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电子元件基础篇之光敏电阻(原理及作用、符号及参数、选型及电路)

助工
2018-09-11 11:02:36    评分

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。


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。


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。


光敏电阻符号


光敏电阻器是一种对光敏感的元件,它的电阻值能随着外界光照强弱(明暗)变化而变化。

光敏电阻器在电路中用字母“R”或“RL”、“RG”表示,图1-25是其电路图形符号。

电子元件基础篇之光敏电阻(原理及作用、符号及参数、选型及电路)

光敏电阻器的结构

光敏电阻器的结构与特性 光敏电阻器通常由光敏层、玻璃基片(或树脂防潮膜)和电极等组成,如图1-26所示。

电子元件基础篇之光敏电阻(原理及作用、符号及参数、选型及电路)

光敏电阻器是利用半导体光电导效应制成的一种特殊电阻器,对光线十分敏感。它在无光照射时,呈高阻状态;当有光照射时,其电阻值迅速减小。


光敏电阻的工作原理


光敏电阻的工作原理是基于内光电效应。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。用于制造光敏电阻的材料主要是金属的硫化物、硒化物和碲化物等半导体。通常采用涂敷、喷涂、烧结等方法在绝缘衬底上制作很薄的光敏电阻体及梳状欧姆电极,接出引线,封装在具有透光镜的密封壳体内,以免受潮影响其灵敏度。


入射光消失后,由光子激发产生的电子—空穴对将复合,光敏电阻的阻值也就恢复原值。在光敏电阻两端的金属电极加上电压,其中便有电流通过,受到一定波长的光线照射时,电流就会随光强的增大而变大,从而实现光电转换。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,也加交流电压。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。


光敏电阻的参数


光敏电阻器的主要参数有亮电阻(RL)、暗电阻(RD)、最高工作电压(VM)、亮电流(IL)、暗电流(ID)、时间常数、温度系数灵敏度等。


1.亮电阻 亮电阻是指光敏电阻器受到光照射时的电阻值。

2.暗电阻 暗电阻是指光敏电阻器在无光照射(黑暗环境)时的电阻值。

3.最高工作电压 最高工作电压是指光敏电阻器在额定功率下所允许承受的最高电压。

4.亮电流 视电流是指在无光照射时,光敏电阻器在规定的外加电压受到光照时所通过的电流。

5.暗电流 暗电流是指在无光照射时,光敏电阻器在规定的外加电压下通过的电流。

6.时间常数 时间常数是指光敏电阻器从光照跃变开始到稳定亮电流的63%时所需的时间。

7.电阻温度系数 温度系数是指光敏电阻器在环境温度改变1℃时,其电阻值的相对变化。

8.灵敏度 灵敏度是指光敏电阻器在有光照射和无光照射时电阻值的相对变化。

光敏电阻的作用


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。


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。可见光敏电阻具有灵敏度高,反应速度快,稳定可靠的特点吗,根据光敏电阻的这个特性,可用它来设计光控可调光电路,光控开关等。


1、暗电阻、亮电阻


光敏电阻在室温和全暗条件下测得的稳定电阻值称为暗电阻,或暗阻。此时流过的电流称为暗电流。例如MG41-21型光敏电阻暗阻大于等于0.1M。


光敏电阻在室温和一定光照条件下测得的稳定电阻值称为亮电阻或亮阻。此时流过的电流称为亮电流。MG41-21型光敏电阻亮阻小于等于1k。亮电流与暗电流之差称为光电流。显然,光敏电阻的暗阻越大越好,而亮阻越小越好,也就是说暗电流要小,亮电流要大,这样光敏电阻的灵敏度就高。


2、伏安特性


在一定照度下,光敏电阻两端所加的电压与流过光敏电阻的电流之间的关系,称为伏安特性。


3、光电特性


光敏电阻的光电流与光照度之间的关系称为光电特性。如图2.6.3所示,光敏电阻的光电特性呈非线性。因此不适宜做检测元件,这是光敏电阻的缺点之一,在自动控制中它常用做开关式光电传感器。


4、光谱特性


对于不同波长的入射光,光敏电阻的相对灵敏度是不相同的。各种材料的光谱特性如图2.6.4所示。从图中看出,硫化镉的峰值在可见光区域,而硫化铅的峰值在红外区域,因此在选用光敏电阻时应当把元件和光源的种类结合起来考虑,才能获得满意的结果。


5、频率特性


当光敏电阻受到脉冲光照时,光电流要经过一段时间才能达到稳态值,光照突然消失时,光电流也不立刻为零。这说明光敏电阻有时延特性。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相同。图2.6.5给出相对灵敏度Kr,与光强变化频率f之间的关系曲线,可以看出硫化铅的使用频率比硫化铊高的多。但多数光敏电阻的时延都较大,因此不能用在要求快速响应的场合,这是光敏电阻的一个缺陷。


光敏电阻应用电路


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。

电子元件基础篇之光敏电阻(原理及作用、符号及参数、选型及电路)

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。


电子元件基础篇之光敏电阻(原理及作用、符号及参数、选型及电路)

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。

电子元件基础篇之光敏电阻(原理及作用、符号及参数、选型及电路)

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。

电子元件基础篇之光敏电阻(原理及作用、符号及参数、选型及电路)

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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