Фоторезистор: устройство, принцип работы, характеристики

Фоторезистор принцип работы

Название фоторезистора представляет собой комбинацию слов: фотон (легкие частицы) и резистор. Фоторезистор — это тип резистора, сопротивление которого уменьшается при увеличении интенсивности света. Другими словами, поток электрического тока через фоторезистор увеличивается, когда интенсивность света увеличивается.

Фоторезисторы также иногда называют LDR (светозависимым резистором), полупроводниковым фоторезистором, фотопроводником или фотоэлементом. Фоторезистор меняет свое сопротивление только при воздействии света.

Как работает фоторезистор

Когда свет падает на фоторезистор, некоторые из валентных электронов поглощают энергию света и разрушают связь с атомами. Валентные электроны, которые разрушают связь с атомами, называются свободными электронами.

Когда энергия света, приложенная к фоторезистору, сильно увеличивается, большое количество валентных электронов получает достаточно энергии от фотонов и разрушает связь с родительскими атомами. Большое количество валентных электронов, которые нарушают связь с родительскими атомами, попадет в зону проводимости.

Электроны, присутствующие в зоне проводимости, не принадлежат ни одному атому. Следовательно, они свободно перемещаются из одного места в другое. Электроны, которые свободно перемещаются из одного места в другое, называются свободными электронами. Когда валентный электрон покинул атом, в определенном месте атома, из которого вышел электрон, создается пустое место. Это место называется дырой. Следовательно, свободные электроны и дырки генерируются в виде пар.

И свободные электроны, и дырки будут нести электрический ток. Количество электрического тока, протекающего через фоторезистор, зависит от количества генерируемых носителей заряда (свободных электронов и дырок). Когда энергия света, приложенная к фоторезистору, увеличивается, число носителей заряда, генерируемых в фоторезисторе, также увеличивается. В результате электрический ток, протекающий через фоторезистор, увеличивается.

Увеличение электрического тока означает снижение сопротивления. Таким образом, сопротивление фоторезистора уменьшается, когда интенсивность приложенного света увеличивается. Фоторезисторы делаются из полупроводника с высоким сопротивлением, такого как кремний или германий. Они также сделаны из других материалов, таких как сульфид кадмия или селенид кадмия.

При отсутствии света фоторезисторы действуют как материалы с высоким сопротивлением, тогда как при наличии света фоторезисторы действуют как материалы с низким сопротивлением. Советуем вам посмотреть лучшее видео на тему фоторезистора, в котором вы узнаете очень подробно принцип работы фоторезистора:

Типы фоторезисторов

Фоторезисторы делятся на два типа в зависимости от материала, из которого они изготовлены:

  • Внутренний фотоэффект.
  • Внешний фотоэффект.

Фоторезистор с внутренним фотоэффектом

Собственные фоторезисторы изготавливаются из чистых полупроводниковых материалов, таких как кремний или германий. Внешняя оболочка любого атома способна содержать до восьми валентных электронов. Однако в кремнии или германии каждый атом состоит только из четырех валентных электронов. Эти четыре валентных электрона каждого атома образуют четыре ковалентных связей с соседними четырьмя атомами, чтобы полностью заполнить внешнюю оболочку. В результате ни один электрон не остается свободным.

Когда мы применяем световую энергию к фоторезистору с внутренним эффектом, только небольшое количество валентных электронов получает достаточно энергии и освобождается от родительского атома. Следовательно, генерируется небольшое количество носителей заряда. В результате через внутренний фоторезистор протекает только небольшой электрический ток.

Внутренние фоторезисторы менее чувствительны к свету, поэтому они не надежны для практического применения.

Фоторезистор с внешним фотоэффектом

Фоторезисторы с внешним фотоэффектом изготовлены из внешних полупроводниковых материалов. Рассмотрим пример внешнего фоторезистора, изготовленного из комбинации атомов кремния и примеси фосфора.

Каждый атом кремния состоит из четырех валентных электронов, а каждый атом фосфора состоит из пяти валентных электронов.

Четыре валентных электрона атома фосфора образуют четыре ковалентные связи с соседними четырьмя атомами кремния. Однако пятый валентный электрон атома фосфора не может образовывать ковалентную связь с атомом кремния, поскольку атом кремния имеет только четыре валентных электрона. Следовательно, пятый валентный электрон каждого атома фосфора освобождается от атома. Таким образом, каждый атом фосфора генерирует свободный электрон.

Свободный электрон, который генерируется, сталкивается с валентными электронами других атомов и делает их свободными. Аналогичным образом, один свободный электрон генерирует несколько свободных электронов. Следовательно, добавление небольшого количества примесных (фосфорных) атомов генерирует миллионы свободных электронов.

Во внешних фоторезисторах уже есть большое количество носителей заряда. Следовательно, обеспечение небольшого количества световой энергии генерирует еще большее количество носителей заряда. Таким образом, электрический ток быстро увеличивается.

Увеличение электрического тока означает снижение сопротивления. Сопротивление внешнего фоторезистора быстро уменьшается с небольшим увеличением приложенной световой энергии. Внешние фоторезисторы надежны для практического применения.

Символ фоторезистора на схеме

Символ американского стандарта и символ международного фоторезистора показаны на рисунке ниже.

Преимущества и недостатки фоторезистора

Преимущества фоторезистора

  • Маленький по размеру
  • Бюджетный
  • Легко переносить из одного места в другое.

Недостатки фоторезистора

  • Точность фоторезистора очень низкая.

