自动调节亮度台灯设计文档格式.docx
《自动调节亮度台灯设计文档格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《自动调节亮度台灯设计文档格式.docx（18页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
选用R2的阻值应使台灯处在“光控”位置，到黑夜时亮度适。
由此可以看出，光敏电阻是光控台灯中的核心元件，要了解光控台灯必须先要对光敏电阻的相关知道做深一步的了解。
2光敏电阻的相关知识
2.1光敏电阻的基本概况
2.1.1光敏电阻的工作原理
光敏电阻器（photovaristor）又叫光感电阻，是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器；
入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。
光敏电阻器一般用于光的测量、光的控制和光电转换（将光的变化转换为电的变化）。
通常，光敏电阻器都制成薄片结构，以便吸收更多的光能。
当它受到光的照射时，半导体片（光敏层）内就激发出电子—空穴对，参与导电，使电路中电流增强。
一般光敏电阻器结构如图所示。
图2-1光敏电阻器
2.1.2光敏电阻的分类
根据光敏电阻的光谱特性，可分为三种光敏电阻器：
紫外光敏电阻器：
对紫外线较灵敏，包括硫化镉、硒化镉光敏电阻器等，用于探测紫外线。
红外光敏电阻器：
主要有硫化铅、碲化铅、硒化铅。
锑化铟等光敏电阻器，广泛用于导弹制导、天文探测、非接触测量、人体病变探测、红外光谱，红外通信等国防、科学研究和工农业生产中。
可见光光敏电阻器：
包括硒、硫化镉、硒化镉、碲化镉、砷化镓、硅、锗、硫化锌光敏电阻器等。
主要用于各种光电控制系统，如光电自动开关门户，航标灯、路灯和其他照明系统的自动亮灭，自动给水和自动停水装置，机械上的自动保护装置和“位置检测器”，极薄零件的厚度检测器，照相机自动曝光装置，光电计数器，烟雾报警器，光电跟踪系统等方面。
2.1.3光敏电阻的主要参数
光敏电阻的主要参数有亮电阻，暗电阻，光电特性光谱特性，频率特性，温度特性。
在光敏电阻两端的金属电极之间加上电压，其中便有电流通过，受到适当波长的光线照射时，电流就会随光强的增加而变大，从而实现光电转换。
没有极性，纯粹是个电阻期间，使用时可加直流也可以加交流
2.1.4光敏电阻的制作材料和制作原理
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，然后接出引线，封装在具有透光镜的密封壳体内，以免受潮影响其灵敏度。
光敏电阻的原理结构如图所示。
在黑暗环境里，它的电阻值很高，当受到光照时，只要光子能量大于半导体材料的禁带宽度，则价带中的电子吸收一个光子的能量后可跃迁到导带，并在价带中产生一个带正电荷的空穴，这种由光照产生的电子—空穴对增加了半导体材料中载流子的数目，使其电阻率变小，从而造成光敏电阻阻值下降。
光照愈强，阻值愈低。
入射光消失后，由光子激发产生的电子—空穴对将逐渐复合，光敏电阻的阻值也就逐渐恢复原值。
图2-2光敏电阻器
2.1.5光敏电阻的特性
图2-3cds图片
光敏电阻器以硫化隔制成，所以简称为CDS，通常使用热压结晶体之光电传导零件，其特性有：
1）光传导零件之特性:
CDS之相对灵敏度与照射光线之灵敏度有关，波长从5500至6500A（1A=1．10-8cm）之间有最大的灵敏度。
2照度特性：
在同样之电压下，照度愈强，光电流愈大，亦即是电阻愈小，适当的添加杂质，便能使照度在小1~1000lux范围内保持与光电时间的直线关系。
3时间响应特性:
光照射到度件，光电流达到正常值之63%的时间，称为"
上升时间"
，反之一，将光遮断，而光电流减少为原来的63%之时间，则叫做"
衰弱时间"
。
一般其值为10毫秒至数秒，若置于黑暗的时间较短而有照度愈强，向应时间就有愈短之倾向，此外，负载电阻增大，则上升时间就变短而衰弱时间就变长。
4）温度特性:
CDS之禁带宽度高达2.4eV（eV为电子伏特），故可以在-20°
