Фотодиоды и их применение в схемотехнике

Виды

Вообще все фотодатчики разделены на две основные группы:

1. Детали, обладающие внутренним фотоэффектом.
2. Детали с внешним фотоэффектом.

Их отличает друг от друга технология производства, а если быть точнее — сам состав фоторезистивного слоя.

Если в первых при изготовлении применены чистейшие химические составляющие, без посторонних примесей. Таким образом, у датчика меняются характеристики, фоторезистор практически не реагирует на видимый свет, но хорошо работает в инфракрасном диапазоне.

То вторые, наоборот, содержат примеси в полупроводниковом веществе. За счет этого расширяется спектр чувствительности в зоне видимого света и даже захватывает инфракрасный диапазон (тепловые лучи).

Хотя по принципу срабатывания и как подключить эти два вида не отличаются — внутреннее сопротивление уменьшается с увеличением интенсивности падающего на них светового потока.

Собственно это свойство помогает при монтаже плат с фотодатчиками. Вопрос как проверить фоторезистор решается проверкой его сопротивления мультиметром. В рабочем элементе должно быть большее сопротивление при отсутствии освещения. Если на его чувствительный элемент подать свет, то сопротивление моментально снизится до нескольких кОм.

Применение

Благодаря низкому порогу чувствительности фоторезисторы часто используются для регистрации слабых потоков световых волн.

Это качество используется:

• в сортировальных машинах;
• в полиграфической промышленности для регистрации факта обрыва бумажной ленты;
• в сельскохозяйственных машинах для контроля густоты высевания зерновых;
• в световых реле для включения/отключения освещения, в фотоэкспонометрах и т. п.

В промышленной электронике фоторезисторы применяются для учета изделий, движущихся на ленте транспортера или падающих в емкость для хранения.

Сам по себе датчик не может производить расчёты, но его сигналы используются и обрабатываются микроконтроллерами, с последующими вычислениями. Сигналы фоторезистора воспринимаются как аналоговыми, так и цифровыми логическими схемами. Задержка сигнала на доли секунды в большинстве случаев не является препятствием для использования фоторезисторов.

На базе фоторезисторов производятся оптроны – приборы с собственным источником света, которым можно управлять. Пример схемы такого устройства показан на рис. 9.

Рис. 9. Схема оптрона

Несмотря на некоторые недостатки приборов, эра фоторезисторов видимо еще не закончилась.

Параметры фоторезисторов

Иногда попадают в руки фоторезисторы, применение которых вызывает затруднения из-за отсутствия информации о них. Наткнувшись на эти справочные данные посчитал необходимым поместить их на страницах сайта. Думаю Вам они будут полезны.

