實(shí)驗(yàn)三 光敏電阻光控開關(guān)

1、實(shí)驗(yàn)三 光敏電阻光控開關(guān)、光控?zé)魧?shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、了解和掌握光敏電阻的工作原理及應(yīng)用性2、了解和掌握光控開關(guān)電路原理二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、光敏電阻光控開關(guān)、光控?zé)魧?shí)驗(yàn)2、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)三、實(shí)驗(yàn)儀器1、光電創(chuàng)新綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)2、特性測(cè)試模塊3、光源特性測(cè)試模塊4、開放性實(shí)驗(yàn)?zāi)K二5、連接導(dǎo)線四、實(shí)驗(yàn)原理1、光敏電阻的結(jié)構(gòu)與工作原理 光敏電阻又稱光導(dǎo)管，它幾乎都是用半導(dǎo)體材料制成的光電器件。光敏電阻沒有極性， 純粹是一個(gè)電阻器件，使用時(shí)既可加直流電壓，也可以加交流電壓。無光照時(shí)，光敏電阻值（暗電阻）很大，電路中電流（暗電流）很小。當(dāng)光敏電阻受到一定波長(zhǎng)范圍的光照時(shí)，它的阻值（亮電阻）急劇減小，電路中電流迅速

2、增大。 一般希望暗電阻越大越好，亮電阻越小越好， 此時(shí)光敏電阻的靈敏度高。實(shí)際光敏電阻的暗電阻值一般在兆歐量級(jí)， 亮電阻值在幾千歐以下。 光敏電阻的結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單，下圖1(a)為金屬封裝的硫化鎘光敏電阻的結(jié)構(gòu)圖。在玻璃底板上均勻地涂上一層薄薄的半導(dǎo)體物質(zhì)，稱為光導(dǎo)層。半導(dǎo)體的兩端裝有金屬電極，金屬電極與引出線端相連接，光敏電阻就通過引出線端接入電路。為了防止周圍介質(zhì)的影響，在半導(dǎo)體光敏層上覆蓋了一層漆膜，漆膜的成分應(yīng)使它在光敏層最敏感的波長(zhǎng)范圍內(nèi)透射率最大。為了提高靈敏度，光敏電阻的電極一般采用梳狀圖案， 如圖1(b)所示。 圖1(c)為光敏電阻的接線圖。 (a)光敏電阻結(jié)構(gòu)； (b) 光敏電阻電

3、極； (c) 光敏電阻接線圖圖1 光敏電阻的結(jié)構(gòu)與原理2、本實(shí)驗(yàn)通過改變照射到光敏電阻上光強(qiáng)大小來控制繼電器的開關(guān)狀態(tài)，從而控制發(fā)光二極管指示燈的亮和滅，原理如圖2所示。圖2 光敏電阻光控開關(guān)、光控?zé)綦娐饭ぷ髟恚弘娐方油ê?，改變照射到光敏電阻上的光?qiáng)，當(dāng)光強(qiáng)發(fā)生變化時(shí)，光敏電阻的阻值跟著發(fā)生變化，導(dǎo)致Q1三極管的基極電壓隨光強(qiáng)發(fā)生變化，致使Q2三極管的基極電流發(fā)生變化，從而使繼電器的工作狀態(tài)發(fā)生變化，起到開關(guān)控制的作用。當(dāng)照射到光敏電阻光敏區(qū)的光強(qiáng)較強(qiáng)時(shí)，其阻值變小，Q1三極管的基極電壓變小，繼電器斷開，LED1熄滅；光強(qiáng)較弱時(shí)，其阻值變小，Q1三極管的基極電壓變大，繼電器閉合，LED1變亮

4、。五、實(shí)驗(yàn)步驟1、開放性實(shí)驗(yàn)?zāi)K二的+5V和GND連接到臺(tái)體的+5V和GND上。2、參照?qǐng)D2使用2#臺(tái)階線，利用特性測(cè)試模塊的電阻和開發(fā)性實(shí)驗(yàn)?zāi)K二的電路及元器件自行搭建電路。(繼電器的保護(hù)二極管D1在繼電器上已經(jīng)接好，試驗(yàn)中無需再連接繼電器接口，繼電器接口如圖3所示)。3、原理圖中光敏電阻的位置連接到光敏電阻套筒的黃藍(lán)插座上，光敏電阻紅黑插座與照度計(jì)紅黑插座相連，光源采用光源特性測(cè)試模塊的全彩燈光源。4、按下開放性實(shí)驗(yàn)?zāi)K二電源開關(guān)K1，調(diào)節(jié)光源強(qiáng)度，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象是否和實(shí)驗(yàn)原理所描述的結(jié)果相一致。圖3 繼電器電路六、注意事項(xiàng)1、不得扳動(dòng)面板上面元器件，以免造成電路損壞，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)儀不能正常工作

