Как работает фоторезистор

Фоторезистор. Принцип работы, характеристики

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

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

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

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

Характеристики фоторезистора

Виды фоторезисторов и принцип работы

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

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

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

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

Фоторезистор на схемах обозначается следующим образом:

Чувствительность фоторезистора от длины волны

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

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

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

Чувствительность фоторезистора

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

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

Инертность фоторезистора

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

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

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

Конструкция и свойства фоторезистора

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

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

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

Примеры применения фоторезисторов

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

Фотореле для уличного освещения

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

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

Фоторезистор

Среди большого разнообразия фотоэлектрических приёмников есть и такие, которые меняют своё сопротивление под воздействием излучения. К ним относят фоторезисторы (фотосопротивления).

В зарубежной литературе фоторезистор называют Photoresistor, Photo conductive cell, Photocell, а также аббревиатурой LDR (от англ. – Light Dependent Resistor, "светозависимый резистор").

Наряду с аббревиатурой LDR также используется сокращённое название CDS. Оно пошло от химической формулы сульфида кадмия (CdS) в связи с тем, что данное соединение широко применяется при производстве фоторезисторов.

Обозначение фоторезистора на схемах

На принципиальных схемах фоторезистор обозначается так же как и обычный резистор, но с небольшим отличием. Прямоугольник обведён кругом (иногда может отсутствовать), а снаружи его изображены две стрелки под углом 45°, которые символизируют падающий на чувствительный элемент поток излучения.

Данное обозначение считается новым и принято IEC (International Electrotechnical Commission), – международной электротехнической комиссией (МЭК).

Иное обозначение фоторезистора можно встретить на иностранных схемах. Сопротивление фоторезистора на нём изображается в виде ломаной линии.

Дело в том, что данное обозначение было принято IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers), – институтом инженеров электротехники и электроники. Оно считается устаревшим, но встречается довольно часто.

Также очень редкое изображение, но может где и встретите.

Устройство и конструкции фоторезисторов

Несмотря на большое разнообразие фоторезисторов, конструкция их имеет схожую структуру. Основой является фоточувствительный элемент (сокращённо – ф.ч.э), который выполнен из полупроводникового материала, который чувствителен к электромагнитному излучению в видимом или инфракрасном диапазоне длин волн.

Фоточувствительный элемент может быть выполнен в виде пластинки монокристалла или же тонкого фоточувствительного слоя из полупроводника, который нанесён на поверхность изолирующей подложки из керамики, стекла или кварца.

Устройство фоторезистора с ф.ч.э из тонкой плёнки показано на рисунке.

Пояснения к рисункам: Ф – поток оптического излучения, h – ширина ф.ч.э., l – расстояние между электродами, d – толщина чувствительного слоя, U_см – напряжение, приложенное к выводам фоторезистора.

Фоточувствительный элемент из тонкой плёнки создаётся химическим способом (пульверизация исходного материала из суспензии), либо формируется вакуумным напылением (физическая технология).

Электроды выполняют в виде проводящих плёнок методом напыления в вакууме из металлов, устойчивых к коррозии (золота, платины или серебра).

Устройство фоторезистора с ф.ч.э в виде пластинки из однородного полупроводникового материала.

Кристаллические фоточувствительные элементы вырезаются из слитка исходного полупроводникового материала (кремния, германия, антимонида индия) и имеют форму пластин, кубиков или параллелепипедов с размерами до нескольких миллиметров.

Также, как и для плёночных ф.ч.э, электроды выполняются из золота или других металлов, стойких к коррозии.

Для работы в условиях повышенной влажности и температуры применяются фоторезисторы, выполненные в герметичном корпусе из металла. Фоточувствительный элемент помещается в металлический корпус с окном, изготовленном из оптического материала (стекла, сапфира (лейкосапфира), плавленного или природного кварца, просветлённого германия или кремния).

