Фоторезисторы Конструкция и схема включения фоторезистора

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

• Читайте также:  Принцип работы диода Шоттки и сферы его применения
• На схемах могут обозначаться так
• или так

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.

Как работает фоторезистор

Фоторезисторы (ФР) обладают высокой чувствительностью в достаточно широком диапазоне (от инфракрасного до рентгеновского спектра), которая и зависит от длины волны светового потока. Эти радио компоненты все еще применяются во многих электронных устройствах благодаря их высокой стабильности во времени, малым размерам и богатым номиналам сопротивлений.

Их обычно изготавливают в пластиковом корпус с прозрачным окном и двумя внешними выводами, полярность подсоединения разницы не играет. Фоторезистор – это датчик (преобразователь), электрическое сопротивление которого изменяется в зависимости от интенсивности поступающего на него светового потока. Чем он сильнее, тем больше генерируется свободных носителей зарядов (электронов) и тем ниже сопротивление фоторезистора.

Два внешних металлических вывода этого датчика идут через керамический материал основания к специальной светочувствительной пленке, которая по свойству материал и своей геометрии задает электрические свойства сопротивления фоторезистора. Так как фоточувствительное вещество по своей природе с достаточно большим внутренним сопротивлением, то между обоими выводами с тонкой дорожкой, при средней световой интенсивности, получается низкое общее сопротивление фоторезистора. По аналогии с человеческим глазом, фоторезистор чувствителен к определенному интервалу длины световой волны. При выборе датчика приходится обращать на это пристольное внимание, т.к иначе он может совсем не среагировать на источник света.

У фоторезисторов обязательным параметром задается и температурный диапазон. Если использовать преобразователь при отличающихся температурах, то нужно обязательно добавить уточняющие преобразования, т.к. свойство сопротивления этого фотоэлемента зависит от температуры. Для характеристики интенсивности света применяют специальную величину называемую освещенность (E). Она показывает количество светового потока, который достигнет определенной поверхности. Для измерения единицы в системе СИ применяется физическая люкс (лк), где один люкс означает, что на поверхность размером один метр в квадрате равномерно падает поток света освещенностью в один люмен (лм). В реальных условиях световой поток практически никогда не падает равномерно на поверхность, поэтому освещенность получается несколько большей в среднем значении.

Интересно почитать: принцип действия и основные характеристики варисторов.

По сути это обычный транзистор, но без крышки в буквальном смысле. Крышка, закрывающая кристалл прибора, конечно, есть, но она выполнена из прозрачного материала и видимый свет может попадать на кристалл. Подавая на базу некоторое напряжение, можно управлять сопротивлением перехода эмиттер-коллектор. Но оказывается, сопротивлением перехода можно управлять и обычным светом.

Фототранзистор – это обычный транзистор, который имеет еще одну, дополнительную «базу» – световую. Освещаем – открываем транзистор. В таком включении вывод базы фототранзистора можно вообще не использовать – его роль выполняет свет.

Виды

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.

Чувствительность и инертность фоторезистора

Чувствительность фоторезистора зависит от длины световой волны. Если длина волны лежит вне рабочего диапазона, то свет не оказывает никакого воздействия на ФР. Можно сказать, что фоторезистор не чувствителен в этом диапазоне длин волн. Эти радио компоненты обладают более низкой чувствительность, чем фототранзисторы и фотодиоды.

Еще одна важная характеристика фоторезистора называется инертность, ее физический смысл состоит в том, что имеется определенная инертность (или проще понять – время задержки) между изменениями в освещении и последующим изменением сопротивления. Для того чтобы сопротивление снизилось до минимально возможного значения при полном освещении требуется около 10 мс, и около одной секунды понадобится для того, чтобы сопротивление возросло до максимума после затемнения этого-же компонента.

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:

• датчики обнаружения пламени;

• системы бесконтактного измерения температуры;
• системы отслеживания уровня влажности;
• применяются для обнаружения углекислых газов;
• в приборах инфракрасных анализаторах газов;

• используется в датчиках обрыва бумажной ленты в типографии или в бумажной промышленности;

• в промышленной электронике подключение фоторезистора может применяться для автоматического подсчета изделий, которые двигаются по транспортерной ленте.

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.

К размышлению

Во-первых, чтобы не собирать схему на макетной плате можно использовать готовый модуль с фоторезистором и делителем напряжения на борту.

Такой модуль удобен, если требуется создать прототип устройства или школьный мини-проект, который не должен сбоить от любого прикосновения к проводам.

Во-вторых, чтобы измерять освещенность в люксах, инженеры-осветители используют более сложные датчики — люксметры. Задача такого датчик — чувствовать свет, также, как глаз человека. Модуль люксметра тоже легко подключается к Ардуино, но об этом на другом уроке.

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.

Переключение

Теперь вы без труда поймёте код из примера File | Examples | 05.Control | switchCase

. Опытным путём выясняется, что показания фоторезистора колеблются от 0 до 600 (у вас могут быть другие значения, тогда измените). Делим интервал на четыре части при помощи
map()
: темно, дымка, средне, ярко. С помощью оператора выбора
switch
выбираем нужное значение и выводим сообщение. Схема остаётся прежней.
const int sensorMin = 0; // минимальное значение датчика const int sensorMax = 600; // максимальное значение датчика void setup() { Serial.begin(9600); } void loop() { // получаем данные от датчика int sensorReading = analogRead(A0); // делим данные на четыре интервала int range = map(sensorReading, sensorMin, sensorMax, 0, 3); // сравниваем значения и выводим нужное сообщение switch (range) { case 0: // рукой закрываем датчик Serial.println(«dark»); break; case 1: // подаём немного света Serial.println(«dim»); break; case 2: // ещё больше света Serial.println(«medium»); break; case 3: // датчик под лампой Serial.println(«bright»); break; } delay(1); // пауза для стабильности }