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.
Простые фоторезисторы.
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.
У фоторезисторов обязательным параметром задается и температурный диапазон. Если использовать преобразователь при отличающихся температурах, то нужно обязательно добавить уточняющие преобразования, т.к. свойство сопротивления этого фотоэлемента зависит от температуры. 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.
Интересно почитать: принцип действия и основные характеристики варисторов.
По сути это обычный транзистор, но без крышки в буквальном смысле. Крышка, закрывающая кристалл прибора, конечно, есть, но она выполнена из прозрачного материала и видимый свет может попадать на кристалл. Подавая на базу некоторое напряжение, можно управлять сопротивлением перехода эмиттер-коллектор. Но оказывается, сопротивлением перехода можно управлять и обычным светом.
Фототранзистор – это обычный транзистор, который имеет еще одну, дополнительную «базу» – световую. Освещаем – открываем транзистор. В таком включении вывод базы фототранзистора можно вообще не использовать – его роль выполняет свет.
Виды и принцип работы, обозначение на схемах
В зависимости от материалов, используемых во время изготовления на производстве все, фоторезисторы можно условно разделить на две большие группы: с внутренним и внешним фотоэффектом.
В производстве элементов с внутренним фотоэффектом и применяют нелегированные материалы, например германий или кремний. Фотоны, попадающие на фоторезистор, заставляют электроны двигаться из валентной в зону проводимости.
Благодаря этому возникает огромное число свободных электронов, тем самым резко возрастает электропроводность и, поэтому, снижается сопротивление. Фоторезистор с внешним фотоэффектом изготавливают из материалов, с добавлением примесей легирующей добавки, которая создает новую энергетическую зону поверх имеющейся валентной, богатую электронами.
Кроме того, электронам новой зоны необходимо на порядок меньше энергии, чтобы перейти в зону проводимости благодаря более низкой энергетической щели. Поэтому фоторезисторы с внешним фотоэффектом гораздо более чувствительны к различным длинам светового спекира волн.
Фоторезистор на схемах обозначается также как и обычный резистор, но с добавление двух стрелочек, которые направлены к прямоугольнику. В качестве материалов для фоторезисторов широко используются сульфиды, селениды и теллуриды различных элементов, а также соединения типа AlMBv. В инфракрасной области могут быть использованы фоторезисторы на основе PbS, PbSe, PbTe, InSb, в области видимого света и ближнего спектра ультрафиолета — CdS.
Сегодня фоторезисторы широко применяются во многих отраслях науки и техники. Это объясняется их высокой чувствительностью, простотой конструкции, малыми габаритами и значительной допустимой мощностью рассеяния. Значительный интерес представляет использование фоторезисторов в опто- электронике. В радиолюбительских конструкциях фоторезисторы применяются как световые датчики в устройствах слежения и автоматики, автоматических и фотореле в быту, в охранных системах.
Чувствительность и инертность фоторезистора
Чувствительность фоторезистора зависит от длины световой волны. Если длина волны лежит вне рабочего диапазона, то свет не оказывает никакого воздействия на ФР. Можно сказать, что фоторезистор не чувствителен в этом диапазоне длин волн. Эти радио компоненты обладают более низкой чувствительность, чем фототранзисторы и фотодиоды.
Еще одна важная характеристика фоторезистора называется инертность, ее физический смысл состоит в том, что имеется определенная инертность (или проще понять – время задержки) между изменениями в освещении и последующим изменением сопротивления. Для того чтобы сопротивление снизилось до минимально возможного значения при полном освещении требуется около 10 мс, и около одной секунды понадобится для того, чтобы сопротивление возросло до максимума после затемнения этого-же компонента.
Чувствительность и инертность фоторезистора.
Конструкция и применение
Современные фоторезисторы изготавливают из селенида свинца, сульфида свинца, антимонида индия, но чаще всего из селенида и сульфида кадмия и кадмия. Спектральная характеристика сульфида кадмия практически полностью совпадает с устройством человеческого глаза. Длина волны пиковой чувствительности – 560-600 нм, что соответствует видимой части спектра.
Для изготовления элемента из сульфида кадмия, высокоочищенный порошок смешивают с инертными связующими веществами. Затем, эту смесь спекают и прессуют. В вакуумной среде на основание с электродами наносят тонкий фоточувствительный слой в виде извилистой дорожки. Затем, основание помещается в прозрачную оболочку, для защиты фоточувствительного элемента. Основной областью применения этих радио элементов является автоматика, с помощью них можно создать простые и надежные схемы фотореле без использования токовых усилителей.
Такие фотореле применяются в системах управления и контроля. В измерительной технике фоторезисторы используются для измерения высоких температур в различных технологических процессах. У фоторезисторов обязательно определен и диапазон температуры. Если использовать датчик при разных температурах, то следует обязательно ввести уточняющие преобразования, т.к. свойство сопротивления зависит от внешней температуры.
Для характеристики интенсивности света используют физическую величину освещённость (обозначение E), что показывает количество светового потока, достигающего какой-либо поверхности. Для измерения единицы имеется люкс (лк), где 1 люкс означает, что на поверхность размером 1 m2 равномерно падает световой поток в 1 люмен (лм). В реальной жизни свет практически никогда не падает на (жилую) поверхность равномерно и поэтому освещённость получается больше в среднем значении. Для сравнения приведены некоторые примеры освещённости:
Цвет волны и диапазон ее длины.
