Rezistoarele fotorezistente sunt dispozitive semiconductoare a căror conductivitate variază sub influența luminii.
Fig. 2.2. Un fotorezistor monocristal
Fig. 2.3. Film fotorezistor
Fig. 2.4. Includerea unui fotoconductor în circuitul de curent continuu
Designul fotorezistoarelor cu cristale unice și de film este prezentat în Fig. 2.2, 2.3. Elementul principal al fotorezistorului este în primul caz un singur cristal, iar în al doilea - un film subțire de material semiconductor.
Dacă fotorezistorul este conectat în serie cu sursa de tensiune (Figura 2.4) și nu este iluminat, atunci în circuitul său va curge un curent întunecat:
unde E este sursa de energie EMF;
RT este magnitudinea rezistenței electrice a unui fotoconductor în întuneric, numită rezistență întunecată;
RH este rezistența la sarcină.
Atunci când fotorezistorul este iluminat, energia fotonilor este folosită pentru transferul de electroni în banda de conducție. Se mărește numărul de perechi libere de electroni-găuri, rezistivitatea picăturilor de fotorezistoare și prin ea se scurge curentul de lumină datorită formulei:
Diferența dintre curentul luminos și cel întunecat dă valoarea curentului 1ph, numit fotocurentul principal de conductivitate
Atunci când fluxul radiant este mic, un fotocurent primar este aproape conductivitate inertialess și variază direct proporțional cu amploarea incidentului de flux radiant pe fotocelula. Odată cu creșterea valorii fluxului radiant, numărul de electroni de conducere crește. Deplasându-se în interiorul substanței, electronii se ciocnesc cu atomi, le ionizează și creează un flux suplimentar de încărcări electrice, numit fotocurent de conductivitate secundar. Creșterea numărului de atomi ionizați inhibă mișcarea electronilor de conducere. Ca urmare a acestei schimbări, fotocurentul este lagăr în timp cu privire la modificările fluxului de lumină, ceea ce determină o anumită inerție a fotorezistorului.
Principalele caracteristici ale fotorezistoarelor
Fotorezistor (de la foto- și rezistor) este un rezistor semiconductor, dintre care rezistența ohmică este determinată de gradul de iluminare. În utilizarea principiul Fotorezistul este fenomenul de fotoconductie de semiconductori. Fotoconductie - creșterea conductivitatea electrică a semiconductoare de lumina. Motivul fotoconductivitatea - creșterea concentrației de purtători de sarcină - electroni în banda de conducție și găuri în banda de valență. Stratul fotosensibil de material semiconductor astfel rezistențe de plasat între doi electrozi conductoare. Sub influența stratului de rezistență electrică flux luminos variază în timp (în unele tipuri de fotorezistoare este redus cu două până la trei ordine de mărime). În funcție de materialul semiconductor Fotorezistorul strat folosit divizat în sulf-plumb, cadmiu sulfurat, sulfură de bismut și policristaline cadmiu seleno. Fotorezistor au o sensibilitate ridicată, stabilitate, acestea sunt economice și fiabile în exploatare. În multe cazuri, acestea inlocuiesc cu succes vidul și fotocelule umplute cu gaz.
Principalele caracteristici ale fotorezistoarelor:
• Rezistența la întuneric (rezistență în întuneric total), variază în cazul dispozitivelor convenționale de la 1000 la 100000000 Ohm.
unde Ai este fotocurentul egal cu diferența de curenți în întuneric și în lumină; Ф - fluxul luminos; U este tensiunea aplicată.
• Limitarea tensiunii de funcționare (de obicei de la 1 la 1000 V).
• Schimbarea relativă medie a rezistenței în procente (de obicei se situează în intervalul 10 ... 99,9%):
unde RT și Rc sunt rezistența în întuneric și respectiv în starea iluminată.
• Frecvența medie a modificării rezistenței (de obicei de la 1 la 1000). Se determină prin raportul: RT / RC.
Schema incluziunii fotorezistoarelor este prezentată în Fig. 2.5.
La o anumită iluminare, rezistența celulei fotocelulelor scade și, în consecință, puterea curentului în circuit crește, ajungând la o valoare suficientă pentru funcționarea unor
Fig. 2.5. Circuitul electric de includere a unui fotorezistor
Fig. 2.6. Frecvența tensiunii fotocuplor
dispozitiv (schematic prezentat ca o rezistență la sarcină). Un semnal util pentru amplificarea sau controlul ulterior al altor dispozitive este eliminat în RHarp paralel.
Principalele caracteristici ale fotorezistoarelor sunt:
• Volt-amper (VAC), care caracterizează dependența fotocurentului (cu fluxul luminos constant Φ) sau a curentului întunecat de tensiunea aplicată. Pentru fotorezistoare, această dependență este practic liniară (Figura 2.6). Legea lui Ohm este încălcată numai la tensiunile mari aplicate fotorezistorului.
