Fotorezystor - charakterystyka, zastosowanie i zasada działania

Fotorezystory służą do wykrywania światła przez układy elektroniczne. Bez nich nie dałoby się zrealizować wielu użytecznych urządzeń. W jaki sposób działają i gdzie je znajdziemy?

Co to jest fotorezystor?

Nazwa tego elementu tłumaczy bardzo wiele. Rezystor to element, który ogranicza natężenie przepływającego prądu dzięki swojej rezystancji. Przedrostek foto- wskazuje na jego związek ze światłem. Podchodząc czysto intuicyjnie, mamy do czynienia z rezystorem, który można regulować oświetleniem. I tak jest w rzeczywistości. Symbol fotorezystora to dwie strzałeczki skierowane w stronę prostokąta (rezystora), więc i tutaj skojarzenie jest prawidłowe.

Warstwa rezystywna została odsłonięta, aby można ją było wystawić na działanie światła. Na jej powierzchni można zobaczyć charakterystyczne “grzebienie”, które razem tworzą meander. Owe grzebienie to kontakty elektryczne z nóżkami, a spomiędzy nich jest odsłonięta wąska ścieżka ze światłoczułego materiału.

Całość została szczelnie zalana w tworzywie lub szkle, aby wilgoć i zabrudzenia nie zdegenerowały właściwości fotorezystora. Czasem ten element jest dodatkowo wciśnięty w tulejkę z przezroczystego polimeru, aby nie uległ uszkodzeniu pod wpływem czynników zewnętrznych.

Zasada działania

Jako materiał światłoczuły są wykorzystywane różnorakie półprzewodniki. Jednak sam element nie ma właściwości półprzewodnikowych - przewodzi prąd jednakowo w obie strony - ponieważ nie ma w nim złącza pn lub innej bariery dla nośników ładunku elektrycznego.

Wykorzystywana jest tutaj inna cecha półprzewodników, czyli zdolność do zmiany swojej rezystancji pod wpływem zewnętrznych bodźców, na przykład oświetlenia. Kwanty promieniowania świetlnego, które padają na światłoczułą powierzchnię, wybijają elektrony walencyjne atomów ze swoich orbit. Wytwarzają w ten sposób wolne nośniki ładunku, które mogą wziąć udział w przepływie prądu przez fotorezystor.

Im więcej światła pada, tym więcej fotonów wybija większą liczbę nośników. Prąd płynący przez fotorezystor może wzrosnąć, więc jego rezystancja ulegnie w ten sposób zmniejszeniu. To zjawisko nosi nazwę efektu fotoelektrycznego wewnętrznego i było przedmiotem wielu badań na przestrzeni lat. Jego występowanie jest jednym z dowodów na kwantową naturę promieniowania świetlnego.

Używane materiały

Najczęściej spotykane dziś fotorezystory są wykonywane z siarczku kadmu (CdS) i siarczku ołowiu (PbS). Kiedyś stosowano również krzem (Si) i german (Ge). Różne substancje są czułe na różne długości fali światła: innych używa się do fotorezystorów czułych w zakresie podczerwieni (IR), a innych do światła widzialnego czy ultrafioletu (UV).

Jeżeli materiał półprzewodnikowy zostanie poddany domieszkowaniu, jego czułość będzie większa. Domieszkowanie to wprowadzenie do struktury półprzewodnika dodatkowych atomów, które zapewniają pewną liczbę nośników ładunku. Pobudzenie światłem takiego półprzewodnika daje znacznie silniejsze zmiany jego rezystancji.

Nie tylko światło

Ponieważ fotorezystory są wykonane z półprzewodnika, podobnie jak termistory, mają jeszcze jedną właściwość. Ich rezystancja silnie zależy od temperatury, ponieważ ona również przyczynia się do generowania wolnych nośników ładunku. Odpowiadają za to drgania sieci krystalicznej, które są tym silniejsze, im bardziej się ją podgrzeje.

