力，非常易于进行信号采集和控制。LED虽产热量很少，但散热能力差，且市场上LED产品的质量参差不齐，选材较差的直接影响LED寿命。

光敏二极管具有信号线性好、响应速度快、噪音低、小型轻量以及耐震动与冲击等优点，对宽波长范围的光线具有较高的灵敏度(430～1100nm)，硅光敏二极管的响应峰值为940nm。但光敏二极管输出电流小，产生的信号弱，易受噪音影响。同时，由于其属于电流型器件，信号匹配能力弱，不易于信号采集和控制。

CCD对近红外较敏感，光谱响应可延伸至1µm左右(视材料而定)，其响应峰值为绿光(550nm)。CCD的视场角一般在±60¡左右，其精度能达到≤0.05¡。用CCD作为光电探测器，突破了以往光敏元件的局限，其主要优势在于：CCD有工业化生产工艺背景支持，有利于光敏感器设计的标准化和模块化；CCD具有动态分辨率高、体积小、超低噪声、光谱响应宽等优点。虽然CCD的检测精度高，但其价格与前两种器件相比更昂贵，要考虑实际情况选用，所以在低成本阳光探测中一般不予选用。

LED、光敏二极管和CCD的对比见表1。从表中可知，用CCD做太阳方位检测仪元件，其光电特性很好，但成本过高，不适合用于低成本探测仪；光敏二极管成本低，但抗干扰能力差，检测精度不高；而LED检测精度高且信号匹配强，即使是恶劣环境下也不受影响，同时成本很低，是低成本太阳方位探测仪的首选。本文将以LED作为太阳方位探测元件，进行相关设计和探讨。

表1 LED、光敏二极管和CCD对比

三 LED太阳方位探测器

1 原理

光子是具有能量的粒子，当入射光子使电子由价带跃升到导带时，导带中的电阻和价带中的空穴均参与导电，形成光电流，该现象被称为光电效应。一些半导体材料具有独特的光敏特性，即当半导体材料受到一定波长光线的照射时，其电阻率明显减小，这个现象叫半导体的光电导特性。利用这个特性制作的半导体器件叫光电导器件。LED就属于光电导器件，在光照下会产生电压。

如图1a所示， LED在光照条件下，会在其(＋)端和(－)端之间产生电压，其对应的电路符号如图1b所示。其中，A端是(＋)端，K端是(－)端。

LED不同于普通二极管，在反向电压下工作，其暗电流很小，约0.1µA。在光线照射下，产生“电子－空穴对”——光生载流子，并参加导电增大反向饱和电流。光生载流子的数量与光强度有关，因此，反向饱和电流会随着光强的变化而变化。如果在外电路上接负载，负载就获得电信号，且电信号会随光的变化而作相应的变化，即将光信号转化为电压。

2 探测器设计

随着光照的增强，LED的光照致电效应越强烈，产生的电压也越高。同时， LED的光照致电效应还与入射光的入射角有关，LED的光照致电效应随着太阳光入射角的增加而减弱。根据这些特性，可设计LED太阳探测器。

在数字量处理电路中，只有“0”和“1”两种状态。“0”视为负电压，通常将“1”信号定义为有效。LED太阳探测器设计如图2所示，图中两个LED紧邻放置，通过观察太阳在角平分线不同位置时，探测两个LED产生电压情况。探测信号真值表见表2。

表2 探测信号真值表

LED具有良好的信号匹配能力，且在强光下产生的电压高达1.7V。同时，LED工作电压很低(1.5～3V)，工作电流很小(10～30mA)，耗电非常少。因此我们将LED产生的信号通过TTL电平处理输出TTL电平信号，其流程如图3所示。

从图3可知，LED通过检测不同位置光照强度的光源，经电压跟随转化为电信号，送入TTL电平，使其转化为标准TTL电平信号。TTL电平信号有利于计算机处理器控制的内部数据的传输：计算机处理器控制的内部数据传输对电源的要求较低，热损耗也较低；计算机处理器控制的内部数据的传输是在高速条件下进行，而TTL接口的操作恰能满足此要求。标准TTL电平信号可直接驱动直流电机模块，从而驱动电机进行相应地旋转，以检测太阳方位并进行实时跟踪。

四 结论

该LED太阳方位探测仪的特点是检测精度高、耐候性强、使用方便，设计简单可靠，使用的关键器件LED在市场上极易购得，系统成本也极低。同时，TTL电平信号直接与集成电路连接，不需要价格昂贵的线路驱动器及接收器电路，极大地降低了成本，大大提高了LED太阳方位探测仪的性价比。在光伏产业高速发展的今天，低成本、高精度、高可靠性的太阳方位探测仪是跟踪式光伏发电机的必备器件。同时本仪器也可以用于卫星姿态校正、光通信，以及其他需要跟踪光源的领域。本文设计的低成本LED太阳方位探测仪具有良好的兼容性，能够满足大部分用户的使用，具有广阔的应用前景。

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