Основные характеристики фоторезисторов
Фоторезистор (от фото- и резистор), представляет собой полупроводниковый резистор, омическое сопротивление которого определяется степенью освещенности. В основе принципа действия фоторезисторов лежит явление фотопроводимости полупроводников. Фотопроводимость — увеличение электрической проводимости полупроводника под действием света.
Причина фотопроводимости — увеличение концентрации носителей заряда — электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне. Светочувствительный слой полупроводникового материала в таких сопротивлениях помещен между двумя токопроводящими электродами. Под воздействием светового потока электрическое сопротивление слоя меняется в несколько раз (у некоторых типов фотосопротивлений оно уменьшается на два-три порядка). В видеоролике ниже представлена подробная информация о фоторезисторах.
В зависимости от применяемого слоя полупроводникового материала фотосопротивления подразделяются на сернисто-свинцовые, сернисто-кадмиевые, сернисто-висмутовые и поликристаллические селено-кадмиевые. Фотосопротивления обладают высокой чувствительностью, стабильностью, они экономичны и надежны в эксплуатации. В целом ряде случаев они с успехом заменяют вакуумные и газонаполненные фотоэлементы.
Материал в тему: описание и область применения подстроечного резистора.
Основные характеристики фотосопротивлений:
- Рабочая площадь.
- Темновое сопротивление (сопротивление в полной темноте), варьируется в обычных приборах от 1000 до 100000000 Ом.
- Удельная чувствительность
Световая (люкс-амперная), характеризующая зависимость фототока от падающего светового потока постоянного спектрального состава. Полупроводниковые фоторезисторы имеют нелинейную люкс-амперную характеристику. Наибольшая чувствительность получается при малой освещенности. Это позволяет использовать фоторезисторы для измерения очень малых интенсивностей излучения. При увеличении освещенности световой ток растет примерно пропорционально корню квадратному из освещенности. Наклон люкс-амперной характеристики зависит от приложенного к фоторезистору напряжения.
Расчет сопротивления
О взаимосвязи между освещенностью и электрическим сопротивлением фоторезистора дается приблизительная формула в спецификации датчика. Как видно на выше приведенном графике, на логарифмической шкале освещенность и сопротивление находятся приблизительно в линеарной зависимости и образуют прямое уравнение, потому что применяется следующее преобразование: log(a/b) = log(a) – log(b)
Связь характеризует γ фактор (ровный подъем), который у датчика VT935G равен 0,9. Известны так же данные одной точки линии: 18,5 kΩ сопротивление (RA) 1 при 10 lx освещенности (EA). Таким образом, имеются координаты 1 точки и ровный подъем и для вычисления любой другой точки хватит только одного координата.
Если измерить сопротивление датчика (RB), то можно из уравнения линии вычислить освещенность (EB) падающую на датчик. Выразим уравнение линии EB:
log(EB) = log(RA/RB) / γ + log(EA)
EB = 10log(RA/RB) / γ + log(EA)
Таким образом, имеется формула для вычисления освещения, если сопротивление известно. Сопротивление напрямую микроконтроллером измерить нельзя – для этого фоторезистор находится в делителе напряжения, выходное напряжение которого переводит аналогово-дигитальный преобразователь в конкретные числа (ADC). Для нахождения сопротивления, в первую очередь придется вычислить из значения ADC выходное напряжение (U2), делителя напряжения, учитывая и сравниваемое напряжение (Uref) преобразователя. Формула следующая:
U2 = Uref ⋅ (ADC / 1024)
Из формулы делителя напряжения (смотри главу делителя напряжения) можно найти в схеме верхнего фоторезистора сопротивление (R1):
R1 = (R2 ⋅ U1) / U2 – R2
Далее при вычислении напряжения и сопротивления известные факторы заменяются значениями и нижние индексы опущены:
U = 5 ⋅ (ADC / 1024)
R = (10 ⋅ 5) / U – 10
Для нахождения освещенности можно сделать упрощающие переводы:
E = 10log(18,5/R) / 0.9 + 1 = 10log(18,5/R) ⋅ 10/9 ⋅ 101 = 10log18,5 ⋅ 10/9 – logR ⋅ 10/9 ⋅ 10 = (10log18,5 ⋅ 10/9 / 10logR ⋅ 10/9) ⋅ 10 =
= (18,510/9 / R10/9) ⋅ 10 = 18,510/9 ⋅ 10 ⋅ R-10/9
Вычислив постоянную находящуюся перед переменной R, остается формула в виде:
E = 255,84 ⋅ R-10/9.
Главным преимуществом полупроводниковых фотодетекторов по сравнению с фотоумножителями является их способность регистрировать длинноволновое излучение, поскольку создание подвижных носителей в них не связано с преодолением значительного поверхностного потенциального барьера.
Недостатком же их является небольшое усиление по току. Чтобы выходной импульс мог управлять различными электронными системами, его необходимо многократно усилить. Таким усилителем может быть одно-двухкаскадный транзисторный усилитель или операционный усилитель. Чтобы фотовозбуждение носителей не маскировалось тепловым возбуждением, полупроводниковые фотодетекторы не должны эксплуатироваться в средах с высокими температурами, иначе их необходимо охлаждать.
