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光敏电阻的参数特性、结构原理及其应用

2017年05月07日 11:44 网络整理 作者: 用户评论(0

  光敏电阻(photoresistor or light-dependent resistor,后者缩写为ldr)或光导管(photoconductor),常用的制作材料为硫化镉,另外还有硒、硫化铝、硫化铅和硫化铋等材料。这些制作材料具有在特定波长的光照射下,其阻值迅速减小的特性。这是由于光照产生的载流子都参与导电,在外加电场的作用下作漂移运动,电子奔向电源的正极,空穴奔向电源的负极,从而使光敏电阻器的阻值迅速下降。

  光敏电阻的参数特性、结构原理及其应用

  光敏电阻是用硫化隔或硒化隔等半导体材料制成的特殊电阻器,其工作原理是基于内光电效应。光照愈强,阻值就愈低,随着光照强度的升高,电阻值迅速降低,亮电阻值可小至1KΩ以下。光敏电阻对光线十分敏感,其在无光照时,呈高阻状态,暗电阻一般可达1.5MΩ。光敏电阻的特殊性能,随着科技的发展将得到极其广泛应用。[1] 光敏电阻器是利用半导体的光电导效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器,又称为光电导探测器;入射光强,电阻减小,入射光弱,电阻增大。

  还有另一种入射光弱,电阻减小,入射光强,电阻增大。光敏电阻器一般用于光的测量、光的控制和光电转换(将光的变化转换为电的变化)。常用的光敏电阻器硫化镉光敏电阻器,它是由半导体材料制成的。光敏电阻器对光的敏感性(即光谱特性)与人眼对可见光(0.4~0.76)μm的响应很接近,只要人眼可感受的光,都会引起它的阻值变化。设计光控电路时,都用白炽灯泡(小电珠)光线或自然光线作控制光源,使设计大为简化。

  光敏电阻的参数特性:

  根据光敏电阻的光谱特性,可分为三种光敏电阻器:紫外光敏电阻器、红外光敏电阻器、可见光光敏电阻器。

  光敏电阻的主要参数是:(1)光电流、亮电阻。光敏电阻器在一定的外加电压下,当有光照射时,流过的电流称为光电流,外加电压与光电流之比称为亮电阻,常用“100LX”表示。

  (2)暗电流、暗电阻。光敏电阻在一定的外加电压下,当没有光照射的时候,流过的电流称为暗电流。外加电压与暗电流之比称为暗电阻,常用“0LX”表示。

  (3)灵敏度。灵敏度是指光敏电阻不受光照射时的电阻值(暗电阻)与受光照射时的电阻值(亮电阻)的相对变化值。

  (4)光谱响应。光谱响应又称光谱灵敏度,是指光敏电阻在不同波长的单色光照射下的灵敏度。若将不同波长下的灵敏度画成曲线,就可以得到光谱响应的曲线。

  (5)光照特性。光照特性指光敏电阻输出的电信号随光照度而变化的特性。从光敏电阻的光照特性曲线可以看出,随着的光照强度的增加,光敏电阻的阻值开始迅速下降。若进一步增大光照强度,则电阻值变化减小,然后逐渐趋向平缓。在大多数情况下,该特性为非线性。

  (6)伏安特性曲线。伏安特性曲线用来描述光敏电阻的外加电压与光电流的关系,对于光敏器件来说,其光电流随外加电压的增大而增大。

  (7)温度系数。光敏电阻的光电效应受温度影响较大,部分光敏电阻在低温下的光电灵敏较高,而在高温下的灵敏度则较低。

  (8)额定功率。额定功率是指光敏电阻用于某种线路中所允许消耗的功率,当温度升高时,其消耗的功率就降低。

  (9)指光敏电阻器从光照跃变开始到稳定亮电流的。

  光敏电阻的参数特性、结构原理及其应用

  频率特性

  当光敏电阻受到脉冲光照射时,光电流要经过 一段时间才能达到稳定值,而在停止光照后,光电流 也不立刻为零,这就是光敏电阻的时延特性。由于不 同材料的光敏,电阻时延特性不同,所以它们的频率 特性也不同。硫化铅的使用频率比硫化镉高得多,但 多数光敏电阻的时延都比较大,所以,其不能用在要 求快速响应的场合。

