Фоторезистор: устройство, принцип работы, характеристики

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

Основные понятия и устройство

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

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

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

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

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

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

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

На третьем графике вы видите зависимость сопротивления от освещенности:

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

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

Для обозначения элемента обычно используется буквенная маркировка.

Характеристики фоторезисторов

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

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

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

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

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

Где используется

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

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

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

Напоследок рекомендуем просмотреть полезное видео по теме:

Наверняка вы не знаете:

Фоторезистор: характеристики, принцип работы, применение

Содержание:

1. Принцип действия фоторезисторов
2. Общие характеристики
3. Конструкция и применение
4. Видео

В электротехнике широко применяются различные виды электрических сопротивлений. Среди них следует отметить фоторезистор, называемый также фотосопротивлением, основные параметры которого могут изменяться под действием световых лучей, попадающих на светочувствительную поверхность.

По сравнению с обычными резисторами, значение сопротивления этого устройства никак не связано с приложенным к нему напряжением. С помощью фоторезисторов определяется наличие или отсутствие света, можно проверить и измерить интенсивность светового потока. В полной темноте их сопротивление существенно возрастает и может достигнуть 1 МОм. Под влиянием света сопротивление, наоборот, начинает резко падать, а его значение будет полностью зависеть от интенсивности света.

Принцип действия фоторезисторов

В зависимости от материалов, применяемых для изготовления фоторезисторов, эти устройства разделяются на две группы, основными признаками которых являются внутренний и внешний фотоэффект.

Элементы с внутренним фотоэффектом производятся из нелегированных материалов – германия или кремния. Принцип действия их довольно простой. Попадая на поверхность устройства, фотоны приводят в движение электроны. В результате, начинается их перемещение из валентной области в зону проводимости. Далее, в материале в большом количестве появляются свободные электроны, способствуя улучшению проводимости и соответствующему уменьшению сопротивления. Это в общих чертах объясняет, как работает фоторезистор.

Достижение внешнего фотоэффекта становится возможным за счет материалов, из которых изготавливается фоторезистор. Для придания нужных свойств в них добавляются специальные примеси, известные как легирующие добавки. Они изменяют параметры в нужную сторону и способствуют созданию новой энергетической зоны, насыщенной электронами, поверх имеющейся валентной области. Такие электроны требуют гораздо меньшее количество энергии для перехода в зону проводимости. Результатом этого становится повышенная чувствительность фоторезисторов к разной длине световых волн.

Несмотря на различие физических свойств, каждое устройство обладает способностью к уменьшению сопротивления при воздействии на них светового потока. Чем выше рост интенсивности света, тем большее падение напряжения наблюдается у фоторезистора. В графическом выражении это свойство отображается в виде обратной нелинейной функции интенсивности света.

Общие характеристики

Несмотря на определенные различия в конструкции и физических свойствах, все типы фоторезисторов имеют общие характеристики. Одним из основных параметров считается чувствительность, зависящая от длины световой волны. В случае расположения длины волны за пределами рабочего диапазона, свет никак не будет влиять на устройство, то есть фоторезистор не реагирует на световые волны в данном диапазоне.

Каждый материал, применяемый для изготовления данных элементов, содержит собственные характеристики, обладает индивидуальными уникальными спектральными кривыми отклика волны по отношению к чувствительности. Например, устройства с внешним фотоэффектом лучше всего работают с большой длиной световых волн, со смещением в сторону инфракрасного сектора.

Задействовать фоторезисторы в инфракрасном диапазоне следует с осторожностью, чтобы не допустить перегрева. Получившийся тепловой эффект может оказать влияние на данные измерений в связи с изменением сопротивления элемента.

По сравнению с фото транзисторами и фотодиодами, фоторезистор обладает более низкой чувствительностью. Дело в том, что два первых устройства относятся к полупроводникам, в которых электроны и дырки, движущиеся потоком через PN-переход, управляются с помощью света. В фоторезисторах такой переход отсутствует, поэтому их характеристики не совпадают.