Стоит отметить, что от оптических свойств материала, который используется для изготовления входного окна, зависят параметры фоторезистора. Оно может выполнять роль оптического фильтра и не пропускать, к примеру, видимое излучение, в то время, как для инфракрасного оно будет прозрачно.

На фото показан фоторезистор СФ2-8 выполненный в герметичном металлостеклянном корпусе.

Также можно встретить более простые конструкции фоторезисторов с корпусом из пластмассы. В таком варианте для защиты фоточувствительного слоя от воздействия влаги и воздуха его поверхность покрывается слоем лака.

Лак обладает прозрачностью в той области спектра, для работы в которой предназначен фоторезистор.

Далее показан фоторезистор ФСК-2, выполненный в корпусе из пластмассы с жёсткими штыревыми выводами для установки в октальную панель (РШ5-1).

Чаще всего в бытовой электронике можно встретить импортные фоторезисторы серий GM, GL, PGM (например, GM5528, GL5516, PGM5539), а также изделия серии VT900 (VT93N1 и подобные). По своему внешнему виду они все очень похожи и имеют одинаковую конструкцию, но разный диаметр подложки-основания.

Предназначены для работы в видимом спектре излучения, а чувствительный слой изготовлен из сульфида или селенида кадмия (имеет оранжевато-красный цвет).

Поскольку эти фоторезисторы не имеют внешнего корпуса, то их можно причислить к бескорпусным. Монтируются такие фоторезисторы на печатную плату, а защитой от внешних воздействий служит сам корпус прибора.

Рассмотрим конструкцию такого фоторезистора на примере импортного изделия серии GM125**.

На керамическую подложку (ceramic substrate) нанесена тонкая плёнка из сульфида кадмия (CdS). Это фоточувствительный слой. Его сопротивление меняется под воздействием излучения видимого спектра.

Методом испарения в вакууме на поверхность фоточувствительного слоя напыляется проводящий слой (металлизация). Затем в нём формируется зазор в виде изогнутой линии – "змейки". Зазор разделяет металлизацию на два контактных слоя, к которым прикрепляются жёсткие выводы под пайку, а также через него проникает световой поток.

Такое исполнение, когда слой металлизации находится поверх фоточувствительного, создаёт надёжный контакт между ними, а форма выреза в виде "змейки" обеспечивает хорошую засветку фоточувствительного материала.

Для защиты от внешнего воздействия вся конструкция покрывается прозрачным защитным составом из эпоксидной смолы (epoxy resin).

Стоит отметить, что кроме фоторезисторов, способных работать при температуре окружающего воздуха, существуют ещё и охлаждаемые фоторезисторы.

Принцип работы фоторезистора

Принцип работы фоторезистора основан на таком явлении, как фотопроводимость (фоторезистивный эффект), которое относится к внутреннему фотоэффекту, то есть изменению электропроводности вещества при воздействии на него электромагнитного излучения.

Основой любого фоторезистора служит полупроводник. Под воздействием электромагнитного излучения (видимого света или инфракрасного) в веществе полупроводника возрастает количество носителей тока. Поэтому, в результате освещения полупроводника его сопротивление падает, а при затемнении, наоборот, растёт.

Наглядно увидеть изменение сопротивления фоторезистора можно при помощи мультиметра.

Подключаем выводы фоторезистора к щупам мультиметра, включенного в режим омметра.

Световое сопротивление фоторезисторов серии GM (GM35**, GM45**, GM55**, GM75**, GM125**, GM205**, GM255**) лежит в интервале 5. 200 кОм (в зависимости от конкретного изделия) при освещённости в 10 люкс (lux). Поэтому предел измерения можно выставить в несколько килоом (2k, 20k или 200k).

На фото показано сопротивление импортного фоторезистора GM55** (предположительно GM5516, он же GL5516) в освещённом состоянии. Как видим, оно составляет 1,1 килоОм.

Если фоторезистор накрыть тёмной тканью или просто прикрыть ладонью, то его сопротивление резко увеличится. При этом, чтобы увидеть результат измерения, скорее всего, придётся переключить предел измерения на мультиметре в сторону больших пределов, как правило, мегаомных.

