基于光敏电阻的光开关设计性实验

王 鑫，杨胡江

(北京邮电大学 理学院，北京 100876)

光敏电阻受光照射后导电能力急剧增加，光敏电阻器对光的敏感性(即光谱特性)与人眼对可见光的响应很接近，只要人眼能感受的光，都会引起它的阻值变化. 光敏电阻具有灵敏度高、光谱特性好、使用寿命长、稳定性高、体积小、坚固耐用等特点，被广泛用于自动化技术中[1]，常用来制作光控开关. 其不足之处在于强光照射时线性度较差，使其应用领域受到了限制. 在了解光敏电阻特性的基础上，设计光开关电路，实现自动控制路灯(用LED代替)的功能. 在外界环境光强足够亮时，LED灯灭；外界环境光弱到一定值时，LED灯亮.

1 实验原理

光敏电阻器的阻值随入射光(可见光)光照度变化. 光照下物体的电导率改变的现象称为内光电效应，光敏电阻是基于内光电效应的光电元件，实物图如图1所示.

图1 光敏电阻

当内光电效应发生时，光电流Iph为[2]

(1)

其中，A为与电流垂直的截面积,d为电极间的距离,Δσ为材料电导率的改变量，U为光敏电阻两端所加的电压. 由式(1)可知,在光照强度一定的情况下,光敏电阻的电流与两端所加电压成线性关系，其斜率可以反映在该光照条件下光敏电阻的阻值状态.

1.1 光敏电阻的伏安特性

以点光源作为辐射光源，通过改变光敏电阻到光源的距离L来改变入射光强. 入射到光敏电阻上的光照度与光敏电阻受光面到光源距离L的平方成反比, 不同光照条件下光敏电阻的伏安特性[3]曲线如图2所示，L1>L2>L3>L4. 光照度越强，伏安特性的斜率越大，电阻阻值越小.

图2 光敏电阻的伏安特性

1.2 光敏电阻的光照特性

光敏电阻上光电流随光照度的变化曲线如图3所示(图中用L-2表示光照度)，不同曲线显示的是光敏电阻在不同外加电压(U1>U2>U3>U4)下的光照特性. 从图中可以看出，在外加电压一定时，光电流随光照度的增加而增加，但两者不是线性变化.

图3 光敏电阻的光照特性曲线

光敏电阻的阻值随光照度的连续变化关系如图4所示. 在不同的光照情况下，光敏电阻的阻值不同. 由图4可以看出，其光照特性曲线线性度较差.

图4 光敏电阻R-L-2曲线

2 实验仪器及器件

实验装置如图5所示, 包含直流稳压电源、数字万用表、毫安表、白光源、电阻箱、滑线变阻器等. 实验器件有光敏电阻(图1)、普通电阻、0.1 μF电容、发光二极管、NE555时基集成电路、LM741运算放大器.

图5 实验装置图

为了消除室内杂散光的影响，设计制作了光敏电阻遮光罩，如图6所示，它可以有效地滤除周围环境杂散光的影响.

图6 光敏电阻遮光罩示意图

3 实验设计

列举2种实验电路，都可以实现光开关的功能.

3.1 利用NE555P双稳态电路设计光控开关

实验用NE555P设计的光控电路如图7所示，Rop为光敏电阻，R1和R2是电阻箱，Rp是LED的限流保护电阻. NE555P的输出电压Uo只有2种状态:高电平或低电平，高电平电压大小由电源电压Vcc决定. 其输出状态由其管脚电压U2和U6共同决定，功能表如表1所示[4].

图7 利用NE555P设计的光敏电阻光开关电路图

表1 NE555P功能表(电压1代表Vcc)

由图7和表1可知，

(2)

改变光照度，就能改变Rop的阻值，从而改变U2和U6的电压，实现对电路的控制.

当R1≥R2时，U6≥2U2，输出电压完全由U2决定，电路输出特性如图8所示.

图8 R1≥R2时NE555P的工作原理

当R1=0时，U2=U6. 此时，若Rop>2R2，则电路输出高电平.Rop

图9 R1=0时NE555P的工作原理

当0

(3)

由此可以推出

(4)

实验时，分别测量Rop光强和Rop光弱，即可计算出对应的R1和R2，电路就能自动实现在某光照度下指示灯的亮或灭.

3.2 利用LM741设计光开关电路

只有1个门限电压的比较器称为单限比较器，如图10所示，运算放大器LM741起到单限比较器的作用[5]. 即将一输入信号Ui(反相端)与一参考电压Ur(同相端)进行比较，参考电压又称门限电压，当Ui>Ur时，Uo=Uol(输出为低电平)，当Ui

图10 单限比较器的电路和传输特性

利用LM741设计的光敏电阻开关电路如图11所示，主要由运算放大器和非平衡电桥电路构成[6]. 电路中R2，R3，R4是电阻箱. 由光敏电阻的光照特性曲线可以知道不同光照条件下对应的光敏电阻Rop的阻值，根据其值设置非平衡电桥电路中的R2，R3，R4的阻值. 由图11可以得到开关条件为

图11 用LM741设计的光敏电阻开关电路

R2=R3，Rop=R4.

或

Rop=R2，R3=R4.

实验时，可以设置R2=R3或R3=R4. 在入射光光强比较弱时，光敏电阻Rop的阻值变得比较大，使得UiUr，那么Uo=Uol，此时发光二极管灭. 由上述分析可知，实验时根据环境光强开关灯的实际需要，合理设置电阻箱R2，R3，R4的阻值，就能按照实际需要控制发光二极管的亮或灭，实现光开关的功能.

电源工作电压Vcc越大，电桥的灵敏度越高，根据LM741的工作参量选择合适的电压值. 设计电路中作为开关指示的LED半导体发光二极管，颜色不同对应的工作电压也不同. 红、绿、黄色的为1.8～2.5 V，蓝色的约4 V，白色的5 V. 电路中R1可以调节平衡电桥的工作电压. 把电阻RL与发光二极管串联，可以起到限流保护作用，实验中取值为几kΩ.Rs是输入保护电阻，阻值的选取有一定的范围， 实验中采用的阻值是十几kΩ.

4 结束语

采用2种方法设计的光开关电路，在实验现象方面有些差别，用芯片NE555P设计的开关电路在实际操作中控制灯的亮、灭位置不同，有延迟. 而利用LM741设计的光开关电路指示灯亮、灭基本在同一位置. 通过该实验，巩固和加深了对基础实验中平衡电桥原理的理解和掌握. 实验有利于学生深入了解光敏电阻的特性，通过练习使用芯片，合理运用实验结论设计光开关，将物理实验与实际应用紧密地结合在一起；开阔了学生们的设计思路，提升了本科生的动手能力、独立思考能力和实验创新能力.