Фоторезистор (ФР) — это пассивный полупроводниковый прибор, представляющий собой резистор, у которого изменяется сопротивление (проводимость) при облучении светом.
Принцип работы данного компонента основан на внутреннем фотоэффекте: в процессе поглощения полупроводником световой энергии в нём возрастает проводимость (то есть уменьшается сопротивление) за счёт появления в полупроводнике свободных носителей заряда (электронов). Фоторезистор не имеет p-n-перехода, как транзистор или диод, поэтому способен проводить ток в любом направлении и, соответственно, может работать в цепях как постоянного, так и переменного токов.
Такие компоненты используются как датчики света в различных областях: детектор света для автоматизации освещения, системы безопасности, системы дистанционного управления, робототехника и другие направления.
В зависимости от материалов, применяемых в производстве, ФР подразделяются на два вида:
— с внутренним фотоэффектом (используются нелегированные материалы — кремний или германий);
— с внешним фотоэффектом.
Разница между внутренним и внешним фотоэффектами заключается в том, что компоненты с внутренним эффектом изменяют свою проводимость при облучении светом, а ФР с внешним эффектом преобразуют световую энергию в электрическую (фотоэлементы).
Фоторезистор является одним из представителей фотоэлементов, ровно как фотодиод и фототранзистор. Поэтому, в соответствии с ГОСТ 2.710-81 «Обозначения буквенно-цифровые в электрических схемах», фотоэлементы имеют буквенное обозначение BL. Иногда применяется стандартное для резисторов обозначение — R.
В англоязычной литературе встречаются такие названия, как «photoresistor» и «Light Dependent Resistor» (LDR), «photoconductive cell» и «photocell resistor». Также используется аббревиатура CDS, которая обозначает материал, который применяется при изготовлении — сульфид кадмия (CdS). В соответствии с ГОСТ 2.730-73 «Обозначения условные графические в схемах» (с современными поправками, также принято Международной Электротехнической Комиссией МЭК — International Electrotechnical Commission IEC) фоторезисторы имеют условное графическое обозначение, представленное ниже:
Наибольшее распространение получили ФР, работающие в диапазоне видимого света. Их применяют, например, в системах автоматизации освещения, как детекторы света для автоматического запуска какого-то устройства, в качестве датчиков для измерителей уровня освещённости.
Элементы, работающие в инфракрасном диапазоне светового спектра, применяются в датчиках обнаружения пламени или регистрации углекислого газа.
Конструкция и внутреннее устройство
В основе ФР лежит изолирующая подложка из керамики, стекла или кварца, на поверхности которой располагается полупроводниковый фоточувствительный элемент (ФЧЭ) в виде пластины монокристалла или тонкой плёнки в виде напыления.
Пластина монокристалла изготавливается посредством вырезания из пласта исходного полупроводникового материала. Тонкоплёночный элемент создаётся при помощи пульверизации исходного материала из суспензии или при помощи напыления.
Соединение фоточувствительного части с выводами (электродами) компонента выполняется из металлов, устойчивых к коррозии (золота, платины или серебра).
В качестве материала для ФЧЭ применяют сульфид кадмия (CdS), селенид кадмия (CdSe), сульфид свинца (PbS), селенид свинца (PbSe) (для регистрации видимого света), а также антимонид индия (InSb) и германий (Ge) (для регистрации инфракрасного излучения). Концентрация материала определяет диапазон изменения проводимости.
Для защиты фоточувствительного элемента поверх него наносится лак. В зависимости от того, для какой области спектра светового излучения предназначен компонент, применяет такой лак, который прозрачен в нужной области.
Конструктив корпуса зависит от условий эксплуатации. К примеру, в условиях повышенной температуры и влажности ФЧЭ помещается в герметичный металлический корпус с окном или прозрачный пластиковый корпус. Окно для металлического корпуса изготавливается из материала (стекло, кварц, просветлённый германий или кремний), пропускающего свет в той области спектра, которая соответствует цели применения компонента, поскольку окно может выполнять роль светового фильтра.
Наибольшее распространение получили ФР, предназначенные для работы в бытовых и промышленных приборах, эксплуатируемых в помещениях. Такие датчики, как правило, являются бескорпусными. Они устанавливаются на печатную плату внутри корпуса устройства, а фоточувствительный элемент располагается снаружи корпуса — заподлицо с его внешней поверхностью.