Марка фото резис тора	Матер чувcтви тельного элемета	Габариты, мм	Площадь чувстви тельного слоя, мм*	λмаке/обл. спектр. чуств. мкм	λ0мкм	Раб. напря жение, U, В	Макс. напря жение, В	Темно вое сопротив ление, мОм	Уд. чувстви тельность Sуд, мкА /(лм-В)	S макс мка/лм	Темно вой ток мкА	I, мА	Относ. измене ние R (Rt|R)мин	Посто янная времени τ , С	Допу стимая рассеи ваемая мощн. Вт	Темп -ное измен чувств %/К	Масса, г	Доп. интер вал темп ератур, °С
ФС-АО	PbS	7,5X12	30	2,1	3,2	4—40	40	0,04—0,4	500	7500	—	—	1,2	4-10-5	0,002	—	—	—
ФС-А1	PbS	7,5X12	24	2,1	3,2	4—40	40	0,04—0,4	500	7500	150 (U=15)	—	—	4-10-5	0,002	—	—	—
ФС-А6	PbS	5,5X28	115	2,1	3,2	5—30	30	0,05—0,3	500	7500	150 (U=15)	—	4-10-5	0,002	1,5	—	—
ФС-АГ1	PbS	9X22	28	2,1	3,2	10—75	75	0,0047——0,043	500	7500	—	—	—	—	0,002	—	5,5	—
ФС-АГ2	PbS	—	96	2,1	3,2	10-75	75	0,0047— 0,043	500	7500	—	—	—	—	0,002	—	19,5	—
ФС-КО	CdS	—	28,0	0,64	0,9	220	300	3,3	6000	1,8.10-6	—	>1,5	100	2,5-10-2	0,1	0,2	-60-+85
ФС-К1	CdS	4,5X28	28,0	0,64	0,9	220	300	3,3	6000	—	15(U=50)	>1,5	100	2,5-10-2	0,15	0,2	—	—
ФС-К2	CdS	4,5X12,5 X28	28,0	0;64	0,9	220	300	3,3	1200	__	15	0,3	60	—	0,1	0,12	—
ФС-К4	CdS	—	24	0,64	0,9	220	300	2,0	6000	—	30	1,5	100	—	—	0,2	—	—
ФС-К5	CdS	0,9X1,0 X6,0	1,0	0,64	0,9	60	100	5,0—10,0	3000	—	1,0	0,2	40	—	—	—	—	-25-+ 55
ФС-К6	CdS	—	125	0,64	0,9	220	400	3,3	3000	—	—	1,5	100	—	—	—	—	—
ФС-К7а	CdS	—	200	0,64	0,9	220	400	0,5	6000	—	100	0,8	10	—	—	—	—	-40—+60
ФС-К7б	CdS	_	200	0,64	0,9	50	100	0,1	6000	2,4.106	100	2,0	10	—	—	—	—	-60— + 85
ФС-КП	CdS	_	28,8	0,64	0,9	50	400	0,3	6000	—	1,5	1,5	100	—	—	—	—	—60—+85
ФС-КГ2	CdS	—	57,6	0,64	0,9	50	400	1,6	6000	—	3,0	3,0	100	—	—	—	—	—60—+85
ФС-КМ1	CdS	28	28	0,51	0,55	60—150	150	10	2	—	—	—	1000	10-2-10-з	0,01	—	—	—
ФС-КМ2	CdS	30	20	0,52	0,55	60—150	150	10	(U=70 В)	—	—	—	1000	10-2-10-з	0,01	—	—	—
ФС-ДО	CdSe	2X8,5 X16,5	28	0,78	1,22	30	200	2,0	20 000	—	10	—	1000	5-Ю-з	0,05	0,7	—	—
ФС-ДМ	CdSe	—	2,0	0,74	1,22	100	—	100,0	—	—	—	—	—	—	0,03	1,0	—	—
ФС-Д1	CdSe	—	—	0,78	1,22	30	—	2,0	30 000	9-106	—	—	500	(3-15) X Х10-з	0,05	0,7	—	—