Применение фоторезисторов

Фоторезисторы используются в уличных фонарях для контроля, когда свет должен включаться и когда свет должен выключаться. Когда окружающий свет падает на фоторезистор, он выключает уличный свет. Когда света нет, фоторезистор вызывает включение уличного освещения. Это уменьшает потери электроэнергии.

Они также используются в различных устройствах, таких как сигнальные устройства, солнечные уличные фонари, ночники и радиочасы.

Что такое фоторезистор, его устройство и принцип работы

У полупроводниковых материалов есть много интересных свойств. Одно из них – изменение сопротивления под действием света. Электрическое сопротивление полупроводниковых элементов используется в приборах под названием фоторезистор. Управление внутренним сопротивлением полупроводниковых приборов с помощью световых потоков широко применялось в устаревших конструкциях, реже в современной электротехнике.

Полупроводниковый резистор может изменять параметры электрического тока в зависимости от интенсивности освещения. Это свойство часто используют на практике для создания устройств, управляемых потоком излучения.Сегодня промышленность поставляет на рынок фоторезисторы с различными характеристиками, а это значит, что они еще находят применение в современных электротехнических устройствах.

Что такое фоторезистор?

Остановимся более подробно на описании полупроводникового фоторезистора. Для начала дадим ему определение.

Фоторезистор — это полупроводниковый прибор (датчик), который при облучении светом изменяет (уменьшает) свое внутреннее сопротивление.

В отличие от фотоэлементов других типов (фотодиодов и фототранзисторов) данный прибор не имеет p-n перехода. Это значит, что фоторезистор может проводить ток независимо от его направления и может работать не только в цепях постоянного тока, где присутствует постоянное напряжение, но и с переменными токами.

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.

Устройство фоторезисторов

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).

Конструкция фоторезистора

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.

Рис. 3. Датчик на основе фоторезистора 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).

Конструкция пленочного фоторезистора

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.

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.

График зависимости силы тока от освещения

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.

Обозначение на схеме

Отличить фоторезистор на схеме от обычного резистора достаточно просто. На значке фоторезистора присутствуют две стрелки, направленные в сторону прямоугольника. Эти стрелки символизируют поток света (см. рис. 7). На некоторых схемах символ резистора помещают внутри окружности, а на других обозначают прямоугольником без окружности. Но главное отличие – наличие стрелок.

Фоторезистор на схеме

Рис. 7. Фоторезистор на схеме

Несмотря на разнообразие фотодатчиков их можно разделить всего на два вида:

  1. Фоторезисторы с внутренним фотоэффектом;
  2. Датчики с внешним фотоэффектом.

Они отличаются лишь по технологии производства, а точнее, по составу фоторезистивного слоя. Первые – это фоторезисторы, в которых полупроводник изготавливается из чистых химических элементов, без примесей. Они малочувствительны к видимому свету, однако хорошо реагируют на тепловые лучи (инфракрасный свет).

Читайте также:  Элементы лестницы из дерева

Фоторезисторы с внешним эффектом содержат примеси, которыми легируют основной состав полупроводникового вещества. Спектр чувствительности у этих датчиков гораздо шире и перемещается в зону видимого спектра и даже в зону УФ излучения.

По принципу действия эти два вида фоторезисторов не отличаются. Их внутреннее сопротивление нелинейно уменьшается с ростом интенсивности светового потока в зоне чувствительности.

Технические характеристики

Какие критерии применять при выборе фоторезистора?

Первым делом обращайте внимание на спектральные характеристики. Если этот параметр вы неправильно выберете, то с большой долей вероятности устройство работать не будет или его функционирование будет нестабильным. Например, фоторезисторы с внутренним эффектом не будут реагировать на дневной свет. Если в качестве облучателя не планируется использовать ИК излучатель, то остановите свой выбор на втором типе приборов.

Другие важные характеристики:

  • интегральная чувствительность;
  • энергетическая характеристика (порог чувствительности);
  • инерционность.

Вольт-амперная характеристика показывает зависимость величины тока от приложенного напряжения. Графически такая характеристика изображается в виде гиперболы. Но если выполняется условие стабильности интенсивности освещения, то ест световой поток Ф = const, то зависимость силы тока от напряжения будет линейной, а график – прямой линией. (см. рис. 8 а).

Энергетическая характеристика показывает, как зависит сила тока от величины светового потока, при постоянном напряжении (см. рис. 8 б). На графике видно как изменяется энергетическая кривая: сначала она устремляется вверх, а при достижении какого-то предела плавно изменяет направление и почти параллельна оси светового потока. Объясняется это тем, что после насыщения полупроводникового элемента его сопротивление минимально и в дальнейшем не зависит от интенсивности света.

Характеристики фоторезистора

Рисунок 8. Характеристики фоторезистора

Что касается инерционности, то она в разной степени присутствует у всех типах датчиков. Если вам нужна молниеносная реакция на свет, то лучше используйте фотодиод.

Преимущества и недостатки

Сильными сторонами фоторезисторов оказывается их высокая надежность и низкая цена. Иногда полезным свойством бывает его вольтамперная характеристика, когда ток возрастает не молниеносно, а постепенно. Достоинством является низкий порог чувствительности.

К недостаткам можно отнести инерционность датчиков. Запаздывание сигнала понижает быстродействие устройств на базе терморезисторов, что часто бывает неприемлемым.

Применение

Благодаря низкому порогу чувствительности фоторезисторы часто используются для регистрации слабых потоков световых волн.

