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1、THQGM-1型光敏电阻特性实验仪一、实验目的：1. 了解光敏电阻的基本原理及特性。2. 了解LED发光二极管的驱动电流和输出光功率的关系；3 .掌握光敏电阻应用方法。二、实验器件与单元：1. THQGM-1型光敏电阻特性实验仪；2. 双踪示波器。三、实验原理：1. 光敏电阻：光敏电阻又称光导管，它的工作原理是基于光电导效应：在无光照时，光敏电阻具有很 高的阻值，在有光照时，当光子的能量大于材料禁带宽度，价带中的电子吸收光子能量后跃 迁到导带，激发出可以导电的电子一空穴对，使电阻降低；光线愈强，激发出的电子一空穴 对越多，电阻值越低；光照停止后，自由电子与空穴复合，导电性能下降，电阻恢复原值。
2、 光敏电阻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， 若在两端加一电压，则电路中的电流随光强弱而变化，这种现象在非接触式光电控制中十分 有用。使用时既可加直流电压，也可加交流电压，光敏电阻的暗电阻一般为兆欧级，亮电阻 在千欧以下。图1为光敏电阻的原理结构。它是涂于玻璃底板上的一薄层半导体物质，半导体的两 端装有电极，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。其时间常数一般在毫秒级，光敏电阻具有特性稳定、寿命长、价格低 等优点。金属电极
3、半导体图1光敏电阻通常用在陶瓷或硅衬底上沉积一层半导体材料CdS或CdSe制成。外覆一层透 明树脂构成光学透镜用于光的聚焦，CdS或CdSe半导体材料在无光照射状态下，自由载流 子很少，当受光照射时，载流子增加，电阻减小。其值与所用材料和制作工艺等相关，伴随 着电阻的改变，其光响应时间也会改变。光敏电阻对不同的光波长，其灵敏度也不同。CdS 的峰值响应波长在600nm附近，CdSe的峰值响应波长在750nm附近。光敏电阻的特性：（1）光谱特性光敏电阻对不同波长的光，光谱灵敏度不同，而且不同种类光敏电阻峰值波长也不同。光敏 电阻的光谱灵敏度和峰值波长与所采用的材料、掺杂浓度有关。图2为硫化镉、硫
4、化铅硫化 铊光敏电阻的光谱特性曲线。由图可见，硫化镉光敏电阻可见光区域，接近人的视觉特性； 而硫化铅在红外区域。图2 光敏电阻的光谱灵敏度（2）伏安特性在一定照度下，光敏电阻两端所加的电压与光电流之间的关系，称为伏安特性。硫化 镉光敏电阻的伏安特性曲线如图3所示，由曲线可知，在给定的偏压下，光照度越大，光电 流也越大，在一定的光照度下，电压越大，光电流也越大，且没有饱和现象。但是不能无限制地提高电压，任何光敏电阻都有最大额定功率，最高工作电压和最大额定电流，超过最大 工作电压和最大额定电流，都可能导致光敏电阻永久性损坏。耗散功率500mW电压/V图3光敏电阻的伏安特性（3）响应时间和频率特性在
5、阶跃脉冲光照射下，光敏电阻的光电流要经历一段时间才达到最大饱和值，光照停止后， 光电流也要经历一段时间才下降到零。这是光电导的弛豫现象，通常用响应时间来描述。响 应时间又分为上升时间t、t和下降时间t、t，如图4所示。1212%使敏灵对相图4 光敏电阻的响应时间常用时间常数T来描述响应时间的长短。光敏电阻的时间常数在1。-61S数量级。实验表 明：光敏电阻的响应时间与前历时间有关，在暗处防置时间越长，响应时间越长；响应时间 也与照度有关，照度越大，响应时间越短。由于不同材料光敏电阻有不同的响应时间，因而 它们的频率特性也不相同。图5表示不同材料光敏电阻的频率特性，即相对光谱灵敏度与照 度调制频