ФС-ДГ1	CdSe	22X9	—	0,78	1,22	20	—	2,0	600	—	10	—	150	5-10-5	—	—	—	—
ФС-ДТ1	CdSe	—	—	0,78	1,22	200	—	2,0	—	—	10	1,5	150	—	—	1,5	—	—60- +40
СФ2-4	CdSe	6,7X3,2	4	0,45… 0,85	0,85	5—50	50	—	—	—	0,5 (U=5 В)1,5(U= 15 В)	—	—	0,125 (0,035)	0,01	-0,4	2	—60— +70
СФ2-1	CdSe	2,5X5X8	10	0,9	0,65	15	40	15	—	1,05	1(U=15 В)	500	500	0,04	—	0,5	0,5	—60-85
СФ2-1А	CdSe	0,5X5X8	4,2	0,9	0,60	5—30	50	15	—	0,2	—	650	—	0,03	0,01	—3,0	0,5	-50—+ 60
СФ2-5	CdSe	8X5,8	5,8	0,3… 0,8 /0,55	0,80	1,3	10	1	—	—	1,3	—	—	0,08 (0,05)	0,025	0,4	2	—
СФ2-8	CdSe	—	—	—	0,85	100	150	100	—	—	—	—	—	—	—	—	—	—
СФ2-12	CdSe	Трех элемен тный 8×4,3	3X1,1	0,4… 0,8	0,80	5,15	50	15	—	—	0,3 (U= =20В)- 2 (U=70 в)	—	—	—	0,01	0,4	—	-60—+ 70
СФ2-16	CdSe	3,4×2,3	1,8Х Х0,25	0,6	0,85	10	—	3,3	—	—	з	0,3—1,0	—	100мк/с	0,01	—	—	—
СФ2-18	CdSe	10×5,8	5,8	УФ	1	100	150	10	—	—	10	0,5	—	10-5	0,05	—	—	-60-+ 70
СФ2-19	CdSe	10×5,8	5,8	То же	—	5	10	0,25	—	_	20	1,0	—	10-5	0,05	—	—	-60—+70
СФ2-2	CdSe	15x9x3,5	72	0,65	1 0,9	1,3—5	5	2	—	—	—	1,5	—	1,5	0,1	0,4	1	-40—+50
СФЗ-1	CdSe	8X5X2,5	1,25	0,78	1,1	15	—	30	—	—	0,5(U=15 В)	—	1500	—	—	—1,5	0,5	-60-+85
СФЗ-1А	CdSe	8X5X2,5	0,9	0,74	1,0	15—50	50	30	—	—	0,5 (U=15 В)	0,75	—	—	0,01	—	0,05	-50-+60
СФЗ-2А	CdSe	—	—	0,67-0,77	0,85	10	10	5,0	—	—	2	3,0	—	20×10-6	—	0,9	—	-60-+70
СФЗ-2Б	CdSe	—	—	0,67-0,77	0,85	10	10	10	—	—	0,01	1,5	—	8×10-6	—	2	—	-60-+70
СФЗ-3	CdSe	10,3X4,3	10 мм2	0,76	1,1	10	—	10	—	1,2	0,3	0,3	—	6Х10-6	0,05	1,5	2	-б0-+ 70
СФЗ-4А	CdSe	—	—	0,67-0,77	0,85	1,5	1,5	1.0	—	—	1,5	2,0	—	20×10-6	—	0,9	—	—60—70
СФЗ-4Б	CdSe	—	—	0,67-0,77	0,85	1,5	1,5	100	—	—	0,015	1,2	—	8Х10-6	—	2	—	—
СФЗ-7А	CdSe	—	—	—	—	20	20	20	—	—	1,0	2,0	—	20Х10-6	—	0,9	—	—
СФЗ-7Б	CdSe	—	—	—	—	20	20	2000	—	—	0,01	1,2	—	8×10-6	—	2,0	—	—
СФЗ-9А	CdSe	—	—	—	—	50	50	50	—	—	1,0	2,0	—	20×10-6	—	0,9	—	_
СФЗ-9Б	CdS9	—	—	—	—	50	50	5000	—	—	0,01	1,0	—	8Х10-6	—	2,0	—	—
СФЗ-5	CdSe	8X5,8	5,8	0,4—1,1	1,1	2	6	2	—	—	1 (U= =20 В)	—	—	(10-60) Х10-6	0,025	0,4	—	—
СФЗ-8	CdSe	8X5,8	5,8	9,4—1,1	1,1	20	50	20	—	—	5(U= =20 В)	—	—	(10-60) Х10-6	0,125	0,4	2 1	—
СФЗ-16	CdSe	—	—	—	—	10	10	10	—	—	1,0	0.5	—	20X106	1	2	—

