5.2光敏電阻傳感器5.2.1光敏電阻的結(jié)構(gòu)和工作原理5.2.2光敏電阻的特性及主要參數(shù)5.2.3光敏電阻的應用1.光敏電阻調(diào)光電路2.光敏電阻式光控開關(guān)3.太陽能草坪燈電路5.2光敏電阻傳感器光敏電阻（photo-resistor）是利用半導體的光電導效應制成的一種電阻值隨入射光的強弱而改變的電阻器件，又稱為光電導探測器，為純電阻元件；當入射光增強時，電阻值減??；當入射光減弱時，電阻值增大。光敏電阻一般用于光的測量、光的控制和光電轉(zhuǎn)換，具有靈敏度高，光譜響應范圍寬，體積小、重量輕、機械強度高，耐沖擊、耐振動、抗過載能力強和壽命長等優(yōu)點。5.2.1光敏電阻的結(jié)構(gòu)和工作原理1.光敏電阻的制作材料制作光敏電阻的半導體材料有硅、鍺、硫化鎘、硫化鉛、銻化銦、硒化鎘等，對于不具備光電特性的純半導體可以加入適量雜質(zhì)使之產(chǎn)生光電效應特性。用來產(chǎn)生光電效應的物質(zhì)由金屬的硫化物、硒化物、碲化物等組成，如硫化鎘、硫化鉛、硫化鉈、硫化鉍、硒化鎘、硒化鉛、碲化鉛等。在黑暗條件下，常用的硫化鎘光敏電阻阻值（暗阻）可達1～10MΩ；在強光條件（100LX）下，它阻值（亮阻）僅有幾百至數(shù)千歐姆。光敏電阻對光的敏感性（即光譜特性）與人眼對可見光0.4～0.76μm的響應很接近，只要人眼可感受的光，都會引起它的阻值變化。因此設計傳感器光源時，常用白熾燈泡、白色LED或自然光作為發(fā)射光源。5.2.1光敏電阻的結(jié)構(gòu)和工作原理2.光敏電阻的結(jié)構(gòu)和工作原理通常光敏電阻器都制成薄片結(jié)構(gòu)，以便吸收更多的光能。它可以是單晶薄片、多晶薄片、燒結(jié)成的多晶薄膜、真空蒸發(fā)薄膜、化學淀積薄膜或濺射膜等。當它受到光的照射時，半導體片（光敏層）內(nèi)就激發(fā)出電子—空穴對，參與導電，使電路中電流增強。光敏電阻的電極常采用梳狀結(jié)構(gòu)，梳狀電極形式使在間距很近的電極之間增大了的受光面積，提高了光敏電阻的靈敏度。它是在一定的掩膜下向光電導薄膜上蒸鍍金或銦等金屬形成的。金屬封裝光敏電阻光敏電阻結(jié)構(gòu)光敏電阻結(jié)構(gòu)剖視圖5.2.1光敏電阻的結(jié)構(gòu)和工作原理2.光敏電阻的結(jié)構(gòu)和工作原理光敏電阻的靈敏度易受濕度的影響，因此要將導光電導體嚴密封裝在玻璃殼體中。如果把光敏電阻連接到外電路中，在外加電壓的作用下，用光照射就能改變電路中電流的大小。光敏電阻在電路中常用RG表示，如圖為光敏電阻電路符號及其檢測電路，其輸出電壓U、光電流I都隨光強的增加而增大：式中，E為外加電源電壓，RL為負載電阻。光敏電阻工作時的響應速度較慢，如CdSe光敏電阻的響應時間約為10ms，CdS的響應時間約為100ms，因此，光敏電阻通常都工作于直流或低頻狀態(tài)下。5.2.1光敏電阻的結(jié)構(gòu)和工作原理3.光敏電阻的分類根據(jù)光敏電阻的光譜特性，可分為三種光敏電阻器：紫外光敏電阻器：對紫外線較靈敏，包括硫化鎘、硒化鎘光敏電阻器等，用于探測紫外線。紅外光敏電阻器：主要有硫化鉛、碲化鉛、硒化鉛、銻化銦等光敏電阻器。