1.3.1.4 Фоторезистори

Напівпровідникові фотоелементи - фоторезистори мають властивість міняти свій активний опір під дією падаючого на них світла. Фоторезистори мають високу чутливість до випромінювання в самому широкому діапазоні - від інфрачервоної до рентгенівської області спектра, причому опір їх може мінятися на кілька порядків. Фоторезисторам властива висока стабільність у часі, вони мають невеликі габарити й випускаються на різні номінали опорів. Найбільше поширення одержали фоторезистори, виготовлені із сірчистого свинцю, сірчистого кадмію, селенистого кадмію. Назва типу фоторезисторів складається з букв і цифр, причому в старих позначеннях букви А, К, Д позначали тип використаного світлочутливого матеріалу, у новому ж позначенні ці букви замінені цифрами. Буква, що стоїть за дефісом, при старому позначенні, характеризувала конструктивне виконання (Г-Герметизированные, П-пленочные). У новому маркуванні ці букви також замінені цифрами. У табл. 1.4 наведені найменування найпоширеніших позначень фоторезисторів.

Таблиця 1.4

ТИПОВІ ПОЗНАЧЕННЯ ФОТОРЕЗИСТОРІВ

Світлочутливий елемент у деяких типах фоторезисторів виконаний у вигляді круглої або прямокутної таблетки, спресованої з порошкоподібного сульфіду або селеніду кадмію, в інших він являє собою тонкий шар напівпровідника, нанесеного на скляну підставу. У тому і іншому випадку з напівпровідниковим матеріалом з'єднані два металевих виводи. Схематичний пристрій фоторезистора і його включення показане на рис. 1.23.

Рис.1.23 – Схематичний пристрій фоторезистора і його включення

Залежно від призначення, фоторезистори мають різне конструктивне оформлення. Іноді це просто пластина напівпровідника на скляній підставі зі струмонесучими виводами, в інших випадках фоторезистор має пластмасовий корпус із твердими штирками. Серед таких фоторезисторів слід особливо зазначити фоторезистор ФСК-6, пристосований для роботи від відбитого світла, для чого його корпус має в центрі отвір для проходження світла до поверхні, що відбиває. Випускаються фоторезистори в металевому корпусі із цоколем, що нагадує ламповий, або в корпусі, як у герметізованих конденсаторів плівкових транзисторів.

Малогабаритні плівкові фоторезистори випускають в пластмасових і металевих корпусах із вологозахисним покриттям світлочутливого елемента прозорими епоксидними смолами. Зовнішній вигляд і розміри найпоширеніших типів фоторезисторів показані на рис.1. 24

Puc. 1.24 – Зовнішній вигляд і розміри найпоширеніших типів фоторезисторів

Фоторезистори характеризуються наступними параметрами див. табл. 1.5: - темновим опором Rт- активним опором при повній відсутності освітлення.

Таблиця 1.5.

ПАРАМЕТРИ ФОТОРЕЗИСТОРІВ

У таблиці наведені середні значення, які визначені при освітленості 200 лк.

У деяких типів фоторезисторів темновий опір може мати значний розкид - кратність зміни опору R_т/R_св, параметром, що показує відношення темнового опору до опору при освітленому стані. Це один з найважливіших параметрів, що характеризує чутливість фоторезистору. Зі збільшенням освітленості кратність зростає за лінійним законом, зі зменшенням - знижується. Найменшою чутливістю володіють сірчасто-свинцеві фоторезистори, у яких кратність при освітленості 200 лк не нижче 1,2. В інших типів фоторезисторів чутливість значно вище. Важливим параметром фоторезистора є робоча напруга, під якою розуміється напруга, що гарантує тривалу роботу фоторезистора. При роботі в імпульсному режимі в серністо-кадмієвих і селеністо-кадмієвих фоторезисторів допустима напруга може в 2-3 рази перевищувати робочу. У сірчасто-свинцевих фоторезисторів робочу напругу можна прийняти рівною 0,1 R_т, де R_т - припустима потужність розсіювання, яка дозволяє тривалу експлуатацію фоторезистора при +20°С у навколишнім середовищі без небезпеки появи необоротних змін у світлочутливому шарі. Властивості фоторезисторів характеризуються також спектральними характеристиками, що показують, у якій частині спектра фоторезистор має найбільшу чутливість.