Lumină (lux-ampere), care caracterizează dependența fotocurentului de fluxul luminii incidente al unei compoziții spectrale constante. Fotorezistoarele fotonice au o caracteristică neliniară lux-ampere (Figura 2.7). Cea mai mare sensibilitate se obține cu iluminare mică. Acest lucru face posibilă utilizarea fotorezistoarelor pentru a măsura intensitățile radiațiilor foarte scăzute. Cu iluminarea crescândă, curentul luminos crește aproximativ proporțional cu rădăcina pătrată a iluminării. Panta caracteristicii lux-ampere depinde de tensiunea aplicată fotorezistorului.
Fig. 2.7. Dependența curentului de incidentul fluxului de lumină pe suprafața de lucru a fotorezistorului
Fig. 2.8. Dependența caracteristicii spectrale asupra materialului fotorezistor
Fig. 2.9. Dependența fotorezistorului fotorezistent la modularea frecvenței fluxului luminos
• caracterizarea spectrală sensibilitatea fotorezistorului sub acțiunea unui flux constant de putere anumită lungime de undă. Răspunsul spectral este determinat de materialul utilizat pentru producerea elementului fotosensibil. fotorezistori sulfura de cadmiu, au o sensibilitate ridicată în spectrul vizibil, Seleniură-cadmiu - în roșu și sulf-plumb - în infraroșu. Este bine ilustrat în Fig. 2.8.
Frecvența care caracterizează sensibilitatea fotorezistorului sub acțiunea fluxului de lumină în schimbare, la o anumită frecvență. Disponibilitatea de inerție în fotoconductiv determină că amplitudinea fotocurentului depinde de frecvența de modulare a fluxului luminii incidente - fluxul luminos odată cu creșterea frecvenței scade fotocurentilor (vezi Figura 2.9 ..). Inerția limitează posibilitățile de aplicare a Fotorezistul atunci când se lucrează cu înaltă frecvență fluxuri de lumină variabilă.
Tensiunea de lucru Up - o tensiune constantă aplicată fotorezistorului, la care parametrii nominali sunt prevăzuți pentru o funcționare pe termen lung în condiții de funcționare specificate.
Tensiunea maximă admisă Fotorezistorul Umax - valoarea maximă a tensiunii de CC aplicată fotoconductorii la care devierea parametrul său din valoarea nominală nu depășește limitele specificate în timpul funcționării prelungite în condiții de funcționare predeterminate.
Rezistența la întuneric RT - rezistența fotorezistorului în absența radiației incidentale pe acesta în intervalul sensibilității sale spectrale.
Rezistența la lumină Rc este rezistența fotorezistorului, măsurată după un anumit interval de timp după declanșarea acțiunii radiației, ceea ce creează o iluminare a valorii setate.
Multiplicitatea modificării rezistenței KR este raportul dintre rezistența întunecată a fotorezistorului și rezistența la un anumit nivel de iluminare (rezistență la lumină).
Puterea de împrăștiere permisă este puterea la care nu au loc modificări ireversibile ale parametrilor fotorezistorului în timpul funcționării sale.
Curentul total al fotorezistorului este un curent constând dintr-un curent întunecat și un curent fotocurent.
Fotocurentul este curentul care trece prin fotorezistor la tensiunea indicată pe acesta, cauzată numai de acțiunea fluxului de radiație cu o distribuție spectrală dată.
Sensibilitate specifică - raportul fotocurentului la produs al cantității de incident de flux luminos pe fotorezistor la tensiunea aplicată, μA / (lm-V):
unde Iph este fotocurentul egal cu diferența curenților care curg prin fotorezistor în întuneric și la o anumită iluminare (200 lux), μA;
Ф - fluxul luminii incidente, lm; U este tensiunea aplicată fotorezistului, V.
Inteligența sensibilă este rezultatul sensibilității specifice la tensiunea limitată de funcționare:
Constanta de timp θφ este timpul in care fotocurentul se modifica cu 63%, adica în e ori. Constanta de timp caracterizeaza inertia dispozitivului si afecteaza forma reactiei sale de frecventa.
Fig. 2.10. Ilustrația creșterii și caderii fotocurentului, în funcție de iluminarea fotorezistorului
Atunci când lumina este pornită și oprită, fotocurentul se ridică la maximum (Figura 2.10) și scade la minim, nu instantaneu. Natura și durata curbelor de creștere și descompunere fotocurrent în timp depind în mod semnificativ de mecanismul de recombinare a purtătorilor de neechilibru într-un material dat și de magnitudinea intensității luminii. La un nivel redus de injectare, creșterea și căderea fotocurentului în timp pot fi reprezentate de exponențiali cu o constantă de timp τ egală cu durata de viață a purtătorilor din semiconductor. În acest caz, când lumina este pornită, fotocurentul va crește și va scădea în timp în conformitate cu legea:
unde Iph este valoarea staționară a fotocurentului sub iluminare.
Conform curbelor de decădere fotocuritate în timp, se poate determina durata de viață t a purtătorilor de neechilibru.