Диапазон рабочих температур для сернисто-кадмиевых элементов (сульфид кадмия CdS) составляет от -60 до +85°С, для селенисто-кадмиевых (селенид кадмия CdSe) — от -60 до +40°С, а для сернисто-свинцовых (сульфид свинца PbS) — от -60 до +70°С.
Рассмотрим более подробно конструкцию бескорпусных компонентов на примере модели GL5506:
Фоточувствительный элемент данного компонента изготовлен из сульфида кадмия (CdS), и предназначен для работы в видимой области спектра светового излучения. На изображениях выше видно красно-оранжевое напыление из этого материала. В документации от производителя на данный датчик представлен график зависимости относительной чувствительности материалов, из которых изготовляется ФЧЭ. В нашем случае используется сульфида кадмия (CdS), поэтому область чувствительности лежит как раз в диапазоне длин волн видимого света (от 400 до 700 нм):
Как было сказано выше, в основе бескорпусного ФР лежит керамическая подложка, на которую наносится тонкоплёночный слой фоточувствительного элемента из сульфида кадмия. Далее поверх фоточувствительного слоя наносится металлизация, причём она разделена на две части, каждая из которых соединяется с внешними выводами (электродами). Разделение металлизированного слоя на две части визуально выглядит как «змейка», поскольку так обеспечивается эффективная и равномерная засветка световым потоком фоточувствительного слоя.
Стоит обратить внимание на то, что при нанесении фоточувствительного слоя на керамическую подложку часть материала выходит за пределы рабочей плоскости подложки, ограниченной металлизированным слоем контактов. Это хорошо видно на фотографии бескорпусного фоторезистора:
На это стоит обращать внимание по той причине, что при работе с бескорпусным датчиком необходимо учитывать, что на итоговое сопротивление компонента влияет засветка не только верхней рабочей плоскости, но и боковых граней. Это стоит учитывать при проектировании расположения компонента в том или ином устройстве в зависимости от назначения устройства. К примеру, если датчик предполагается использовать как детектор свечения светодиода (например, в датчиках изгиба), то следует изолировать от света боковые грани компонента и организовать ограниченный от внешней среды световой коридор «светодиод — фоторезистор».
Параметры и характеристики
Для более чёткого понимания основных характеристик ФР необходимо уточнить следующие термины:
Темновой ток — электрический ток, который протекает через датчик, если он включен во внешнюю цепь последовательно с источником питания и при этом отсутствует освещение;
Световой ток — электрический ток, который протекает через датчик при освещении его поверхности, при этом он включен во внешнюю цепь последовательно с источником;
Фототок — разница между световым и темновым токами.
1) Вольт-амперная характеристика (ВАХ) — это зависимость светового тока от приложенного напряжения к датчику при неизменной величине светового потока:
ВАХ практически линейна, за исключением участков, соответствующих низкому и высокому уровню напряжения. При низких уровнях происходит потеря энергии при туннелировании электронов через небольшие потенциальные барьеры между отдельными кристаллами полупроводника. С увеличением напряжения энергия электронов становится намного больше того количества энергии, которое необходимо для туннелирования, поэтому ВАХ становится более линейной. Если увеличивать дальше, то ток через ФР увеличивается, что влечёт за собой его самонагрев, и при определённом уровне рассеиваемой мощности ВАХ вновь становится нелинейной.
2) Темновое сопротивление определяется при полном отсутствии освещения в диапазоне спектральной чувствительности элемента. В зависимости от модели, величина может варьироваться от 100 кОм до 100 МОм.
3) Световое сопротивление фиксируется через определённый временной интервал после начала воздействия с определённым значением освещённости (величина, равная отношению светового потока к единице площади освещаемой поверхности).
4) Максимально допустимая мощность рассеивания. В зависимости от модели, величина предельной мощности рассеивания может быть в пределах от 0,01 Вт до 0,25 Вт, которая ограничена допустимым ростом темнового тока за счёт саморазогрева.
