Что такое фоторезистор, его устройство и принцип работы

Параметры фоторезисторов

Более подробно о параметрах и характеристиках фоторезисторов будет рассказано в отдельной статье. Здесь же разберём лишь несколько важных параметров, которые следует знать при подборе фоторезисторов, работающих при больших потоках излучения в видимом спектре.

RT – темновое сопротивление фоторезистора (Ом). Сопротивление фоторезистора, измеренное при отсутствии освещения при поданном на него рабочем напряжении.

В даташитах на импортные изделия указывается как Dark resistance (Ω). Величина темнового сопротивления фоторезисторов обычно составляет единицы-десятки мегаом;

RСВ – световое сопротивление фоторезистора (Ом). Сопротивление фоторезистора при его освещении (или инфракрасном облучении). В даташитах на импортные изделия указывается как Light resistance (Ω). Стоит отметить, что данный параметр указывается для определённого уровня освещённости фоторезистора, измеряемого в люксах (lux или lx). Как правило, для импортных фоторезисторов (типа PGM, GM, GL), которые работают в видимом спектре, это 10 люкс.

P или Pмакс – допустимая мощность рассеивания или максимальная мощность (Вт, чаще мВт). Мощность, которую может выдержать фоторезистор длительное время без необратимого изменения его основных параметров. Допустимая мощность указывается для определённой температуры окружающей среды, как правило, это 25°C.

В англоязычной документации мощность рассеивания носит название Power dissipation – PD(W или mW). Стоит отметить, что при чрезмерном нагреве, что характерно при превышении допустимой мощности, фоточувствительный элемент фоторезистора ещё может работать, но его эксплуатационные характеристики сильно ухудшаются, обычно, необратимо.

Uр – рабочее напряжение (В). Постоянное напряжение, подаваемое на фоторезистор, при котором гарантируются его номинальные параметры при длительной эксплуатации в заданных условиях. Рабочее напряжение фоторезисторов может быть от нескольких вольт до сотен вольт.

В справочниках на импортные фоторезисторы обычно указывается величина максимального постоянного напряжения (Max Voltage, VDC), которое способен выдержать фоторезистор конкретной серии.

Понятное дело, что максимальное напряжение падает на сопротивлении фоторезистора в затемнённом состоянии, когда его сопротивление очень велико (до нескольких десятков мегаОм). Также не стоит забывать о том, что при понижении температуры темновое сопротивление фоторезистора растёт, что может привести к тому, что напряжение на нём превысит максимальное и фоторезистор выйдет из строя.

При увеличении напряжения, подаваемого на фоторезистор, световой ток, проходящий через него также возрастает. В связи с этим, увеличивается нагрев фоточувствительного элемента, поэтому рабочее напряжение связано с максимальной мощностью фоторезистора, а также ограничено напряжением пробоя.

Как правило, чем большие габариты имеет фоторезистор, тем он мощнее и тем большее напряжение он способен выдержать.

Стоит также знать, что рост температуры окружающей среды и, как следствие, температуры самого фоточувствительного элемента приводит к ухудшению основных фотоэлектрических параметров, например, снижению вольтовой чувствительности и ухудшению порога чувствительности.

На параметры фоторезисторов также сильно влияет и постоянная фоновая засветка. Как правило, она приводит к ухудшению фотоэлектрических параметров, особенно у фоторезисторов на основе CdS/CdSe, работающих при больших световых потоках.

К недостаткам фоторезисторов можно отнести их инерционность, а также необходимость эксплуатации некоторых изделий при очень низких температурах, что требует применения специальных микрохолодильников или охлаждающих резервуаров, где охлаждение осуществляется за счёт жидкостей или газов.

Что такое фоторезистор, принцип работы и область применения

В электротехнике используется огромное количество различных элементов, и далеко не последнее место среди них занимает сопротивление особого рода – фоторезистор. В этой статье я расскажу, что это такое, а также где до сих пор активно используются эти элементы. Итак, начнем.

Что такое фоторезистор, принцип работы и область применения

Определение, исполнение и изображение на схемах

Итак, для начала давайте дадим определение. Фоторезистор — это полупроводниковый прибор, сопротивление (проводимость) которого изменяется в зависимости от уровня освещенности чувствительной части изделия.

Что такое фоторезистор, принцип работы и область применения

На выше представленной фотографии показан наиболее распространенный вариант исполнения, но встречаются модели в специальных защитных кожухах с прозрачной верхней частью.

