Принцип роботи фоторезистора: де застосовується і як можна підключити та перевірити

Зупинимося докладніше на описі напівпровідникового фоторезистора. По-перше, давайте визначимося.

Фоторезистор - це напівпровідниковий прилад (датчик), який при опроміненні світлом змінює (зменшує) свій внутрішній опір.

На відміну від фотоелементів інших типів (фотодіодів та фототранзисторів) цей прилад немає p-n переходу. Це означає, що фоторезистор може проводити струм незалежно від його напряму і може працювати не тільки в ланцюгах постійного струму, де є постійна напруга, але і змінними струмами.

Пристрій

Конструкція різних моделей фоторезисторів може відрізнятись формою матеріалу корпусу. Але в основі кожного з цих пристроїв лежить підкладка, як правило, керамічна, покрита шаром напівпровідникового матеріалу. Поверх цього напівпровідника змія завдає тонкого шару золота, платини або іншого стійкого до корозії металу. (Див малюнок 1). Шари наносяться розпорошенням.

Мал. 1. Фоторезисторний пристрій

Напиляні пласти з'єднані з електродами, на які подається електричний струм. Всю цю конструкцію часто покривають прозорим пластиком та поміщають у коробку з вікном для входу світлових променів (див. рис. 2).

Мал. 2. Оформлення фоторезиста

Форма корпусу, його розміри та матеріал залежать від моделі фоторезистора, що визначається технологією виробника. Приклади моделей показані на рисунках 3 та 4.

Мал. 3. Датчик на основі фоторезистора
Мал. 4. Фотодетектор

У продажу сьогодні можна побачити деталі у металевому корпусі, частіше пластикові або моделі відкритого типу.Деякі моделі виготовляються без методу напилення, а тонкий резистивний шар вирізають прямо з напівпровідника. Існують також технології виготовлення плівкових фотодатчиків (див. рис. 5).

Мал. 5. Конструкція плівкового фоторезистора

Для нанесення напівпровідникового шару використовують різні фоторезистивні матеріали. Селенід та сульфід кадмію використовуються для фіксації спектра видимого світла.

Більш широкий спектр матеріалів сприйнятливий до інфрачервоного випромінювання:

• чистий германій або легований домішками золота, міді, цинку;
• кремній;
• сульфід свинцю та інші хімічні сполуки на його основі;
• антимонід або арсенід індія;
• інші хімічні сполуки, чутливі до інфрачервоних променів.

Чистий германій або кремній застосовують при виготовленні фоторезисторів із внутрішнім фотоефектом, а речовини, леговані домішками, - для структур із зовнішнім фотоефектом. Незалежно від типу використовуваного фоторезистивного матеріалу обидва типи фоторезисторів мають однакові властивості: зворотну, нелінійну залежність опору від сили світлового потоку.

Складові фоторезистора

У загальному випадку фоторезистор є керамічною підкладкою, на яку в якості першого покриття нанесений світлочутливий шар, а в якості другого - металевий шар із зазором у вигляді вигнутої лінії - «змійки». Зазор поділяє оболонку на два окремих контактних шари, до яких кріпляться штифти для припою. Форма вирізу «змійка» забезпечує гарне освітлення світлочутливого матеріалу.

Як світлочутливий шар можуть бути використані такі матеріали: сульфід кадмію, сульфід свинцю, селеніт кадмію та інші.

Вибір матеріалу при виготовленні фоторезистора визначає спектральну характеристику, тобто діапазон довжин хвиль при освітленні, який дозволить правильно змінити опір елемента. Тому при виборі фоторезистора потрібно враховувати, на якому спектрі він працює.

Принцип роботи

У неактивному стані напівпровідник виявляє властивості діелектрика. Щоб він проводив струм, необхідно впливати на речовину зовнішнім подразником. Таким стимулятором може бути теплова дія або світло.

Під впливом фотонів світла напівпровідник насичується електронами, у результаті стає здатним проводити електричний струм. Чим більше вироблено електронів, тим менший опір струму має напівпровідниковий матеріал. Залежність сили струму від освітленості ілюструє графік на рис. 6.

Мал. 6. Графік залежності від поточної сили освітлення

На цьому принципі ґрунтується дія фоторезисторів. Формуванню електронів сприяє як видимий, і невидимий спектр світла. Крім того, фоторезист більш чутливий до інфрачервоних променів, що мають більш високу енергію. Чисті матеріали мають низьку чутливість до видимого світла.

Для підвищення чутливості шару фоторезиста його легують різними добавками, що формують оновлену зовнішню зону, розташовану на вершині зони валентної напівпровідника. Таке зовнішнє насичення електронами вимагатиме менше енергії для переходу в стан насичення з керуючим фотострумом. Виникає зовнішній фотоефект, що стимулюється видимим спектром випромінювання.

Підбираючи легуючі домішки, можна створювати фоторезистори для роботи у різних спектральних діапазонах. Фоторезистор має спектральну чутливість.Якщо довжина хвилі світла виходить за межі зони провідності, пристрій перестає реагувати на ці промені. Висвітлення в таких випадках не може впливати на електропровідність виробу.

