基于光敏電阻的光開關(guān)設計性實驗

王 鑫，楊胡江

(北京郵電大學 理學院，北京 100876)

光敏電阻受光照射后導電能力急劇增加，光敏電阻器對光的敏感性(即光譜特性)與人眼對可見光的響應很接近，只要人眼能感受的光，都會引起它的阻值變化. 光敏電阻具有靈敏度高、光譜特性好、使用壽命長、穩(wěn)定性高、體積小、堅固耐用等特點，被廣泛用于自動化技術(shù)中[1]，常用來制作光控開關(guān). 其不足之處在于強光照射時線性度較差，使其應用領域受到了限制. 在了解光敏電阻特性的基礎上，設計光開關(guān)電路，實現(xiàn)自動控制路燈(用LED代替)的功能. 在外界環(huán)境光強足夠亮時，LED燈滅；外界環(huán)境光弱到一定值時，LED燈亮.

1 實驗原理

光敏電阻器的阻值隨入射光(可見光)光照度變化. 光照下物體的電導率改變的現(xiàn)象稱為內(nèi)光電效應，光敏電阻是基于內(nèi)光電效應的光電元件，實物圖如圖1所示.

圖1 光敏電阻

當內(nèi)光電效應發(fā)生時，光電流Iph為[2]

(1)

其中，A為與電流垂直的截面積,d為電極間的距離,Δσ為材料電導率的改變量，U為光敏電阻兩端所加的電壓. 由式(1)可知,在光照強度一定的情況下,光敏電阻的電流與兩端所加電壓成線性關(guān)系，其斜率可以反映在該光照條件下光敏電阻的阻值狀態(tài).

1.1 光敏電阻的伏安特性

以點光源作為輻射光源，通過改變光敏電阻到光源的距離L來改變?nèi)肷涔鈴? 入射到光敏電阻上的光照度與光敏電阻受光面到光源距離L的平方成反比, 不同光照條件下光敏電阻的伏安特性[3]曲線如圖2所示，L1>L2>L3>L4. 光照度越強，伏安特性的斜率越大，電阻阻值越小.

圖2 光敏電阻的伏安特性

1.2 光敏電阻的光照特性

光敏電阻上光電流隨光照度的變化曲線如圖3所示(圖中用L-2表示光照度)，不同曲線顯示的是光敏電阻在不同外加電壓(U1>U2>U3>U4)下的光照特性. 從圖中可以看出，在外加電壓一定時，光電流隨光照度的增加而增加，但兩者不是線性變化.

圖3 光敏電阻的光照特性曲線

光敏電阻的阻值隨光照度的連續(xù)變化關(guān)系如圖4所示. 在不同的光照情況下，光敏電阻的阻值不同. 由圖4可以看出，其光照特性曲線線性度較差.

圖4 光敏電阻R-L-2曲線

2 實驗儀器及器件

實驗裝置如圖5所示, 包含直流穩(wěn)壓電源、數(shù)字萬用表、毫安表、白光源、電阻箱、滑線變阻器等. 實驗器件有光敏電阻(圖1)、普通電阻、0.1 μF電容、發(fā)光二極管、NE555時基集成電路、LM741運算放大器.

圖5 實驗裝置圖

為了消除室內(nèi)雜散光的影響，設計制作了光敏電阻遮光罩，如圖6所示，它可以有效地濾除周圍環(huán)境雜散光的影響.

圖6 光敏電阻遮光罩示意圖

3 實驗設計

列舉2種實驗電路，都可以實現(xiàn)光開關(guān)的功能.

3.1 利用NE555P雙穩(wěn)態(tài)電路設計光控開關(guān)

實驗用NE555P設計的光控電路如圖7所示，Rop為光敏電阻，R1和R2是電阻箱，Rp是LED的限流保護電阻. NE555P的輸出電壓Uo只有2種狀態(tài):高電平或低電平，高電平電壓大小由電源電壓Vcc決定. 其輸出狀態(tài)由其管腳電壓U2和U6共同決定，功能表如表1所示[4].