  光敏电阻的结构原理:

  光敏电阻是用硫化隔或硒化隔等半导体材料制成的特殊电阻器,表面还涂有防潮树脂,具有光电导效应。光敏电阻的工作原理是基于内光电效应,即在半导体光敏材料两端装上电极引线,将其封装在带有透明窗的管壳里就构成光敏电阻。为了增加灵敏度,两电极常做成梳状。半导体的导电能力取决于半导体导带内载流子数目的多少。当光敏电阻受到光照时,价带中的电子吸收光子能量后跃迁到导带,成为自由电子,同时产生空穴,电子—空穴对的出现使电阻率变小。光照愈强,光生电子—空穴对就越多,阻值就愈低。当光敏电阻两端加上电压后,流过光敏电阻的电流随光照增大而增大。入射光消失,电子—空穴对逐渐复合,电阻也逐渐恢复原值,电流也逐渐减小。

  光敏电阻对光线十分敏感,其在无光照时,呈高阻状态,暗电阻一般可达1.5MΩ。当有光照时,材料中激发出自由电子和空穴,其电阻值减小,随着光照强度的升高,电阻值迅速降低,亮电阻值可小至1KΩ以下。光敏电阻器的光照特性在大多数情况下是非线性的,只有在微小的范围内呈线性,光敏电阻器的电阻值有较大的离散性(电阻变化、范围大无规律)。光敏电阻器的灵敏度是指光敏电阻器不受到光照是的电阻值(暗阻)和受到光照时电阻值(亮阻)的相对变化值。光敏电阻的暗阻和亮阻间阻值之比约为1500:1,暗阻值越大越好,使用时给其施加直流或交流偏压,MG型光敏电阻器适用于可见光。其主要用于各种自动控制电路、光电计数、光电跟踪、光控电灯、照相机的自动暴光及彩色电视机的亮度自动控制电路等场合。

  光敏电阻又称光导管 它几乎都是用半导体材料制成的光电器件。光敏电阻没有极性,纯粹是一个电阻器件,使用时既可加直流电压,也可以加交流电压。无光照时,光敏电阻值(暗电阻)很大,电路中电流(暗电流)很小。当光敏电阻受到一定波长范围的光照时,它的阻值(亮电阻)急剧减少,电路中电流迅速增大。 一般希望暗电阻越大越好,亮电阻越小越好,此时光敏电阻的灵敏度高。实际光敏电阻的暗电阻值一般在兆欧级,亮电阻在几千欧以下。图为光敏电阻的原理结构。它是涂于玻璃底板上的一薄层半导体物质,半导体的两端装有金属电极,金属电极与引出线端相连接,光敏电阻就通过引出线端接入电路。为了防止周围介质的影响,在半导体光敏层上覆盖了一层漆膜,漆膜的成分应使它在光敏层最敏感的波长范围内透射率最大。

  光敏电阻的参数特性、结构原理及其应用

  伏安特性在一定照度下,流过光敏电阻的电流与光敏电阻两端的电压的关系称为光敏电阻的伏安特性。图8 - 2 为硫化镉光敏电阻的伏安特性曲线。由图可见,光敏 硫化镉光敏电阻的伏安特性曲线 电阻在一定的电压范围内,其I-U曲线为直线,说明其阻值与入射光量有关,而与电压、电流无关。

  光敏电阻的参数特性、结构原理及其应用

  光谱特性光敏电阻的相对光敏灵敏度与入射波长的关系称为光谱特性, 亦称为光谱响应。图为几种不同材料光敏电阻的光谱特性。对应于不同波长, 光敏电阻的灵敏度是不同的。从图中可见硫化镉光敏电阻的光谱响应的峰值在可见光区域, 常被用作光度量测量(照度计)的探头。而硫化铅光敏电阻响应于近红外和中红外区, 常用做火焰探测器的探头。

