У полупроводниковых материалов есть много интересных свойств. Одно из них – изменение сопротивления под действием света. Электрическое сопротивление полупроводниковых элементов используется в приборах под названием фоторезистор. Управление внутренним сопротивлением полупроводниковых приборов с помощью световых потоков широко применялось в устаревших конструкциях, реже в современной электротехнике.
Полупроводниковый резистор может изменять параметры электрического тока в зависимости от интенсивности освещения. Это свойство часто используют на практике для создания устройств, управляемых потоком излучения.Сегодня промышленность поставляет на рынок фоторезисторы с различными характеристиками, а это значит, что они еще находят применение в современных электротехнических устройствах.
Что такое фоторезистор?
Остановимся более подробно на описании полупроводникового фоторезистора. Для начала дадим ему определение.
Фоторезистор — это полупроводниковый прибор (датчик), который при облучении светом изменяет (уменьшает) свое внутреннее сопротивление.
В отличие от фотоэлементов других типов (фотодиодов и фототранзисторов) данный прибор не имеет p-n перехода. Это значит, что фоторезистор может проводить ток независимо от его направления и может работать не только в цепях постоянного тока, где присутствует постоянное напряжение, но и с переменными токами.
Алгоритм поиска неисправности
Визуальный осмотр
Любой ремонт начинается с внешнего осмотра платы. Нужно без приборов просмотреть все узлы и особое внимание обратить на пожелтевшие, почерневшие части и узлы со следами сажи или нагара. При внешнем осмотре вам может помочь увеличительное стекло или микроскоп, если вы работаете с плотным монтажом SMD компонентов. Разорванные детали могут указывать не только на локальную проблему, но и проблему в элементах обвязки этой детали. Например, взорвавшийся транзистор мог за собой утянуть и пару элементов в обвязке.
Не всегда пожелтевшая от температуры область на плате указывает на последствия выгорания детали. Иногда так получается в результате долгой работы прибора, при проверке все детали могут оказаться целыми.
Кроме осмотра внешних дефектов и следов гари стоит и принюхаться, чтобы проверить, нет ли неприятного запаха как от горелой резины. Если вы нашли почерневший элемент – нужно его проверить. У него может быть одна из трёх неисправностей:
Иногда поломка бывает столь очевидной, что её можно определить и без мультиметра, как в примере на фото:
Проверка резистора на обрыв
Проверить исправность можно обычной прозвонкой или тестером в режиме проверки диодов со звуковой индикацией (см. фото ниже). Стоит отметить, что прозвонкой можно проверить лишь резисторы сопротивлением в единицы Ом — десятки кОм. А 100 кОм уже не каждая прозвонка осилит.
Для проверки нужно просто подключить оба щупа к выводам резистора, неважно это СМД компонент или выводной. Быструю проверку можно провести без выпаивания, после чего всё же выпаять подозрительные элементы и проверить повторно на обрыв.
Внимание! При проверке детали не выпаивая с печатной платы, будьте внимательны – вас могут ввести в заблуждение параллельно стоящие элементы. Это актуально как при проверке без приборов, так и при проверке мультиметром. Не ленитесь и лучше выпаяйте подозрительную деталь. Так можно проверить только те резисторы, где вы уверены, что параллельно им в цепи ничего не установлено.
Проверка короткого замыкания
Кроме обрыва, резистор могло пробить накоротко. Если вы используете прозвонку – она должна быть низкоомной, например на лампе накаливания. Т.к. высокоомные светодиодные прозвонки «звонят» цепи сопротивлением и в десятки кОм без существенных изменений яркости свечения. Звуковые индикаторы с этой проверкой справляются лучше чем светодиоды. По частоте пищания можно судить о целостности цепи, на первом месте по достоверности находятся сложные измерительные приборы, такие как мультиметр и омметр.
Проверка на КЗ проводится одним способом, рассмотрим инструкцию пошагово:
- Измерить омметром, прозвонкой или другим прибором участок цепи.
- Если его сопротивление стремится к нулю и прозвонка указывает на замыкание, выпаивают подозрительный элемент.
- Проверить участок цепи уже без элемента, если КЗ ушло – вы нашли неисправности, если нет – выпаивают соседние, пока оно не уйдет.
