Фоторезистор принцип работы

Фоторезистор определение и виды, как работают, преимущества и недостатки

Фоторезистор определение и виды, как работают, преимущества и недостатки - фото 1 - изображение 1

В статье расскажем про фоторезистор, его определение и виды, как он работает, преимущества и недостатки. А также познавательное видео, где подробно рассказывается про фоторезистор и где он используется.

Название фоторезистора представляет собой комбинацию слов: фотон (легкие частицы) и резистор. Фоторезистор — это тип резистора, сопротивление которого уменьшается при увеличении интенсивности света. Другими словами, поток электрического тока через фоторезистор увеличивается, когда интенсивность света увеличивается.

Фоторезисторы также иногда называют LDR (светозависимым резистором), полупроводниковым фоторезистором, фотопроводником или фотоэлементом. Фоторезистор меняет свое сопротивление только при воздействии света.

Как работает фоторезистор

Когда свет падает на фоторезистор, некоторые из валентных электронов поглощают энергию света и разрушают связь с атомами. Валентные электроны, которые разрушают связь с атомами, называются свободными электронами.

Как работает фоторезистор - фото 2 - изображение 2

Когда энергия света, приложенная к фоторезистору, сильно увеличивается, большое количество валентных электронов получает достаточно энергии от фотонов и разрушает связь с родительскими атомами. Большое количество валентных электронов, которые нарушают связь с родительскими атомами, попадет в зону проводимости.

Электроны, присутствующие в зоне проводимости, не принадлежат ни одному атому. Следовательно, они свободно перемещаются из одного места в другое. Электроны, которые свободно перемещаются из одного места в другое, называются свободными электронами.

Когда валентный электрон покинул атом, в определенном месте атома, из которого вышел электрон, создается пустое место. Эта место называется дырой. Следовательно, свободные электроны и дырки генерируются в виде пар.

Типы фоторезисторов - фото 3 - изображение 3

Свободные электроны, которые свободно перемещаются из одного места в другое, переносят электрический ток. Аналогичным образом, дырки, движущиеся в валентной зоне, переносят электрический ток. Аналогично, и свободные электроны, и дырки будут нести электрический ток. Количество электрического тока, протекающего через фоторезистор, зависит от количества генерируемых носителей заряда (свободных электронов и дырок).

Когда энергия света, приложенная к фоторезистору, увеличивается, число носителей заряда, генерируемых в фоторезисторе, также увеличивается. В результате электрический ток, протекающий через фоторезистор, увеличивается.

Увеличение электрического тока означает снижение сопротивления. Таким образом, сопротивление фоторезистора уменьшается, когда интенсивность приложенного света увеличивается.

Фоторезисторы делаются из полупроводника с высоким сопротивлением, такого как кремний или германий. Они также сделаны из других материалов, таких как сульфид кадмия или селенид кадмия.

При отсутствии света фоторезисторы действуют как материалы с высоким сопротивлением, тогда как при наличии света фоторезисторы действуют как материалы с низким сопротивлением.

Советуем вам посмотреть лучшее видео на тему фоторезистора, в котором вы узнаете очень подробно принцип работы фоторезистора:

Типы фоторезисторов

Фоторезисторы делятся на два типа в зависимости от материала, из которого они изготовлены:

  • Внутренний фотоэффект
  • Внешний фотоэффект

Фоторезистор с внутренним фотоэффектом

Собственные фоторезисторы изготавливаются из чистых полупроводниковых материалов, таких как кремний или германий. Внешняя оболочка любого атома способна содержать до восьми валентных электронов. Однако в кремнии или германии каждый атом состоит только из четырех валентных электронов. Эти четыре валентных электрона каждого атома образуют четыре ковалентных связей с соседними четырьмя атомами, чтобы полностью заполнить внешнюю оболочку. В результате ни один электрон не остается свободным.

Символ фоторезистора на схеме - фотография 4 - изображение 4

Когда мы применяем световую энергию к фоторезистору с внутренним эффектом, только небольшое количество валентных электронов получает достаточно энергии и освобождается от родительского атома. Следовательно, генерируется небольшое количество носителей заряда. В результате через внутренний фоторезистор протекает только небольшой электрический ток.

Мы уже знали, что увеличение электрического тока означает снижение сопротивления. В фоторезисторах с внутренним фотоэффектом сопротивление несколько уменьшается с увеличением энергии света. Следовательно, внутренние фоторезисторы менее чувствительны к свету. Поэтому они не надежны для практического применения.

Фоторезистор с внешним фотоэффектом

Фоторезисторы с внешним фотоэффектом изготовлены из внешних полупроводниковых материалов. Рассмотрим пример внешнего фоторезистора, изготовленного из комбинации атомов кремния и примеси фосфора.

