Как работает фоторезистор. Фоторезистор: принцип работы, характеристики и применение

Что такое фоторезистор и как он работает. Каковы основные характеристики фоторезисторов. Где применяются фоторезисторы в современной технике. Как правильно подключить и использовать фоторезистор в электронных схемах.

Что такое фоторезистор и принцип его работы

Фоторезистор (также называемый фотосопротивлением или светозависимым резистором) — это полупроводниковый элемент, электрическое сопротивление которого изменяется в зависимости от интенсивности падающего на него света. Чем больше света падает на фоторезистор, тем меньше становится его сопротивление.

Принцип работы фоторезистора основан на явлении фотопроводимости. При попадании света на поверхность полупроводника происходит генерация свободных носителей заряда (электронов и дырок), что приводит к увеличению электропроводности материала.

Как устроен фоторезистор?

Типичная конструкция фоторезистора включает в себя:

• Светочувствительный слой полупроводника (обычно сульфид кадмия или селенид кадмия)
• Керамическую подложку
• Металлические контакты
• Защитное покрытие

Светочувствительный слой наносится в виде тонкой извилистой дорожки между контактами. Такая форма позволяет увеличить активную площадь и достичь нужного номинального сопротивления.

Основные характеристики фоторезисторов

Ключевыми параметрами, характеризующими работу фоторезистора, являются:

Темновое сопротивление

Это сопротивление фоторезистора при отсутствии освещения. Обычно составляет от сотен килоом до нескольких мегаом.

Световое сопротивление

Сопротивление при определенном уровне освещенности (обычно 10 лк). Может составлять от единиц до сотен Ом.

Кратность изменения сопротивления

Отношение темнового сопротивления к световому. У качественных фоторезисторов может достигать 10⁵ — 10⁶.

Спектральная характеристика

Показывает чувствительность фоторезистора к свету разной длины волны. Максимум чувствительности обычно лежит в видимой области спектра.

Где применяются фоторезисторы

Благодаря своим свойствам фоторезисторы нашли широкое применение в различных областях техники:

Системы автоматического управления освещением

Фоторезисторы используются в уличных фонарях, подсветке рекламных щитов и других системах, которые должны включаться при наступлении темноты.

Экспонометры фотоаппаратов

В фотографии фоторезисторы применяются для измерения уровня освещенности и автоматической настройки выдержки.

Охранные системы

Фоторезисторы могут использоваться в качестве датчиков движения, реагирующих на изменение освещенности при появлении объекта.

Сортировочные автоматы

На производстве фоторезисторы применяются для подсчета и сортировки изделий на конвейерных линиях.

Как правильно подключить фоторезистор

Для использования фоторезистора в электронных схемах его обычно подключают по схеме делителя напряжения:

1. Подключите фоторезистор последовательно с обычным резистором (10-100 кОм).
2. Подайте напряжение питания на эту цепочку.
3. Снимайте выходной сигнал с точки соединения фоторезистора и резистора.

При изменении освещенности будет меняться сопротивление фоторезистора, а значит и напряжение в точке соединения. Этот сигнал можно подавать на вход микроконтроллера или других устройств.

Преимущества и недостатки фоторезисторов

Фоторезисторы обладают рядом достоинств:

• Простота конструкции
• Низкая стоимость
• Высокая чувствительность
• Широкий диапазон рабочих температур

Однако у них есть и некоторые недостатки:

• Нелинейность характеристик
• Зависимость от температуры
• Относительно большая инерционность (медленная реакция на изменение освещенности)

Альтернативы фоторезисторам

В некоторых случаях вместо фоторезисторов могут применяться другие светочувствительные элементы:

Фотодиоды

Обладают более высоким быстродействием, но меньшей чувствительностью. Применяются в высокоскоростных системах.

Фототранзисторы

Сочетают высокую чувствительность с хорошим быстродействием. Используются в прецизионных измерительных приборах.

Фотоумножители

Имеют очень высокую чувствительность, способны регистрировать отдельные фотоны. Применяются в научных исследованиях.