При затемнении сопротивление нашего фоторезистора увеличилось до 121 килоОма.

Стоит понимать, что фоторезисторы изготавливают из полупроводников имеющих один тип проводимости, поэтому никаких p-n переходов в своей структуре они не имеют. Благодаря этому фоторезистор неполярен и может включаться в схему без её соблюдения, в отличие, например, от фотодиода или фототранзистора.

Материалы чувствительного слоя фоторезисторов

Фоторезисторы изготавливаются на основе полупроводников, обладающих как собственной, так и примесной фотопроводимостью.

Полупроводниками с собственной фотопроводимостью являются соединения на основе свинца (PbS – сульфид свинца, PbSe – селенид свинца, PbTe – теллурид свинца) и индия (InAs – арсенид индия, InSb – антимонид индия).

К полупроводникам с примесной фотопроводимостью относят германий и кремний, легированные примесями таких элементов, как золото (Ge : Au), цинк (Ge : Zn), кадмий (Ge : Cd), медь (Ge : Cu), ртуть (Ge : Hg), бор (Si : B), селен (Si : Se), индий (Si : In).

Материалы на основе CdS и CdSe относят к полупроводникам как с собственной фотопроводимостью, так и примесной, поскольку в них может быть внесена примесь меди Cu или серебра Ag.

Каждый из материалов имеет свой диапазон спектральной чувствительности. Далее на графике показаны относительные характеристики спектральной чувствительности некоторых полупроводников.

Кроме того, на графике показаны характеристики полупроводников, применяемых в охлаждаемых фоторезисторах:

PbS (77°K), PbSe (77°K), InSb (77°K) при температуре -196,15°C (77°K — 273,15);

PbS (195°K) при температуре -78,15°C (195°K — 273,15).

Для работы в видимом для человеческого глаза спектре в основном применяются фоторезисторы с чувствительным слоем из сульфида (CdS) и селенида кадмия (CdSe).

CdS (Cadmium sulphide. Он же сернистый кадмий, сульфид кадмия) – это соединение является полупроводником. Имеет жёлтый цвет, но при добавлении селена (Se) цвет может меняться вплоть до красно-фиолетового;

CdSe (Cadmium selenide, селенистый кадмий, селенид кадмия) – является полупроводником. Его кристаллы имеют тёмно-красный цвет. Используется для изготовления фоторезисторов, солнечных батарей и фотодиодов, а также применяется в качестве активной среды в полупроводниковых лазерах.

Фоторезисторы на основе этих химических соединений чаще всего встречаются в бытовой электронной аппаратуре. Не удивительно, что чувствительный к излучению слой в таких фоторезисторах имеет оранжевато-красный цвет.

На рисунке показана спектральная характеристика импортных фоторезисторов серии GM, которые широко применяются в электронике.

Пик чувствительности данных фоторезисторов приходится на излучение с длиной волны 540 (0,54 мкм) и 560 нм (0,56 мкм), что соответствует зелёному цвету.

Для работы в инфракрасном диапазоне длин волн, который невидим человеческому глазу, применяют фоторезисторы на основе соединений свинца (PbS, PbSe), индия (InSb), а также германий Ge и кремний Si, легированные примесями.

Далее изображён график спектральной чувствительности инфракрасных фотопроводящих детекторов серии PB45. Чувствительный элемент в них выполнен из селенида свинца PbSe.

Область спектральной чувствительности данных детекторов лежит в интервале от 1 до 4,7 микрометров (µm), а пик чувствительности приходится на излучение с длиной волны 4 микрометра.

Кроме перечисленных химических соединений и веществ в качестве чувствительного материала могут применятся и другие, например, сернистый висмут (BiS), арсенид индия (InAs), тройные соединения типа ртуть-кадмий-теллур (HgCdTe) и свинец-олово-теллур (PbSnTe), являющиеся твёрдыми растворами двух компонент (HgTe и CdTe, PbTe и SnTe).

