学 号
实验报告
光敏电阻光控灯系统实验
学院名称
仪器科学与光电工程学院
学生姓名
卞海洋
目录
TOC \h \z \t "样式1,3,！！！！！！！！！,1" 一、实验目的 2
二、实验器材 2
三、实验原理 2
四、实验步骤 5
五、实验思考 9
六、参考书目 11
一、实验目的了解光敏电阻工作原理及特性；
了解发光二极管工作原理及特性；
了解运算放大器LM358的工作原理和使用方法；
了解光敏电阻光控灯系统工作原理。
二、实验器材
1、MXY9001光电技术创新综合实训平台；
2、MXY9001-光控灯和光控开关系统组件；
3、MXY9001-太阳能充电可搭建组件（用可变电阻器W205）；
4、光源实验装置2个、光电探测装置1个；
5、发光二极管2个；
6、光敏电阻1个；
7、滑块3个；
8、支杆3个；
9、数字万用表1个；
10、连接线若干。
三、实验原理
3.1光敏电阻工作原理
光敏电阻的工作原理是基于内光电效应，在 \t "/_blank"半导体光敏材料两端装上电极引线，将其封装在带有透明窗的管壳里就构成光敏电阻，为了增加灵敏度，两电极常做成梳状。用于制造光敏电阻的材料主要是金属的硫化物、硒化物和碲化物等半导体。通常采用涂敷、喷涂、烧结等方法在绝缘衬底上制作很薄的光敏电阻体及梳状欧姆电极，接出引线，封装在具有透光镜的密封壳体内，以免受潮影响其 \t "/_blank"灵敏度。
光敏电阻具有在特定波长的光照射下，阻值迅速减小的特性。这是由于光照产生的载流子都参与导电，在外加电场的作用下作漂移运动，电子奔向电源的正极，空穴奔向电源的负极，从而使光敏电阻器的阻值迅速下降。入射光消失后光敏电阻的阻值也就恢复原值。在光敏电阻两端的 \t "/_blank"金属电极加上电压，其中便有电流通过，受到一定波长的光线照射时，电流就会随光强的增大而变大，从而实现光电转换。
光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时既可加 \t "/_blank"直流电压，也加 \t "/_blank"交流电压。
光敏电阻实物外形图和常用电路符号见图1。
图1光敏电阻实物及常用符号
3.2发光二极管（LED）工作原理
发光二极管，LED（Light Emitting Diode），是一种固态的 半导体器件，它是一种注入式电致发光器件，可以直接把电能转化为光能。LED的心脏是一个半导体的晶片，晶片的一端附着在一个支架上，是负极，另一端连接电源的正极，整个晶片被 环氧树脂封装起来。半导体晶片由两部分组成，一部分是P型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是N型半导体，在这边主要是电子。但这两种半导体连接起来的时候，它们之间就形成一个“P-N结”。当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子就会被推向P区，在P区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是LED发光的原理。光的波长决定光的颜色，是由形成P-N结的材料决定的，光的强弱与电流有关。
图2 发光二极管实物及常用符号
正向偏置电压的作用下流过发光二极管PN结的正向电流使注入到PN结内的载流子在P区复合发光，发光强度与电流成正比。
所谓LED的伏安特性，即是流过LED P-N结的电流随电压变化的特性。一根完整的伏安曲线包括正向特性与反向特性，它与普通二极管的伏安特性曲线大致相同。当二极管处于正向偏置时，正向电流随外加电压的增加而上升，但是在正向电压较小的部分，电流近似为零，且增加缓慢，这是由于外加电压还不足以克服PN结内电场对多子运动的阻碍作用，这一段称为“死区”。只有当外加的正向电压大于死区电压后，正向电流才随电压的增加而迅速增大，二极管发光，进入完全工作区。
UI
U
I