Каждый атом кремния состоит из четырех валентных электронов, а каждый атом фосфора состоит из пяти валентных электронов. Четыре валентных электрона атома фосфора образуют четыре ковалентные связи с соседними четырьмя атомами кремния. Однако пятый валентный электрон атома фосфора не может образовывать ковалентную связь с атомом кремния, поскольку атом кремния имеет только четыре валентных электрона. Следовательно, пятый валентный электрон каждого атома фосфора освобождается от атома. Таким образом, каждый атом фосфора генерирует свободный электрон.

Преимущества и недостатки фоторезистора - фотография 5 - изображение 5

Свободный электрон, который генерируется, сталкивается с валентными электронами других атомов и делает их свободными. Аналогичным образом, один свободный электрон генерирует несколько свободных электронов. Следовательно, добавление небольшого количества примесных (фосфорных) атомов генерирует миллионы свободных электронов.

В внешних фоторезисторах у нас уже есть большое количество носителей заряда. Следовательно, обеспечение небольшого количества световой энергии генерирует еще большее количество носителей заряда. Таким образом, электрический ток быстро увеличивается.

Увеличение электрического тока означает снижение сопротивления. Следовательно, сопротивление внешнего фоторезистора быстро уменьшается с небольшим увеличением приложенной световой энергии. Внешние фоторезисторы надежны для практического применения.

Символ фоторезистора на схеме

Символ американского стандарта и символ международного фоторезистора показаны на рисунке ниже.

Применение фоторезисторов - изображение 6 - изображение 6

Преимущества и недостатки фоторезистора

Преимущества фоторезистора

  • Маленький по размеру
  • Бюджетный
  • Легко переносить из одного места в другое.

Недостатки фоторезистора

  • Точность фоторезистора очень низкая.

Применение фоторезисторов

Фоторезисторы используются в уличных фонарях для контроля, когда свет должен включаться и когда свет должен выключаться. Когда окружающий свет падает на фоторезистор, он выключает уличный свет. Когда света нет, фоторезистор вызывает включение уличного освещения. Это уменьшает потери электроэнергии.

Они также используются в различных устройствах, таких как сигнальные устройства, солнечные уличные фонари, ночники и радиочасы.

Фоторезисторы и фотодиоды. Устройство, принцип действия - фото 7 - изображение 7

Пример схемы датчика освещенности

Световой датчик

Если требуется базовый датчик освещенности, можно использовать схему LDR, такую ​​как схема на рисунке. Светодиод загорается, когда интенсивность света, достигающего резистора LDR, достаточна. Переменный резистор 10K используется для установки порога, при котором светодиод включится. Если индикатор LDR ниже пороговой интенсивности, светодиод останется в выключенном состоянии. В реальных приложениях светодиод будет заменен реле или выход может быть подключен к микроконтроллеру или другому устройству. Если требуется датчик темноты, где светодиод будет светиться при отсутствии света, необходимо заменить LDR и два резистора 10К.

Аудио компрессоры

Аудио компрессоры — это устройства, которые уменьшают усиление аудио усилителя, когда амплитуда сигнала превышает установленное значение. Это сделано для усиления тихих звуков при одновременном предотвращении обрыва громких звуков. Некоторые компрессоры используют LDR и небольшую лампу (светодиод или электролюминесцентную панель), подключенную к источнику сигнала для создания изменений в усилении сигнала. Считается, что этот метод добавляет более плавные характеристики к сигналу, потому что время отклика света и резистора смягчает атаку и освобождение. Задержка времени отклика в этих приложениях составляет порядка 0,1 с.

Автор: Тимеркаев Борис

Тимеркаев Борис — 68-летний доктор физико-математических наук, профессор из России. Он является заведующим кафедрой общей физики в Казанском национальном исследовательском техническом университете имени А. Н. ТУПОЛЕВА — КАИ

Что такое фоторезистор

Фоторезистор представляет из себя полупроводниковый радиоэлемент, который меняет свое сопротивление в зависимости от освещения. Для видимого света (солнечный свет или свет от осветительных ламп) используют сульфид или селенид кадмия. Есть также фоторезисторы, которые регистрируют инфракрасное излучение. Их делают  из германия с некоторыми примесями других веществ. Свойство менять свое сопротивление под воздействием света очень широко используется в электронике.

Внешний вид и обозначение на схеме

В основном фоторезисторы выглядят вот так

Основные характеристики фоторезисторов - фото 8 - изображение 8

Устройство и принцип работы фоторезистора - фотография 9 - изображение 9

Как подключить фоторезистор к Ардуино - фотография 10 - изображение 10

На схемах могут обозначаться так

Принцип действия фоторезисторов - изображение 11 - изображение 11

или так

Фототранзистор своими руками: ltr 4206e, фт 1к, arduino - фото 12 - изображение 12

Как работает фоторезистор

Давайте рассмотрим одного из представителя семейства фоторезисторов

Что это такое и где применяется - фото 13 - изображение 13

На нем, как и во всех фотоэлементах, есть окошко, с помощью которого он “ловит” свет.