Вибір спектральних характеристик залежить від умов експлуатації виробу та розв'язуваних завдань. Якщо інтенсивності випромінювання недостатні для стабільної роботи приладу, його ефективність можна підвищити, підібравши чутливі елементи з напівпровідниковим шаром.

Важливо пам'ятати, що інерційність фоторезисторів помітно більша, ніж у фотодіодів і фототранзисторів. Інерція пристрою виникає через те, що для насичення напівпровідникового шару потрібен час. Тому датчик завжди дає сигнал із деякою затримкою.

Особливості фоторезисторів

Фоторезистор призначений не для точного вимірювання освітленості, а для визначення того, чи оточення стало світлішим або темнішим.

Фоторезистори не мають p-n переходу, тому ви можете підключити компонент до ланцюга, не турбуючись про плюс чи мінус.

Фоторезистор має інерційність, тобто між зміною опору освітленості є запізнення. Для значного падіння опору впливу світлового променя потрібно близько 10 мілісекунд.

При зворотній дії для скидання значення опору потрібно близько 1 секунди. Завдяки цим властивостям фоторезистор поступово витісняється іншими компонентами, що швидко вловлюють різкі стрибки світла.

Позначення на схемі

Відрізнити фоторезистор у схемі від звичайного резистора досить просто. Значок фоторезист має дві стрілки, спрямовані всередину прямокутника. Ці стрілки символізують потік світла (див. мал. 7).У одних схемах символ резистора поміщають усередині кола, а інших він позначається прямокутником без кружка. Але головна відмінність – це наявність стрілок.

Мал. 7. Фоторезистор на схемі

Види

Незважаючи на різноманітність фотодатчиків, їх можна розділити лише на два типи:

1. Фоторезистори з внутрішнім фотоефектом;
2. Датчики із зовнішнім фотоефектом.

Вони відрізняються лише технологією виробництва, а точніше складом шару фоторезиста. До перших належать фоторезистори, в яких напівпровідник виконаний із чистих хімічних елементів, без домішок. Вони нечутливі до видимого світла, але добре реагують теплові промені (інфрачервоне світло).

Фоторезистори зовнішнього ефекту містять домішки, леговані основним складом напівпровідникової речовини. Спектр чутливості цих датчиків набагато ширший і зміщується у бік видимого спектра і навіть у зону УФ-випромінювання.

За принципом дії ці два типи фоторезисторів не відрізняються. Його внутрішній опір нелінійно зменшується із збільшенням інтенсивності світлового потоку у зоні чутливості.

Фоторезистор із внутрішнім фотоефектом

Запатентовані фоторезистори виготовляються із чистих напівпровідникових матеріалів, таких як кремній чи германій. Зовнішня оболонка будь-якого атома може містити до восьми валентних електронів. Однак у кремнії чи германії кожен атом складається з чотирьох валентних електронів. Ці чотири валентні електрони від кожного атома утворюють чотири ковалентні зв'язки з чотирма сусідніми атомами, повністю заповнюючи зовнішню оболонку. В результаті не залишається жодного вільного електрона.

Коли ми застосовуємо світлову енергію до фоторезистори з внутрішнім ефектом, тільки невелика кількість валентних електронів отримує достатньо енергії і вивільняється з батьківського атома. Тому генерується невелика кількість носіїв заряду. Через війну через внутрішній фоторезистор протікає лише невеликий електричний струм.

Внутрішні фоторезистори менш чутливі до світла, тому вони є ненадійними для практичного застосування.

Фоторезистор із зовнішнім фотоефектом

Фоторезистори із зовнішнім фотоефектом виготовляються із зовнішніх напівпровідникових матеріалів. Розглянемо приклад зовнішнього фоторезистора, виготовленого з комбінації атомів кремнію та домішок фосфору.

Кожен атом кремнію має чотири валентні електрони, а кожен атом фосфору має п'ять валентних електронів.

Чотири валентні електрони атома фосфору утворюють чотири ковалентні зв'язки з чотирма сусідніми атомами кремнію. Однак п'ятий валентний електрон атома фосфору не може утворити ковалентний зв'язок з атомом кремнію, оскільки атом кремнію має лише чотири валентні електрони. Тому п'ятий валентний електрон кожного атома фосфору вивільняється з атома. Таким чином, кожний атом фосфору генерує один вільний електрон.

Вільний електрон, що утворився, стикається з валентними електронами інших атомів і звільняє їх. Так само один вільний електрон породжує кілька вільних електронів. Тому додавання невеликої кількості домішкових атомів (фосфору) генерує мільйони вільних електронів.

Зовнішні фоторезистори вже мають велику кількість носіїв заряду. Отже забезпечення невеликої кількості світлової енергії генерує ще більше носіїв заряду.Тому електричний струм швидко зростає.

