Spis treści:
Fotorezystor - opis działania
Fotorezystory (LDR – ang. Light Dependent Resistor) to elementy elektroniczne, które często są wykorzystywane w takich aplikacjach, w których jedną z funkcji jest kontrola obecności lub braku oświetlenia, a także pomiar natężenia światła. W otoczeniu o bardzo dobrym zaciemnieniu (a tym samym bardzo słabym oświetleniu lub jego braku) rezystancja fotorezystora jest najwyższa i w zależności od elementu może wynosić od kilku kΩ do nawet 10MΩ. Natomiast, kiedy fotorezystor zostaje wystawiony na działanie światła (bez względu na to, czy jest to światło naturalne – np. słoneczne, czy też światło sztuczne – np. z żarówki w lampie biurkowej), wartość jego rezystancji diametralnie spada, nawet do wartości kilku Omów, zależnie od natężenia oświetlenia emitowanego ze źródła światła.
Czułość fotorezystora zmienia się wraz z długością fali światła padającego na jego powierzchnię w sposób nieliniowy. Można je spotkać w różnych aplikacjach, choć coraz częściej zamiast fototranzystorów wykorzystywane są fotodiody, fototranzystory, a także transoptory (optoizolatory, np. SHARP PC900V popularnie stosowany w interfejsach MIDI). Z powodu zaostrzenia prawa dotyczącego utylizacji elektrośmieci w świetle ochrony środowiska, niektóre kraje zakazały używania w produkcji elektroniki fotorezystorów o strukturze wykonanej częściowo z metali ciężkich (głównie kadmu i ołowiu).
Rodzaje fotorezystorów i ich mechanizmy przewodnictwa elektrycznego
W zależności od zastosowanych materiałów fotorezystory można zasadniczo podzielić ze względu na typ zastosowanego półprzewodnika, tj. samoistny lub niesamoistny. Fotorezystory wykorzystujące półprzewodniki samoistne są produkowane z materiałów pozbawionych domieszkowania, takich jak np. krzem i german, których elementarna struktura zawiera po tyle samo wolnych elektronów, co dziur elektronowych. W takich półprzewodnikach padające na ich powierzchnię światło (fotony) powoduje pobudzenie elektronów znajdujących się w paśmie walencyjnym i przeniesienie ich w pasmo przewodnictwa.
Efektem takiego procesu jest zwiększenie ilości wolnych elektronów w strukturze półprzewodnika (które stanowią nośniki ładunku elektrycznego), za sprawą którego spada jego rezystywność. Natomiast fotorezystory zbudowane w oparciu o półprzewodniki niesamoistne, wykorzystują materiały zawierające zanieczyszczenia w postaci domieszek innych pierwiastków chemicznych. W takich półprzewodnikach domieszki tworzą nowe pasma energetyczne zdominowane przez elektrony, powyżej istniejącego pasma walencyjnego. W takiej sytuacji elektrony zawarte w nowo utworzonym paśmie wymagają dostarczenia mniejszej ilości energii niezbędnej do przejścia w pasmo przewodnictwa, dzięki mniejszej szerokości przerwy zabronionej.
Dzięki temu zjawisku półprzewodnik samoistny reaguje na fale świetlne o różnych długościach w taki sposób, że im wyższe natężenie światła, tym większy spadek rezystywności i w konsekwencji – rezystancji. Z takiego opisu zjawiska wynika, że charakterystyka fotorezystora (jego rezystancji w funkcji natężenia światła padającego na powierzchnię jego struktury zewnętrznej) ma kształt zbliżony do krzywej hiperbolicznej, która wykazuje proporcjonalność odwrotną rezystancji względem natężenia światła. Najprościej ujmując w sposób doświadczalny, jeśli do wyprowadzeń fotorezystora podłączymy sondy miernika cyfrowego (ustawionego w tryb omomierza) i w dobrze oświetlonym pomieszczeniu zasłonimy ręką górną powierzchnię fotorezystora, to w miarę stopniowego odsłaniania fotorezystora w kierunku źródła światła, będziemy mogli zaobserwować na wyświetlaczu miernika, że wartość rezystancji maleje.