Фоторезистор принцип работы - фото 14 - изображение 14

Сбоку можно прочитать его маркировку

Фоторезистор принцип работы - изображение 15 - изображение 15

Главным параметром фоторезистора является его темновое сопротивление. Темновое сопротивление фоторезистора — это его сопротивление при полном отсутствии падения света на него. Судя по справочнику, темновое сопротивление нашего подопечного 15х108 Ом или словами — 1,5 ГОм. Можно даже сказать — полнейший обрыв. Так ли это? Давайте глянем. Для этого я использую свою записную книжку и прячу там фоторезистор:

Фоторезистор принцип работы - фотография 16 - изображение 16

Даже в диапазоне 200 МОм мультиметр показал единичку. Это означает, что сопротивление фоторезистора далеко за 200 МОм.

Убираем нашего подопытного из книжки и включаем в комнате свет. Результат сразу же на лицо:

Фоторезистор принцип работы - изображение 17 - изображение 17

106,7 КОм.

Теперь включаю свою настольную лампу. В комнате стало еще светлее.  Смотрим на показания мультиметра:

Фоторезистор принцип работы - фотография 18 - изображение 18

76,2 КОм.

Подношу фоторезистор вплотную к настольной лампе:

Фоторезистор принцип работы - фотография 19 - изображение 19

18,6 КОм

Делаем вывод: чем больше поток света попадает на фоторезистор, тем меньше его сопротивление.

Заключение

Широко используются фоторезисторы в полиграфии для обнаружения обрывов бумажной ленты, подаваемых в печатную машину. Они также осуществляют контроль уровня жидкости и сыпучих тел, защищают персонал от входа в опасные зоны. Автоматические выключатели уличного освещения и турникеты в метрополитене — вот далеко не полный перечень областей применения фоторезисторов. Фоторезисторы нашли применение в медицине, сельском хозяйстве и других областях. В настоящее время они вытесняются другими фото-радиоэлементами. Это могут быть фототранзисторы, фотодиоды, а также бесконтактные датчики.

Фоторезисторы и фотодиоды. Устройство, принцип действия

Фоторезистор принцип работы - изображение 20 - изображение 20

Фоторезисторами называют полупроводниковые приборы, принцип действия которых основан на изменение сопротивления полупроводника под действием светового излучения.

На рис. 7.31 показано устройство фоторезистора, состоящего из диэлектрической подложки 1, выполненной из стекла или керамики, на которую наносится слой полупроводника (сернистый свинец) 2, покрытый защитным лаком. По краям выведены два металлических электрода 3. Фоторезистор крепится в пластмассовом корпусе 4, снабжённым слюдяным или стеклянным окошком 5, через которое проникает световой поток Ф, и выводятся электроды 3.

Фоторезистор принцип работы - изображение 21 - изображение 21

Рис. 7.31. Устройство фоторезистора

На рис. 7.32 изображена схема подключения фоторезистора ФR к источнику питания E через нагрузочное сопротивление .

Фоторезистор принцип работы - фотография 22 - изображение 22

Рис. 7.32. Схема подключения фоторезистора к источнику питания

Вольтамперные характеристики фоторезистора приведены на рис.7.33, из которых видно, что при неосвещённом фоторезисторе (

Фоторезистор принцип работы - фото 23 - изображение 23

), по цепи проходит темновой ток

Фоторезистор принцип работы - изображение 24 - изображение 24

. При этом фоторезистор имеет большое сопротивление, поэтому на нём падает значительное напряжение

Фоторезистор принцип работы - фото 25 - изображение 25

. Если на фоторезистор направить световой поток, то, в зависимости от освещения, его сопротивление начнёт уменьшаться. Проходящий по цепи фототок

Фоторезистор принцип работы - изображение 26 - изображение 26

, будет равен разности светового и темнового токов

Фоторезистор принцип работы - фото 27 - изображение 27

Фоторезистор принцип работы - изображение 28 - изображение 28

. При светововом потоке

Фоторезистор принцип работы - фотография 29 - изображение 29

, световой ток увеличивается до значения

Фоторезистор принцип работы - фотография 30 - изображение 30

. Падение напряжения фоторезистора уменьшиться до значения

Фоторезистор принцип работы - фотография 31 - изображение 31

. При полном освещении

Фоторезистор принцип работы - фотография 32 - изображение 32

, световой ток достигнет значения

Фоторезистор принцип работы - фото 33 - изображение 33

, напряжение фоторезистора упадёт до значения

Фоторезистор принцип работы - фото 34 - изображение 34

. Недостатком такого полупроводникового прибора является его инерционность.