Выбор конкретного типа фотоприемника зависит от требований к параметрам и условий применения.

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.

Что такое фоторезистор, как он устроен и как работает: сфера использования, особенности применения

Электрооборудование

Автор: profelectro

Содержание

Фоторезистор — это устройство, позволяющее измерять освещённость, проводит подсчёт каких-либо объектов, определять преграды и выполнять многие другие функции.

Как правило, цель использования этого элемента: превращать в сигнал попадающий на поверхность свет. Схема в устройстве подвергает сигнал обработке, предоставляя конечный результат.

Сегодня рассмотрим, что представляют собой эти устройства и по какому принципу они работают.

Как это работает

Если говорить о развёрнутом определении, можно сказать, что это полупроводники. Их проводимость изменяется в зависимости от попавшего на рабочую зону элемента света. Различают разные конструкции.

Существует резисторы с корпусом из металла для использования в сложных условиях, на них световой поток падает через специальное окно. Важно помнить о фоторезистивном эффекте. Это эффект, при котором под потоком света сопротивление изменяется.

Работает конструкция по следующему принципу: полупроводник, находится между электродами. Если на полупроводник не попадает свет, у него большое сопротивление.

Если на полупроводник попадает свет, проводимость вырастет, а сопротивление,  в свою очередь, будет падать.

Для создания полупроводников используют разные материалы, например, селенит или сульфид кадмия и другие.

Параметры этих устройств зависят от того, из чего они изготовлены. В частности, длина волн и диапазон цветов, которые измеряются по изменению сопротивления материала.

Выбор спектра важен для подбора нужного резистора.  Для чувствительных фотодиодов необходимо выбирать излучатели, которые подойдут им по параметрам.

Некоторые люди не знают, существует ли у этого фотоэлемента полярности. Можно смело утверждать: полярности у этого элемента нет, поэтому направление тока не имеет значения.

Проверить элемент и его рабочее состояние можно с помощью мультиметра. Как правило, для обозначений резисторов применяют маркирование буквами.

Параметры

Все фоторезисторы обладают определёнными параметрами. Именно эти параметры влияют на итоговый выбор элемента для своих устройств. Среди характеристик выделяют следующие:

1. Сопротивление элемента в темноте, иначе называемое темновым сопротивлением. Этот параметр отвечает за сопротивление элемента в момент, когда на него не попадает световой поток.
2. Значение интегральной фоточувствительности. Это значение, отвечающее за реакцию фоторезистора при проходящем через него токе.

Фоточувствительность можно найти по следующей формуле: S=Iф/Ф.

Значение фототока представляет собой разность тока при темноте и тока при свете. Фоторезистивный эффект определяет вторую часть. Отметим, что данные параметры есть у всех фоторезисторов, и для каждого элемента характерны свои особенности.

Инерционность есть у всех фоторезисторов. Это значит, что сопротивление не будет изменено за мгновенье, а через какой-то период времени после того, как резистор оказывается под световым лучом.

Данная характеристика определяется граничной частотой.

Чистота выражается переменным сигналом проходящего через резистор потока света. В процессе чувствительность элемента сильно понижается. Для измерения нужны десятки микросекунд, поэтому фоторезисторы подходят не всем схемам.

Сфера применения

После того, как Вы поняли принцип работы и конструкцию данных элементов, можно говорить и о сферах применения. Данные элементы широко используют в разных схемах. Отметим некоторые конкретные примеры использования.

• Фотореле, которые реже называются сумеречными реле. Данные приборы применяют для систем освещения, чтобы в тёмное время свет выключался автоматически. Схемы с такими элементами встречаются довольно часто. Минусом схем, как на схеме ниже, является отсутствующий гистерезис. При приграничной величине освещённости может возникнуть дребезжание. Кроме того, такое устройство может внезапно включаться и отключаться, если свет будет колебаться.