5、。2、實(shí)驗(yàn)操作中不要帶點(diǎn)插拔導(dǎo)線，應(yīng)該在熟悉原理后，按照電路圖連接，檢查無誤后，方可打開電源進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。七、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求 根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象是否和實(shí)驗(yàn)原理所描述的結(jié)果相一致。八、思考題 使用光敏三極管進(jìn)行光控開關(guān)的設(shè)計(jì)，電路可以參考被實(shí)驗(yàn)，參數(shù)需要重新確定。實(shí)驗(yàn)四 光敏二極管特性測(cè)量實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、了解和掌握光敏二極管的工作原理和應(yīng)用性2、掌握光敏二極管的光照特性及測(cè)試方法3、掌握光敏二極管的伏安特性及測(cè)試方法二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、光敏二極管的光照特性及測(cè)量2、光敏二極管的伏安特性及測(cè)量三、實(shí)驗(yàn)儀器1、光電創(chuàng)新綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)2、特性測(cè)試模塊3、光源特性測(cè)試模塊4、連接導(dǎo)線四、實(shí)驗(yàn)原理1、光敏二極管的結(jié)構(gòu)與

6、工作原理 光敏二極管的核心部分是一個(gè)PN結(jié)，和普通二極管相比有很多共同之處，它們都有一個(gè)PN結(jié)，因此均屬于單向?qū)щ娦缘姆蔷€性元件。但光敏二極管作為一種光電器件，也有它特殊的地方。例如，光敏二極管管殼上的一個(gè)玻璃窗口能接收外部的光；光敏二極管PN結(jié)勢(shì)壘區(qū)很薄，光生載流子的產(chǎn)生主要在PN結(jié)兩邊的擴(kuò)散區(qū)，光電流主要來自擴(kuò)散電流而不是漂移電流；又如，為了獲得盡可能大的光電流，PN結(jié)面積比普通二極管要大的多，而且通常都以擴(kuò)散層作為受光面，因此，受光面上的電極做的很小。為了提高光電轉(zhuǎn)換能力，PN結(jié)的深度較普通二極管淺。圖1為光敏二極管外形圖（a）、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖（b）、符號(hào)（c）和等效電路（d）。 圖1 光敏二

7、極管光敏二極管在電路中一般是處于反向工作狀態(tài)，見圖2，在沒有光照射時(shí)，反向電阻很大，反向電流很?。ㄒ话阈∮?.1微安），這個(gè)反向電流稱為暗電流。當(dāng)光照射在PN結(jié)上，光子打在PN結(jié)附近，使PN結(jié)附近產(chǎn)生光生電子和光生空穴對(duì)，稱為光生載流子。它們?cè)赑N結(jié)處的內(nèi)電場(chǎng)作用下做定向運(yùn)動(dòng)，形成光電流。光的照度越大，光電流越大。如果在外部電路上接上負(fù)載，負(fù)載上就獲得了電信號(hào)。因此光敏二極管在不受光照射時(shí)處于截止?fàn)顟B(tài)，受光照時(shí)處于導(dǎo)通狀態(tài)。圖2 光敏二極管工作電路2、光敏二極管的光照特性光敏二極管在一定負(fù)偏壓下，當(dāng)入射光的強(qiáng)度發(fā)生變化時(shí)，通過光敏二極管的電流隨之變化，在較小負(fù)載電阻下，光電流和照度成線性關(guān)系。

8、如圖3所示，這就是光敏二極管的光照特性。圖3 光敏二極管的光照特性曲線3、光敏二極管的伏安特性光敏二極管（PD）就是一個(gè)PN結(jié)，根據(jù)對(duì)PN結(jié)的研究，無光照時(shí)，PN結(jié)上的電壓V和通過它的電流ID的伏安關(guān)系為（1）式中ISO為PN結(jié)反向飽和電流，為波爾茨曼常數(shù)，T為熱力學(xué)溫度，為電子電荷量。有光照時(shí)，產(chǎn)生光生電流IS為 （2）式中為量子效率，為光功率。這兩部分電流方向相同，則總電流I為（3）圖4表示光照PN結(jié)的伏安特性曲線圖4 光敏二極管PN結(jié)理想伏安特性曲線相對(duì)于無光照，有光照時(shí)伏安特性曲線向下平移。光照越強(qiáng)，曲線越往下平移，光電流越大。圖中第一象限為PN結(jié)加正偏壓狀態(tài)，此時(shí)PN結(jié)暗電流ID遠(yuǎn)大

9、于光生電流，作為探測(cè)器工作在這個(gè)區(qū)間是沒有意義的。第三象限為PN結(jié)反偏狀態(tài)，此時(shí)PN結(jié)暗電流Iso很小，遠(yuǎn)小于光生電流，光伏探測(cè)器輸出的總電流為，探測(cè)器多工作于此區(qū)域。由圖可見，在低反壓下電流隨電壓變化比較明顯，這是因?yàn)榉聪蚱珘涸黾邮购谋M層加寬，結(jié)電場(chǎng)增強(qiáng)，使結(jié)區(qū)光的吸收率和光生載流子的收集效率增大。當(dāng)反向偏壓進(jìn)一步增加，光生載流子的收集已達(dá)極限，光電流趨于飽和。這時(shí)，光電流與外加反向偏壓幾乎無關(guān)，而僅取決于入射功率。圖中還標(biāo)注了開路光電壓和短路光電流的定義。由式（3）可以求得探測(cè)器的輸出電壓（4）在PN結(jié)開路時(shí)（即負(fù)載電阻），探測(cè)器的輸出電壓稱為開路電壓VOC，這時(shí)經(jīng)過回路負(fù)載RL上的總電流