Фоторезисторы успешно применяются в различных электронных устройствах измерения, автоматики и управления.

В некоторых применениях им просто нет замены!

Литература:

1. Оптико-электронные приборы (Основы расчета), А.В. Павлов, М, Энергия, 1974г.
2. Фоторезистор СФ2-5, техничекие условия: ОЖ0.468.226 ТУ, sf25.pdf

Подготовил А.Сорокин

Устройство

Конструкция разных моделей фоторезисторов может отличаться по форме материалу корпуса. Но в основе каждого такого прибора лежит подложка, чаще всего керамическая, покрытая слоем полупроводникового материала. Поверх этого полупроводника наносятся змейкой тонкий слой золота, платины или другого коррозиестойкого металла. (см. рис. 1). Слои наносятся методом напыления.

Рис. 1. Устройство фоторезисторов

Напиленные слои соединяют с электродами, на которые поступает электрический ток. Всю эту конструкцию часто покрывают прозрачным пластиком и помещают в корпус с окошком для попадания световых лучей (см. рис. 2).

Рис. 2. Конструкция фоторезистора

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

Рис. 3. Датчик на основе фоторезистора

Рис. 4. Фотоприемник

Сегодня в продаже можно увидеть детали в металлическом корпусе, часто в пластике или модели открытого типа. Некоторые модели изготавливают без метода напыления, а вырезают тонкий резистивный слой непосредственно из полупроводника. Существуют также технологии изготовления пленочных фотодатчиков (см. рис. 5).

Рис. 5. Конструкция пленочного фоторезистора

Для напыления слоя полупроводника используют различные фоторезистивные материалы. Для фиксации видимого спектра света применяют селенид кадмия и сульфид кадмия.

Более широкий спектр материалов восприимчив к инфракрасному излучению:

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

Чистый германий или кремний применяют при изготовлении фоторезисторов с внутренним фотоэффектом, а вещества легированные примесями – для конструкций с внешним фотоэффектом. Независимо от вида применяемого фоторезистивного материала, оба типа фоторезисторов обладают одинаковыми свойствами – обратной, нелинейной зависимостью сопротивления от силы светового потока.

Три сопротивления в одном шунтовом резисторе

Несмотря на их внешний вид, современные шунтовые резисторы не так просты, как кажутся. В частности, сопротивление шунтового резистора фактически состоит из трех частей (рис. 2). Во-первых, есть сопротивление самого шунтового резистора. Затем, есть сопротивления выводов этого резистора и дорожек на печатной плате, подключаемых к шунтовому резистору. Обычно сопротивления выводов и дорожек незначительные, но и сами шунтовые резисторы обычно имеют очень низкие значения сопротивления. При измерениях больших токов даже небольшие сопротивления выводов вносят в результаты измерения погрешность, поскольку они не учтены производителем в спецификациях шунтового резистора.

Рис. 2. Токовый шунтовый резистор с двумя контактами фактически состоит из трех последовательно соединенных сопротивлений: сопротивление самого шунтового резистора (Rshunt), сопротивление двух выводов резистора (Rlead) и сопротивление подводящих дорожек на плате, подключенных к резистору (не показано). Сопротивление выводов может вызвать ошибку измерений для большого тока.

Одним из способов, позволяющих избежать ошибок измерения, вносимых внешними сопротивлениями выводов, является создание соединения Кельвина, выполнив раздельные токоизмерительные дорожки к двухконтактному шунтовому резистору (рис. 3).

Рис. 3. Соединение Кельвина с двухконтактным токочувствительным резистором уменьшает погрешность измерения, вызываемую сопротивлением выводов резистора и дорожек печатной платы. Пример изображения двухконтактных токовых шунтовых резисторов показан справа.

В этой конфигурации ток, протекающий через резистор токового шунта, проходит через широкие подводящие дорожки на печатной плате. Гораздо более узкие дорожки, которые находятся не в основном канале протекающего тока, но расположены непосредственно рядом с резистивным элементом шунтового резистора, снимают падающее на нем напряжение и передают его на вход AFE. Разделение токоведущих и токочувствительных контактов характеризует соединение Кельвина.

Полученное в результате схематическое представление соединения Кельвина с использованием двухконтактного шунтирующего резистора показано на рис. 4.

Рис. 4. Использование соединения Кельвина с двухконтактным шунтовым резистором выводит линии измерения напряжения из основной цепи тока, что приводит к более точному измерению напряжения на шунтовом резисторе

Очень малый ток протекает через два токочувствительных резистора (Rsense), показанных на рис. 4, потому что они подключены к имеющим высокий импеданс входам усилителя либо АЦП, что делает их сопротивления намного менее критичными, чем значения сопротивления выводов, через которые протекает большой ток шунтового резистора. Следовательно, падение напряжения на резисторах Rsense довольно небольшое и не является значительным источником ошибки при измерении тока.

Область применения

В современном мире область применения этих радиодеталей значительно расширена.

Применение разнообразных фоторезисторов, работающих в видимом спектре довольно обширно. Это могут быть:

1. Системы автоматических выключателей света.
2. Счетные устройства.
3. Датчики обрыва полотна или бумаги.
4. Датчики проникновения.
5. В приборах оснащенных экспонометрами. Например, такие элементы могли использоваться в типовых фотоаппаратах-мыльницах.