Збільшення електричного струму означає зменшення опору. Опір зовнішнього фоторезистора швидко зменшується з невеликим збільшенням прикладеної світлової енергії. Зовнішні фоторезистори надійні для практичного застосування.

Технічні характеристики

Які критерії застосовувати під час вибору фоторезистора?

Насамперед зверніть увагу на спектральні характеристики. При неправильному виборі цього параметра, швидше за все, пристрій не працюватиме або його робота буде нестабільною. Наприклад, фоторезистори з внутрішнім ефектом не реагують на світло. Якщо ви не плануєте використовувати інфрачервоний випромінювач як опромінювач, зупиніть свій вибір на другому типі пристрою.

Інші важливі особливості:

• вбудована чутливість;
• силова характеристика (поріг чутливості);
• інерції.

Вольт-амперна характеристика показує залежність величини струму від прикладеної напруги. Графічно ця характеристика зображується як гіперболи. Але якщо виконується умова стабільності інтенсивності освітлення, то світловий потік Ф = постійний, залежність сили струму від напруги буде лінійною, а графік – прямою лінією. (Див рис. 8а).

Енергетична характеристика показує, як сила струму залежить від величини світлового потоку при постійній напрузі (рис. 8 б). На графіці видно, як змінюється крива енергії: спочатку вона прямує вгору, а при досягненні певної межі плавно змінює напрямок і стає майже паралельною осі світлового потоку.Це тим, що після насичення напівпровідникового елемента його опір мінімально й надалі залежить від інтенсивності світла.

Рисунок 8. Характеристики фоторезистора

Що стосується інерції, то вона присутня більшою або меншою мірою у всіх типах датчиків.

Чутливість фоторезистора

Фоторезистори мають меншу чутливість, ніж фотодіоди і фототранзистори.

Якщо інтенсивність світла знаходиться на стабільному рівні, опір все одно може суттєво змінюватися через перепади температури, оскільки LDR теж чутливі до перепадів температури.

Чутливість фоторезистора від довжини хвилі

Чутливість фоторезистора залежить від довжини хвилі світла. Якщо довжина хвилі знаходиться за межами робочого діапазону, то світло не вплине на LDR.

Різні матеріали мають різні унікальні спектральні характеристики форми сигналу в залежності від кривих чутливості. на вимірювання через зміну опору фоторезистора через тепловий вплив.

На наступному малюнку показаний спектральний відгук фотопровідних детекторів, виготовлених із різних матеріалів.

Інертність фоторезистора

Ще однією цікавою властивістю фоторезистора є наявність інерції (часу затримки) між зміною освітленості та зміною опору.

Для падіння опору до мінімуму при повному освітленні потрібно близько 10 мс, а збільшення опору фоторезистора до максимуму після настання темряви — близько 1 секунди.

З цієї причини LDR не можна використовувати в програмах, де необхідно враховувати раптові зміни освітлення.

Одиниця виміру

Одиниця світла у системі СІ називається люкс, що формально означає «світловий потік на одиницю площі». У фотометрії люкс використовується як міра інтенсивності світла, що входить або проходить через поверхню, яка сприймається людським оком.

Символ фоторезистора на схемі

Символ американського стандарту та міжнародний символ фоторезисту показано на малюнку нижче.

Переваги та недоліки

Сильні сторони фоторезисторів – висока надійність та низька ціна. Іноді корисною властивістю є його вольтамперна характеристика, коли струм наростає не блискавично, а поступово. Перевагою є низький поріг чутливості.

До недоліків можна віднести інерційність датчиків. Затримка сигналу знижує продуктивність термісторних пристроїв, що неприпустимо.

Переваги фоторезистора

• Маленький за розміром
• Бюджет
• Легко переносити з одного місця на інше.

Недоліки фоторезистора

Застосування

Через низький поріг чутливості фоторезистори часто використовуються для виявлення слабких пучків світлових хвиль.

Ця якість використовується:

• у сортувальних машинах;
• у поліграфії для фіксації факту обриву паперової стрічки;
• у сільськогосподарських машинах для контролю густоти посіву зерна;
• у світлових реле для увімкнення/вимкнення освітлення, у фотоекспонометрах і т.д.

У промисловій електроніці фоторезистори використовуються для обліку продуктів, що рухаються конвеєрною стрічкою або падають у ємність для зберігання.

Сам датчик не може виконувати обчислення, але його сигнали використовуються та обробляються мікроконтролерами з наступними обчисленнями. Сигнали фоторезистора сприймаються як аналоговими, так і цифровими логічними схемами.

На основі фоторезисторів виробляються оптопари – пристрої з власним джерелом світла, яким можна керувати.

9. Схема оптопари.

Незважаючи на деякі недоліки приладів, вік фоторезисторів, мабуть, ще не закінчився.

Автоматика вуличного освітлення

Автомати, що включають вуличне освітлення, здатні визначати наявність/відсутність сонячного світла.

З настанням сутінків і протягом ночі опір ЛДР збільшується, що викликає зменшення напруги на змінному резисторі R2.