5) Рабочее напряжение — значение прикладываемого к фоторезистору напряжения, при котором обеспечиваются номинальные параметры работы компонента в течение длительного времени эксплуатации. При работе в импульсном режиме допускается прикладывать напряжение (диапазон от 4 до 400 В), превышающее рабочее в 2-3 раза.
6) Максимально допустимое напряжение — предельная величина, которую можно приложить к фоторезистору, под воздействием которого номинальные значения параметров датчика не будут отклоняться больше заданных пределов в процессе длительной работы при допустимых условиях эксплуатации. Зачастую, значение максимального допустимого напряжения соответствует верхней границе рабочего уровня.
7) Спектральная характеристика (чувствительность) — это зависимость фототока от длины волны светового излучения при постоянных значениях силы светового потока и напряжения, прикладываемого к датчику.
Ниже представлены спектральные характеристики для ФР из различных материалов. По оси Y значения фототока представлены в процентах, поскольку они нормированы по определённому максимальному значению.
8) Световая (люкс-амперная) характеристика — это зависимость фототока или фотопроводимости от уровня освещённости при фиксированной величине напряжения, приложенного к ФЧЭ. В целом, фоторезисторы имеют нелинейную люкс-амперную характеристику, причём нелинейность довольно сильно выделяется при малых и очень больших значениях освещённости. Таким образом, линейный (рабочий) участок световой характеристики лежит в диапазоне освещённости примерно от 100 до 400 лк.
9) Интегральная фоточувствительность — отношение фототока к произведению величины падающего на компонент светового потока и значения напряжения, приложенного к нему. Для различных фоторезисторов интегральная фоточувствительность составляет от 1 до 600 мА/(лм‧В).
10) Кратность изменения проводимости — это отношение темнового сопротивления к световому (на определённом уровне освещённости), которое характеризует чувствительность элемента. Наименьшей чувствительностью обладают датчики из сульфида свинца (PbS), у которых кратность изменения менее 100 при освещённости 200 лк (единица измерения «люкс»). Компоненты из других материалов обладают кратностью изменения от 100 до 10 тысяч.
11) Постоянная времени спада фототока — это время, в течение которого фототок изменяется в 2,73 раза (число Эйлера, основание экспоненциальной функции) после прекращения освещения датчика. Постоянная времени характеризует инерционность, и для разных типов ФР постоянная времени варьируется от 0,1 мс до 100 мс.
12) Частотная характеристика — это зависимость значения фототока от частоты модуляции светового потока. Она характеризует чувствительность элемента при воздействии на него изменяющегося с заданной частотой светового потока. С ростом частоты фототок уменьшается, что говорит о его инерционности. Отсюда следует вывод — фоторезисторы не применяются в относительно скоростных оптических системах (например, оптический измеритель скорости вращения колеса, оптическая система передачи данных).
Ниже представлены частотные характеристики для элементов из различных материалов. По оси Y значения фототока представлены в процентах, поскольку они нормированы по определённому максимальному значению.
Схемы включения
Для работы с фоторезистором, в зависимости от целей, существует несколько основных вариантов включения:
1) По схеме резистивного делителя
Включение фоточувствительного компонента в состав резистивного делителя является наиболее простой и наиболее часто используемой. В зависимости от уровня освещённости ФР его сопротивление соответствующим образом изменяется: оно тем ниже, чем выше освещённость. А чем оно меньше, тем больший ток протекает через делитель, и, соответственно, большее напряжение падает на нижнем плече делителя. Таким образом получается прямая зависимость: чем выше освещённость, тем выше уровень сигнала на выходе делителя.
Схему резистивного делителя совместно с компаратором часто используют в устройствах автоматизированного выключателя освещения или других устройств.
2) Мостовая схема
Данный вариант применяется в измерительной технике и используются для измерения уровня освещённости от слабых источников свечения.
В состоянии, когда ФР не освещён, измерительный мост находится в уравновешенном состоянии, при этом отношения сопротивлений в каждом полумосте должны быть равны между собой. А когда подаётся измеряемый световой поток, то через диагональ моста, в цепь которого входит нагрузочный резистор, протекает фототок, который пропорционален уровню освещённости.
3) Импульсная схема
Этот способ используется для измерения интенсивности света в определённом диапазоне частот. Посредством регулировки подстроечных конденсаторов и резисторов выполняется настройка колебательного контура для определения соответствия уровня освещённости заданной частоте.