Как вам статья?Poll Options are limited because JavaScript is disabled in your browser.Более подробную информацию можно узнать, прочитав файл по данной теме что такое фоторезистор.Всю новую информацию по этой и многим другим темам, вы сможете найти в группе. Подписывайтесь на нашу группу в социальной сети «Вконтакте».
Для этого вам необходимо будет перейти по следующей ссылке https://vk.com/electroinfonet. Также в группе можно задавать вопросы и получать на них подробные ответы от профи. В завершение объемной статьи хочу выразить благодарность источникам, откуда мы черпали информацию:
www.texnic.ru
www.nauchebe.net
www.home.roboticlab.eu/ru
www.begin.esxema.ru
electroinfo.net
Как применять фоторезисторы, фотодиоды и фототранзисторы
Принцип действия фотодиода
Полупроводниковый фотодиод — это полупроводниковый диод обратный ток которого зависит от освещенности.
Обычно в качестве фотодиода используют полупроводниковые диоды с р-п переходом, который смещен в обратном направлении внешним источником питания. При поглощении квантов света в р-n переходе или в прилегающих к нему областях образуются новые носители заряда. Неосновные носители заряда, возникшие в областях, прилегающих к р-п переходу на расстоянии, не превь,’ ,ающем диффузионной длины, диффундируют в р-п переход и проходя* через него под действием электрического поля. То есть обратный ток при освещении возрастает. Поглощение квантов непосредственно в р-п переходе приводит к аналогичным результатам. Величина, на которую возрастает обратный ток, называется фототоком.
Характеристики фотодиодов
Свойства фотодиода можно охарактеризовать следующими характеристиками:
Световая характеристика фотодиода обусловлена зависимостью фототока от освещенности. При увеличении освещенности фототок возрастает.
Спектральная характеристика фотодиода — это зависимость фототока от длины волны падающего света на фотодиод. Она определяется для больших длин волн шириной запрещенной зоны, а при малых длинах волн большим показателем поглощения и увеличения влияния поверхностной рекомбинации носителей заряда с уменьшением длины волны квантов света. То есть коротковолновая граница чувствительности зависит от толщины базы и от скорости поверхностной рекомбинации. Положение максимума в спектральной характеристике фотодиода сильно зависит от степени роста коэффициента поглощения.
Постоянная времени — это время, в течение которого фото- ток фотодиода изменяется после освещения или после затемнения фотодиода в е раз (63%) по отношению к установившемуся значению.
Темновое сопротивление — сопротивление фотодиода в отсутствие освещения.
Интегральная чувствительность определяется формулой:
где 1 ф — фототок, Ф — освещенность.
Инерционность
Существует три физических фактора, влияющих на инерционность:
1. Время диффузии или дрейфа неравновесных носителей через базу т;
2. Время пролета через р-n переход т,;
3. Время перезарядки барьерной емкости р-п перехода, характеризующееся постоянной времени RC 6 ap .
Толщина р-п перехода, зависящая от обратного напряжения и концентрации примесей в базе, обычно меньше 5 мкм, а значит, т, — 0,1 не. RC 6 ap определяется барьерной емкостью р-п перехода, зависящей от напряжения и сопротивления базы фотодиода при малом сопротивлении на
usercpu.ru
Фоторезистор. Принцип работы, характеристики | joyta.ru
Фоторезисторы чаще всего используются для определения наличия или отсутствия света или для измерения интенсивности света. В темноте, их сопротивление очень высокое, иногда доходит до 1 МОм, но когда датчик LDR подвергается воздействию света, его сопротивление резко падает, вплоть до нескольких десятков ом в зависимости от интенсивности света.
Фоторезисторы имеют чувствительность, которая изменяется с длиной волны света. Они используются во многих устройствах, хотя уступают по своей популярности фотодиодам и фототранзисторам. Некоторые страны запретили LDR из-за содержащегося в них свинца или кадмия по соображению экологической безопасности.
Определение: Фоторезистор — светочувствительный элемент, чье сопротивление уменьшается при интенсивном освещении и увеличивается при его отсутствии.
Характеристики фоторезистора
Виды фоторезисторов и принцип работы
На основании материалов, используемых при производстве, фоторезисторы могут быть разделены на две группы: с внутренним и внешним фотоэффектом. В производстве фоторезисторов с внутренним фотоэффектом используют нелегированные материалы, такие как кремний или германий.
Фотоны, которые попадают на устройство, заставляют электроны перемещаться из валентной зоны в зону проводимости. В результате этого процесса появляется большое количество свободных электронов в материале, тем самым улучшается электропроводность и, следовательно, уменьшается сопротивление.
Фоторезисторы с внешним фотоэффектом производятся из материалов, с добавлением примеси, называемой легирующая добавка. Легирующая добавка создает новую энергетическую зону поверх существующей валентной зоной, заселенную электронами. Этим электронам требуется меньше энергии, чтобы совершить переход в зону проводимости благодаря меньшей энергетической щели. Результат этого – фоторезистор чувствителен к различным длинам волн света.