Параметры фоторезисторов

Более подробно о параметрах и характеристиках фоторезисторов будет рассказано в отдельной статье. Здесь же разберём лишь несколько важных параметров, которые следует знать при подборе фоторезисторов, работающих при больших потоках излучения в видимом спектре.

R_T– темновое сопротивление фоторезистора (Ом). Сопротивление фоторезистора, измеренное при отсутствии освещения при поданном на него рабочем напряжении.

В даташитах на импортные изделия указывается как Dark resistance (Ω). Величина темнового сопротивления фоторезисторов обычно составляет единицы-десятки мегаом;

R_СВ– световое сопротивление фоторезистора (Ом). Сопротивление фоторезистора при его освещении (или инфракрасном облучении). В даташитах на импортные изделия указывается как Light resistance (Ω). Стоит отметить, что данный параметр указывается для определённого уровня освещённости фоторезистора, измеряемого в люксах (lux или lx). Как правило, для импортных фоторезисторов (типа PGM, GM, GL), которые работают в видимом спектре, это 10 люкс.

P или P_макс – допустимая мощность рассеивания или максимальная мощность (Вт, чаще мВт). Мощность, которую может выдержать фоторезистор длительное время без необратимого изменения его основных параметров. Допустимая мощность указывается для определённой температуры окружающей среды, как правило, это 25°C.

В англоязычной документации мощность рассеивания носит название Power dissipation – P_D(W или mW). Стоит отметить, что при чрезмерном нагреве, что характерно при превышении допустимой мощности, фоточувствительный элемент фоторезистора ещё может работать, но его эксплуатационные характеристики сильно ухудшаются, обычно, необратимо.

Uр – рабочее напряжение (В). Постоянное напряжение, подаваемое на фоторезистор, при котором гарантируются его номинальные параметры при длительной эксплуатации в заданных условиях. Рабочее напряжение фоторезисторов может быть от нескольких вольт до сотен вольт.

В справочниках на импортные фоторезисторы обычно указывается величина максимального постоянного напряжения (Max Voltage, VDC), которое способен выдержать фоторезистор конкретной серии.

Понятное дело, что максимальное напряжение падает на сопротивлении фоторезистора в затемнённом состоянии, когда его сопротивление очень велико (до нескольких десятков мегаОм). Также не стоит забывать о том, что при понижении температуры темновое сопротивление фоторезистора растёт, что может привести к тому, что напряжение на нём превысит максимальное и фоторезистор выйдет из строя.

При увеличении напряжения, подаваемого на фоторезистор, световой ток, проходящий через него также возрастает. В связи с этим, увеличивается нагрев фоточувствительного элемента, поэтому рабочее напряжение связано с максимальной мощностью фоторезистора, а также ограничено напряжением пробоя.

Как правило, чем большие габариты имеет фоторезистор, тем он мощнее и тем большее напряжение он способен выдержать.

Стоит также знать, что рост температуры окружающей среды и, как следствие, температуры самого фоточувствительного элемента приводит к ухудшению основных фотоэлектрических параметров, например, снижению вольтовой чувствительности и ухудшению порога чувствительности.

На параметры фоторезисторов также сильно влияет и постоянная фоновая засветка. Как правило, она приводит к ухудшению фотоэлектрических параметров, особенно у фоторезисторов на основе CdS/CdSe, работающих при больших световых потоках.

К недостаткам фоторезисторов можно отнести их инерционность, а также необходимость эксплуатации некоторых изделий при очень низких температурах, что требует применения специальных микрохолодильников или охлаждающих резервуаров, где охлаждение осуществляется за счёт жидкостей или газов.

Применение фоторезисторов

Фоторезисторы, работающие в видимом спектре нашли широкое применение в системах фотоэлектрической автоматики (автоматических выключателях света, счётных устройствах, датчиках обрыва полотна, датчиках взлома и т.п.), а также устройствах экспонометрии (приборах, измеряющих освещённость или яркость объектов при съёмке). Их можно обнаружить, например, в старых фотоаппаратах – "мыльницах".