În ceea ce privește materialul fotoconductiv sunt sulfurile utilizate pe scară largă, seleniurile și telururi ale diferitelor elemente, precum și tipul de compus ALM Bv. În regiunea în infraroșu poate fi utilizat pe baza fotoconductoare PbS, PbSe, PbTe, INSB, în spectrul luminii vizibile și aproape ultraviolet - CdS.
Astăzi, fotorezistoarele sunt utilizate pe scară largă în multe ramuri ale științei și tehnologiei. Acest lucru se datorează sensibilității ridicate, designului simplu, dimensiunilor mici și unei disipări semnificative a puterii admisibile. Un interes considerabil îl reprezintă utilizarea fotorezistoarelor în optoelectronică. În modelele radio amatori, fotorezistoarele sunt utilizate ca senzori de lumină în dispozitivele de urmărire și automatizare, automate și fotocelule în viața cotidiană și în sistemele de securitate.
Înregistrarea radiațiilor optice
Pentru a înregistra radiațiile optice, energia lor de lumină este transformată într-un semnal electric, care este apoi măsurat în mod obișnuit. În această transformare, se folosesc de obicei următoarele fenomene fizice:
• generarea de purtători mobili în detectori fotoconductori în stare solidă;
• schimbarea temperaturii termocuplilor după absorbția radiațiilor, conducând la o schimbare în termo-emf;
• emisia de electroni liberi ca rezultat al efectului fotoelectric din filmele fotosensibile.
Cele mai importante tipuri de detectoare optice sunt:
Circuitul de includere a fotodetectorului semiconductor este prezentat în Fig. 2.11.
Fig. 2.11. Diagrama de conectare a unei fotocelule semiconductoare
Cipul semiconductor este conectat în serie cu un R rezistor și o sursă de tensiune constantă U. Valul optic, care trebuie să fie înregistrată, este incident pe cristal și este absorbită de acestea, în care interesant electronii în banda de conducție (sau semiconductori de tip p - gaura din banda de valență). O astfel de excitație conduce la scaderea rezistentei Rd a cip semiconductor și, prin urmare, la o creștere a căderii de tensiune pe rezistența R, care, atunci când: Ard / Rd «1 proporțională cu densitatea fluxului incident. Ca un exemplu, ia în considerare nivelurile de putere ale unuia dintre cele mai comune semiconductori - germaniului dopați atomilor de mercur. Atomii Hg din germaniu sunt acceptori cu o energie de ionizare de 0,09 eV. Prin urmare, pentru a ridica un electron de la nivelul superior al benzii de valență și la atomul Nd (acceptor) a fost capabil să-l captureze, necesită o energie foton de minimum 0,09 eV (adică fotoni cu o lungime de undă mai scurtă decât 14 m). De obicei de cristal germaniu conține o cantitate mică atomi ND donatoare care la temperaturi scăzute este energetic favorabil pentru a da valenta electroni NA număr mare de atomi acceptor. Astfel, există un număr egal de atomi donori ionizați pozitiv și negativ ionizate acceptor. Deoarece concentrația acceptorului este NA »ND. majoritatea atomilor acceptori rămân neîncărcați.
Principalul avantaj al fotodetectori semiconductoare, comparativ cu fotomultiplicatori este capacitatea lor de a detecta radiații de undă lungă, de la crearea de operatori de telefonie mobilă în ele nu este asociată cu depășirea barierei de suprafață potențial semnificativ.
Dezavantajul acestora este un câștig ușor redus. Pentru ca impulsul de ieșire să controleze diverse sisteme electronice, trebuie amplificat în mod repetat. Un astfel de amplificator poate fi un amplificator tranzistor cu două trepte sau un amplificator operațional. Pentru ca fotoexcitarea purtătorilor să nu fie mascată de excitația termică, fotodetectoarele semiconductoare nu ar trebui utilizate în medii cu temperaturi ridicate, în caz contrar ele trebuie răcite.
Senzori de temperatură, informații generale
Funcționarea oricărui senzor de temperatură utilizat în sistemele de comandă automată se bazează pe principiul convertirii temperaturii măsurate în cantitate electrică. Acest lucru se datorează următoarelor motive: este convenabil transferul cantităților electrice pe o distanță considerabilă, .......
Termometru foarte simplu, dar sensibil la acvariu
Pentru a controla temperatura în mediul acvatic al acvariului, este convenabil să folosiți un traductor sensibil, circuitul căruia este prezentat în Fig. 3.24. Timerul integrat KR1006VI1 în modul multivibrator auto-excitat poate fi utilizat pentru a genera o tensiune dreptunghiulară ...... ..
În practica radioamatorică, sunt populare dispozitive simple și fiabile - senzori care reacționează la schimbarea oricărui parametru la intrare. Un astfel de dispozitiv este prezentat în Fig. 3.51 o schemă responsabilă de reacție .......
Fotosensorii universali - o soluție proaspătă
Senzorii foto și dispozitivele electronice bazate pe acestea, care controlează diverse aparate de uz casnic, au fost de mult timp populare cu amatorii de radio. Se pare că este imposibil să găsești ceva nou în soluția de circuit pentru astfel de dispozitive. Teme .......