Практическая работа специальности 09.02.01.

Практическое занятие № 29

Тема: «Изучение подключения и использования фоторезистора в схемах управления»

Цель: ознакомиться с подключением устройств к микроконтроллеру и написанием программ для управления ими

Теория

У полупроводниковых материалов есть много интересных свойств. Одно из них – изменение сопротивления под действием света.  Электрическое сопротивление полупроводниковых элементов используется в приборах под названием фоторезистор. Управление внутренним сопротивлением полупроводниковых приборов с помощью световых потоков широко применялось в устаревших конструкциях, реже в современной электротехнике.

Название «фоторезистора» представляет собой комбинацию слов: фотон (легкие частицы) и резистор. 

Фоторезистор — это тип резистора, сопротивление которого уменьшается при увеличении интенсивности света. Другими словами, поток электрического тока через фоторезистор увеличивается, когда интенсивность света увеличивается.

Фоторезисторы также иногда называют LDR (светозависимым резистором), полупроводниковым фоторезистором, фотопроводником или фотоэлементом. Фоторезистор меняет свое сопротивление только при воздействии света.

Принцип работы фоторезистора

Когда свет падает на фоторезистор, некоторые из валентных электронов поглощают энергию света и разрушают связь с атомами. Валентные электроны, которые разрушают связь с атомами, называются свободными электронами.

Когда энергия света, приложенная к фоторезистору, сильно увеличивается, большое количество валентных электронов получает достаточно энергии от фотонов и разрушает связь с родительскими атомами. Большое количество валентных электронов, которые нарушают связь с родительскими атомами, попадет в зону проводимости.

Электроны, присутствующие в зоне проводимости, не принадлежат ни одному атому. Следовательно, они свободно перемещаются из одного места в другое. Электроны, которые свободно перемещаются из одного места в другое, называются свободными электронами.

Когда валентный электрон покинул атом, в определенном месте атома, из которого вышел электрон, создается пустое место. Эта место называется дырой. Следовательно, свободные электроны и дырки генерируются в виде пар.

Свободные электроны, которые свободно перемещаются из одного места в другое, переносят электрический ток. Аналогичным образом, дырки, движущиеся в валентной зоне, переносят электрический ток. Аналогично, и свободные электроны, и дырки будут нести электрический ток. Количество электрического тока, протекающего через фоторезистор, зависит от количества генерируемых носителей заряда (свободных электронов и дырок).

Когда энергия света, приложенная к фоторезистору, увеличивается, число носителей заряда, генерируемых в фоторезисторе, также увеличивается. В результате электрический ток, протекающий через фоторезистор, увеличивается.

Увеличение электрического тока означает снижение сопротивления. Таким образом, сопротивление фоторезистора уменьшается, когда интенсивность приложенного света увеличивается.

Фоторезисторы делаются из полупроводника с высоким сопротивлением, такого как кремний или германий. Они также сделаны из других материалов, таких как сульфид кадмия или селенид кадмия.

При отсутствии света фоторезисторы действуют как материалы с высоким сопротивлением, тогда как при наличии света фоторезисторы действуют как материалы с низким сопротивлением.

Советуем вам посмотреть лучшее видео на тему фоторезистора, в котором вы узнаете очень подробно принцип работы фоторезистора:

Типы фоторезисторов

Фоторезисторы делятся на два типа в зависимости от материала, из которого они изготовлены:

·                     Внутренний фотоэффект

·                     Внешний фотоэффект

Фоторезистор с внутренним фотоэффектом

Собственные фоторезисторы изготавливаются из чистых полупроводниковых материалов, таких как кремний или германий. Внешняя оболочка любого атома способна содержать до восьми валентных электронов. Однако в кремнии или германии каждый атом состоит только из четырех валентных электронов. Эти четыре валентных электрона каждого атома образуют четыре ковалентных связей с соседними четырьмя атомами, чтобы полностью заполнить внешнюю оболочку. В результате ни один электрон не остается свободным.

Когда мы применяем световую энергию к фоторезистору с внутренним эффектом, только небольшое количество валентных электронов получает достаточно энергии и освобождается от родительского атома. Следовательно, генерируется небольшое количество носителей заряда. В результате через внутренний фоторезистор протекает только небольшой электрический ток.

Мы уже знали, что увеличение электрического тока означает снижение сопротивления. В фоторезисторах с внутренним фотоэффектом сопротивление несколько уменьшается с увеличением энергии света. Следовательно, внутренние фоторезисторы менее чувствительны к свету. Поэтому они не надежны для практического применения.

Фоторезистор с внешним фотоэффектом

Фоторезисторы с внешним фотоэффектом изготовлены из внешних полупроводниковых материалов. Рассмотрим пример внешнего фоторезистора, изготовленного из комбинации атомов кремния и примеси фосфора.

Каждый атом кремния состоит из четырех валентных электронов, а каждый атом фосфора состоит из пяти валентных электронов. Четыре валентных электрона атома фосфора образуют четыре ковалентные связи с соседними четырьмя атомами кремния. Однако пятый валентный электрон атома фосфора не может образовывать ковалентную связь с атомом кремния, поскольку атом кремния имеет только четыре валентных электрона. Следовательно, пятый валентный электрон каждого атома фосфора освобождается от атома. Таким образом, каждый атом фосфора генерирует свободный электрон.

Свободный электрон, который генерируется, сталкивается с валентными электронами других атомов и делает их свободными. Аналогичным образом, один свободный электрон генерирует несколько свободных электронов. Следовательно, добавление небольшого количества примесных (фосфорных) атомов генерирует миллионы свободных электронов.

В внешних фоторезисторах у нас уже есть большое количество носителей заряда. Следовательно, обеспечение небольшого количества световой энергии генерирует еще большее количество носителей заряда. Таким образом, электрический ток быстро увеличивается.

Увеличение электрического тока означает снижение сопротивления. Следовательно, сопротивление внешнего фоторезистора быстро уменьшается с небольшим увеличением приложенной световой энергии. Внешние фоторезисторы надежны для практического применения.

Символ фоторезистора на схеме

Символ американского стандарта и символ международного фоторезистора показаны на рисунке.

Преимущества и недостатки фоторезистора

Преимущества фоторезистора

·                     Маленький по размеру

·                     Бюджетный

·                     Легко переносить из одного места в другое.

Недостатки фоторезистора

·                     Точность фоторезистора очень низкая.

Ход работы

Задание 1                  

Изучить подключение фоторезистора, пройдя по ссылке: https://www.youtube.com/watch?time_continue=58&v=0scWbCem3KM&feature=emb_logo

 Сделать краткое описание

Задание 2. Построение схем подключения.

Спроектируйте схему управления освещённостью на фоторезисторе, взяв за основу Arduino Uno. Напишите программу, которая управляет схемой освещённости.

Контрольные вопросы

1. Дайте понятие собственных и примесных (донорных и акцепторных) полупроводников.

2. Каковы температурные зависимости проводимости металлов и полупроводников?

3. Что такое внутренний фотоэффект? Проведите сравнение с внешним фотоэффектом.

4. Объясните механизм фотопроводимости чистых и примесных полупроводников.

5. Основные характеристики фоторезистора. Вольтамперная характеристика.

Скачано с www.znanio.ru