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光敏电阻的主要参数特性和工作原理介绍

1287 2022-03-24 来源: IC先生 作者: IC先生

光敏电阻分为三种,是在半导体光敏材料的两端安装电极引线,并封装在带透明窗的管壳内形成的,主要分为三类,即紫外光敏电阻、红外光敏电阻、可见光光敏电阻。、

光敏电阻的概念

光敏电阻又称光敏电阻(简称LDR)或光电导体,是用硫化镉或硒化镉等半导体材料制成的特殊电阻器。常用的材料有硫化镉、硒、硫化铝、硫化铅、硫化铋。这些制造材料具有在特定波长的光照射下电阻值迅速降低的特性。这是因为光产生的载流子都参与了传导,在外加电场的作用下进行了漂移运动。电子向电源正极移动,空穴向电源负极移动,使光敏电阻的阻值迅速下降。

光敏电阻是由硫化或硒化间隔物等半导体材料制成的特殊电阻器  ,其工作原理是基于内部光电效应。光线越强,电阻值越低。随着光照强度的增加,电阻值迅速下降,亮电阻值可小至1KΩ以下。光敏电阻对光非常敏感。无光时,光敏电阻处于高阻状态,暗阻一般可达1.5MΩ。 

光敏电阻是利用半导体的光电导效应,根据入射光的强度改变其电阻值而制成的一种电阻器。也称为光电导探测器;入射光强度降低,电阻降低;入射光弱,电阻增大。还有另一种光敏电阻。当入射光较弱时,电阻减小;入射光强,电阻增大。

光敏电阻一般用于光测量、光控制和光电转换(将光的变化转换为电的变化)。常用的光敏电阻是硫化镉光敏电阻,由半导体材料制成。光敏电阻对光的敏感度(即其光谱特性)非常接近人眼对可见光(0.4~0.76)μm的响应。在设计光控电路时,采用白炽灯泡(小电珠)的光或自然光作为控制光源,大大简化了设计。

光敏电阻

光敏电阻的规格

一般将光敏电阻制成片状结构,以吸收更多的光能。受光照射时,在半导体晶片(感光层)中激发出电子-空穴对,参与导通,增加电路中的电流。为了获得高灵敏度,光敏电阻的电极常采用梳状图案,它是在一定的掩膜下,将金或铟等金属蒸镀在光电导膜上而形成的。一般光敏电阻的结构如下图所示。

光敏电阻通常由感光层、玻璃基板(或树脂防潮膜)和电极组成。光敏电阻在电路中用字母“R”或“RL”、“RG”表示。

光敏电阻由硫化镉 (CdS) 制成。分为环氧树脂封装和金属封装,均为线型(DIP型)。环氧封装光敏电阻根据陶瓷基板直径分为Ø3mm、Ø4mm、Ø5mm、Ø7mm、Ø11mm、Ø12mm、Ø20mm、Ø25mm。

光敏电阻的规格

光敏电阻的参数和特性

根据光谱特性,光敏电阻可分为紫外光敏电阻、红外光敏电阻和可见光光敏电阻。

一 、主要参数

  1. 光电流和光敏电阻;在一定的外加电压下,光照时流过的电流称为光电流,外加电压与光电流的比值称为亮电阻,通常用“100LX”表示。
  2. 暗电流和暗电阻在一定的外加电压下,光敏电阻在没有光的情况下称为暗电流。外加电压与暗电流之比称为暗电阻,通常用“0LX”表示(用照度计测量光强,单位为lax lx)。
  3. 灵敏度灵敏度是指光敏电阻不被光照时电阻值(暗电阻)与光照时电阻值(亮电阻)的相对变化。
  4. 光谱响应光谱响应也称为光谱灵敏度,是指光敏电阻在不同波长的单色光照射下的灵敏度。如果绘制不同波长的灵敏度,则可以得到光谱响应曲线。
  5. 光照特性照度特性是指光敏电阻输出的电信号随照度变化的特性。从光敏电阻的光特性曲线可以看出,随着光强的增加,光敏电阻的阻值开始迅速下降。如果光强进一步增加,电阻值的变化会减小,然后逐渐变平缓。
  6. 伏安特性曲线在一定光照条件下,施加在光敏电阻两端的电压和电流之间的关系称为伏安特性。在给定的偏置下,光强越大,光电流越大。在一定光强下,外加电压越大,光电流越大。但是,电压不能无限增加,因为任何光敏电阻都受到额定功率、最大工作电压和额定电流的限制。超过最大工作电压和最大额定电流可能会对光敏电阻造成永久性损坏。
  7. 温度系数光敏电阻的光电效应受温度影响很大。一些光敏电阻在低温下具有较高的光电灵敏度,但在高温下灵敏度较低。
  8. 额定功率额定功率是指光敏电阻在某条线路上所能消耗的功率。当温度升高时,它消耗的功率会减少。
二、主要特性