Это качество используется:

  • в сортировальных машинах;
  • в полиграфической промышленности для регистрации факта обрыва бумажной ленты;
  • в сельскохозяйственных машинах для контроля густоты высевания зерновых;
  • в световых реле для включения/отключения освещения, в фотоэкспонометрах и т. п.

В промышленной электронике фоторезисторы применяются для учета изделий, движущихся на ленте транспортера или падающих в емкость для хранения.

Сам по себе датчик не может производить расчёты, но его сигналы используются и обрабатываются микроконтроллерами, с последующими вычислениями. Сигналы фоторезистора воспринимаются как аналоговыми, так и цифровыми логическими схемами. Задержка сигнала на доли секунды в большинстве случаев не является препятствием для использования фоторезисторов.

На базе фоторезисторов производятся оптроны – приборы с собственным источником света, которым можно управлять. Пример схемы такого устройства показан на рис. 9.

Схема оптрона

Рис. 9. Схема оптрона

Несмотря на некоторые недостатки приборов, эра фоторезисторов видимо еще не закончилась.

Фоторезистор

Фото Что такое фоторезистор?

Фоторезистор (LDR, Light Depender Resistor, светозависимый резистор) – это резистор, который меняет своё сопротивление в зависимости от количества света, падающего на его подложку. Изменение сопротивления под воздействием светового потока называется фоторезистивным эффектом.

Обозначения

Фото Обозначение фоторезистора

Принцип работы фоторезистора

При уменьшении уровня освещенности сопротивление фоторезистора возрастает, а при увеличении освещенности — сопротивление падает. Испытаем теорию на практике и подключим мультиметр в режиме измерения сопротивления к фоторезистору. Затем будем менять освещение, которое падает на сенсор.

Внимание! Общий принцип работы всех фоторезисторов одинаковый, но структура каждого компонента индивидуальна, поэтому данные, снятые между разными фоторезисторами, будут отличаться. Ниже приведем данные конкретно с нашего резистора:

При комнатном освещении сопротивление фоторезистора равно около 6,8 кОм.

Фото Принцип работы фоторезистора - комнатное освещение

При затемнении датчика рукой, сопротивление фоторезистора достигло 76,7 кОм.

Фото Принцип работы фоторезистора - затемненное освещение

При воздействии на датчик фонариком от телефона, сопротивление сенсора снизилось до 2,1 кОм.

Фото Принцип работы фоторезистора - яркое освещение

Теория подтвердилась, эксперимент можно считать успешным.

Подключение к микроконтроллеру

При подключении фоторезистора к микроконтроллеру, например к Arduino или Espruino, возникнет проблема: контроллеры не умеют считывать сопротивления компонентов. Для подключения фоторезистора к микроконтроллерам используйте схему делителя напряжения.

Резисторный делитель — это два последовательно соединенных резистора между плюсом и минусом, называемых плечами. Сумма напряжений на плечах равна входному напряжению питания. Плечо между минусом и средней точкой называют нижним, а второе плечо — верхним.

Соберем схему, где:

  • R1 — простой резистор, например 220 Ом.
  • R2 — фоторезистор.
  • U вх. — входное напряжения.
  • U вых. — выходное напряжения.

Подключите к мультиметру в режиме измерения напряжения или к АЦП микроконтроллера.

В итоге показания сопротивления перейдут в показания напряжения, с которым уже умеет работать АЦП микроконтроллера.

Фото Фоторезистор. АЦП микроконтроллера.

Почувствуйте себя настоящим инженером: соберите свой первый датчик освещенности на базе резисторного делителя в нашем электронном конструкторе Омка.

А если вы уже прокачали свои знания в схемотехнике и хотите двигаться далее в IT-технологии, воспользуйтесь электронном конструктором КиберКодер, где вы запрограммируете устройство «на свой вкус и цвет».

Составляющие фоторезистора

В общем случае фоторезистор представляет из себя керамическую подложку, на которую первым покровом нанесен светочувствительный слой, а вторым – металлический слой с зазором в виде изогнутой линии – «змейки». Зазор разделяет металлизацию на два отдельных контактных слоя, к которым закреплены выводы под пайку. Форма выреза в виде «змейки» обеспечивает хорошую засветку фоточувствительного материала.

Фото Составляющие фоторезистора

В качестве светочувствительного слоя могут использоваться материалы: сульфид кадмия, сульфид свинца, селенит кадмия и другие.

От выбора материала при изготовлении фоторезистора зависит его спектральная характеристика, другими словами – диапазон длин волн при освещении, которыми будет корректно изменяться сопротивление элемента. Поэтому выбирая фоторезистор, нужно учитывать в каком спектре он работает.

Особенности фоторезисторов

Фоторезистор не предназначен для точного измерения освещенности, а скорее для определения светлее или темнее стала окружающая среда.

У фоторезисторов нет p-n перехода, поэтому вы можете подключать компонент в схему, не задумываясь о плюсе и минусе.

Фотосопротивление обладает инертностью, т.е. существует время задержки между изменением сопротивления от освещения. Для значительного падения сопротивления от воздействия луча света необходимо около 10 миллисекунд.

При обратном действии для восстановления значения сопротивления понадобится около 1 секунды. Из-за этих свойств фоторезистор постепенно вытесняется другими компонентами, которые быстро фиксируют резкие скачки освещенности.

Единица измерения

Единица освещенности в системе СИ называется люкс, что формально представляет собой «световой поток на единицу площади». В фотометрии люкс используется как мера интенсивности света, попадающего на поверхность или проходящего через нее, воспринимаемого человеческим глазом.

