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;

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.

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.

Фоторезистор: характеристики, принцип работы, применение

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 фоторезистора никак не связано с приложенным к нему напряжением.

Содержание

Принцип действия фоторезисторов

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.

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.

Светозависимый резистор (LDR) – Принцип работы и его применение

Большинство уличных фонарей, наружных светильников и ряд бытовых приборов во многих случаях обычно управляются и обслуживаются вручную. Это не только рискованно, но и приводит к нерациональному расходованию электроэнергии из-за небрежности персонала или необычных обстоятельств при управлении включением и выключением этих электроприборов. Следовательно, мы можем использовать схему датчика освещенности для автоматического отключения нагрузки в зависимости от интенсивности дневного света с помощью датчика освещенности. В этой статье кратко рассказывается о том, что такое светочувствительный резистор, как сделать схему светозависимого резистора и ее применение.

Что такое светочувствительный резистор?

LDR или светочувствительный резистор также известен как фоторезистор, фотоэлемент, фотопроводник. Это один тип резистора, сопротивление которого изменяется в зависимости от количества света, падающего на его поверхность. Когда свет падает на резистор, сопротивление изменяется. Эти резисторы часто используются во многих схемах, где требуется определять наличие света. Эти резисторы имеют различные функции и сопротивления. Например, когда LDR находится в темноте, его можно использовать для включения света или для выключения света, когда он находится на свету. Типичный светозависимый резистор имеет сопротивление в темноте 1МОм, а в ярком свете сопротивление пару кОм

Принцип работы LDR

Этот резистор работает по принципу фотопроводимости. Это не что иное, как свет, падающий на его поверхность, тогда проводимость материала уменьшается, а также электроны в валентной зоне устройства возбуждаются в зону проводимости. Эти фотоны в падающем свете должны иметь энергию, превышающую ширину запрещенной зоны полупроводникового материала. Это заставляет электроны переходить из валентной зоны в зону проводимости.

Принцип работы LDR

Эти устройства зависят от света, когда свет падает на LDR, сопротивление уменьшается, а в темноте увеличивается. его сопротивление уменьшится.

Изменение сопротивления LDR с изменением интенсивности света

Если к LDR приложить постоянное значение «V», сила света увеличивается, а ток увеличивается. На рисунке ниже показана кривая зависимости сопротивления от кривой освещенности для конкретного светозависимого резистора.

Интенсивность света в зависимости от сопротивления LDR

Типы светозависимых резисторов

Светозависимые резисторы классифицируются на основе используемых материалов.

Собственные фоторезисторы

Эти резисторы представляют собой чистые полупроводниковые устройства, такие как кремний или германий. Когда свет падает на LDR, электроны переходят из валентной зоны в зону проводимости и количество носителей заряда увеличивается.

Внешние фоторезисторы

Эти устройства легированы примесями, и эти примеси создают новые энергетические зоны выше валентной зоны. Эти полосы заполнены электронами. Следовательно, это уменьшает ширину запрещенной зоны, и для их перемещения требуется небольшое количество энергии. Эти резисторы в основном используются для длинных волн.

Принципиальная схема светозависимого резистора

Принципиальная схема LDR показана ниже. Когда интенсивность света низкая, сопротивление LDR высокое. Это останавливает поток тока на базу транзистора. Итак, светодиод не горит. Однако, когда интенсивность света на LDR высока, сопротивление LDR низкое. Таким образом, ток течет на базу первого транзистора, а затем второго транзистора. Следовательно, светодиод загорается. Здесь используется предварительно установленный резистор для поверните вверх или вниз, чтобы увеличить или уменьшить сопротивление.

Схема светозависимого резистора

Применение светозависимого резистора

Светозависимые резисторы имеют низкую стоимость и простую конструкцию. Эти резисторы часто используются в качестве датчиков света. Эти резисторы в основном используются, когда необходимо определить отсутствие и присутствие света, например, в цепях охранной сигнализации, будильнике, измерителях интенсивности света и т. Д. Резисторы LDR в основном используются в различных электрических и электронных проектах. Чтобы лучше понять эту концепцию, здесь мы объясняем некоторые проекты реального времени, в которых используются резисторы LDR.

Система безопасности, управляемая электронным глазом

Эта система безопасности, управляемая электронным глазом, основана на фотодатчике. В предлагаемой системе используется 14-ступенчатый двоичный счетчик пульсаций для определения интенсивности света с использованием LDR. O/P включает реле и зуммер для требуемого действия. Этот проект очень полезен для отпугивания грабителей из торговых центров, банков, ювелирных магазинов и т. д.