• Датчик освещённости. Устройства с фоторезисторами, которые могут детектировать слабые световые потоки. Его можно собрать на базе схем «Ардуино».
• Система сигнализации. Для сигнализаций часто выбирают компоненты, реагирующие на свет и на световые преграды. Фоторезистор освещён другим устройством, если появляется преграда, сигнализация сработает. По такому принципу работают многие устройства, которые реагируют на преграждение объектом светового потока.

• Любые датчики. Детекторы могут быть самыми разными в эксплуатации. Работа многих аппаратов контролируется благодаря фоторезисторам. Например, многие станки и печатные машины автономно работают благодаря фоторезисторам, чувствительным к свету. Кроме того, на конвейерных лентах количество созданной продукции измеряется благодаря фоторезисторам.

Как видите, фоторезисторы обладают широкой сферой использования и встречаются в самых разных механизмах.

Это основная информация, касающаяся фоторезисторов. Теперь, когда Вы знаете больше об этом, Вы можете самостоятельно подобрать подходящий фоторезистор для своей схемы!

Похожие публикации:

Что такое фоторезистор? Типы, конструкция, работа, характеристики и применение фоторезистора

Определение : Фоторезистор — это тип устройства, сопротивление которого изменяется в зависимости от интенсивности падающего излучения. Он обладает огромной способностью изменять свое сопротивление под воздействием света. LDR — это аббревиатура от Light Dependent Resistor . Это нелинейное устройство .

Фоторезистор также называют светочувствительным резистором или фотопроводником, поскольку он демонстрирует свойство фотопроводимость .

Что такое фотопроводимость?

Это явление, которое улучшает проводимость материала за счет поглощения электромагнитного излучения. Излучение может быть гамма-, УФ-, ИК-излучением или видимым светом.

Типы фоторезисторов

Существует два типа внутренних и внешних светочувствительных резисторов.

1. Внутренний фоторезистор

Фоторезисторы этой категории состоят из нелегированного полупроводникового материала, т. е. из чистого полупроводникового материала, кремния или германия. Чтобы перевести электрон из валентной зоны в зону проводимости, необходимо достаточное количество световой энергии.

2. Внешний фоторезистор

Этот тип LDR состоит из легированного полупроводникового материала. Легирование образует новый энергетический уровень над валентной зоной. Тем самым уменьшая световую энергию, необходимую для возбуждения электрона.

Базовая структура и конструкция фоторезистора

Фоторезистор состоит из светочувствительного полупроводникового материала. Обычно он состоит из сульфида кадмия, имеющего незначительное количество свободных электронов в отсутствие какого-либо падающего излучения.

При отсутствии света LDR обладает очень высоким сопротивлением около нескольких мегаом . Однако в присутствии света он проявляет свойство низкого сопротивления , имея сопротивление около в несколько сотен Ом.

На рисунке ниже показана основная конструкция и символ фоторезистора:

Устройство состоит из змеевидной или зигзагообразной дорожки, состоящей из сульфида кадмия. Змеевидное расположение сделано для того, чтобы получить ожидаемую номинальную мощность и сопротивление.

Эта дорожка разделяет пару металлических контактов. Вся конструкция помещена в пластиковый корпус для прямого воздействия падающего излучения. Так как в LDR требуется изменение сопротивления под действием света, то сопротивление металлических контактов должно быть низким.

Работа фоторезистора

Теперь мы знаем, что LDR или фоторезистор являются фотопроводящими материалами.

При поглощении световых лучей электроны валентной зоны переходят в зону проводимости. Здесь следует отметить, что электрону требуется надлежащая световая энергия для возбуждения в зону проводимости.

Таким образом, чем выше энергия света, тем выше будет присутствие носителей заряда, что приводит к большей проводимости.

Давайте теперь увидим приблизительную связь между сопротивлением и освещением, которая дана как

здесь, R Обозначает сопротивление в OHM

E Обозначает Holumination и

A и . α являются константами

Производственная процедура и сульфид кадмия определяют значение константы α.