Dlatego trzeba mieć na uwadze tę cechę, kiedy chcemy stosować fotorezystory do wykonywania dokładnych pomiarów natężenia światła. Ich podgrzanie spowoduje spadek rezystancji, którego nie odróżnimy od spadku wywołanego padającym nań światłem.

Podstawowe parametry

Fotorezystory mają kilka parametrów, którymi nie cechują się inne elementy. Prześledźmy je, aby ich znaczenie stało się jasne - jak światło padające na powierzchnię fotorezystora.

Rezystancja ciemna

To rezystancja fotorezystora przy braku oświetlenia. Podawana jest w omach [Ω], kiloomach [kΩ] lub nawet megaomach [MΩ]. Jest mierzona w określonej temperaturze (typowo 25℃). Może mieć duży rozrzut, nawet rzędu kilkudziesięciu procent, ze względu na technologię ich produkcji.

Rezystancja jasna

Ta jest mierzona po oświetleniu fotorezystora światłem o określonym natężeniu - podawanym w luksach [lx]. Niekiedy podaje się dwie lub trzy rezystancje jasne, dla kilku różnych wartości natężenia światła. Jest nawet o kilka rzędów wielkości mniejsza od rezystancji ciemnej.

Przykładowy fotorezystor ma rezystancję 1MΩ w ciemności i nawet poniżej 2kΩ po oświetleniu. Są dostępne fotorezystory mające nawet kilkanaście omów po silnym oświetleniu.

Im wyższa rezystancja ciemna, tym (najczęściej) wyższa jest również rezystancja jasna. Dynamika zmian jest, niestety, ograniczona. Nie da się zrobić elementu, który w ciemności będzie stanowił niemal idealne rozwarcie, a po oświetleniu - zwarcie. Przeszkadzają tym różne efekty, na przykład samoistna, termiczna generacja nośników.

Długość fali świetlnej

Każdy fotoelement ma “swoją” długość światła, bądź temperaturę barwową światła białego, na którą jest najbardziej czuły. Oświetlenie go światłem o innej barwie nie uszkodzi go - będzie po prostu reagował słabiej. Szczegółów trzeba szukać w nocie katalogowej.

Maksymalna moc strat

Ten parametr jest często pomijany przez konstruktorów, a niesłusznie. Fotorezystor może na sobie wydzielić niewielką moc, zazwyczaj rzędu 100mW. Zmuszenie go do wydzielania większej mocy może zakłócić jego działanie lub wręcz zniszczyć ten delikatny podzespół.

Maksymalne napięcie

Nawet, jeżeli fotorezystor wydziela na sobie niewielką moc, to i tak trzeba uważać na maksymalne napięcie między jego zaciskami. Typowo wynosi ono około 100-150V. Tak niska wartość wynika z ułożonych naprzemiennie metalowych kontaktów w kształcie grzebieni. Odległość między ich “ząbkami” jest niewielka, stąd łatwo o przebicie.

Charakterystyki fotorezystora

Fotorezystor ma trzy najważniejsze charakterystyki. Prześledźmy je.

Zależność rezystancji od natężenia światła

Na osi poziomej znajduje się natężenie światła w luksach, a na pionowej rezystancja. Zależność ta nie jest, niestety, liniowa. Ma kształt hiperboliczny. Oto przykładowy przebieg takiej krzywej:

U wszystkich fotorezystorów ma zbliżony kształt, dlatego producenci tych elementów najczęściej ograniczają się podania tylko kilku wybranych punktów. Są nimi wspomniana wcześniej rezystancja ciemna i rezystancja jasna (jedna lub więcej).

Czułość widmowa

Różne materiały fotoczułe reagują na inną długość fali. Oto charakterystyka czułości względnej, która pokazuje, w jaki sposób zmieni się czułość, jeżeli długość fali światła będzie inna od tej, dla której czułość jest maksymalna.