Освещенность, люксПример
0,002Безлунное ясное ночное небо
0,25–1Полнолуние
50Гостиная
80Прихожая / туалет
100Темный пасмурный день
300–500Восход или закат в ясный день
1000Пасмурный день / Типичное освещение телестудии
10000–25000Полный дневной свет (не прямые солнечные лучи)
32000–30000Полный дневной свет (прямые солнечные лучи)

Где используется фоторезистор

Ранее фоторезисторы применялись для индикации или при отсутствии света. Сейчас фоторезисторы вытесняются фототранзисторами и фотоприемниками, которые используются в таких сферах:

  • Полиграфическая промышленность – для обнаружения обрывов бумажной ленты, контроля количества листов бумаги, которые подаются в печатную машину.
  • Освещение для автоматического включения света в темное время суток.
  • Системы сигнализации. Чувствительный элемент освещается излучателем, в случае появления препятствия между ними – срабатывает сигнализация или исполнительный механизм. Например, турникет в метро.
  • Бытовая электроника, например, датчик освещенности в мобильном для автоматической подстройки экрана в зависимости от времени суток.

И напоследок. В робототехнике фоторезистор получил второй шанс на существование благодаря простоте использования. Если встроить фоторезистор в робота, можно определять степень освещенности, фиксировать белые или черные участки на поверхности. Это дает возможность двигаться по линии или совершать другие действия.

Фото Применение фоторезистора

Характеристики

У фоторезисторов есть две основные характеристики, на которые важно обращать внимание:

Фоторезисторы. Виды и работа. Применение и особенности

Фоторезисторы — это резисторы, у которых меняется сопротивление в зависимости от действия света на светочувствительную поверхность. Сопротивление не зависит от величины напряжения, в отличие от обычного резистора.

Фоторезисторы

В основном фотосопротивления применяются для индикации или отсутствия света. В полной темноте сопротивление фоторезистора имеет большую величину, достигающую иногда до 1 мегаома. При воздействии на датчик (чувствительную часть фоторезистора) светового потока, его сопротивление в значительной степени снижается, и зависит от интенсивности освещенности. Величина сопротивления при этом может упасть до нескольких Ом.

Длина световой волны оказывает влияние на чувствительность фотосопротивления. Они применяются в различных устройствах, но не являются такими популярными, как фототранзисторы и фотодиоды. В некоторых зарубежных странах запрещено применение фотосопротивлений, так как в них содержится кадмий или свинец, вредные по экологическим требованиям.

Быстродействие фоторезисторов незначительное, поэтому они действуют только на низких частотах. В новых конструкциях устройств фоторезисторы редко применяются. Их можно встретить в основном при ремонте старых устройств.

Для проверки фотосопротивления к нему подключают мультитестер. Без света его значение сопротивления должно быть значительным, а при его освещении оно сильно падает.

Fotorezistory vidy
Виды и принцип действия
По материалам изготовления фоторезисторы делятся на виды:
  • С внутренним фотоэффектом.
  • С внешним фотоэффектом.

При изготовлении фотосопротивлений с внутренним фотоэффектом применяют нелегированные вещества: германий или кремний.

При попадании на чувствительную часть фотоны воздействуют на электроны и заставляют их двигаться в зону проводимости. В итоге в материале возникает значительное число электронов, вследствие чего повышается электропроводность, а значит и снижается сопротивление.

Фоторезисторы с возникновением внешнего фотоэффекта изготавливают из смешанных материалов, в которые входят легирующие добавки. Эти вещества создают обновленную энергетическую зону сверху валентной зоны, насыщенной электронами, нуждающимися в меньшем количестве энергии для осуществления перехода в проводимую зону, с помощью энергетической щели малого размера. В результате фотосопротивление становится чувствительным к разной длине световой волны.

Несмотря на вышеописанные особенности этих видов, оба вида снижают сопротивление при освещении. При повышении интенсивности освещения снижается сопротивление. Поэтому, получается обратная зависимость сопротивления от света, причем нелинейная.

На электрических схемах фотосопротивления обозначаются:
Чувствительность и длина световой волны

Длина волны света оказывает влияние на чувствительность фотосопротивления. Если величина длины световой волны выходит за пределы диапазона работы, то освещенность уже не оказывает влияния на такой резистор, и он становится нечувствительным в этом интервале длин световых волн.

Читайте также:  Что такое обрыв нуля в трехфазной сети — причины и защита

Разные материалы обладают различными спектральными графиками отклика волны. Фотосопротивления с внешней зависимостью чаще всего используются для значительной длины волны, с приближением к инфракрасному излучению. При эксплуатации светового резистора в этом диапазоне следует быть осторожным, во избежание чрезмерного нагрева, который влияет на показания измерения сопротивления в зависимости от степени нагревания.

Чувствительность фотосопротивления

Фоторезисторы обладают меньшей чувствительностью, по сравнению с фототранзисторами и фотодиодами, которые являются полупроводниковыми приборами, с управлением заряженными частицами от светового луча, посредством р-n перехода. У фотосопротивлений нет полупроводникового перехода.

При нахождении интенсивности света в стабильном диапазоне, сопротивление фоторезистора может все равно меняться в значительной степени из-за изменения величины температуры, так как она также оказывает большое влияние на сопротивление. Это свойство не позволяет использовать фоторезистор для измерения точной интенсивности света.