LDR Характеристики

На рисунке ниже показана характеристическая кривая зависимости сопротивления от интенсивности света

Здесь на рисунке выше видно, что когда интенсивность света меньше, т. е. в более темной области сопротивление выше что приводит к меньшей электропроводности материала.

Дальнейшее увеличение интенсивности приводит к снижению сопротивления. Таким образом, повышая проводимость. Следовательно, можно сказать, что сопротивление падает с увеличением интенсивности света.

Во введении о фоторезисторе мы уже упоминали, что это нелинейное устройство. Это связано с тем, что длина волны света, падающего на его поверхность, изменяет чувствительность прибора. Так как существуют некоторые фоторезисторы, которые не реагируют на определенный диапазон длин волн светового сигнала.

Изменение сопротивления происходит примерно через 8-12 мс после падения радиации. Однако требуется более 1 с, чтобы сопротивление увеличилось до более высокого значения в случае меньшей интенсивности света.

Другими словами, мы можем сказать, что когда устройство подвергается воздействию темной области с определенным уровнем освещения, оно не увеличивается быстро. Это известно как Скорость восстановления сопротивления .

Преимущества фоторезистора

• LDR обеспечивает хорошее напряжение и возможность регулирования мощности .
• Это недорогое устройство , которое легко доступно.

Недостаток фоторезистора

• Изменение сопротивления от медленного до быстрого действия света.

Применение фоторезистора

1. LDR находит свое применение в световых и темных сигнализациях и переключателях.
2. Они также используются для автоматического управления уличным освещением.
3. LDR также используется в измерителях силы света, дымовых извещателях и т. д.

Здесь следует отметить, что Фотодиод или Фототранзистор более чувствительны к свету по сравнению с Светозависимым резистором . Это связано с тем, что фотодиод и фототранзистор в основном представляют собой настоящий полупроводниковый материал с PN-переходом, тогда как PN-переход отсутствует в LDR, поскольку он является пассивным компонентом.

Самостоятельные руководства по работе, взаимодействию и применению

Необходимые компоненты

Введение

Фоторезисторы — это крошечные светочувствительные устройства, также известные как фоторезисторы. LDR — это резистор, сопротивление которого изменяется при изменении количества падающего на него света. Сопротивление LDR уменьшается с увеличением интенсивности света. Это свойство позволяет использовать их для создания светочувствительных схем. Узнайте, что такое LDR, как он работает, как связать его с evive и запрограммировать в PictoBlox — нашей платформе графического программирования на основе блоков Scratch с расширенными возможностями взаимодействия с оборудованием, и, наконец, какие захватывающие проекты «сделай сам» вы можете сделать с помощью LDR, доступного в evive Starter Kit.

Чтобы работать в PictoBlox, сначала необходимо загрузить его ЗДЕСЬ.

Готов? Установлен. Идти!

Что такое LDR или фоторезистор?

Давайте начнем с понимания того, что такое LDR и как работает LDR.

LDR — это аббревиатура от Light Dependent Resistor . LDR — это крошечные светочувствительные устройства, также известные как фоторезисторы . LDR — это резистор, сопротивление которого изменяется при изменении количества падающего на него света. Сопротивление LDR уменьшается с увеличением интенсивности света, и наоборот. Это свойство позволяет использовать их для изготовления светочувствительных схем.c

Для использования LDR мы всегда должны сделать схему делителя напряжения. Когда значение сопротивления LDR увеличивается по сравнению с фиксированным сопротивлением, напряжение на нем также увеличивается.

Что такое сигналы?

Но прежде чем двигаться дальше, давайте немного поговорим о сигналах.

Сигнал — это все, что несет некоторую информацию. Это может быть действие, звук или тип движения.

Любой сигнал можно классифицировать как:

1. Аналоговый сигнал
2. Цифровой сигнал

Аналоговый сигнал

Аналоговый сигнал представляет собой сигнал, который представляет ВСЕ возможных значений в заданном диапазоне, изменяющемся во времени; он аналогичен изменяющейся во времени величине, которую он представляет.