圖7 利用NE555P設計的光敏電阻光開關(guān)電路圖

表1 NE555P功能表(電壓1代表Vcc)

由圖7和表1可知，

(2)

改變光照度，就能改變Rop的阻值，從而改變U2和U6的電壓，實現(xiàn)對電路的控制.

當R1≥R2時，U6≥2U2，輸出電壓完全由U2決定，電路輸出特性如圖8所示.

圖8 R1≥R2時NE555P的工作原理

當R1=0時，U2=U6. 此時，若Rop>2R2，則電路輸出高電平.Rop

圖9 R1=0時NE555P的工作原理

當0

(3)

由此可以推出

(4)

實驗時，分別測量Rop光強和Rop光弱，即可計算出對應的R1和R2，電路就能自動實現(xiàn)在某光照度下指示燈的亮或滅.

3.2 利用LM741設計光開關(guān)電路

只有1個門限電壓的比較器稱為單限比較器，如圖10所示，運算放大器LM741起到單限比較器的作用[5]. 即將一輸入信號Ui(反相端)與一參考電壓Ur(同相端)進行比較，參考電壓又稱門限電壓，當Ui>Ur時，Uo=Uol(輸出為低電平)，當Ui

圖10 單限比較器的電路和傳輸特性

利用LM741設計的光敏電阻開關(guān)電路如圖11所示，主要由運算放大器和非平衡電橋電路構(gòu)成[6]. 電路中R2，R3，R4是電阻箱. 由光敏電阻的光照特性曲線可以知道不同光照條件下對應的光敏電阻Rop的阻值，根據(jù)其值設置非平衡電橋電路中的R2，R3，R4的阻值. 由圖11可以得到開關(guān)條件為

圖11 用LM741設計的光敏電阻開關(guān)電路

R2=R3，Rop=R4.

或

Rop=R2，R3=R4.

實驗時，可以設置R2=R3或R3=R4. 在入射光光強比較弱時，光敏電阻Rop的阻值變得比較大，使得UiUr，那么Uo=Uol，此時發(fā)光二極管滅. 由上述分析可知，實驗時根據(jù)環(huán)境光強開關(guān)燈的實際需要，合理設置電阻箱R2，R3，R4的阻值，就能按照實際需要控制發(fā)光二極管的亮或滅，實現(xiàn)光開關(guān)的功能.

電源工作電壓Vcc越大，電橋的靈敏度越高，根據(jù)LM741的工作參量選擇合適的電壓值. 設計電路中作為開關(guān)指示的LED半導體發(fā)光二極管，顏色不同對應的工作電壓也不同. 紅、綠、黃色的為1.8～2.5 V，藍色的約4 V，白色的5 V. 電路中R1可以調(diào)節(jié)平衡電橋的工作電壓. 把電阻RL與發(fā)光二極管串聯(lián)，可以起到限流保護作用，實驗中取值為幾kΩ.Rs是輸入保護電阻，阻值的選取有一定的范圍， 實驗中采用的阻值是十幾kΩ.

4 結(jié)束語

采用2種方法設計的光開關(guān)電路，在實驗現(xiàn)象方面有些差別，用芯片NE555P設計的開關(guān)電路在實際操作中控制燈的亮、滅位置不同，有延遲. 而利用LM741設計的光開關(guān)電路指示燈亮、滅基本在同一位置. 通過該實驗，鞏固和加深了對基礎實驗中平衡電橋原理的理解和掌握. 實驗有利于學生深入了解光敏電阻的特性，通過練習使用芯片，合理運用實驗結(jié)論設計光開關(guān)，將物理實驗與實際應用緊密地結(jié)合在一起；開闊了學生們的設計思路，提升了本科生的動手能力、獨立思考能力和實驗創(chuàng)新能力.