  光敏电阻的参数特性、结构原理及其应用

  温度特性温度变化影响光敏电阻的光谱响应, 同时, 光敏电阻的灵敏度和暗电阻都要改变, 尤其是响应于红外区的硫化铅光敏电阻受温度影响更大。图为硫化铅光敏电阻的光谱温度特性曲线, 它的峰值随着温度上升向波长短的方向移动。因此, 硫化铅光敏电阻要在低温、恒温的条件下使用。对于可见光的光敏电阻, 其温度影响要小一些。

  光敏电阻的参数特性、结构原理及其应用

  光敏电阻的应用:

  1.光控开关电路

  图2-38所示是一种光控开关电路,这一光控开关电路可以用在一些楼道、路灯等公共场所。通过光敏电阻器,它在天黑时会自动开灯,天亮时自动熄灭。电路中,VS1是晶闸管,Rl是光敏电阻器。

  光敏电阻的参数特性、结构原理及其应用

  当光线亮时,光敏电阻器Rl阻值小,220V交流电压经VD1整流后的单向脉冲性直流电压在RP1和Rl分压后的电压小,加到晶闸管VS1控制极的电压小,这时晶闸管VS1不能导通,所以灯HL回路无电流,灯不亮。

  当光线暗时,光敏电阻器Rl阻值大,RPI和Rl分压后的电压大,加到晶闸管VS1控制极的电压大,这时晶闸管VS1进入导通状态,所以灯HL回路有电流流过,灯点亮。

  2.灯光亮度自动调节电路

  图2-39所示是灯光亮度自动调节电路,这一电路能根据外界光线的强弱来自动调节灯光亮度。电路中,VS1是晶闸管,N是氖管,HL是灯,R3是光敏电阻器。

  光敏电阻的参数特性、结构原理及其应用

  电路中,晶闸管VS1和二极管VD1~VD4组成全波相控电路,用氖管N作为VS1的触发管。

  220V交流电通过负载HL加到VD1~VD4桥式整流电路中,整流后的单向脉冲直流电压加到晶闸管VS1阳极和阴极之间,VS1导通与截止受控制极上的电压控制。整流后的电路还加到各电阻和电容上。

  直流电压通过Rl和RP1对电容Cl进行充电,Cl上充到的电压通过氖管N加到晶闸管VS1控制极上,当Cl上电压上升到一定程度时,氖管N启辉,将电压加到晶闸管VS1控制极上,使晶闸管VS1导通,灯HL点亮。

  电容Cl上平均电压大小决定了晶闸管VS1交流电一个周期内平均导通时间长短,从而决定了灯的亮度。

  当外界亮度高时,光敏电阻器R3阻值小,Cl的充电电压低,晶闸管VS1平均导通时间短,HL灯光就暗。

  3.停电自动报警电路

  图2-41所示是停电自动报警电路。电路中,VD2是交流电电源指示灯,VD4是红色发光二极管,R4是光敏电阻器,BL1是扬声器,VT1、VT2和周围元器件构成一个低频振荡器。

  光敏电阻的参数特性、结构原理及其应用

  有交流市电时,220V交流电压通过VD半波整流和Cl滤波,得到的直流电压通过Rl加到VD2上,使之发光指示交流电供电正常。同时,通过R2加到VD3上,使VD3发光。

  由于VD3发光,光线照射到光敏电阻器R4上,R4阻值小。这时,+3V直流电压通过R3和R4分压的电压加到VT1基极,因为R4阻值小,VT1截止,这时报警电路不工作。

  当交流电断电时,VD3不发光,R4阻值明显增大,使VT1进入放大状态,这时VT1、VT2等周围元器件构成的低频振荡器电路工作,扬声器BL1发出声响报警,同时VD4发光显示断电。

  电路中,R5和C2构成低频振荡器中的正反馈电路。

  光敏电阻的参数特性、结构原理及其应用

  当外界亮庋低时,光敏电阻器R3阻值大,Cl的充电电压高,晶闸管VS1平均导通时间长,HL灯光就亮。

  由于R3的阻值是随外界光线强弱自动变化的,所以灯HL的亮度也是受外界光线强弱自动控制的。

  调节可变电阻器RP1阻值可以改变对电容Cl的充电时间常数,即改变VS1的导通角,调节HL灯光的亮度。

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( 发表人:王增涛 )

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