Что такое фоторезистор, его устройство и принцип работы

Принцип работы

В неактивном состоянии полупроводник проявляет свойства диэлектрика. Для того, чтобы он проводил ток, необходимо воздействие на вещество внешнего стимулятора. Таким стимулятором может быть термическое воздействие или световое.

Под действием фотонов света полупроводник насыщается электронами, в результате чего он становится способным проводить электрический ток. Чем больше электронов образуется, тем меньшее сопротивление току оказывает полупроводниковый материал. Зависимость силы тока от освещения иллюстрирует график на рис. 6.

Рис. 6. График зависимости силы тока от освещения

На этом принципе базируется работа фоторезисторов. Образованию электронов способствует как видимый спектр света так и не видимый. Причем фоторезистор более чувствителен к инфракрасным лучам, имеющим большую энергию. Низкую чувствительность к видимому свету проявляют чистые материалы.

Для повышения чувствительности фоторезистивного слоя его легируют разными добавками, которые образуют обновленную внешнюю зону, расположенную поверх валентной зоны полупроводника. Такое внешнее насыщение электронами потребует меньше энергии для перехода в состояние насыщения фототоком проводимости. Возникает внешний фотоэффект, стимулированный видимым спектром излучения.

Путем подбора легирующих добавок можно создавать фоторезисторы для работы в разных спектральных диапазонах. Фоторезистор имеет спектральную чувствительность. Если длина световых волн находится вне зоны проводимости, то прибор перестает реагировать на такие лучи. Освещенность в таких случаях, уже не может оказывать влияния на токопроводимость изделия.

Выбор спектральных характеристик зависит от условий эксплуатации изделия и решаемых задач. Если интенсивностей излучения не достаточно для стабильной работы устройства, его эффективность можно повысить путем подбора чувствительных элементов, с соответствующим полупроводниковым слоем.

Важно помнить, что инерционность фоторезисторов заметно выше чем у фотодиодов и фототранзисторов. Инерционность прибора имеет место потому, что для насыщения полупроводникового слоя требуется некоторое время

Поэтому датчик всегда подает сигнал с некоторым опозданием.

Алгоритм поиска неисправности

Визуальный осмотр

Любой ремонт начинается с внешнего осмотра платы

Нужно без приборов просмотреть все узлы и особое внимание обратить на пожелтевшие, почерневшие части и узлы со следами сажи или нагара. При внешнем осмотре вам может помочь увеличительное стекло или микроскоп, если вы работаете с плотным монтажом SMD компонентов. Разорванные детали могут указывать не только на локальную проблему, но и проблему в элементах обвязки этой детали

Например, взорвавшийся транзистор мог за собой утянуть и пару элементов в обвязке

Разорванные детали могут указывать не только на локальную проблему, но и проблему в элементах обвязки этой детали. Например, взорвавшийся транзистор мог за собой утянуть и пару элементов в обвязке.

Не всегда пожелтевшая от температуры область на плате указывает на последствия выгорания детали. Иногда так получается в результате долгой работы прибора, при проверке все детали могут оказаться целыми.

Кроме осмотра внешних дефектов и следов гари стоит и принюхаться, чтобы проверить, нет ли неприятного запаха как от горелой резины. Если вы нашли почерневший элемент – нужно его проверить. У него может быть одна из трёх неисправностей:

Иногда поломка бывает столь очевидной, что её можно определить и без мультиметра, как в примере на фото:

Проверка резистора на обрыв

Проверить исправность можно обычной прозвонкой или тестером в режиме проверки диодов со звуковой индикацией (см. фото ниже). Стоит отметить, что прозвонкой можно проверить лишь резисторы сопротивлением в единицы Ом — десятки кОм. А 100 кОм уже не каждая прозвонка осилит.

Для проверки нужно просто подключить оба щупа к выводам резистора, неважно это СМД компонент или выводной. Быструю проверку можно провести без выпаивания, после чего всё же выпаять подозрительные элементы и проверить повторно на обрыв

Внимание! При проверке детали не выпаивая с печатной платы, будьте внимательны – вас могут ввести в заблуждение параллельно стоящие элементы. Это актуально как при проверке без приборов, так и при проверке мультиметром. Не ленитесь и лучше выпаяйте подозрительную деталь

Так можно проверить только те резисторы, где вы уверены, что параллельно им в цепи ничего не установлено

Не ленитесь и лучше выпаяйте подозрительную деталь. Так можно проверить только те резисторы, где вы уверены, что параллельно им в цепи ничего не установлено.

