实验三 光敏电阻光控开关、光控灯实验

一、实验目的

1、了解和掌握光敏电阻的工作原理及应用性

2、了解和掌握光控开关电路原理

二、实验内容

1、光敏电阻光控开关、光控灯实验

2、设计性实验

三、实验仪器

1、光电创新综合实验平台

2、特性测试模块

3、光源特性测试模块

4、开放性实验模块二

5、连接导线

四、实验原理

1、光敏电阻的结构与工作原理

    光敏电阻又称光导管，它几乎都是用半导体材料制成的光电器件。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。无光照时，光敏电阻值（暗电阻）很大，电路中电流（暗电流）很小。当光敏电阻受到一定波长范围的光照时，它的阻值（亮电阻）急剧减小，电路中电流迅速增大。 一般希望暗电阻越大越好，亮电阻越小越好， 此时光敏电阻的灵敏度高。实际光敏电阻的暗电阻值一般在兆欧量级， 亮电阻值在几千欧以下。

光敏电阻的结构很简单，下图1(a)为金属封装的硫化镉光敏电阻的结构图。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漆膜，漆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， 如图1(b)所示。 图1(c)为光敏电阻的接线图。

图1 光敏电阻的结构与原理

2、本实验通过改变照射到光敏电阻上光强大小来控制继电器的开关状态，从而控制发光二极管指示灯的亮和灭，原理如图2所示。

图2 光敏电阻光控开关、光控灯电路

工作原理：电路接通后，改变照射到光敏电阻上的光强，当光强发生变化时，光敏电阻的阻值跟着发生变化，导致Q1三极管的基极电压随光强发生变化，致使Q2三极管的基极电流发生变化，从而使继电器的工作状态发生变化，起到开关控制的作用。

当照射到光敏电阻光敏区的光强较强时，其阻值变小，Q1三极管的基极电压变小，继电器断开，LED1熄灭；光强较弱时，其阻值变小，Q1三极管的基极电压变大，继电器闭合，LED1变亮。

五、实验步骤

1、开放性实验模块二的+5V和GND连接到台体的+5V和GND上。

2、参照图2使用2#台阶线，利用特性测试模块的电阻和开发性实验模块二的电路及元器件自行搭建电路。(继电器的保护二极管D1在继电器上已经接好，试验中无需再连接继电器接口，继电器接口如图3所示)。

3、原理图中光敏电阻的位置连接到光敏电阻套筒的黄蓝插座上，光敏电阻红黑插座与照度计红黑插座相连，光源采用光源特性测试模块的全彩灯光源。

4、按下开放性实验模块二电源开关K1，调节光源强度，观察实验现象是否和实验原理所描述的结果相一致。

图3 继电器电路

六、注意事项

1、不得扳动面板上面元器件，以免造成电路损坏，导致实验仪不能正常工作。

2、实验操作中不要带点插拔导线，应该在熟悉原理后，按照电路图连接，检查无误后，方可打开电源进行实验。

七、实验报告要求

     根据实验现象是否和实验原理所描述的结果相一致。

八、思考题

     使用光敏三极管进行光控开关的设计，电路可以参考被实验，参数需要重新确定。

实验四 光敏二极管特性测量实验

一、实验目的

1、了解和掌握光敏二极管的工作原理和应用性

2、掌握光敏二极管的光照特性及测试方法

3、掌握光敏二极管的伏安特性及测试方法

二、实验内容

1、光敏二极管的光照特性及测量

2、光敏二极管的伏安特性及测量

三、实验仪器

1、光电创新综合实验平台

2、特性测试模块

3、光源特性测试模块

4、连接导线

四、实验原理

1、光敏二极管的结构与工作原理

   光敏二极管的核心部分是一个PN结，和普通二极管相比有很多共同之处，它们都有一个PN结，因此均属于单向导电性的非线性元件。但光敏二极管作为一种光电器件，也有它特殊的地方。例如，光敏二极管管壳上的一个玻璃窗口能接收外部的光；光敏二极管PN结势垒区很薄，光生载流子的产生主要在PN结两边的扩散区，光电流主要来自扩散电流而不是漂移电流；又如，为了获得尽可能大的光电流，PN结面积比普通二极管要大的多，而且通常都以扩散层作为受光面，因此，受光面上的电极做的很小。为了提高光电转换能力，PN结的深度较普通二极管浅。图1为光敏二极管外形图（a）、结构简图（b）、符号（c）和等效电路（d）。