При стабильной интенсивности светового потока, сопротивление фоторезисторов может все равно подвергнуться существенным изменениям из-за перепадов температуры, поскольку они обладают повышенной чувствительностью к таким перепадам. В связи с этим, данное устройство нельзя использовать для точных измерений интенсивности света.

Следующее свойство, характеризующее фоторезистор, называется инертностью. Этот параметр представляет собой время задержки между изменяющимся освещением и сопротивлением, которое также изменяется при перепадах освещения. При изучении данной характеристики было установлено, что сопротивление фоторезистора падает до минимальной отметки под действием полного освещения примерно за 10 миллисекунд.

Максимального значения фоторезистор достигает при полном отсутствии света примерно за 1 секунду. В связи с этим, подобные устройства не могут использоваться в местах, где обязательно учитывается наличие резких перепадов напряжения.

Конструкция и применение

Первым материалом, у которого обнаружилось свойство фотопроводимости, стал селен. В дальнейшем такие же качества были установлены и у других материалов. Современный фоторезистор представляет собой соединение различных веществ – сульфид свинца, антимонид индия, селенид свинца. Наиболее популярны устройства, изготовленные на основе сульфида кадмия и селенида кадмия.

В качестве примера можно взять элемент из сульфида кадмия. Его изготовление осуществляется из порошкообразного вещества высокой очистки, смешанного с инертными связующими материалами. Таким образом, в будущий прибор изначально закладываются необходимые характеристики. Полученная смесь подвергается прессовке и спеканию. Далее в условиях вакуума на основание с электродами наносится специальная извилистая дорожка, представляющая собой фоточувствительный слой, реагирующий на свет. Составной частью данной схемы является пластиковая или стеклянная оболочка, защищающая фоточувствительный элемент от загрязнений и повреждений.

Сульфид кадмия реагирует на свет в соответствии со спектральной кривой, совпадающей с человеческим глазом. Максимальная чувствительность имеет длину волны, составляющую примерно 500-600 нм и входящую в видимую часть спектра.

Практическое применение фоторезисторов в системах освещения стало возможным в качестве датчиков, определяющих наличие или отсутствие света или фиксирующих степень его интенсивности. Фоторезисторы используются для работы в автоматах, включающих и выключающих уличное освещение в различное время суток. Кроме того, эти приборы применяются в фотоэкспонометрах и других устройствах, связанных с действием светового потока.

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

Ф

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.

Достоинства ФР: высокая чувствительность и малые габариты.

Фоторезисторы. Виды и работа. Применение и особенности

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

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

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

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

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

 

Виды и принцип действия

По материалам изготовления фоторезисторы делятся на виды:

• С внутренним фотоэффектом.
• С внешним фотоэффектом.

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

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

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

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

На электрических схемах фотосопротивления обозначаются:

 

Чувствительность и длина световой волны

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

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

Чувствительность фотосопротивления

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

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

Инертность

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

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

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

Свойства и конструктивные особенности

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

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

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

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

Сфера использования фоторезисторов

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

Световое реле для освещения улиц

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

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

Похожие темы:

Фоторезисторы Конструкция и схема включения фоторезистора

Фоторезисторами называют полупроводниковые приборы, проводимость которых меняется под действием света.

Монокристаллический фоторезистор

Рис. 2.2. Монокристаллический фоторезистор

 

Пленочный фоторезистор

Рис. 2.3. Пленочный фоторезистор

Рис. 2.4. Включение фоторезистора в цепь постоянного тока

Конструкция монокристаллического и пленочного фоторезисторов показана на рис. 2.2, 2.3. Основным элементом фоторезистора является в первом случае монокристалл, а во втором — тонкая пленка полупроводникового материала.

Если фоторезистор включен последовательно с источником напряжения (рис. 2.4) и не освещен, то в его цепи будет протекать темновой ток:

где Е — ЭДС источника питания;

R_T — величина электрического сопротивления фоторезистора в темноте, называемая темновым сопротивлением;

R_H — сопротивление нагрузки.