А вот таким образом такой элемент обозначается на схемах:

Принцип действия

Теперь давайте узнаем каков принцип действия у данного радиоэлемента.

Между двумя токопроводящими электродами размещается полупроводник. В том случае если свет не попадает на полупроводник, то его оммическое сопротивление имеет высокое значение (до нескольких МОм). Как только на полупроводник попадает свет, его сопротивление начинает снижаться, то есть проводимость увеличивается.

Для производства полупроводящего слоя могут использоваться следующие материалы: сульфид Кадмия, сульфид Свинца, Селенит Кадмия и т.п. От того какой материал был применен для производства полупроводника будет зависеть его спектральная характеристика.

Иначе говоря диапазон длин волн, при освещении которыми будет происходить корректное изменение сопротивления.
Именно по этой причине при выборе резистора важно понимать, для работы в каком спектре он предназначен.
Спектральные характеристики материалов таковы:

Очень часто возникает вопрос: какова полярность фоторезистора? Так вот у данного элемента нет P-N перехода, а это значит что определенного направления протекания тока тоже нет. То есть абсолютно без разницы, каким образом подключать фоторезистор, так как он неполярный элемент.

Как проверить исправность элемента

Проверка фоторезистора на самом деле предельно проста. Для этого нам потребуется мультиметр и, например, папка для бумаг.

Что такое фоторезистор, принцип работы и область применения

Проверка выполняется следующим образом: переведите рукоять мультиметра в положение измерения сопротивления, крокодилами подсоедините щупы (полярность не имеет значения) и поместите элемент в папку, чтобы исключить воздействие света на элемент.

Что такое фоторезистор, принцип работы и область применения

Таким образом вы получите сопротивление элемента в затемненном состоянии. Вытащив фоторезистор из папки, вы увидите, что сопротивление элемента изменилось. Причем чем интенсивнее будет световой поток, тем меньшим сопротивлением будет обладать элемент.

Что такое фоторезистор, принцип работы и область применения

Причем зависимость сопротивления от освещенности будет иметь следующий вид:

Главные характеристики фоторезисторов

У данных элементов есть несколько основных характеристик, на которые следует обращать внимание при выборе изделия:

1. Темновое сопротивление. Это сопротивление элемента, когда на него не оказывает воздействие световой поток.

Важно также знать, что все фоторезисторы обладают инерционностью в той или иной степени. Сопротивление изменяется не мгновенно, а в течении определенного отрезка времени (десятки микросекунд)

Этот фактор ограничивает применение фоторезисторов в быстродействующих схемах.

Где применяются такие элементы

Итак, несмотря на некоторые ограничения, эти элементы активно используются в следующих устройствах:

1. Фотореле. Устройства, которые предназначены для автоматического включения отключения систем освещения без активного вмешательства человека.

2. Датчики освещенности. В таких устройствах фоторезисторы выполняют функцию регистратора светового потока.

Что такое фоторезистор, принцип работы и область применения

3. Сигнализация. В сигнализационных системах применяются фоторезисторы чувствительные ультрафиолетовым волнам. Принцип таков фоторезистор постоянно освещается источником ультрафиолетового излучения и как только между источником и приемником возникает препятствие — срабатывает сигнализация.

4. Датчики, регистрирующие наличие чего-либо.

Простой код для аналоговых измерений уровня освещенности

В скетче не проводится никаких расчетов, исключительно отображение значений, которые интерпретируются как уровень освещения. Для многих проектов этого вполне достаточно.

Что такое фоторезистор, его устройство и принцип работы

/* Простой проверочный скетч для фоторерезистора.

Подключите одну ногу фоторезистора к 5 В, вторую к пину Analog 0.

Популярные статьи  Нужно ли заземление в деревянном доме на винтовых сваях?

После этого подключите контакт резистора на 10 кОм к земле, а второй к аналоговому пину Analog 0 */

int photocellPin = 0; // сенсор и понижающий резистор на 10 кОм подключены к a0

int photocellReading; // данные считываемые с аналогового пина

// Передаем информацию для дебагинга на серийный монитор

Serial.print(photocellReading); // аналоговые значения

> else if (photocellReading

> else if (photocellReading

> else if (photocellReading

Serial.println(» — Very bright»);

Эта проверка проводилась в комнате днем. Я прикрывал сенсор рукой, а после этого куском ткани.