Несмотря на все это, оба типа демонстрируют уменьшение сопротивления при освещении. Чем выше интенсивность света, тем больше падает сопротивление. Следовательно, сопротивлением фоторезистора является обратная, нелинейная функция интенсивности света.
Фоторезистор на схемах обозначается следующим образом:
Чувствительность фоторезистора от длины волны
Чувствительность фоторезистора зависит от длины волны света. Если длина волны находится вне рабочего диапазона, то свет не будет оказывать никакого действия на LDR. Можно сказать, что LDR не чувствителен в этом диапазоне длин волн света.
Различные материалы имеют различные уникальные спектральные кривые отклика волны по сравнению с чувствительностью. Внешне светозависимые резисторы, как правило, предназначены для больших длин волн, с тенденцией в сторону инфракрасного (ИК). При работе в ИК-диапазоне, необходимо соблюдать осторожность, чтобы избежать перегрева, который может повлиять на измерения из-за изменения сопротивления фоторезистора от теплового эффекта.
На следующем рисунке показана спектральная характеристика фотопроводящих детекторов, изготовленные из различных материалов.
Чувствительность фоторезистора
Фотрезисторы имеют более низкую чувствительность, чем фотодиоды и фототранзисторы. Фотодиоды и фототранзисторы — полупроводниковые устройства, в которых используется свет для управления потоком электронов и дырок через PN-переход, а фоторезисторы лишеные этого PN-перехода.
Если интенсивность светового потока находиться на стабильном уровне, то сопротивление по-прежнему может существенно изменяться вследствие изменения температуры, поскольку LDR также чувствительны и к изменениям температуры. Это качество фоторезистора делает его непригодным для точного измерения интенсивности света.
Инертность фоторезистора
Еще одно интересное свойство фоторезистора заключается в том, что существует инертность (время задержки) между изменениями в освещении и изменением сопротивления.
Для того чтобы сопротивление упало до минимума при полном освещении необходимо около 10 мс времени, и около 1 секунды для того, чтобы сопротивление фоторезистора возросло до максимума после его затемнения.
По этой причине LDR не может использоваться в устройствах, где необходимо учитывать резкие перепады освещения.
Конструкция и свойства 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.
Для изготовления фоторезистора из сульфида кадмия, высокоочищенный порошок сульфида кадмия смешивают с инертными связующими материалами. Затем, эту смесь прессуют и спекают. В вакууме на основание с электродами наносят фоточувствительный слой в виде извилистой дорожки. Затем, основание помещается в стеклянную или пластиковую оболочку, для предотвращения загрязнения фоточувствительного элемента.
Спектральная кривая отклика сульфида кадмия совпадает с человеческим глазом. Длина волны пиковой чувствительности составляет около 560-600 нм, что соответствует видимой части спектра. Следует отметить, что устройства, содержащие свинец или кадмий не соответствуют RoHS и запрещены для использования в странах, которые придерживаются законов RoHS.
Примеры применения фоторезисторов
Фоторезисторы чаще всего используются в качестве датчиков света, когда требуется определить наличие или отсутствие света или зафиксировать интенсивность света. Примерами являются автоматы включения уличного освещения и фотоэкспонометры. В качестве примера использования фоторезистора, приведем схему фотореле для уличного освещения.
Фотореле для уличного освещения
Данная схема фотореле автоматически включает уличное освещение, когда наступает ночь и выключает когда светлеет. На самом деле вы можете использовать данную схему для реализации любого типа автоматического включения ночного освещения.
При освещении фоторезистора (R1), его сопротивление уменьшается, падение напряжения на переменном резисторе R2 будет высоким, вследствие чего транзистор VT1 открывается. Коллектор VT1 (BC107) соединен с базой транзистора VT2 (SL100). Транзистор VT2 закрыт и реле обесточено. Когда наступает ночь, сопротивление LDR увеличивается, напряжение на переменном резисторе R2, падает, транзистор VT1 закрывается. В свою очередь, транзистор VT2 открывается и подает напряжение на реле, которое включает лампу.
www.joyta.ru
Основные характеристики и параметры фотодиода. Как применять фоторезисторы, фотодиоды и фототранзисторы
Фотодиод — это полупроводниковый диод, у которого ток зависит от освещенности. Обычно под этим током подразумевают обратный ток фотодиода, потому что его зависимость от освещенности выражена на порядки сильнее, чем прямого тока. В дальнейшем мы будем говорить именно про обратный ток.
В общем случае фотодиод представляет собой p-n переход, открытый для светового излучения. Под воздействием света в области p-n перехода генерируются носители заряда (электроны и дырки), которые проходят через него и вызывают напряжение на выводах фотодиода или протекание тока в замкнутой цепи.
Фотодиод, в зависимости от его материала, предназначен для регистрации светового потока в инфракрасном, оптическом и ультрафиолетовом диапазоне длин волн. Фотодиоды изготавливают из кремния, германия, арсенида галлия, арсенида галлия индия и других материалов.
Фотодиоды широко используются в системах управления, метрологии, робототехнике и других областях. Также они используются в составе других компонентов, например, оптопар, оптореле. Применительно к микроконтроллерам, фотодиоды находят применение в качестве различных датчиков — концевых датчиков, датчиков освещенности, расстояния, пульса и т.д.