Це повністю робоча схема фотореле, але її головна вада — відсутність гістерези. Це призводить до того, що реле видає короткий гудок у сутінках за незначних змін освітлення.

Ця електронна частина допомагає відстежувати ступінь освітленості у навколишньому середовищі.

Датчики наявності інших умов

У поліграфії конструкції на спеціальному фоторезистори стежать за урвищем рулону паперу. Їх також можна використовувати для розрахунку аркушів паперу на конвеєрі.

Підключення до мікроконтролера

При підключенні фоторезистора до мікроконтролера, наприклад Arduino або Espruino, виникне проблема: контролери не можуть вважати опору компонентів. Для підключення фоторезистора до мікроконтролерів використовується схема дільника напруги.

Резисторний дільник є двома резисторами, з'єднаними послідовно між плюсом і мінусом, званих плечима. Сума плечових напруг дорівнює вхідної напруги живлення. Плечо між мінусом і серединою називається низом, а друге плече вершиною.

• R1 - простий резистор, наприклад 220 Ом.
• R2 - фоторезистор.
• Ти ст. - Вхідна напруга.
• Ваш вихід – вихідна напруга.

Підключити до мультиметра в режимі вимірювання напруги або АЦП мікроконтролера.

В результаті показання опору будуть перетворені на показання напруги, з якими вже може працювати АЦП мікроконтролера.

Відчуйте себе справжнім інженером: зберіть перший датчик світла на основі резисторного дільника в нашому електронному наборі Omka.

А якщо ви вже оновили свої знання у схемотехніці і хочете просунутися далі в IT-технологіях, скористайтесь електронним конструктором КіберКодер, де ви запрограмуєте пристрій на свій смак і колір.

Як перевірити фоторезистор мультиметром

Для отримання більш точних та вичерпних відомостей про фоторезисторі знімають такі характеристики:

а) люкс-ампер, що є залежністю сили струму, що протікає через фоторезистор, від інтенсивності падаючого на нього потоку випромінювання;

б) спектральний, що визначає чутливість фоторезистора при дії випромінювання певної довжини хвилі;

в) вольтамперна, що дозволяє встановити межі лінійності характеристики та опору фоторезистора;

г) частота, що характеризує інерційність фоторезистора.

Інформація, необхідна для оцінки та застосування фоторезисторів

Щоб уникнути незворотних змін параметрів неізольованих фоторезисторів, які можуть виникнути при їх нагріванні паяльником, рекомендується з'єднувати дроти голих фоторезисторів з іншими елементами схеми не паянням, а притискними контактами.

Алгоритм пошуку несправності

Візуальний огляд

Будь-який ремонт починається із зовнішнього огляду плати. Необхідно без приладів оглянути всі вузли та звернути особливу увагу на пожовклі, почорнілі деталі та вузли зі слідами нагару або кіптяви. Для візуального огляду може допомогти збільшувальне скло або мікроскоп, якщо ви працюєте із щільно упакованими компонентами SMD. Зламані деталі можуть свідчити не лише про локальну проблему, а й про проблему в елементах обв'язування цієї деталі. Наприклад, транзистор, що вибухнув, міг потягнути за собою пару елементів джгута.

Ділянка на платі, не завжди жовта від температури, свідчить про наслідки зносу деталі. Іноді це відбувається внаслідок тривалої роботи пристрою; під час перевірки всі деталі можуть бути цілими.

Крім огляду зовнішніх вад і слідів гару, варто принюхатися на неприємний запах, схожий на горілу гуму. Якщо ви виявили почорнілий елемент, його слід перевірити. Він може мати одну з трьох несправностей:

Іноді несправність настільки очевидна, що можна визначити без мультиметра.

Перевірка резистора на урвище

Перевірити справність можна звичайним маркером або тестером у режимі перевірки діодів зі звуковою індикацією (див. фото нижче). Варто зазначити, що за маркуванням можна перевірити лише резистори опором в одиниці Ом – десятки ком. І не всі циферблати витримують 100кОм.

Для перевірки потрібно просто підключити обидва щупи до висновків резистора, не важливо SMD компонент або вихідний. Швидку перевірку можна провести без випаювання, після чого випаяти підозрілі елементи і знову перевірити на урвище.

Увага! Перевіряючи деталь, не випоюючи її з друкованої плати, будьте уважні: паралельні елементи можуть заплутати вас. Це справедливо як під час перевірки без приладів, так і під час перевірки мультиметром. Не полінуйтеся та краще припаяйте підозрілу деталь. Таким чином, ви можете перевірити тільки ті резистори, де ви впевнені, що в ланцюзі паралельно їм нічого не встановлено.

Перевірка короткого замикання

Крім урвища, резистор міг бути закорочений. Якщо ви використовуєте безперервність, вона має бути з низьким опором, наприклад, у лампі розжарювання. Тому що високоомні світлодіодні кільця безперервності «кільця» «кільцеві» ланцюги з опором та десятками ком без істотної зміни яскравості яскравості. Звукові індикатори краще справляються із цим завданням, ніж світлодіоди.По частоті гудків можна будувати висновки про цілісності ланцюга; складні вимірювальні прилади, такі як мультиметр та омметр, займають перше місце за надійністю.