Что такое фоторезистор, его устройство и принцип работы

Принцип работы

Разберем, как работает фоторезистор?

Когда он неактивен это, по сути, диэлектрик. Чтобы устройство начало проводить ток на него должно быть оказано внешнее воздействие. Тепловое или, как в нашем случае, световое.

Фотоны света, попадая на активный слой, насыщают его электронами, и теперь появляется способность пропускать электрический ток. Возникает прямая зависимость, которую можно отобразить на графике.

Что такое фоторезистор, его устройство и принцип работы

Из графика хорошо видно, что чем больше образуется электронов, тем меньшее электрическое сопротивление у полупроводника. На этом свойстве фоторезистора и основан принцип его работы.

Причем эффект образования электронов способен вызвать как видимый спектр излучения так и инфракрасный. В последнем варианте они способны создавать значительно большую энергию.

Восприимчивость фоторезистивного слоя можно поднять за счет легирования его различными добавками. После такой обработки уменьшаются фотосопротивления, но повышается фоточувствительность в видимых спектрах света.

Этим элементам характерен процесс старения. Он выражается:

  • в снижении омического сопротивления;
  • изменяется фототок;
  • растет чувствительность.

Этот процесс непродолжительный по времени — до нескольких сотен часов и потом параметры становятся стабильны.

Виды и принцип работы, обозначение на схемах

Что такое фоторезистор, его устройство и принцип работы В зависимости от материалов, используемых во время изготовления на производстве все, фоторезисторы можно условно разделить на две большие группы: с внутренним и внешним фотоэффектом.

В производстве элементов с внутренним фотоэффектом и применяют нелегированные материалы, например германий или кремний. Фотоны, попадающие на фоторезистор, заставляют электроны двигаться из валентной в зону проводимости.

Благодаря этому возникает огромное число свободных электронов, тем самым резко возрастает электропроводность и, поэтому, снижается сопротивление. Фоторезистор с внешним фотоэффектом изготавливают из материалов, с добавлением примесей легирующей добавки, которая создает новую энергетическую зону поверх имеющейся валентной, богатую электронами.

Кроме того, электронам новой зоны необходимо на порядок меньше энергии, чтобы перейти в зону проводимости благодаря более низкой энергетической щели. Поэтому фоторезисторы с внешним фотоэффектом гораздо более чувствительны к различным длинам светового спекира волн.

Фоторезистор на схемах обозначается также как и обычный резистор, но с добавление двух стрелочек, которые направлены к прямоугольнику. В качестве материалов для фоторезисторов широко используются сульфиды, селениды и теллуриды различных элементов, а также соединения типа AlMBv. В инфракрасной области могут быть использованы фоторезисторы на основе PbS, PbSe, PbTe, InSb, в области видимого света и ближнего спектра ультрафиолета — CdS.

Сегодня фоторезисторы широко применяются во многих отраслях науки и техники. Это объясняется их высокой чувствительностью, простотой конструкции, малыми габаритами и значительной допустимой мощностью рассеяния. Значительный интерес представляет использование фоторезисторов в опто- электронике. В радиолюбительских конструкциях фоторезисторы применяются как световые датчики в устройствах слежения и автоматики, автоматических и фотореле в быту, в охранных системах.

Области рационального применения фотореле

Типовые ситуации, в которых требуется присутствие данного устройства:

  • Когда включение и выключение цепи производится при помощи сигнала малой мощности;
  • Когда несколько цепей должны управляться одним сигналом.

Эффективность применения фотореле обуславливается также и их универсальностью (помимо стандартной аппаратуры контроля можно использовать компьютеры или ноутбуки). Это позволяет реализовывать также и логические управляющие команды типа «если…то…».

Рассмотрим использование фотореле для уличного освещения. Технология их применения основана на использовании триггерных FEТ-переключателей.

Что такое фоторезистор, его устройство и принцип работыБлок-схема фотореле с FET-переключателем

В приведенной блок-схеме используется серия К МДП-транзисторов.  В отличие от твердотельных реле, схема управляет фотодиодами напрямую. Это обеспечивает гораздо более высокие скорости переключения, поскольку время отключения питания при включении светодиода некритично. Из-за отсутствия механических составляющих поддерживается высокая компактность устройства, однако физический изоляционный барьер здесь отсутствует, а потому необходимо использовать только низковольтный управляющий сигнал.