На электрических схемах фотодиод обозначается как диод, с двумя направленными к нему стрелочками. Стрелки символизируют падающее на фотодиод излучение. Не путайте с обозначением светодиода, у которого стрелки направлены от него.
Буквенное обозначение фотодиода может быть VD или BL (фотоэлемент).
Фотодиод работает в двух режимах: фотодиодном и фотогальваническом (фотовольтаическом, генераторном).
В фотодиодном режиме используется источник питания, который смещает фотодиод в обратном направлении. В этом случае через фотодиод течет обратный ток, пропорциональный падающему на него световому потоку. В рабочем диапазоне напряжений (то есть до наступления пробоя), этот ток практически не зависит от приложенного обратного напряжения.
В фотогальваническом режиме фотодиод работает без внешнего источника питания. В этом режиме он может работать в качестве датчики или в качестве элемента питания (солнечной батареи), так как под воздействием света на выводах фотодиода появляется напряжение, зависящее от потока излучения и нагрузки.
Чтобы получше разобраться с режимами работы фотодиода, нужно рассмотреть его вольтамперную характеристику.
График состоит из 4 областей, так называемых квадрантов. Фотодиодному режиму соответствует работа в 3-м квадранте.
При отсутствии излучения график представляет собой обратную ветвь вольтамперной характеристики обычного полупроводникового диода. Присутствует небольшой обратный ток, который называется тепловым (темновым) током обратно смещенного p-n перехода.
При наличии светового потока, сопротивление фотодиода уменьшается и обратный ток фотодиода возрастает. Чем больше света падает, тем больший обратный то
crabo.ru
40) Фоторезисторы. Фотодиоды. Фототранзисторы. Особенности применения. Характеристики.
Схемы включения и применение фотоэлектронных приборов
Фотоэлектронные (фотоэлектрические) приборы предназначены для преобразования световой энергии в электрическую.
Все полупроводниковые фотоэлектрические приборы основаны на внутреннем фотоэффекте — возбуждении атомов и росте концентрации свободных носителей заряда под воздействием светового излучения. При этом в полупроводнике растет проводимость, а на p-n переходах появляется ЭДС.
К фотоэлектронным приборам относятся фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы и фототиристоры.
Фоторезистор — это полупроводниковый фотоэлектрический прибор, сопротивление которого изменяется под действием светового излучения. На рис. 1 показана схема включения фоторезистора и его характеристики.
Рис.2. Схема включения фоторезистора (а), УГО (б), энергетическая (в) и вольт-амперная (г) характеристики фоторезистора.
Фоторезисторы, как и другие фотоэлектрические приборы, характеризуются световой характеристикой, т.е. зависимостью фототока , протекающего через прибор от светового потока . Она нелинейная и это является недостатком фоторезистора. ВАХ фоторезистора линейны, а их наклон зависит от величины светового потока.
Фоторезисторы могут работать и на переменном токе. Фоторезисторы являются самыми простыми и дешевыми фотоэлектрическими приборами.
Фотодиод — это полупроводниковый фотоэлектрический прибор, основанный на внутреннем фотоэффекте, содержащий один p-n переход и имеющий два вывода.
Фотодиоды могут работать в двух режимах: без внешнего источника электроэнергии (режим фотогенератора) и с внешним источником (режим фотопреобразователя). На рис. 2, а, б показаны схемы включения.
Излучающий диод (слева) должен быть включен в прямом направлении, а фотодиод — в прямом (режим фотогенератора) или в обратном направлении (режим фотопреобразователя).
ВАХ фотодиода в темноте не отличаются от ВАХ p-n перехода (рис. 2 г), а при освещении опускается вниз. Режиму фотопреобразователя соответствуют участки в третьем квадранте, а режиму фотогенератора — в четвертом.
Фотодиоды имеют большее быстродействие, чем фоторезисторы (работоспособны при частоте 1 гГц и выше), но менее чувствительны.
С целью повышения чувствительности вместо фотодиодов применяют фототранзисторы.
Фототранзистор — фотоэлектронный прибор, имеющий трехслойную структуру, как обычный транзистор, в котором ток зависит от освещения базы. Схема включения Рис. 3. Схема включения фототранзистора показана на рис. 3. Они имеют линейную световую характеристику, а выходные ВАХ аналогичны ВАХ обычного транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, но в качестве параметра вместо тока базы выступает световой поток. Чувствительность фототранзисторов достигает 1 А/лм. Параметры фототранзисторов существенно зависят от температуры.
41.Оптоволоконные датчики
Волоконно-оптические датчики (так же часто именующиеся оптические волоконные датчики) это оптоволоконные устройства для детектирования некоторых величин, обычно температуры или механического напряжения, но иногда так же смещения, вибраций, давления, ускорения, вращения (измеряется с помощью оптических гироскопов на основе эффекте Саньяка), и концентрации химических веществ. Общий принцип таких устройств в том, что свет от лазера (чаще всего одномодового волоконного лазера) или суперлюминесцентного оптического источника передается через оптическое волокно, испытывая слабое изменение своих параметров в волокне или в одной или нескольких брэгговских решетках, и затем достигает схемы детектирования, которая оценивает эти изменения.
