Фоторезистор: устройство, принцип работы, виды, технические характеристики

Что такое фоторезистор?

Остановимся подробнее на описании полупроводникового фоторезистора. Во-первых, давайте определимся.

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

В отличие от фотоэлементов других типов (фотодиодов и фототранзисторов) этот прибор не имеет p-n перехода. Это означает, что фоторезистор может проводить ток независимо от направления и может работать не только в цепях постоянного тока, где есть постоянное напряжение, но и с переменным током.

Основные понятия и устройство

Фоторезистор — это полупроводниковый прибор, сопротивление которого (если применимо, проводимость) изменяется в зависимости от того, насколько сильно освещена его чувствительная поверхность. Конструктивно они существуют в разных вариантах. Наиболее распространенные элементы в этой конструкции, как показано на рисунке ниже.

В то же время для работы в специфических условиях можно найти фоторезисторы, заключенные в металлический корпус с окном, через которое свет попадает на чувствительную поверхность. Ниже вы видите условное графическое обозначение схемы.

Термин

Фоторезистор — это, по сути, полупроводниковый прибор, который под действием света способен изменять свою проводимость или сопротивление.

Отличаются отсутствием p-n перехода, который свободно используется в солнечных фотопластинках.

А так как p-n перехода нет, то такой элемент имеет свойство пропускать ток независимо от его направления. Эта характеристика позволяет использовать их в электрических цепях переменного или постоянного тока.

Коды ошибок стиральных машин Самсунг

определить поломку намного проще, если на панели управления есть дисплей. В случае неисправности на нем отображаются символы, каждый из которых соответствует определенной ошибке.

Основные коды ошибок	Соответствующая ошибка
4С	Вода не наливается или наливается слишком медленно (процесс наполнения занимает более 20 минут)
4С2	Убедитесь, что наливной шланг подсоединен к трубе холодной воды
А0, В0, С0, Д0, Е0	Активирована диагностика стиральной машины (используется тестовый режим на заводе)
5С, 5Е, Е2	Вода не вытекает
округ Колумбия	Открытая дверь
ОС	Избыток воды, следует поставить машину на отжим и перезапустить
ЛК, ЛК1	Проблемы с заливным шлангом
Уб	Спин не работает
UC	Нет сетевого питания, низкое напряжение, проверьте подключение
3С	Двигатель не работает
NS	Превышена температура нагрева, возможно, неисправен термостат
1С	Датчик уровня воды не работает должным образом
ДДЦ, ДДЦ	Появляется, если «Добавить дверцу» (для добавления забытого белья) открывается без нажатия кнопки «Старт» или «Пауза
DC3	Замок Add Door не работает должным образом
SD	Слишком много пены
DC1	Главный дверной замок не работал должным образом
Солнце	Устройство не может запустить двигатель
PoF	Во время стирки отключилось электричество
Горячий	В процессе сушки температура внутри барабана превысила 700С
ЛЭ, ЛК, Е9	Самопроизвольный слив воды из-за низко расположенного шланга или протечки

Обратите внимание, что перечисленные коды ошибок периодически изменяются и пополняются новыми. Поэтому перед началом ремонтных работ следует проверить список ошибок, указанный в инструкции.

Составляющие фоторезистора

В общем случае фоторезистор представляет собой керамическую подложку, на которую при первом покрытии нанесен фоточувствительный слой, а при втором покрытии — металлический слой с зазором в виде изогнутой линии — «змейки».

Зазор разделяет покрытие на два отдельных контактных слоя, к которым крепятся штифты припоя. Форма выреза в виде «змейки» обеспечивает хорошее освещение светочувствительного материала.

В качестве светочувствительного слоя могут быть использованы следующие материалы: сульфид кадмия, сульфид свинца, селенит кадмия и другие.

Выбор материала при изготовлении фоторезистора определяет его спектральную характеристику, иначе говоря диапазон длин волн при освещении, что позволит правильно изменить сопротивление элемента. Поэтому при выборе фоторезистора нужно учитывать, в каком спектре он работает.

Особенности фоторезисторов

Фоторезистор предназначен не для точного измерения освещенности, а скорее для определения того, стало ли окружение ярче или темнее.

Фоторезисторы не имеют p-n перехода, поэтому можно подключать компонент к цепи, не заботясь о плюсе или минусе.