Fotorezystory – zależność czułości od długości fali świetlnej
Czułość fotorezystora ulega zmianom wraz z długością fali świetlnej, która na niego pada. Jeśli jednak wartość długości fali znajduje się poza pewnym zakresem, to nie będzie to miało jakiegokolwiek wpływu na zmianę wartości rezystancji tego fotorezystora, co wynika z jego konstrukcji, ponieważ różne materiały wykazują różne charakterystyki odpowiedzi spektralnej, które obrazują zależność czułości od długości fali świetlnej. Fotorezystory wykonane z półprzewodników niesamoistnych są zwykle projektowane z myślą o obwodach i układach, które funkcjonują w środowiskach, w których długość fali świetlnej osiąga większe wartości niż typowo w przypadku widzialnego światła słonecznego, wchodząc w zakres długości fali bliższych podczerwieni. W takim środowisku należy zadbać o środki zapobiegające gromadzeniu się nadmiernej ilości ciepła, które może mieć poważny wpływ na zmianę rezystancji fotorezystora i zafałszować pomiar wskutek częściowej lub całkowitej degradacji właściwości jego struktury.
Parametr czułości, zjawisko latencji i niedoskonałości fotorezystorów
W odróżnieniu od fotodiody, fototranzystora i transoptora, fotorezystory wykazują mniejszą czułość na światło. Wymienione alternatywy dla fototranzystora to prawdziwe, aktywne elementy półprzewodnikowe, które wykorzystują światło jak bodziec sterujący przemieszczaniem się elektronów i dziur elektronowych przez złącze typu p-n, podczas gdy fotorezystory są tak naprawdę elementami pasywnymi o znacznie prostszym mechanizmie elektroprzewodnictwa. Jeśli natężenie światła ma stałą wartość, to nawet mimo tego wartość rezystancji może ulec zmianie wskutek fluktuacji temperatury. Z tego powodu fotorezystory nie są zbyt dobrymi elementami do stosowania w precyzyjnych przyrządach do pomiaru parametrów światła. Ciekawą właściwością fotorezystorów jest latencja, tj. czas mijający pomiędzy zmianą właściwości źródła światła (a przede wszystkim jego natężenia) a zmianą rezystancji fotorezystora. Parametr, który opisuje to zjawisko, to czas reakcji fotorezystora. W większości przypadków czas ten wynosi od kilku do kilkudziesięciu milisekund dla zmiany wartości rezystancji z maksymalnej na minimalną, tj. poprzez błyskawiczne wyeksponowanie fotorezystora z całkowitego zaciemnienia w stronę źródła światła. Natomiast w drugą stronę, odbudowanie maksymalnej wartości rezystancji przez zaciemnienie po ekspozycji na światło, może zająć nawet do jednej sekundy. Z powodu takiej dużej latencji fotorezystory nie są wystarczająco precyzyjne do stosowania w takich aplikacjach, których celem jest rejestrowanie szybkich zmian natężenia światła w dziedzinie czasu, ale ta niedoskonałość jest w zamian chętnie wykorzystywana w inżynierii dźwięku w takich efektach jak kompresory i limitery, których zadaniem jest stabilizowanie zadanego poziomu sygnału audio.
Fotorezystory
Właściwości fizykochemiczne i przebieg procesu produkcyjnego fotorezystorów
W 1873 roku Willoughby Smith – brytyjski inżynier elektryk, na podstawie swoich badań naukowych odkrył, że selen wykazuje właściwości fotoelektryczne, co stało się impulsem do badania zjawiska fotoprzewodnictwa w innych pierwiastkach i związkach chemicznych. W latach 30. i 40. XX wieku prowadzono prace badawcze pod kątem występowania efektu fotoelektrycznego w związkach ołowiu z siarką, selenem i tellurem oraz zaczęto używać krzemu i germanu w aplikacjach wykorzystujących zjawisko fotoprzewodnictwa. Współczesne konstrukcje fotorezystorów opierają się na siarczku ołowiu (II), selenku ołowiu (II), antymonku indu, a także coraz częściej – siarczku kadmu i selenku kadmu w postaci sproszkowanej w mieszance z materiałem wiążącym. W procesie produkcyjnym taka mieszanka jest stłaczana na prasie, a następnie spiekana w wysokiej temperaturze. Montaż elektrod światłoczułych na powierzchni fotorezystora odbywa się poprzez naparowanie próżniowe cienkich warstw półprzewodnikowych, uformowanych w kształt grzebieni, rozdzielonych warstwą światłoczułą. Następnie do elektrod są podłączane wyprowadzenia końcowe fotorezystora, a elektrody i powierzchnia światłoczuła są zabezpieczane przezroczystą warstwą ochronną wykonaną najczęściej ze szkła lub tworzywa sztucznego. Charakterystyka spektralna siarczku kadmu zawiera się w charakterystyce spektralnej ludzkiego wzroku. Ten materiał największą czułość wykazuje dla fal świetlnych o długości z przedziału 500 – 600 nm, które są zawarte w spektrum światła widzialnego dla ludzkiego oka (380 – 750 nm).