Стоит отметить, что в современной электронике фоторезистор, в привычном понимании этого слова, встречается не так часто.

Как правило, они являются частью фотоприёмных устройств (ФПУ), в состав которых помимо фоточувствительного элемента (по-сути, фоторезистора) входит интегральный усилитель, схема автоматической регулировки усиления (АРУ), а также цепи питания.

Плюс ко всему этому может идти система охлаждения на элементах Пельтье, если фоточувствительный элемент охлаждаемый. Такие фотопроводящие детекторы (photoconductive detectors) выполнены в небольшом по размерам герметизированном корпусе.

Фоторезисторы и фотопроводящие детекторы, работающие в ИК-диапазоне применяются для обнаружения пламени (flame detection) или искры (spark detection), бесконтактного измерения температуры (non-contact temperature measurement), для мониторинга влажности (moisture monitoring), в медицинском оборудовании для обнаружения углекислого газа (medical CO₂ detection), для недиспергирующего инфракрасного анализа газов (non-dispersive infrared gas analysis).

Фоторезистор и его применение

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

Термин

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

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

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

Устройство

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

Это основа — подложка из керамического материала.

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

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

Если необходимо зафиксировать видимый свет с длинной волны:

То чаще всего применяется селенид кадмия и сульфид кадмия.

Для фиксации инфракрасного излучения пластины могут быть сделаны из:

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

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

Остальные примеси могут, применены в устройствах с внешним фотоэффектом.

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

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

В любом случае свойства остаются прежними.

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

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

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

Устройство обычного фоторезистора может быть разного исполнения:

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

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

Встречаются варианты и пленочных фотодатчиков.

Обозначение на схемах

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

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

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

Принцип работы

Разберем, как работает фоторезистор?

Когда он неактивен это, по сути, диэлектрик. Чтобы устройство начало проводить ток на него должно быть оказано внешнее воздействие. Тепловое или, как в нашем случае, световое.

Фотоны света, попадая на активный слой, насыщают его электронами, и теперь появляется способность пропускать электрический ток. Возникает прямая зависимость, которую можно отобразить на графике.

Из графика хорошо видно, что чем больше образуется электронов, тем меньшее электрическое сопротивление у полупроводника. На этом свойстве фоторезистора и основан принцип его работы.

Причем эффект образования электронов способен вызвать как видимый спектр излучения так и инфракрасный. В последнем варианте они способны создавать значительно большую энергию.

Восприимчивость фоторезистивного слоя можно поднять за счет легирования его различными добавками. После такой обработки уменьшаются фотосопротивления, но повышается фоточувствительность в видимых спектрах света.

Этим элементам характерен процесс старения. Он выражается:

• в снижении омического сопротивления;
• изменяется фототок;
• растет чувствительность.

Этот процесс непродолжительный по времени — до нескольких сотен часов и потом параметры становятся стабильны.

Вообще все фотодатчики разделены на две основные группы:

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

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

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

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

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

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

Область применения

В современном мире область применения этих радиодеталей значительно расширена.

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

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

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

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

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

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

• 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.

Преимущества и недостатки

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

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

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

Но есть и положительные стороны.

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

Заключение

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

Что такое фоторезистор, его устройство и принцип работы

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

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

Что такое фоторезистор?

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

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

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

Устройство

Конструкция разных моделей фоторезисторов может отличаться по форме материалу корпуса. Но в основе каждого такого прибора лежит подложка, чаще всего керамическая, покрытая слоем полупроводникового материала. Поверх этого полупроводника наносятся змейкой тонкий слой золота, платины или другого коррозиестойкого металла. (см. рис. 1). Слои наносятся методом напыления.

Рис. 1. Устройство фоторезисторов

Напиленные слои соединяют с электродами, на которые поступает электрический ток. Всю эту конструкцию часто покрывают прозрачным пластиком и помещают в корпус с окошком для попадания световых лучей (см. рис. 2).