图1 光敏二极管

光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态，见图2，在没有光照射时，反向电阻很大，反向电流很小（一般小于0.1微安），这个反向电流称为暗电流。当光照射在PN结上，光子打在PN结附近，使PN结附近产生光生电子和光生空穴对，称为光生载流子。它们在PN结处的内电场作用下做定向运动，形成光电流。光的照度越大，光电流越大。如果在外部电路上接上负载，负载上就获得了电信号。因此光敏二极管在不受光照射时处于截止状态，受光照时处于导通状态。

图2 光敏二极管工作电路

2、光敏二极管的光照特性

光敏二极管在一定负偏压下，当入射光的强度发生变化时，通过光敏二极管的电流随之变化，在较小负载电阻下，光电流和照度成线性关系。如图3所示，这就是光敏二极管的光照特性。

图3 光敏二极管的光照特性曲线

3、光敏二极管的伏安特性

光敏二极管（PD）就是一个PN结，根据对PN结的研究，无光照时，PN结上的电压V和通过它的电流I_D的伏安关系为

                                                （1）

式中I_SO为PN结反向饱和电流，为波尔茨曼常数，T为热力学温度，为电子电荷量。

有光照时，产生光生电流I_S为

                                                （2）

式中为量子效率，为光功率。

这两部分电流方向相同，则总电流I为

                                            （3）

图4表示光照PN结的伏安特性曲线

图4 光敏二极管PN结理想伏安特性曲线

相对于无光照，有光照时伏安特性曲线向下平移。光照越强，曲线越往下平移，光电流越大。图中第一象限为PN结加正偏压状态，此时PN结暗电流I_D远大于光生电流，作为探测器工作在这个区间是没有意义的。第三象限为PN结反偏状态，此时PN结暗电流I_so很小，远小于光生电流，光伏探测器输出的总电流为，探测器多工作于此区域。

由图可见，在低反压下电流随电压变化比较明显，这是因为反向偏压增加使耗尽层加宽，结电场增强，使结区光的吸收率和光生载流子的收集效率增大。当反向偏压进一步增加，光生载流子的收集已达极限，光电流趋于饱和。这时，光电流与外加反向偏压几乎无关，而仅取决于入射功率。

图中还标注了开路光电压和短路光电流的定义。由式（3）可以求得探测器的输出电压

                                        （4）

在PN结开路时（即负载电阻），探测器的输出电压称为开路电压V_OC，这时经过回路负载R_L上的总电流I=0，将I=0代入式（4），得到开路电压的表达式

                                           （5）

      若将PN结短路（即负载电阻V=0），由式（2）得到短路电流I_SC为

                                            （6）

V_OC和I_SC是光伏探测器的两个重要参数，其数值可以伏安特性曲线上得到；由式（5）和（6）可看出，两者都是随光强增大而增大，但I_SC随光强增大线性上升，而V_OC则按对数规律增加。

五、实验步骤

1、打开台体电源，调节照度计“调零”旋钮，至照度计显示为“0.00”为止。

2、特性测试模块的0-12V（J5）和GND连接到台体的0-12 V可调电源的和上。

3、J5连接电流表正极，电流表负极连接光电二极管套黄色插孔，光电二极管套筒蓝色插孔连接J6，电压表正极连接二极管套筒黄色插孔，电压表负极连接二极管套筒蓝色插孔。光电二极管红黑插孔与照度计的红黑插孔相连。（RP1的值可根据器件特性自行选取，结构件组装参考光敏电阻实验图2）

4、将光源特性测试模块+5V和GND连接到台体的+5V和GND上，航空插座FLED-IN与全彩灯光源套筒相连接。打开光源特性测试模块电源开关K101，将S601、S602和S603开关向下拔（OFF档），使光照强度为0，即照度计显示为0。

