Светорезистор. Фоторезистор: принцип работы, характеристики и применение светочувствительных резисторов

Как устроен и работает фоторезистор. Какие бывают типы и характеристики фоторезисторов. Где применяются светозависимые резисторы. Как выбрать и использовать фоторезистор в электронных схемах.

Содержание

Что такое фоторезистор и как он устроен

Фоторезистор (также называемый светозависимым резистором или LDR) — это полупроводниковый прибор, электрическое сопротивление которого изменяется в зависимости от интенсивности падающего на него света. Чем ярче освещение, тем ниже сопротивление фоторезистора.

Устройство фоторезистора довольно простое:

На диэлектрическую подложку (обычно керамика или стекло) наносится тонкий слой фоточувствительного полупроводникового материала, чаще всего сульфида кадмия (CdS) или селенида кадмия (CdSe).
На концах полупроводникового слоя располагаются металлические контакты для подключения к электрической цепи.
Сверху наносится прозрачное защитное покрытие.

Активная светочувствительная область фоторезистора обычно имеет зигзагообразную форму для увеличения рабочей площади. Типичные размеры фоторезисторов составляют от 5 до 25 мм в диаметре.

Принцип работы фоторезистора

Работа фоторезистора основана на явлении внутреннего фотоэффекта в полупроводниках. Как происходит изменение сопротивления под действием света.

В темноте сопротивление фоторезистора максимально и может достигать десятков мегаом.
При освещении фотоны света выбивают электроны из валентной зоны полупроводника в зону проводимости.
Увеличивается концентрация свободных носителей заряда, что приводит к росту электропроводности.
Сопротивление фоторезистора падает, вплоть до сотен Ом при ярком свете.

Таким образом, сопротивление фоторезистора обратно пропорционально интенсивности падающего света. Этот эффект и используется для создания светочувствительных датчиков и схем автоматики.

Основные характеристики фоторезисторов

Для правильного выбора и применения фоторезисторов важно знать их основные параметры и характеристики:

Темновое сопротивление — сопротивление в полной темноте (обычно единицы-десятки МОм)
Световое сопротивление — минимальное сопротивление при ярком освещении (сотни Ом)
Кратность изменения сопротивления — отношение темнового сопротивления к световому
Световая чувствительность — отношение изменения тока к изменению освещенности
Спектральная характеристика — зависимость чувствительности от длины волны света
Вольт-амперная характеристика — зависимость тока от напряжения при разной освещенности
Световая характеристика — зависимость сопротивления или тока от освещенности
Быстродействие — время реакции на изменение освещенности

Знание этих параметров позволяет подобрать оптимальный фоторезистор для конкретного применения.

Типы и разновидности фоторезисторов

Существует несколько основных типов фоторезисторов, различающихся по конструкции и используемым материалам:

По типу фоточувствительного материала:

На основе сульфида кадмия (CdS) — наиболее распространенные, чувствительны к видимому свету
На основе селенида кадмия (CdSe) — чувствительны к инфракрасному излучению
На основе сульфида свинца (PbS) — для ближней ИК-области спектра
Кремниевые — широкого спектрального диапазона

По конструктивному исполнению:

Пленочные — тонкопленочная структура на подложке
Объемные — на основе монокристалла полупроводника
Многослойные — с несколькими чувствительными слоями

Выбор типа фоторезистора зависит от требуемого спектрального диапазона, чувствительности и других параметров конкретного применения.

Применение фоторезисторов в электронике

Благодаря простоте и дешевизне фоторезисторы широко используются в различных областях электроники и автоматики:

Датчики освещенности в системах управления освещением
Сумеречные выключатели для уличного и декоративного освещения
Экспонометры и системы автоматической экспозиции в фотоаппаратах
Детекторы пламени в системах пожарной сигнализации
Оптические энкодеры положения и перемещения
Оптроны и оптопары для гальванической развязки цепей
Световые сенсоры в игрушках и бытовой электронике
Системы автоматического затемнения автомобильных зеркал
Оптические реле и переключатели

Фоторезисторы часто применяются в сочетании с операционными усилителями, компараторами и другими элементами для создания более сложных светочувствительных схем.

Как выбрать фоторезистор для проекта

При выборе фоторезистора для конкретного применения следует учитывать несколько ключевых факторов:

Требуемый диапазон освещенности — от полной темноты до яркого солнечного света
Спектральная чувствительность — видимый свет, ИК или УФ диапазон
Быстродействие — время реакции на изменение освещенности
Размеры и форма корпуса — для удобства монтажа
Максимально допустимое напряжение и ток
Температурный диапазон эксплуатации
Стоимость компонента

Также важно учитывать особенности применения фоторезисторов:

Нелинейность световой характеристики
Разброс параметров между экземплярами
Температурную зависимость сопротивления
Эффект старения и деградации характеристик со временем

Правильный выбор фоторезистора с учетом этих факторов обеспечит надежную и эффективную работу устройства.