Фотосопротивление имеет инерционность, т.е есть время задержки между изменением сопротивления от освещения. Для значительного падения сопротивления под воздействием луча света требуется около 10 миллисекунд.

При обратном действии для восстановления значения сопротивления потребуется около 1 секунды. Благодаря этим свойствам фоторезистор постепенно заменяется другими компонентами, быстро улавливающими резкие скачки света.

Единица измерения

Единица СИ для света называется люкс, что формально означает «световой поток на единицу площади». В фотометрии люкс используется как мера интенсивности света, входящего или проходящего через поверхность, воспринимаемую человеческим глазом.

0,002	Безлунное ясное ночное небо
0,25–1	Полнолуние
50	Гостиная
80	Прихожая/туалет
100	Темный пасмурный день
300–500	Восход или закат солнца в ясный день
1000	Пасмурный день / Типичное освещение для телестудии
10000–25000	Полный дневной свет (без прямых солнечных лучей)
32000–30000	Полный дневной свет (прямой солнечный свет)

Где используется фоторезистор

Раньше фоторезисторы использовались для индикации или при отсутствии света. Сейчас на смену фоторезисторам приходят фототранзисторы и фотоприемники, которые используются в таких областях:

• Печать — для обнаружения разрывов бумаги проверьте количество листов бумаги, подаваемых в печатный станок.
• Освещение для автоматического включения света ночью.
• Системы сигнализации. Чувствительный элемент подсвечивается излучателем, в случае препятствия между ними срабатывает сигнализация или исполнительное устройство. Например, турникет в метро.
• Бытовая электроника, например мобильный датчик освещенности, для автоматической настройки дисплея в зависимости от времени суток.

И наконец. В робототехнике фоторезистор получил второй шанс на существование благодаря простоте использования. Если встроить в робота фоторезистор, то можно будет определять степень освещенности, фиксировать белые или черные участки на поверхности. Это дает возможность перемещаться по линии или выполнять другие действия.

Чувствительность и инертность фоторезистора

Чувствительность фоторезистора зависит от длины волны света. Если длина волны находится за пределами рабочего диапазона, свет не влияет на FR. Можно сказать, что фоторезистор не чувствителен в этом диапазоне длин волн. Эти радиодетали обладают меньшей чувствительностью, чем фототранзисторы и фотодиоды.

Другая важная характеристика фоторезистора называется инерционностью, ее физический смысл заключается в том, что между изменением освещенности и последующим изменением сопротивления существует определенная инерция (или, проще говоря, время задержки).

Требуется около 10 мс, чтобы сопротивление упало до минимально возможного значения при полном освещении, и около одной секунды, чтобы сопротивление увеличилось до максимального значения после того, как тот же компонент потемнел.

Чувствительность и инерционность фоторезистора.

Устройство

Конструкция разных моделей фоторезисторов может различаться формой материала корпуса. Но в основе каждого такого устройства лежит подложка, чаще всего керамическая, покрытая слоем полупроводникового материала. Поверх этого полупроводника трубкой наносится тонкий слой золота, платины или другого устойчивого к коррозии металла. (см рис. 1). Слои наносятся распылением.

Рис. 1. Устройство фоторезисторов

Распиленные слои соединены с электродами, на которые подается электрический ток. Всю эту конструкцию часто покрывают прозрачным пластиком и помещают в коробку с окном для входа световых лучей (см рис. 2).

Рис. 2. Конструкция фоторезистора

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

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

Сегодня в продаже можно увидеть детали в металлическом корпусе, часто в пластиковых моделях или открытых моделях. Некоторые модели изготавливаются без метода напыления, а вырезают тонкий резистивный слой прямо из полупроводника. Существуют также технологии производства пленочных фотодатчиков (см рис. 5).

Рис. 5. Конструкция пленочного фоторезистора

Для нанесения полупроводникового слоя используются различные фоторезистивные материалы. Селенид и сульфид кадмия используются для фиксации спектра видимого света.

Более широкий спектр материалов подвергается воздействию инфракрасного излучения:

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

Чистый германий или кремний используют для изготовления фоторезисторов с внутренним фотоэффектом, а вещества, легированные примесями, — для структур с внешним фотоэффектом. Независимо от типа используемого фоторезистивного материала оба типа фоторезисторов обладают одинаковыми свойствами — обратной, нелинейной зависимостью сопротивления от силы светового потока.