Поскольку фотореле является альтернативой уже существующей панели дистанционного управления освещением, то прежде всего стоит подумать — а так ли уж необходима подобная замена. Если существующая система полностью соответствует электрическим нормам, то перед нагрузкой достаточно просто добавить релейную панель, и полный контроль за осветительной цепью будет обеспечен. В небольшом корпусе может быть размещено до 64 фотореле вместе с источником низкого напряжения, а рядом можно расположить панель выключателя.  Чем меньше число цепей, тем более экономичным становится применение релейной панели.

Фотореле можно использовать для управления однополюсными цепями 127/220 В переменного тока и двухполюсными (208…240 В) цепями переменного тока. Релейные панели наиболее экономичны при управлении меньшими нагрузками, но имеют один недостаток — они рассчитаны на ограниченное количество циклов включения/ выключения: от 20000 до 50000 (при нормальных обстоятельствах этого хватит примерно на 5 лет).

Общий вид блочной компоновки фотореле для уличного освещения и монтажная схема приведены на следующих рисунках.

Некоторые нюансы имеются в использовании фотореле совместно с датчиками движения.  Как правило, уличные фонари включаются на всю ночь. Но в ночное время уличные фонари не нужны, если нет движения. Поэтому всё чаще используют схемы, которые включают уличные фонари только при перемещения транспортного средства и некоторое время после него. Используется микроконтроллер AVR 8051 и несколько пар (чем больше, тем лучше) инфракрасных (ИК) датчиков.

Что такое фоторезистор, его устройство и принцип работыПодключение релейной панели управления освещением

Предлагаемая система состоит из микроконтроллера Atmega8, LDR, PIR-датчика и RTC. Эта система управляет уличным освещением, используя светозависимый резистор и ИК-датчик.

Уличные фонари включаются в зависимости от интенсивности светового потока, который воспринимается на LDR. Если такая интенсивность на фоторезисторах низкая, значение их сопротивления — высокое. С уменьшением общей освещённости это значение увеличивается, и, таким образом, определяет, когда уличные фонари должны включиться.

Ночью движение транспорта минимально. Это обстоятельство можно использовать для настройки контроллера. По наступлении пикового времени, когда трафика нет, фотореле отключит наружное освещение. При появлении единичного транспортного средства ИК-датчик подаст управляющий сигнал микроконтроллеру. Тот на 2…3 минуты включит освещение, после чего автоматически его выключит.

Что такое фоторезистор, его устройство и принцип работыБлочная компоновка фотореле

Что такое фоторезистор, его устройство и принцип работыСхема включения фотореле для управления наружным освещением

Что такое фоторезистор, его устройство и принцип работыУстановка датчиков движения

Что такое фоторезистор, его устройство и принцип работыМонтажная схема управления движением на базе фотореле

Схема фотореле на фоторезисторах. Принцип работы и область применения

Фоторезистор, представляет собой непроволочный полупроводниковый резистор, омическое сопротивление которого определяется степенью освещенности . В основе принципа действия фоторезисторов лежит явление фотопроводимости полупроводников. Фотопроводимость — увеличение электрической проводимости полупроводника под действием света. Причина фотопроводимости — увеличение концентрации носителей заряда — электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне. Схема устройства фотоэлементов с внутренним фотоэффектом, носящих название фотосопротивлений (ФС) или фоторезисто¬ров, приведена на рис. 16-а. Фотосопротивление представляет собой стеклянную пластинку, покрытую тонким слоем полупроводникового материала (сернистого свинца, сернистого висмута, сернистого кадмия), на котором расположены токопроводящие электроды. Сущность внутреннего фотоэффекта сводится к следующему. Известно, что электропроводимость связана с количеством носите¬лей заряда, который имеет тот или иной материал. В полупровод¬никах количество носителей электрических зарядов может увеличиваться вследствие поглощения энергии извне, в частности под воздействием световой энергии. Увеличение количества носителей электрических зарядов в мате¬риале повышает, его способность проводить электрический ток.

