Основные характеристики ФР Сопротивление ФР Различают

1
Основные характеристики ФР
Сопротивление ФР
Различают:
– темновое сопротивление ФР;
– характеристику зависимости сопротивления от падающего потока излучения R(Ф) или освещенности R(E).
Величина темнового сопротивления Rт зависит от формы, размеров, температуры и материала фоточувствительного элемента ФР и колеблется в очень широких пределах
от единиц МОм до десятков и сотен Ом.
1E+09
R(E), Ом
1E+07
1E+05
Под действием светового излучения величина сопротивления
1E+03
ФР быстро уменьшается. Типичная зависимость сопротивления
1E+01
1E-02
E, лк
1E+00
1E+02
1E+04
ФР от освещенности имеет вид.
Эквивалентную схему ФР можно представить в виде параллельного соединения темнового RТ и светового Rе сопротивлений.
С учетом выражения для фотопроводимости можно записать, что
R e = aФ −γ ,
где а – некоторый коэффициент, зависящий от материала и формы ФР, температуры окружающей среды и спектра падающего потока излучения. С ростом
освещенности температурная зависимость сопротивления Rе слабеет.
Формула для общего сопротивления ФР запишется в виде
R ФР
R тRе
R т aФ −γ
=
=
.
R т + R е R т + aФ −γ
Чувствительность фоторезистора
2
Поскольку фотопроводимость ФР обычно намного превосходит его темновую проводимость, то при использовании ФР выполняется условие Iт << Iф,
поэтому
I = Iф = U ип R ФР = Ф γ U ип a .
Для потока излучения известного спектрального состава токовая чувствительность ФР – статический коэффициент преобразования потока излучения в фототок – может быть записана следующим образом:
S = I Ф = Ф γ−1U ип a .
ФР является нелинейным прибором, и его чувствительность уменьшается
с ростом потока излучения. Однако при работе на малом участке характеристики, когда информация заключается в небольших изменениях потока излучения относительно сравнительно большого постоянного среднего уровня,
чувствительность ФР можно считать постоянной, а изменение сопротивления
квазилинейной функцией потока.
Чувствительность ФР пропорциональна приложенному напряжению, но
лишь при малой рассеиваемой мощности, так как нагрев ФР за счет выделения джоулева тепла приводит к существенному снижению чувствительности.
Если поток излучения является функцией длины волны Ф(λ), то чувствительность S(λ) также оказывается функцией длины волны и называется
спектральной чувствительностью ФР.
Спектральная чувствительность S(λ) является функцией температуры,
причем с увеличением температуры происходит уменьшение чувствительности.
Спектральная чувствительность также зависит от материала фоточувствительного слоя и охватывает широкий спектральный диапазон приблизительно от 0,3 до 40 мкм.
3
Постоянная времени и частотная характеристика ФР
Постоянная времени (время установления) τуст позволяет охарактеризо-
вать быстроту, с которой сопротивление ФР принимает новое значение при
скачкообразном изменении потока излучения (освещенности).
Постоянная времени определяется физическими процессами, обуславливающими время жизни свободных носителей заряда. Чувствительность ФР также пропорциональна времени жизни носителей, поэтому требования высокой
чувствительности вступают в противоречие с требованиями быстродействия.
Постоянная времени ФР обычно существенно превосходит постоянную
времени остальной электронной схемы, поэтому быстродействие схемы в целом определяется именно быстродействием ФР.
Постоянная времени зависит от:
– материалов, используемых в ФР – постоянная времени реальных ФР колеблется в пределах от 10 мс до 0,1 мкс;
– способов изготовления ФР;
– перепада амплитуды потока ΔФ, воздействующего на ФР – с ростом
перепада освещенности постоянная времени уменьшается; если среднее значение потока излучения Ф0 существенно превосходит величину перепада ΔФ,
постоянная времени также уменьшается;
– температуры – с ростом температуры возрастает скорость рекомби20lg ( S ( f ) S ( f 0 ) ) , дБ
нации и быстродействие увеличивается.
При воздействии на ФР периодически
0
-3
изменяющегося потока излучения чувстви-
-10
тельность ФР уменьшается, когда частота мо-
-20
дуляции потока становится сравнимой с ве-
-30
личиной, обратной постоянной времени ФР.
-40
1E+0
1E+2
1E+4 f, Гц
Зависимость чувствительности от частоты модуляции потока излучения
обычно представляют в виде частотной характеристики.
Основным параметром, характеризующим частотную характеристику
4
ФР, является частота среза (предельная, граничная частота), для которой
значение чувствительности уменьшается на 3 дБ по сравнению с чувствительностью к немодулированному потоку излучения.
Основные факторы, влияющие на расширение полосы рабочих частот, те
же, что и для уменьшения постоянной времени.
Обнаружительная способность
На обнаружительную способность ФР D* оказывают влияние два основных вида шума:
– внутренние шумы ФР, связанные с тепловым возбуждением носителей
и флуктуациями процессов генерации-рекомбинации;
– внешние шумы, обусловленные фоновым излучением от окружающих
предметов.
Для ФР, чувствительных в ИК-области спектра, внешние шумы, как
правило,
являются
основным
фактором,
ограничивающим
обнаружи-
тельную способность.
Для снижения внешних шумов применяют специальные конструктивные
решения для ограничения поля зрения ФР. Для снижения внутренних шумов
применяют охлаждение ФР.
Обнаружительная способность зависит от:
– длины волны излучения λ – при отклонении λ от максимума спектральной чувствительности λмакс обнаружительная способность ФР снижается;
– частоты модуляции потока – при изменении частоты потока излучения характеристика D* также проходит через максимум, поскольку на низких
частотах начинают преобладать шумы, а на высоких – происходит снижение
чувствительности ФР;
– температуры – с ростом температуры обнаружительная способность
ФР быстро падает;
5
– напряжения питания – с ростом напряжения питания чувствительность
увеличивается, однако и шум заметно растет, поэтому существует оптимальное
значение Uип, для которого обнаружительная способность максимальна.
Эксплуатационные параметры ФР
Основными эксплуатационными параметрами ФР служат:
– максимально допустимая рассеиваемая мощность Pмакс;
– максимально допустимое напряжение Uмакс.
Максимально допустимое напряжение питания цепи ФР (RФР + Rн) при
заданном паспортном значении Uмакс определяется выражением:
U ип ≤ U макс ( R н R ФР + 1) ,
где Rн – сопротивление нагрузки
Если в паспорте ФР указаны оба параметра Uмакс и Pмакс, то следует руководствоваться формулой:
U ип ≤ Pмакс ⎡⎣ U макс ( R н + R ФР ) ⎤⎦ .
На практике оценить максимально допустимую для данного ФР мощность можно по площади фоточувствительного элемента, считая, что на 1 мм
поверхности элемента рассеивается мощность около 1 мВт.
Поскольку максимальная рассеиваемая мощность ограничивается нагревом ФР, можно, применяя внешнее охлаждение или простейший радиатор,
существенно улучшить этот параметр.