Схемы включения фоторезисторов

Существует несколько базовых схем включения фоторезисторов в электрические цепи:

Делитель напряжения

Простейшая схема — делитель напряжения из фоторезистора и постоянного резистора. Выходное напряжение зависит от освещенности. Применяется для управления нагрузкой или как датчик освещенности.

Мостовая схема

Фоторезистор включается в одно из плеч моста Уитстона. Позволяет более точно измерять малые изменения освещенности. Часто используется в автоматических экспонометрах.

С операционным усилителем

Фоторезистор в цепи обратной связи ОУ позволяет получить логарифмическую зависимость выходного сигнала от освещенности. Применяется в системах с широким динамическим диапазоном.

С транзистором

Фоторезистор управляет током базы транзистора, который коммутирует нагрузку. Используется для создания чувствительных оптических реле.

Выбор конкретной схемы зависит от требований к чувствительности, линейности, быстродействию и другим параметрам устройства.

2. Устройство, принцип действия, характеристики и параметры фоторезисторов.

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.

1.4.4. Фоторезисторы | Электротехника

Материалы и элементы электронной техники

7 лет назад

admin

Фоторезистором называется резистор, электрическое сопротивление которого зависит от освещенности.

Действие полупроводниковых фоторезисторов основано на эффекте фотопроводимости, или внутреннем фотоэлектрическом эффекте. Этот эффект заключается в переходе электронов из валентной зоны или с примесных уровней в зону проводимости или из валентной зоны на примесные уровни за счет энергии фотонов, которая при этом должна равняться энергии активации (Е_а) соответствующего перехода или превосходить ее. Последнее условие означает, что:

hn > Е_а,

где h = 6,67- 10^-34 Дж · с – постоянная Планка; ν – частота электромагнитного излучения.

Отсюда вытекает существование красной границы фотоэффекта – максимальной длины волны (l_кр), способной вызвать фотоэффект. Красная граница внутреннего фотоэффекта у полупроводников, применяемых в современной технике, часто лежит в области инфракрасных лучей (порядка нескольких микрометров), что позволяет их использовать в качестве датчиков инфракрасного излучения. По мере укорочения длины волны от l_кр фотоэффект более или менее быстро затухает из-за усиления поглощения света в поверхностном слое.

Распространенными полупроводниковыми материалами, используемыми для изготовления фоторезисторов, являются: сернистый свинец, сульфид кадмия, селенид кадмия, обеспечивающие чрезвычайно высокую чувствительность к освещению. Свойства фоторезисторов не зависят от полярности приложенного напряжения, что позволяет включать их в цепь переменного тока. Фоторезисторы обычно обладают заметной инерционностью. Фоторезисторы имеют следующие характеристики: статические ВАХ, чувствительность (К), световую характеристику, спектральную характеристику, темновое сопротивление, кратность изменения сопротивления, температурный коэффициент фототока, постоянную времени фототока.

Статические ВАХ (рис. 1.10) выражают зависимость постоянного тока, протекающего через фоторезистор, от приложенного напряжения при фиксированных значениях освещенности. Кривая 1 (рис. 1.8) снимается в отсутствие освещения и соответствует темновому току, остальные кривые представляют зависимости светового тока при различной освещенности. Разность между световым и темновым током при данном напряжении на фоторезисторе называется фототоком. ВАХ фоторезисторов линейны или близки к линейным.

Чувствительность (К) – это отношение приращения фототока к вызывающему его приращению светового потока, падающего на фоторезистор в отсутствие сопротивления нагрузки. Обычно указывается интегральная чувствительность, измеряемая при освещении фоторезистора стандартной лампой накаливания с цветовой температурой 2850 К. Поскольку фототок зависит еще от приложенного напряжения и, кроме того, чувствительность оказывается прямо пропорциональна напряжению, то пользуются понятием удельной чувствительности (K_i) при напряжении 1 В.

Значения К для различных типов фоторезисторов заключены в пределах от сотен микроампер до сотен миллиампер на 1 лм и 1 В, а величина К при максимальных рабочих напряжениях достигает единиц ампер на 1 лм.

Световая характеристика (рис. 1.11) показывает зависимость фототока от освещенности. Обычно эта характеристика несколько отклоняется от линейной, и на ней обнаруживается уменьшение чувствительности с ростом освещенности.