Читайте также: Формулы по электротехнике

Принцип работы

В неактивном состоянии полупроводник проявляет свойства диэлектрика. Для того чтобы он проводил ток, необходимо воздействовать на вещество внешним раздражителем. Таким стимулятором может быть тепловое воздействие или свет.

Под действием световых фотонов полупроводник насыщается электронами, в результате чего он становится способным проводить электрический ток. Чем больше произведено электронов, тем меньше сопротивление току полупроводникового материала. Зависимость силы тока от освещенности иллюстрирует график на рис. 6.

Рис. 6. График зависимости силы тока от освещения

На этом принципе основано действие фоторезисторов. Образованию электронов способствует как видимый спектр света, так и невидимый. Кроме того, фоторезистор более чувствителен к инфракрасным лучам, имеющим более высокую энергию. Чистые материалы обладают низкой чувствительностью к видимому свету.

Для повышения чувствительности фоторезистивный слой его легируют различными добавками, образующими обновленную внешнюю зону, расположенную поверх валентной зоны полупроводника.

Такое внешнее насыщение электронами потребует меньше энергии для перехода в состояние насыщения с фототоком проводимости. Это внешний фотоэлектрический эффект, стимулируемый видимым спектром излучения.

Подбирая легирующие примеси, можно создавать фоторезисторы для работы в разных спектральных диапазонах. Фоторезистор имеет спектральную чувствительность. Если длина волны света находится за пределами зоны проводимости, устройство перестает реагировать на такие лучи. Освещение в таких случаях уже не может влиять на электропроводность изделия.

Выбор спектральных характеристик зависит от условий эксплуатации изделия и решаемых задач. Если интенсивности излучения недостаточны для стабильной работы прибора, эффективность можно повысить, выбрав чувствительные элементы с подходящим полупроводниковым слоем.

Важно помнить, что инерционность фоторезисторов заметно выше, чем у фотодиодов и фототранзисторов. Инерционность устройства возникает из-за того, что для насыщения полупроводникового слоя требуется некоторое время. Поэтому датчик всегда дает сигнал с некоторой задержкой.

Обозначение на схеме

отличить фоторезистор в схеме от обычного резистора достаточно просто. Значок фоторезистора имеет две стрелки, указывающие на прямоугольник. Эти стрелки символизируют поток света (см рис. 7). На одних схемах символ сопротивления помещается внутри круга, а на других он обозначается прямоугольником без кружка. Но главное отличие — это наличие стрелок.

Рис. 7. Фоторезистор на схеме

Виды

Несмотря на разнообразие фотодатчиков, их можно разделить только на два типа:

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

Отличаются они только технологией производства, а точнее составом фоторезистивного слоя. Первый — фоторезисторы, где полупроводник изготовлен из чистых химических элементов, без примесей. Они нечувствительны к видимому свету, но хорошо реагируют на тепловые лучи (инфракрасный свет).

Фоторезисторы внешнего эффекта содержат примеси, легированные основным составом полупроводникового материала. Спектр чувствительности этих датчиков гораздо шире, переходя в видимый спектр и даже в зону УФ-излучения.

По принципу работы эти два типа фоторезисторов не отличаются. Их внутреннее сопротивление нелинейно уменьшается с увеличением силы светового тока в зоне чувствительности.

Технические характеристики

Какими критериями следует руководствоваться при выборе фоторезистора?

В первую очередь обратите внимание на спектральные свойства. Если вы выберете этот параметр неправильно, скорее всего, устройство не будет работать или работа будет нестабильной. Например, фоторезисторы с внутренним эффектом не реагируют на дневной свет. Если вы не планируете использовать ИК-передатчик в качестве облучателя, выбирайте второй тип устройства.

Другие важные особенности:

• встроенная чувствительность;
• энергетическая характеристика (порог чувствительности);
• инерция.

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

Энергетическая характеристика показывает, как сила тока зависит от величины светового потока, при постоянном напряжении (см рис. 8 б). На графике видно, как меняется кривая энергии: сначала она устремляется вверх, а при достижении определенного предела плавно меняет направление и становится почти параллельной оси светового потока.

Это объясняется тем, что после насыщения полупроводникового элемента сопротивление минимально и далее не зависит от интенсивности света.

Рисунок 8. Характеристики фоторезистора

Что касается инерционности, то она присутствует в той или иной степени во всех типах датчиков. Если вам нужен молниеносный отклик на свет, лучше использовать фотодиод.