Сами по себе они только элемент сложных фотоприёмных устройств, в которых помимо фотодетектора может быть входить:

• интегральный усилитель;
• микросхема, отвечающая за автоматическую регулировку освещения;
• схемы цепей питания, дополненные системой охлаждения на элементах Пельтье.

Всё это многообразие элементов для фотодекторов, заключается в небольшой герметичный корпус.

Если эти приборы работают в ИК-диапазоне, их область применения немного другая. Они используются как часть сложных устройств, таких как:

• датчики обнаружения пламени;
• системы бесконтактного измерения температуры;
• системы отслеживания уровня влажности;
• применяются для обнаружения углекислых газов;
• в приборах инфракрасных анализаторах газов;
• используется в датчиках обрыва бумажной ленты в типографии или в бумажной промышленности;
• в промышленной электронике подключение фоторезистора может применяться для автоматического подсчета изделий, которые двигаются по транспортерной ленте.

Соответственно, исходя из того что будет управляться таким резистором, рассчитываются и его параметры.

Для примера, как на практике используется этот элемент, посмотрим на схему фотореле, управляющую уличным освещением.

Автоматика уличного освещения

Автоматы, включающие уличное освещение, способны обнаружить наличие/отсутствие солнечного света.

Вот типичная схема реализации подключения фоторезистора для автоматической активации ночного осветительного прибора.

В общих чертах принцип действия схемы.

С наступлением сумерек и в ночное время сопротивление LDR повышается, что вызывает понижение напряжения на переменном резисторе R2. Транзистор VT1 закрыт, а VT2 открывается и таким образом подается напряжение на реле включающее лампу.

Это вполне рабочая схема фотореле, но ее основной недостаток — отсутствие гистерезиса. Это вызывает кратковременное дребезжание реле в сумеречное время, когда присутствует незначительные изменения в освещенности.

Эта электронная деталь помогает отследить степень освещенности окружающей среды.

Датчики наличия других условий

В полиграфической промышленности конструкции на специальном фоторезисторе отслеживают обрыв бумажного рулона. Так же с их помощью можно вести подсчет бумажных листов на конвейере.

Подключение фоторезистора к ардуино

Датчики освещенности, которые могут использовать фоторезисторы могут быть реализованы своими руками на базе плат ардуино.

Самодельный модуль дает возможность держать под контролем уровень освещенности и прореагировать на его изменение.

Имея на руках такую плату Arduino, легко реализовать такие проекты как:

• датчик освещения;
• для включения/выключения реле;
• запускает двигатели и так далее.

Перед вами типичный пример применения детектора освещенности на базе платы Arduino.

Варианты, типы фотодетекторов

Инфракрасный фотодиод выполнен в черном корпусе, реагирует только на ИК-излучение. Темный цвет линзы — это подобие фильтрующей тонировки, чтобы не срабатывать на иные спектры.

У фотодетекторов есть диапазон частот, тут она больше на порядки, до 10 МГц (намного выше, чем у фоторезисторов), что обеспечивает отличное быстродействие. У вариантов p-i-n и с барьером Шоттки эта цифра 100 МГц–1ГГц, у лавинных — 1–10 ГГц.

Типы фотодиодов по принципу работы, по вариантам комбинации, размещения слоев, материалов рассмотрим ниже.

Фотодиод p-i-n

Элементы типа p-i-n широко распространены для волоконно-оптических систем связи — они преобразуют свет в электросигналы, преобразовывающиеся затем в информацию (видео, звуковая и прочие)

Прослойки p и n изготовляют с применением легирования: в материал полупроводника добавляют усиливающие его примеси. Если в обозначении такой детали есть +, то это свидетельствует о повышенном содержании добавок.

Средний сегмент — часть «i» — это проводник «n», но слаболегированный. Если на него подается обратное напряжение, то там образуется обедненная локация (дырок/электронов становится меньше).

Сопротивление на i-сегменте растет, намного превышает таковое на р+ и n+. Итог указанного процесса: электрополе сосредотачивается в i-области, фотон, поглощаемый там, создает пару: электрон/дырка. Мощное поле на i-участке мгновенно распределяет их на электроды: дырку поглощает катод, электрон — анод. Так создается электроток.