Фоторезистор принцип работы - фото 35 - изображение 35

Рис. 7.33. Вольтамперные характеристики фоторезистора

К фотодиодам относятся полупроводниковые приборы, у которых область

р-n-перехода подвергается воздействию световой энергии. Рисунок 7.34 поясняет принцип работы светодиода, который имеет два электрода анод А и катод К.

Фоторезистор принцип работы - изображение 36 - изображение 36

Рис. 7.34. Схема фотогенерации свободных зарядов фотодиода под действием фотонов света

При отсутствии светового потока Ф р-n-переход П заперт. При освещении запирающего р-n-перехода происходит фотогенерация, фотоны света образуют пары электрон-дырка свободных зарядов, при этом свободные электроны переходят в слой n, свободные дырки - в слой p.

Фотодиоды работают в двух режимах: генераторном и преобразовательном. На рис.7.35 изображён фотодиод, работающий в генераторном режиме.

Фоторезистор принцип работы - изображение 37 - изображение 37

Рис. 7.35. Схема фотодиода, работающего в генераторном режиме

Под действием светового излучения генерируется фотоЭДС

Фоторезистор принцип работы - фотография 38 - изображение 38

(около одного вольта) с полярностью анода (+), катода (-). В режиме короткого замыкания во нешней цепи и между слоями n и р фотодиода проходит максимальный обратный ток

Фоторезистор принцип работы - фотография 39 - изображение 39

при нагрузке

Фоторезистор принцип работы - фото 40 - изображение 40

. Если включена нагрузка, то фототок уменьшается. В режиме холостого хода при

Фоторезистор принцип работы - изображение 41 - изображение 41

, фотоЭДС

Фоторезистор принцип работы - фото 42 - изображение 42

, так как фототок будет равен нулю.

Режим работы фотодиода

Фоторезистор принцип работы - изображение 43 - изображение 43

называется генераторным. Фотоэлементы, не требующие источника питания, находят широкое применение в электротехнике и автоматике. В генераторном режиме работают солнечные кремниевые батареи, в которых происходит преобразование солнечной энергии в электрическую энергию.

В режиме преобразователяв цепь фотодиода последовательно с нагрузкой включается источник ЭДС в запирающем (обратном) направлении. На рис.7.36 изображён преобразовательный режим работы фотодиода.

Фоторезистор принцип работы - изображение 44 - изображение 44

Рис. 7.36. Схема фотодиода, работающего в преобразовательном режиме

Если фотодиод неосвещен, то через него проходит незначительный темновой ток

Фоторезистор принцип работы - изображение 45 - изображение 45

. При освещении запирающего перехода, фотодиод открывается и через него проходит световой ток

Фоторезистор принцип работы - изображение 46 - изображение 46

, величина которого зависит от значения светового потока.

На рис. 7.37 приведены вольтамперные характеристики, поясняющие принцип работы фотодиода в генераторном и преобразовательном режимах.

Фоторезистор принцип работы - фото 47 - изображение 47

Рис. 7.37. Вольтамперные характеристики, поясняющие принцип работы фотодиода в генераторном и преобразовательном режимах

Основные характеристики фоторезисторов

Фоторезистор принцип работы - фотография 48 - изображение 48

Фоторезисторы имеют высокую чувствительность к излучению в самом широком диапазоне — от инфракрасной до рентгеновской области спектра, сопротивление их может меняться на несколько порядков. Фоторезисторам присущи высокая стабильность во времени, они имеют небольшие габариты и выпускаются на различные номиналы сопротивлений. Приборы оформлены в корпус с прозрачным окном и двумя выводами, полярность подключения значения не имеет.