Перевірка на коротке замикання здійснюється одним способом, розглянемо покрокову інструкцію:

1. Виміряйте ділянку ланцюга омметром, продзвоном або іншим приладом.
2. Якщо його опір падає до нуля, а продзвонювання вказує на коротке замикання, випоюється підозрілий елемент.
3. Перевірте ділянку ланцюга, на якому більше немає елемента, якщо КЗ пішло, ви знайшли несправність, якщо ні, пропаюйте сусідів, поки не зникне.
4. Інші елементи збираються заново, що зникає після заміни КЗ.
5. Перевірити результати роботи на наявність короткого замикання.

Ось наочний приклад того, що резистор, що згорів, залишив сліди на сусідніх резисторах, можливо вони теж пошкоджені:

Резистор почорнів через високу температуру, на сусідніх елементах видно не лише сліди обгорання, а й сліди перегрітої фарби, змінився її колір, можливо пошкоджено частину струмопровідного резистивного шару.

На наступному відео показано, як перевірити опір мультиметром:

Визначаємо номінал резистора

У радянських резисторів номінал вказувався буквенно-цифровим. У сучасних вихідних резисторів значення зашифровано кольоровими смужками. Для заміни резистора після перевірки справності потрібно розшифрувати маркування згорілого.

Для визначення маркування кольоровими смужками існує безліч безкоштовних додатків для Android. Раніше використовувалися спеціальні столи та пристосування.

Виріжте кольорові кола, проткніть їх центром і з'єднайте, найбільший ззаду, найменший спереду. Вибудовуючи кола, ви визначаєте опір елемента.

До речі, в сучасних керамічних резисторах використовується і явне маркування, що вказує на опір і потужність елемента.

Якщо говорити про SMD елементи, то тут все досить просто. Допустимо, позначка «123»:

12 * 10 3 = 12000 Ом = 12 кОм

Є й інші мітки з 1, 2, 3 та 4 символів.

Якщо шматок згорів так, що сліду взагалі не видно, варто спробувати потерти його пальцем або гумкою, якщо це не допоможе, у нас є три варіанти:

1. Подивіться на електричну схему.
2. У деяких доріжках є кілька однакових доріжок, у цьому випадку можна перевірити значення твору в сусідньому каскаді. Приклад: резистори, що підтягують, в кнопках для мікроконтролерів, індикаторні обмежувальні резистори.
3. Виміряйте опір уцілілої ділянки.

Про перші два способи додати нічого, давайте розберемося, як перевірити опір згорілого резистора.

Почнімо з того, що потрібно очистити покриття на деталі. Після цього увімкніть на мультиметрі режим вимірювання опору, зазвичай має позначення «Ом» або «Ом».

Якщо вам пощастило і область безпосередньо біля розетки згоріла, просто виміряйте опір на кінцях шару резистивного.

У прикладі як на фото можна виміряти опір резистивного шару або визначити за кольором маркувальних смужок, тут вони не вкриті кіптявою - вдалий збіг.

Ну а якщо вам не пощастило і частина резистивного шару вигоріла, залишається виміряти невелику ділянку і помножити результат на кількість таких ділянок по всій довжині резистора. На зображенні видно, що щупи з'єднані у відрізок, що дорівнює 1/5 загальної довжини:

Така перевірка дозволяє отримати результат, близький до дійсного номіналу елемента, що згорів.Докладно цей спосіб показаний у відео:

Як перевірити змінний резистор та потенціометр

Щоб зрозуміти, що таке потенціометричний тест, розглянемо його структуру. Змінний резистор відрізняється від потенціометра тим, що перший регулюється викруткою, а другий рукояткою.

Потенціометр є триніжкою. Він складається з повзунка та резистивного шару. Повзунок ковзає по резистивному шарі. Крайні ніжки це кінці резистивного шару, а середня з'єднана з бігунком.

Щоб дізнатися про імпеданс потенціометра, потрібно виміряти опір між крайніми ніжками. А якщо ви перевірите опір між одним із крайніх плечей та середнім, то знайдете поточний опір у двигуні щодо одного з країв.

Але найчастіша несправність такого резистора - це не підгоряння кінців, а знос резистивного шару. Через це опір змінюється неправильно, може зникати контакт на певних ділянках, і тоді опір скаче до нескінченності (обрив ланцюга). Коли повзунок займає положення, коли знову з'являється контакт повзуна з накладкою, опір знову «правильне». Можливо, ви помітили цю проблему під час регулювання гучності на старих динаміках або підсилювачі. Проблема в тому, що при повороті ручки ви періодично чутимете гучні клацання або глухі удари з динаміків.

А взагалі плавність ходу потенціометра зручніше перевіряти аналоговим мультиметром зі стрілкою, тому що на цифровому дисплеї дефект можна і не помітити.