Эффективность p-i-n фотодиодов чрезвычайно высокая, так как их частота может достигать 1010 Гц, что гарантирует передачу за 1 секунду терабайтов данных. У таких деталей i-участок намного шире, чем p+ и n+ для того, чтобы фотоны осваивались бы больше именно на этом сегменте.

Лавинные

В волоконно-оптических технологиях кроме p-i-n типов рассматриваемых деталей используются особые виды — лавинные фотодетекторы (ЛФД), их отличие — дополнительный p-участок.

Из-за укрепляющих добавок более высокое сопротивление у p-слоя, соответственно, наибольшее понижение напряжения на нем. Фотон, оказываясь в светосенситивном i-сегменте, вырывает оттуда электрон, устремляющийся к аноду, дырка идет к катоду.

Электрон на своем маршруте оказывается на локации большого напряжения p-слоя, тут он резко ускоряется, что позволяет выбивать с оболочек атомы p-участков иные такие же частицы. Затем новообразовавшиеся свободные electron делают то же — выбивают из валентных сегментов дополнительные их аналоги. Явление растет лавинообразно.

На изображении визуализировано резкий всплеск движущей электросилы на p-слое. Ток первичный, появившийся в i-слое, растет лавиной на p-участке. Повышение достигает несколько сотен раз, но если оно слишком большое, то создает шумы, увеличивающиеся быстрее импульса. Оптимальное значение коэффициента 30–100.

С барьером Шоттки

В данном типе элементов создается несколько пленок, то есть особая структура, позволяющая избегнуть инжекции неосновных носителей. Такие детали используют движение только основных транспортировщиков. Плюс в том, что нет медленных процессов, подпадающих под влияние явлений накопления, рассасывания второстепенных носителей на базе диода. Плюсы: инерционность, сроки перезарядки ничтожные, первая обусловлена только временем прохода носителей через области пространственного заряда.

Указанные выше способности позволяют применять оптодиоды при СВЧ модуляциях излучений.

Гетероструктурные

Собираются из 2 полупроводников с разным размером запрещенного сегмента, гетерогенным именуют участок между ними. Особым подбором материалов создают устройство, охватывающее (воспринимающее) полную протяженность волн. Минус такого изделия — затратность изготовления.

Как работает фоторезистор

В полной темноте, сопротивление этих радио компонентов огромное, может доходить до десятков МОм, но как только элемент подвергается воздействию света, его сопротивление резко снижается до долей Ома.

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.

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.

Считывание значений с фоторезистора без использования аналоговых пинов

Считывание значений с фоторезистора без использования аналоговых пинов

Так как фоторезисторы по сути своей являются обычными резисторами, их можно использовать даже если на вашем микроконтроллере нет аналоговых пинов (или если все аналоговые пины заняты). Этот метод основан на базовых свойствах резисторов и конденсаторов. Если вы возьмете конденсатор, который может передать потенциал и подключите его к источнику питания (например, 5 В) через резистор, изменение напряжения будет происходить постепенно. Чем больше сопротивление резистора, тем медленнее будет изменяться напряжение.

Ниже представлен кусок осцилограммы, который характеризует, что именно происходит с цифровым пином (желтый). Голубая линия показывает когда начинает отрабатывать сам скетч Arduino и когда он заканчивает свою работу (участок по длительности около 1.2 мс).

Если проводить простые аналогии, то конденсатор выполняет роль корзины, а резистор — трубка. Для наполнения корзины с помощью тонкой трубки понадобится много времени. В зависимости от толщины трубки, скорость заполнения корзины будет разной.

В нашем случае ‘корзина’ представляет из себя керамический резистор емкостью 0.1 мкФ. Вы можете поэкспериментировать с емкостью конденсатора. И этот показатель напрямую повлияет на время. Если вы хотите померять уровень освещенности, используйте конденсатор емкостью 1 мкФ. Если вы работаете в условиях плохой освещенности, можете использовать конденсатор емкостью 0.01 мкФ.

/* простой скетч для проверки работоспособности фоторезистора.

Подключите одну ногу фоторезистора к питанию, вторую — к пину 2.