4) Трансформаторная схема
Изменение проводимости ФР, включенного последовательно с первичной обмоткой трансформатора, пропорционально изменяет во вторичной обмотке трансформатора силу тока, которая регистрируется посредством нагрузочного резистора. Такая схема включения обеспечивает гальваническую развязку между цепью резистора и измерительной цепью, что позволяет избежать влияния помех и защиту при работе с высоким напряжением.
5) Дифференциальная схема
Данный способ включения, аналогично мостовому, позволяет регистрировать очень слабые световые потоки. Для эффективной работы подбирают ФР с одинаковыми характеристиками. Точка соединения двух последовательно включенных компонентов подключается через нагрузочный резистор к точке нулевого потенциала двух последовательно включенных источников питания.
При отсутствии освещения ток через нагрузочный резистор отсутствует. Такие цепи применяются в оптических системах измерения температуры (пирометрах) или газоанализаторах, если применяются фоточувствительные компоненты для инфракрасного диапазона.
Практический пример включения по схеме резистивного делителя напряжения
Рассмотрим на практике вариант включения ФР в состав резистивного делителя. Для эксперимента выбран бескорпусной датчик модели GL5506.
Данная модель входит в серию GL55, которая включает в себя ряд компонентов, отличающиеся диапазонами изменения сопротивления при засветке:
В соответствии с представленной таблицей модель GL5506 имеет темновое сопротивление приблизительно 150 кОм, а световое (при уровне освещённости 10 люкс) — примерно 2…6 кОм.
Основные параметры GL5506:
— пиковая чувствительность при длине волны светового излучения: 540 нм;
— постоянная времени спада фототока: приблизительно 50 мс;
— максимальное рабочее напряжение: 100 В;
— максимальная мощность рассеивания: 100 мВт;
— материал фоточувствительного элемента: сульфид кадмия (CdS).
Ниже представлена экспериментальная цепь:
В натурном эксперименте фактическое напряжение питания Uпит составляет +4,965 В. Фоторезистор BL1 модели GL5506 включен как верхнее плечо делителя. Для нижнего плеча выбран прецизионный резистор R1 модели С2-29 с номиналом 5,11 кОм. Выходное напряжение Uвых измеряется посредством мультиметра. Ниже представлено фотография собранного макета:
На фотографии видно, что при полноценной засветке на выходе резистивного делителя уровень напряжения равен почти 4,45 В.
Если приложить палец поверх ФР, то уровень заметно снизится, и будет составлять 3, 985 В. Аналогичный результат получится при затемнении салфеткой.
Прикрыв компонент непрозрачной чёрной банкой, удалось добиться достаточного затемнения, чтобы получить на выходе делителя ощутимое снижение уровня — 0,736 В:
Зная значения входного и выходного напряжения делителя, а также номинал нижнего плеча, то можно рассчитать значение сопротивления ФР при существенном затемнении в рамках эксперимента: получится чуть менее 30 кОм.
Такую конфигурацию можно применить для автоматического выключателя освещения, логическая часть которого основана на компараторе:
Сигнал с выхода делителя (где верхнее плечо — фоторезистор BL1) подаётся на инвертирующий вход Uвх компаратора DA1 (например, LM311). Опорное напряжение формируется делителем, состоящим из резисторов R1 и R3, и прикладывается к неинвертирующему входу компаратора Uоп.
Величину опорного напряжения подбирают такой, чтобы в светлое время суток, когда датчик освещён, она была ниже уровня сигнала, поступающего на инвертирующий вход Uвх компаратора с нижнего плеча делителя (резистор R2), то есть Uвх > Uоп. Таким образом, на выходе компаратора будет логический ноль, а потому реле K1 выключено, и лампа EL1 не горит.
В тёмное время суток, когда сопротивление чувствительного компонента резко увеличивается, уровень сигнала на выходе делителя резко падает, и, соответственно, напряжение на инвертирующем входе Uвх компаратора становится меньше опорного Uоп, то есть Uвх < Uоп. Следовательно, на выходе компаратора формируется логическая единица, и реле K1 включается посредством транзистора VT1, работающего в ключевом режиме. Контакты реле замыкаются, благодаря чему на лампу EL1 подаётся питание.