Спектральная характеристика выражает относительное (в процентах) изменение фототока в зависимости от длины волны падающего на фоторезистор света. Различают общий диапазон волн, к которым чувствителен фоторезистор (например, в пределах снижения фототока до 10 % максимального значения) и волну основного максимума. Полупроводниковые фоторезисторы, изготовленные из различных материалов, работают в чрезвычайно широком диапазоне волн: от инфракрасных лучей до рентгеновских и гамма-лучей.

Темновое сопротивление (К_т) – это сопротивление, обусловленное темновым током. Обычно составляет единицы – десятки мегаом.

Кратность изм

Что такое LDR? | Основы светозависимого резистора или фоторезистора

— Реклама —

LDR (светозависимый резистор), как следует из названия, представляет собой особый тип резистора, который работает по принципу фотопроводимости, что означает, что сопротивление изменяется в зависимости от интенсивности света. Его сопротивление уменьшается с увеличением интенсивности света. Он часто используется в качестве датчика освещенности, экспонометра, автоматического уличного освещения и в областях, где нам нужна светочувствительность. Его также называют датчиком освещенности.

LDR обычно доступны в размерах 5 мм, 8 мм, 12 мм и 25 мм.

Как делают LDR?

Фоторезисторы изготовлены из светочувствительных полупроводниковых материалов, таких как сульфиды кадмия (CdS), сульфид свинца, селенид свинца, антимонид индия или селенид кадмия, и расположены в форме зигзага, как показано на рисунке ниже, а два металлических контакта расположенные на обоих концах зигзагообразной формы, эти металлические контакты помогают создать соединение с LDR.

— Реклама —

Теперь сверху наносится прозрачное покрытие, чтобы защитить зигзагообразный светочувствительный материал, а поскольку покрытие прозрачно, LDR сможет улавливать свет из внешней среды для своей работы.

Символ LDR

Работа и принцип работы

Он работает по принципу фотопроводимости всякий раз, когда свет падает на его фотопроводящий материал, он поглощает его энергию, а электроны этого фотопроводящего материала, находящегося в валентной зоне, возбуждаются и переходят в зону проводимости. и, таким образом, увеличивая проводимость в соответствии с увеличением интенсивности света.

Также энергия падающего света должна быть больше энергии запрещенной зоны, чтобы электроны из валентной зоны возбудились и перешли в зону проводимости.

LDR имеет самое высокое сопротивление в темноте около 1012 Ом, и это сопротивление уменьшается с увеличением освещенности.

Интенсивность света V/S Сопротивление

В соответствии со свойством LDR количество света, попадающего в LDR, обратно пропорционально сопротивлению датчика, и график имеет гиперболический характер.

Простой компонент LDR

Разница между фотоэлементом и LDR

Фотодиоды дают быстрый отклик и используются там, где это необходимо для обнаружения быстрого отклика при включении и выключении, например, в оптической связи, а также оптоизоляторы. Фотодиоды являются полупроводниковыми приборами и работают на PN-переходах. Фотодиод работает по принципу преобразования энергии света в электрическую энергию, в то время как LDR является сопротивлением, и его сопротивление уменьшается с увеличением интенсивности света. Обычно они используются в автоматических охранных фонарях.

Принимая во внимание, что фотоэлемент, фотоэлектрический, фотогальванический эффект или фотопроводимость используются для генерации тока или напряжения при воздействии света или другого электромагнитного излучения. Как правило, они используются в охранных сигнализациях.

Типы LDR или фоторезисторов

Внутренний фоторезистор

Этот тип фоторезистора изготовлен из чистых полупроводников без какого-либо легирования. Этот тип фоторезистора использует чистые полупроводники, такие как кремний и германий. когда на него падает падающий свет с достаточным количеством энергии, электроны получают эту энергию и возбуждаются, и некоторые из них переходят в зону проводимости.

Внешний фоторезистор

Этот тип фоторезистора использует легированный полупроводник; это означает, что некоторые примеси смешиваются с полупроводником, например фосфором, для изготовления этого фоторезистора.

Внешние светочувствительные резисторы обычно предназначены для более длинных волн света с тенденцией к инфракрасному (ИК).

Как тестируются LDR

Возьмите мультиметр и настройте его на режим Ом.
Теперь подключите провода положительной и отрицательной клемм к двум секциям LDR 9.0052
Поместите светящийся фонарь или любой источник света на поверхность LDR и проверьте показания.
Теперь положите руку на LDR или поместите LDR в темноту и проверьте показания мультиметра.
Вы видите, что в 1-м случае значение Ω будет ниже, чем во 2-м случае. В темноте сопротивление LDR достигает нескольких мегаом, а на свету оно может снижаться и до 100 Ом.