После этого подключите одну ногу конденсатора 0.1 мкФ к пину 2, а вторую — к земле */

int photocellPin = 2; // фоторезистор подключен к пину 2

int photocellReading; // цифровые значения

int ledPin = 13; // вы можете использовать встроенный светодиод

// отправляем информацию для дебаггинга для отображения в окне серийного моитора

pinMode(ledPin, OUTPUT); // используем светодиод в качестве выходного сигнала

// считывааем показания с сенсора с использованием технологии RCtime

if (photocellReading == 30000)

// если показания достигают 30000, это значит, что мы достигли граничного значения

Serial.println(photocellReading); // поток считанных аналоговых данных

// чем ярче, тем чаще светодиод мигает!

// используем цифровой пин для измерения сопротивления

//делаем мы это подавая ток на конденсатор и

// рассчитывая сколько времени пройдет, чтобы достичь Vcc/2 (для большинства Arduino это значение равно 2.5 В)

int RCtime(int RCpin)

int reading = 0; // начинаем с 0

// инициализируем пин в качестве output и присваиваем ему значение LOW (земля)

// Теперь устанавливаем пин в качестве input и.

reading++; // инкремент для отсчета времени

if (reading == 30000)

// если мы дошли до такого уровня, сопротивление настолько велико,

// что скорее всего ничего не подключено!

break; // выходим за пределы цикла

Характеристики фоторезистора

При выборе устройства необходимо учитывать следующие характеристики:

• темновое сопротивление любой модели фоторезистора в условиях полной темноты, когда световой поток отсутствует;
• свойство элемента реагировать на изменения параметров потока света – интегральная фоточувствительность. А/лм – единица измерения, а аббревиатура обозначения выглядит так – S=lф/Ф, при этом ф означает здесь световой, а lф – фотопоток.

Разница в параметрах рабочего тока при разных режимах освещения будет тем показателем, который получается из-за имеющегося в подобном случае явления фотопроводимости. Свои показатели имеет каждая модель по величине темнового сопротивления.

Для данных устройств характерна некоторая инерционность, выражающаяся в небольшой задержке при изменении сопротивления после полученного облучения. Часто такое свойство именуют граничной частотой. Она представляет собой одно из свойств сигнала синусоидального типа, через который модулируется на элемент поток света. Данный процесс протекает с понижением чувствительности до уровня, равного корню из 2 – 1,41.

В диапазоне десятков микросекунд расположены показатели быстродействия компонентов. Из этого следует вывод о нецелесообразности установки фоторезисторов в схемах, где необходима быстрая реакция.

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.

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.

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.

Обозначение на схемах

Фоторезистор на принципиальной схеме обозначается почти также как и стандартный резистор. Но есть небольшое отличие. Это всё тот же прямоугольник, но в круге, снаружи которого есть изображение двух стрелок под углом в 45°. Эти стрелки — символически показывают падающий на элемент поток излучения.

Такое обозначение принято международной электротехнической комиссией IEC (International Electrotechnical Commission).

В иностранных источниках можно увидеть и другое условное обозначение. Фотоэлемент условно показан в виде ломаной линии. Это устаревшее условное обозначение, но и его можно встретить на схемах довольно часто.

Принцип работы

Разберем, как работает фоторезистор?

Когда он неактивен это, по сути, диэлектрик. Чтобы устройство начало проводить ток на него должно быть оказано внешнее воздействие. Тепловое или, как в нашем случае, световое.

Фотоны света, попадая на активный слой, насыщают его электронами, и теперь появляется способность пропускать электрический ток. Возникает прямая зависимость, которую можно отобразить на графике.

Из графика хорошо видно, что чем больше образуется электронов, тем меньшее электрическое сопротивление у полупроводника. На этом свойстве фоторезистора и основан принцип его работы.

Причем эффект образования электронов способен вызвать как видимый спектр излучения так и инфракрасный. В последнем варианте они способны создавать значительно большую энергию.

Восприимчивость фоторезистивного слоя можно поднять за счет легирования его различными добавками. После такой обработки уменьшаются фотосопротивления, но повышается фоточувствительность в видимых спектрах света.

Этим элементам характерен процесс старения. Он выражается:

• в снижении омического сопротивления;
• изменяется фототок;
• растет чувствительность.

Этот процесс непродолжительный по времени — до нескольких сотен часов и потом параметры становятся стабильны.