Инертность

Еще одним уникальным свойством обладает фотосопротивление. Оно состоит в том, что существует время задержки между изменением сопротивления и освещения, что называется инертностью прибора.

Для значительного падения сопротивления от воздействия луча света необходимо затратить время, равное около 10 миллисекунд. При обратном действии для восстановления значения сопротивления понадобится около 1 секунды.

Благодаря этому свойству такой резистор не применяется в устройствах с необходимостью учета резких скачков освещенности.

Свойства и конструктивные особенности

Фотопроводность впервые обнаружили у элемента Селена. Затем были найдены и другие материалы с подобными свойствами. Фоторезисторы из сульфида кадмия являются наиболее популярными и имеют обозначение СDS-фоторезистора. Сегодня фотосопротивления производятся и из антимонида индия, сульфида свинца, селенида свинца.

Fotorezistory ustroistvo

Для производства фотосопротивлений из сульфида кадмия, порошок высокой степени очистки смешивают с веществами инертного действия. Далее, смесь спрессовывают и спекают.

На основание с электродами в вакууме напыляют светочувствительный слой в форме извилистой дорожки. Далее, это напыленное основание размещают в пластиковую или стеклянную оболочку, во избежание предотвращения попадания пыли и грязи на чувствительный элемент.

Спектральный график отклика чувствительного сульфида кадмия сочетается с временем отклика глаза человека. Длина волны света наибольшей чувствительности равна 600 нанометров. Это соответствует видимому спектру. Устройства с содержанием кадмия или свинца запрещены во многих зарубежных странах.

Сфера использования фоторезисторов

Такой вид светочувствительных сопротивлений применяется в виде датчиков света, если необходимо определять отсутствие или наличие света, либо фиксацию значения интенсивности освещения. Таким примером служит автоматическая система включения освещения улиц, а также работа фотоэкспонометра.

Световое реле для освещения улиц

В виде примера на схеме изображено уличное фотореле освещения. Эта система включает освещение улиц в автоматическом режиме, при наступлении темного времени суток, и отключает его при наступлении светлого времени. Такую схему можно применять для любых автоматических систем освещения.

Svetovoe rele dlia osveshcheniia ulits

При падении луча света на фоторезистор, его сопротивление снижается, становится значительным падение напряжения на переменном сопротивлении R2, транзистор VТ1 открывается. Коллектор этого транзистора соединен с базой VТ2 транзистора, который в это время закрыт, и реле отключено. При наступлении темноты сопротивление фоторезистора повышается, напряжение на переменном сопротивлении снижается, а транзистор VТ1 закрывается. Транзистор VТ2 открывается и выдает напряжение на реле, подключающее лампу освещения.

Фоторезистор и его применение

Многие современные системы редко обходятся без таких радиодеталей, как фотоэлементы. Различные датчики и измерители освещенности содержат в себе фоторезисторы. Они хорошо подходят для измерения световых величин. Из чего они состоят, как устроены и что такое фоторезистор — об этом в нашем обзоре.

фоторезистор

Термин

Фоторезистор по своей сути это полупроводниковый приборчик, который под воздействием света способен изменять свою проводимость или сопротивление.

Их отличает отсутствие p-n перехода, который свободно употребляется в солнечных фотопластинках.

А раз нет p-n перехода, то такой элемент обладает свойством пропускать ток несмотря от его направленности. Эта отличительная черта дает возможность использовать их в электрических цепях переменного или постоянного тока.

Фоторезистор

Устройство

От модели к модели меняется форма корпуса или активный слой, но одно остается неизменно.

Это основа — подложка из керамического материала.

На подложке змейкой наносят методом напыления тончайший слой проводника из золота или платины.

Устройство

Также в качестве полупроводников могут быть использованы различные типы фоторезистивных материалов.

Если необходимо зафиксировать видимый свет с длинной волны:

видимый свет с длинной волны

То чаще всего применяется селенид кадмия и сульфид кадмия.

Для фиксации инфракрасного излучения пластины могут быть сделаны из:

  • германия в чистом виде либо с добавлением небольших примесей;
  • кремниевыми;
  • сульфида свинца и прочих химических сочетаний на его основе.

В чистом виде германий или кремний встречается в деталях, обладающих внутренним фотоэффектом.

Остальные примеси могут, применены в устройствах с внешним фотоэффектом.

Производство первых серийных сернисто-висмутовых фоторезисторов в нашей стране было налажено в 1948 г.

Позднее их заменили на сернисто-кадмиевые и селенисто-кадмиевыми модели, у которых проявились гораздо лучшие параметры.

В любом случае свойства остаются прежними.

Напыленные слои

Напыленные, таким образом, слои, имеют вывода на электроды, по которым попадает электрический ток.

Сверху всю конструкцию вмещают в корпус, защищенный тонким слоем прозрачного пластика, через который попадают световые потоки.

слой

Форма размеры и материал защитного корпуса могут быть различными. Эти параметры определяются производителем, исходя из предназначения фоторезистора и выглядят по-разному.

Форма размеры

Устройство обычного фоторезистора может быть разного исполнения:

  • в металлическом корпусе;
  • в пластиковом корпусе;
  • открытого типа.

Устройство обычного фоторезистора

Не всегда применяется и напыление металлов. Токопроводящий слой может быть вырезан из тонкого слоя полупроводника.

Встречаются варианты и пленочных фотодатчиков.