5、将S601、S602和S603开关向上拔（ON档），可调电源电压调为5 V，光源颜色选为白光，按“照度加”或“照度减”，测量照度为100 Lx、150 Lx 、200 Lx、250 Lx、300 Lx、350 Lx、400 Lx、450 Lx、500 Lx、550 Lx和600 Lx时电流表对应的电流值I。且将实验数据记录于表中：

表1  5V偏压下，光敏二极管的光电特性测试

6、改变电源供电偏压，分别记录电压为8V和10V时，不同照度下对应的电流值，并分别记录于表2和表3中：

表2  8 V偏压下，光敏二极管的光电特性测试

表3  10 V偏压下，光敏二极管的光电特性测试

7、保持照度100 Lx不变，调节电源供电偏压，使供电偏压为1 V、2 V、3 V、4 V........10 V，分别记录对应的电流值，电压值并记录在表4中：

表4  100 Lx照度，光敏二极管的伏安特性测试

8、按“照度加”或“照度减”，调节照度为200Lx、300Lx、400Lx和500Lx，记录同一电压下对应的电流值，电压值并分别记录表5-表8中：

表5  200 Lx照度，光敏二极管的伏安特性测试

表6  300 Lx照度，光敏二极管的伏安特性测试

表7  400 Lx照度，光敏二极管的伏安特性测试

表8  500 Lx照度，光敏二极管的伏安特性测试

9、使可调电压调为5 V分别测量不同颜色光在100 Lx光照度下，光敏二极管的电流值，将各个光源在100 Lx照度下的光敏二极管的电流值记录在表9中：

表9  光敏二极管光谱特性测试

10、将“电源调节”旋钮逆时针旋至不可调位置，关闭试验台电源。

六、注意事项

1、连线之前要保证电源关闭。

2、打开电源之前，将“电源调节”旋钮逆时针调至最小值。

3、若照度计、电流表或电压表显示为“1”时说明超出当前量程，应该选择合适的量程再测量。

4、严禁将任何电源对地短路。

七、实验报告要求

     分析光敏二极管的光照特性，并画出伏安特性曲线。

八、思考题

1、在不同偏压下，光敏二极管的光照特性曲线会有何区别？试从原理上分析。

2、绘制不同照度下的光敏二极管的伏安特性曲线，比较他们的异同。

3、正常工作时，为什么要给光敏二极管加反向偏压。

第二篇：光敏电阻及其应用实验

光电传感器——光敏电阻及其应用实验

一、实验学时: 3

二、实验目的:

1. 验证光敏电阻的工作原理，学习光敏电阻应用电路的设计方法和工艺要求
2. 了解光敏电阻在模拟电路和数字电路中的应用
3. 熟悉光电子线路的安装、调试工艺
4. 熟悉常用仪器、设备的性能和使用

三、实验所需部件：

电压源、万用电压表、示波器、电烙铁、剥线钳等常用工具，元器件有

四、实验原理：

由半导体材料制成的光敏电阻，工作原理基于内光电效应，当掺杂的半导体薄膜表面受到光照时，其导电率就发生变化。不同的材料制成的光敏电阻有不同的光谱特性和时间常数。

   （图1）光敏电阻结构图                    （图2）光敏电阻应用电路原理图

五、实验步骤：                                                                         

1、观察光敏电阻，分别将光敏电阻Rg置于光亮和黑暗之处，万用电压表测量其亮电阻和暗电阻；重复5次测量并记录每次测量结果，计算其平均值。

2、电压源输出+5V作为光敏电阻应用电路的工作电源，调节可调电阻R1，用电压表与示波器测量三极管输出电压U0；重复5次测量并记录每次测量结果，计算其平均值。

3、电压源输出+5V作为光敏电阻应用电路的工作电源，改变入射光敏电阻Rg的光照度，观察输出电压U0的变化情况。

六、实验结果分析与讨论：

     在给定工作电压下，通过亮电阻的亮电流和通过暗电阻的暗电流之差为光敏电阻的光电流。光电流越大，灵敏度越高。当光敏电阻表面受到光照增强时，其电阻就减小；反之，其电阻就增大。