При освещении фоторезистора энергия фотонов расходуется на перевод электронов в зону проводимости. Количество свободных электронно-дырочных пар возрастает, сопротивление фоторезистора падает, и через него течет световой ток, обусловленный формулой:

Разность между световым и темновым током дает значение тока 1ф, получившего название первичного фототока проводимости

Когда лучистый поток мал, первичный фототок проводимости практически безынерционен и изменяется прямо пропорционально величине лучистого потока, падающего на фоторезистор. По мере возрастания величины лучистого потока увеличивается число электронов проводимости. Двигаясь внутри вещества, электроны сталкиваются с атомами, ионизируют их и создают дополнительный поток электрических зарядов, получивший название вторичного фототока проводимости. Увеличение числа ионизированных атомов тормозит движение электронов проводимости. В результате этого изменения фототока запаздывают во времени относительно изменений светового потока, что определяет некоторую инерционность фоторезистора.

Основные характеристики фоторезисторов

Фоторезистор (от фото- и резистор), представляет собой полупроводниковый резистор, омическое сопротивление которого определяется степенью освещенности. В основе принципа действия фоторезисторов лежит явление фотопроводимости полупроводников. Фотопроводимость — увеличение электрической проводимости полупроводника под действием света. Причина фотопроводимости — увеличение концентрации носителей заряда — электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне. Светочувствительный слой полупроводникового материала в таких сопротивлениях помещен между двумя токопроводящими электродами. Под воздействием светового потока электрическое сопротивление слоя меняется в несколько раз (у некоторых типов фотосопротивлений оно уменьшается на два-три порядка). В зависимости от применяемого слоя полупроводникового материала фотосопротивления подразделяются на сернисто-свинцовые, сернисто-кадмиевые, сернисто-висмутовые и поликристаллические селено-кадмиевые. Фотосопротивления обладают высокой чувствительностью, стабильностью, они экономичны и надежны в эксплуатации. В целом ряде случаев они с успехом заменяют вакуумные и газонаполненные фотоэлементы.

Основные характеристики фотосопротивлений:

•        Рабочая площадь.

•        Темновое сопротивление (сопротивление в полной темноте), варьируется в обычных приборах от 1000 до 100000000 Ом.

•        Удельная чувствительность

где Ai — фототок, равный разности токов в темноте и на свету; Ф — световой поток; U — приложенное напряжение.

•        Предельное рабочее напряжение (как правило от 1 до 1000 В).

•        Среднее относительное изменение сопротивления в процентах (обычно лежит в пределах 10…99,9%):

где R_T и R_c — сопротивление в темноте и в освещенном состоянии соответственно.

•        Средняя кратность изменения сопротивления (как правило от 1 до 1000). Определяется соотношением: R_T/R_C.

Схема включения фоторезисторов показана на рис. 2.5.

При определенном освещении сопротивление фотоэлемента уменьшается, а, следовательно, сила тока в цепи возрастает, достигая значения, достаточного для работы какого-либо

Рис. 2.5. Электрическая схема включения фоторезистора

 

Рис. 2.6. ВАХ фоторезистора

устройства (схематично показано в виде некоторого сопротивления нагрузки). Полезный сигнал для дальнейшего усиления или управления другими устройствами снимают параллельно R_Harp.

Основными характеристиками фоторезисторов являются:

• Вольт-амперная (ВАХ), характеризующая зависимость фототока (при постоянном световом потоке Ф) или темнового тока от приложенного напряжения. Для фоторезисторов эта зависимость практически линейна (рис. 2.6). Закон Ома нарушается только при высоких напряжениях, приложенных к фоторезистору.

Световая (люкс-амперная), характеризующая зависимость фототока от падающего светового потока постоянного спектрального состава. Полупроводниковые фоторезисторы имеют нелинейную люкс-амперную характеристику (рис. 2.7). Наибольшая чувствительность получается при малых освещенностях. Это позволяет использовать фоторезисторы для измерения очень малых интенсивностей излучения. При увеличении освещенности световой ток растет примерно пропорционально корню квадратному из освещенности. Наклон люкс-амперной характеристики зависит от приложенного к фоторезистору напряжения.

