Spis treści:
Prąd elektryczny możemy zamienić na energię światła. Również światło możemy wykorzystać do sterowania przepływem prądu w obwodach elektrycznych – poznajcie fotorezystory!
Fotorezystory w elektronice
W tym artykule przedstawiono budowę, zasadę działania i praktyczne zastosowania fotorezystorów – elementów, które zmieniają swoją rezystancję zgodnie ze zmianą natężenia światła padającego na ich powierzchnię światłoczułą.
Czym jest fotorezystor?
Fotorezystor (ang. LDR – Light Dependent Resistor) jest elementem elektronicznym, który podobnie jak zwykły rezystor posiada dwa wyprowadzenia. Jednak podczas gdy rezystory zachowują swoją stałą rezystancję przy różnych warunkach otoczenia, pod które zostały one zaprojektowane, w przypadku fotorezystorów, ich rezystancja zależy od natężenia światła. Ta właściwość pozwala na ich bardzo szerokie zastosowanie w różnych aplikacjach współczesnej elektroniki.
Rezystancja fotorezystora jest parametrem, który zależy od natężenia światła padającego na jego powierzchnię światłoczułą. W uproszczeniu, fotorezystory wykazują bardzo wysoką rezystancję, idącą nawet w miliony Omów. Kiedy zaś wystawimy fotorezystor na działanie światła, to jego rezystancja znacznie spadnie – przy wystarczająco silnym oświetleniu, nawet do pojedynczych Omów. Co ważne, źródło światła, na które jest wrażliwy fotorezystor, może być zarówno żarówka elektryczna, jak i światło słoneczne. Długość fali elektromagnetycznej, tj. światła padającego na powierzchnię rezystora oraz czułość fotorezystora, zależą od siebie nieliniowo.
Budowa i zasada działania fotorezystorów
Fotorezystory różnią się pomiędzy sobą m.in. rodzajem użytych materiałów, które decydują o typie zastosowanego przewodnika, którym może być półprzewodnik samoistny (niedomieszkowane) do których zaliczamy m.in. półmetale takie jak krzem i german lub półprzewodnik niesamoistny (domieszkowany), w którym udział ilościowy wolnych elektronów i dziur jest taki sam. W fotorezystorach opartych na półprzewodnikach samoistnych, fotony światła pobudzają elektrony walencyjne, nadając im energię niezbędną do ich przejścia w pasmo przewodnictwa. W rezultacie, wzrasta kumulacja ładunku elektrycznego i zmniejsza się rezystywność tego materiału. Inaczej sprawa wygląda w fotorezystorach zbudowanych z półprzewodników niesamoistnych, których struktura jest zanieczyszczona. Tu zachodzi tworzenie nowych pasm energetycznych zawierających elektrony powyżej pasma walencyjnego, które istnieje standardowo. Dzięki temu, szerokość przerwy zabronionej ulega zmniejszeniu na tyle, że do przeniesienia elektronów w pasmo przewodnictwa jest potrzebne przyłożenie mniejsze ilości energii, niż ma to miejsce w półprzewodnikach samoistnych.
Taki stan rzeczy sprawia, że odpowiedź fotorezystora oparty na półprzewodniku samoistnym na fale świetlną jest taka, że wraz ze wzrostem natężenia światła, maleje jego rezystywność i wynikająca z niej rezystancja. Wówczas charakterystyka przejściowa fotorezystora jest hiperboliczna, ponieważ rezystancja fotorezystora jest odwrotnie proporcjonalna do natężenia światła padającego na jego powierzchnię fotoczułą. Możemy to łatwo zaobserwować, podłączając do wyprowadzeń fotorezystora omomierz. W przestrzeni o dobrym dostępie do światła dziennego, zasłaniając fotorezystor i go stopniowo odsłaniając, zaobserwujemy na omomierzu stopniowy spadek rezystancji fotorezystora.
Czułość fotorezystora
Z opisanego poprzednio krótkiego eksperymentu wynika, że czułość fotorezystora zmienia się wraz z długością fali świetlnej padającej na jego powierzchnię światłoczułą. Jeśli natomiast długość fali świetlnej będzie przekraczała zakres objęty charakterystyką przejściową fotorezystora, nie wpłynie to zmianę jego zachowania. Jeśli jednak wartość długości fali wykracza poza zakres obejmujący charakterystykę fotorezystora, to wpłynie to w żaden sposób na zmianę wartości rezystancji tego fotorezystora, ponieważ różne materiały światłoczułe wykazują różne charakterystyki odpowiedzi widmowej, które obrazują zależność czułości od długości fali świetlnej. Fotorezystory wykonane z półprzewodników niesamoistnych są najczęściej produkowane z myślą o aplikacjach, które będą działać w otoczeniu o naświetleniu silniejszym względem naświetlenia światłem słonecznym, osiągającym zakres długości fal zbliżonych do promieniowania podczerwonego. Wówczas warstwa światłoczuła fotorezystora powinna być dodatkowo zabezpieczona przed wpływem nadmiaru ciepła, które może prowadzić do zafałszowania pomiaru, a nawet uszkodzenia struktury światłoczułej.