Taki wykres może być przydatny, jeżeli chcemy fotorezystor wykorzystać, na przykład, w optoelektronicznej barierze laserowej. Wiązka światła lasera ma jedną barwę więc można ustalić, z jaką czułością zareaguje na nią nasz fotoelement.

Charakterystyka prądowo-napięciowa

Ten wykres przedstawia związek między napięciem na zaciskach danego elementu a prądem, jaki wtedy przez niego płynie. Fotorezystor, mimo swojej półprzewodnikowej budowy, jest elementem liniowym. Również i te charakterystyki będą liniami prostymi, jednak zmienne będzie ich nachylenie. Bardziej pionowe linie odpowiadają wyższemu natężeniu oświetlenia, a ta najbardziej pozioma - całkowitej ciemności.

Ta zależność obowiązuje tylko w pewnym przedziale napięć i prądów. Jeżeli zaczniemy przekraczać maksymalną moc strat może okazać się, że struktura fotorezystora podgrzewa się dostatecznie silnie w wyniku przepływającego przez nią prądu. Charakterystyka straci wtedy liniowość, lecz to jedynie nasza wina.

Gdzie znajdziemy fotorezystory?

Cena tych elementów jest bardzo niska, co zachęca do stosowania ich w wielu miejscach. Oto niektóre z nich.

Czujniki zmierzchowe

Wszelkiego rodzaju lampki włączające się po zaniku światła mają w sobie właśnie fotorezystory. Odpowiedni układ elektroniczny wykrywa wzrost rezystancji, co załącza światło. Po wschodzie słońca, lampka gaśnie.

Nawet zwykła lampka nocna może być wyposażona w taki czujnik. Zapewni spokojny sen, zwłaszcza dzieciom, jak również łagodne podświetlenie drogi do toalety w środku nocy. Rano sama się wyłączy, oszczędzając w ten sposób energię elektryczną.

Niekiedy czujniki ruchu są wyposażone w ten element. Wtedy nie reagują na przechodzących ludzi, kiedy jest dostatecznie jasno. Dopiero po zaciemnieniu czujnika zmierzchowego przystępują do pracy, włączając na chwilę reflektor po wykryciu ruchu.

Czujnik zmierzchowy to relatywnie prosty układ - można go wykonać samodzielnie, np: AVT1476. Potrzeba do tego jedynie kilku elementów elektronicznych.

Systemy alarmowe i automatyka domowa

Z fotorezystorów można wykonać czujniki pożarowe, ponieważ są czułe w zakresie podczerwieni. Wtedy ich dotychczasowa wada - zmiana rezystancji pod wpływem temperatury - staje się zaletą. Alarm może wywołać zarówno ciepło pochodzące od rozprzestrzeniających się płomieni, jak i emitowane przez nie światło.

Również wszelkiego rodzaju czujniki obecności polegające na przecięciu wiązki światła mogą zawierać fotorezystory. Bariera optoelektroniczna (inna nazwa: bariera świetlna) to przydatny układ, który zabezpieczy naszą bramę przed samoczynnym zamknięciem, kiedy stoi w niej jakiś pojazd. Używa się w nich również innych odbiorników światła.

Prace badawcze

Fotorezystory, o ile są odpowiednio wykonane, mogą być cennymi przyrządami pomiarowymi. Ich czułość na światło, zwłaszcza w zakresie podczerwieni, jest bardzo wysoka - na tyle, że może służyć do pomiaru natężenia promieniowania emitowanego przez dalekie obiekty kosmiczne. Muszą być wtedy odpowiednio chłodzone.

Podsumowanie

Zadaniem fotorezystorów jest detekcja natężenia światła i przetworzenie tej informacji na postać elektryczną. Jednak z ich budową wiąże się inna właściwość, jaką jest czułość na zmiany temperatury. W niektórych sytuacjach ma ona cenne zastosowanie, a niekiedy wręcz przeszkadza. Dlatego warto wiedzieć jak działają te tanie i pożyteczne elementy, aby móc stosować je świadomie.