Рис, 2.7. Зависимость тока от светового потока, падающего на рабочую поверхность фоторезистора

 

Рис. 2.8. Зависимость спектральной характеристики от материала фоторезистора

 

Рис. 2.9. Зависимость фототока фоторезистора от частотной модуляции светового потока

• Спектральная, характеризующая чувствительность фоторезистора при действии на него потока излучения постоянной мощности определенной длины волны. Спектральная характеристика определяется материалом, используемым для изготовления светочувствительного элемента. Сернисто-кад- миевые фоторезисторы имеют высокую чувствительность в видимой области спектра, селенисто-кадмиевые — в красной, а сернисто-свинцовые — в инфракрасной. Это хорошо демонстрирует рис. 2.8.

Частотная, характеризующая чувствительность фоторезистора при действии на него светового потока, изменяющегося с определенной частотой. Наличие инерционности у фоторезисторов приводит к тому, что величина их фототока зависит от частоты модуляции падающего на них светового потока — с увеличением частоты светового потока фототок уменьшается (см. рис. 2.9). Инерционность ограничивает возможности применения фоторезисторов при работе с переменными световыми потоками высокой частоты.

Параметры фоторезисторов

Рабочее напряжение U_p — постоянное напряжение, приложенное к фоторезистору, при котором обеспечиваются номинальные параметры при длительной его работе в заданных эксплуатационных условиях.

Максимально допустимое напряжение фоторезистора Umax — максимальное значение постоянного напряжения, приложенного к фоторезистору, при котором отклонение его параметров от номинальных значений не превышает указанных пределов при длительной работе в заданных эксплуатационных условиях.

Темновое сопротивление R_T — сопротивление фоторезистора в отсутствие падающего на него излучения в диапазоне его спектральной чувствительности.

Световое сопротивление R_c — сопротивление фоторезистора, измеренное через определенный интервал времени после начала воздействия излучения, создающего на нем освещенность заданного значения.

Кратность изменения сопротивления K_R — отношение тем- нового сопротивления фоторезистора к сопротивлению при определенном уровне освещенности (световому сопротивлению).

Допустимая мощность рассеяния — мощность, при которой не наступает необратимых изменений параметров фоторезистора в процессе его эксплуатации.

Общий ток фоторезистора — ток, состоящий из темнового тока и фототока.

Фототок — ток, протекающий через фоторезистор при указанном напряжении на нем, обусловленный только воздействием потока излучения с заданным спектральным распределением.

Удельная чувствительность — отношение фототока к произведению величины падающего на фоторезистор светового потока на приложенное к нему напряжение, мкА/(лм-В):

где 1ф — фототок, равный разности токов, протекающих по фоторезистору в темноте и при определенной (200 лк) освещенности, мкА;

Ф — падающий световой поток, лм; U — напряжение, приложенное к фоторезистору, В.

Интегральная чувствительность — произведение удельной чувствительности на предельное рабочее напряжение:

Постоянная времени т_ф — время, в течение которого фото- ток изменяется на 63%, т.е. в е раз. Постоянная времени характеризует инерционность прибора и влияет на вид его частотной характеристики.

Рис. 2.10. Иллюстрация нарастания и спада фототока в зависимости от освещенности фоторезистора

При включении и выключении света фототок возрастает до максимума (рис. 2.10) и спадает до минимума не мгновенно. Характер и длительность кривых нарастания и спада фототока во времени существенно зависят от механизма рекомбинации неравновесных носителей в данном материале, а также от величины интенсивности света. При малом уровне инжекции нарастание и спад фототока во времени можно представить экспонентами с постоянной времени т, равной времени жизни носителей в полупроводнике. В этом случае при включении света фототок будет нарастать и спадать во времени по закону:

где 1_ф — стационарное значение фототока при освещении.

По кривым спада фототока во времени можно определить время жизни т неравновесных носителей.