廣泛用于導彈制導、天文探測、非接觸測量、人體病變探測、紅外光譜，紅外通信等國防、科學研究和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中?？梢姽夤饷綦娮杵鳎喊蚧k、硒化鎘、碲化鎘、砷化鎵、硅、鍺、硫化鋅光敏電阻器等。主要用于各種光電控制系統(tǒng)，如光電自動開關(guān)門，航標燈、路燈和其他照明系統(tǒng)的自動亮滅，自動給水和自動停水裝置，機械上的自動保護裝置和“位置檢測器”，極薄零件的厚度檢測器，電子玩具、光控音樂IC、室內(nèi)光線控制、照相機自動測光、電子驗鈔機，光電計數(shù)器，煙霧報警器，光電跟蹤系統(tǒng)等方面。4.幾種典型的光敏電阻表5-1幾種典型的光敏電阻敏感波長名稱主要特點主要缺點應用領(lǐng)域?qū)梢姽?0.38～0.78μm)敏感的光敏電阻CdS光敏電阻光譜靈敏區(qū)在0.3～0.5μm。照度大，阻值?。徽斩刃?，阻值大。中等照度下，光敏電阻功耗最大。照度越大，響應時間越短受單晶大小的限制，受光面積小，光電流容量低制造自動控制元件，如產(chǎn)品計數(shù)器、路燈控制、照相曝光控制、電影拾音及激光測距等CdSe光敏電阻可見光波段內(nèi)使用最廣泛的一種，光譜響應峰值在0.67μm左右，對紅光也很靈敏。有比CdS更快的響應速度，大約快10倍靈敏度隨工作溫度變化較大對紅外光(0.78～100μm)感受靈敏的光敏電阻薄膜型PbS(硫化鉛)光敏電阻常用的近紅外光(適用小于3μm)探測器。室溫下峰值響應在2.1μm。探測率高，響應時間τ＝20～200μs在低溫下響應時間長不同波段的紅外探測薄膜型PhSe(硒化鉛)光敏電阻中紅外光探測器。室溫下峰值響應在3.8μm，峰值探測率D≈2×1010

cm·(Hz)1/2·(W)-1，響應時間2μs薄膜型PbTe(銻化鉛)光敏電阻中紅外光探測器。用于3～5μm波段InSb探測器在3～5μm波段上應用最廣的一種中紅外探測器。室溫下，它的截止波長可達7.5μm。光導型的InSb光敏電阻峰值探測率D≈2×1010

cm·(Hz)1/2·(W)-1，響應時間約6μs鍺摻雜光敏電阻峰值波長在5μm左右，鍺摻汞的在10.5μm，鍺摻鎘的在16μm，鍺摻銅的在23μm，鍺摻鋅的在36μm，鍺摻鎵、硼的截止波長可達150μm雖有較高的探測率和較快的響應速度，但是它們中多數(shù)需要在深低溫下工作，這樣就限制了實際的使用砷化鎵摻雜光敏電阻探測波長在100～400μm的極遠紅外區(qū)。采用這種光敏電阻有很高的探測率HgCdTe探測器是新型的本征紅外探測器。調(diào)節(jié)材料中鎘的組分，改變其響應波長。目前已能設計響應在0.8～4μm波長范圍內(nèi)不同工作波段的各種HgCdTe探測器同其他非本征光電導材料一樣，它也必須在深低溫下才能工作適于制備高速高性能的探測器。溫度在77K下使用的兩種重要的8～14μm波段的探測器PbSnTe探測器本征型紅外探測器。PbSnTe光伏型和光導型探測器，峰值探測率已達D≈2×1010