图 3发光二极管的伏安特性曲线
图4某发光二极管的伏安特性曲线测试
3.3 LM358工作原理
LM358是双运算放大器。内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的 \t "/_blank"双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。
图5LM358
主要参数如下：
供电电压（Vcc）：单电源(3~30V)、双电源(±1.5V ~±15V)
单位增益带宽（Unity Gain Bandwidth）：0.7MHz
压摆率（Slew Rate）：0.3V/μs
等效输入噪声电压（Equivalent input noise voltage）：40nV/Hz
四、实验步骤
1、将光敏电阻插在光电探测装置的两端插孔中上，由于光敏电阻没有正负极之分，插上即可，如图6所示，再利用支杆和滑块将光电探测装置安装在平台导轨上，如图7所示；
图6光敏电阻安装图图7光电探测装置安装图
2、将发光二极管插在光源实验装置上，发光二极管管脚长的为正极，插在白色螺丝对应的插孔，短脚为负极，插在黑色螺钉对应的插孔，如图8所示。再利用支杆和滑块将光源装置安装在平台导轨上，如图9所示；在本实验中需要2组光源，一组用于模拟太阳光给光敏电阻提供光源，另一组用于模拟路灯的指示灯；因此要组装2套光源装置。
图8发光二极管安装图图9光源装置安装图
3、取出MXY9001-光控灯和光控开关系统组件和太阳能充电可搭建组件，分别插在实训平台的“电子器件”和“电容”器件区上方。按照图10原理图搭建电路，虚线框中的不用连线，如图7所示。（原理图中的W205在太阳能充电可搭建组件上，510Ω的电阻在实训平台的“电阻”器件区内）
--++
-
-
+
+
图10实验电路图
4、按照原理图检查电路，在保证没有错误的前提下接通实训平台电源；将光源装置（电路图中光源D2）与光电探测装置（光敏电阻R1）相对安放，将另一个光源装置（指示灯D1）单独安放，如图11所示。
图11系统装置布局
5、用小改锥调节光源D2电路中的滑动变阻器（W205），使光源D2逐渐变亮，光敏电阻阻值变小，LM358同相输入端的串联分压减小，LM358输出变小，指示灯逐渐变暗；反方向调滑动变阻器，使光源逐渐变暗，LM358同相输入端串联分压增大，LM358输出变大，指示灯逐渐变亮。观察现象。
数字万用表的使用见附录一。
进行参数测量。
单独测量光敏电阻在无光照射和环境光照射情况下的电阻值。
将发光二极管D2冲向测量者，用小改锥调节光源D2电路中的滑动变阻器（W205），滑动变阻器阻值从最大开始逐渐减小，使发光二极管D2由不亮逐渐变亮，测量发光二极管D2电路中的电流ID2（电流ID2可通过测量电阻R6的阻值及其两端的电压，利用公式I=U/R计算得到）和发光二极管D2两端的电压UD2。根据表1进行参数测量、计算，至少测量十二组数据。
表1 伏安特性测试数据表
R6（Ω）
510
UR6（mV）
1.2
2.2
2.3
2.8
3.3
5.9
96
240
1.5*103
2.06*103
ID2（mA）
=U R6/R6
0.0023
0.0043
0.0045
0.0055
0.0065
0.011
0.19
0.47
2.94
4.04
UD2（V）
2.45
2.48
2.47
2.48
2.49
2.51
2.63
2.69
2.91
2.98
数字万用表的使用见附录1。
将光源装置（电路图中光源D2）与光电探测装置（光敏电阻R1）相对安放，用小改锥调节光源D2电路中的滑动变阻器（W205），测量UD2分析光源的亮暗情况，观察指示灯D1的对应亮暗变化，测量计算光敏电阻阻值和流过指示灯的电流；测量运算放大器LM358的2、3和1端口的电压U2，U3和U1。
光敏电阻阻值可利用下式求得
根据表2进行参数测量、计算。
表2 系统不同工作状态下的参数测量表