Что такое фоторезистор, его устройство и принцип работы
Рис.16 Фотосопротивление В результате этого уменьшается электрическое сопротивление осве-щаемого материала. Отличительная особенность фотосопротивлений от фотоэлемен¬тов с внешним фотоэффектом заключается в том, что при внешнем фотоэффекте электроны покидают пределы освещенного материала, а при внутреннем фотоэффекте они остаются внутри материала, увеличивая тем самым количество носителей электрических зарядов. Изменение проводимости в полупроводниках под воздействием света может быть очень большим. В некоторых материалах при переходе от темноты к интенсивному освещению сопротивление уменьшается в десятки раз и соответственно изменяется величина тока в цепи фотосопротивлений (рис. 16-б). Светочувствительный слой полупроводникового материала в таких сопротивлениях помещен между двумя токопроводящими электродами. Под воздействием светового потока электрическое сопротивление слоя меняется в несколько раз (у некоторых типов фотосопротивлений оно уменьшается на два- три порядка). В зависимости от применяемого слоя полупроводникового материала фотосопротивления подразделяются на сернистосвинцовые, сернистокадмиевые, сернисто-висмутовые и поликристаллические селенокадмиевые. Фотосопротивления обладают высокой чувствительностью, стабильностью, экономичны и надежны в эксплуатации. В целом ряде случаев они с успехом заменяют вакуумные и газонаполненные фотоэлементы. Основной областью применения фоторезисторов является автоматика, где они в некоторых случаях с успехом заменяют вакуумные и газонаполненные фотоэлементы. Обладая повышенной допустимой мощностью рассеивания по сравнению с некоторыми типами фотоэлементов, фоторезисторы позволяют создавать простые и надежные фотореле без усилителей тока. Такие фотореле незаменимы в устройствах для телеуправления, контроля и регулирования, в автоматах для разбраковки, при сортировке и счете готовой продукции, для контроля качества и готовности самых различных деталей. Широко используются фоторезисторы в полиграфической промышленности при обнаружении обрывов бумажной ленты, контроле за количеством листов, подаваемых в печатную машину. В измерительной технике фоторезисторы применяются для измерения высоких температур, для регулировки температуры в различных технологических процессах. Контроль уровня жидкости и сыпучих тел, защита персонала от входа в опасные зоны, контроль за запыленностью и задымленностью самых различных объектов, автоматические выключатели уличного освещения и турникеты в метрополитене — вот далеко не полный перечень областей применения фоторезисторов.

Популярные статьи  Как снять точечный светильник?

Схема включения фоторезисторов:

Рис.17 Схема фотореле на фоторезисторе При определенном освещении сопротивление фотоэлемента уменьшается, а, следовательно, сила тока в цепи возрастает, достигая значения, достаточного для работы какого- либо устройства (схематично показано в виде некоторого сопротивления нагрузки).

Алгоритм поиска неисправности

Визуальный осмотр

Любой ремонт начинается с внешнего осмотра платы

Нужно без приборов просмотреть все узлы и особое внимание обратить на пожелтевшие, почерневшие части и узлы со следами сажи или нагара. При внешнем осмотре вам может помочь увеличительное стекло или микроскоп, если вы работаете с плотным монтажом SMD компонентов

Разорванные детали могут указывать не только на локальную проблему, но и проблему в элементах обвязки этой детали. Например, взорвавшийся транзистор мог за собой утянуть и пару элементов в обвязке.

Что такое фоторезистор, его устройство и принцип работы

Не всегда пожелтевшая от температуры область на плате указывает на последствия выгорания детали. Иногда так получается в результате долгой работы прибора, при проверке все детали могут оказаться целыми.

Кроме осмотра внешних дефектов и следов гари стоит и принюхаться, чтобы проверить, нет ли неприятного запаха как от горелой резины. Если вы нашли почерневший элемент – нужно его проверить. У него может быть одна из трёх неисправностей:

Иногда поломка бывает столь очевидной, что её можно определить и без мультиметра, как в примере на фото:

Что такое фоторезистор, его устройство и принцип работы

Проверка резистора на обрыв

Проверить исправность можно обычной прозвонкой или тестером в режиме проверки диодов со звуковой индикацией (см. фото ниже). Стоит отметить, что прозвонкой можно проверить лишь резисторы сопротивлением в единицы Ом — десятки кОм. А 100 кОм уже не каждая прозвонка осилит.