волокно-оптические датчики обладают следующими преимуществами:
· Они состоят из электрически непроводящих материалов (не требуют электрических кабелей), что позволяет использовать их, например, в местах с высоким напряжением.
· Их можно безопасно использовать во взрывоопасной среде, потому, что нет риска возникновения электрической искры, даже в случае поломки.
· Они не подвержены электромагнитным помехам (EMI), даже вблизи разряда молнии, и сами по себе не электризуют другие устройства.
· Их материалы могут быть химически инертны, то есть не загрязняют окружающую среду, и не подвержены коррозии.
· Они имеют очень широкий диапазон рабочих температур (гораздо больше, чем у электронных устройств).
· Они имеют возможность мультиплексирования; несколько датчиков в одиночной волоконной линии может быть интегрировано с одним оптическим источником (см. ниже).
работа в жестких условиях, таких как зондирование в устройствах с высоким напряжением, или в СВЧ печах. Сенсоры на основе брэгговских решеток могут также быть использованы, например, для мониторинга условий, внутри крыльев самолетов, в ветровых турбинах, мостах, больших плотинах, нефтяных скважинах, и трубопроводах.
studfile.net
Как применять фоторезисторы, фотодиоды и фототранзисторы. Фотодиод
Фотодиод активно используется в современных электронных устройствах, из названия становится понятно, что прибор из себя представляет конструкцию с применением полупроводника, так давайте рассмотрим, что такое фотодиод Фотодиод — это полупроводниковый диод, который обладает свойством односторонней проводимости при воздействия на него оптического излучения. Фотодиод представляет собой полупроводниковый кристалл, обычно с электронно — дырочным переходом (пн). Он снабжен двумя металлическими выводами и вмонтированный в пластмассовый или же в металлический корпус.
Различают два режима работы фотодиода.
1) фотодиодный — когда во внешней цепи фотодиода содержится источник постоянного тока, который создает на переходе обратное смещение и вентильный, когда такой источник отсутствует. В фотодиодном режиме фотодиод, как и фоторезистор используют для управления током. Фототок фотодиода сильным образом зависит от интенсивности падающего излучения и не зависит от напряжения смещения.
2) Вентильный режим — когда фотодиод, как и фотоэлемент, используют в качестве генератора ЭДС.
Основные параметры фотодиода — порог чувствительности, уровень шумов, область спектральной чувствительности лежит в пределах от 0,3 до 15 мкм (микрометров), инерционность — время восстановления фототока, Существуют также фотодиоды с прямой структурой.Фотодиод является составным элементом во многих опто- электронных устройствах. фотодиоды и фотоприемники широко применяются в опронных парах, приемниках излучения видео — аудио сигналов. Широко применяется для принятия сигнала с лазерных диодов в CD и DVD дисководах.
Сигнал от лазерного диода, который в себе содержит кодированную информацию, сначала попадает на фотодиод, который в данных устройствах имеет сложную конструкцию, затем после расшифровки информация поступает на центральный процессор, где после обработки превращается в аудио или видеосигнал. На таком принципе работают все современные дисководы. Так же фотодиоды применяются в различных охранных устройствах, в инфракрасных датчиках движения и присутствия. Очередной обзор для начинающего радиолюбителя подошел к концу, удачи в мире радиоэлектроники — АКА.
Теория для начинающих
Обсудить статью ФОТОДИОДЫ
radioskot.ru
Фотодиоды – полупроводниковые элементы, обладающие светочувствительностью. Их основная функция – трансформация светового потока в электросигнал. Такие полупроводники применяются в составе различных приборов, функционирование которых базируется на использовании световых потоков. Принцип работы фотодиодовОснова действия фотодиодных элементов – внутренний фотоэффект. Он заключается в возникновении в полупроводнике под воздействием светового потока неравновесных электронов и дырок (т.е. атомов с пространством для электронов), которые формируют фотоэлектродвижущую силу.
Если полупроводник находится в темноте, то его свойства аналогичны обычному диоду. При прозванивании тестером в отсутствии освещения результаты будут аналогичны тестированию обычного диода. В прямом направлении будет присутствовать маленькое сопротивление, в обратном – стрелка останется на нуле. Схема фотодиодаРежимы работыФотодиоды разделяют по режиму функционирования. Режим фотогенератор |
leally.ru
Фоторезисторы, фотодиоды и фототранзисторы и как их применять
Фоторезисторы, фотодиоды и фототранзисторы и как их применять
Датчик — средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и (или) хранения, но не поддающейся непосредственному восприятию наблюдателем.
Датчики бывают совершенно разными. Они отличаются по принципу действию, логике своей работы и физическим явлениям и величинам на которые они способны реагировать. Датчики света используются не только в аппаратуре автоматического управления освещением, они используются в огромном количестве устройств, начиная от блоков питания, заканчивая сигнализациями и охранными системами.
Основные виды фотоэлектронных приборов. Общие сведения
Фотоприёмник в общем смысле – это электронный прибор, который реагирует на изменение светового потока падающего на его чувствительную часть. Они могут отличаться, как по своей структуре, так и принципу работы. Давайте их рассмотрим.