Характеристики фоторезисторів із серністо-кадмієвим світлочутливим елементом мають максимальну чутливість у видимій частині спектра, фоторезистори, виконані на основі селенистого кадмію, найбільш чутливі до червоної й інфрачервоної частини спектра, а сірчасто-свинцеві фоторезистори мають максимум чутливості в інфрачервоної, області спектра. Важливим параметром фоторезисторів є питома чутливість, що розраховується за формулою:

, (1.22)

де: - фотострум, мкА; L - освітленість, лк; S - розмір світлочутливої площадки, см²; U - напруга, прикладена до фоторезистора, B.

Якщо величину чутливості помножити на робочу напругу, то вийде інтегральна чутливість. Крім цього, властивості фоторезисторів характеризуються вольт-амперними характеристиками, які показують залежність струму через фоторезистор від прикладеної до нього напруги рис. 1.25а. Ця характеристика лінійна в досить широких межах. Для деяких типів фоторезисторів при напругах менш робочої спостерігається нелінійність рис. 1.25б.

Рис. 1.25 – Вольт-амперна характеристик фоторезисторів

Фоторезистори мають інерційність, судити про яку можна за частотною характеристикою, наведеною на рис. 1.26. Ця характеристика виражає залежність між величиною фотоструму й частотою модуляції світлового потоку, що падає на фоторезистор. Як видно з характеристики, величина сигналу, що знімається з фоторезистора, зменшується зі збільшенням частоти модуляції світлового потоку.

Рис. 1.26 - Частотна характеристика фоторезистора

Чутливість фоторезисторів міняється (зменшується) у перші 50 годин роботи, залишаючись надалі практично постійною протягом усього терміну служби, вимірюваного декількома тисячами годин. Інтервал робочих температур для серністо-кадмієвих фоторезисторів становить від -60 до +85°С, для селеністо-кадмієвих - від -60 до +40°С і для сірчасто-свинцевих - від -60 до +70°С.

Основною областю застосування фоторезисторів є автоматика, де вони в деяких випадках з успіхом заміняють вакуумні й газонаповнені фотоелементи. Маючи підвищену припустиму потужність розсіювання в порівнянні з деякими типами фотоелементів, фоторезистори дозволяють створювати прості й надійні фотореле без підсилювачів струму. Такі фотореле незамінні в пристроях для телекерування, контролю й регулювання, в автоматах для розбраковування, при сортуванні й рахунку готової продукції, для контролю якості й готовності всіляких деталей. Широко використовуються фоторезистори в поліграфічній промисловості при виявленні обривів паперової стрічки, контролі за кількістю аркушів, що подаються в друковану машину. У вимірювальній техніці фоторезистори застосовуються для виміру високих температур, для регулювання температури в різних технологічних процесах. Контроль рівня рідини й сипучих тіл, захист персоналу від входу в небезпечні зони, контроль за запиленістю і задимленістю всіляких об'єктів, автоматичні вимикачі вуличного висвітлення і турнікети в метрополітені - це далеко не повний перелік областей застосування фоторезисторів. Фоторезистори знайшли застосування в медицині, сільському господарстві й інших областях. У цей час важко знайти таку галузь народного господарства, де б вони не використовувалися з метою підвищення продуктивності праці, поліпшення якості продукції й полегшення праці людини.

На рис. 1.27 наведена схема пристрою, яку можна використовувати для автоматичного вмикання і вимикання світла залежно від освітленості навколишнього простору.

Рис. 1.27 – Принципова схема автоматичного вимикача освітлення

У пропонованому вмикачі в якості виконавчого органу використано безконтактний комутуючий елемент – симетричний тиристор VS1. У результаті цього забезпечується можливість живлення навантаження протягом обох напівперіодів напруги електромережі без використання потужних двухполупериодных випрямлячів.

Електронний вмикач являє собою фотореле на основі тригера Шмітта (VT1, VT2). Як фоточутливий елемент (датчик освітленості) використаний фоторезистор R1 типу ФСК-1, що у темряві має високий опір (порядку 3,3 МОм), а при освітленні його опір зменшується в 400 разів. Фоторезистор R1 разом з резисторами RP2 і R3 утворять дільник напруги, що визначає струм бази транзистора VT1. Резистор R3 обмежує струм у дільнику при можливому влученні на R1 прямого сонячного світла. Резистор R7 визначає струм у керуючому електроді симістора VS1, a R6 служить для вирівнювання напруги на керуючому електроді й на катоді VS1, коли транзистор VT2 закритий. Це забезпечує стабільну роботу симістора.

