Що таке фоторезистори, як вони працюють і де використовуються

У промисловості та побутовій електроніці фоторезистори використовуються для вимірювання освітленості, підрахунку кількості чогось, визначення перешкод та іншого. Основне його призначення - переводити кількість світла, що потрапляє на чутливу площу, корисний електричний сигнал. Сигнал надалі може оброблятися аналогової, цифрової логічної схемою чи схемою з урахуванням микроконтроллера. У цій статті ми розповімо, як влаштований фоторезистор та як змінюються його властивості під впливом світла.

Основні поняття та пристрій

Фоторезистор – це напівпровідниковий прилад, опір якого (якщо зручно – провідність) змінюються залежно від того, наскільки сильно освітлена його чутлива поверхня. Конструктивно зустрічаються у різних виконаннях. Найбільш поширені елементи такої конструкції, як зображено нижче. При цьому для роботи в специфічних умовах можна знайти фоторезистори, укладені в металевий корпус з віконцем, через яке світло потрапляє на чутливу поверхню. Нижче ви бачите його умовне графічне позначення на схемі.

Цікаво: зміна опору під впливом світлового потоку називається фоторезистивним ефектом.

Принцип дії полягає в наступному: між двома електродами, що проводять, знаходиться напівпровідник (на малюнку зображений червоним), коли напівпровідник не освітлений - його опір велике, аж до одиниць МОм. Коли ця область освітлена, її провідність різко зростає, а опір відповідно падає.

Як напівпровідник можуть використовуватися такі матеріали як: сульфід Кадмію, Сульфід Свинцю, Селеніт Кадмію та інші. Від вибору матеріалу під час виготовлення фоторезистора залежить його спектральна характеристика. Простими словами – діапазон кольорів (довжин хвиль) при освітленні якими коректно змінюватиметься опір елемента. Тому, вибираючи фоторезистор, потрібно враховувати в якому спектрі він працює. Наприклад, під УФ-чутливі елементи слід підбирати ті види випромінювачів, спектральні характеристики яких підійдуть до фоторезисторів. Малюнок, який описує спектральні характеристики кожного матеріалу зображений нижче.

Одним із найпоширеніших питань є «Чи є полярність у фоторезистора?» Відповідь – ні. У фоторезисторів немає p-n переходу, тому немає значення, у якому напрямі протікає струм. Перевірити фоторезистор можна за допомогою мультиметра в режимі вимірювання опору, вимірявши опір освітленого та затемненого елемента.

Зразкову залежність опору від освітленості ви можете бачити на графіці нижче:

Тут показано, як змінюється струм при певному напрузі залежно кількості світла, де Ф=0 – темрява, а Ф3 – яскраве світло. На наступному графіку наведено зміну струму при постійній напрузі, але освітленості, що змінюється:

На третьому графіку ви бачите залежність опору від освітленості:

Сучасні ж фоторезистори, які знайшли широке поширення у практиці саморобників, виглядають трохи інакше:

Для позначення елемента зазвичай використовується буквене маркування.

Характеристики фоторезисторів

Отже, фоторезистори мають основні характеристики, на які звертаються увага при виборі:

Темновий опір. Як відомо з назви — це опір фоторезистора у темряві, тобто за відсутності світлового потоку.
Інтегральна фоточутливість – визначає реакцію елемента, зміна струму крізь нього зміну світлового потоку. Вимірюється при постійній напрузі А/лм (або мА, мкА/лм). Позначається як S. S=Iф/Ф, де Iф – фотострум, а Ф – світловий потік.
При цьому вказується саме фотострум. Це різниця між темновим струмом і струмом освітленого елемента, тобто тією частиною, яка виникла через ефект фотопровідності (те ж саме і фоторезистивний ефект).

Примітка: темновий опір, звичайно ж, характерний для кожної конкретної моделі, наприклад, для ФСК-Г7 – це 5 МОм, а інтегральна чутливість 0,7 А/лм.

Пам'ятайте, що фоторезистори мають певну інерційність, тобто його опір змінюється не моментально після опромінення світловим потоком, а з невеликою затримкою. Цей параметр називається гранична частота. Це частота синусоїдального сигналу, що модулює світловий потік через елемент, при якій чутливість елемента знижується в корінь з 2 разів (1.41). Швидкодія компонентів зазвичай лежить у межах десятків мікросекунд (10^(-5)с). Таким чином, використання фоторезистора у схемах, де потрібна швидка реакція обмежена, а часто й невиправдана.

Де використовується

Коли ми дізналися про пристрій і параметри фоторезисторів, поговоримо про те, для чого він потрібен на конкретних прикладах. Хоча і застосування фотоопорів обмежене їх швидкодією, від цього сфера застосування меншою не стала.

Сутінки реле. Їх ще називають фотореле – це пристрої для автоматичного увімкнення світла у темний час доби. На схемі нижче зображено найпростіший варіант такої схеми, на аналогових компонентах та електромеханічного реле. Її недоліком є ​​відсутність гістерезису і можливе виникнення деренчання при прикордонних величинах освітленості, в результаті чого реле деренчатиме або вмикати-відключатися при незначних коливаннях освітленості.

Датчики освітлення. За допомогою фоторезисторів можна детектувати слабкий світловий потік. Нижче представлено реалізацію такого пристрою на базі ARDUINO UNO.

Сигналізації. У таких схемах використовують переважно елементи, чутливі до ультрафіолетового випромінювання. Чутливий елемент висвітлюється випромінювачем, у разі появи перешкоди між ними спрацьовує сигналізація або виконавчий механізм. Наприклад, турнікет у метро.
Датчики наявності чогось. Наприклад, у поліграфічній промисловості за допомогою фоторезисторів можна контролювати обрив паперової стрічки або кількість аркушів, що подаються до друкарської машини. Принцип роботи подібний до того, що розглянуто вище. Таким же чином можна вважати кількість продукції, що пройшла конвеєрною стрічкою, або її розмір (при відомій швидкості руху).
Ми коротко розповіли про те, що це фоторезистор, де він використовується і як працює. Практичне використання елемента дуже широко, тому описати всі особливості в межах однієї статті досить складно. Якщо у вас виникли запитання – пишіть їх у коментарях.

Насамкінець рекомендуємо переглянути корисне відео на тему:

Напевно, ви не знаєте:

Ви не маєте права надсилати коментарі