C～70°
C之范围内工作，当温度上升，光灵敏度减少，在低照度时特别显著
2.1.6光敏电阻CDS之符号
图2-4CDS的符号
2.1.7光敏电阻光谱图
图2-5光敏电阻光谱图
2.1.8光敏电阻特性曲线
图2-6光敏电阻特性曲线
2.1.9光敏电阻的优缺点
优点:
光谱响应相当宽;
光敏电阻的灵敏域可在紫外区，可见光区，也可在红外区和远红外区;
所测的光强范围宽;
使用方便，成本低，稳定性高，寿命长;
灵敏度高，工作电流大，可达数毫安。
缺点：
在强光照射下线性较差，频率特性也较差。
多数是非线性的。
不宜做线性测量元件，一般用做开关式的光电转换器。
2.2光敏电阻的检测
用一黑纸片将光敏电阻的透光窗口遮住，此时万用表的指针基本保持不动，阻值接近无穷大。
此值越大说明光敏电阻性能越好。
若此值很小或接近为零，说明光敏电阻已烧穿损坏，不能再继续使用。
将一光源对准光敏电阻的透光窗口，此时万用表的指针应有较大幅度的摆动，阻值明显减些此值越小说明光敏电阻性能越好。
若此值很大甚至无穷大，表明光敏电阻内部开路损坏，也不能再继续使用。
将光敏电阻透光窗口对准入射光线，用小黑纸片在光敏电阻的遮光窗上部晃动，使其间断受光，此时万用表指针应随黑纸片的晃动而左右摆动。
如果万用表指针始终停在某一位置不随纸片晃动而摆动，说明光敏电阻的光敏材料已经损坏生产和使用。
2.3光敏电阻的市场发展
光敏电阻市场的低价竞争愈演愈列，正规小作坊鱼龙混杂，整个市场秩序乱七八糟。
业界有识之士痛心疾首。
本文让大家尽量了解光敏电阻，以便于大家在使用时能选择到正规的产品。
打个比喻，光敏电阻就像一个人，人有正常人和残疾人之分，很多正常人的工作残疾人是完成不了的。
更何况残疾人残疾的部位不同呢。
CDS光敏电阻已经是一种成熟的传感器。
从上个世纪，前半叶诞生到今天得到广泛的应用，经历了漫长的几十年。
工艺在日本、美国和德国得到发展，生产在中国得到扩大，光控产品在欧美得到广泛使用。
其过程既漫长又短暂。
漫长的是从开发到广泛应用历时太长，短暂的是光控产品进入和千家万户仅仅两三个年头。
不过，可以预言，在未来的生活中，光控产品将永远陪伴我们。
过去，人们曾经把光敏电阻称为“电眼”，可以想象，光敏电阻一定是一个高科技产品。
因为光敏电阻能判断出光线的强弱变化，能够利用眼睛的功能指挥电路按光照的变化去工作，所以，对高科技之说，我没有一点的不安。
光敏电阻首先是一个电阻，只是它的阻值不是固定的，它会随着光照的强弱变化而变化：
光照强，光敏电阻的阻值就小；
光照弱，光敏电阻的阻值就大。
根据这个特点，人们制造出了形形色色的光控产品。
比如白天自锁夜晚开启的光控开关、月光小夜灯，白天充电晚上亮灯的太阳能草坪灯、自动光控玩具，以及自动测光的傻瓜相机、自动调节亮度的电视机、感光的验钞机等等。
今后，在手机，电脑等有背光的产品上也会得到广泛的应用。
这些一改当时发明者主要为了测光而制造的初衷。
成为应用领域广泛的最贴近人们生活的传感器之一。
随着应用领域的发展，光敏电阻自身也会逐渐向贴片过度。
在使用中，光敏电阻体现了以下特点：
一是灵敏度高，二是稳定性好。
实际上，用户除了对以上两点有要求外，还有要求一致性好。
为了便于讨论，我们首先对光敏电阻的几个术语作简单解释：
亮电阻：
亮电阻是指在400-600LUX光照2小时后，在10LUX照度下，用A光源（恒定电压，色温为2853K）测出的电阻值。
暗电阻：
关闭10LUX光照后，该电阻第十秒钟时的电阻值。
γ γ是指10LUX光照度和100LUX照度下电阻值的倍率。
γ=1g（R10/R100）/1g（100/10）
R10、R100分别为10LUX、100LUX照度下电阻值。
γ的公差为±
0.1 现实中，观察任何一家的参数表你都会发现这样一个问题，那就是人们对光敏电阻分档时都只能给每一个型号一个范围。
例如：
GM5537，其亮电阻是在10LUX照度下阻值为16-50k，在细看暗电阻为>
2M，γ为0.7±
0.1。