- Остальные элементы монтируют обратно, тот после которого КЗ ушло заменяют.
- Проверить результаты работы на наличие КЗ.
Читать также: Как прогревают бетон в зимнее время
Вот наглядный пример того, что сгоревший резистор оставил следы на соседних резисторах, есть вероятность, что и они повреждены:
Резистор почернел от высокой температуры, на соседних элементах видны не только следы гари, но и следы перегретой краски, её цвет изменился, часть токопроводящего резистивного слоя могла повредиться.
На видео ниже наглядно показывается, как проверить резистор мультиметром:
Устройство
Конструкция разных моделей фоторезисторов может 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.
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.
Будет интересно➡ Как рассчитать резистор для светодиода?
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.
Принцип работы
В неактивном состоянии полупроводник проявляет свойства диэлектрика. Для того, чтобы он проводил ток, необходимо воздействие на вещество внешнего стимулятора. Таким стимулятором может быть термическое воздействие или световое.
Под действием фотонов света полупроводник насыщается электронами, в результате чего он становится способным проводить электрический ток. Чем больше электронов образуется, тем меньшее сопротивление току оказывает полупроводниковый материал. Зависимость силы тока от освещения иллюстрирует график на рис. 6.
Рис. 6. График зависимости силы тока от освещения
На этом принципе базируется работа фоторезисторов. Образованию электронов способствует как видимый спектр света так и не видимый. Причем фоторезистор более чувствителен к инфракрасным лучам, имеющим большую энергию. Низкую чувствительность к видимому свету проявляют чистые материалы.
Для повышения чувствительности фоторезистивного слоя его легируют разными добавками, которые образуют обновленную внешнюю зону, расположенную поверх валентной зоны полупроводника. Такое внешнее насыщение электронами потребует меньше энергии для перехода в состояние насыщения фототоком проводимости. Возникает внешний фотоэффект, стимулированный видимым спектром излучения.
Путем подбора легирующих добавок можно создавать фоторезисторы для работы в разных спектральных диапазонах. Фоторезистор имеет спектральную чувствительность. Если длина световых волн находится вне зоны проводимости, то прибор перестает реагировать на такие лучи. Освещенность в таких случаях, уже не может оказывать влияния на токопроводимость изделия.
Выбор спектральных характеристик зависит от условий эксплуатации изделия и решаемых задач. Если интенсивностей излучения не достаточно для стабильной работы устройства, его эффективность можно повысить путем подбора чувствительных элементов, с соответствующим полупроводниковым слоем.
Важно помнить, что инерционность фоторезисторов заметно выше чем у фотодиодов и фототранзисторов. Инерционность прибора имеет место потому, что для насыщения полупроводникового слоя требуется некоторое время. Поэтому датчик всегда подает сигнал с некоторым опозданием.
Что такое фоторезистор, принцип работы и область применения
В электротехнике используется огромное количество различных элементов, и далеко не последнее место среди них занимает сопротивление особого рода – фоторезистор. В этой статье я расскажу, что это такое, а также где до сих пор активно используются эти элементы. Итак, начнем.
Что такое фоторезистор, принцип работы и область применения
Содержание
- Определение, исполнение и изображение на схемах
- Принцип действия
- Как проверить исправность элемента
- Главные характеристики фоторезисторов
- Где применяются такие элементы
- Заключение
Определение, исполнение и изображение на схемах
Итак, для начала давайте дадим определение. Фоторезистор — это полупроводниковый прибор, сопротивление (проводимость) которого изменяется в зависимости от уровня освещенности чувствительной части изделия.
Что такое фоторезистор, принцип работы и область применения
На выше представленной фотографии показан наиболее распространенный вариант исполнения, но встречаются модели в специальных защитных кожухах с прозрачной верхней частью.
А вот таким образом такой элемент обозначается на схемах:
yandex.ru
Принцип действия
Теперь давайте узнаем каков принцип действия у данного радиоэлемента.