пленочный фотодатчик

Обозначение на схемах

Фоторезистор на принципиальной схеме обозначается почти также как и стандартный резистор. Но есть небольшое отличие. Это всё тот же прямоугольник, но в круге, снаружи которого есть изображение двух стрелок под углом в 45°. Эти стрелки — символически показывают падающий на элемент поток излучения.

Обозначение на схемах

Такое обозначение принято международной электротехнической комиссией IEC (International Electrotechnical Commission).

В иностранных источниках можно увидеть и другое условное обозначение. Фотоэлемент условно показан в виде ломаной линии. Это устаревшее условное обозначение, но и его можно встретить на схемах довольно часто.

условное обозначение

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.

график

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.

Вообще все фотодатчики разделены на две основные группы:

  1. Детали, обладающие внутренним фотоэффектом.
  2. Детали с внешним фотоэффектом.

Их отличает друг от друга технология производства, а если быть точнее — сам состав фоторезистивного слоя.

Если в первых при изготовлении применены чистейшие химические составляющие, без посторонних примесей. Таким образом, у датчика меняются характеристики, фоторезистор практически не реагирует на видимый свет, но хорошо работает в инфракрасном диапазоне.

То вторые, наоборот, содержат примеси в полупроводниковом веществе. За счет этого расширяется спектр чувствительности в зоне видимого света и даже захватывает инфракрасный диапазон (тепловые лучи).

Хотя по принципу срабатывания и как подключить эти два вида не отличаются — внутреннее сопротивление уменьшается с увеличением интенсивности падающего на них светового потока.

Собственно это свойство помогает при монтаже плат с фотодатчиками. Вопрос как проверить фоторезистор решается проверкой его сопротивления мультиметром. В рабочем элементе должно быть большее сопротивление при отсутствии освещения. Если на его чувствительный элемент подать свет, то сопротивление моментально снизится до нескольких кОм.

мультиметр

Область применения

В современном мире область применения этих радиодеталей значительно расширена.

размер

Применение разнообразных фоторезисторов, работающих в видимом спектре довольно обширно. Это могут быть:

  1. Системы автоматических выключателей света.
  2. Счетные устройства.
  3. Датчики обрыва полотна или бумаги.
  4. Датчики проникновения.
  5. В приборах оснащенных экспонометрами. Например, такие элементы могли использоваться в типовых фотоаппаратах-мыльницах.

радиодетали

Сами по себе они только элемент сложных фотоприёмных устройств, в которых помимо фотодетектора может быть входить:

  • интегральный усилитель;
  • микросхема, отвечающая за автоматическую регулировку освещения;
  • схемы цепей питания, дополненные системой охлаждения на элементах Пельтье.

Всё это многообразие элементов для фотодекторов, заключается в небольшой герметичный корпус.

элементы для фотодекторов

Если эти приборы работают в ИК-диапазоне, их область применения немного другая. Они используются как часть сложных устройств, таких как:

Соответственно, исходя из того что будет управляться таким резистором, рассчитываются и его параметры.

Для примера, как на практике используется этот элемент, посмотрим на схему фотореле, управляющую уличным освещением.

Автоматика уличного освещения

Автоматы, включающие уличное освещение, способны обнаружить наличие/отсутствие солнечного света.

Вот типичная схема реализации подключения фоторезистора для автоматической активации ночного осветительного прибора.

схема реализации подключения фоторезистора

В общих чертах принцип действия схемы.

С наступлением сумерек и в ночное время сопротивление LDR повышается, что вызывает понижение напряжения на переменном резисторе R2. Транзистор VT1 закрыт, а VT2 открывается и таким образом подается напряжение на реле включающее лампу.

Это вполне рабочая схема фотореле, но ее основной недостаток — отсутствие гистерезиса. Это вызывает кратковременное дребезжание реле в сумеречное время, когда присутствует незначительные изменения в освещенности.

Эта электронная деталь помогает отследить степень освещенности окружающей среды

Эта электронная деталь помогает отследить степень освещенности окружающей среды.

Датчики наличия других условий

В полиграфической промышленности конструкции на специальном фоторезисторе отслеживают обрыв бумажного рулона. Так же с их помощью можно вести подсчет бумажных листов на конвейере.

конструкции на специальном фоторезисторе

Подключение фоторезистора к ардуино

Датчики освещенности, которые могут использовать фоторезисторы могут быть реализованы своими руками на базе плат ардуино.

Такие схемы довольно просты, не возникает вопроса «где взять», так как они доступны в интернет-магазинах, а их цена не отпугивает клиентов.

Самодельный модуль дает возможность держать под контролем уровень освещенности и прореагировать на его изменение.

Читайте также:  Шторы на панорамные окна в гостиной: фото

Имея на руках такую плату Arduino, легко реализовать такие проекты как:

  • датчик освещения;
  • для включения/выключения реле;
  • запускает двигатели и так далее.

Перед вами типичный пример применения детектора освещенности на базе платы Arduino.

плата Arduino

Преимущества и недостатки

У этих элементов есть существенный недостаток — граничная частота. Она задает максимальную частоту синусоидального сигнала, которым регулируется световой поток.

В результате существенным образом снижается чувствительность прибора. Соответственно снижается и быстродействие приборов, где требуется на реагирование порядка десятка микросекунд — 10^(−5) с.

Также проявляется некоторая инерционность датчиков на базе фоторезисторов. Происходит запаздывание сигнала, а это негативным образом влияет на быстродействие устройств.

Но есть и положительные стороны.

