基于LABVIEW的光電三極管伏安特性研究

李曉波

摘 要：本文借助虛擬儀器LABVIEW平臺(tái)，對(duì)光電三極管的伏安特性進(jìn)行了模擬仿真實(shí)現(xiàn)。首先，文章在理論上給出了光電三極管伏安特性公式，然后，文章就如何在虛擬平臺(tái)LABVIEW下，對(duì)光電三級(jí)管的伏安特性仿真進(jìn)行了詳細(xì)論述。最后，文章把得到的結(jié)論進(jìn)一步推廣，給出了在此虛擬平臺(tái)下模擬其它光電器件特性的一般步驟。

關(guān)鍵詞：LABVIEW 光電三極管 伏安特性 虛擬仿真

引言

本文結(jié)合我校光電技術(shù)課程的實(shí)際情況，將虛擬儀器LABVIEW引入到光電實(shí)驗(yàn)中來(lái)。這不僅是LABVIEW虛擬技術(shù)在更加廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)的擴(kuò)展，也是將LABVIEW虛擬平臺(tái)用于對(duì)光電技術(shù)課程教學(xué)研究?jī)?yōu)化的嘗試。

一、光電三級(jí)管伏安特性概述

光電三級(jí)管的伏安特性就是指：光電三極管兩個(gè)電極間電壓與其輸出電流之間的關(guān)系，這種關(guān)系與隨光照條件不同發(fā)生不同的變化。無(wú)光照條件下，光電三極管內(nèi)部仍然有電流流過(guò)，也就是我們所說(shuō)的暗電流，實(shí)際上是光電三極管集電極與發(fā)射極之間的穿透電流，其值Iceo=（1+hEF）Io，可見(jiàn)光電三極管的暗電流比光電二級(jí)管大，由此可知光電三極管相比于光電二極管有更高的靈敏度。

1.三極管的輸入特性

通過(guò)查閱相關(guān)資料可以得知，當(dāng)Ube較小時(shí)同時(shí)Uce等于零時(shí)，即光電三極管的基極與發(fā)射極之間的電壓較小同時(shí)光電三極管集電極與發(fā)射極之間的電壓為零時(shí)，輸入特性滿(mǎn)足以下指數(shù)關(guān)系：

上式中Ib被稱(chēng)為反向飽和電流，它是一個(gè)很小的量，通過(guò)查閱相關(guān)數(shù)據(jù)我們發(fā)現(xiàn)其數(shù)值一般小于0.3微安，在這里為了方便對(duì)輸入特性的模擬，將他作為0.3微安計(jì)算。在常溫（300K）下，式子中的UT為一個(gè)定值，通過(guò)查閱相關(guān)數(shù)據(jù)UT=0.026V。

2.三極管的輸出特性

輸出特性曲線是在不同光照條件下表示Ic與Uce之間關(guān)系的曲線圖。實(shí)際實(shí)驗(yàn)中我們先固定一個(gè)光照條件，通過(guò)改變集電極與發(fā)射極之間的電壓Uce，測(cè)量電流Ic繪制曲線圖就可以得到輸出特性曲線。

光電三極管的輸出特性數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

在數(shù)學(xué)表達(dá)式中I0為反向飽和電流這里與輸入特性模擬相同。這里取0.3微安，q為電子電量，K為玻爾茲曼常數(shù)，T為熱力學(xué)溫度，β表示三級(jí)管的放大倍數(shù)，通過(guò)查閱資料可得q=1.6×10-19C，K=1.38×10-23，為了方便模擬我們?cè)O(shè)溫度為300K。式子中β和IL隨光照變化，在相同的光照條件下為定值，在模擬中改變光照度的設(shè)定進(jìn)行多次模擬。