Изготовление фоторезисторов

В качестве материалов для фоторезисторов широко используются сульфиды, селениды и теллуриды различных элементов, а также соединения типа A_lMB_v. В инфракрасной области могут быть использованы фоторезисторы на основе PbS, PbSe, PbTe, InSb, в области видимого света и ближнего спектра ультрафиолета — CdS.

Применение фоторезисторов

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

Регистрация оптического излучения

Для регистрации оптического излучения его световую энергию преобразуют в электрический сигнал, который затем измеряют обычным способом. При этом преобразовании обычно используют следующие физические явления:

•        генерацию подвижных носителей в твердотельных фотопрово- дящих детекторах;

•        изменение температуры термопар при поглощении излучения, приводящее к изменению термо-ЭДС;

•        эмиссию свободных электронов в результате фотоэлектрического эффекта с фоточувствительных пленок.

Наиболее важными типами оптических детекторов являются:

•        фотоумножитель;

•        полупроводниковый фоторезистор;

•        фотодиод;

•        лавинный фотодиод.

Полупроводниковый фотодетектор

Схема включения полупроводникового фотодетектора приведена на рис. 2.11.

Рис. 2.11. Схема подключения полупроводникового фотоэлемента

Полупроводниковый кристалл последовательно соединен с резистором R и источником постоянного напряжения U. Оптическая волна, которую нужно зарегистрировать, падает на кристалл и поглощается им, возбуждая при этом электроны в зону проводимости (или в полупроводниках р-типа — дырки в валентную зону). Такое возбуждение приводит к уменьшению сопротивления R_d полупроводникового кристалла и, следовательно, к увеличению падения напряжения на сопротивлении R, которое при AR_d/Rd « 1 пропорционально плотности падающего потока. В качестве примера рассмотрим энергетические уровни одного из наиболее распространенных полупроводников — германия, легированного атомами ртути. Атомы Нд в германии являются акцепторами с энергией ионизации 0,09 эВ. Следовательно, для того чтобы поднять электрон с верхнего уровня валентной зоны и чтобы атом Нд (акцептор) сумел захватить его, необходим фотон с энергией не менее 0,09 эВ (т.е. фотон с длиной волны короче 14 мкм). Обычно кристалл германия содержит небольшое количество N_D донорных атомов, которым при низких температурах энергетически выгодно отдавать свои валентные электроны большому количеству N_A акцепторных атомов. При этом возникает равное количество положительно ионизированных донорных и отрицательно ионизированных акцепторных атомов. Так как концентрация акцепторов N_A » N_D, большинство атомов-акцепторов остается незаряженными.

Главным преимуществом полупроводниковых фотодетекторов по сравнению с фотоумножителями является их способность регистрировать длинноволновое излучение, поскольку создание подвижных носителей в них не связано с преодолением значительного поверхностного потенциального барьера.

Недостатком же их является небольшое усиление по току. Чтобы выходной импульс мог управлять различными электронными системами, его необходимо многократно усилить. Таким усилителем может быть одно-двухкаскадный транзисторный усилитель или операционный усилитель. Чтобы фотовозбуждение носителей не маскировалось тепловым возбуждением, полупроводниковые фотодетекторы не должны эксплуатироваться в средах с высокими температурами, иначе их необходимо охлаждать.

Основные характеристики фоторезисторов | Мастер Винтик. Всё своими руками!

Добавил: Chip,Дата: 13 Июн 2017

Фоторезистор — это неполярный прибор, изменяющий своё сопротивление под действием источника света.

Принцип работы фоторезистора основан на эффекте фотопроводимости полупроводников. Затемненный прибор имеет максимальное сопротивление, при засветке оно уменьшается в 20…150 раз!

Фоторезисторы имеют высокую чувствительность к излучению в самом широком диапазоне — от инфракрасной до рентгеновской области спектра, сопротивление их может меняться на несколько
порядков. Фоторезисторам присущи высокая стабильность во времени, они имеют небольшие габариты и выпускаются на различные номиналы сопротивлений. Приборы оформлены в корпус с прозрачным окном и двумя выводами, полярность подключения значения не имеет.

