光敏电阻和三极管制作光控开关的要点分析

光敏电阻和三极管制作光控开关的要点分析

姜薇

邢台市任泽区第一中学 055150

摘要：本文将基于现有高中教材中光敏电阻和三极管制作光控开关实验的不足，合理提出实验改进方法及要点，解决现有教材实验中存在的不足，并通过实验加深学生对“转换电路”作用的理解和认知，达成实验教学目标。

关键词：光敏电阻；三极管；光控开关；制作要点

前言：随着物联网、自动化、智能化等技术的快速发展和普及，如今社会对于传感器技术的重视也在持续提升。教育领域作为未来科学技术发展的基础，其也将传感器技术视作为重要教学内容。不过结合实际情况来看，很多传感器所输出的信号均相对较弱，想要对其进行充分利用，就需要冲突转换电路进行信号转换、放大处理。传感器作为高中物理的重要组成内容，由于学生电子电路相关知识能力较为薄弱，复杂的转换电路将会加大学生的学习难度。因此，为能够提高学生的学习效果，提出一种简化传感器工作电路将具有一定的现实意义。

一、现有高中教材管控开关实验中存在的不足

高中物理课程标准教科书人教版选修3-2中介绍了光敏开关的实验电路，具体电路构成如图1所示。

图1 高中物料教材管理开关电路示意图

此电路的基本原理是基于光敏电阻阻值水光照强度变化而变化的特性达成自动控制效果。若是在没有光照的环境下，光敏电阻R_G的阻值便会提升，此时斯密特触发器的输入端电平将会呈现为高电平（A），而输出端电平则会呈现为低电平（Y），Y侧的实际输出电压相对较高，促使执行机构运作，电路中的发光二极管点亮；若是当前环境存在光照，那么光敏电阻RG的阻值将会随着光照强度的提升而持续下降，此时斯密特触发器的输入端电平将会呈现为高端平（A），而输出端电平则会转换为高端平（Y），实际Y侧的输出电压相对较小，不会驱动执行机构运作，以至于电路中发光二极管不工作。

不过，上述电路中R_G和R1共同构成串联分压电路，但光敏电阻的阻值随着光照强度而持续变化时，其所转化的电压也在不断变化，变化后的电路信号将会传递给斯密特触发器，由斯密特触发器来实现电压控制效果。但斯密特触发器作为一种集成电路，其实际电路结构和工作原理均相对复杂，高中生电子电路相关知识较为薄弱，对其理解难度较大，想要提高学生对于此光控开关的理解效果，就需要教师进一步讲述斯密特触发器的工作原理及内部集成电路，其势必会加大学生的理解难度，不利于学生的快速理解和学习。

二、光敏电阻和三极管制作光控开关的要点

针对现有高中物理教材中光控开关的不足，笔者提出一种由开关三极管来替代斯密特触发器的光敏开关设计，此设计的实际电路如图2所示。

图2 基于光敏电阻和三极管的光控开关电路示意图

虽然学生同样没有接触过改进后电路中所采用的开关三极管，但相对于现有教材中光敏开关电路中所采用的斯密特触发器来说明，开关三极管的工作原理更加简单，所以采用开关三极管以后，不仅可以降低教师的教学难度，还可以提高学生的理解效果，更有利于实施光敏开关实验教学。

之所以会选用开关三极管作为替代电子元器件，主要原因在于开关三极管不仅具有电流转换、电流放大作用，而且还具有电路短路、接通等电子开关控制作用，是一种集电压导通、电流控制于一体的电子元器件，可以有效满足光控开关的实际制作要求，所以在综合分析研究后，最终采用了开关三极管作为替代电子元器件。

在图2中，电阻R₁和光敏电阻R_G虽然仍然会共同组成串联分压电路，并在实际应用过程中会将光敏电阻的阻值变化转化为电压变化，进而实现控制开关三极管电子通断效果。在没有光照的情况下，由于光敏电阻的实际特性，光敏电阻的实际阻值将会达到较大值，此时开关三极管b侧所获取的电压相对较高，而c侧和e侧所获取的电压相对较低，进而会导致电路VT被导通，而c侧和e侧的电路则会等同于短路，不会传递电流，最终形成一个由电源、R₂、发光二极管、开关三极管共同组成的电路回路，并且此回路将会被导通，促使发光二极管点亮；

若是在有光照环境下，基于光敏电阻的特性，随着光照强度的不断提升，光敏电阻的阻值持续减小，此时开关三极管b侧所获取的电压相对较低，电路VT将不会导通，也不会形成一个可以促使发光二极管运作的导通回路，导致发光二极管不运作。此电路回路相对简单，实际电流流向也较为明确，并且不存在现有教材中所采用集成电路式设计，所以将会有效降低学生的理解难度。在实际实验过程中，教师讲述完原理及光敏开关制作方法以后，后续所有内容均可以由学生自己动手来完成，促使学生不用集成电路实验板，也可以完成光敏开关电路的自行制作。

具体分析后可以发现，改进后电路中的被控对象仍然是发光二极管，其在实际实验中仅需要较小的电流便可以被点亮，促使整体实验过程中对光控开关的模拟效果较好，制作难度较低。但若是想要驱动更大功能的电子设备运作，就需要通过在电路中引入继电器来启动另外的供电电源，以此来满足电子设备的实际运作要求。以白炽灯作为被控对象后，继续对光控开关电路进行优化完善，进而获取到图3中的电路。

图3 大功率光控开关电路示意图

在此电路运作时，若是电路中的开关三极管处于导通状态，那么b侧的电流将会相对较少，而c侧的电流则会相对较大，只要c侧的电流足够驱动继电器运作，那么电路中开关J_a便会有效闭合，进而控制白炽灯L工作，而其他方面则基本上与不设置继电器的简单光控开关电路保持一致，两者虽然具体设计存在一定差异，但均可以达成光控开关的效果。

三、结束语

综上所述，现有高中物理教材中所采用的光控开关设计电路存在集成电路这一不足，将会极大提高学生的学习和理解难度。对此，本文提出了一种开关三极管替代集成电路的光控开关设计电路，此电路不仅适用于发光二极管等低电流电子设备的光控实验使用，也可以在进行适当修改后运用于白炽灯等大功率电子设备的光控实验使用，具有较强普适性和实用性，值得在当前高中物理传感器原理讲解和教学过程中进行使用，进而加深学生对于传感器的理解和学习。

参考文献

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[1]卢军.常用光敏电阻,光敏二极管光敏晶体管,光电耦合器参数[J].家电检修技术(8):3.

[3]陈有卿.电子迷入门讲座:第十一讲光控开关[J].电气时代,1994,000(001):13.

指导教师 刘兴伟 邢台市任泽区第一中学