基本要求一定，这就为我们判定光敏电阻是否正品提供了依据，也就是说，任何一个参数不符合一定的要求，他们都不符合GM5537的标准，同时也划不到相邻的两个型号，这是我们就可以判定为废品或副品，光敏电阻的生产看似简单，实际上，要想做好还真不容易。
光敏电阻的生产有很多工序，要求非常苛刻，比如原材料的使用，除对原材料本身要求很高外，使用前的处理也很讲究，基片要通过高温去腊，并且用高质量的去离子水反复清洗，引线要用丙酮和乙醇反复处理，去掉油污和角质层。
生产车间要求很高的洁净度，温度以及干燥度。
可说，不是任何人都能从事这个产业的。
当然，现在很多人都在生产光敏电阻，不过环境条件满足生产要求的实在不多。
考察一个工厂，你首先要看的不是其办公条件的好坏，看车间的卫生条件，设备的完善程度，空气调节器的使用情况，除湿设备的运行等才是最重要的。
在生产上，最重要的是烧结，光敏电阻对烧结要求很严格，烧结温度的高低，烧结时间的长短，使用的保护性气体的纯度和气量度严重影响光敏电阻的质量。
我相信，给你一台烧结炉，你就能烧出光敏电阻的片子来，但是我断定你保证不了产品的稳定性，也保证不了一致性。
实际上，很多小厂生产的光敏电子大多都是废品或付品，它只能保证一两个参数，而不能保证所有的参数都达到标准，并且也根本保证不了产品的稳定性。
在产品的使用中，有很多参数，用户无法马上判断好坏，不过你可以在参观工厂时了解其真实的技术支持和综合设备能力。
光敏电阻的电极是通过真空镀膜实现的。
真空镀膜是一个关键工序，一台真空镀膜机的生产能力很有限，以500C的真空镀膜机为例：
24小时不停也只能生产数万只光敏电阻。
要想再提高产量，只有降低真空度标准，或者增加烧结片的摆放量甚至采用更极端的措施，不过这些都是不足取的，因为这样会象眼睛里眯进了灰尘一样，破坏眼睛的功能。
这就象江湖牙医一样，抹点药水很轻松的就把牙拔下来了，可在正规医院里医生拔牙是很痛苦的，难道说正规医院的医生很笨吗？
原来江湖医生的拔牙方法对人的口腔是有害的。
所以，光敏电阻的生产也一样不能走“捷径”。
正规的企业都热衷于搞自动化，因为自动化能提高劳动效率，也能提高产品的一致性，光敏电阻的装配如果也搞自动化，一样能提高劳动效率并提高产品的一致性，靠人工组装很难保证引线的深浅和松紧。
测试分档是光敏电阻生产的一个重要工序。
手工分档速度很慢，一次只测一个参数，信利佳公司与科研部门合作，制造出了电脑控制的自动测试设备，只要12秒钟就能测出几十只光敏电阻的10LUX、100LUX、0LUX阻值，并计算出每只光敏电阻的γ值。
通过调查知道，市场上很多光敏电阻都没有对γ分档，比如10-20K的光敏电阻，如果在5LUX光照下测试，阻值会乱七八糟，在1LUX光照下测试更是大的大小的小，好的产品对r分过档，线性就很好，不管在什么照度下，都在一定范围内，在使用中保证了产品动作的一致性。
所以光敏电阻分档应该这样分：
５－１０
１０－２０
２０－５０
５０－８０
８０－１５０
0.9
５号箱
１０号箱
１５号箱
２０号箱
２５号箱
0.8
４号箱
９号箱
１４号箱
１９号箱
２４号箱
0.7
３号箱
８号箱
１３号箱
１８号箱
２３号箱
0.6
２号箱
７号箱
１２号箱
１７号箱
２２号箱
0.5
１号箱
６号箱
１１号箱
１６号箱
２１号箱
这样，每个亮阻范围内对r又细分五个档次，每个档次的一致性当然很好，如果只对亮电阻分类，而不对r分类会什么结果呢？
那会是有的灵敏度很高，有的灵敏度很低，在应用时会造成最终产品的启动不一致。
功欲善其事必先利其器，不借助火箭是升不上太空的。
2.4光敏电阻的商业价值
随着冬天的结束，白昼逐渐加长，光的威力开始清晰体现。
它的影响遍及所有事物和所有人：
植物努力生长以吸收尽可能多的阳光，人们也总是在阳光灿烂的日子里才心情舒畅。
所有小学生都明白这个道理：
光是生命之源，如从近紫外光中汲取能量而茁壮生长的热带珊瑚，还有那些在无雪覆盖的短暂时间里开花的北极植物。
对于各种植物，有机体响应的不仅是光的强度，而且还有光照中的频谱内容。
很多应用既要用到光照强度，也要求频谱内容，或者两者兼俱。
例如水族箱主人会尝试为鱼类合成自然光线，另外还有材料分析和宇宙探索这些科学研究。
在制造业中，通常会在自动分捡设备中使用颜色检测，而低级的光传感器则会出现在很多产品中，从安保照明到儿童玩具。