Обозначение фоторезистора на схемах

Фоторезистор принцип работы - фото 49 - изображение 49

Основные параметры отечественных фоторезисторов 

Тип ФР Uраб, В Rт, ом. Iт, мка Iсв, мка dI=Iсв-Iт, мка Rт/Rсв Удельная чувств., мка/лм-в Интегр. чувств., а/лм Мощность рассеяния, Вт
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
ФСА-0 4-100 40*103-106 1,2 500 0,01
ФСА-1 4-100 40*103-106 1,2 500 0,01
ФСА-Г1 4-40 47*103-470*103 1,2 500 0,01
ФСА-Г2 4-40 40*103-106 1,2 500 0,01
ФСА-6 5-30 50-300*103 1,2 500 0,01
ФСК-0 50 5*106 10 2000 1990 200 7000 1,4 0,125
ФСК-1 50 5*106 10 2000 1990 200 7000 1,4 0,125
ФСК-2 100 10*106 10 800 790 80 1500 0,125
ФСК-4 50 5*106 10 2000 1990 200 7000 1,4 0,125
ФСК-5 50 5*106 10 1000 1990 100 6000 1,2 0,05
ФСК-6 50 3,3*106 15 2000 1885 9000 1,8 0,2
ФСК-7а 50 106 50 350 300 1500 0,35
ФСК-7б 50 105 50 800 750 6000 1,2 0,35
ФСК-Г7 50 5*106 10 2000 1990 200 3500 0,7 0,35
ФСК-Г1 50 5*106 10 1500 1490 150 6000 1,2 0,12
ФСК-Г2 50 5*106 10 4000 3990 400 12000 2,4 0,2
ФСК-П1 100 1010 0,01 1000-2000 1000-2000 4000 0,1
СФ2-1 15 30*106 0,5 1000 1000 2000 400000 0,01
СФ2-2 2(10) 4*106 0,5 1500 1500 3000 75000 0,05
СФ2-4 15 1,0 >750 0,01
СФ2-9 25 >3,3*106 240-900 0,125
СФ2-12 15 >15*106 200-1200 0,01
ФСД-0 20 20*108 1 2000 2000 2000 40000 0,05
ФСД-1 20 20*106 1 2000 2000 2000 40000 0,05
ФСД-Г1 20 20*106 1 2000 2000 2000 40000 0,05
СФ3-1 15 15*108 0.01 1500 1500 150000 600000 0,01
СФ3-8 25 <1 750 0,025

В таблице приведены средние значения, определенные (кроме Iт) при освещенности 200 лк.

Фоторезистор принцип работы - фотография 50 - изображение 50

 – сопротивление затемненного прибора; – сопротивление освещенного прибора;

 – ток через затемненный прибор;  – максимально возможное рабочее напряжение 

Тип спектр приема, нм Rт., МОм Iт. мкА Uр., В Rт/Rс габариты
ФСК-1 300…900 3,3 15 50 100 28×5
ФСК-2 300…900 3,3 15 50 20 28х12,5×5
ФСД-1 300…900 3 10 20 150 18×5
ФР1-3 300…900 0,047…0,33 320 15 10,7×6
ФР-118 400…750 0,3…0,2 30 6 7,8 х 4,5
ФР-121 400…750 10 1 10 4,2 х 1,4
ФР-162А(Б) 750…1200 5 2 10 9.6×3.5
ФР-764 300…900 3.3 15 50 150 10,7×6
ФР-765 300…900 2 10 20 150 10,7×6
ФПФ7-1 300…900 1 6 6 50 7,8 х 3,2
СФ2-18 20…900 10 0.01 100 10.3×5,8
СФ2-19 20…900 0.25 0.08 20 10.3×5,8

При повышении температуры темновое сопротивление резисторов уменьшается. Габаритные размеры даны для корпуса без учета длины выводов в виде диаметр х высота или высота х ширина х толщина.

Фоторезистор принцип работы - изображение 51 - изображение 51

Наибольшее распространение получили фоторезисторы, изготовленные из сернистого свинца, сернистого кадмия, селенистого кадмия. Название типа фоторезисторов слагается из букв и цифр, причем в старых обозначениях буквы А, К, Д обозначали тип использованного светочувствительного материала, в новом же обозначении эти буквы заменены цифрами. Буква, стоящая за дефисом, при старом обозначении, характеризовала конструктивное исполнение (Г-герметизированные, П-пленочные). В новой маркировке эти буквы также заменены цифрами. В таблице, ниже приведены наименования наиболее распространенных обозначений фоторезисторов.

ТИПОВЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ ФОТОРЕЗИСТОРОВ 

Вид фоторезисторов Старое обозначение Новое обозначение
Сернисто-свинцовые ФСА-0, ФСА-1, ФСА-6, ФСА-Г1, ФСА-Г2
Сернисто-кадмиевые ФСК-0, 1, 2, 4, 5, 6, 7, ФСК-Г1, ФСК-Г2, ФС’Р;-Г7, ФСК-П1 СФ2-1, 2, 4, 9, 12
Селенисто-кадмиевые ФСД-0, ФСД-1, ФСД-Г1 СФ3-1, 8

 Чувствительность фоторезисторов меняется (уменьшается) в первые 50 часов работы, оставаясь в дальнейшем практически постоянной в течение всего срока службы, измеряемого несколькими тысячами часов. Интервал рабочих температур для сернисто-кадмиевых фоторезисторов составляет от -60 до +85°С для селенисто-кадмиевых — от -60 до +40°С и для сернисто-свинцовых — от -60 до +70°С.

