Fotorezystor: urządzenie, zasada działania, charakterystyka

W przemyśle i elektronice użytkowej fotorezystory są używane do pomiaru światła, liczenia czegoś, identyfikowania przeszkód i nie tylko. Jego głównym celem jest przekształcenie ilości światła padającego na wrażliwy obszar na użyteczny sygnał elektryczny. Sygnał może być następnie przetwarzany przez analogowy, cyfrowy obwód logiczny lub obwód oparty na mikrokontrolerze. W tym artykule opowiemy, jak działa fotorezystor i jak zmieniają się jego właściwości pod wpływem światła.

Podstawowe pojęcia i urządzenie

Fotorezystor to urządzenie półprzewodnikowe, którego rezystancja (w razie potrzeby przewodnictwo) zmienia się w zależności od natężenia oświetlenia jego wrażliwej powierzchni. Strukturalnie można je znaleźć w różnych projektach. Najczęstsze elementy tego projektu pokazano na poniższym rysunku. Jednocześnie do pracy w specyficznych warunkach można znaleźć fotorezystory zamknięte w metalowej obudowie z okienkiem, przez które światło wpada do wrażliwej powierzchni. Poniżej na schemacie widać jego umowne oznaczenie graficzne.

Interesujący: zmiana rezystancji pod wpływem strumienia świetlnego nazywana jest efektem fotorezystywnym.

Zasada działania jest następująca: pomiędzy dwiema elektrodami przewodzącymi znajduje się półprzewodnik (on cyfra jest zaznaczona na czerwono), gdy półprzewodnik nie jest oświetlony – jego rezystancja jest wysoka, do jednostek MOhm. Gdy ten obszar jest oświetlony, jego przewodnictwo gwałtownie wzrasta, a opór odpowiednio spada.

Jako półprzewodniki można stosować materiały takie jak siarczek kadmu, siarczek ołowiu, selenian kadmu i inne. Wybór materiału do produkcji fotorezystora zależy od jego charakterystyki spektralnej. W prostych słowach - zakres kolorów (długości fal) po oświetleniu, dzięki którym rezystancja elementu zmieni się poprawnie. Dlatego przy wyborze fotorezystora należy wziąć pod uwagę, w jakim spektrum on działa. Na przykład dla elementów wrażliwych na promieniowanie UV konieczne jest dobranie takich typów emiterów, których charakterystyka spektralna jest odpowiednia dla fotorezystorów. Rysunek opisujący charakterystykę spektralną każdego z materiałów pokazano poniżej.

Jednym z najczęściej zadawanych pytań jest „Czy fotorezystor ma polaryzację?” Odpowiedź brzmi nie. Fotorezystory nie mają złącza pn, więc nie ma znaczenia, w którym kierunku płynie prąd. Fotorezystor można sprawdzić multimetrem w trybie pomiaru rezystancji mierząc rezystancję podświetlonego i zaciemnionego elementu.

Na poniższym wykresie widać przybliżoną zależność rezystancji od oświetlenia:

Pokazuje, jak zmienia się prąd przy określonym napięciu w zależności od ilości światła, gdzie Ф = 0 - ciemność, a Ф3 - jasne światło. Poniższy wykres pokazuje zmianę prądu przy stałym napięciu, ale zmiennym oświetleniu:

Na trzecim wykresie widać zależność oporu od oświetlenia:

Na poniższym zdjęciu widać jak wyglądają popularne fotorezystory wyprodukowane w ZSRR:

Nieco inaczej wyglądają nowoczesne fotorezystory, które są szeroko rozpowszechnione w praktyce domowej roboty:

Oznaczenie literowe jest zwykle używane do oznaczenia elementu.