6、率的关系曲线。rAS /%硫化铅图5 光敏电阻的频率特性2. LED的工作原理：当某些半导体材料形成的PN结加正向电压时,空穴与电子在PN结复合时将产生特定波长 的光，发光的波长与半导体材料的能级间隙Eg有关。发光波长人p可由下式确定：人=hc / E（1）式（1）中h为普朗克常数，c为光速。在实际的半导体材料中能级间隙Eg有一个宽度，因此 发光二极管发出光的波长不是单一的，其发光波长半宽度一般在2540nm左右，随半导体材 料的不同而有差别。发光二极管输出光功率?与驱动电流I的关系由下式决定：p =门 E I /e（2）式2中，门为发光效率，En是光子能量，e是电荷常数。式（2）表明LED输
7、出光功率与驱动电流呈线性关系，当电流较大时由于PN结不能及时散 热，输出光功率可能会趋向饱和。本实验用一个驱动电流可调的红色超高亮度发光二极管作 为实验用光源。系统采用的发光二极管驱动和调制电路如图6所示。信号调制采用光强度调 制的方法，发送光强度调节器用来调节流过LED的静态驱动电流，从而改变发光二极管的发 射光功率。设定的静态驱动电流调节范围为020毫安，对应面板上的光发送强度驱动显示 值为02000单位。正弦调制信号经电容、电阻网络及运放跟随隔离后耦合到放大环节，与 发光二极管静态驱动电流迭加后使发光二极管发送随正弦波调制信号变化的光信号，如图7 所示，变化的光信号可用于测定光敏电阻的频
8、率响应特性。图6.发送光的设定驱动和调制电路框图。A/注入电流图7. LED发光二极管的正弦信号调制原理3. 光敏电阻的应用方式光敏电阻可以有各种应用方式，图（8）所示光敏电阻以一个电阻R1串取，R1固定不变，当 光照增加时，光敏电阻Rm减小，更多的电流流过R1两端，输出电压增加，图（9）所示光敏 电阻用于可变频率振荡器，振荡器频率依赖于入射光强度。当光增加，Rm减小，振荡器频 率增加f = 1R c。图（10）所示光敏电阻作为一放大倍数可变的增益电阻。当入射光强改变时，Rm变化，输出电压Vo改变，VJ的值为V = R Rom图（11）所示光敏电阻用于发光管的控制。当入射光强改变时，Rm变化，
9、改变灯的状态。图 10妄 15|图 11四、实验内容与步骤:1 .光敏电阻与输入光信号强度关系特性测定：（未加调制信号时）（1）光敏电阻分压器：打开仪器电源，将调制信号通断开关打到断，如图8所示将光敏电阻接到面板上光敏电阻分压器的R位置。调节发光二极管静态驱动电流（即光源驱动电流电位器），其调节范围 m为020mA，将R的两端接直流电压表，把直流电压表的切换开关打到外测。测定光敏电阻 1分压器与输入光强的关系。记录数据并做出其关系曲线图。(2) 光敏电阻特性测试：将光敏电阻输出端连接到图10所示电路位置，调节发光二极管静态驱动电流(即光源驱 动电流电位器)，其调节范围为020mA，将运放的输出
10、端连接到数字电压表头的输入端，测 定光敏电阻阻值与输入光信号关系。记录数据并在方格纸做出关系特性曲线。(3) 光敏电阻可控振荡器：将光敏电阻输出端连接到图9所示的R位置，把调制信号通断开关打到断，将振荡器输 m出端连接到示波器，从020mA调节发光二极管静态驱动电流，实验测定光敏电阻振荡器输 出频率随输入光强变化的关系曲线。(4) 光敏电阻的光控特性：将光敏电阻的输出接到图11所示的R位置，调节光源驱动电流电位器，可看到驱动电流 m超过某一大小后发光二极管就会被点亮.记录此时的电流值。2.光敏电阻的频率响应：将调制信号通断开关打到开，把光源驱动电流分别设置为5mA和10mA，在信号输入端加 正弦调制信号，使LED发送调制的光信号，保持输入正弦信号的幅度不变，调节信号发生器 频率，重复上述各实验。五、思考题：1 .光敏电阻的值为何与入射光波长有关？2.试分析温度变化对光敏电阻的特性会有哪些影响。六、实验报告要求：试分析光敏电阻光控开关开和关时的输入光强值是否一样，为什么要这样做？