При низком пороге чувствительности фоторезистор недорогой и его подключение оправдано высокой надежностью. Зачастую, даже полезно, что срабатывание фотоэлемента происходит не мгновенно, а по нарастающей, постепенно. Эта особенность дает возможность применения этих деталей в приборах аналогово типа — разнообразные датчики и измерители освещенности.

Заключение

Построить прибор с датчиком освещенности в комплексе с фоторезистором достаточно просто. Если есть желание вы сами можете повторить аналогичную схему своими руками на базе плат ардуино. При этом стоимость конечного изделия будет весьма невысокой.

2. Устройство, принцип действия, характеристики и параметры фоторезисторов.

Рис.2. Устройство и схема включения фоторезистора

оторезистором (ФР) называют полупроводниковый фотоэлектронный прибор с внутренним фотоэффектом, в котором используется явление изменения электрической проводимости полупроводника под воздействием оптического излучения. Фоторезистор представляет собой полупроводниковый резистор, изменяющий свое сопротивление под действием излучения (освещенности).

Принцип действия ФР основан на использовании явления фотопроводимости полупроводников, которая зависит от концентрации электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне. При облучении полупроводника светом, достаточным для перехода электронов из валентной зоны в зону проводимости, проводимость ФР увеличивается.

Принцип устройства фоторезистора показан на рис.2,а. На диэлектрическую пластину 1 нанесен тонкий слой полупроводника 2 с контактами 3 на концах. Схема включения фоторезистора приведена на рис. 2,б. Полярность источника питания не играет роли. Полупроводниковый фоточувствительный слой выполняется в виде монокристаллической или поликристаллической пластинки или в виде поликристаллической пленки, нанесенной на диэлектрическую подложку (стекло, керамика или кварц). Металлические электроды (золото, платина) наносят либо на поверхность фоточувствительного слоя, либо непосредственно на диэлектрическую подложку перед осаждением полупроводникового слоя.

В качестве полупроводника используют:

– сернистый кадмий CdS (фоторезисторы ФСК) – наиболее чувствительный к видимым лучам спектра;

селенид кадмия CdSе (фоторезисторы ФСД) – наиболее чувствительный к лучам на границе между видимой и инфракрасной областями спектра;

сернистый свинец (фоторезисторы PbS)– наиболее чувствительный к инфракрасным лучам.

Для защиты от внешних воздействий фоточувствительный слой покрывают слоем прозрачного лака.

Поверхность светочувствительного материала, расположенную между электродами, называют рабочей площадкой. Световой поток направляют на полупроводник через специальное окно в корпусе фоторезистора. При эксплуатации ФР рекомендуют его рабочую площадку засвечивать полностью, так как при этом эффект изменения сопротивления ФР будет максимален.

Параметры фоторезистора

Если к неосвещенному ФР подключить источник питания, то в электрической цепи потечет небольшой ток, обусловленный наличием в полупроводнике малого количества свободных носителей заряда. Этот ток называют темновым током Iт.

Темновое сопротивление Rт – это сопротивление ФР при отсутствии освещения. Темновое сопротивление принято определять через 30 с после затемнения ФР.

При облучении ФР в электрической цепи протекает ток Iсв. Разность токов при наличии и отсутствии освещения называют фототоком Iф

Iф = Iсв Iт.

Удельная интегральная чувствительность – это отношение фототока к световому потоку и к приложенному напряжению:

Ко = IфU

Чувствительность называют интегральной, потому что измеряют ее при освещении ФР светом сложного спектрального состава. Удельные интегральные чувствительности различных типов ФР составляют от 1 до 600 мА /(В·лм).

При воздействии на ФР источника монохроматического излучения, например, лазера используют параметр монохроматическая чувствительность.

Рабочее напряжение зависит от расстояния между электродами ФР имеет диапазон от единиц до 100 В.

Постоянная времени – это время, в течение которого фототок ФР изменяется после освещения или после затемнения ФР в е раз по отношению к установившемуся значению. Постоянная времени характеризует инерционность ФР.

В связи с тем, что скорость нарастания фототока при освещении несколько отличается от скорости его спада после затемнения ФР, различают постоянные времени нарастания н и спада с. Численные значения постоянных времени могут быть от десятков микросекунд до десятков миллисекунд.

Наличие существенной инерционности у ФР приводит к тому, что с увеличением частоты модуляции светового потока эффективное значение возникающего переменного фототока уменьшается. Максимальная частота модуляции светового потока для ФР не превосходит десятков килогерц.

Необходимо помнить, что параметры полупроводниковых ФР существенно зависят от температуры. Собственные шумы фоторезисторов значительны.

Что такое фоторезисторы, как они работают и где используются

В промышленности и бытовой электронике фоторезисторы используются для измерения освещенности, подсчета количества чего-либо, определения препятствий и прочего. Основное его назначение — переводить количество света, попадающего на чувствительную площадь, в полезный электрический сигнал. Сигнал в последствии может обрабатываться аналоговой, цифровой логической схемой или схемой на базе микроконтроллера. В этой статье мы расскажем, как устроен фоторезистор и как меняются его свойства под воздействием света.

Основные понятия и устройство

Фоторезистор – это полупроводниковый прибор, сопротивление которого (если удобно – проводимость) изменяются в зависимости от того, насколько сильно освещена его чувствительная поверхность. Конструктивно встречаются в различных исполнениях. Наиболее распространены элементы такой конструкции, как изображено на рисунке ниже. При этом для работы в специфических условиях можно найти фоторезисторы, заключенные в металлический корпус с окошком, через которое попадает свет на чувствительную поверхность. Ниже вы видите его условное графическое обозначение на схеме.