Charakterystyka fotorezystora

Fotorezystory mają więc główne cechy, na które zwracasz uwagę przy wyborze:

• Ciemny opór. Jak sama nazwa wskazuje, jest to rezystancja fotorezystora w ciemności, czyli przy braku strumienia świetlnego.
• Integralna światłoczułość - opisuje reakcję elementu, zmianę przepływającego przez niego prądu na zmianę strumienia świetlnego. Mierzone przy stałym napięciu w A/lm (lub mA, μA/lm). Oznaczony jako S. S = Iph / F, gdzie Iph to fotoprąd, a F to strumień świetlny.

W tym przypadku wskazany jest fotoprąd. Jest to różnica między prądem ciemnym a prądem oświetlanego elementu, czyli części, która powstała w wyniku efektu fotoprzewodnictwa (tak samo jak efekt fotorezystancji).

Notatka: ciemna rezystancja jest oczywiście typowa dla każdego konkretnego modelu, np. dla FSK-G7 jest to 5 MΩ, a integralna czułość 0,7 A/lm.

Pamiętaj, że fotorezystory mają pewną bezwładność, to znaczy, że ich rezystancja nie zmienia się natychmiast po napromieniowaniu strumieniem światła, ale z niewielkim opóźnieniem. Ten parametr nazywa się częstotliwością odcięcia. Jest to częstotliwość sygnału sinusoidalnego modulującego strumień świetlny przez element, przy której czułość elementu zmniejsza się pierwiastek 2 razy (1,41). Szybkość komponentów wynosi zwykle kilkadziesiąt mikrosekund (10 ^ (- 5) s). Zatem zastosowanie fotorezystora w obwodach, w których wymagana jest szybka odpowiedź, jest ograniczone i często niepotrzebne.

Gdzie jest używany

Kiedy dowiedzieliśmy się o urządzeniu i parametrach fotorezystorów, porozmawiajmy o tym, na czym polega na konkretnych przykładach. Chociaż zastosowanie fotorezystorów jest ograniczone ich szybkością, nie zmniejszyło to pola zastosowań.

1. Przekaźniki zmierzchowe. Nazywane są również fotoprzekaźnikami - są to urządzenia do automatycznego włączania światła w nocy. Poniższy schemat przedstawia najprostszą wersję takiego obwodu, wykorzystującą komponenty analogowe i przekaźnik elektromechaniczny. Jego wadą jest brak histerezy i możliwe występowanie stukania przy wartościach granicznych podświetlenie, w wyniku którego przekaźnik będzie stukał lub włączał/wyłączał się z niewielkimi wahaniami oświetlenie.
2. Czujniki światła. Za pomocą fotorezystorów można wykryć słaby strumień świetlny. Poniżej znajduje się implementacja takiego urządzenia w oparciu o ARDUINO UNO.
3. Alarmy. Takie obwody wykorzystują głównie elementy wrażliwe na promieniowanie ultrafioletowe. Element czuły jest oświetlany przez emiter, w przypadku wystąpienia między nimi przeszkody uruchamiany jest alarm lub aktuator. Na przykład kołowrót w metrze.
4. Czujniki obecności czegoś. Na przykład w przemyśle drukarskim fotorezystory mogą być używane do kontrolowania zrywania taśmy lub liczby arkuszy podawanych do prasy. Zasada działania jest podobna do omówionej powyżej. W ten sam sposób można policzyć ilość produktów przechodzących na taśmie przenośnika lub jego wielkość (przy znanej prędkości).

Pokrótce rozmawialiśmy o tym, czym jest fotorezystor, gdzie jest używany i jak działa. Praktyczne zastosowanie elementu jest bardzo szerokie, dlatego raczej trudno opisać wszystkie cechy w jednym artykule. Jeśli masz jakieś pytania - napisz je w komentarzach.

Na koniec zalecamy obejrzenie przydatnego filmu na ten temat:

Prawdopodobnie nie wiesz:

• Jak zrobić przekaźnik fotograficzny własnymi rękami
• Jak podłączyć czujnik ruchu do oświetlenia
• Co to jest rezystor i do czego służy