Фоторезисторы – изменяют сопротивление при освещении
Фоторезистор – фотоприбор изменяющий проводимость (сопротивление) в зависимости от количества света падающего на его поверхность. Чем интенсивнее освещенность чувствительной области, тем меньше сопротивления. Вот его схематическое изображение.
Состоит он из двух металлических электродов, между которыми присутствует полупроводниковый материал. Когда световой поток попадает на полупроводник, в нём высвобождаются носители заряда, это способствует прохождению тока между металлическими электродами.
Энергия светового потока тратится на преодоление электронами запрещенной зоны и их переходу в зону проводимости. В качестве полупроводника у фоторезисторов используют материалы типа: Сульфид Кадмия, Сульфид Свинца, Селенит Кадмия и другие. От типа этого материала зависит спектральная характеристика фоторезистора
Интересно:
Спектральная характеристика содержит информацию о том, к каким длинам волн (цвету) светового потока наиболее чувствителен фоторезистор. Для некоторых экземпляров приходится тщательно подбирать излучатель света соответствующей длины волны, для достижения наибольшей чувствительности и эффективности работы.
Фоторезистор не предназначен для точного измерения освещенности, а, скорее, для определения наличия света, по его показаниям можно определить светлее или темнее стала окружающая среда. Вольт-амперная характеристика фоторезистора выглядит следующим образом.
На ней изображена зависимость тока от напряжения при различных величинах светового потока: Ф – темнота, а Ф3 – это яркий свет. Она линейна. Еще одна важная характеристика – это чувствительность, она измеряется в мА(мкА)/(Лм*В). Что отражает, сколько тока протекает через резистор, при определенном световом потоке и приложенном напряжении.
Темновое сопротивление – это активное сопротивление при полном отсутствии освещения, обозначается Rт, а характеристика Rт/Rсв – это кратность изменения сопротивления от состояния фоторезистора в полном отсутствии освещения к максимально освещенному состоянию и минимально возможному сопротивлению соответственно.
У фоторезисторов есть существенный недостаток – его граничная частота. Это величина описывает максимальную частоту синусоидального сигнала, которым вы моделируете световой поток, при которой чувствительность снижается на 1.41 раз. В справочниках это отражается либо значением частоты, либо через постоянную времени. Она отражает быстродействие приборов, которое обычно занимает десятки микросекунд – 10^(-5) с. Это не позволяет использовать его там, где нужно высокое быстродействие.
Фотодиод – преобразует свет в электрический заряд
Фотодиод – элемент, который преобразует свет, попадающий на чувствительную зону, в электрический заряд. Это происходит потому что при облучении в p-n переходе протекают различные процессы связанные с движением носителей заряда.
Если на фоторезисторе изменялась проводимость из-за движения носителей заряда в полупроводнике, то здесь происходит образование заряда на границе p-n перехода. Он может работать в режиме фотопреобразователя и фотогенератора.
По структуре он такой же, как и обычный диод, но на его корпусе есть окно для прохождения света. Внешне они бывают в различных исполнениях.
Фотодиоды с черным корпусом воспринимают только ИК-излучение. Черное покрытие – это что-то похожее на тонировку. Фильтрует ИК-спектр, чтобы исключить возможность срабатывания на излучения других спектров.
У фотодиодов, как и у фоторезисторов есть граничная частота, только здесь она на порядки больше и достигает 10 МГц, что позволяет обеспечить неплохое быстродействие. P-i-N фотодиоды обладают большим быстродействием – 100МГц-1ГГц, как и диоды на основании барьера Шоттки. Лавинные диоды имеют граничную частоту в порядка 1-10 ГГц.
В режиме фотопреобразователя такой диод работает как ключ управляемый светом, для этого его подключают в цепь в прямом смещении. То есть, катодом к точке с более положительным потенциалом (к плюсу), а анодом к более отрицательному (к минусу).
Когда диод не освещается светом – в цепи протекает только обратный темновой ток Iобрт (единицы и десятки мкА), а когда диод освещен к нему добавляется фототок, который зависит только от степени освещенности (десятки мА). Чем больше света – тем больше ток.
Фототок Iф равен:
Iф=Sинт*Ф,
где Sинт – интегральная чувствительность, Ф – световой поток.
Типовая схема включения фотодиода в режиме фотопреобразователя. Обратите внимание на то, как он подключен – в обратном направлении по отношению к источнику питания.
Другой режим – генератор. При попадании света на фотодиод на его выводах образуется напряжение, при этом токи короткого замыкания в таком режиме равняются десятки ампер. Это напоминает работу элементов солнечной батареи, но имеют малую мощность.
Фототранзисторы – открываются от количества падающего света
Фототранзистор – это по своей сути биполярный транзистор у которого вместо вывода базы есть в корпусе окошко для попадания туда света. Принцип работы и причины этого эффекта аналогичны с предыдущими приборами. Биполярные транзисторы управляются количеством тока протекающего через базу, а фототранзисторы по аналогии управляются количеством света.
Иногда на УГО еще дополнительно изображается вывод базы. Вообще напряжения на фототранзистор подают также как и на обычный, а второй вариант включения – с плавающей базой, когда базовый вывод остаётся незадействованным.
В схему включают фототранзисторы подобным образом.
Или меняют местами транзистор и резистор, смотря, что конкретно вам нужно. При отсутствии света через транзистор протекает темновой ток, который образуется из тока базы, который вы можете задать сами.