В этом проекте используется светочувствительный резистор. Когда свет падает на датчик LDR, сопротивление датчика уменьшается, что приводит к активации сигнала тревоги, чтобы предупредить пользователя. Этот проект подходит для обеспечения системы безопасности для шкафчиков, касс, которые можно найти в банках, торговых центрах, ювелирных магазинах.

Схема этого проекта размещается внутри денежного ящика в торговых центрах или внутри шкафчиков в банках таким образом, что когда грабитель открывает кассовый ящик или шкафчик и использует свет фонарика для поиска ценностей. При попадании света на цепь включается электронный глазок и подается команда счетчику пульсаций. Это вызывает тревогу и указывает на попытку взлома. Лампа также используется для обозначения кражи, когда свет падает на датчик.

В будущем этот проект может быть реализован с использованием модема GSM, а также микроконтроллера. Этот модем может быть подключен для отправки SMS пользователю в случае взлома

Управление интенсивностью света для уличных фонарей на основе LDR

В предлагаемой системе обычно освещение дорог осуществляется с помощью газоразрядных ламп. Потому что энергопотребление этих ламп высокое. В этом проекте используются светодиоды для преодоления недостатков газоразрядных ламп. Этот проект демонстрирует использование светодиодов в качестве источника света. Эти огни потребляют мало энергии, и их срок службы больше по сравнению с HID-лампами. Для обнаружения света используется резистор, зависящий от света. Сопротивление LDR резко уменьшается в зависимости от дневного света.

Связка светодиодов используется для создания уличного фонаря. Микроконтроллер содержит программируемые инструкции, которые регулируют интенсивность света на основе генерируемых сигналов широтно-импульсной модуляции.

Интенсивность освещения остается высокой в ​​часы пик, а также в связи с тем, что движение на автомагистралях имеет тенденцию к снижению в поздние ночи: интенсивность освещения также снижается до утра. Наконец, уличные фонари полностью отключаются утром и снова включаются вечером в 18:00. для питания уличных фонарей на шоссе.

Переключатель освещения от заката до рассвета

Этот переключатель освещения от заката до рассвета предназначен для управления светом, подаваемым на датчик LDR.

Сопротивление датчика LDR изменяется при изменении интенсивности света, падающего на LDR. Выход этого датчика подается на таймер IC 555, подключенный в бистабильном режиме. O/p таймера IC 555 используется для управления запросом нагрузки через TRIAC. Следовательно, эта схема автоматически включает нагрузку на закате и выключает нагрузку на восходе солнца.

Надеюсь, в этой статье содержится достаточно информации о том, что такое светочувствительный резистор, типы LDR, работа LDR и области применения LDR. Кроме того, если у вас есть какие-либо сомнения относительно использования светочувствительных резисторов, пожалуйста, оставьте свой отзыв, разместив свои комментарии в поле для комментариев. Вот к вам вопрос, какова основная роль подстроечного резистора в приведенной выше схеме.

Пожалуйста, перейдите по этой ссылке, чтобы узнать больше о различиях ч/б GSM и CDMA.

Фото:

• Светозависимый резистор от doctronics
• LDR Принцип работы по технологиистудент

Лучший выбор для ваших приложений

Некоторые электронные компоненты обнаруживают наличие уровней освещенности, например фототранзисторы или фотодиоды. Однако электронные компоненты имеют PN-переходы и полупроводниковые материалы с малым изменением сопротивления в зависимости от интенсивности света. Следовательно, вам понадобится переменный резистор определенного типа, известный как фоторезистор, для выполнения операции светочувствительной.

Они просты в изготовлении и просты в использовании. Благодаря своим преимуществам и многим другим, они имеют различные применения, такие как управление снижением усиления в динамических аудиокомпрессорах.

 

Содержание

Определение и принцип работы фоторезистора

 

Что такое фоторезистор?

 

Фоторезистор, светозависимый резистор (LDR)/фотоэлемент/фотопроводник. Это электронный компонент, построенный из полупроводников. Полупроводниковые материалы с высоким сопротивлением могут включать германий, кремний, селенид кадмия, сульфид кадмия и т. д. 

Обладают высокой чувствительностью к свету и поэтому уменьшают значение сопротивления (теряет несколько Ом) при увеличении уровня освещенности. Таким образом, фоторезисторы становятся материалами с низким сопротивлением при ярком свете и материалами с высоким сопротивлением при его отсутствии.

 

(фоторезисторы на белом фоне)

 

Их общая функция – показывать, есть свет или нет, таким образом, они действуют как датчик освещенности. Кроме того, он измеряет интенсивность света и изменяется только при воздействии световой энергии.

