Что такое фоторезистор, его устройство и принцип работы

Фоторезистор. Принцип работы, характеристики

Фоторезистор (фотосопротивление, LDR) – это резистор, электрическое сопротивление которого изменяется под влиянием световых лучей, падающих на светочувствительную поверхность и не зависит от приложенного напряжения, как у обычного резистора.

Фоторезисторы чаще всего используются для определения наличия или отсутствия света или для измерения интенсивности света. В темноте, их сопротивление очень высокое, иногда доходит до 1 МОм, но когда датчик LDR подвергается воздействию света, его сопротивление резко падает, вплоть до нескольких десятков ом в зависимости от интенсивности света.

Фоторезисторы имеют чувствительность, которая изменяется с длиной волны света. Они используются во многих устройствах, хотя уступают по своей популярности фотодиодам и фототранзисторам. Некоторые страны запретили LDR из-за содержащегося в них свинца или кадмия по соображению экологической безопасности.

Определение: Фоторезистор — светочувствительный элемент, чье сопротивление уменьшается при интенсивном освещении и увеличивается при его отсутствии.

Характеристики фоторезистора

Виды фоторезисторов и принцип работы

На основании материалов, используемых при производстве, фоторезисторы могут быть разделены на две группы: с внутренним и внешним фотоэффектом. В производстве фоторезисторов с внутренним фотоэффектом используют нелегированные материалы, такие как кремний или германий.

Фотоны, которые попадают на устройство, заставляют электроны перемещаться из валентной зоны в зону проводимости. В результате этого процесса появляется большое количество свободных электронов в материале, тем самым улучшается электропроводность и, следовательно, уменьшается сопротивление.

Фоторезисторы с внешним фотоэффектом производятся из материалов, с добавлением примеси, называемой легирующая добавка. Легирующая добавка создает новую энергетическую зону поверх существующей валентной зоной, заселенную электронами. Этим электронам требуется меньше энергии, чтобы совершить переход в зону проводимости благодаря меньшей энергетической щели. Результат этого – фоторезистор чувствителен к различным длинам волн света.

Несмотря на все это, оба типа демонстрируют уменьшение сопротивления при освещении. Чем выше интенсивность света, тем больше падает сопротивление. Следовательно, сопротивлением фоторезистора является обратная, нелинейная функция интенсивности света.

Фоторезистор на схемах обозначается следующим образом:

Чувствительность фоторезистора от длины волны

Чувствительность фоторезистора зависит от длины волны света. Если длина волны находится вне рабочего диапазона, то свет не будет оказывать никакого действия на LDR. Можно сказать, что LDR не чувствителен в этом диапазоне длин волн света.

Различные материалы имеют различные уникальные спектральные кривые отклика волны по сравнению с чувствительностью. Внешне светозависимые резисторы, как правило, предназначены для больших длин волн, с тенденцией в сторону инфракрасного (ИК). При работе в ИК-диапазоне, необходимо соблюдать осторожность, чтобы избежать перегрева, который может повлиять на измерения из-за изменения сопротивления фоторезистора от теплового эффекта.

На следующем рисунке показана спектральная характеристика фотопроводящих детекторов, изготовленные из различных материалов.

Чувствительность фоторезистора

Фотрезисторы имеют более низкую чувствительность, чем фотодиоды и фототранзисторы. Фотодиоды и фототранзисторы — полупроводниковые устройства, в которых используется свет для управления потоком электронов и дырок через PN-переход, а фоторезисторы лишеные этого PN-перехода.

Если интенсивность светового потока находится на стабильном уровне, то сопротивление по-прежнему может существенно изменяться вследствие изменения температуры, поскольку LDR также чувствительны и к изменениям температуры. Это качество фоторезистора делает его непригодным для точного измерения интенсивности света.

Инертность фоторезистора

Еще одно интересное свойство фоторезистора заключается в том, что существует инертность (время задержки) между изменениями в освещении и изменением сопротивления.

Для того чтобы сопротивление упало до минимума при полном освещении необходимо около 10 мс времени, и около 1 секунды для того, чтобы сопротивление фоторезистора возросло до максимума после его затемнения.

По этой причине LDR не может использоваться в устройствах, где необходимо учитывать резкие перепады освещения.

Конструкция и свойства фоторезистора

Впервые фотопроводимость была обнаружена у Селена, впоследствии были обнаружены и другие материалы с аналогичными свойствами. Современные фоторезисторы выполнены из сульфида свинца, селенида свинца, антимонида индия, но чаще всего из сульфида кадмия и селенида кадмия. Популярные LDR из сульфида кадмия обозначаются как CDS фоторезистор.

Для изготовления фоторезистора из сульфида кадмия, высокоочищенный порошок сульфида кадмия смешивают с инертными связующими материалами. Затем, эту смесь прессуют и спекают. В вакууме на основание с электродами наносят фоточувствительный слой в виде извилистой дорожки. Затем, основание помещается в стеклянную или пластиковую оболочку, для предотвращения загрязнения фоточувствительного элемента.