Обозначение фоторезистора на схемах

Основные параметры отечественных фоторезисторов 

Тип ФР	Uраб, В	Rт, ом.	Iт, мка	Iсв, мка	dI=Iсв-Iт, мка	Rт/Rсв	Удельная чувств., мка/лм-в	Интегр. чувств., а/лм	Мощность рассеяния, Вт
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
ФСА-0	4-100	40*103-106	—	—	—	1,2	500	—	0,01
ФСА-1	4-100	40*103-106	—	—	—	1,2	500	—	0,01
ФСА-Г1	4-40	47*103-470*103	—	—	—	1,2	500	—	0,01
ФСА-Г2	4-40	40*103-106	—	—	—	1,2	500	—	0,01
ФСА-6	5-30	50-300*103	—	—	—	1,2	500	—	0,01
ФСК-0	50	5*106	10	2000	1990	200	7000	1,4	0,125
ФСК-1	50	5*106	10	2000	1990	200	7000	1,4	0,125
ФСК-2	100	10*106	10	800	790	80	1500	—	0,125
ФСК-4	50	5*106	10	2000	1990	200	7000	1,4	0,125
ФСК-5	50	5*106	10	1000	1990	100	6000	1,2	0,05
ФСК-6	50	3,3*106	15	2000	1885	—	9000	1,8	0,2
ФСК-7а	50	106	50	350	300	—	1500	—	0,35
ФСК-7б	50	105	50	800	750	—	6000	1,2	0,35
ФСК-Г7	50	5*106	10	2000	1990	200	3500	0,7	0,35
ФСК-Г1	50	5*106	10	1500	1490	150	6000	1,2	0,12
ФСК-Г2	50	5*106	10	4000	3990	400	12000	2,4	0,2
ФСК-П1	100	1010	0,01	1000-2000	1000-2000	—	4000	—	0,1
СФ2-1	15	30*106	0,5	1000	1000	2000	400000	—	0,01
СФ2-2	2(10)	4*106	0,5	1500	1500	3000	75000	—	0,05
СФ2-4	15	—	1,0	>750	—	—	—	—	0,01
СФ2-9	25	>3,3*106	—	240-900	—	—	—	—	0,125
СФ2-12	15	>15*106	—	200-1200	—	—	—	—	0,01
ФСД-0	20	20*108	1	2000	2000	2000	40000	—	0,05
ФСД-1	20	20*106	1	2000	2000	2000	40000	—	0,05
ФСД-Г1	20	20*106	1	2000	2000	2000	40000	—	0,05
СФ3-1	15	15*108	0.01	1500	1500	150000	600000	—	0,01
СФ3-8	25	—	<1	750	—	—	—	—	0,025

В таблице приведены средние значения, определенные (кроме Iт) при освещенности 200 лк.

R_т – сопротивление затемненного прибора;
R_с – сопротивление освещенного прибора;

I_т – ток через затемненный прибор;

U_р – максимально возможное рабочее напряжение 

Тип	спектр приема, нм	Rт., МОм	Iт. мкА	Uр., В	Rт/Rс	габариты
ФСК-1	300…900	3,3	15	50	100	28×5
ФСК-2	300…900	3,3	15	50	20	28х12,5×5
ФСД-1	300…900	3	10	20	150	18×5
ФР1-3	300…900	0,047…0,33	320	15		10,7×6
ФР-118	400…750	0,3…0,2	30	6		7,8 х 4,5
ФР-121	400…750	10	1	10		4,2 х 1,4
ФР-162А(Б)	750…1200	5	2	10		9.6×3.5
ФР-764	300…900	3.3	15	50	150	10,7×6
ФР-765	300…900	2	10	20	150	10,7×6
ФПФ7-1	300…900	1	6	6	50	7,8 х 3,2
СФ2-18	20…900	10	0.01	100	—	10.3×5,8
СФ2-19	20…900	0.25	0.08	20	—	10.3×5,8

При повышении температуры темновое сопротивление резисторов уменьшается.
Габаритные размеры даны для корпуса без учета длины выводов в виде диаметр х высота или высота х ширина х толщина.