Конструкция фоторезистора

Впервые фотопроводимость была обнаружена у Селена, впоследствии были обнаружены и другие материалы с аналогичными свойствами. Современные фоторезисторы выполнены из сульфида свинца, селенида свинца, антимонида индия, но чаще всего из сульфида кадмия и селенида кадмия. Популярные LDR из сульфида кадмия обозначаются как CDS фоторезистор.

Фоторезистор принцип работы - фото 52 - изображение 52

Спектральная кривая отклика сульфида кадмия совпадает с человеческим глазом. Длина волны пиковой чувствительности составляет около 560-600 нм, что соответствует видимой части спектра.

Область применения фоторезисторов

Основной областью применения фоторезисторов является автоматика, где они в некоторых случаях с успехом заменяют вакуумные и газонаполненные фотоэлементы. Обладая повышенной допустимой мощностью рассеивания по сравнению с некоторыми типами фотоэлементов, фоторезисторы позволяют создавать простые и надежные фотореле без усилителей тока. Такие фотореле незаменимы в устройствах для телеуправления, контроля и регулирования, в автоматах для разбраковки, при сортировке и счете готовой продукции, для контроля качества и готовности самых различных деталей.

Фоторезистор принцип работы - фотография 53 - изображение 53

Широко используются фоторезисторы в полиграфической промышленности при обнаружении обрывов бумажной ленты, контроле за количеством листов, подаваемых в печатную машину.

В измерительной технике фоторезисторы применяются для измерения высоких температур, для регулировки температуры в различных технологических процессах.

Контроль уровня жидкости и сыпучих тел, защита персонала от входа в опасные зоны, контроль за запыленностью и задымленностью самых различных объектов, автоматические выключатели уличного освещения и т.д.

Применение фоторезисторов можно так же встретить в детских игрушках. Это далеко не полный перечень областей применения фоторезисторов. 

Практическое применение фоторезистора

Схема автоматического регулятора освещенности:

Фоторезистор принцип работы - изображение 54 - изображение 54

На этом занятии рассмотрим подключение фоторезистора к аналоговым портам Arduino. Разберем принцип работы полупроводниковых приборов и фоторезисторной автоматики. Соберем схему светильника с автоматическим включением, а также с автоматическим изменением яркости свечения светодиода, в зависимости от освещения. Рассмотрим тип данных unsigned int и оператор if, else в языке C++.

Устройство и принцип работы фоторезистора

Фоторезистором называют полупроводниковый прибор, у которого под воздействием света снижается электрическое сопротивление (у некоторых типов фоторезисторов сопротивление может уменьшаться на два- три порядка). Основной частью фоторезисторов является полупроводниковый элемент (например, сернистый свинец или сернистый кадмий), расположенный так, чтобы на него попадал свет.

Фоторезистор принцип работы - фотография 55 - изображение 55

Устройство фоторезистора, обозначение на электрических схемах

Явлением фотопроводимости называется увеличение электропроводности полупроводника под воздействием электромагнитного излучения. Принцип работы фоторезистора основан на появлении подвижных носителей заряда (электронов) в результате поглощения полупроводником световой энергии, вследствие чего уменьшается его сопротивление, т.е. возникает дополнительная электропроводность.

Устройство и принцип действия фоторезистора максимально просты, поэтому данные полупроводниковые приборы сегодня широко применяются во многих отраслях науки и техники. Это объясняется высокой чувствительностью фоторезисторов, малыми габаритами и простотой конструкции приборов, долговечностью в работе, а также возможностью обеспечить бесконтактные измерения и контроль.

Как подключить фоторезистор к Ардуино

На этом занятии мы соберем электрическую схему «умного» светильника. Если на предыдущем занятии мы с помощью потенциометра включали и изменяли яркость светодиода, то сегодня мы будем использовать фоторезистор в схеме для автоматического включения светодиода. Фоторезистор будет играть роль переменного сопротивления, которое изменяет напряжение на аналоговом входе A0.

Для занятия нам понадобятся следующие детали:

  • плата Arduino Uno / Arduino Nano / Arduino Mega;
  • макетная плата;
  • 1 фоторезистор;
  • 1 светодиод;
  • 2 резистора 220 Ом;
  • провода «папа-папа».

Фоторезистор принцип работы - фотография 56 - изображение 56

Схема сборки светильника с фоторезистором на Ардуино

Соберите электрическую цепь, как на картинке выше. Принцип работы схемы в том, что в электрической цепи будет меняться сопротивление, в зависимости от освещенности в помещении, а значит будут меняться данные на аналоговом входе. После сборки принципиальной схемы с фоторезистором, подключите Arduino к компьютеру и загрузите следующую программу с датчиком освещенности в микроконтроллер.