Что такое фоторезистор, его устройство и принцип работы

Для проверки нужно просто подключить оба щупа к выводам резистора, неважно это СМД компонент или выводной. Быструю проверку можно провести без выпаивания, после чего всё же выпаять подозрительные элементы и проверить повторно на обрыв

Что такое фоторезистор, его устройство и принцип работы

Внимание! При проверке детали не выпаивая с печатной платы, будьте внимательны – вас могут ввести в заблуждение параллельно стоящие элементы. Это актуально как при проверке без приборов, так и при проверке мультиметром

Не ленитесь и лучше выпаяйте подозрительную деталь. Так можно проверить только те резисторы, где вы уверены, что параллельно им в цепи ничего не установлено.

Проверка короткого замыкания

Кроме обрыва, резистор могло пробить накоротко. Если вы используете прозвонку – она должна быть низкоомной, например на лампе накаливания. Т.к. высокоомные светодиодные прозвонки «звонят» цепи сопротивлением и в десятки кОм без существенных изменений яркости свечения. Звуковые индикаторы с этой проверкой справляются лучше чем светодиоды. По частоте пищания можно судить о целостности цепи, на первом месте по достоверности находятся сложные измерительные приборы, такие как мультиметр и омметр.

Проверка на КЗ проводится одним способом, рассмотрим инструкцию пошагово:

  1. Измерить омметром, прозвонкой или другим прибором участок цепи.
  2. Если его сопротивление стремится к нулю и прозвонка указывает на замыкание, выпаивают подозрительный элемент.
  3. Проверить участок цепи уже без элемента, если КЗ ушло – вы нашли неисправности, если нет – выпаивают соседние, пока оно не уйдет.
  4. Остальные элементы монтируют обратно, тот после которого КЗ ушло заменяют.
  5. Проверить результаты работы на наличие КЗ.

Читать также: Какая стиральная машина бош самая лучшая

Вот наглядный пример того, что сгоревший резистор оставил следы на соседних резисторах, есть вероятность, что и они повреждены:

Что такое фоторезистор, его устройство и принцип работы

Резистор почернел от высокой температуры, на соседних элементах видны не только следы гари, но и следы перегретой краски, её цвет изменился, часть токопроводящего резистивного слоя могла повредиться.

На видео ниже наглядно показывается, как проверить резистор мультиметром:

Физика

Фоторезисторы – это фотоэлектрические полупроводниковые приборы с внутренним фотоэффектом. Физическая сущность внутреннего фотоэффекта состоит в том, что при освещении поверхности полупроводника (селен, сернистый висмут, сернистый кадмий, сернистый свинец и т.д.) часть световой энергии поглощается веществом и расходуется на освобождение электронов от связей с атомами; при этом количество свободных электронов в веществе сильно возрастает, что приводит к увеличению электропроводности полупроводника.

В зависимости от типа и назначения, фоторезисторы выполняют с естественным воздушным (неохлаждаемые) и с жидкостным охлаждением. Неохлаждаемые фоторезисторы по конструкции разделяются на бескорпусные и корпусные.

Они имеют тонкий слой светочувствительного материала (2), нанесенного на изолирующую подложку (1) путем пульверизации исходного материала из суспензии (реже – путем испарения материала в вакууме или спекания в таблетки порошкообразной массы). В качестве электродов (4) обычно применяют пленки металлов, не подвергающихся коррозии (золото, платина, серебро), наносимые испарением в вакууме. Для защиты от влияния влаги, воздуха и других внешних воздействий, чувствительные элементы фоторезисторов покрывают слоем защитного лака (3) – герметика. При этом требуется, чтобы слой лака обладал достаточной прозрачностью в той области спектра, для работы в которой предназначен фоторезистор, был влагостойким и не изменял своих свойств в пределах всего диапазона рабочих температур.

Фоторезистор имеет одинаковую проводимость в обоих направлениях, включается последовательно с управляемым им устройством и источником энергии. Фоторезистор может реагировать не только на появление светового потока. Но и на его исчезновение, т.е. является световым реле. При отсутствии освещения или при постоянном освещении фоторезистор представляет собой активное сопротивление, и ток, протекающий по нему, пропорционален приложенному напряжению, а в случае постоянной величины приложенного напряжения величина тока пропорциональна интенсивности действующего светового потока.

Неосвещенный фоторезистор характеризуется темновым током (Iт) и темновым сопротивлением. Темновой ток очень мал и обусловлен наличием в полупроводнике небольшого числа свободных электронов, освобожденных действием тепла окружающей среды.