Наибольшее распространение получили фоторезисторы, изготовленные из сернистого свинца, сернистого кадмия, селенистого кадмия. Название типа фоторезисторов слагается из букв и цифр, причем в старых обозначениях буквы А, К, Д обозначали тип использованного светочувствительного материала, в новом же обозначении эти буквы заменены цифрами. Буква, стоящая за дефисом, при старом обозначении, характеризовала конструктивное исполнение (Г-герметизированные, П-пленочные). В новой маркировке эти буквы также заменены цифрами. В таблице, ниже приведены наименования наиболее распространенных обозначений фоторезисторов.

ТИПОВЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ ФОТОРЕЗИСТОРОВ 

Вид фоторезисторов	Старое обозначение	Новое обозначение
Сернисто-свинцовые	ФСА-0, ФСА-1, ФСА-6, ФСА-Г1, ФСА-Г2
Сернисто-кадмиевые	ФСК-0, 1, 2, 4, 5, 6, 7, ФСК-Г1, ФСК-Г2, ФС’Р;-Г7, ФСК-П1	СФ2-1, 2, 4, 9, 12
Селенисто-кадмиевые	ФСД-0, ФСД-1, ФСД-Г1	СФ3-1, 8

 Чувствительность фоторезисторов меняется (уменьшается) в первые 50 часов работы, оставаясь в дальнейшем практически постоянной в течение всего срока службы, измеряемого несколькими тысячами часов. Интервал рабочих температур для сернисто-кадмиевых фоторезисторов составляет от -60 до +85°С для селенисто-кадмиевых — от -60 до +40°С и для сернисто-свинцовых — от -60 до +70°С.

Конструкция 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.

Спектральная кривая отклика сульфида кадмия совпадает с человеческим глазом. Длина волны пиковой чувствительности составляет около 560-600 нм, что соответствует видимой части спектра.

Область применения фоторезисторов

Основной областью применения фоторезисторов является автоматика, где они в некоторых случаях с успехом заменяют вакуумные и газонаполненные фотоэлементы. Обладая повышенной допустимой мощностью рассеивания по сравнению с некоторыми типами фотоэлементов, фоторезисторы позволяют создавать простые и надежные фотореле без усилителей тока. Такие фотореле незаменимы в устройствах для телеуправления, контроля и регулирования, в автоматах для разбраковки, при сортировке и счете готовой продукции, для контроля качества и готовности самых различных деталей.

Широко используются фоторезисторы в полиграфической промышленности при обнаружении обрывов бумажной ленты, контроле за количеством листов, подаваемых в печатную машину.

В измерительной технике фоторезисторы применяются для измерения высоких температур, для регулировки температуры в различных технологических процессах.

Контроль уровня жидкости и сыпучих тел, защита персонала от входа в опасные зоны, контроль за запыленностью и задымленностью самых различных объектов, автоматические выключатели уличного освещения и т.д.

Применение фоторезисторов можно так же встретить в детских игрушках. Это далеко не полный перечень областей применения фоторезисторов. 

Практическое применение фоторезистора

Схема автоматического регулятора освещенности:

ПОДЕЛИТЕСЬ С ДРУЗЬЯМИ

П О П У Л Я Р Н О Е:

Популярность: 4 178 просм.

40) Фоторезисторы. Фотодиоды. Фототранзисторы. Особенности применения. Характеристики.

Схемы включения и применение фотоэлектронных приборов

Фотоэлектронные (фотоэлектрические) приборы предназначены для преобразования световой энергии в электрическую.

Все полупроводниковые фотоэлектрические приборы основаны на внутреннем фотоэффекте — возбуждении атомов и росте концентрации свободных носителей заряда под воздействием светового излучения. При этом в полупроводнике растет проводимость, а на p-n переходах появляется ЭДС.

К фотоэлектронным приборам относятся фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы и фототиристоры.

Фоторезистор — это полупроводниковый фотоэлектрический прибор, сопротивление которого изменяется под действием светового излучения. На рис. 1 показана схема включения фоторезистора и его характеристики.

