光敏电阻的结构原理及其应用研究

光敏电阻的结构原理及其应用研究

刘莉

（山东力明科技职业学院山东济南250116）

摘要：此文总体阐述了光敏电阻的概念、分类、结构原理、其典型应用电路的工作原理，以及在日常生活、自动控制与检测领域中的应用。

关键词：光电效应光敏电阻结构原理

一、光敏电阻的概念

当一定数值频率的光线照射到半导体表面时，半导体材料内一部分电子在吸收足够的能量后，会从价带迁移到导带，形成电子空穴对，从而使该材料的电导率发生显著变化，这种由于光照原因使得材料电导率发生变化的物理现象称之为光电导效应。

光敏电阻就是基于这种光电导效应的光敏元器件。常用的光敏电阻有硫化镉，它的电阻值能随着外界光线照射强弱的变化而变化：在无光照射时该元件呈高阻状态，而当有光照射时其电阻值会迅速减小。此类元件的主要参数有暗电阻、亮电阻、光电流；特点是光谱范围宽、工作电流大、可测量光强范围较宽、灵敏度高、偏置电压低而无极性。光敏电阻器件一般用于光线测量、光线控制和光电转换，广泛地应用于自动控制电路、家用电器智能管理及测量工具仪器中。

二、光敏电阻的结构原理

光敏电阻多是用硫化隔或硒化隔等半导体材料制做而成的特殊电阻器件，元件表面还涂有防潮树脂，具备光电导效应。光敏电阻的工作原理实际就上是基于光电导效应，于半导体光敏材料两端加装电极引线，用带有透明窗的管壳将其封装起来，这就构成了光敏电阻。为增加器件灵敏度，两电极端通常做成梳状。

半导体器件的导电能力一般取决于半导体导带内流动载流子数目的多少。当光敏电阻遇到光线照射时，价带区域中的电子便会吸收光子能量后跃迁到导带区域，从而变为自由电子，同时也会因电子的位置迁移产生了空穴。正是由于电子—空穴对的出现，使得器件的电阻率变小。光线照射愈强，因电子迁移而形成的电子—空穴对就越多，阻值就相应越低。当光敏电阻器件的两端施加电压后，流过光敏电阻的电子体积随光照强度增大而增大。入射光消失后，电子—空穴对会逐渐复合，电阻也逐渐恢复原始数值，流经电流也逐渐减小到一定数值。

光敏电阻对光线相当敏感：无光照时，会呈高阻状态，暗电阻一般可达到1.5MΩ；而当有光照时，材料中会激发出自由电子和空穴，其电阻值随之减小，同时，伴随着光照强度的逐渐升高，材料的电阻值迅速降低，亮电阻值可降低至1KΩ以下。

光敏材料电阻器的光照效应大多数情况下是非线性的，仅仅在很微小的“刻度”范围内呈线性规律，光敏类电阻器件的电阻值总体是有较大的离散性（电阻变化范围宽泛且无一定规律）。

光敏电阻器的灵敏度是指光敏电阻器件未受到光照时的电阻值（称为暗阻）和受到光照时电阻值（称为亮阻）的相对变化幅度。光敏电阻器件暗阻与亮阻之间电阻数值之比约为1500：1。作为分子，暗阻数值越大越好，以便于使用时可给其充分施加直流或交流偏压。其主要用途是在各种自动控制电路、光电计数系统、光电跟踪系统、光控电灯、照相机的自动暴光及彩色电视机的亮度自动控制电路等场合下。

三、光敏电阻的分类

大家根据光敏电阻的光谱特性，将光敏电阻器分成三类：

1、紫外光敏电阻器：对紫外线照射较灵敏，主要包括硫化镉、硒化镉等光敏电阻器，多用于探测紫外线。

2、红外光敏电阻器：主要由硫化铅、碲化铅、硒化铅、锑化铟等材质制成的光敏电阻器，广泛应用于导弹制导系统、宇宙天文探测系统、非接触测量系统、人体病变检测系统、红外光谱系统，红外线通信系统等国防建设、专题科学研究及工农业生产中。

3、可见光光敏电阻器：一般有硒、硫化镉、硒化镉、碲化镉、砷化镓、硅、锗、硫化锌等材质的光敏电阻器等。主要用在各种光电联动控制系统中，如光电自动开关门禁，航标灯、路灯和其它公共区域照明系统的自动点亮和熄灭，自动上水停水装置，机械上的自动防护装置和“方位检测器”，超薄零部件的厚度检测器，照相机所拍照片自动曝光程度的精确控制，光电计数器，烟雾烟感报警器，光电自动跟踪系统等多种场景下。