Фоторезисторы обладают избирательным фотоэффектом. Например в видимой части спектра наиболее чувствительны приборы с сульфидом кадмия, а с сульфидом свинца – к инфракрасным лучам (это дает возможность использовать их для наблюдения и регистрации излучений слабо нагретых тел).

Популярные статьи  Основные технические характеристики автоматических выключателей

Если фоторезистор включен последовательно с источником энергии Е с резистором rн (рис. 2), то изменения светового потока Ф сопровождаются изменением тока в цепи, т.е. фоторезистор может работать как вакуумный фотоэлемент для преобразования световой энергии в электрическую.

Литература

  1. Зорохович А. Е., Калинин В. К. Электротехника с основами промышленной электроники. – М.: Высшая школа, 1975.
  2. Ухин П. Н., Федосеева Е. О. Электровакуумные и полупроводниковые приборы. – М.: Искусство, 1968.

Характеристики фоторезистора

При выборе устройства необходимо учитывать следующие характеристики:

  • темновое сопротивление любой модели фоторезистора в условиях полной темноты, когда световой поток отсутствует;
  • свойство элемента реагировать на изменения параметров потока света – интегральная фоточувствительность. А/лм – единица измерения, а аббревиатура обозначения выглядит так – S=lф/Ф, при этом ф означает здесь световой, а lф – фотопоток.

Разница в параметрах рабочего тока при разных режимах освещения будет тем показателем, который получается из-за имеющегося в подобном случае явления фотопроводимости. Свои показатели имеет каждая модель по величине темнового сопротивления.

Для данных устройств характерна некоторая инерционность, выражающаяся в небольшой задержке при изменении сопротивления после полученного облучения. Часто такое свойство именуют граничной частотой. Она представляет собой одно из свойств сигнала синусоидального типа, через который модулируется на элемент поток света. Данный процесс протекает с понижением чувствительности до уровня, равного корню из 2 – 1,41.

В диапазоне десятков микросекунд расположены показатели быстродействия компонентов. Из этого следует вывод о нецелесообразности установки фоторезисторов в схемах, где необходима быстрая реакция.

Надежное фотореле на микросхеме К561А7

При управлении мощной нагрузкой или нагрузкой в сети 220 В необходимо применять другое реле, обеспечивающее надежность и безопасность работы устройства.

На рис. 2. показана аналогичная схема чувствительного фотоавтомата с применением логических элементов микросхемы КМОП К561А7. Устройство имеет отличительную особенность -при затемненности фоторезистора PR реле К1 включено. Подразумевается, что своими контактами реле коммутирует исполнительную цепь нагрузки.

При резком освещении фоторезистора (например, включении света в помещении) триггер Шмитта на логических элементах D1.1-D1.3 переключается, реле К1 отпускает и нагрузка обесточивается.

А вот при плавном увеличении освещенности, таком как рассвет устройство включает нагрузку также резко -при достижении сигнала на входе триггера порогового уровня переключения триггера Шмитта. Усилитеь на транзисторе VT1 преобразует изменение сопротивления фоторезистора PR (СФЗ-1) в электрический ток.

Что такое фоторезистор, его устройство и принцип работы

Рис. 2. Схема надежного фотореле на микросхеме К561А7.

Когда чувствительная поверхность фоторезистора освещена -транзистор ѴТ1 открыт и сигнал высокого уровня через развязку на диодах VD1, VD2 поступает на вход независимых инверторов.

Цепь R4C1R5 обеспечивает задержку в 2,5-3 мин, из-за чего сигнал высокого уровня, проходящий свободно через диод VD2, поступает на вход элемента D1.2 только после того, как зарядится через резистор R4 конденсатор С1, обеспечивающий временнную составляющую задержки.

После этого на выв. 8 элемента D1.3 будет лог. 1 и на его выв. 9 — тот же уровень. Соответственно на выходе этого инвертора (выв. 10) окажется низкий логический уровень, а на выходе элемента D1.4 — высокий логический уровень.

В результате открывается ключевой транзистор ѴТ2 и включается реле. Благодаря задержке включения устройство может испоьзо-ваться с любым типом реле — дребезг контактов отсутствует.

Применение этой схемы эффективно в ситуациях с плавным изменением освещенности объекта. Переменный резистор R1 регулирует чувствительность фотодатчика.

Принцип работы

В неактивном состоянии полупроводник проявляет свойства диэлектрика. Для того, чтобы он проводил ток, необходимо воздействие на вещество внешнего стимулятора. Таким стимулятором может быть термическое воздействие или световое.