Рис.2. Схема включения фоторезистора (а), УГО (б), энергетическая (в) и вольт-амперная (г) характеристики фоторезистора. 

Фоторезисторы, как и другие фотоэлектрические приборы, характеризуются световой характеристикой, т.е. зависимостью фототока , протекающего через прибор от светового потока . Она нелинейная и это является недостатком фоторезистора. ВАХ фоторезистора линейны, а их наклон зависит от величины светового потока.

Фоторезисторы могут работать и на переменном токе. Фоторезисторы являются самыми простыми и дешевыми фотоэлектрическими приборами.

Фотодиод — это полупроводниковый фотоэлектрический прибор, основанный на внутреннем фотоэффекте, содержащий один p-n переход и имеющий два вывода.

Фотодиоды могут работать в двух режимах: без внешнего источника электроэнергии (режим фотогенератора) и с внешним источником (режим фотопреобразователя). На рис. 2, а, б показаны схемы включения.

Излучающий диод (слева) должен быть включен в прямом направлении, а фотодиод — в прямом (режим фотогенератора) или в обратном направлении (режим фотопреобразователя).

ВАХ фотодиода в темноте не отличаются от ВАХ p-n перехода (рис. 2 г), а при освещении опускается вниз. Режиму фотопреобразователя соответствуют участки в третьем квадранте, а режиму фотогенератора — в четвертом.

Фотодиоды имеют большее быстродействие, чем фоторезисторы (работоспособны при частоте 1 гГц и выше), но менее чувствительны.

С целью повышения чувствительности вместо фотодиодов применяют фототранзисторы.

Фототранзистор — фотоэлектронный прибор, имеющий трехслойную структуру, как обычный транзистор, в котором ток зависит от освещения базы. Схема включения Рис. 3. Схема включения фототранзистора показана на рис. 3. Они имеют линейную световую характеристику, а выходные ВАХ аналогичны ВАХ обычного транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, но в качестве параметра вместо тока базы выступает световой поток. Чувствительность фототранзисторов достигает 1 А/лм. Параметры фототранзисторов существенно зависят от температуры.

41.Оптоволоконные датчики

Волоконно-оптические датчики (так же часто именующиеся оптические волоконные датчики) это оптоволоконные устройства для детектирования некоторых величин, обычно температуры или механического напряжения, но иногда так же смещения, вибраций, давления, ускорения, вращения (измеряется с помощью оптических гироскопов на основе эффекте Саньяка), и концентрации химических веществ. Общий принцип таких устройств в том, что свет от лазера (чаще всего одномодового волоконного лазера) или суперлюминесцентного оптического источника передается через оптическое волокно, испытывая слабое изменение своих параметров в волокне или в одной или нескольких брэгговских решетках, и затем достигает схемы детектирования, которая оценивает эти изменения.

волокно-оптические датчики обладают следующими преимуществами:

·       Они состоят из электрически непроводящих материалов (не требуют электрических кабелей), что позволяет использовать их, например, в местах с высоким напряжением.

·       Их можно безопасно использовать во взрывоопасной среде, потому, что нет риска возникновения электрической искры, даже в случае поломки.

·       Они не подвержены электромагнитным помехам (EMI), даже вблизи разряда молнии, и сами по себе не электризуют другие устройства.

·       Их материалы могут быть химически инертны, то есть не загрязняют окружающую среду, и не подвержены коррозии.

·       Они имеют очень широкий диапазон рабочих температур (гораздо больше, чем у электронных устройств).

·       Они имеют возможность мультиплексирования; несколько датчиков в одиночной волоконной линии может быть интегрировано с одним оптическим источником (см. ниже).

работа в жестких условиях, таких как зондирование в устройствах с высоким напряжением, или в СВЧ печах. Сенсоры на основе брэгговских решеток могут также быть использованы, например, для мониторинга условий, внутри крыльев самолетов, в ветровых турбинах, мостах, больших плотинах, нефтяных скважинах, и трубопроводах.