Потенціометри можуть бути здвоєними, іноді званими стереопотенціометрами, тоді вони мають 6 контактів, логіка перевірки однакова.

На наступному відео показано, як перевірити потенціометр мультиметром:

Методи перевірки опорів прості, але отримання нормального результату перевірки необхідний мультиметр чи омметр з різними межами вимірів. З його допомогою ви також можете вимірювати напругу, струм, ємність, частоту та інші величини, залежно від моделі пристрою. Це основний інструмент майстра з ремонту електроніки. Резистори іноді виходять з ладу із зовнішньою цілісністю, іноді виходять за межі номінального значення опору. Перевірка необхідна, щоб визначити, чи деталі відповідають номінальним характеристикам, а також переконатися, що деталь працює чи ні. На практиці способи перевірки можуть відрізнятися від описаних, хоча принцип той самий, все залежить від ситуації.

Чи можна обійтися без резисторів?

Фактично, у деяких випадках ви не можете використовувати струмообмежуючий резистор. Розглянутий нами світлодіод може живитися безпосередньо від двох батарей 1,5В. Оскільки його робоча напруга становить 3,2 В, струм, який протікатиме через нього, буде меншим за номінальний струм, і йому не буде потрібний баласт. Звичайно, при такому блоці живлення світлодіод не даватиме повного світлового потоку.

Іноді в ланцюгах змінного струму замість резисторів як струмообмежувальні елементи використовуються конденсатори (докладніше про розрахунок конденсатора). Прикладом можуть бути перемикачі з підсвічуванням, у яких конденсатори є «безватні» резистори.

Що таке фоторезистор?

Фоторезистори (фотоелектричні прилади – це прилади, які можуть змінювати свої технічні характеристики під впливом світла. Знайшли своє застосування такі прилади у всій електриці та електроніці. Їхнє значення переоцінити вкрай складно.Сам термін фоторезистор каже за себе. Вони змінюють опір під впливом світлового потоку. Такий резистор може мати номінальний опір 1-200 ОМ, але на світлі він може зменшитися в десятки і навіть сотні разів.

Основна перевага цих радіодеталей – залежність опору від ступеня освітлення. Саме тому їх можна використовувати у різних датчиках чи вимірювачах освітленості. Але є й низка недоліків – з ними не зручно працювати через високий опір.

У цій статті будуть розглянуті всі характеристики та особливості фоторезисторів, а також наведено всі необхідні розрахунки. Як бонус, у статті міститься відеоролик і файл, що завантажується, де міститься цікава додаткова інформація.

Як працює фоторезистор

У темряві, опір цих радіо компонентів величезне, може сягати десятків МОм, але щойно елемент піддається впливу світла, його опір різко знижується до часткою Ома.

Фоторезистори (ФР) мають високу чутливість у досить широкому діапазоні (від інфрачервоного до рентгенівського спектру), яка і залежить від довжини хвилі світлового потоку. Ці радіо компоненти все ще застосовуються в багатьох електронних пристроях завдяки їхній високій стабільності в часі, малим розмірам та багатим номіналам опорів.

Їх зазвичай виготовляють у пластиковому корпусі з прозорим вікном та двома зовнішніми висновками, полярність приєднання різниці не грає. Фоторезистор – це датчик (перетворювач), електричний опір якого змінюється в залежності від інтенсивності світлового потоку, що надходить на нього.Чим він сильніший, тим більше генерується вільних носіїв зарядів (електронів) і тим нижчий опір фоторезистора.

Два зовнішні металеві виводи цього датчика йдуть через керамічний матеріал основи до спеціальної світлочутливої ​​плівки, яка за властивістю матеріал і своєї геометрії задає електричні властивості опору фоторезистора. Так як фоточутлива речовина за своєю природою з досить великим внутрішнім опором, між обома висновками з тонкою доріжкою, при середній світловій інтенсивності, виходить низький загальний опір фоторезистора. За аналогією з людським оком фоторезистор чутливий до певного інтервалу довжини світлової хвилі. При виборі датчика доводиться звертати на це увагу, тому що інакше він може зовсім не зреагувати на джерело світла.

У фоторезисторів обов'язковим параметром визначається і температурний діапазон. Якщо використовувати перетворювач при температурі, то потрібно обов'язково додати уточнюючі перетворення, т.к. Якість опору цього фотоелемента залежить від температури. Для характеристики інтенсивності світла застосовують спеціальну величину, звану освітленість (E). Вона показує кількість світлового потоку, який досягне певної поверхні. Для вимірювання одиниці в системі СІ застосовується фізична люкс (лк), де один люкс означає, що на поверхню розміром один метр у квадраті рівномірно падає потік світла освітленістю один люмен (лм). У реальних умовах світловий потік практично ніколи не падає рівномірно на поверхню, тому освітленість виходить дещо більшою у середньому значенні.