当光敏电阻受到脉冲光照射时,光电流需要一段时间才能达到稳定值。光停止后,光电流不是立即为零,这是光敏电阻的延时特性。

另外,由于不同材料的光敏性和电阻延迟特性不同,它们的频率特性也不同。硫化铅的使用频率远高于硫化镉,但大多数光敏电阻的延迟都比较大,因此不能用于需要快速响应的应用中。

光敏电阻的原理

工作原理

光敏电阻的工作原理是基于内部光电效应。光敏电阻是在半导体光敏材料的两端安装电极引线,并封装在带透明窗的管壳内形成的。为了增加灵敏度,常将两个电极做成梳状。制作光敏电阻的材料主要是半导体如金属硫化物、硒化物和碲化物。采用涂布、喷涂、烧结等方法,在绝缘基板上制作非常薄的光敏电阻和梳状欧姆电极。引线连接并密封在带有透光镜的密封外壳中,以防止其灵敏度受潮影响。

当入射光消失后,光子激发产生的电子-空穴对会重新结合,光敏电阻的阻值会恢复到原来的值。当对光敏电阻两端的金属电极施加电压时,就会有电流通过。当光敏电阻受到一定波长的光照射时,电流会随着光强的增加而增加,从而实现光电转换。光敏电阻没有极性,是纯粹的电阻器件。它可以与直流电压和交流电压一起使用。半导体的电导率取决于半导体导带中载流子的数量。

光敏电阻原理图

结构原理

光敏电阻是由硫化或硒化半导体材料制成的特殊电阻器。表面还涂有防潮树脂,具有光电导作用。光敏电阻的工作原理是基于内部光电效应,即电极引线安装在半导体光敏材料的两端,将光敏电阻封装在有透明窗口的管壳内形成光敏电阻。为了增加灵敏度,两个电极通常是梳状的。

半导体的电导率取决于半导体导带中载流子的数量。当光敏电阻被照射时,价带中的电子吸收光子能量,然后跃迁到导带,成为自由电子。同时,也会产生孔洞。电子-空穴对的出现使电阻率变小。光线越强,光生电子空穴对越多,电阻值越低。当在光敏电阻两端施加电压时,流过光敏电阻的电流随着光的增加而增加。入射光消失,电子-空穴对逐渐复合,电阻逐渐恢复到原来的值,电流逐渐减小。

光敏电阻对光非常敏感。无光时,光敏电阻处于高阻状态,暗阻一般可达1.5MΩ。当有光时,材料中的自由电子和空穴被激发,其电阻值降低。随着光照强度的增加,电阻值迅速下降,亮电阻值可小至1KΩ以下。

光敏电阻的发光特性在大多数情况下是非线性的,仅在很小的范围内呈线性,光敏电阻的阻值具有较大的色散(电阻变化,大范围的不规则性)。

光敏电阻的灵敏度是指光敏电阻在不曝光时的电阻值(暗电阻)与曝光时电阻值(亮电阻)的相对变化。光敏电阻的暗阻与光阻之比约为1500:1。暗阻越大越好。对光敏电阻施加直流或交流偏置电压。MG光敏电阻适用于可见光。主要用于各种自动控制电路、光电计数、光电跟踪、光控电灯、照相机自动曝光、彩电自动亮度控制电路。