Скетч. Светильник с автоматическим включением

// Присваиваем имя для аналогового входа A0 с фоторезистором#define SENSOR A0// Присваиваем имя для порта 9 со светодиодом#define LED 9// Присваиваем имя для цифрового значения аналогового входа A0// unsigned int округляет значения и принимает только положительные числаunsigned int value = 0; void setup() {// Пин 9 со светодиодом будет выходом (англ. «output»)pinMode(LED, OUTPUT);// Пин A0 с фоторезистором будет входом (англ. «input»)pinMode(SENSOR, INPUT);} void loop() {// Считываем значение с фоторезистора на аналоговом входе A0value = analogRead(SENSOR);// Если значение value на входе A0 меньше 500, включаем светодиодif (value<500) digitalWrite(LED, HIGH);// В противном случае (если value>500), выключаем светодиод if (value>500) digitalWrite(LED, LOW);}

Пояснения к коду:

  1. для удобства, в первой строчке программы мы присвоили имя SENSOR для аналогового входа A0 с помощью функции #define;
  2. оператор unsigned int указывает, что значение value может принимать только положительное целое число, а начальное значение value равно нулю;
  3. условный оператор if позволяет определить действие при истинном условии. Оператор else позволяет определить действие, когда истинное условие ложно.

Скетч. Умный светильник на Ардуино

// Присваиваем имя для аналогового входа A0 с фоторезистором#define SENSOR A0// Присваиваем имя для порта 9 со светодиодом#define LED 9// Присваиваем имя для цифрового значения аналогового входа A0// unsigned int округляет значения и принимает только положительные числаunsigned int value = 0;// Назначаем переменную data, которую будем использовать в скетчеint data; void setup() {// Пин 9 со светодиодом будет выходом (англ. «output»)pinMode(LED, OUTPUT);// Пин A0 с фоторезистором будет входом (англ. «input»)pinMode(SENSOR, INPUT);} void loop() {// Считываем значение с фоторезистора на аналоговом входе A0value = analogRead(SENSOR);// Полученные значения на аналоговом входе A0 делим на 4data = value / 4;// Включаем светодиод с полученной ранее мощностью - от 0 до 255analogWrite(LED, data);}

Пояснения к коду:

  1. в этом скетче мы добавили переменную data, которая равна value деленная на 4;
  2. пин 9 мы использовали, как аналоговый выход, который плавно изменяет яркость свечение светодиода в зависимости от значения data.

Принцип действия фоторезисторов

Фоторезистор принцип работы - фотография 57 - изображение 57

Фоторезисторы

Фоторезистор – это полупроводниковый резистор, сопротивление

Фоторезистор принцип работы - изображение 58 - изображение 58

Фоторезистор принцип работы - фото 59 - изображение 59

которого изменяется в зависимости от поглощаемого светового потока, т.е. это полупроводниковый резистор, действие которого основано на фоторезистивном эффекте.

Фотопроводимость – это свойство полупроводника изменять свою электропроводность под воздействием электромагнитного излучения. Причина фотопроводимости – увеличение концентрации носителей заряда – электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне. Вследствие этого проводимость полупроводника возрастает на величину

Ds = q (mn Dni + mp Dpi),

где q – заряд электрона; mn – подвижность электронов; mp – подвижность дырок; Dni – концентрация генерируемых электронов; Dpi – концентрация генерируемых дырок.

Поскольку основным следствием поглощения энергии света в полупроводнике является перевод электронов из валентной зоны в зону проводимости, то энергия кванта света фотона должна удовлетворять условию:

hnкр ³ DWЗ или hnкр ³ DWПР

где h – постоянная Планка; nкр – критическая частота электромагнитного излучения (красная граница фотопроводимости), DWЗ.– ширина запрещенной зоны, DWПР – энергия ионизации примеси.

Излучение с частотой n < nкр не может вызвать фотопроводимость, так как энергия кванта такого излучения hn < DWЗ недостаточна для перевода электрона из валентной зоны в зону проводимости. Если же hn > DWЗ, то избыточная относительно ширины запрещенной зоны часть энергии квантов передается электронам в виде кинетической энергии.

Критической частоте nкр соответствует граничная длина волны lгр:

lгр = с / nкр,

где с - скорость света.

При длинах волн, больших граничной, фотопроводимость резко падает. Так, для германия граничная длина волны составляет примерно 1,8 мкм. Однако спад фотопроводимости наблюдается и в области малых длин волн. Это объясняется быстрым увеличением поглощения энергии с частотой и уменьшением глубины проникновения падающей на полупроводник электромагнитной энергии. Поглощение происходит в тонком поверхностном слое, где и образуется основное количество носителей заряда. Появление большого количества избыточных носителей только у поверхности слабо отражается на проводимости всего объема полупроводника, так как скорость поверхностной рекомбинации больше объемной и проникающие вглубь не основные носители заряда увеличивают скорость рекомбинации в объеме полупроводника.