Проверка короткого замыкания

Кроме обрыва, резистор могло пробить накоротко. Если вы используете прозвонку – она должна быть низкоомной, например на лампе накаливания. Т.к. высокоомные светодиодные прозвонки «звонят» цепи сопротивлением и в десятки кОм без существенных изменений яркости свечения. Звуковые индикаторы с этой проверкой справляются лучше чем светодиоды. По частоте пищания можно судить о целостности цепи, на первом месте по достоверности находятся сложные измерительные приборы, такие как мультиметр и омметр.

Проверка на КЗ проводится одним способом, рассмотрим инструкцию пошагово:

1. Измерить омметром, прозвонкой или другим прибором участок цепи.
2. Если его сопротивление стремится к нулю и прозвонка указывает на замыкание, выпаивают подозрительный элемент.
3. Проверить участок цепи уже без элемента, если КЗ ушло – вы нашли неисправности, если нет – выпаивают соседние, пока оно не уйдет.
4. Остальные элементы монтируют обратно, тот после которого КЗ ушло заменяют.
5. Проверить результаты работы на наличие КЗ.

Читать также: Приспособления для распила бревен бензопилой своими руками

Вот наглядный пример того, что сгоревший резистор оставил следы на соседних резисторах, есть вероятность, что и они повреждены:

Резистор почернел от высокой температуры, на соседних элементах видны не только следы гари, но и следы перегретой краски, её цвет изменился, часть токопроводящего резистивного слоя могла повредиться.

На видео ниже наглядно показывается, как проверить резистор мультиметром:

Устройство

Конструкция разных моделей фоторезисторов может различаться формой материала корпуса. Но в основе каждого такого устройства лежит подложка, чаще всего керамическая, покрытая слоем полупроводникового материала. Поверх этого полупроводника трубкой наносится тонкий слой золота, платины или другого устойчивого к коррозии металла. (см рис. 1). Слои наносятся распылением.

Рис. 1. Устройство фоторезисторов

Распиленные слои соединены с электродами, на которые подается электрический ток. Всю эту конструкцию часто покрывают прозрачным пластиком и помещают в коробку с окном для входа световых лучей (см рис. 2).

Рис. 2. Конструкция фоторезистора

Форма корпуса, его размеры и материал зависят от модели фоторезистора, определяемой технологией производителя. Примеры моделей показаны на рисунках 3 и 4.

Рис. 3. Датчик на основе фоторезистора
Рис. 4. Фотодетектор

Сегодня в продаже можно увидеть детали в металлическом корпусе, часто в пластиковых моделях или открытых моделях. Некоторые модели изготавливаются без метода напыления, а вырезают тонкий резистивный слой прямо из полупроводника. Существуют также технологии производства пленочных фотодатчиков (см рис. 5).

Рис. 5. Конструкция пленочного фоторезистора

Для нанесения полупроводникового слоя используются различные фоторезистивные материалы. Селенид и сульфид кадмия используются для фиксации спектра видимого света.

Более широкий спектр материалов подвергается воздействию инфракрасного излучения:

• чистый германий или легированный примесями золота, меди, цинка;
• кремний;
• сульфид свинца и другие химические соединения на его основе;
• антимонид или арсенид индия;
• другие химические соединения, чувствительные к инфракрасным лучам.

Чистый германий или кремний используют для изготовления фоторезисторов с внутренним фотоэффектом, а вещества, легированные примесями, — для структур с внешним фотоэффектом. Независимо от типа используемого фоторезистивного материала оба типа фоторезисторов обладают одинаковыми свойствами — обратной, нелинейной зависимостью сопротивления от силы светового потока.

Использование фоторезисторов

Метод считывания аналогового напряжения

Самый простой вариант использования: подключить одну ногу к источнику питания, вторую — к земле через понижающий резистор. После этого точка между резистором с постоянным номиналом и переменным резистором — фоторезистором — подключается к аналоговому входу микроконтроллера. На рисунке ниже показана схема подключения к Arduino.

В этом примере подключается источник питания 5 В, но не забывайте, что вы с таким же успехом можете использовать питание 3.3 В. В этом случае аналоговые значения напряжения будут в диапазоне от 0 до 5 В, то есть приблизительно равны напряжению питания.

Это работает следующим образом: при понижении сопротивления фоторезистора суммарное сопротивление фоторезистора и понижающего резистора уменьшается от 600 кОм до 10 кОм. Это значит, что ток, проходящий через оба резистора, увеличивается, что приводит к повышению напряжения на резистора с постоянным сопротивлением 10 кОм. Вот и все!

В этой таблице приведены приблизительные значения аналогового напряжения на основании уровня освещенности/сопротивления при подключении напряжения питания 5 В и 10 кОм понижающего резистора.

