光敏器件基础知识

光敏器件

周兴华

光敏器件包括光敏电阻、光敏二极管及光敏三极管等。光敏器件可以用来以可见光或红外光的形式控制报警器、测试仪、自动开关、继电器等多种装置或执行机构。因此光敏器件在自动化技术中起着极其重要的作用。

光敏电阻受光照后，其阻值会变小。光敏电阻的符号如图1所示，用来制作光敏电阻的典型材料有硫化镉(CdS)及硒化镉(CdSe)两种。光敏电阻的CdS或CdSe沉积膜面积越大，其受光照后的阻值变化也越大，故通常将沉积膜做成“弓”字形，以增大其面积。光敏电阻工作时的响应速度较慢，如CdSe光敏电阻的响应时间约为10ms，CdS的响应时间约为100ms。因此，光敏电阻通常都工作于直流或低频状态下。

光敏二极管是根据硅PN结受光照后产生的光电效应原理制成的，其符号如图2所示。光敏二极管工作于反向偏压下，其光谱响应特性主要由半导体材料中所掺的杂质所决定。光敏二极管的最大工作频率为几十MHz。

光敏三极管也是利用硅PN结的光电效应制成的。其符号如图3所示。光敏三极管使用时，其基极通常开路，基极－集电极产生的光感生电流直接馈入基极，并被光敏三极管自己所放大，因此光敏三极管的灵敏度比光敏二极管大得多，通常要大100多倍。光敏三极管的最大工作频率只有几百kHz。此外，还有用两个光敏三极管制成的达林顿式光敏三极管，这种器件的灵敏度又要比光敏三极管高十倍，但其最大工作频率更低，只有几十kHz。

光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管与人眼的感光特性曲线如图4所示。从图4中可见，CdS光敏电阻的特性与人眼最为接近，因此，CdS光敏电阻比较适合用于照相机曝光表、空气烟尘检测器等可见光装置。光敏二极管、三极管的最佳响应特性在红外区(但目前，有些日光型的光敏二极管、三极管的特性与人眼的视觉特性更趋接近)，因此，光敏二极管、三极管最适合用于红外遥控系统、红外光束阻断报警器等装置。

光敏电阻是一种无结元器件，因此工作时无极性。图5示出了用光敏电阻构成的简单光控开关电路。在黑暗状态下，光敏电阻R3具有高阻值，因此三极管VT1的基极偏置电压近乎为零，VT1截止，继电器J释放。当有足量的光线照在光敏电阻R3上时，其阻值下降，VT1的基极有偏置电压加入，VT1导通，继电器J吸合，其触点可用来控制其它电路。

图6所示的光控开关电路使用了VT1、VT2达林顿放大电路，因此灵敏度较高。该电路利用继电器触点的其中一组进行自锁，使每次光照后继电器J保持吸合状态不变。如果要解锁，必须再按复位键S1。R2用于光控灵敏度调节。

图5和图6所示的光控电路为光亮时继电器吸合控制，图7则示出了光暗控制的光控电路。电阻R1、R2及光敏电阻R3构成分压电路，当光线暗至一定程度时，VT1的基极电压上升至使VT1、VT2导通，继电器J吸合。R1用于动作灵敏度调节。

图5～图7所示的电路的光触发电平受电源电压及环境温度的影响较大。图8所示的电路为一种精密光亮光控电路，其工作不受电源电压及环境温度的影响。电阻R1、R2、R6及光敏电阻R5共同构成惠斯顿电桥的两个桥臂，运放IC1用做高灵敏电压比较器。常态时，调节R6使R5、R6的节点电压V1略低于R1、R2的节点电压V2，IC1则输出高电平，VT1截止，J释放；此后，若光亮稍有增加(甚至人眼都感觉不到)，则V1>V2，IC1翻转输出低电平，VT1导通，J吸合。

精密光暗光控电路如图9所示。由于通过R5引入了少量正反馈，因而在光线变化时电路动作就会稍稍滞后，以避免光线亮度处于临界状态时继电器频繁抖动。

光来阻断报警器如图10所示。光敏电阻R4被照射时，阻值较小，因此三极管VT1及单向可控硅SCR均截止；当光束被阻断时，VT1的基极电压上升，VT1、SCR导通，蜂鸣器BZ得电发声报警。S1为复位开关。按下S1后，电路停止报警。

光敏二极管工作时处于反向偏压下。图11和图12示出了其典型偏置方式。图11中光敏二极管受光照时VOUT电压下降，而图12中光敏二极管受光照时VOUT 电压则上升。

图13、14示出了光敏三极管的典型偏置方式，通常基极开路使用。图13

中光敏三极管受光照时VOUT电压下降，而图14中光敏三极管受光照时VOUT电压则上升。若将光敏三极管的基极接地(图15)，则相当于光敏二极管的工作方

式。如将光敏三极管的基极通过一个可调电阻接地(图16)，则可调节其灵敏度及最大频率响应。■