Фотопроводимость полупроводников может обнаруживаться в инфракрасной, видимой или ультрафиолетовой частях электромагнитного спектра в зависимости от ширины запрещенной зоны, которая, в свою очередь, зависит от типа полупроводника, температуры, концентрации примесей и напряженности электрического поля.

Рассмотренный механизм поглощения света, приводящий к появлению свободных носителей заряда в полупроводнике, называют фото активным. Поскольку при этом изменяется проводимость, а следовательно, внутреннее сопротивление полупроводника, указанное явление и было названо фоторезистивным эффектом.

При облучении фоторезистора фотонами в полупроводниковом фоточувствительном слое возникает избыточная концентрация носителей заряда. Если к фоторезистору приложено напряжение, то через него будет проходить дополнительная составляющая тока – фототок, обусловленный избыточной концентрацией носителей. Электронная составляющая фототока

Фоторезистор принцип работы - фото 60 - изображение 60

где a - толщина полупроводникового фоточувствительного слоя; b – его ширина; l – расстояние между электродами; R – коэффициент отражения; α – показатель поглощения; η – квантовая эффективность генерации; Nф – число фотонов, падающих на единичную поверхность фоточувствительного слоя за единицу времени.

Фототок соответствует прохождению через фоторезистор и через внешнюю цепь Iфn / q электронов. Число электронов, возникающих в объеме фоточувствительного слоя из-за поглощения фотонов, равно

Фоторезистор принцип работы - фотография 61 - изображение 61

.

Отношение числа прошедших во внешней цепи электронов к числу возникших в фоточувствительном слое электронов называют коэффициентом усиления фоторезистора:

Фоторезистор принцип работы - изображение 62 - изображение 62

Произведение подвижности электронов на напряженность электрического поля есть скорость дрейфа электронов, которую можно также представить как расстояние между электродами, деленное на время пролета носителей между электродами tпрол. Поэтому коэффициент усиления фоторезистора можно выразить и в таком виде: KI = τn/tпрол.

Если в полупроводниковом фоточувствительном слое есть примеси, являющиеся ловушками захвата для неосновных носителей заряда (сенсибилизирующие примеси), то захват неосновных носителей этими ловушками может существенно (на несколько порядков) увеличить эффективное время жизни неравновесных основных носителей. В этом случае время жизни может значительно превышать время пролета носителей между электродами. Когда один из электродов достигает положительного электрода, другой электрон входит в полупроводниковый слой из отрицательного электрода для сохранения электрической нейтральности объема полупроводника, в котором осталась нескомпенсированная положительно заряженная ловушка захвата. Таким образом, поглощение одного фотона может случить причиной прохождения через фоторезистор многих электронов.

Введение сенсибилизирующих примесей, приводя к увеличению эффективного времени жизни основных носителей, вызывает снижение быстродействия фоторезистора.

Усиление фототока может происходить и при наличии потенциальных барьеров, например, на поверхности кристаллов полупроводника, если фоторезистор изготовлен на основе поликристаллического полупроводникового материала. Потенциальные барьеры могут являться потенциальными ямами для неосновных носителей заряда. В этом случае будет происходить усиление фототока в фоторезисторе по аналогии с усилением фототока в фототранзисторе

Фототранзистор своими руками: ltr 4206e, фт 1к, arduino

Фоторезистор принцип работы - фото 63 - изображение 63

Фоточувствительные приборы используются в разных отраслях электроники и радиотехники. Все больше сейчас применяется фототранзистор, у которого более простой принцип работы, нежели у фотодиодов.

Содержание

  1. Что это такое и где применяется
  2. Принцип работы
  3. Маркировки и основные параметры
  4. Пример использования

Что это такое и где применяется

Фототранзистор – это полупроводниковый прибор оптоволоконного типа, который используется для управления электрическим током при помощи определенного оптического излучения. Эти устройства разработаны на базе обычного транзистора. Их современными аналогами являются фотодиоды, но фототранзисторы лучше подходят для многих современных радио и электронных приборов. По принципу действия, они напоминают также фоторезисторы.

Как быть в моей ситуации? Деревенская электрика одним словом…asutpp.ru

Источники:

Понравилась статья? Расскажите друзьям:
Оцените статью, для нас это очень важно:
Проголосовавших: 1 чел.
Средний рейтинг: 5 из 5.

Оставить комментарий:

Отправить

Полезные сервисы:

Опрос: Насколько Вам помогла информация на нашем сайте? (Кол-во голосов: 195)
Сразу все понял
Не до конца понял
Пришлось перечитывать несколько раз
Вообще не понял
Как я сюда попал?
Чтобы проголосовать, кликните на нужный вариант ответа. Результаты