四、光敏电阻在各种应用领域的研究：

光敏电阻器件的非线性，离散性等显著特点或者说“缺点”，使其在具体应用于测量系统时需要经过复杂的非线性校正运算，才能使相关测量结果有实际参考意义。

光敏电阻一般灵敏度较高，电阻值变化区间大，让光照强度变化区间与光敏电阻值变化区间两部分都落在设计目标被控范围内，才能让相关系统受到光线这种媒介的触发，实现光控目的。

科学家大量针对性的研究表明，精密设计的光放大电路（晶体管放大、运算放大），可以用于模拟随动控制，数字开关控制。

当前，光敏电阻元器件已广泛应用于各种光控电路：如对灯光的多种控制、亮度调节等场景下，也可用之于光控开关中，如下为几个现实环境中几个典型应用的工作原理。

1、光敏电阻调光电路

光敏控制效果的实现分为模拟控制和数字控制两类情形，其中就有一种典型的模拟随动控制电路，其工作原理大致是这样的：当该部件周围光线变弱时，光照亮度的下降引起光敏电阻值的增加，施加在电容器件上的分压升高，进而使可控硅元器件的导通角增大，从而达到增大照明灯两端电压的目的。而相反的情况，若周围的光线变亮，则亮度的提升使光敏电阻值下降，可控硅元器件的导通角变小，照明灯两端施加电压随之下降，灯光变暗，从而实现对灯光照度的控制。

注意：电路设计时，整流桥部分输出出的必须是直流脉动电压，决不能将脉动电压经电容滤波成为平滑直流电压，否则整个电路将无法正常工作。究其原因就在于直流脉动电压既能给可控硅提供过零关断的基本触发条件，又可使电容的充电动作在每个半周从零开始，准确完成对可控硅的同步移相触发，达到光控效果。

2、光敏电阻式光控开关

光敏电阻式光控开关又名二态数字控制开关。以光敏电阻器件为核心元件的光控开关电路，具有继电器控制输出功能，这种光控开关应用有多种形式，像自锁亮激发、暗激发及精密亮激发、暗激发等，下面结合电路图，谈谈几种典型光控电路的工作原理。

（1）简单的暗激发光控开关

工作原理：当光照度下降到设置阈值时，由于光敏电阻阻值上升激发三极管VT1打通，三极管VT2的激励电流促使继电器开始工作，常开触点进入闭合状态，常闭触点呈现断开状态，从而实现对外电路的控制。

图2简单的暗激发光控开关

（2）精密的暗激发光控开关

精密的暗激发光控开关是一种精密的暗激发时滞继电器开关电路。

工作原理：当光照度下降到设置阈值时，由于光敏电阻阻值上升使运放集成器件IC的反相端电位值升高，其输出激发促使三极管导通，三极管的激励电流使继电器工作，常开触点进入闭合状态，常闭触点呈现断开状态，从而实现对外电路的控制。

图3精密的暗激发光控开关

五、光敏电阻的应用领域

光敏电阻归属于半导体光敏器件，除具有灵敏度高、响应速度快，光谱特性与r值一致性好等优点之外，即使在高温多湿的恶劣环境下，也能保持高度的稳定性和可靠性。

1、光敏电阻广泛应用于太阳能照明灯，草坪灯，验钞机，石英钟，音乐杯，礼品盒，迷你小夜灯，光声控开关，城市路灯自动开关以及各种光控玩具，光控灯饰，霓虹灯具等光自动开关控制领域。

2、大范围应用于自动控制系统和检测系统中。如航海航标灯、铁路信号灯、城市各干线道路路灯以及其它照明系统的自动点亮和熄灭。这主要是在开关线路中的应用，光敏电阻的阻值随光照的变化幅度越大越好，即电阻变化倍数要高，时间系数要小。

3、用于光电计数器，相关物理机械上的“位置检测器”和自动保护装置，水龙头的自动出水和人离开后自动停水装置，光电电位器，像机的自动曝光装置等。

参考文献：

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［3］杨东，轩克辉，董雪峰．光敏电阻的特性及应用研究［Ｊ］．齐鲁工业大学学报，２０１３（２）：４９－５２．

[4]王毅峰,温希东.基于CAN总线的智能控制器的设计［Ｊ］.仪表技术与传感器,2006(4):32-34.