基于光敏電阻的光開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)

王 鑫，楊胡江

(北京郵電大學(xué) 理學(xué)院，北京 100876)

光敏電阻受光照射后導(dǎo)電能力急劇增加，光敏電阻器對(duì)光的敏感性(即光譜特性)與人眼對(duì)可見(jiàn)光的響應(yīng)很接近，只要人眼能感受的光，都會(huì)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(zhǎng)、穩(wěn)定性高、體積小、堅(jiān)固耐用等特點(diǎn)，被廣泛用于自動(dòng)化技術(shù)中[1]，常用來(lái)制作光控開(kāi)關(guān). 其不足之處在于強(qiáng)光照射時(shí)線性度較差，使其應(yīng)用領(lǐng)域受到了限制. 在了解光敏電阻特性的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)光開(kāi)關(guān)電路，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制路燈(用LED代替)的功能. 在外界環(huán)境光強(qiáng)足夠亮?xí)r，LED燈滅；外界環(huán)境光弱到一定值時(shí)，LED燈亮.

1 實(shí)驗(yàn)原理

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

圖1 光敏電阻

當(dāng)內(nèi)光電效應(yīng)發(fā)生時(shí)，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(dǎo)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(qiáng)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(diǎn)光源作為輻射光源，通過(guò)改變光敏電阻到光源的距離L來(lái)改變?nèi)肷涔鈴?qiáng). 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(qiáng)，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(shí)，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(shí)驗(yàn)儀器及器件

實(shí)驗(yàn)裝置如圖5所示, 包含直流穩(wěn)壓電源、數(shù)字萬(wàn)用表、毫安表、白光源、電阻箱、滑線變阻器等. 實(shí)驗(yàn)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(shí)基集成電路、LM741運(yùn)算放大器.

圖5 實(shí)驗(yàn)裝置圖

為了消除室內(nèi)雜散光的影響，設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

列舉2種實(shí)驗(yàn)電路，都可以實(shí)現(xiàn)光開(kāi)關(guān)的功能.

3.1 利用NE555P雙穩(wěn)態(tài)電路設(shè)計(jì)光控開(kāi)關(guān)

實(shí)驗(yàn)用NE555P設(shè)計(jì)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(hù)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(shè)計(jì)的光敏電阻光開(kāi)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(shí)現(xiàn)對(duì)電路的控制.

當(dāng)R1≥R2時(shí)，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(shí)NE555P的工作原理

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

圖9 R1=0時(shí)NE555P的工作原理

當(dāng)0

(3)

由此可以推出

(4)

實(shí)驗(yàn)時(shí)，分別測(cè)量Rop光強(qiáng)和Rop光弱，即可計(jì)算出對(duì)應(yīng)的R1和R2，電路就能自動(dòng)實(shí)現(xiàn)在某光照度下指示燈的亮或滅.

3.2 利用LM741設(shè)計(jì)光開(kāi)關(guān)電路

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

圖10 單限比較器的電路和傳輸特性

利用LM741設(shè)計(jì)的光敏電阻開(kāi)關(guān)電路如圖11所示，主要由運(yùn)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(duì)應(yīng)的光敏電阻Rop的阻值，根據(jù)其值設(shè)置非平衡電橋電路中的R2，R3，R4的阻值. 由圖11可以得到開(kāi)關(guān)條件為

圖11 用LM741設(shè)計(jì)的光敏電阻開(kāi)關(guān)電路

R2=R3，Rop=R4.

或

Rop=R2，R3=R4.

實(shí)驗(yàn)時(shí)，可以設(shè)置R2=R3或R3=R4. 在入射光光強(qiáng)比較弱時(shí)，光敏電阻Rop的阻值變得比較大，使得UiUr，那么Uo=Uol，此時(shí)發(fā)光二極管滅. 由上述分析可知，實(shí)驗(yàn)時(shí)根據(jù)環(huán)境光強(qiáng)開(kāi)關(guān)燈的實(shí)際需要，合理設(shè)置電阻箱R2，R3，R4的阻值，就能按照實(shí)際需要控制發(fā)光二極管的亮或滅，實(shí)現(xiàn)光開(kāi)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(shè)計(jì)電路中作為開(kāi)關(guān)指示的LED半導(dǎo)體發(fā)光二極管，顏色不同對(duì)應(yīng)的工作電壓也不同. 紅、綠、黃色的為1.8～2.5 V，藍(lán)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(hù)作用，實(shí)驗(yàn)中取值為幾kΩ.Rs是輸入保護(hù)電阻，阻值的選取有一定的范圍， 實(shí)驗(yàn)中采用的阻值是十幾kΩ.

4 結(jié)束語(yǔ)

采用2種方法設(shè)計(jì)的光開(kāi)關(guān)電路，在實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象方面有些差別，用芯片NE555P設(shè)計(jì)的開(kāi)關(guān)電路在實(shí)際操作中控制燈的亮、滅位置不同，有延遲. 而利用LM741設(shè)計(jì)的光開(kāi)關(guān)電路指示燈亮、滅基本在同一位置. 通過(guò)該實(shí)驗(yàn)，鞏固和加深了對(duì)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中平衡電橋原理的理解和掌握. 實(shí)驗(yàn)有利于學(xué)生深入了解光敏電阻的特性，通過(guò)練習(xí)使用芯片，合理運(yùn)用實(shí)驗(yàn)結(jié)論設(shè)計(jì)光開(kāi)關(guān)，將物理實(shí)驗(yàn)與實(shí)際應(yīng)用緊密地結(jié)合在一起；開(kāi)闊了學(xué)生們的設(shè)計(jì)思路，提升了本科生的動(dòng)手能力、獨(dú)立思考能力和實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新能力.