Рис. 2. Конструкция фоторезистора

Форма корпуса, его размеры и материал зависит от модели фоторезистора, определяемой технологией производителя. Примеры моделей показаны на рисунках 3 и 4.

Рис. 3. Датчик на основе фоторезистора Рис. 4. Фотоприемник

Сегодня в продаже можно увидеть детали в металлическом корпусе, часто в пластике или модели открытого типа. Некоторые модели изготавливают без метода напыления, а вырезают тонкий резистивный слой непосредственно из полупроводника. Существуют также технологии изготовления пленочных фотодатчиков (см. рис. 5).

Рис. 5. Конструкция пленочного фоторезистора

Для напыления слоя полупроводника используют различные фоторезистивные материалы. Для фиксации видимого спектра света применяют селенид кадмия и сульфид кадмия.

Более широкий спектр материалов восприимчив к инфракрасному излучению:

• германий чистый либо легированный примесями золота, меди, цинка;
• кремний;
• сульфид свинца и другие химические соединения на его основе;
• антимонид или арсенид индия;
• прочие химические соединения чувствительные к инфракрасным лучам.

Чистый германий или кремний применяют при изготовлении фоторезисторов с внутренним фотоэффектом, а вещества легированные примесями – для конструкций с внешним фотоэффектом. Независимо от вида применяемого фоторезистивного материала, оба типа фоторезисторов обладают одинаковыми свойствами – обратной, нелинейной зависимостью сопротивления от силы светового потока.

Принцип работы

В неактивном состоянии полупроводник проявляет свойства диэлектрика. Для того, чтобы он проводил ток, необходимо воздействие на вещество внешнего стимулятора. Таким стимулятором может быть термическое воздействие или световое.

Под действием фотонов света полупроводник насыщается электронами, в результате чего он становится способным проводить электрический ток. Чем больше электронов образуется, тем меньшее сопротивление току оказывает полупроводниковый материал. Зависимость силы тока от освещения иллюстрирует график на рис. 6.

Рис. 6. График зависимости силы тока от освещения

На этом принципе базируется работа фоторезисторов. Образованию электронов способствует как видимый спектр света так и не видимый. Причем фоторезистор более чувствителен к инфракрасным лучам, имеющим большую энергию. Низкую чувствительность к видимому свету проявляют чистые материалы.

Для повышения чувствительности фоторезистивного слоя его легируют разными добавками, которые образуют обновленную внешнюю зону, расположенную поверх валентной зоны полупроводника. Такое внешнее насыщение электронами потребует меньше энергии для перехода в состояние насыщения фототоком проводимости. Возникает внешний фотоэффект, стимулированный видимым спектром излучения.

Путем подбора легирующих добавок можно создавать фоторезисторы для работы в разных спектральных диапазонах. Фоторезистор имеет спектральную чувствительность. Если длина световых волн находится вне зоны проводимости, то прибор перестает реагировать на такие лучи. Освещенность в таких случаях, уже не может оказывать влияния на токопроводимость изделия.

Выбор спектральных характеристик зависит от условий эксплуатации изделия и решаемых задач. Если интенсивностей излучения не достаточно для стабильной работы устройства, его эффективность можно повысить путем подбора чувствительных элементов, с соответствующим полупроводниковым слоем.

Важно помнить, что инерционность фоторезисторов заметно выше чем у фотодиодов и фототранзисторов. Инерционность прибора имеет место потому, что для насыщения полупроводникового слоя требуется некоторое время. Поэтому датчик всегда подает сигнал с некоторым опозданием.

Обозначение на схеме

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

Рис. 7. Фоторезистор на схеме

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

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

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

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

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

Технические характеристики

Какие критерии применять при выборе фоторезистора?

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

Другие важные характеристики:

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

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

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

Рисунок 8. Характеристики фоторезистора

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

Преимущества и недостатки

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

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

Применение

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

Это качество используется:

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

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

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

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

Рис. 9. Схема оптрона

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