指示灯D1状态
不亮
刚亮
微亮
亮
很亮
UD2（V）
2.52
2.50
2.50
2.49
2.42
UR2（V）
4.75
4.74
4.66
4.60
3.40
R2（kΩ）
820
820
820
820
820
R光敏（kΩ）
1.9*104
2.4*104
3*104
4*104
∞
UR5（V）
0
0.028*10-3
0.0001
0.041
0.12
R5（kΩ）
3.3*10-2
3.3*10-2
3.3*10-2
3.3*10-2
3.3*10-2
ID1（mA）
0
0.001
0.023
1.65
3.46
U2（V）
0.23
0.37
0.43
0.43
4.502
U3（V）
0.23
0.37
0.43
0.47
0.56
U1（V）
2.27
2.27
2.61
2.89
3.43
注意：电阻的测量不能将电阻连电路中测，要断开连接单独测。
关机与结束
将实验平台的电源关掉，再将所用的配件放回配件箱；请指导教师检查，批准后离开实验室。
五、实验思考
光敏电阻的工作原理和特性是什么？
光敏电阻的工作原理是基于内光电效应，在 \t "/_blank"半导体光敏材料两端装上电极引线，将其封装在带有透明窗的管壳里就构成光敏电阻。
它具有接受光照时，电阻减小的特性。
为什么要把光敏电阻的形状造成蛇形？
造成蛇形它的受光面积就会变大，增加了灵敏度。
发光二极管的原理是什么？使发光二极管工作的基本电路是什么样的？
原理：半导体晶片由两部分组成，一部分是P型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是N型半导体，在这边主要是电子。但这两种半导体连接起来的时候，它们之间就形成一个“P-N结”。当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子就会被推向P区，在P区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是LED发光的原理。
基本电路：当外加的正向电压大于死区电压后，正向电流随电压的增加而迅速增大，二极管发光，进入完全工作区。
所以基本电路是一个电压大于开启电压的电源，一个串联的保护电阻，和LED。
实验中发光二极管的伏安特性是什么样的？根据表1数据进行曲线绘制及分析，查找文献了解器件开启电压的计算方法，找出该器件的开启电压。查找发光二极管还有哪些特性？
IU图1为用matlab做出来的伏安特性曲线。纵坐标为电流(mA)，横坐标为电压（mV）
I
U
图1
想要知道开启电压，可以选择通过做出一组伏安特性曲线，从图表中直接读出开启电压。
如果一个发光二极管的两个管脚无法分辨长短，如何用万用表的欧姆档来分辨发光二极管两管脚的极性？
分别红黑表笔接两脚a,b,读数然后红黑表笔交换，读数，示数阻值无穷大的那次，黑表笔所接即为二极管的负极。
根据表2中UD2、R光敏和ID1的变化分析解释实验现象。
随着滑动变阻器的阻值改变，加在D2上的电压也随之改变，从而改变其亮度。光敏电阻感受其亮度变化，随着D2亮度变暗，光敏电阻的阻值变大，经过功率放大器，影响D1的电流，使其变大，所以D1的亮度增大。
根据表2中数据画出U1和U3的关系曲线。
U1
U1
U3
试通过对运算放大器LM358的1、2、3脚输出的测量值，结合相关参考资料的学习，总结管脚1和管脚3之间的关系。（选做）
通过上面图像，我们可以看出来，U1,U3,是一个成正比例的关系。
还有哪些方案可以实现光控灯（如利用其他光敏元件）？
使用光敏传感器比如光电管，根据伏安特性来设置功放就行了。
六、参考书目
光电技术，江月松，唐华，何云涛，北京航空航天大学出版社，2012
光电检测技术及应用，徐熙平，张宁编著，机械工业出版社，2012
光电传感器应用技术，王庆友，机械工业出版社，2014
光电检测技术，胡涛，赵勇，王琦，机械工业出版社，2014