光敏电阻的分类

按半导体材料分,可以分为本征光敏电阻、掺杂光敏电阻。后者性能稳定,特性好,所以使用较多。

根据光敏电阻的光谱特性,可分为三种光敏电阻:

  1. 紫外光敏电阻:对紫外光比较敏感,包括硫化镉、硒化镉光敏电阻等。 
  2. 红外光敏电阻:主要是硫化铅、碲化铅、硒化铅。锑化铟等光敏电阻广泛应用于导弹制导、天文探测、非接触测量、人体病变探测、红外光谱、红外通讯等国防、科研、工农业生产等领域。
  3. 可见光光敏电阻:包括硒、硫化镉、硒化镉、碲化镉、砷化镓、硅、锗、硫化锌等光敏电阻。主要应用于各种光电控制系统,如出入口的光电自动启闭,导航灯、路灯等照明系统的自动开关,自动供水和自动停水装置,机械自动保护装置,及“位置探测器”、摄像头自动曝光装置、光电计数器、烟雾报警器、光电跟踪系统等。

光敏电阻的主要应用

光敏电阻是一种半导体光敏器件。除了灵敏度高、响应速度快、光谱特性好、r值一致性好外,在高温高湿的恶劣环境下也能保持高稳定性和可靠性,可广泛应用于相机、太阳能庭院灯、草坪灯、验钞机、石英钟、音乐杯、礼品盒、迷你夜灯、光声控制开关、路灯自动开关及各种光控玩具、光控灯饰、灯具等灯光自动开关控制领域。下面列出几个典型的应用电路。

1. 调光电路

典型的光控调光电路:

典型的光控调光电路

上图是典型的光控调光电路。它的工作原理是当周围光线变弱时,光敏电阻的阻值增大,使加在电容C上的分压升高,从而达到提高灯两端电压的目的。反之,如果周围光线变亮,RG的阻值就会减小,从而导致晶闸管的导通角减小,同时灯管两端的电压也会减小。

注意:上述电路中给出的整流桥必须是直流脉动电压,不能通过电容滤波成平滑的直流电压。

2. 电灯开关

以光敏电阻为核心元件的继电器控制输出的光控开关电路有多种形式,如自锁明激发、暗激发、精密光激发、暗激发等。下面给出几个典型的电路。

 简单的暗励继电器开关电路

上图是一个简单的暗励磁继电器开关电路。它的工作原理是:当照度下降到设定值时,由于光敏电阻的阻值上升,VT1导通,VT2励磁电流使继电器工作,常开触点闭合,常闭触点被打开以实现外部电路控制。

3、精密暗励延时继电器开关电路

精密暗励延时继电器开关电路

上图为精密暗励延时继电器开关电路。其工作原理是当照度下降到设定值时,由于光敏电阻的阻值升高,运放IC的反相端电位升高,其输出激励VT导通。VT励磁电流使继电器工作,常开触点闭合。常闭触点打开,实现对外部电路的控制。

光敏电阻的优点和缺点

1、主要优势

  • 内部光电效应与电极无关(仅与光电二极管有关),即可以使用直流电源;
  • 灵敏度与半导体材料和入射光的波长有关;
  • 环氧树脂涂层,可靠性好,体积小,灵敏度小,响应快,光谱特性好。
2、主要缺点

  • 强光下光电转换线性度差;
  • 光电弛豫过程较长。也就是说,在光照后,半导体的光电导随着光照时间逐渐升高,经过一段时间后达到稳态值。停光后,光电导率逐渐降低;
  • 频率响应(设备检测快速变化的光信号的能力)很低;
  • 受温度影响大,响应速度不快。在ms和s之间,延迟时间受入射光的光强影响(光电二极管没有这个缺点,光电二极管的灵敏度比光敏电阻高)。

总结

光敏电阻是一种重要的光电转换元件,随着电子信息技术的飞速发展和电子元器件性能要求的不断提高,光敏电阻生产的自动化将大大提高产业化的发展。

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