10、I=0，將I=0代入式（4），得到開路電壓的表達(dá)式（5） 若將PN結(jié)短路（即負(fù)載電阻V=0），由式（2）得到短路電流ISC為（6）VOC和ISC是光伏探測(cè)器的兩個(gè)重要參數(shù)，其數(shù)值可以伏安特性曲線上得到；由式（5）和（6）可看出，兩者都是隨光強(qiáng)增大而增大，但I(xiàn)SC隨光強(qiáng)增大線性上升，而VOC則按對(duì)數(shù)規(guī)律增加。五、實(shí)驗(yàn)步驟1、打開臺(tái)體電源，調(diào)節(jié)照度計(jì)“調(diào)零”旋鈕，至照度計(jì)顯示為“0.00”為止。2、特性測(cè)試模塊的0-12V（J5）和GND連接到臺(tái)體的0-12 V可調(diào)電源的和上。3、J5連接電流表正極，電流表負(fù)極連接光電二極管套黃色插孔，光電二極管套筒藍(lán)色插孔連接J6，電壓表正極連接二極管套筒黃色插

11、孔，電壓表負(fù)極連接二極管套筒藍(lán)色插孔。光電二極管紅黑插孔與照度計(jì)的紅黑插孔相連。（RP1的值可根據(jù)器件特性自行選取，結(jié)構(gòu)件組裝參考光敏電阻實(shí)驗(yàn)圖2）4、將光源特性測(cè)試模塊+5V和GND連接到臺(tái)體的+5V和GND上，航空插座FLED-IN與全彩燈光源套筒相連接。打開光源特性測(cè)試模塊電源開關(guān)K101，將S601、S602和S603開關(guān)向下拔（OFF檔），使光照強(qiáng)度為0，即照度計(jì)顯示為0。5、將S601、S602和S603開關(guān)向上拔（ON檔），可調(diào)電源電壓調(diào)為5 V，光源顏色選為白光，按“照度加”或“照度減”，測(cè)量照度為100 Lx、150 Lx 、200 Lx、250 Lx、300 Lx、350

12、Lx、400 Lx、450 Lx、500 Lx、550 Lx和600 Lx時(shí)電流表對(duì)應(yīng)的電流值I。且將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄于表中：表1 5V偏壓下，光敏二極管的光電特性測(cè)試照度(Lx)50100150200250300350400450500550600電流（mA）6、改變電源供電偏壓，分別記錄電壓為8V和10V時(shí)，不同照度下對(duì)應(yīng)的電流值，并分別記錄于表2和表3中：表2 8 V偏壓下，光敏二極管的光電特性測(cè)試照度(Lx)50100150200250300350400450500550600電流（mA）表3 10 V偏壓下，光敏二極管的光電特性測(cè)試照度(Lx)5010015020025030035040

13、0450500550600電流（mA）7、保持照度100 Lx不變，調(diào)節(jié)電源供電偏壓，使供電偏壓為1 V、2 V、3 V、4 V.10 V，分別記錄對(duì)應(yīng)的電流值，電壓值并記錄在表4中：表4 100 Lx照度，光敏二極管的伏安特性測(cè)試偏壓0112345678910電壓電流8、按“照度加”或“照度減”，調(diào)節(jié)照度為200Lx、300Lx、400Lx和500Lx，記錄同一電壓下對(duì)應(yīng)的電流值，電壓值并分別記錄表5-表8中：表5 200 Lx照度，光敏二極管的伏安特性測(cè)試偏壓0112345678910電壓電流表6 300 Lx照度，光敏二極管的伏安特性測(cè)試偏壓0112345678910電壓電流表7 400 Lx照度，光敏二極管的伏安特性測(cè)試偏壓0112345678910電壓電流表8 500 Lx照度，光敏二極管的伏安特性測(cè)試偏壓0112345678910電壓電流9、使可調(diào)電壓調(diào)為5 V分別測(cè)量不同顏色光在100 Lx光照度下，光敏二極管的電流值，將各個(gè)光源在100 Lx照度下的光敏二極管的電流值記錄在表9中：表9 光敏二極管光譜特性測(cè)試光源指示1（紅色）2（橙色）3（黃色）4（綠色）5（青色）6（藍(lán)色）電流（mA）10、將“電源調(diào)節(jié)”旋鈕逆時(shí)針旋至不可調(diào)位置，關(guān)閉試驗(yàn)臺(tái)電源。六、注意事項(xiàng)1、連線之前要