Между двумя токопроводящими электродами размещается полупроводник. В том случае если свет не попадает на полупроводник, то его оммическое сопротивление имеет высокое значение (до нескольких МОм). Как только на полупроводник попадает свет, его сопротивление начинает снижаться, то есть проводимость увеличивается.
yandex.ru
Для производства полупроводящего слоя могут использоваться следующие материалы: сульфид Кадмия, сульфид Свинца, Селенит Кадмия и т.п. От того какой материал был применен для производства полупроводника будет зависеть его спектральная характеристика.
- Иначе говоря диапазон длин волн, при освещении которыми будет происходить корректное изменение сопротивления.
- Именно по этой причине при выборе резистора важно понимать, для работы в каком спектре он предназначен.
- Спектральные характеристики материалов таковы:
yandex.ru
Очень часто возникает вопрос: какова полярность фоторезистора? Так вот у данного элемента нет P-N перехода, а это значит что определенного направления протекания тока тоже нет. То есть абсолютно без разницы, каким образом подключать фоторезистор, так как он неполярный элемент.
Как проверить исправность элемента
Проверка фоторезистора на самом деле предельно проста. Для этого нам потребуется мультиметр и, например, папка для бумаг.
Что такое фоторезистор, принцип работы и область применения
Проверка выполняется следующим образом: переведите рукоять мультиметра в положение измерения сопротивления, крокодилами подсоедините щупы (полярность не имеет значения) и поместите элемент в папку, чтобы исключить воздействие света на элемент.
Что такое фоторезистор, принцип работы и область применения
Таким образом вы получите сопротивление элемента в затемненном состоянии. Вытащив фоторезистор из папки, вы увидите, что сопротивление элемента изменилось. Причем чем интенсивнее будет световой поток, тем меньшим сопротивлением будет обладать элемент.
Что такое фоторезистор, принцип работы и область применения
Причем зависимость сопротивления от освещенности будет иметь следующий вид:
yandex.ru
Главные характеристики фоторезисторов
У данных элементов есть несколько основных характеристик, на которые следует обращать внимание при выборе изделия:
1. Темновое сопротивление. Это сопротивление элемента, когда на него не оказывает воздействие световой поток.
2. Интегральная фоточувствительность. Данный параметр описывает реакцию элемента, изменение проходящего тока на изменение светового потока. Этот параметр измеряется при постоянном напряжении. Обозначается как S. (А/лм).
Важно также знать, что все фоторезисторы обладают инерционностью в той или иной степени. Сопротивление изменяется не мгновенно, а в течении определенного отрезка времени (десятки микросекунд). Этот фактор ограничивает применение фоторезисторов в быстродействующих схемах.
Где применяются такие элементы
Итак, несмотря на некоторые ограничения, эти элементы активно используются в следующих устройствах:
1. Фотореле. Устройства, которые предназначены для автоматического включения отключения систем освещения без активного вмешательства человека.
2. Датчики освещенности. В таких устройствах фоторезисторы выполняют функцию регистратора светового потока.
Что такое фоторезистор, принцип работы и область применения
3. Сигнализация. В сигнализационных системах применяются фоторезисторы чувствительные ультрафиолетовым волнам. Принцип таков фоторезистор постоянно освещается источником ультрафиолетового излучения и как только между источником и приемником возникает препятствие — срабатывает сигнализация.
4. Датчики, регистрирующие наличие чего-либо.
Обозначение на схеме
Отличить фоторезистор на схеме от обычного резистора достаточно просто. На значке фоторезистора присутствуют две стрелки, направленные в сторону прямоугольника. Эти стрелки символизируют поток света (см. рис. 7). На некоторых схемах символ резистора помещают внутри окружности, а на других обозначают прямоугольником без окружности. Но главное отличие – наличие стрелок.
Рис. 7. Фоторезистор на схеме
Виды
Несмотря на разнообразие фотодатчиков их можно разделить всего на два вида:
- Фоторезисторы с внутренним фотоэффектом;
- Датчики с внешним фотоэффектом.
Они отличаются лишь по технологии производства, а точнее, по составу фоторезистивного слоя. Первые – это фоторезисторы, в которых полупроводник изготавливается из чистых химических элементов, без примесей. Они малочувствительны к видимому свету, однако хорошо реагируют на тепловые лучи (инфракрасный свет).