Jak powstają fotorezystory?
Do produkcji fotorezystorów używa się m.in. siarczku kadmu, selenku kadmu, siarczku ołowiu (II), selenku ołowiu (II) i antymonku indu. Najlepszy efekt końcowy jest wtedy, kiedy te substancje mają postać sproszkowaną. Proces produkcyjny fotorezystorów z tych substancji polega na tłoczeniu proszku wraz z substancją wiążącą oraz spiekaniu w odpowiednio wysokiej temperaturze. Następnie na tak utworzoną powierzchnię, nanoszone są elektrody grzebieniowe stanowiące warstwę światłoczułą. Pod koniec produkcji, grzebienie fotoczułe łączy się z wyprowadzeniami do lutowania fotorezystora. Aby dobrze chronić fotorezystor przed wysokimi temperaturami w miejscach o silnym nasłonecznieniu, jego warstwa światłoczuła jest pokryta przezroczystą powłoką ochronną ze szkła lub odpornego na wysoką temperaturę tworzywa sztucznego.
Fotorezystory - zastosowania praktyczne
Fotorezystory - zastosowania praktyczne
Jednym z najbardziej popularnych zastosowań rezystorów są czujniki natężenia światła. Najprostszy układ oparty na fotorezystorze, wykrywa obecność światła w sposób zerojedynkowy na sztywno, tj. ,,jest światło albo go nie ma. Fotorezystory można także wykorzystać tam, gdzie jest konieczne wykonywanie dokładnych pomiarów natężenia światła. Możemy tu wymienić m.in. luksomierze do aparatów fotograficznych, a także miniaturowe roboty śledzące uprzednio narysowany tor jazdy, gdzie diody LED współpracujące z fotorezystorami dostarczają niezbędne sygnały do mikrokontrolera, aby automatycznie nawigować robota. Bardzo popularną aplikacją dla fotorezystorów, są także wyłączniki zmierzchowe, za pomocą których możemy zautomatyzować załączanie i wyłączanie oświetlenia zewnętrznego, np. na parkingach, ulicach czy w parkach. W takich aplikacjach, próg przełączania jest zwykle możliwy do ustawienia bezpośrednio z poziomu użytkownika docelowego. W aplikacji wyłącznika zmierzchowego, do ustawiania progu przełączenia służy mały potencjometr nastawny. Od jego położenia, zależy przesunięcie charakterystyki fotorezystora i wartość prądu w obwodzie, który wywoła odpowiedni spadek napięcia powodujący przełączenie w obwodzie sterującym cewką stycznika lub przekaźnika obwodu oświetleniowego lub innych urządzeń. Nastawę progu przełączenia w układzie opartym na fotorezystorze, możemy także zmienić wykorzystując mikrokontroler (lub płytkę deweloperską z mikrokontrolerem – np. Arduino lub STM32) zawierający przetwornik ADC. Fotorezystory możemy także wykorzystać do budowy efektów dźwiękowych odpowiadających za kompresję dźwięku i ograniczanie maksymalnego poziomu sygnału audio. W takich aplikacjach, dźwięk jest wzmacniany selektywnie, tj. wzmocnieniu są poddawane określone harmoniczne, których amplituda mieści się w nastawionym progu zadziałania limitera sygnału. Do zbudowania takiego urządzenia, fotorezystory musimy połączyć z diodami LED w taki sposób, aby światło z diody LED padało na warstwę fotoczułą fotorezystora. Wówczas jasność i dynamika świecenia diody LED będzie uzależniona od poziomu poszczególnych składowych harmonicznych w sygnale dźwiękowym.
Ponieważ fotorezystory naturalnie wykazują zjawisko latencji, sygnał audio ulega odpowiedniemu wygładzeniu, dzięki czemu jest pozbawiony zniekształceń. Aby fotorezystor wraz z diodą LED w układzie limitera działał prawidłowo, niezbędne jest zgrzanie tych elementów w koszulce termokurczliwej lub taśmie izolacyjnej, która będzie blokowała dostęp do światła z zewnątrz – szczególnie, kiedy wewnątrz obudowy urządzenia znajdują się inne diody LED, z których światło mogłoby zakłócić działanie fotorezystora.