这些应用以及其它很多应用都要依赖于光电检测器，这是一个经常被忽视的市场，而现在它正受到消费电子的强劲推动，如手机和液晶电视。
由于消费者渴望在更小的外壳中装入越来越多的功能，光电检测器正在降低系统功耗方面扮演重要的角色，即有助于使耗电的LED背光适应周围的光照水平。
常用光电传感器的另一个增长中的领域是更广泛的照明业，这里对能效的需求影响着地球的生态健康。
还有更多复杂的装置可以用于分析光谱的RGB（红、绿、蓝）组成，并正逐步进入家居应用，如气氛照明控制等。
这些部件的高精度可以降低很多系统的成本，如工业自动化和医疗仪器。
那么，现在的产品设计师都能找到哪些光控器件，这些模拟部件与数字系统接口时应注意什么？
在考虑所有器件和接口方式以前，先来回顾一下有关光的基础知识以及光电检测的机理。
课本中说，光是材料中的原子"
由于热、化学或其它反应"
而释放能量的产物。
此外，电磁波谱的光波范围从大约3000nm的远红外到大约300nm的紫外，而人类只能感受从700nm~400nm之间一个较小窗口内的颜色。
虽然电磁波谱中的各个波长之间没有等级，但摄影师通常会对可见光作下述划分：
蓝色从400nm~500nm，绿色从500nm~600nm，而红色从600nm~700nm。
人眼对超出这个范围以外的波长几乎没有感受能力，根据彩色视觉的Young-Helmholtz理论，这是因为人眼视网膜上的三类圆锥感受器分别响应短、中、长波可见光。
这一理论亦解释了一个事实，即可以通过三原色（红、绿、蓝）的适当混合，合成任何颜色。
每个波长都有一个相关的能级，表示为电子伏特（eV），它对半导体的选择有直接影响。
不同的半导体材料有不同的eV带隙能量，它表示在限定且极有限光谱部分的峰值光敏度。
光的能级与检测的波长就决定了哪种材料最适合某种应用。
最重要的是，光电检测是一个量子过程，因为一个光子的能量与其波长成反比，对于确定量的入射光，每秒钟到达检测器的光子数量与光子的波长呈线性比例。
因此，一个检测器的量子效率会随着波长的增加而增加。
最新物理学理论认为，理想光电二极管（最常见的检测器类型）的响应度表示为，每瓦光输入功率的电输出安培数，是光子波长微米值的0.807倍：
Rideal=0.807lmmmA/mW
在实际应用中，在0.4mm~1mm区域内工作的硅光电二极管只有这个理想值的30%左右。
理想响应度与器件实际响应度之比就是量子效率（h），这个值在很多器件的数据表中都可以看到。
有件事可能大多数人都不记得了，那就是光电检测器的出现比硅时代要早几十年。
许多早期实验者利用了材料的光敏特性，用铜氧化物技术手工制造出了光电管。
具体工艺是将一块薄铜片的某个小局部加热至红炽，在铜片处在炽热状态时沉淀一滴强碱性溶液，然后将一根纯铜线按压在氧化区，构成第二个电极。
西门子公司最先制造出硒电池，它在一个带铂电极的云母基板上使用硒，硒电池是一种非常精致的光生伏打器件，电话发明人AlexanderGrahamBell早在1879年就将其用于光电通信连接的检测器。
由于构造一个简单光度计只需一支微安计，这种相当笨重而不太灵敏的检测器技术一直应用于相机曝光表中，直到20世纪70年代中期出现了所谓"
蓝光敏感"
的光电二极管。
后者有接近人眼的响应特性，能够制造出通过镜片测光的微型系统。
今天，一种传统技术正广泛使用在各种光控继电器应用中，如儿童玩具以及街道灯，这就是光敏电阻器（LDR），如其名所示，它是光致电阻，而不是光生伏打。
这种双端器件中通常含一层烧结的硫化镉（CdS）成份，经真空沉积在一个陶瓷基板上，并用光刻技术刻出形状。
封装形式可以有许多类型，从大批量成本低至0.10美元的薄漆膜封装，到每支数美元的密封的晶体管式金属外壳封装；
欧姆触点将其连接到引线。
这种传感器没有结点，它是一种体效应器件，即它的体电阻率会随着入射光强度的增加而成比例地减小。
理想情况下，元件电阻K的变化符合下式：
K=log（R1/R2）/log（E2/E1），其中R表示在光强度E时光电管的电阻值。
描述一支光电管电阻值的业界标准方法是使用一个钨丝灯泡，该灯泡发出光线的相关色温为2856°