Фоторезисторы с внешним эффектом содержат примеси, которыми легируют основной состав полупроводникового вещества. Спектр чувствительности у этих датчиков гораздо шире и перемещается в зону видимого спектра и даже в зону УФ излучения.
По принципу действия эти два вида фоторезисторов не отличаются. Их внутреннее сопротивление нелинейно уменьшается с ростом интенсивности светового потока в зоне чувствительности.
Технические характеристики
Какие критерии применять при выборе фоторезистора?
Первым делом обращайте внимание на спектральные характеристики. Если этот параметр вы неправильно выберете, то с большой долей вероятности устройство работать не будет или его функционирование будет нестабильным. Например, фоторезисторы с внутренним эффектом не будут реагировать на дневной свет. Если в качестве облучателя не планируется использовать ИК излучатель, то остановите свой выбор на втором типе приборов.
Другие важные характеристики:
- интегральная чувствительность;
- энергетическая характеристика (порог чувствительности);
- инерционность.
Вольт-амперная характеристика показывает зависимость величины тока от приложенного напряжения. Графически такая характеристика изображается в виде гиперболы. Но если выполняется условие стабильности интенсивности освещения, то ест световой поток Ф = const, то зависимость силы тока от напряжения будет линейной, а график – прямой линией. (см. рис. 8 а).
Энергетическая характеристика показывает, как зависит сила тока от величины светового потока, при постоянном напряжении (см. рис. 8 б). На графике видно как изменяется энергетическая кривая: сначала она устремляется вверх, а при достижении какого-то предела плавно изменяет направление и почти параллельна оси светового потока. Объясняется это тем, что после насыщения полупроводникового элемента его сопротивление минимально и в дальнейшем не зависит от интенсивности света.
Рисунок 8. Характеристики фоторезистора
Что касается инерционности, то она в разной степени присутствует у всех типах датчиков. Если вам нужна молниеносная реакция на свет, то лучше используйте фотодиод.
Фотореле
Фоторезисторы широко применяют в специальных фотореле.
Фотореле
Прибор автоматического управления различными установками, использующий безынерционность фотоэффекта, то есть он практически мгновенно реагирует на световое воздействие или его изменение.
Простое фотореле представляет собой следующую схему:
Если световой поток Ф Ф Ф падает на фоторезистор, то в цепи I проходит такой ток, при котором электромагнит в этой цепи удерживает железный якорь K 1 K_1 K1, и ключ К 2 К_2 К2 в кругу II разомкнут. Если какое-то тело, движущееся (например, на конвейере), перекроет световой поток, то ток в цепи II снизится, пружина П оторвет якорь К 1 К_1 К1 от электромагнита и запрет ключ К 2 К_2 К2, в цепи II начнут работать включенные в неё приборы: звонок, счетчик и т. п.
Применения фотореле чрезвычайно разнообразны. Оно включает и выключает в нужное время освещение улиц, сортирует различные детали по форме и размеру, мгновенно останавливает станок, если рука человека окажется в опасной зоне перекрыв ход света. В частности, на шахтах оно используется для контроля перемещения вагонетки, в устройствах автоматизации процесса отката и погрузки угля в железнодорожные вагоны, определения уровня загрузки бункеров и т. д.
Преимущества и недостатки
Сильными сторонами фоторезисторов оказывается их высокая надежность и низкая цена. Иногда полезным свойством бывает его вольтамперная характеристика, когда ток возрастает не молниеносно, а постепенно. Достоинством является низкий порог чувствительности.
К недостаткам можно отнести инерционность датчиков. Запаздывание сигнала понижает быстродействие устройств на базе терморезисторов, что часто бывает неприемлемым.
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.
Область применения
В современном мире область применения этих радиодеталей значительно расширена.
Применение разнообразных фоторезисторов, работающих в видимом спектре довольно обширно. Это могут быть:
- Системы автоматических выключателей света.
- Счетные устройства.
- Датчики обрыва полотна или бумаги.
- Датчики проникновения.
- 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.
Такие схемы довольно просты, не возникает вопроса «где взять», так как они доступны в интернет-магазинах, а их цена не отпугивает клиентов.
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.