Если вы хотите использовать сенсор на ярко освещенной территории и использовать резистор 10 кОм, он быстро ‘сдуется’. То есть он практически моментально достигнет допустимого уровня напряжения 5 В и не сможет различать более интенсивное освещение. В этом случае вам стоит заменить резистор на 10 кОм на резистор 1кОм. При такой схеме резистор не сможет определять уровень темноты, но лучше определи оттенки высокого уровня освещенности. В общем, вам стоит с этим поиграться в зависимости от ваших условий!

Кроме того, вы также сможете использовать формулу «Axel Benz» для базовых измерений минимального и максимального значения сопротивления с помощью мультиметра и дальнейшего нахождения значения сопротивления резистора с помощью: Понижающий резистор = квадратный корень(Rmin * Rmax), что в результате даст вам гораздо лучший результат в виде:

В таблице выше приведены приблизительные значения аналогового напряжения при использовании сенсора с питанием от 5 В и понижающим резистором 1 кОм.

Не забывайте, что наш метод не дает нам линейную зависимость напряжения от освещенности! Кроме того, каждый датчик отличается по своим характеристикам. С увеличением уровня освещенности аналоговое напряжение будет расти, а сопротивление падать:

Vo = Vcc ( R / (R + Photocell) )

То есть напряжение обратно пропорционально сопротивлению фоторезистора, которое, в свою очередь, обратно пропорционально уровню освещения.

Фоторезистор: принцип работы, где применяется и как выглядит

Фоторезисторы (фотоэлектрические приборы – это приборы, которые могут изменять свои технические характеристики под влиянием света. Нашли свое применение такие приборы во всей электрики и электронике.

Их значение переоценить крайне сложно. Сам термин фоторезистор говорит за себя. Они изменяют сопротивление под влиянием светового потока.

Такой резистор может иметь номинальное сопротивление 1-200 ОМ, но на свету, оно может уменьшиться в десятки и даже сотни раз.

Основное преимущество этих радиодеталей – зависимость сопротивления от степени освещения. Именно поэтому их можно использовать в различных датчиках или измерителях освещенности. Но есть и ряд недостатков – с ними не удобно работать по причине высокого сопротивления.

В данной статье будут рассмотрены все характеристики и особенности фоторезисторов, а также приведены все необходимые расчеты. В качестве бонуса, в статье содержится видеоролик и скачиваемый файл, где содержится интересная дополнительная информация.

Как работает фоторезистор

Фоторезисторы (ФР) обладают высокой чувствительностью в достаточно широком диапазоне (от инфракрасного до рентгеновского спектра), которая и зависит от длины волны светового потока. Эти радио компоненты все еще применяются во многих электронных устройствах благодаря их высокой стабильности во времени, малым размерам и богатым номиналам сопротивлений.

Их обычно изготавливают в пластиковом корпус с прозрачным окном и двумя внешними выводами, полярность подсоединения разницы не играет.

Фоторезистор – это датчик (преобразователь), электрическое сопротивление которого изменяется в зависимости от интенсивности поступающего на него светового потока.

Чем он сильнее, тем больше генерируется свободных носителей зарядов (электронов) и тем ниже сопротивление фоторезистора.

Два внешних металлических вывода этого датчика идут через керамический материал основания к специальной светочувствительной пленке, которая по свойству материал и своей геометрии задает электрические свойства сопротивления фоторезистора.

Так как фоточувствительное вещество по своей природе с достаточно большим внутренним сопротивлением, то между обоими выводами с тонкой дорожкой, при средней световой интенсивности, получается низкое общее сопротивление фоторезистора. По аналогии с человеческим глазом, фоторезистор чувствителен к определенному интервалу длины световой волны.

При выборе датчика приходится обращать на это пристольное внимание, т.к иначе он может совсем не среагировать на источник света. Для характеристики интенсивности света применяют специальную величину называемую освещенность (E). Она показывает количество светового потока, который достигнет определенной поверхности

Она показывает количество светового потока, который достигнет определенной поверхности

Для характеристики интенсивности света применяют специальную величину называемую освещенность (E). Она показывает количество светового потока, который достигнет определенной поверхности.

Для измерения единицы в системе СИ применяется физическая люкс (лк), где один люкс означает, что на поверхность размером один метр в квадрате равномерно падает поток света освещенностью в один люмен (лм).

В реальных условиях световой поток практически никогда не падает равномерно на поверхность, поэтому освещенность получается несколько большей в среднем значении.