 

Принцип работы фоторезистора

 

Фоторезистор работает по следующему принципу:

• Сначала свет падает на фоторезистор. Некоторые валентные электроны поглощают световую энергию. Затем свободные валентные электроны разрывают атомные связи.
• Если фотопроводник получает сильно увеличенное количество световой энергии, валентные электроны получают энергию фотона.
• После разрыва связи родительского атома валентные электроны образуют зону проводимости. Атомы в зоне проводимости свободно перемещаются в пространстве, поскольку они не принадлежат к определенной группе атомов.
• Затем валентный электрон покидает атом, таким образом, создавая вакансию, известную как дырка. Дырки и свободные электроны спариваются в электрическом поле.
• Наконец, свободные электроны переносят электрический ток, когда они свободно движутся. Дырки также имеют электрический ток и движутся в валентной зоне. Процесс является постепенным в том смысле, что по мере увеличения количества света на проводнике фотоэлемента больше носителей заряда проводят электричество.

Как правило, величина электрического тока, протекающего через фотоэлемент, зависит от наличия нескольких дырок и свободных электронов. Другими словами, чем больше энергия света, тем больше количество свободных электронов и дырок (носителей заряда). Впоследствии поток электрического тока через LDR увеличивается.

 

Структура фоторезистора

 

Фоторезистор имеет горизонтальное тело, обращенное к свету.

Базовая структура показана выше.

• Чувствительный материал представляет собой активную полупроводниковую область, расположенную поверх полуизолирующей подложки. Часто активный материал слегка легируется.
• Затем видимый рисунок фотоэлемента на поверхности увеличивает площадь воздействия света.
• Два металлических контакта также должны быть широкими, чтобы уменьшить диапазон сопротивления контакта активной области со светом.
• Наконец, в LDR используется множество полупроводниковых материалов с различными свойствами, включая длину волны светочувствительности. Примерами являются InSb (антимонид индия), PBS, GaAs, Is и Ge.

 

Обозначение фоторезистора

 

Международные и американские стандартные обозначения фоторезисторов различаются, как показано на схеме ниже.

Стрелка, указывающая на символ цепи резистора, означает световую энергию. Зигзагообразная линия предназначена для старых обозначений резисторных цепей, а прямоугольное обозначение цепи — для новых резисторных цепей.

 

Тип фоторезистора

 

Существует два типа фоторезисторов в зависимости от материалов, которые производители используют для их изготовления. Они включают;

 

 

Внутренние фотоэлементы состоят из чистых полупроводниковых материалов, таких как германий или кремний, и атомов, чьи внешние оболочки могут содержать не более восьми валентных электронов. Но каждый бит в полупроводниковых материалах имеет только четыре валентных электрона.

Четыре валентных электрона соединяются (используя ковалентные связи) с соседними четырьмя атомами, таким образом образуя самую внешнюю оболочку с восемью валентными электронами. Связь не оставляет свободного электрона.

Кроме того, собственный фоторезистор получает лишь небольшое количество валентных электронов при прохождении через него световой энергии. Следовательно, он будет генерировать только несколько носителей заряда, что делает его ненадежным для практических приложений, поскольку он менее чувствителен к свету.

 

 

Внешние LDR имеют внешние полупроводниковые материалы, такие как комбинация нечистого фосфора (легирующего агента) и атомов кремния.

Практически у нас есть атом фосфора с пятью валентными электронами и атом кремния с четырьмя валентными электронами. Четыре валентных электрона каждой из двух частиц образуют четыре ковалентные связи друг с другом. Однако пятые валентные электроны в атомах фосфора кочуют доступными битами, поскольку им нет соответствующего электрона из атомов кремния.

Часто свободные электроны сталкиваются с валентными электронами других атомов, что делает их доступными. Впоследствии будет массовая генерация свободного потока электронов в энергетической зоне.

Наконец, внешний фоторезистор генерирует много носителей заряда, что увеличивает протекание электрического тока. Поэтому они рекомендуются для практического применения.

1. Применение фоторезистора

Фоторезисторы применяются в самых разных областях, включая;

• Автоматические уличные фонари, экономящие электроэнергию за счет включения света только в темное время суток, 

 

(уличные фонари ночью)

 

• Солнечные уличные фонари,
• Дорожные шпильки Solar,
• Экспонометр в камере,
• Радиочасы или уличные часы,
• Инфракрасная астрономия, где он действует как превосходный инфракрасный детектор,
• Световые датчики в роботизированных проектах,
• Устройства сигнализации, такие как дымовые и охранные извещатели, и 
• Ночник.

 

Заключение

 

Фоторезисторы — это электрические устройства, которые позволяют использовать технологии освещения, поскольку они компактны, широко доступны у дистрибьюторов электронных компонентов и экономичны.