二、基于LABVIEW的伏安特性可行性分析

LABVIEW系統(tǒng)是一個(gè)包含圖形，標(biāo)志性編程技術(shù)的軟件程序。它使編程形式更加透明，并且處理程序?qū)τ脩?hù)可見(jiàn)。來(lái)自其他數(shù)據(jù)采集程序的是圖形編程語(yǔ)言（“G”）。 它配備了一個(gè)龐大的功能庫(kù)它包含了數(shù)學(xué)，統(tǒng)計(jì)和數(shù)字信號(hào)處理（DSP）等各個(gè)方面的圖形編程語(yǔ)言可以說(shuō)十分全面，全面的功能庫(kù)讓工程師在編寫(xiě)程序時(shí)可以直接選用方便直觀又節(jié)省時(shí)間，新手編程時(shí)這些功能庫(kù)內(nèi)的圖形基本上就能幫助他完成一個(gè)程序。圖形編程意味著語(yǔ)句，變量和函數(shù)由屏幕圖標(biāo)和“線”表示，而不是文本行，這樣一來(lái)我們可以直觀的了解編程的邏輯，通過(guò)線和圖形的走向來(lái)了解程序的運(yùn)算過(guò)程，不論是在設(shè)計(jì)還是在檢查錯(cuò)誤的過(guò)程中都十分有幫助。在LABVIEW程序的運(yùn)行過(guò)程中不像其他程序編程都是文本語(yǔ)句運(yùn)行需要一句一句來(lái)按從上至下的固定順序，而是由生成的數(shù)據(jù)（面向數(shù)據(jù)流）控制。

光電三極管伏安特性中無(wú)論輸入還是輸出特性都具有明確的計(jì)算公式，完全可以依照LABVIEW以上的特點(diǎn)和功能得以實(shí)現(xiàn)。

三、在LABVIEW平臺(tái)下對(duì)三極管伏安特性的模擬

在本次模擬中將用到LABVIEW中的部分函數(shù)和控件，通過(guò)函數(shù)完成公式程序的編寫(xiě)，運(yùn)用控件實(shí)現(xiàn)XY圖

1.光電三極管輸入特性模擬

（1）在LABVIEW中運(yùn)用函數(shù)編程功能編輯特性公式，（2）輸入變量Ube如圖2。（3）輸入X軸坐標(biāo)。（4）捆綁xy軸坐標(biāo)值輸入xy圖，組合得到完整程序圖。（5）利用程序運(yùn)行結(jié)果。本文選擇的是XY圖，以電壓Ube為X軸，以輸入電流為Y軸作圖，運(yùn)行結(jié)果如圖5。

觀察上圖可以發(fā)現(xiàn)，電壓從0.6伏開(kāi)始，隨電壓增大電流快速增大，這與理論結(jié)果相符。

2.光電三級(jí)管輸出特性模擬

同理可以得到輸出特性程序圖，如圖3所示。

通過(guò)程序的細(xì)微修改可以模擬不同光照條件下的輸出伏安特性曲線圖，將電壓Uce作為X軸，電流作為Y軸。本次模擬選擇了對(duì)三個(gè)光照強(qiáng)度下的伏安特性進(jìn)行模擬分別是1000Lx，2000Lx，4000Lx。模擬結(jié)果放入XY圖中，1000Lx效果如圖7，2000Lx效果如圖8，5000Lx 效果如圖9。

四、結(jié)論

虛擬儀器LABVIEW不僅可以用于光電三級(jí)管伏安特性的模擬，虛擬儀器LABVIEW不僅可以用于光電三級(jí)管伏安特性的模擬，同時(shí)可以將其擴(kuò)展到其它光電器件的特性模擬中。通過(guò)研究總結(jié)出以下普遍步驟：（1）熟知要模擬的光電器件的特性。（2）通過(guò)近似等方法簡(jiǎn)化出關(guān)于特性的具體公式。（3）運(yùn)用虛擬儀器LABVIEW圖形語(yǔ)言即G語(yǔ)言進(jìn)行編程，得到完整的程序圖。（4）運(yùn)行程序獲得效果圖，根據(jù)理論進(jìn)行分析。

參考文獻(xiàn)

[1]張瀟雪.虛擬儀器及其在電工電子實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用[M].湖南：中南工業(yè)大學(xué)出版社，2001.04

[2] R. Young.LED Measurement Instrumentation[J].CIE Advanced LED Seminar，2001

[3]王海寶.虛擬儀器程序設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].四川：西南交通大學(xué)出版社，2005.04

[4]川侯國(guó)屏，王..ubvlEw7.1編程與虛擬儀器設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.12endprint