2.3 光敏电阻的变换电路

光敏电阻的阻值或电导随入射辐射量的变化而改变，因此，可以用光敏电阻将光学信息变换为电学信息。但是，电阻（或电导）值的变化信息不能直接被人们所接受，须将电阻（或电导）值的变化转变为电流或电压信号输出，完成这个转换工作的电路称为光敏电阻的偏置电路或变换电路。

1．基本偏置电路

最简单的偏置电路如图2-12所示。

设在某照度Ev下，光敏电阻的阻值为R，电导为g，则流过偏置电阻RL的电流为

若用微变量表示，上式变为

而dR= -R2SgdEv，因此

在用微变量表示变化量时，设iL=dIL, ev=dEv，则上式变为

加在光敏电阻R上的电压

因此，光电流的微变量为

将式（2-22）代入式（2-21）得

由上式可以得到如图2-12（b）所示的光电流的微变等效电路。

偏置电阻RL两端的输出电压为

从式（2-24）可以看出，当电路参数确定后，输出电压信号与弱辐射入射辐射量（照度ev）成线性关系。

2．恒流电路

在简单偏置电路中，当RL≫R时，流过光敏电阻的电流基本不变，此时的偏置电路称为恒流电路。然而，光敏电阻自身的阻值已经很高，若再满足恒流偏置条件，就难以满足电路输出阻抗的要求，为此，可引入如图2-13所示的晶体管恒流偏置电路。

电路中稳压管VDW用于稳定晶体三极管的基极电压，即UB=UW，流过晶体三极管发射极的电流为

式中，UW为稳压二极管的稳压值，Ube为三极管发射结电压，在三极管处于放大状态时基本为恒定值，Re为固定电阻。因此，发射极的电流Ie为恒定电流。三极管在放大状态下集电极电流与发射极电流近似相等，所以流过光敏电阻的电流为恒流。

在晶体管恒流偏置电路中，输出电压为

对式（2-26）求微分得

由于Rp=1/gp, dRp=，而dgp=SgEv，因此dRp= ，将其代入式（2-27）得

或

显然，恒流偏置电路的电压灵敏度为

与光敏电阻阻值的平方成正比，与光电导灵敏度成正比。

3．恒压电路

在如图2-12所示的简单偏置电路中，若RL≪R，加在光敏电阻上的电压近似为电源电压Ubb，为不随入射辐射量变化的恒定电压，此时的偏置电路称为恒压偏置电路。显然，简单偏置电路很难构成恒压偏置电路。但是，利用晶体三极管很容易构成光敏电阻的恒压偏置电路。如图2-14所示为典型的光敏电阻恒压偏置电路。在图2-14中，处于放大工作状态的三极管VT的基极电压被稳压二极管VDW稳定在稳定值UW，而三极管发射极的电位UE=UW-Ube，处于放大状态的三极管的Ube近似为0.7 V，因此，当UW≫Ube时，UE≈UW。即加在光敏电阻R上的电压为恒定电压UW。

光敏电阻在恒压偏置电路的情况下，其输出的电流Ip与处于放大状态的三极管发射极电流Ie近似相等。因此，恒压偏置电路的输出电压为

对式（2-31）取微分，则得到输出电压的变化量为

式（2-32）说明恒压偏置电路的输出信号电压与光敏电阻的阻值R无关。这一特性在采用光敏电阻的测量仪器中特别重要，在更换光敏电阻时只要使光敏电阻的光电导灵敏度Sg保持不变，即可以保持输出信号电压不变。

4．举例

例2-1 在如图2-13所示的恒流偏置电路中，已知电源电压为12 V, Rb=820 Ω, Re=3.3 kΩ，三极管的放大倍率不小于80，稳压二极管的输出电压为4 V，光照度为40 lx时输出电压为6 V,80 lx时为8 V。设光敏电阻在30～100 lx之间的γ值不变。

试求：（1）输出电压为7 V时的照度。（2）该电路的电压灵敏度（V/ lx）。

解 根据图2-13所示的恒流偏置电路中所给的已知条件，流过稳压管VDW的电流

满足稳压二极管的工作条件。

当UW=4 V时，流过三极管发射极电阻的电流

以上所得为恒流偏置电路的基本工作状况。

（1）根据题目给定的在不同光照情况下输出电压的条件，可以得到不同光照下光敏电阻的阻值

将Re1与Re2的值代入式（2-3），得到光照度在40～80 lx时

输出电压为7V时光敏电阻的阻值应为

此时的光照度

可得

（2）电路的电压灵敏度为

例2-2 在如图2-14所示的恒压偏置电路中，已知VDW为2CW12型稳压二极管，其稳定电压值为6 V，设Rb=1 kΩ, Rc=510 Ω，三极管的电流放大倍数不小于80，电源电压Ubb=12 V。当CdS光敏电阻光敏面上的照度为150 lx时，恒压偏置电路的输出电压为10 V；照度为450 lx时，输出电压为8 V。试计算输出电压为9 V时的照度（设光敏电阻在500 ～100 lx的γ值不变）。照度为500 lx时的输出电压为多少？

解 分析电路可知，流过稳压二极管的电流满足2CW12的稳定工作条件，三极管的基极被稳定在6V。

光照度为150 lx时流过光敏电阻的电流及光敏电阻的阻值分别为

同样，照度为300 lx时，流过光敏电阻的电流与光敏电阻的阻值分别为

由于光敏电阻在500～100 lx间的γ值不变，因此可得

当输出电压为9V时，流过光敏电阻的电流及光敏电阻的阻值分别为

设输出电压为9 V时的入射照度为E3，则有

当然，由γ值的计算公式可以得到照度为500 lx时，R4=214 Ω, I4=24.7 mA。

而此时的输出电压

Uo=Ubb-I4R4=6.7（V）

即在500 lx的照度下恒压偏置电路的输出电压为6.7 V。