Цифровой сигнал

Напротив, цифровой сигнал представляет собой сигнал, представляющий величину в виде последовательности дискретных значений. Цифровой сигнал может представлять только 2 значения: ‘ ВЫСОКИЙ ’ и ‘ МАЛЫЙ ’.

LDR – аналогичное устройство; его сопротивление изменяется постепенно, а не прерывисто, .

1. Соедините LDR и резистор 4,7 кОм последовательно.
2. Подключите контакт 5V к первому плечу LDR.
3. Подсоедините контакт заземления к концу резистора.
4. Подключите общую ногу LDR и резистора к контакту A0 на evive.

Визуализация значений LDR на экране evive

Теперь, когда мы подключили LDR к evive, давайте визуализируем изменение сопротивления LDR на мониторе состояния выводов evive.

1. Включите evive. В его меню перейдите к монитору состояния контактов.
2. Выберите состояния аналоговых контактов.
3. Обратите внимание на значение перед контактом A0. По мере уменьшения освещенности значение также уменьшается.

Работа с LDR в реальном времени

Теперь мы подключили наш фоторезистор к evive. Мы собираемся создать скрипт для изменения фона сцены PictoBlox в соответствии с количеством света, падающего на LDR.
Выполните шаги по написанию сценария, чтобы фон выглядел как день, когда количество падающего света больше, и должен казаться ночью, когда количество света, падающего на LDR, меньше определенного количества или отсутствует.

1. Откройте PictoBlox. Подключите evive/вашу макетную плату к компьютеру с помощью USB-кабеля.
2. Нажмите на кнопку доски и выберите evive из выпадающего списка.
3. Затем в появившемся диалоговом окне выберите соответствующий последовательный порт.
4. Откройте библиотеку фонов и выберите два фона: мы выбираем Метро и Ночной город с улицей для дня и ночи соответственно.
5. Выберите Тоби.
6. Чтобы получить значения из LDR, мы будем использовать аналоговый датчик для чтения () в блоке () из палитры датчика и выбрать свет/фоторезистор из раскрывающегося списка. Выберите контакт, к которому он подключен, во втором раскрывающемся списке.
7. Чтобы проверить, меньше или больше падающего света, используйте блок if-else. Чтобы сравнить значение, полученное с фоторезистора, с определенным значением, выберите блок оператора меньше. В первое пустое место поместите считанный блок аналогового датчика () и напишите 100 во втором пространстве.
8. Если меньше 100, фон должен измениться на Ночной город с улицей. Таким образом, в палитре костюмов выберите , переключите фон на () блок и выберите Ночной город с улицей 9.0004 из раскрывающегося списка.
9. В противном случае мы оставим Метро в качестве фона. Таким образом, продублируйте фон переключателя на блок () и поместите его ниже руки else. Наконец, выберите Metro в раскрывающемся списке.
10. Чтобы скрипт работал вечно, мы будем использовать блок навсегда по всему коду.
11. Теперь поместите блок шляпы при щелчке флага над блоком навсегда. Это гарантирует, что скрипт запустится при нажатии на зеленый флажок.

Вы можете скачать весь код, чтобы светодиод мигал в режиме реального времени здесь.

Управление светодиодом на контакте 13 с помощью LDR

В этом примере мы собираемся использовать LDR для включения светодиода на контакте 13 при запуске. Если интенсивность света больше заданного значения, светодиод включится; в противном случае он останется выключенным. Выполните следующие действия, чтобы написать скрипт для управления LDR/фоторезистором без подключения к компьютеру.

1. Переключиться в режим загрузки.
2. Если значение, полученное от LDR, меньше 100, то светодиод на выводе 13 evive должен включиться, в противном случае он должен оставаться выключенным.
3. Чтобы проверить, меньше или больше падающего света, используйте блок if-else. Чтобы сравнить значение, полученное с фоторезистора, с определенным значением, выберите блок оператора меньше. В первое пустое место поместите считанный блок аналогового датчика () и напишите 100 во втором пространстве.