Zgodnie z dyrektywą RoHS (ang. Risk of Hazardous Substances) ołów i kadm należą do substancji szkodliwych dla środowiska i ich używanie w produkcji elektroniki jest w niektórych krajach prawnie zabronione.
Fotorezystory w zastosowaniach
Najczęściej fotorezystory są wykorzystywane jako czujniki światła. W najprostszej aplikacji mają za zadanie wykrywać obecność lub brak światła, ale mogą także służyć w prostych aplikacjach pomiaru natężenia światła – za popularne przykłady mogą posłużyć światłomierze fotograficzne oraz czujniki zmierzchowe, sterujące załączaniem i wyłączaniem oświetlenia ulic i parków. Fotorezystory są często także używane w konstrukcjach robotów typu line follower biorących udział w zawodach i konkursach. Wówczas fotorezystory współpracują z diodami LED, tworząc w ten sposób prosty system nawigacji, który informuje układ sterowania robota o konieczności zmiany kierunku poruszania się tak, aby śledził tor ruchu, wzdłuż którego robot ma za zadanie przejechać.
W układach elektronicznych, których zadaniem jest wykrywanie światła jako bodźca wyzwalającego załączanie lub wyłączanie obwodów, zwykle istnieje możliwość zmiany nastawy progu zadziałania. Wówczas szeregowo z fotorezystorem jest połączony potencjometr regulacyjny, za pomocą którego można przesunąć charakterystykę fotorezystora, modyfikując w ten sposób progową wartość prądu w jego obwodzie, po której przekroczeniu powstanie spadek napięcia w obwodzie sterowanym, który spowoduje jego załączenie lub wyłączenie – np. cewki przekaźnika lub bramki tranzystora MOSFET sterującego prądem w obwodzie oświetleniowym wnętrza chłodziarko-zamrażarki. W takich i podobnych aplikacjach można także podłączyć fotorezystor do wejścia przetwornika ADC w mikrokontrolerze i za pomocą preskalera wejściowego w timerze programowo nastawić wartość bitową, odpowiadającą napięciu progowemu, po którego przekroczeniu program musi zrealizować instrukcję ustawienia wybranych pinów cyfrowych (do których są podłączone np. przekaźniki obwodów sieciowych) w stan wysoki. Fotorezystory są także popularnie stosowane w technice studyjnej i w elektronice muzycznej, w takich urządzeniach jak kompresory i limitery dźwięku.
Zadaniem takich urządzeń jest korygowanie poziomu wejściowego wzmacniacza w czasie rzeczywistym w momentach, w których wartość szczytowa sygnału audio przekracza ustawiony próg. Taki proces jest realizowany poprzez wzmacnianie tych harmonicznych sygnałów, których amplituda nie przekracza ustawionego progu, co zapobiega przesterowaniu harmonicznych o wartości szczytowej oscylującej w pobliżu nastawionego progu zadziałania kompresora. W takich urządzeniach do realizacji obwodu kompresji sygnału audio używa się optocouplera, tj. fotorezystora zamkniętego w chroniącej przed światłem obudowie wraz z diodą LED, która jest podłączona do źródła sygnału. Wówczas zmiany w natężeniu światła emitowanego przez diodę LED odpowiadają zmianom poziomu sygnału audio (napięcia elektrycznego, które odwzorowuje ten sygnał). Z uwagi na obecność zjawiska latencji w fotorezystorach, narastanie i opadanie sygnału audio ulega wygładzeniu. W takich aplikacjach optymalny czas latencji mieści się w 100ms. Dźwięk jest wówczas skutecznie pozbawiany niezamierzonych zniekształceń.
