光敏电阻特性分析

        最近拿到一个光敏电阻，想着做一个简单的声光控灯，其中必须用到的器件就是光敏电阻和驻极话筒。以前只知道光敏电阻在不同的光照下，电阻会发生变化。虽然它是一个常用的传感器，但光电原理，内部组成和光电特性，伏安特性都没有深入研究。抱着对待电子科学的严谨态度，趁着这机会，好好分析一下光敏电阻特性，并做实验进行验证。

        光电传感器的基本原理都是将被测量的变换转换成光信号变化，然后借助光电元件将光信号转换成电信号，其中光电原理是不同形式的光电效应。

光电效应：

       物理学认为，光是由分离的能团---光子组成，兼有波和粒子的特性（光的波粒二象性），把光看作一个波群，波群可想象为一个频率为f的震荡，能量E和频率f的关系为

E=h*f

式中h=6.626 * 10 (-34)（Js），为普朗克常量。

因此，不同颜色的光子因其光波频率不同而能量不同，光波频率越高，光子能量越大，绿光光子比红光光子具有更多的能量，光照射在物体上可看成是一连串具有能量为E的粒子轰击在物体上，此时光子能量就传递给电子，并且是一个光子的全部能量一次性的被一个电子吸收，电子得到光子传递的能量后，其状态就会发生变化，从而使受光照射体的物体产生相应的光电效应。光子与物体间连接体是电子，当光子被半导体吸收后，半导体内的电子从光子那获得能量，并马上释放出来参加导电。同样，一个自由电子被俘获后，便失去能量，变成用发射光子的形式释放能量。通常把光电效应分为三类：

1）     在光线作用下使电子溢出物体表面称为外光电效应。制作原件有真空光电管，光电倍增管。

2）     在光线作用下使物体的电阻率改变称为光电导效应。光敏电阻就是根据光电导现象制作的器件。

3）     在光线作用下物体产生一定方向的电动势称为光生伏特效应。能够制作成光电池。

光敏电阻简介：

        光敏电阻是采用半导体材料制作，利用内光电效应的光电器件又称光导管。光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时既可加直流电压，也可以加交流电压。

        光敏电阻的结构很简单，常用的制作材料为硫化镉，另外还有硒、硫化铝、硫化铅和硫化铋等材料。图1为树脂封装的硫化镉光敏电阻。在玻璃底板上均匀地涂上一层薄薄的半导体物质，称为光导层。半导体的两端装有金属电极，金属电极与引出线端相连接，光敏电阻就通过引出线端接入电路。为了防止周围介质的影响，在半导体光敏层上覆盖了一层树脂膜，树脂膜的成分应使它在光敏层最敏感的波长范围内透射率最大。为了提高灵敏度，光敏电阻的电极一般采用梳状图案。光敏电阻引脚无极性。

主要参数：

        光敏电阻的主要参数有：暗电阻、暗电流、亮电阻、亮电流和光电流。（1）暗电阻：光敏电阻在室温条件下，光照消失之后经过一段时间（遮光全暗后静置一定时间）所测得电阻值称为光敏电阻的暗电阻，用万用表测量暗电阻为2.859M。

此时流过光敏电阻的电流称为暗电流,测量原理如图2。取E=12V，RL=1.8MΩ，利用式1可得出光敏电阻的暗电流I暗

（2）亮电阻：光敏电阻在接受光照时测得的电阻称为光敏电阻的亮电阻，此时流过光敏电阻的电流称为光敏电阻的亮电流。

使用万用表电阻档测量光敏电阻引脚，即可得到亮电阻为1.05k。。

                                             

亮电流测量：测量原理如图3，可获得光敏电阻的亮电流。图中取E=12V，RL=5.1k。读取电流表读数，即可得出在该光照条件下的亮电流I亮。

光敏电阻基本特性：

        光敏电阻的基本特性主要包括：伏安特性、光照特性和光谱特性.

（1）伏安特性：在一定照度下，流过光敏电阻的电流与光敏电阻两端的电压的关系称为光敏电阻的伏安特性。光敏电阻在一定的电压范围内，其I—U曲线为直线，如图4所示为硫化镉光敏电阻的伏安特曲线。由该曲线可知，光敏电阻所加电压越高，光电流越大，而且没有饱和现象。在给定电压的情况下，光电流的数值将随光强增大而增大。

（2）光照特性：光敏电阻的光电特性用于描述光电流I和光照强度之间的关系。不同材料制成的光敏电阻，其光照特性是不同的，绝大多数光敏电阻光照特性是非线性的，因此不适合做检测原件，如图7所示。

为了实现光照强度控制，我们发射光采用PWM光源，能够精确的控制光源。

测量可参考亮电流测量原理图，如图6所示，选取9个不同的照度值（设置PWM频率=100Hz、PWM波占空比=10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%），E=8V，RL=1kΩ。依次测量电压U、电流I、和光电流值。

   光源驱动电路和光敏电阻测量电路

（3）时间响应特性：光敏电阻的光电流不能随着光强改变而立刻变化，即光敏电阻产生的光电流有一定的惰性，这种惰性通常用时间常数表示。大多数的光敏电阻时间常数都较大，这是它的缺点之一。不同材料的光敏电阻具有不同的时间常数（毫秒数量级），因而它们的频率特性也就各不相同，如图8所示。我们用示波器测量光敏电阻两端的峰峰值。示波器通道1连接在T1,通道二连接在T2.

PWM频率从5Hz变化到10k、PWM波占空比=50%，E=8V，RL=1kΩ。依次测量光敏电阻两端电压

图10为三种不同材料制成的光敏电阻的光谱特性。光敏电阻对应于不同波长，其灵敏度是不同的，而且不同材料的光敏电阻光谱响应曲线也不同。