Спектральная кривая отклика сульфида кадмия совпадает с человеческим глазом. Длина волны пиковой чувствительности составляет около 560-600 нм, что соответствует видимой части спектра. Следует отметить, что устройства, содержащие свинец или кадмий не соответствуют RoHS и запрещены для использования в странах, которые придерживаются законов RoHS.

Примеры применения фоторезисторов

Фоторезисторы чаще всего используются в качестве датчиков света, когда требуется определить наличие или отсутствие света или зафиксировать интенсивность света. Примерами являются автоматы включения уличного освещения и фотоэкспонометры. В качестве примера использования фоторезистора, приведем схему фотореле для уличного освещения.

Фотореле для уличного освещения

Данная схема фотореле автоматически включает уличное освещение, когда наступает ночь и выключает когда светлеет. На самом деле вы можете использовать данную схему для реализации любого типа автоматического включения ночного освещения.

При освещении фоторезистора (R1), его сопротивление уменьшается, падение напряжения на переменном резисторе R2 будет высоким, вследствие чего транзистор VT1 открывается. Коллектор VT1 (BC107) соединен с базой транзистора VT2 (SL100). Транзистор VT2 закрыт и реле обесточено. Когда наступает ночь, сопротивление LDR увеличивается, напряжение на переменном резисторе R2, падает, транзистор VT1 закрывается. В свою очередь, транзистор VT2 открывается и подает напряжение на реле, которое включает лампу.

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.

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).

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).

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.

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.

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).

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.

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.

Рис. 9. Схема оптрона

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

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.

Содержание

Определение, исполнение и изображение на схемах

Принцип действия

Как проверить исправность элемента

Главные характеристики фоторезисторов

Где применяются такие элементы

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.

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.

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.

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.

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.

2. Интегральная фоточувствительность. Данный параметр описывает реакцию элемента, изменение проходящего тока на изменение светового потока. Этот параметр измеряется при постоянном напряжении. Обозначается как S. (А/лм).

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.

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.

Заключение

Вот краткая информация о фоторезисторе, его устройстве и области применения. Если статья оказалась вам полезна или интересна, то оцените ее лайком. Спасибо за ваше внимание.

Фоторезистор

Фоторезистор представляет из себя полупроводниковый радиоэлемент, который меняет свое сопротивление в зависимости от освещения. Для видимого света (солнечный свет или свет от осветительных ламп) используют сульфид или селенид кадмия. Есть также фоторезисторы, которые регистрируют инфракрасное излучение. Их делают из германия с некоторыми примесями других веществ. Свойство менять свое сопротивление под воздействием света очень широко используется в электронике.

Внешний вид и обозначение на схеме фоторезистора

В основном фоторезисторы выглядят вот так

На схемах могут обозначаться так

Как работает фоторезистор

Давайте рассмотрим одного из представителя семейства фоторезисторов

На нем, как и во всех фотоэлементах, есть окошко, с помощью которого он «ловит» свет.

Сбоку можно прочитать его маркировку

Главным параметром фоторезистора является его темновое сопротивление. Темновое сопротивление фоторезистора — это его сопротивление при полном отсутствии падения света на него. Судя по справочнику, темновое сопротивление нашего подопечного 15х10 8 Ом или словами — 1,5 ГОм. Можно даже сказать — полнейший обрыв. Так ли это? Давайте глянем. Для этого я использую свою записную книжку и прячу там фоторезистор:

Даже в диапазоне 200 МОм мультиметр показал единичку. Это означает, что сопротивление фоторезистора далеко за 200 МОм.

Убираем нашего подопытного из книжки и включаем в комнате свет. Результат сразу же на лицо:

Теперь включаю свою настольную лампу. В комнате стало еще светлее. Смотрим на показания мультиметра:

Подношу фоторезистор вплотную к настольной лампе:

Делаем вывод: чем больше поток света попадает на фоторезистор, тем меньше его сопротивление.

Заключение

Широко используются фоторезисторы в полиграфии для обнаружения обрывов бумажной ленты, подаваемых в печатную машину. Они также осуществляют контроль уровня жидкости и сыпучих тел, защищают персонал от входа в опасные зоны. Автоматические выключатели уличного освещения и турникеты в метрополитене — вот далеко не полный перечень областей применения фоторезисторов. Фоторезисторы нашли применение в медицине, сельском хозяйстве и других областях. В настоящее время они вытесняются другими фото-радиоэлементами. Это могут быть фототранзисторы, фотодиоды, а также бесконтактные датчики.

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 I_т.

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

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

I_ф = I_св – I_т.

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

К_{о =} I_ф/ФU

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.

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

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.

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

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

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.

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.

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

Характеристики

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

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.

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.

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.

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

Если необходимо зафиксировать 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, 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.

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

Устройство обычного фоторезистора может быть разного исполнения:

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

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

Встречаются варианты и пленочных фотодатчиков.

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.

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.

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.

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.

Область применения

В современном мире область применения этих радиодеталей значительно расширена.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.