K，数据表上经常把它叫做"
CIE标准光源A"
（CIE是国际色彩委员会的简称）。
CIE是一个参考组织，它涉及所有有关光线的问题，从街道灯、游泳池照明，直到色彩描绘的定义以及所有测量惯例等。
在自由空间中，2856°
K钨光源的输出可以与太阳大约5900°
K的黑体辐射相比较（在地球表面，由于存在二氧化碳、水蒸汽等大气成份，太阳光谱有吸收带，见图2-7）。
因为一个真正黑体辐射物的光谱输出只依赖于温度，钨灯的能量通常在可见光谱部分，且进入红外区域，因此它是一个很实用的近似体。
数据表中描述的是黑色条件下以及照明强度为一个以上勒克斯（lx）时的电阻值。
根据照度的国际标准测量方法，1勒（lx）代表每平方米面积上有1流明光通量，因此，这是某一表面上辐射能量的一种测量方式，在540E12Hz频率（或人眼响应中心的555nm）下的标准值为1.46mW。
与之作比较，普通室内照明强度通常在250勒~400勒，直射阳光超过100000勒。
商用LDR的动态范围可达好几倍，能适应从月光到日光的应用。
图2-7钨光源模拟黑体辐射
商用LDR在其量程的中点也具有良好的线性，它们的电阻特性使它们也很容易应用于分压电路。
它们还有低噪声、低失真以及无阶跃的响应特性，因而这些器件可以替代音响以及类似增益控制应用中的电位器。
Silonex等供应商的光阻式光电耦合器为这种快被遗忘的模拟控制概念提供了一个最新选择。
LDR的其它优点包括高灵敏度、基本类似于人眼的光谱响应等。
大多数器件的峰值响应都在约550nm处，但也可以调整基本材料的构成，在515nm~615nm区间提供严格定义的峰值，而在其中增加一根硒线可以将峰值灵敏度扩展至725nm（图2-8）。
但是，由于传感器的电阻依赖于其薄膜的微结构，所以一般已定条件下的电阻值覆盖范围的比率是3:
1，在允许的-40℃~+75℃工作温度范围内，温度系数性能为正数，约为+0.4%/℃。
这种材料的其它缺点还有响应时间慢，要数百毫秒才能稳定，以及记忆效应差，在高亮度下曝光后可能要数天以后才能恢复。
图2-8替代组合使silonex光敏电阻器的峰值响应覆盖范围从紫外到近红外
代表性的LDR供应商包括Hamamatsu、Perkin-Elmer、Silonex和TeslaBlatna。
例如，Perkin-Elmer获得广泛应用的VT935G采用了一个保护性的环氧涂层，以尽量降低家居照明这类良性环境下的成本。
它的暗阻超过1MΩ，三个亮光组在10lux时平均值跨越从18.5kΩ~40.5kΩ范围。
该公司亦提供各种光电管系列，采用密封的金属/玻璃外壳封装，包括TO-5、TO-8和TO-46外壳。
Silonex的NSL系列现有耐用的TO-5和TO-18封装，提供的暗/亮电阻响应在全照度下覆盖50Ω~20kΩ范围，在黑暗时则为100kΩ~880MΩ，都有几倍的动态范围。
该公司的NSL-21UV401适合用于火焰检测，它有一个石英窗口，能够传导短波波长，使该器件能够接收350nm的近紫外光，而挡住98%的可见光谱。
大多数器件的最大额定电压都在320V~600V之间，可以用于交流电，TeslaBlatna则比较特别，它提供的K2553和P2853系列器件可以承受1500V电压。
对一个典型的光控继电器应用而言，LDR与逻辑器件的接口不可能太简单，见图2-8，它显示了采用Perkin-ElmerVT90N2的最低成本消费类产品部分。
图2-9中，施密特触发器U1A将偏置电阻器R3和LDR之间接点上电平与自己的供电电压作连续对比，得出控制电源开关的触发器信号。
用电位器和一个限流电阻器代替R3以增加开关阈值控制，这种方法经常出现在控制卤素泛光灯的被动红外运动检测器上。
另一种评测环境光强度同时提供自动校验功能的方法是将偏置电阻器与LDR之间的结点连接到一个微控制器的ADC上。
在电池供电工作情况下，将LDR低侧连接到一个输出管脚而不是接地。
要读数时，控制软件将此低侧脚置为零电平，而在读后则立即返回高电平。
这样，只有在测量期间才有电流流过传感器。
这种方法通常要优于选择一个有极高工作电阻的LDR
升级会员 