По суті, це звичайний транзистор, але без кришки в буквальному сенсі.Кришка, що закриває кристал приладу, звичайно є, але вона виконана з прозорого матеріалу і видиме світло може потрапляти на кристал. Подаючи на основу деяку напругу, можна керувати опором переходу емітер-колектор. Але виявляється, опором переходу можна керувати і простим світлом.

[stextbox – це звичайний транзистор, який має ще одну, додаткову базу – світлову. Висвітлюємо – відкриваємо транзистор. У такому включенні висновок бази фототранзистора взагалі можна використовувати – його роль виконує світло.[/stextbox]

Види та принцип роботи, позначення на схемах

Залежно від матеріалів, що використовуються під час виготовлення на виробництві все, фоторезистори можна умовно розділити на дві великі групи: із внутрішнім та зовнішнім фотоефектом.

У виробництві елементів з внутрішнім фотоефектом застосовують нелеговані матеріали, наприклад германій або кремній. Фотони, що потрапляють на фоторезистор, змушують електрони рухатися з валентної зони провідності.

Завдяки цьому виникає величезна кількість вільних електронів, тим самим різко зростає електропровідність і тому знижується опір. Фоторезистор із зовнішнім фотоефектом виготовляють із матеріалів, з додаванням домішок легуючої добавки, яка створює нову енергетичну зону поверх наявної валентної, багатої на електрони.

Крім того, електронам нової зони необхідно на порядок менше енергії, щоб перейти в зону провідності завдяки нижчій енергетичній щілині. Тому фоторезистори із зовнішнім фотоефектом набагато чутливіші до різних довжин світлового спекіра хвиль.

Фоторезистор на схемах позначається також як і звичайний резистор, але з додаванням двох стрілочок, які спрямовані до прямокутника. Як матеріали для фоторезисторів широко використовуються сульфіди, селеніди та телуриди різних елементів, а також сполуки типу A_lMB_v. В інфрачервоній області можуть бути використані фоторезистори на основі PbS, PbSe, PbTe, InSb, в області видимого світла та ближнього спектра ультрафіолету – CdS.

[Stextbox фоторезистори широко застосовуються в багатьох галузях науки і техніки. Це пояснюється їхньою високою чутливістю, простотою конструкції, малими габаритами та значною допустимою потужністю розсіювання. Значний інтерес представляє використання фоторезисторів в оптоелектроніці. У радіоаматорських конструкціях фоторезистори застосовуються як світлові датчики в пристроях стеження та автоматики, автоматичних та фотореле у побуті, в охоронних системах.[/stextbox]

Чутливість та інертність фоторезистора

Чутливість фоторезистора залежить від довжини світлової хвилі. Якщо довжина хвилі лежить поза робочим діапазоном, то світло не впливає на ФР. Можна сказати, що фоторезистор не чутливий у цьому діапазоні довжин хвиль. Ці радіо компоненти мають нижчу чутливість, ніж фототранзистори і фотодіоди.

Ще одна важлива характеристика фоторезистора називається інертність, її фізичний сенс полягає в тому, що є певна інертність (або простіше зрозуміти – час затримки) між змінами у висвітленні та подальшою зміною опору.Для того щоб опір знизився до мінімально можливого значення при повному освітленні потрібно близько 10 мс, і близько однієї секунди знадобиться для того, щоб опір зріс до максимуму після затемнення цього компонента.

Чутливість та інертність фоторезистора.

Конструкція та застосування

Сучасні фоторезистори виготовляють із селеніду свинцю, сульфіду свинцю, антимоніду індію, але найчастіше із селеніду та сульфіду кадмію та кадмію. Спектральна характеристика сульфіду кадмію практично повністю збігається із пристроєм людського ока. Довжина хвилі пікової чутливості – 560-600 нм, що відповідає видимій частині спектра.

Для виготовлення елемента з сульфіду кадмію високоочищений порошок змішують з інертними сполучними речовинами. Потім цю суміш спікають і пресують. У вакуумному середовищі на основу з електродами наносять тонкий фоточутливий шар у вигляді звивистої доріжки. Потім, основа міститься в прозору оболонку, для захисту фоточутливого елемента. Основною сферою застосування цих радіо елементів є автоматика, за допомогою них можна створити прості та надійні схеми фотореле без використання струмових підсилювачів.

[stextbox фотореле застосовуються в системах керування та контролю. У вимірювальній техніці фоторезистори використовуються для вимірювання високих температур у різних технологічних процесах. У фоторезисторів обов'язково визначено і діапазон температури. Якщо використовувати датчик за різних температур, слід обов'язково ввести уточнюючі перетворення, т.к. властивість опору залежить від зовнішньої температури.[/stextbox]

Для характеристики інтенсивності світла використовують фізичну величину освітленість (позначення E), що показує кількість світлового потоку, що досягає будь-якої поверхні. Для вимірювання одиниці є люкс (лк), де 1 люкс означає, що поверхню розміром 1 m 2 рівномірно падає світловий потік в 1 люмен (лм). У реальному житті світло практично ніколи не падає на (житлову) поверхню рівномірно і тому освітленість виходить більше у середньому значенні. Для порівняння наведено деякі приклади освітленості:

Колір хвилі та діапазон її довжини.