cm·(Hz)1/2·(W)-1，響應時間為10ns5.2.1光敏電阻的結(jié)構(gòu)和工作原理5.光敏電阻使用注意事項（1）用于測光的光源光譜特性必須與光敏電阻的光電特性匹配；（2）要防止光敏電阻受雜散光的影響；（3）要防止使光敏電阻的電參數(shù)（電壓、功耗）超過允許值；（4）根據(jù)不同用途，選用不同特性的光敏電阻。一般來說，用于數(shù)字信息傳輸時，選用亮電阻與暗電阻差別大的光敏電阻為宜，且盡量選用光照指數(shù)大的光敏電阻；用于模擬信息傳輸時，則以選用光照指數(shù)值小的光敏電阻為好，因為這種光敏電阻的線性特性好。5.2.2光敏電阻的特征及主要參數(shù)1.暗電阻、亮電阻與光電流光敏電阻在室溫條件下，全暗（未受光照射）后經(jīng)過一定時間測量的電阻值，稱為暗電阻（MΩ級）；此時在給定電壓下流過的電流叫暗電流。光敏電阻在某一光照強度下的阻值，稱為該光照下的亮電阻（幾十kΩ以下）；此時流過的電流叫亮電流。光電流是亮電流與暗電流之差。光敏電阻的暗電阻越大，而亮電阻越小，則性能越好；即暗電流越小，光電流越大，這樣的光敏電阻的靈敏度越高。實用的光敏電阻的暗電阻往往超過1MΩ，甚至高達100MΩ，而亮電阻則在幾kΩ以下，暗電阻與亮電阻之比在102～106之間。5.2.2光敏電阻的特征及主要參數(shù)2.光照特性光照特性是指在一定外加電壓下，光敏電阻的光電流和光照強度之間的關(guān)系；絕大多數(shù)光敏電阻光照特性曲線是非線性的。如圖為CdS光敏電阻的光照特性曲線，因此光敏電阻通常在自動控制系統(tǒng)中用作光電開關(guān)，而不宜用作定量檢測元件。5.2.2光敏電阻的特征及主要參數(shù)3.光譜特性光敏電阻對入射光的光譜具有選擇作用，即對于不同波長的入射光，光敏電阻的靈敏度是不同的。光譜特性是指光敏電阻在不同波長的單色光照射下的靈敏度與入射波長的關(guān)系。光譜特性與光敏電阻的材料有關(guān)。圖為三種光敏電阻的光譜特性曲線，其中硫化鉛光敏電阻在較寬的光譜范圍內(nèi)均有較高的靈敏度，峰值在紅外區(qū)域；硫化鎘、硒化鎘的峰值在可見光區(qū)域。在選用光敏電阻時，應把光敏電阻的材料和光源的種類結(jié)合起來考慮，才能獲得滿意的效果。5.2.2光敏電阻的特征及主要參數(shù)4.伏安特性。在一定照度下，加在光敏電阻兩端的電壓與電流之間的關(guān)系稱為伏安特性。如圖5-10（a）所示，曲線1、2分別表示照度為零和照度為某一定值時的伏安特性曲線，由圖可知，在給定偏壓下，光照度較大，光電流也越大。在一定的光照度下，所加的電壓越大，光電流越大，而且無飽和現(xiàn)象。但是電壓不能無限地增大，因為任何光敏電阻都受額定功率、最高工作電壓和額定電流的限制。超過最高工作電壓和最大額定電流，可能導致光敏電阻永久性損壞。5.響應時間和頻率特性。當光敏電阻受到光照射時，光電流要經(jīng)過一段時間才能達到穩(wěn)定值，而在停止光照后，光電流也不立刻為零，這就是光敏電阻的時延特性。時延特性通常用時間常數(shù)來描述。所謂時間常數(shù)即為光敏電阻自停止光照起到電流下降為原來的63％所需要的時間。不同材料的光敏電阻時延特性不同，其頻率特性也不同；時間常數(shù)越小，響應越迅速。如圖5-10（b）所示，硫化鉛的使用頻率范圍比硫化鎘高得多，但多數(shù)光敏電阻的時延都比較大，所以，它不能用在要求快速響應的場合，目前正在通過工藝改進達到改善各種材料光敏電阻的頻率特性。6.穩(wěn)定性。圖5-10（c）中曲線1、2分別表示兩種型號CdS光敏電阻的穩(wěn)定性。初制成的光敏電阻，由于體內(nèi)結(jié)構(gòu)工作不穩(wěn)定，以及電阻體與其介質(zhì)的作用還沒有達到平衡，所以性能是不夠穩(wěn)定的。