Основным свойством полупроводников является способность изменять сопротивление при воздействии света. Поэтому его применяют в фоторезисторных приборах, автоматических устройствах и датчиках.
Фоторезисторы являются в некоторой степени аналогами фотодиодов и фототранзисторов, но имеют весомые отличия.
Что такое фоторезистор и чем он отличается от других полупроводниковых фотоэлементов
Чувствительный слой фоторезистора в зависимости от мощности освещения меняет параметры у электротока при включении его в электрическую цепь. Зачастую это свойство используется при построении устройств, которыми можно управлять посредством излучаемого светового (инфракрасного) потока.
В качестве определения – фоторезистором является датчик или прибор полупроводникового типа. Во время облучения светом у него уменьшается (изменяется) собственное сопротивление внутри. Что касается отличий от остальных полупроводниковых аналогов, то есть фототранзисторов с фотодиодами, у подобного прибора отсутствует p-n-переход. Это означает следующее. Фоторезистору свойственно проведение токов без учета их направленностей. Он одинаково линейно работает и с постоянными, и с переменными генераторами энергии, его вольтамперная характеристика симметрична.
Принцип работы фоторезистора
Когда полупроводник неактивен (светочувствительная часть закрыта от света и инфракрасного излучения), у него проявляются диэлектрические свойства. Проводить ток он может, когда на него воздействует стимулятор извне, световой либо термический.
Наличие фотонов позволяет насытить полупроводниковый материал электронами, давая ему возможность стать проводником. При большем числе электронов, бомбардирующих поверхность полупроводника, общее сопротивление прибора уменьшается.
Данный принцип заложен в основе фоторезисторной работы. Электроны образуются и видимым, и не видимым спектрами света. Фоторезистор лучше реагирует на инфракрасные лучи с большей энергией. Пониженной чувствительностью к видимому освещению способны проявлять исключительно чистые материалы.
Повысить чувствительность позволяют добавки, образующие зону извне, выше, чем валентная полупроводниковая зона. При внешней насыщенности электронами, энергии, чтобы перейти в состояние фототоковой насыщенности требуется меньше. Получается стимулированный от видимого излучения внешний фотоэффект. Некоторые приборы могут быть оборудованы светофильтрами определённой полосы пропускания излучения.
При выборе характеристик спектра надо учитывать и поставленные задачи, и эксплуатационные условия для изделия. Когда для стабильности работы недостаточно интенсивности излучения, эффективность обычно повышается благодаря подбору конкретного чувствительного элемента, где есть подходящий слой полупроводника.
Не стоит забывать: у фоторезистора инерционность намного выше по сравнению с фототранзисторами и фотодиодами. Возникает она из-за того, что для насыщенности слоя полупроводника требуется определенное время. Поэтому в интерфейсах они, практически не используются из-за низкой скорости реагирования.
Но, многие светодатчики могут несколько опаздывать с подачей сигнала. Причём построение их на основе дискретных компонентов требует меньшее количество элементов. Потому что при создании каскадов на основе фоторезисторов, облегчает топологию:
· Высокая линейность зависимости сопротивления от освещения, особенно при малых уровнях облучения;
· Симметричность ВАХ на разных полярностях напряжения.
Особенности подключения
Подключая фоторезисторный прибор к микроконтроллеру, обычно сталкиваются с одной сложностью. Оказывается, контроллеры не способны считывать компонентные сопротивления. Чтобы это сделать, стоит воспользоваться схемой с делителем напряжения.
Он представляет собой два резистора, которые соединены последовательно между «+» и «-». Их принято называть плечами, на которых сумма напряжений соответствует напряжению эталонного источника на входе. Между средней точкой и минусом – нижнее плечо. Другое с плюсом – верхнее (см. рисунок).
Если собрать схему с простым сопротивлением и фоторезистором, а затем подключить ее для измерения величины напряжения к мультиметру или АЦП (аналогово-цифровой преобразователь), показания по сопротивлению в итоге станут значениями напряжения. С ними уже АЦП микроконтроллера способен работать.
Единица измерения освещенности
Освещенностью принято называть величину исходящего светового потока, которая приходится на площадь, равную единице, всей поверхности, находящейся под освещением.
В качестве единицы измерения применяется лк (люкс). Так освещенность может характеризовать на обозначенной поверхности количество света. Высокая линейность зависимости фоторезисторов от уровня освещения позволяет наилучшим образом задействовать их в качестве детекторов уровня яркости.
Для устранения влияния термического или иного излучения у люксометров должен быть светофильтр.
Где применяются фоторезисторы
Из-за незначительного порога чувствительности фоторезисторами нередко пользуются при необходимости зарегистрировать несильные волновые световые потоки.
Это свойство применяют на практике в:
- машинах для сортировки;
- полиграфии для измерения световых параметров и отметки фактического бумажного обрыва;
- реле уличного освежения, когда надо отключить линию фонарей или, наоборот, включить её;
- электронике промышленного назначения, также чтобы обеспечить учет движущихся на ленте изделий и т. д.
Сигналы от датчика обычно проходят обработку в микроконтроллере. Далее следуют необходимые вычисления. Незначительная задержка сигнала не является препятствием для широкого применения любых фоторезистора. Но, во многих случаях они не могут быть взаимозаменяемы фотодиодами или фототранзисторами. Они могут работать и на скоростных интерфейсах оптической передачи данных.
Схема автомата включения освещения
Простая схема автоматического включателя освещения в ночное время изображена на рисунке. Напряжение низковольтной части (в нашем случае +9В) соответствует напряжению включения реле. Транзисторы могут быть другие одинаковой структуры, подходящие под используемое напряжение и ток.
Если напряжение низковольтной части больше, то сопротивления резисторов R3 и R4 нужно увеличить. Впрочем и так их можно увеличить на порядок. Также в цепь фоторезистора желательно последовательно включить сопротивление 1 — 10 кОм. После настройки надёжности срабатывания резистором R2 его:
1) выпаивают из схемы
2) измеряют полученное сопротивление
3) впаивают постоянный резистор, сопротивление которого близко (округлено) к результатам измерения.