Под действием фотонов света полупроводник насыщается электронами, в результате чего он становится способным проводить электрический ток. Чем больше электронов образуется, тем меньшее сопротивление току оказывает полупроводниковый материал. Зависимость силы тока от освещения иллюстрирует график на рис. 6.

Что такое фоторезистор, его устройство и принцип работы
Рис. 6. График зависимости силы тока от освещения

На этом принципе базируется работа фоторезисторов. Образованию электронов способствует как видимый спектр света так и не видимый. Причем фоторезистор более чувствителен к инфракрасным лучам, имеющим большую энергию. Низкую чувствительность к видимому свету проявляют чистые материалы.

Для повышения чувствительности фоторезистивного слоя его легируют разными добавками, которые образуют обновленную внешнюю зону, расположенную поверх валентной зоны полупроводника. Такое внешнее насыщение электронами потребует меньше энергии для перехода в состояние насыщения фототоком проводимости. Возникает внешний фотоэффект, стимулированный видимым спектром излучения.

Путем подбора легирующих добавок можно создавать фоторезисторы для работы в разных спектральных диапазонах. Фоторезистор имеет спектральную чувствительность. Если длина световых волн находится вне зоны проводимости, то прибор перестает реагировать на такие лучи. Освещенность в таких случаях, уже не может оказывать влияния на токопроводимость изделия.

Выбор спектральных характеристик зависит от условий эксплуатации изделия и решаемых задач. Если интенсивностей излучения не достаточно для стабильной работы устройства, его эффективность можно повысить путем подбора чувствительных элементов, с соответствующим полупроводниковым слоем.

Важно помнить, что инерционность фоторезисторов заметно выше чем у фотодиодов и фототранзисторов. Инерционность прибора имеет место потому, что для насыщения полупроводникового слоя требуется некоторое время

Поэтому датчик всегда подает сигнал с некоторым опозданием.

Устройство

Конструкция разных моделей фоторезисторов может отличаться по форме материалу корпуса. Но в основе каждого такого прибора лежит подложка, чаще всего керамическая, покрытая слоем полупроводникового материала. Поверх этого полупроводника наносятся змейкой тонкий слой золота, платины или другого коррозиестойкого металла. (см. рис. 1). Слои наносятся методом напыления.

Что такое фоторезистор, его устройство и принцип работы
Рис. 1. Устройство фоторезисторов

Напиленные слои соединяют с электродами, на которые поступает электрический ток. Всю эту конструкцию часто покрывают прозрачным пластиком и помещают в корпус с окошком для попадания световых лучей (см. рис. 2).

Что такое фоторезистор, его устройство и принцип работы
Рис. 2. Конструкция фоторезистора

Форма корпуса, его размеры и материал зависит от модели фоторезистора, определяемой технологией производителя. Примеры моделей показаны на рисунках 3 и 4.

Что такое фоторезистор, его устройство и принцип работы
Рис. 3. Датчик на основе фоторезистора

Что такое фоторезистор, его устройство и принцип работы
Рис. 4. Фотоприемник

Сегодня в продаже можно увидеть детали в металлическом корпусе, часто в пластике или модели открытого типа. Некоторые модели изготавливают без метода напыления, а вырезают тонкий резистивный слой непосредственно из полупроводника. Существуют также технологии изготовления пленочных фотодатчиков (см. рис. 5).

Что такое фоторезистор, его устройство и принцип работы
Рис. 5. Конструкция пленочного фоторезистора

Для напыления слоя полупроводника используют различные фоторезистивные материалы. Для фиксации видимого спектра света применяют селенид кадмия и сульфид кадмия.

Более широкий спектр материалов восприимчив к инфракрасному излучению:

  • германий чистый либо легированный примесями золота, меди, цинка;
  • кремний;
  • сульфид свинца и другие химические соединения на его основе;
  • антимонид или арсенид индия;
  • прочие химические соединения чувствительные к инфракрасным лучам.

Чистый германий или кремний применяют при изготовлении фоторезисторов с внутренним фотоэффектом, а вещества легированные примесями – для конструкций с внешним фотоэффектом. Независимо от вида применяемого фоторезистивного материала, оба типа фоторезисторов обладают одинаковыми свойствами – обратной, нелинейной зависимостью сопротивления от силы светового потока.

Оцените статью
Добавить комментарии

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: