一种基于太阳电池的光控开关的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种基于太阳电池的光控开关，包括太阳电池、电压比较电路和开关电路，其以高光电转换效率、低成本的太阳电池代替传统光敏电阻，避免了光敏电阻光控开关灵敏度低和稳定性差等缺点；碲化镉太阳电池对于光照强度十分灵敏，提高了开关灵敏度；其无需额外提供工作电能，节能环保，其在不同温度环境下稳定，保持了光控开关的稳定性，弥补了光敏电阻光控开关的不足；增强了自动开关装置的普适性，其在我国不同地域和相同地域不同季节均可使用，无需再因为环境温度变化等原因重新进行调试，使用简便，有益于光控开关的大规模应用，减少不必要的浪费，节约能源。
【专利说明】
一种基于太阳电池的光控开关
技术领域
[0001]本发明涉及光控开关技术领域，尤其是一种基于太阳电池的光控开关，可应用于路灯、廊灯、景观灯照明装置。
【背景技术】
[0002]日常生活中，马路、走廊、景点等一些公共场所都安装了很多照明灯，这些照明灯一般是人工控制灯的电路开关。因此，常常出现到了白天忘记关灯或者是到了晚上忘记开灯的情况，造成了极大的能源浪费和人力资源浪费。光控开关可以很好地解决这个问题。在白天有光的时候，光控开关根据自然光的强度，当光的强度达到一定的设定数值时，自动关闭照明灯；当光的强度小于设定数值时，自动开启照明灯。因此，自动开关，节约能源的同时，节省了不必要的人力资源投入。
[0003]目前市场的光控开关，基本都是以光敏电阻作为光探测的关键器件。光敏的电阻值随着光强的变化而变化。光敏电阻的常用制作材料是硫化镉，有光照时阻值只有5?1kΩ，无光照时阻值可达ΜΩ级别。光控开关电路根据不同光照强度下的电阻值，与临界电阻值进行比对，对电路开关进行自动控制。但是，光敏电阻的性能受温度的影响较大，灵敏度不高，影响光控开关对真实光强度的正确判断。为了提高灵敏度，有时需将光敏电阻降温使用，增大了相关设备的成本投入和使用的便捷性。由于外部温度变化的原因，采用光敏电阻的光控开关，相同的产品在不同地区或者不同季节需要重新调试。
【发明内容】
[0004](一)要解决的技术问题
[0005]有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种基于太阳电池的光控开关。
[0006](二)技术方案
[0007]本发明提供了一种基于太阳电池的光控开关，用于控制发光元件的开启和关闭，包括:太阳电池、电压比较电路和开关电路，所述太阳电池连接所述电压比较电路，所述电压比较电路连接所述开关电路;所述电压比较电路提供一比较电压，通过比较太阳电池的开路电压和比较电压，向所述开关电路发送一控制信号;所述开关电路响应于所述控制信号，控制所述发光元件的开启和关闭。
[0008]优选地，所述电压比较电路包括:电压比较器、电位器Rl和第一电阻R2;所述电压比较器为LM311电压比较器;所述电位器的一端和第一电阻的一端连接所述LM311电压比较器的第3脚，所述LM311电压比较器的第8脚和电位器的另一端连接电源的正极，电源的负极连接电路地，所述LM311电压比较器的第I脚、第4脚和第一电阻的另一端连接电路地，所述LM311电压比较器的第5脚和第6脚相连，所述LM311电压比较器的第7脚连接开关电路;所述太阳电池的正极端连接所述LM311电压比较器的第2脚，其负极端连接电路地。
[0009]优选地，所述开关电路包括:NPN型晶体管VTI和第二电阻R3;所述LM311电压比较器的第7脚通过第二电阻连接所述NPN型晶体管的基极，所述NPN型晶体管的集电极连接所述发光元件的一端，所述发光元件的另一端连接电源的正极，所述NPN型晶体管的发射极连接电路地。
[0010]优选地，所述太阳电池为碲化镉太阳电池。
[0011]优选地，所述电位器Rl和第一电阻R2之间提供一比较电压，所述比较电压等于太阳电池的临界开路电压。
[0012]优选地，响应于光照大于临界光照强度的情况，所述太阳电池的开路电压大于比较电压;响应于光照小于临界光照强度的情况，所述太阳电池的开路电压小于比较电压。
[0013]优选地，所述LM311电压比较器通过第二电阻发送控制信号，通过控制NPN型晶体管的导通和断开，实现发光元件的开启和关闭。
[0014]优选地，所述太阳电池包括:玻璃衬底;形成于所述玻璃衬底上的掺氟氧化锡层；形成于所述掺氟氧化锡层上的硫化镉层和银电极;形成于所述硫化镉层上的碲化镉层；形成于所述碲化镉层上的铜/金背电极。
[0015]优选地，所述NPN型晶体管型号为2SC9013，第二电阻R3阻值为1.5kQ。
[0016]优选地，所述电位器Rl阻值为15kQ，第一电阻R2阻值为IkQ，电源电压为6V，比较电压为0.6V。
[0017](三)有益效果
[0018]从上述技术方案可以看出，本发明的基于太阳电池的光控开关具有以下有益效果:
[0019](I)以高光电转换效率、低成本的太阳电池作为光控开关的核心光敏元件，代替传统光敏电阻，避免了光敏电阻光控开关灵敏度低和稳定性差等缺点；
[0020](2)碲化镉太阳电池在极低光照强度下就可产生600mV左右的开路电压，对于光照强度十分灵敏，提高了开关灵敏度；
[0021](3)碲化镉太阳电池利用光伏效应，其无需额外提供工作电能，节能环保；
[0022 ] (4)碲化镉太阳电池的开路电压在-40 °C到40 °C的环境下稳定，保持了光控开关的稳定性，弥补了光敏电阻光控开关的不足；
[0023](5)利用碲化镉太阳电池作为核心光敏元件，电路简单，使用维修更换方便；
[0024](6)基于太阳电池的光控开关增强了自动开关装置的普适性，其在我国不同地域和相同地域不同季节均可使用，由于其温度稳定性高，首次调试后，无需再因为环境温度变化等原因重新进行调试，使用简便，有益于光控开关的大规模应用，减少不必要的浪费，节约能源。
【附图说明】
[0025]图1为本发明实施例的碲化镉太阳电池的结构图；
[0026]图2是本发明实施例的电子显微镜下的碲化镉太阳电池横截面图；
[0027]图3是本发明实施例的碲化镉太阳电池开路电压随光照强度变化的关系图；
[0028]图4是本发明实施例的采用碲化镉太阳电池的光控开关的工作原理图；
[0029]图5是本发明实施例的采用碲化镉太阳电池的光控开关电路图。
[0030]符号说明
[0031 ]Rl -电位器;R2-第一电阻；R3-第二电阻;D1-碲化镉太阳电池;VT1-NPN型晶体管；D2-发光二极管;VCC-电路正极;GND-电路地；
[0032]丨-8-电压比较器LM311的第I脚至第8脚。
【具体实施方式】
[0033]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
[0034]本发明实施例提供了一种基于太阳电池的光控开关，用于控制发光元件的开启和关闭，包括:碲化镉太阳电池、电压比较电路、开关电路和直流电源;其中，
[0035]电压比较电路包括:电压比较器LM311、电位器Rl和第一电阻R2，电位器Rl的一端和第一电阻R2的一端连接电压比较器的第3脚，电压比较器的第8脚和电位器Rl的另一端接电路正极VCC，电压比较器的第I脚、第4脚和第一电阻R2的另一端接电路地GND，电压比较器的第5脚和第6脚相连，电压比较器的第7脚接开关电路。
[0036]碲化镉太阳电池Dl的正极端连接电压比较器的第2脚，其负极端连接电路地GND。
[0037]开关电路包括:NPN型晶体管VT1、第二电阻R3和发光元件，电压比较器的第7脚通过第二电阻R3连接NPN型晶体管VTI的基极，NPN型晶体管VTl的集电极连接发光元件的一端，发光元件的另一端连接电路正极VCC，NPN型晶体管VTI的发射极连接电路地GND。
[0038]直流电源的正极与电路正极VCC相连，直流电源的负极与电路地GND相连。
[0039]本发明实施例将碲化锦太阳电池代作为光控开关的核心器件，碲化锦太阳电池是由多层不同材料的薄膜生长制备得到的基于半导体PN结的光电转换器件。图1是碲化镉太阳电池的结构示意图，其为五层薄膜结构，包括:玻璃衬底Glass;形成于玻璃衬底上的掺氟氧化锡层FT0;形成于掺氟氧化锡层上的硫化镉层CdS和银Ag电极;该银Ag电极作为碲化镉太阳电池的负极端;形成于硫化镉层上的碲化镉层CdTe;形成于碲化镉层上的铜/金Cu/Au背电极，该铜/金Cu/Au背电极作为碲化镉太阳电池的正极端。图2是碲化镉太阳电池的横截面电子显微镜照片。
[0040]碲化镉太阳电池可以通过以下工艺制备:准备玻璃衬底，在玻璃衬底上形成掺氟F氧化锡SnO2层FT0;采用化学水浴法形成硫化镉层CdS;采用近空间升华法形成碲化镉层CdTe;对碲化镉层依次进行氯化镉CdCl2热处理和磷酸硝酸刻蚀，最后采用热蒸发法制备铜/金背电极。
[0041 ]当光照射碲化镉太阳电池时，碲化镉太阳电池产生电流和电压，对外供电。图3是碲化镉太阳电池开路电压随着光照强度变化曲线，开路电压是碲化镉太阳电池对外断路时器件两端之间的电压。从图3可以看出，碲化镉太阳电池的开路电压随着光照强度变化十分灵敏，在极低光照强度的时候就可以产生600mV左右的开路电压，提高了光控开关的灵敏度。
[0042]本发明实施例利用碲化镉太阳电池开路电压随着对光照强度变化反应灵敏的特性，选取临界光照强度1，光照强度大于临界光照强度1时自动关灯，光照强度小于临界光照强度1时自动开灯。临界光照强度1对应临界开路电压Vo，通过对CdTe电池开路电压的控制，来控制电路的开关。图4是本发明实施例的工作原理图。碲化镉太阳电池作为光接收器，产生开路电压信号，控制电路判断电池开路电压(Vqc)是否大于临界开路电压Vo，决定工作电路的开关，从而实现灯的开闭。碲化镉太阳电池的临界开路电压Vo十分稳定，在_40°C和40°C的极端生活环境下基本不变，所以由碲化镉太阳电池作为光控开关的核心器件，可以很好的解决光敏电阻光控开关的温度不稳定性的技术问题。
[0043]在本实施例中采用的是LM311电压比较器，也可以采用其他类型的电压比较电路，请参见图5，电位器Rl和第一电阻R2之间提供一比较电压，该比较电压等于碲化镉太阳电池的临界开路电压Vo，当光照大于临界光照强度1时，碲化镉太阳电池正极端电压处于高电位，其开路电压大于比较电压，电压比较器输出低电位，NPN型晶体管VTl处于断开状态，发光元件不亮，当光照小于临界光照强度1时，碲化镉太阳电池正极端电压处于低电位，其开路电压小于比较电压，电压比较器输出高电位，NPN型晶体管VTl处于导通状态，发光元件点
[0044]其中，该NPN型晶体管型号为2SC9013;电位器Rl阻值为15k Ω，第一电阻R2阻值为IkQ，第二电阻R3阻值为1.5kQ，直流电源电压6V，调节电位器Rl的阻值，比较电压为0.6V，碲化镉太阳电池面积约为0.09-0.25cm2，但本发明并不以此为限，本领域技术人员可以根据情况选择上述各元件的参数和型号，只要可以实现相应功能即可。
[0045]在本实施例中，发光元件可以是发光二极管D2，发光二极管D2的正极连接NPN型晶体管VTl的基极，发光二极管D2的负极连接电路正极VCC，但本发明并不以此为限，光控开关可以应用于其他发光元件的控制。
[0046]本实施例的光控开关使用前需要按要求进行电路调试。首先向光控开关的碲化镉太阳电池Dl照射临界光照强度的光;然后调节电位器R1，使发光元件刚好点亮;最后固定电位器Rl，调试完毕。
[0047]基于太阳电池的光控开关增强了自动开关装置的普适性，其在我国不同地域和相同地域不同季节均可使用，由于其温度稳定性高，首次调试后，无需再因为环境温度变化等原因重新进行调试，使用简便，有益于大规模应用，减少不必要的浪费，节约能源。
[0048]需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如:
[0049](I)电压比较电路还可以采用其他电路结构，只要能够完成相同的功能即可；
[0050](2)本文可提供包含特定值的参数的示范，但这些参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应值；
[0051](3)实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本发明的保护范围；
[0052](4)上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。
[0053]综上所述，本发明提供的基于太阳电池的光控开关，以高光电转换效率、低成本太阳电池作为光控开关的核心光敏元件，代替传统光敏电阻，避免了光敏电阻光控开关灵敏度低和稳定性差等缺点；碲化镉太阳电池在极低光照强度的时候就产生600mV左右的开路电压，对于光照强度十分灵敏，提高了开关灵敏度;碲化镉太阳电池利用光伏效应，其无需额外提供工作电能，节能环保;碲化镉太阳电池的开路电压在-40°C到40°C的环境下稳定，保持了光控开关的稳定性，弥补了光敏电阻光控开关的不足;利用碲化镉太阳电池作为核心光敏元件，电路简单，使用维修更换方便。基于太阳电池的光控开关增强了自动开关装置的普适性，其可以在我国不同地域和相同地域不同季节共同使用，由于其本身的温度稳定性，首次调试后，无需再因为环境温度变化等原因重新对装置进行再次调试，极其简便，有益于光控开关的大规模应用，减少不必要的浪费，节约能源。
[0054]以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种基于太阳电池的光控开关，其特征在于，用于控制发光元件的开启和关闭，包括:太阳电池、电压比较电路和开关电路，所述太阳电池连接所述电压比较电路，所述电压比较电路连接所述开关电路； 所述电压比较电路提供一比较电压，通过比较太阳电池的开路电压和比较电压，向所述开关电路发送一控制信号； 所述开关电路响应于所述控制信号，控制所述发光元件的开启和关闭。2.如权利要求2所述的光控开关，其特征在于，所述电压比较电路包括:电压比较器、电位器(Rl)和第一电阻(R2); 所述电压比较器为LM311电压比较器； 所述电位器的一端和第一电阻的一端连接所述LM311电压比较器的第3脚，所述LM311电压比较器的第8脚和电位器的另一端连接电源的正极，电源的负极连接电路地，所述LM311电压比较器的第I脚、第4脚和第一电阻的另一端连接电路地，所述LM311电压比较器的第5脚和第6脚相连，所述LM311电压比较器的第7脚连接开关电路； 所述太阳电池的正极端连接所述LM311电压比较器的第2脚，其负极端连接电路地。3.如权利要求2所述的光控开关，其特征在于，所述开关电路包括:NPN型晶体管(VTl)和第二电阻(R3); 所述LM311电压比较器的第7脚通过第二电阻连接所述NPN型晶体管的基极，所述NPN型晶体管的集电极连接所述发光元件的一端，所述发光元件的另一端连接电源的正极，所述NPN型晶体管的发射极连接电路地。4.如权利要求1所述的光控开关，其特征在于，所述太阳电池为碲化镉太阳电池。5.如权利要求3所述的光控开关，其特征在于，所述电位器(Rl)和第一电阻(R2)之间提供一比较电压，所述比较电压等于太阳电池的临界开路电压。6.如权利要求5所述的光控开关，其特征在于，响应于光照大于临界光照强度的情况，所述太阳电池的开路电压大于比较电压； 响应于光照小于临界光照强度的情况，所述太阳电池的开路电压小于比较电压。7.如权利要求6所述的光控开关，其特征在于，所述LM311电压比较器通过第二电阻发送控制信号，通过控制NPN型晶体管的导通和断开，实现发光元件的开启和关闭。8.如权利要求1所述的光控开关，其特征在于，所述太阳电池包括:玻璃衬底;形成于所述玻璃衬底上的掺氟氧化锡层;形成于所述掺氟氧化锡层上的硫化镉层和银电极;形成于所述硫化镉层上的碲化镉层;形成于所述碲化镉层上的铜/金背电极。9.如权利要求3所述的光控开关，其特征在于，所述NPN型晶体管型号为2SC9013，第二电阻R3阻值为1.5k Ω。10.如权利要求9所述的光控开关，其特征在于，所述电位器Rl阻值为15kQ，第一电阻R2阻值为Ik Ω，电源电压为6V，比较电压为0.6V。
【文档编号】H03K17/94GK106027019SQ201610411264
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年6月6日
【发明人】王德亮, 肖迪, 白治中, 杨瑞龙, 沈凯, 王德钊
【申请人】中国科学技术大学