Преимущества и недостатки

Сильной стороной фоторезисторов является их высокая надежность и низкая цена. Иногда полезным свойством является его вольтамперная характеристика, когда ток нарастает не молниеносно, а постепенно. Преимуществом является низкий порог чувствительности.

К недостаткам можно отнести медлительность датчиков. Задержка сигнала снижает быстродействие устройств на основе термистора, что зачастую недопустимо.

Область применения

В современном мире значительно расширен ассортимент этих радиодеталей.

Применение различных фоторезисторов, работающих в видимом спектре, весьма обширно. Он может стать:

1. Системы с автоматическими выключателями света.
2. Счетные устройства.
3. Датчики обрыва полотна или бумаги.
4. Датчики проникновения.
5. В устройствах, оборудованных экспонометрами. Например, такие элементы можно использовать в типовых мыльных камерах.

Сами по себе они являются лишь элементом сложных фотоприемников, в состав которых помимо фотоприемника могут входить:

• интегрированный усилитель;
• микросхема, отвечающая за автоматическое управление светом;
• принципиальные схемы, дополненные системой охлаждения на элементах Пельтье.

Все это разнообразие элементов для фотоприемников содержится в небольшой герметичной коробке.

Если эти устройства работают в инфракрасном диапазоне, область применения немного отличается. Они используются в составе сложных устройств, таких как:

• датчики обнаружения пламени;
• системы бесконтактного измерения температуры;
• системы контроля влажности;
• используется для обнаружения углекислого газа;
• в инфракрасных газоанализаторах;
• используется в датчиках обрыва бумаги в типографии или в бумажной промышленности;
• в промышленной электронике подключение фоторезистора можно использовать для автоматического подсчета продуктов, движущихся по конвейерной ленте.

Соответственно, исходя из того, что будет управляться таким резистором, рассчитываются и параметры.

Для примера того, как этот элемент используется на практике, рассмотрим схему фотореле, управляющую уличным освещением.

Автоматика уличного освещения

Автоматы, включающие уличное освещение, способны определять наличие/отсутствие солнечного света.

Вот типичная схема реализации подключения фоторезистора для автоматического включения ночника.

Вообще говоря, принцип работы схемы.

С наступлением сумерек и ночью сопротивление ЛДР увеличивается, вызывая уменьшение напряжения на переменном резисторе R2. Транзистор VT1 закрыт, а VT2 открыт и таким образом поступает напряжение на реле, которое включает лампу.

Это полнофункциональная схема фотореле, но ее главный недостаток — отсутствие гистерезиса. Это приводит к тому, что реле кратковременно гудит в сумерках, когда происходят небольшие изменения в освещении.

Эта электронная часть помогает отслеживать степень освещенности окружающей обстановки.

Датчики наличия других условий

В полиграфии конструкции на специальном фоторезисте следят за обрывом бумажного рулона. Их также можно использовать для подсчета листов бумаги на конвейере.

Подключение фоторезистора к ардуино

Датчики света, которые могут использовать фоторезисторы, можно реализовать своими руками на базе плат Arduino.

Такие схемы достаточно просты, сомнений «где взять» не возникает, так как они доступны в интернет-магазинах, а их цена не отпугивает покупателей.

Самодельный модуль дает возможность управлять уровнем освещения и реагировать на изменение.

Имея в руках такую ​​плату Arduino, легко реализовать такие проекты, как:

• световой датчик;
• включить/выключить реле;
• запуск двигателей и так далее.

Вот типичный пример использования детектора света на базе платы Arduino.

Применение

Из-за низкого порога чувствительности фоторезисторы часто используются для обнаружения слабых пучков световых волн.

Это качество используется:

• в сортировочных машинах;
• в полиграфии для фиксации факта разрыва бумажной ленты;
• в сельскохозяйственной технике для контроля густоты семян;
• в световых реле для включения/выключения освещения, в фотоэкспонометрах и т.д.

В промышленной электронике фоторезисторы используются для учета продуктов, движущихся по конвейерной ленте или падающих в емкость для хранения.

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

На основе фоторезисторов производятся оптопары — блоки с собственным источником света, которым можно управлять. Пример такого блока показан на рис. 9.

Рис. 9. Схема оптопары

Несмотря на некоторые недостатки приборов, эра фоторезисторов, по-видимому, еще не закончилась.