Основні характеристики фоторезисторів

Фоторезистор (від фото- та резистор), являє собою напівпровідниковий резистор, омічний опір якого визначається ступенем освітленості. У основі принципу дії фоторезисторів лежить явище фотопровідності напівпровідників. Фотопровідність – збільшення електричної провідності напівпровідника під впливом світла.

Причина фотопровідності – збільшення концентрації носіїв заряду – електронів у зоні провідності та дірок у валентній зоні. Світлочутливий шар напівпровідникового матеріалу в таких опорах поміщений між двома струмопровідними електродами. Під впливом світлового потоку електричний опір шару змінюється у кілька разів (у деяких типів фотоопорів воно зменшується на два-три порядки). У відеоролику нижче представлена ​​докладна інформація про фоторезистори.

Залежно від застосовуваного шару напівпровідникового матеріалу фотоопору поділяються на сірчано-свинцеві, сірчисто-кадмієві, сірчисто-вісмутові та полікристалічні селено-кадмієві. Фотоопір мають високу чутливість, стабільність, вони економічні і надійні в експлуатації.У низці випадків вони з успіхом замінюють вакуумні та газонаповнені фотоелементи.

Основні характеристики фотоопорів:

• Робоча площа.
• Темновий опір (опір у темряві), варіюється в звичайних приладах від 1000 до 100000000 Ом.
• Питома чутливість

Світлова (люкс-амперна), що характеризує залежність фотоструму від падаючого світлового потоку постійного спектрального складу. Напівпровідникові фоторезистори мають нелінійну люкс-амперну характеристику. Найбільша чутливість виходить при малій освітленості. Це дозволяє використовувати фоторезистори для вимірювання дуже малих інтенсивностей випромінювання. При збільшенні освітленості світловий струм зростає приблизно пропорційно до кореня квадратного з освітленості. Нахил люкс-амперної характеристики залежить від прикладеної до фоторезистора напруги.

Про взаємозв'язок між освітленістю та електричним опором фоторезистора дається приблизна формула специфікації датчика. Як видно на наведеному вище графіку, на логарифмічній шкалі освітленість і опір знаходяться приблизно в лінеарній залежності і утворюють пряме рівняння, тому що застосовується наступне перетворення: log(a/b) = log(a) – log(b)

Зв'язок характеризує γ фактор (рівний підйом), який у датчика VT935G дорівнює 0,9. Відомі також дані однієї точки лінії: 18,5 kΩ опір (R_A) 1 при 10 lx освітленості (E_A). Таким чином, є координати точки 1 і рівний підйом і для обчислення будь-якої іншої точки вистачить тільки одного координата.

Якщо виміряти опір датчика (R_B), то можна з рівняння лінії обчислити освітленість (E_B) падаючу на датчик. Виразимо рівняння лінії E_B:

Таким чином, є формула для обчислення освітлення, якщо опір відомий. Опір безпосередньо мікроконтролером виміряти не можна – для цього фоторезистор знаходиться у дільнику напруги, вихідна напруга якого переводить аналогово-дигітальний перетворювач у конкретні числа (ADC). Для знаходження опору, в першу чергу, доведеться обчислити зі значення ADC вихідну напругу (U₂), дільника напруги, враховуючи та порівнювану напругу (U_ref) перетворювача. Формула така:

З формули дільника напруги (див. розділ дільника напруги) можна знайти у схемі верхнього фоторезистора опір (R₁):

Далі при обчисленні напруги та опору відомі фактори замінюються значеннями та нижні індекси опущені:

Для знаходження освітленості можна зробити переклади, що спрощують:

E = 10 log(18,5/R) / 0.9 + 1 = 10 log(18,5/R) ⋅ 10/9 ⋅ 10 1 = 10 log18,5 ⋅ 10/9 – logR ⋅ 10/9 ⋅ 10 = (10 log18,5 ⋅ 10/9 / 10 logR ⋅ 10/9 ) ⋅ 10 =

= (18,5 10/9 / R 10/9) ⋅ 10 = 18,5 10/9 ⋅ 10 ⋅ R -10/9

Обчисливши постійну перемінної R, що залишається, залишається формула у вигляді:

Головною перевагою напівпровідникових фотодетекторів у порівнянні з фотомножниками є їх здатність реєструвати довгохвильове випромінювання, оскільки створення рухомих носіїв у них не пов'язане з подоланням значного поверхневого потенційного бар'єру.

Недоліком їх є невелике посилення по струму. Щоб вихідний імпульс міг керувати різними електронними системами, його потрібно багаторазово посилити. Таким підсилювачем може бути одно-двокаскадний транзисторний підсилювач або операційний підсилювач. Щоб фотозбудження носіїв не маскувалося тепловим збудженням, напівпровідникові фотодетектори не повинні експлуатуватися в середовищах з високими температурами, інакше їх необхідно охолоджувати.