Что такое фоторезистор, принцип работы и область применения

В электротехнике используется огромное количество различных элементов, и далеко не последнее место среди них занимает сопротивление особого рода – фоторезистор. В этой статье я расскажу, что это такое, а также где до сих пор активно используются эти элементы. Итак, начнем.

Что такое фоторезистор, принцип работы и область применения

Определение, исполнение и изображение на схемах

Итак, для начала давайте дадим определение. Фоторезистор — это полупроводниковый прибор, сопротивление (проводимость) которого изменяется в зависимости от уровня освещенности чувствительной части изделия.

Что такое фоторезистор, принцип работы и область применения

На выше представленной фотографии показан наиболее распространенный вариант исполнения, но встречаются модели в специальных защитных кожухах с прозрачной верхней частью.

А вот таким образом такой элемент обозначается на схемах:

yandex.ru

Принцип действия

Теперь давайте узнаем каков принцип действия у данного радиоэлемента.

Между двумя токопроводящими электродами размещается полупроводник. В том случае если свет не попадает на полупроводник, то его оммическое сопротивление имеет высокое значение (до нескольких МОм). Как только на полупроводник попадает свет, его сопротивление начинает снижаться, то есть проводимость увеличивается.

yandex.ru

Для производства полупроводящего слоя могут использоваться следующие материалы: сульфид Кадмия, сульфид Свинца, Селенит Кадмия и т.п. От того какой материал был применен для производства полупроводника будет зависеть его спектральная характеристика.

Иначе говоря диапазон длин волн, при освещении которыми будет происходить корректное изменение сопротивления.
Именно по этой причине при выборе резистора важно понимать, для работы в каком спектре он предназначен.
Спектральные характеристики материалов таковы:

yandex.ru

Очень часто возникает вопрос: какова полярность фоторезистора? Так вот у данного элемента нет P-N перехода, а это значит что определенного направления протекания тока тоже нет. То есть абсолютно без разницы, каким образом подключать фоторезистор, так как он неполярный элемент.

Как проверить исправность элемента

Проверка фоторезистора на самом деле предельно проста. Для этого нам потребуется мультиметр и, например, папка для бумаг.

Что такое фоторезистор, принцип работы и область применения

Проверка выполняется следующим образом: переведите рукоять мультиметра в положение измерения сопротивления, крокодилами подсоедините щупы (полярность не имеет значения) и поместите элемент в папку, чтобы исключить воздействие света на элемент.

Что такое фоторезистор, принцип работы и область применения

Таким образом вы получите сопротивление элемента в затемненном состоянии. Вытащив фоторезистор из папки, вы увидите, что сопротивление элемента изменилось. Причем чем интенсивнее будет световой поток, тем меньшим сопротивлением будет обладать элемент.

Что такое фоторезистор, принцип работы и область применения

Причем зависимость сопротивления от освещенности будет иметь следующий вид:

yandex.ru

Главные характеристики фоторезисторов

У данных элементов есть несколько основных характеристик, на которые следует обращать внимание при выборе изделия:

1. Темновое сопротивление. Это сопротивление элемента, когда на него не оказывает воздействие световой поток.

Важно также знать, что все фоторезисторы обладают инерционностью в той или иной степени. Сопротивление изменяется не мгновенно, а в течении определенного отрезка времени (десятки микросекунд)

Этот фактор ограничивает применение фоторезисторов в быстродействующих схемах.

Где применяются такие элементы

Итак, несмотря на некоторые ограничения, эти элементы активно используются в следующих устройствах:

1. Фотореле. Устройства, которые предназначены для автоматического включения отключения систем освещения без активного вмешательства человека.

2. Датчики освещенности. В таких устройствах фоторезисторы выполняют функцию регистратора светового потока.

Что такое фоторезистор, принцип работы и область применения

3. Сигнализация. В сигнализационных системах применяются фоторезисторы чувствительные ультрафиолетовым волнам. Принцип таков фоторезистор постоянно освещается источником ультрафиолетового излучения и как только между источником и приемником возникает препятствие — срабатывает сигнализация.

4. Датчики, регистрирующие наличие чего-либо.

Материалы чувствительного слоя фоторезисторов

Фоторезисторы изготавливаются на основе полупроводников, обладающих как собственной, так и примесной фотопроводимостью.

Полупроводниками с собственной фотопроводимостью являются соединения на основе свинца (PbS – сульфид свинца, PbSe – селенид свинца, PbTe – теллурид свинца) и индия (InAs – арсенид индия, InSb – антимонид индия).

К полупроводникам с примесной фотопроводимостью относят германий и кремний, легированные примесями таких элементов, как золото (Ge : Au), цинк (Ge : Zn), кадмий (Ge : Cd), медь (Ge : Cu), ртуть (Ge : Hg), бор (Si : B), селен (Si : Se), индий (Si : In).

