发光管和光电管的性能测试和分析
发光管和光电管的性能测试和分析
赵尚武 李 杰 林思婧 北京青云航空仪表有限公司 北京 100086
【文章摘要】
本文介绍了光电传感器中常用的OPTEK 公司生产的OP233 发光管和OPR2101 光电管的电流、电压、参数一致性以及它们的光电耦合效率的测试原理和测试结果，并分析了这些测试结果和现象的原因。在发光管与光电管的相对位置不变时，发光管激励电流与光电管输出电流近似成正比。发光管与光电管的耦合效率的试验研究表明，光电耦合效率随着它们之间的垂直距离增加并非单向减小，而是在4mm ～ 5mm 处出现第二个极大值；随着它们之间切向偏移量的增加急剧减小，但是在偏移量大于2mm 时出现了另一个较小的极大值。分析认为耦合效率出现多个极大值是由于发光管的光照强度随光斑半径非连续衰减导致的，该推测得到了试验验证。其它型号的发光管和光电管也存在同样的规律。
【关键词】
发光管；光电管；光电耦合效率；光电传感器
0 引言
光源和光电接收器是光电传感器的关键器件，它们的性能、参数选择直接影响传感器的测量精度、可靠性和寿命。美国OPTEK 公司生产的OP233 红外发光管和OPR2101 六相红外光电管阵列配对使用，分别作为光源和光电接收器，经常用于宽温光电传感器。发光管OP233 的管径为4.6mm，工作温度为-65℃～ +125℃， 中心波长为890nm，辐射功率小于10mW， 发散角为18 °。光电管OPR2101
中每一个接收单元的面积为1.1mm×0.6mm，
工作温度为-55℃～ +125 ℃，心波长为890nm，反向击穿电压为50V，光电转换效率为0.45A/W，单相光电管的感光面积为0.66mm2。本文讲述了发光管和光电管的性能测试原理、测试并分析了电流、电压、光电耦合效率等参数，明确了相关设计参数。
1 发光管和光电管的测试原理及方法
试验中发光管与光电管电路连接的原理图如图1 所示，另外在试验中还用光学支架固定、调节发光管的相对位置，用精密微位移装置调节光电管的偏移量。发光管的供电电压VCC=5V，其分压电阻R4 的阻值可调，用于调节其激励电流和发光强度，以便测试发光管电流对光电管输出电流的影响。光电管的供电电压VPC 可调节，用于测试光电管电压值对光电转换效率的影响。发光管和光电管的相对位置可以调节，以便于测量两者的距离以及切向偏移量对光电管输出电流的影响。运算放大器CA3140 的供电电压为5V，它正输入端P3 由分压电阻设定为2.5V。由于光电管产生的最大电流只有几百uA，可以由运算放大器内部构成光电流的通路，直接用电压表测量负反馈电阻R1 两端电压即可计算光电管产生的电流值。
2 发光管和光电管的测试结果及分析
2.1 发光管激励电流的测试
首先测试发光管激励电流对光电管输出电流信号的影响。光电管的阴极调整为5V，两者距离设为5mm，且发光面与感光面对正照射，测试结果如图2 所示。从图中曲线可以看出光电管电流与发光管电流近似为正比，这种正比关系从理论上解释为：发光管的发光强度与激励电流呈正比关系，而光电管产生的电流与其接收的辐照度呈正比，故在两者相对位置不变时，它们的电流呈正比关系。考虑到产品的寿命和降额设计要求，以及输出光电流信号强度的要求，确定在产品设计中选择分压电阻为75Ω，此时发光管两端电压为1.47V，激励电流为47mA。
图2 发光管电流对光电管电流信号的影响
2.2 光电管反向电压和离散性测试
发光管激励电流设为47mA，发光管与光电管距离为5mm，且两者正对，调节光电管阴极电位VPC，测试VPC 对输出电流的影响。测试结果如图3 所示，可知当VPC ≥ 5V 时，其对输出电流的影响可以忽略，而VPC=5V 在电路设计中是最容易实现的。由于运算放大器的反相输入端P2 为2.5V，当VPC 略小于2.5V 时虽然光电管处于正向偏压，在光照条件下也会产生反向电流，当VPC 远小于2.5V 时可能会损坏运算放大器。
图3 光电管电压对其电流信号的影响
另外，在试验中还测试了六相光电管阵列中各相光电管的光电转换效率的离散性，测试结果表明各相之间离散性小于±1.5%。在产品设计中，可以通过选配合适的采样电阻或者用电位计补偿这种离散性。
2.3 发光管与光电管光电耦合效率测试
发光管与光电管的距离以及它们的切向偏移量会影响光电管的光电流信号。将发光管与光电管正对（切向偏移量为零），调节两者的距离，测试光电管电流信号。在试验中选择了两只发光管分别与同一个光电管配合进行测试，以两者距离D=1mm 时的输出电流为单位，归一化曲线如图4 所示。由图中曲线可知，光电流随两者距离的变化规律近似相同，而该规律与技术手册上所给出的变化规律明显不同，即光电流并非随着两者距离增加单向减小，而是在D=4mm ～ 5mm 之间出现电流信号的极大值。该现象的发现对产品设计很有指导意义，增加发光管与光电管的距离为5mm，明显降低了机械加工和装配的难度，而光电耦合效率仍满足要求。发光管1 和2 两条曲线的差异主要有两方面因素：一是两者参数、工艺不一致； 二是在调节发光管与光电管距离时它们的正对性以及步进值存在偏差。
图4 发光管与光电管的耦合效率与距离关系
设定发光管与光电管的距离，调节两者的切向偏移量，测试光电耦合效率随偏移量的变化。试验中分别测试了发光管与光电管的距离D=4mm 和D=6mm 两种情况下的耦合效率。以偏移量为零时的光电流为单位，归一化曲线如图5 所示。由曲线可知，随着切向偏移量的增加，光电流迅速下降，当切向偏移量大于±2mm 时，
光电流几乎为零。在偏移量大于±2mm 之外出现的光电流极大值是由于发光管的发光强度不连续分布导致的。用红外照相机可观察到中心光斑之外还存在一个微弱的光环，与图5 中曲线的变化规律一致。测试Honeywell 等其它公司的红外发光管也存在同样的现象。在产品设计中外侧的微弱光环的光强可能会成为干扰信号，降低光电流的信号品质，必须采取措施将其隔离。
3 结论
通过测试发光管和光电管的电流、电压、参数一致性以及它们的耦合效率，明确了产品设计的相关参数，以及在该设计参数下输出信号的特点。这些测试结果一方面是验证了原有的经验，另一方面发现了光电耦合效率随距离和切向偏移量的变化规律。这些研究内容对光电传感器的设计和改进具有重要指导意义。
【参考文献】
[1]Datasheet of GaAlAs Hermetic
Infrared Emitting Diodes Types OP233.OPTEK Technology Inc.，1996.
[2]Datasheet of Six Element Photodiode
A r r a y i n S M D H y b r i d P a c k a g e OPR2101.OPTEK Technology Inc.， 1996.
[3] 雷玉堂. 光电检测技术[M]. 北京: 中国计量出版社，2010.
【作者简介】
赵尚武，男，博士，主要研究方向为光电传感器、导航与控制。