但在人為地加溫、光照及加負載情況下，經(jīng)一至兩周的老化，性能可達穩(wěn)定。5.2.2光敏電阻的特征及主要參數(shù)4.伏安特性。在一定照度下，加在光敏電阻兩端的電壓與電流之間的關(guān)系稱為伏安特性。如圖所示，曲線1、2分別表示照度為零和照度為某一定值時的伏安特性曲線，由圖可知：在給定偏壓下，光照度較大，光電流也越大。在一定的光照度下，所加的電壓越大，光電流越大，而且無飽和現(xiàn)象。光敏電阻受額定功率、最高工作電壓和額定電流的限制。超過最高工作電壓和最大額定電流，可能導致光敏電阻永久性損壞。5.2.2光敏電阻的特征及主要參數(shù)5.響應時間和頻率特性當光敏電阻受到光照射時，光電流要經(jīng)過一段時間才能達到穩(wěn)定值，而在停止光照后，光電流也不立刻為零，這就是光敏電阻的時延特性。時延特性通常用時間常數(shù)來描述。時間常數(shù)即為光敏電阻自停止光照起到電流下降為原來的63％所需要的時間。不同材料的光敏電阻時延特性不同，其頻率特性也不同；時間常數(shù)越小，響應越迅速。如圖所示，硫化鉛的使用頻率范圍比硫化鎘高得多，但多數(shù)光敏電阻的時延都比較大，所以，它不能用在要求快速響應的場合，目前正在通過工藝改進達到改善各種材料光敏電阻的頻率特性。5.2.2光敏電阻的特征及主要參數(shù)6.穩(wěn)定性圖中曲線1、2分別表示兩種型號CdS光敏電阻的穩(wěn)定性。初制成的光敏電阻，由于體內(nèi)結(jié)構(gòu)工作不穩(wěn)定，以及電阻體與其介質(zhì)的作用還沒有達到平衡，所以性能是不夠穩(wěn)定的。但在人為地加溫、光照及加負載情況下，經(jīng)一至兩周的老化，性能可達穩(wěn)定。5.2.2光敏電阻的特征及主要參數(shù)7.溫度特性隨著溫度不斷升高，光敏電阻的暗電阻和靈敏度都要下降，同時溫度變化也影響它的光譜特性曲線。右圖為硫化鉛的光譜溫度特性曲線，它的峰值隨著溫度上升向波長短的方向移動；因此有時為了提高元件的靈敏度，或為了能夠接受較長波段的紅外輻射而采取一些致冷措施。對應可見光的光敏電阻，溫度變化的影響要小一些。5.2.3光敏電阻的應用1.光敏電阻調(diào)光電路下圖光控調(diào)光電路工作原理是：當周圍光線變暗時引起光敏電阻RG的阻值增加，使加在電容C上的分壓上升，進而使可控硅的導通角增大，達到增大照明燈兩端電壓的目的。反之，若周圍的光線變亮，則RG的阻值下降，導致可控硅的導通角變小，照明燈兩端電壓也同時下降，使燈光變暗，從而實現(xiàn)對燈光照度的控制。注意：電路中整流橋堆給出的是必須是直流脈動電壓，不能將其用電容濾波變成平滑直流電壓，否則電路將無法正常工作。5.2.3光敏電阻的應用2.光敏電阻式光控開關(guān)以光敏電阻為核心元件的帶繼電器控制輸出的光控開關(guān)電路有許多形式，如自鎖亮激發(fā)、暗激發(fā)及精密亮激發(fā)、暗激發(fā)等等。下圖是一種簡單的暗激發(fā)繼電器開關(guān)電路。其工作原理是：當照度下降到設置值時由于CdS光敏電阻阻值上升，使VT1基極電位升高，激發(fā)VT1導通，VT2也隨之導通。VT2的激勵電流使繼電器工作，控制常開觸點閉合或常閉觸點斷開，實現(xiàn)對外電路的控制。