Материалы на основе CdS и CdSe относят к полупроводникам как с собственной фотопроводимостью, так и примесной, поскольку в них может быть внесена примесь меди Cu или серебра Ag.

Каждый из материалов имеет свой диапазон спектральной чувствительности. Далее на графике показаны относительные характеристики спектральной чувствительности некоторых полупроводников.

Кроме того, на графике показаны характеристики полупроводников, применяемых в охлаждаемых фоторезисторах:

• PbS (77°K), PbSe (77°K), InSb (77°K) при температуре -196,15°C (77°K — 273,15);

• PbS (195°K) при температуре -78,15°C (195°K — 273,15).

Для работы в видимом для человеческого глаза спектре в основном применяются фоторезисторы с чувствительным слоем из сульфида (CdS) и селенида кадмия (CdSe).

• CdS (Cadmium sulphide. Он же сернистый кадмий, сульфид кадмия) – это соединение является полупроводником. Имеет жёлтый цвет, но при добавлении селена (Se) цвет может меняться вплоть до красно-фиолетового;

• CdSe (Cadmium selenide, селенистый кадмий, селенид кадмия) – является полупроводником. Его кристаллы имеют тёмно-красный цвет. Используется для изготовления фоторезисторов, солнечных батарей и фотодиодов, а также применяется в качестве активной среды в полупроводниковых лазерах.

Фоторезисторы на основе этих химических соединений чаще всего встречаются в бытовой электронной аппаратуре. Не удивительно, что чувствительный к излучению слой в таких фоторезисторах имеет оранжевато-красный цвет.

На рисунке показана спектральная характеристика импортных фоторезисторов серии GM, которые широко применяются в электронике.

Пик чувствительности данных фоторезисторов приходится на излучение с длиной волны 540 (0,54 мкм) и 560 нм (0,56 мкм), что соответствует зелёному цвету.

Для работы в инфракрасном диапазоне длин волн, который невидим человеческому глазу, применяют фоторезисторы на основе соединений свинца (PbS, PbSe), индия (InSb), а также германий Ge и кремний Si, легированные примесями.

Далее изображён график спектральной чувствительности инфракрасных фотопроводящих детекторов серии PB45. Чувствительный элемент в них выполнен из селенида свинца PbSe.

Область спектральной чувствительности данных детекторов лежит в интервале от 1 до 4,7 микрометров (µm), а пик чувствительности приходится на излучение с длиной волны 4 микрометра.

Кроме перечисленных химических соединений и веществ в качестве чувствительного материала могут применятся и другие, например, сернистый висмут (BiS), арсенид индия (InAs), тройные соединения типа ртуть-кадмий-теллур (HgCdTe) и свинец-олово-теллур (PbSnTe), являющиеся твёрдыми растворами двух компонент (HgTe и CdTe, PbTe и SnTe).

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.

Пример скетча датчика освещенности на фоторезисторе

Мы подключили схему с фоторезистором к ардуино, убедились, что все сделали правильно. Теперь осталось запрограммировать контроллер.

Написать скетч для датчика освещенности довольно просто. Нам нужно только снять текущее значение напряжения с того аналогового пина, к которому подключен датчик. Делается это с помощью известной нам всем функции analogRead(). Затем мы можем выполнять какие-то действия, в зависимости от уровня освещенности.

Давайте напишем скетч для датчика освещенности, включающего или выключающего светодиод, подключенный по следующей схеме.

Алгоритм работы таков:

• Определяем уровень сигнала с аналогового пина.
• Сравниваем уровень с пороговым значением. Максимально значение будет соответствовать темноте, минимальное – максимальной освещенности. Пороговое значение выберем равное 300.
• Если уровень меньше порогового – темно, нужно включать светодиод.
• Иначе – выключаем светодиод.

#define PIN_LED 13 #define PIN_PHOTO_SENSOR A0 void setup() { Serial.begin(9600); pinMode(PIN_LED, OUTPUT); } void loop() { int val = analogRead(PIN_PHOTO_SENSOR); Serial.println(val); if (val < 300) { digitalWrite(PIN_LED, LOW); } else { digitalWrite(PIN_LED, HIGH); } } Прикрывая фоторезистор (руками или светонепроницаемым предметом), можем наблюдать включение и выключение светодиода. Изменяя в коде пороговый параметр, можем заставлять включать/выключать лампочку при разном уровне освещения.

При монтаже постарайтесь расположить фоторезистор и светодиод максимально далеко друг от друга, чтобы на датчик освещенности попадало меньше света от яркого светодиода.