Применение

Фоторезистор обычно используется для определения наличия и интенсивности света
Используется в автоматических светильниках, которые включаются и выключаются в зависимости от освещения
Простой датчик дыма, часы с автоматическим освещением
Конструкция оптической схемы
Фотодатчик приближения
Лазерные системы безопасности
Солнечные уличные фонари
Экспонометр камеры
Радиочасы
Может использоваться в динамических компрессорах, некоторые компрессоры используют LDR и светодиод, подключенные к источнику сигнала, для изменения усиления сигнала.

Ограничение:

LDR требуется несколько миллисекунд или более, чтобы полностью отреагировать на изменения интенсивности света, т. е. им требуется несколько секунд, чтобы вернуться к своему нормальному сопротивлению после удаления источника света.
Чувствительность LDR зависит от длины волны света. Если длина волны находится за пределами определенного диапазона, это никак не повлияет на сопротивление.
Светозависимые резисторы имеют более низкую чувствительность, чем фотодиоды и фототранзисторы.

Здесь представлены 10 лучших проектов электроники на основе LDR, которые можно попробовать использовать в своем проекте.

Комплекты нагрузочных резисторов для ламп накаливания

Результаты 1–25 из 32

$33,99

Расчетная дата отправки в США: 3 января 2023 г. Расчетная дата международной отправки: Понедельник 26.12.2022

Расчетная дата отправки в США: 13 января 2023 г. Расчетная дата международной отправки: Понедельник 26.12.2022

$11,99

Предполагаемая дата отправки в США: 16 января 2023 г. Расчетная дата международной отправки: Понедельник 26.12.2022

19,95 долларов США

Предполагаемая дата отправки в США: Вторник 27.12.2022 Расчетная дата международной отправки: Понедельник 26.12.2022

$37,99

Предполагаемая дата отправки в США: 4 января 2023 г. Расчетная дата международной отправки: 24 января 2023 г.

$11,99

Предполагаемая дата отправки в США: 6 января 2023 г. Расчетная дата международной отправки: 24 января 2023 г. если заказать сегодня

Предполагаемая дата отправки в США: 9 января 2023 г. Расчетная дата международной отправки: Понедельник 26.12.2022

$18,99

Предполагаемая дата отправки в США: 13 января 2023 г. Расчетная дата международной отправки: 16 января 2023 г.

$10,07

Предполагаемая дата отправки в США: 9 января 2023 г. Расчетная дата международной отправки: 9 января 2023 г. если заказать сегодня

$15,13

16,81 $

(Скидка 1,68 $)

Предполагаемая дата отправки в США: 6 января 2023 г. Расчетная дата международной отправки: 6 января 2023 г. если заказать сегодня

0″> $33,00

$15,99

Предполагаемая дата отправки в США: Вторник 27.12.2022 Расчетная дата международной отправки: 6 января 2023 г.

Предполагаемая дата отправки в США: Вторник 27.12.2022 Расчетная дата международной отправки: пятница 04.11.2022 если заказать сегодня

$11,66

39,95 долларов США

$37,99

Предполагаемая дата отправки в США: 3 января 2023 г. Расчетная дата международной отправки: 20 января 2023 г. если заказать сегодня

25,99 долларов США

Предполагаемая дата отправки в США: Вторник 27.12.2022 Расчетная дата международной отправки: 5 января 2023 г. если заказать сегодня

$17,99

19,99 $

(Скидка 2,00 $)

Предполагаемая дата отправки в США: 6 января 2023 г. Расчетная дата международной отправки: 9 января, 2023 г. если заказать сегодня

$14,99

Предполагаемая дата отправки в США: Пятница 30.12.2022 Расчетная дата международной отправки: 2 января 2023 г.

19,95 долларов США

Предполагаемая дата отправки в США: Вторник 27. 12.2022 Расчетная дата международной отправки: пятница 04.11.2022 если заказать сегодня

$36,99

Предполагаемая дата отправки в США: 27 декабря 2022 г. Расчетная дата международной отправки: 26 декабря 2022 г. если заказать сегодня

Предполагаемая дата отправки в США: Вторник 27. 12.2022 Расчетная дата международной отправки: Понедельник 19.12.2022 если заказать сегодня

Предполагаемая дата отправки в США: 23 января 2023 г. Расчетная дата международной отправки: 23 января 2023 г. если заказать сегодня

$30,99

Предполагаемая дата отправки в США: Вторник 27.

Что такое фоторезистор и как он устроен

Принцип работы фоторезистора

Основные характеристики фоторезисторов