Обозначение фоторезистора

Интересно: изменение сопротивления под воздействием светового потока называется фоторезистивным эффектом.

Конструкция

Принцип действия заключается в следующем: между двумя проводящими электродами находится полупроводник (на рисунке изображен красным), когда полупроводник не освещен – его сопротивление велико, вплоть до единиц МОм. Когда эта область освещена её проводимость резко возрастает, а сопротивление соответственно падает.

В качестве полупроводника могут использоваться такие материалы как: сульфид Кадмия, Сульфид Свинца, Селенит Кадмия и другие. От выбора материала при изготовлении фоторезистора зависит его спектральная характеристика. Простыми словами – диапазон цветов (длин волн) при освещении которыми будет корректно изменяться сопротивление элемента. Поэтому выбирая фоторезистор, нужно учитывать в каком спектре он работает. Например, под УФ-чувствительные элементы нужно подбирать те виды излучателей, спектральные характеристики которых подойдут к фоторезисторам. Рисунок, который описывает спектральные характеристики каждого из материалов изображен ниже.

Спектр

Одним из часто задаваемых вопросов является «Есть ли полярность у фоторезистора?» Ответ – нет. У фоторезисторов нет p-n перехода, поэтому не имеет значения, в каком направлении протекает ток. Проверить фоторезистор можно с помощью мультиметра в режиме измерения сопротивления, измерив сопротивление освещенного и затемненного элемента.

Проверка датчика освещенности

Примерную зависимость сопротивления от освещенности вы можете видеть на графике ниже:

График зависимости сопротивления от уровня света

Здесь показано, как изменяется ток при определенном напряжении в зависимости от количества света, где Ф=0 – темнота, а Ф3 – яркий свет. На следующем графике приведено изменение тока при постоянном напряжении, но изменяющейся освещенности:

Изменение тока при постоянном напряжении

На третьем графике вы видите зависимость сопротивления от освещенности:

Как зависит сопротивление от освещенности

На рисунке ниже вы можете наблюдать как выглядят популярные фоторезисторы производства СССР:

Советские фоторезисторы

Современные же фоторезисторы, нашедшие широкое распространение в практике самодельщиков, выглядят немного иначе:

Современные датчики освещенности

Для обозначения элемента обычно используется буквенная маркировка.

Характеристики фоторезисторов

Итак, у фоторезисторов есть основные характеристики, на которые обращаются внимание при выборе:

  • Темновое сопротивление. Как понятно из названия — это сопротивление фоторезистора в темноте, то есть при отсутствии светового потока.
  • Интегральная фоточувствительность – описывает реакцию элемента, изменение тока через него на изменение светового потока. Измеряется при постоянном напряжении в А/лм (или мА, мкА/лм). Обозначается как S. S=Iф/Ф, где Iф – фототок, а Ф – световой поток.

При этом указывается именно фототок. Это разность между темновым током и током освещенного элемента, то есть той частью, которая возникла из-за эффекта фотопроводимости (то же что и фоторезистивный эффекта).

Примечание: темновое сопротивление конечно же характерно для каждой конкретной модели, например, для ФСК-Г7 – это 5 МОм, а интегральная чувствительность 0,7 А/лм.

Помните, что фоторезисторы обладают определенной инерционностью, то есть его сопротивление изменяется не моментально после облучения световым потоком, а с небольшой задержкой. Этот параметр называется граничная частота. Это частота синусоидального сигнала модулирующего световой поток через элемент, при которой чувствительность элемента снижается в корень из 2 раз (1.41). Быстродействие компонентов обычно лежит в пределах десятков микросекунд (10^(-5)с). Таким образом, использование фоторезистора в схемах, где нужна быстрая реакция ограничено, а часто и неоправданно.

Где используется

Когда мы узнали об устройстве и параметрах фоторезисторов, давайте поговорим о том, для чего он нужен на конкретных примерах. Хоть и применение фотосопротивлений ограничено их быстродействием, от этого область применения меньшей не стала.

  1. Сумеречные реле. Их еще называют фотореле – это устройства для автоматического включения света в темное время суток. На схеме ниже изображен простейший вариант такой схемы, на аналоговых компонентах и электромеханического реле. Её недостатком является отсутствие гистерезиса и возможное возникновение дребезжание при приграничных величинах освещенности, в результате чего реле будет дребезжать или включаться-отключаться при незначительных колебаниях освещенности.
  2. Датчики освещенности. С помощью фоторезисторов можно детектировать слабый световой поток. Ниже представлена реализация такого устройства на базе ARDUINO UNO.
  3. Сигнализации. В таких схемах используются преимущественно элементы, чувствительные к ультрафиолетовому излучению. Чувствительный элемент освещается излучателем, в случае появления препятствия между ними – срабатывает сигнализация или исполнительный механизм. Например, турникет в метро.
  4. Датчики наличия чего либо. Например, в полиграфической промышленности с помощью фоторезисторов можно контролировать обрыв бумажной ленты или количество листов, подаваемых в печатную машину. Принцип работы подобен тому, что рассмотрен выше. Таким же образом можно считать количество продукции, прошедшей по конвейерной ленте, или её размер (при известной скорости движения).

Мы кратко рассказали о том, что это такое фоторезистор, где он используется и как работает. Практическое использование элемента очень широко, поэтому описать все особенности в пределах одной статьи достаточно сложно. Если у вас возникли вопросы – пишите их в комментариях.

Ссылка на основную публикацию