Задав необходимый ток базы, вы можете выставить чувствительность фототранзистора подбором его базового резистора. Таким образом, можно улавливать даже самый тусклый свет.
В советское время радиолюбители делали фототранзисторы своими руками – делали окошко для света, спилив обычному транзистору часть корпуса. Для этого отлично подходят транзисторы типа МП14-МП42.
Из вольтамперной характеристики видна зависимость фототока от освещения, при этом он практически не зависит от напряжения коллектор-эмиттер.
Кроме биполярных фототранзисторов существуют и полевые. Биполярные работают на частотах 10-100 кГц, то полевые более чувствительны. Их чувствительность достигает нескольких Ампер на Люмен, и более «быстрые» — до 100 мГц. У полевых транзисторов есть интересная особенность, при максимальных значениях светового потока напряжение на затворе почти не влияет на ток стока.
Области применения фотоэлектронных приборов
В первую очередь следует рассмотреть более привычные варианты их применения, например автоматическое включение света.
Схема, изображенная выше – это простейший прибор для включения и выключения нагрузки при определенной освещенности. Фотодиод ФД320 При попадании на него света открывается и на R1 падает определенное напряжение, когда его величина достаточна для открытия транзистора VT1 – он открывается, и открывает еще один транзистор – VT2. Эти два транзистора – это двухкаскадный усилитель тока, необходим для запитки катушки реле K1.
Диод VD2 – нужен для гашения ЭДС-самоиндукции, которое образуется при переключениях катушки. На подводящий контакт реле, верхний по схеме, подключается один из проводов от нагрузки (для переменного тока – фаза или ноль).
У нас есть нормально замкнутый и разомкнутый контакты, они нужны либо для выбора включаемой цепи, либо для выбора включить или отключить нагрузку от сети при достижении необходимой освещенности. Потенциометр R1 нужен для подстройки прибора для срабатывания при нужном количестве света. Чем больше сопротивление – тем меньше света нужно для включения схемы.
Вариации этой схемы используют в большинстве подобных приборов, при необходимости добавляя определенный набор функций.
Кроме включения нагрузки по освещенности подобные фотоприемники используются в различных системах контроля, например на турникетах метро часто используют фоторезисторы для определения несанкционированного (зайцем) пересечения турникета.
В типографии при обрыве полосы бумаги свет попадает на фотоприемник и тем самым даёт сигнал оператору об этом. Излучатель стоит по одну сторону от бумаги, а фотоприемник с обратной стороны. Когда бумага рвётся, свет от излучателя достигает фотоприемника.
В некоторых видах сигнализации используются в качестве датчиков входа в помещение излучатель и фотоприемник, при этом, чтобы излучение не были видны используют ИК-приборы.
Касаемо ИК-спектра, нельзя упомянуть о приемнике телевизора, на который поступают сигналы от ИК-светодиода в пульте дистанционного управления, когда вы переключаете каналы. Специальным образом кодируется информация и телевизор понимает, что вам нужно.
Информация таким образом ранее передавалась через ИК-порты мобильных телефонов. Скорость передачи ограничена, как последовательным способом передачи, так и принципом работы самого прибора.
В компьютерных мышках также используется технология связанная с фотоэлектронными приборами.
Применение для передачи сигналов в электронных схемах
Оптоэлектронные приборы – это приборы которые объединяют в одном корпусе излучатель и фотоприемник, типа описанных выше. Они нужны для связи двух контуров электрической цепи.
Это нужно для гальванической развязки, быстрой передачи сигнала, а также для соединения цепей постоянного и переменного тока, как в случае управления симистором в цепи 220 В 5 В сигналом с микроконтроллера.
Они имеют условно-графическое обозначение, которое содержит информацию о типе используемых внутри оптопары элементов.
Рассмотрим пару примеров использования таких приборов.
Управление симистором с помощью микроконтроллера
Если вы проектируете тиристорный или симисторный преобразователь вы столкнетесь с проблемой. Во-первых, если переход у управляющего вывода пробьет – на пин микроконтроллера попадет высокий потенциал и последний выйдет из строя. Для этого разработаны специальные драйверы, с элементом, который называется оптосимистор, например MOC3041.
Обратная связь с помощью оптопары
В импульсных стабилизированных блоках питания необходима обратная связь. Если исключить гальваническую развязку в этой цепи, тогда в случае выхода из строя каких-то компонентов в цепи ОС, на выходной цепи возникнет высокий потенциал и подключенная аппаратура выйдет из строя, я не говорю о том, что и вас может ударить током.
В конкретном примере вы видите реализацию такой ОС из выходной цепи в обмотку обратной связи (управляющую) транзистора с помощью оптопары с порядковым обозначением U1.
Выводы
Фото- и оптоэлектроника это очень важные разделы в электроники, которые значительно улучшили качество аппаратуры, её стоимость и надёжность. С помощью оптопары можно исключить использование развязывающего трансформатора в таких цепях, что уменьшает массогабаритные показатели. Кроме того некоторые устройства просто невозможно реализовать без таких элементов.
Ранее ЕлектроВести писали о фотодатчиках и их применении.
По материалам electrik.info.
elektrovesti.net