5.2.3光敏電阻的應用2.光敏電阻式光控開關(guān)下圖是一種精密的暗激發(fā)時滯繼電器開關(guān)電路。其工作原理是：當照度下降到設置值時由于光敏電阻阻值上升使運放IC的反相端電位升高，其輸出變低，激發(fā)VT導通。VT的激勵電流使繼電器工作，控制常開觸點閉合或常閉觸點斷開，實現(xiàn)對外電路的控制。5.2.3光敏電阻的應用3.太陽能草坪燈電路白天有太陽光時，由太陽能電池BT1把光能轉(zhuǎn)換為電能，由VD1對充電電池BT2充電；同時有光照使光敏電阻呈低阻態(tài)，使得VQ4基極為低電平而截止。當晚上無光照時光敏電阻呈高阻態(tài)，使VQ4基極升高而飽和導通，VQ4集電極成低電位，導致VQ2基極電位降低而飽和導通，由VQ3、VQ5、C2、R6、L1組成的DC升壓電路工作，LED得電發(fā)光。5.2.3光敏電阻的應用3.太陽能草坪燈電路

DC升壓電路其核心就是一個互補管振蕩電路，其工作過程為：VQ2導通時電源通過L1、R6、VQ4向C2充電，由于C2電壓不能突變，VQ3基極為高電平，VQ3不導通，隨著C2的充電電壓升高，VQ3基極電位越來越低，當?shù)椭罺Q3導通電壓時VQ3導通，VQ5相繼導通，C2通過VQ5、電源、VQ3發(fā)射極-基極結(jié)放電。當放完電后VQ3、VQ5截止，電源再次向C2充電，之后VQ3、VQ5導通，C2放電，如此反復，電路形成振蕩。在振蕩過程中，VQ5導通時電源經(jīng)L1和VQ5集電極-發(fā)射極到地，電流經(jīng)L1儲能，VQ5截止時L1產(chǎn)生感應電動勢，和電源疊加后驅(qū)動LED發(fā)光。另外，可以提高電池組電壓直接驅(qū)動多個LED，以增加照明亮度。5.2.3光敏電阻的應用3.太陽能草坪燈電路當白天充電不夠時（如遇上陰雨天等），BT2可能發(fā)生過度放電，這樣會損壞電池，為此特加R5構(gòu)成過放保護：當電池電壓降至2V時，由于R5的分壓使VQ4基極電位不足以使VQ4導通，從而保護電池。增加R5會影響VQ4的導通深度?？梢赃x用高β值的晶體管來降低這種影響。5.2.3光敏電阻的應用3.太陽能草坪燈電路元器件選擇：BT1選用3.8V／80mA太陽能電池板，單晶硅為好，多晶硅次之；BT2選用兩節(jié)1.2V／2000mANi-MH電池，如需要增大發(fā)光度或延長時間，可相應提高太陽能板及電池功率。VQ2、VQ3、VQ5的β在應200左右，VQ4需β值大的晶體管。VD1盡量選管壓低的，如鍺管或肖特基二極管。LED可選用白、藍、綠色超高亮度散光或聚光型。R3、R5建議選用1%精度電阻；R4用亮阻10kΩ～20kΩ，暗阻1MΩ以上的光敏電阻。其他電阻可選用普通金屬膜1/4W、1/8W電阻。L1用1/4W色電感，直流阻抗要小。拓展提高

光敏電阻應急照明燈隨著公共安全需求的提高，對各種公眾場所（大型超市、商場、會所以及賓館酒店等）必須安裝獨立電源的應急照明燈。在發(fā)生緊急意外情況時，自動啟動照明，以引導群眾安全疏散撤離。圖為光敏電阻應急照明燈電路，利用TWH8751作自激振蕩和功率開關(guān)。R1為限流電阻，R2、C1決定振蕩頻率，C2用于穩(wěn)定電源電壓。振蕩變壓器初級的振蕩電壓，在次級感應出更高的電壓，擊穿日光燈內(nèi)汞蒸汽，使日光燈點亮。拓展提高

光敏電阻應急照明燈電路中，最主要