Пристрій працює так. Удень, коли світло, опір фоторезистора R1 малий, VT1 відкритий, a VT2 закритий. Колекторний струм VT2 і, отже, струм керуючого електрода симістора майже дорівнює нулю. У цьому стані VS1 закритий, і лампочка HL1 не горить. Зі зменшенням освітленості опір фоторезистора збільшується. Струм бази VT1 починає зменшуватися. При досягненні певного рівня VT1 закривається, a VT2 відкривається, тобто тригер перемикається. Струм керуючого електрода VS1, який проходить через відкритий транзистор VT2 і резистори RP5 і R7, підтримує VS1 у відкритому стані протягом обох напівперіодів напруги мережі, і лампочка HL1 світиться на повну потужність. Вимикання здійснюється у зворотному порядку.

Регулювання порога спрацьовування здійснюється ввечері за допомогою подстроїчних потенціометрів RP2 і RP5. Фоторезистор R1 необхідно встановити так, щоб протягом дня на нього не попадали прямі сонячні промені, а вночі - штучне висвітлення. За допомогою такого пристрою можна управляти навантаженням з потужністю до 400 Вт без використання охолодного радіатора. Якщо ж необхідно збільшити потужність до 1500 Вт, VS1 вимагає охолодження. Для цього необхідний радіатор з охолодною поверхнею. Крім зазначених на схемі діодів Зенера (стабілітронів), можна також використовувати Д816А, Д816АП, KZ714, КС527А. Симетричний тиристор можна замінити на КТ729, КТ784, BTW38, BTW42, BT853D, ВТ853Е, TIC232D.

На рис. 1.28 наведена схема ще одного пристрою, що може бути використаний для визначення кількості людей, що пройшли через певне місце, або кількості деталей, що рухаються в певному напрямку (наприклад, на конвеєрі).

Рис. 1.28 – Принципова схема фотолічильника

Фоточутливим елементом у пристрої служить фоторезистор ФСК-1. Транзистори VT1 і VT2 працюють у режимі ключа, a VT3 і VT4 зібрані, як складений транзистор і виконують роль підсилювача постійного струму. Для індикації використовується електромеханічний лічильник (ЕМБ), включений у колекторний ланцюг VT4.

За допомогою подстроїчних потенціометрів RP3 і RP4 підбирається такий режим роботи транзистора VT1, щоб він був закритий, коли освітлений фоторезистор R1. Оскільки через VT1 струм не протікає, на його колекторі буде негативний потенціал, що подається на базу VT2. У результаті цього VT2 відкритий, і нульовий потенціал з його колектора замикає підсилювач постійного струму (VT3, VT4). У ланцюзі колектора VT4 буде протікати дуже малий струм, що не викличе спрацьовування електромеханічного лічильника. Якщо в якийсь момент переривається світловий потік, спрямований на фоторезистор, його опір різко зростає, а разом з ним зростає й негативний потенціал на базі VT1; транзистор відкривається. У результаті цього закривається транзистор VT2, що забезпечує насичення VT3 і VT4. Колекторний струм VT4 збільшується й приводить до спрацьовування електромеханічного лічильника, що відраховує одного відвідувача або один предмет, що пройшов через контрольну точку.

Для фокусування світлового потоку й, тим самим, підвищення чутливості лічильника, перед фоторезистором установлюється фокусуюча лінза. У пристрої використано електромеханічний лічильник від автоматичної телефонної станції, що має опір котушки 100 Ом і струм спрацьовування 30 мА. Живиться пристрій від двох плоских батарейок, з'єднаних послідовно (2 х 4,5 В), але можна також використовувати й невеликий випрямляч, що дає на виході 9 В/0,2 А.

Замість зазначених на схемі транзисторів можна використовувати інші з аналогічним коефіцієнтом підсилювача (не менш 80). Фоторезистор ФСК-1 можна замінити на ФСК-1А, ФСК-Г1, ФСК-2, SFH203, ВРХ-60.