Фоторезисторы представляют собой активные полупроводниковые резисторы, чувствительные к световому излучению в широком интервале длин волн, включая ультрафиолетовый и инфракрасный спектры. Для фоторезисторов характерно то, что они обладают высоким сопротивлением в темноте, которое при освещении резко уменьшается. Существует большое разнообразие фЭУ, отличительную особенность которых определяет применяемый светочувствительный элемент.
В сравнении по параметрам с фотодиодами фоторезисторы отличаются высоким отношением светового тока к темновому, однако, значительно уступают фотодиодам в быстродействии. Рабочее напряжение фотодиодов составляет 10…20 В, а фоторезисторов — 1,3…350 В.
На практике ФЭУ выполняются, как правило, в следующих основных вариантах:
— светочувствительный элемент без усилительных элементов в цепи управляющего устройства;
— с использованием усилителя постоянного тока (УПТ);
— с использованием порогового элемента;
— светочувствительный элемент в цепи генератора импульсов;
— с модуляцией управляющего луча.
ФЭУ с фоторезистором или фотодиодом в цепи управляющего устройства без использования усилительных элементов отличаются простотой, но имеют низкую чувствительность и поэтому на практике применяются редко, например в устройствах «автостопа», где источник света находится в непосредственной близости от фоторезистора иди в автоматах включения и отключения ночного освещения, если в качестве исполнительного устройства применить тринисторы или электромагнитные реле с малым током срабатывания, а также для измерения интенсивности светового излучения при включении микроамперметра последовательно с фоторезистором. Световой ток фотодиода намного меньше светового тока фоторезистора и составляет десятки микроампер, поэтому нецелесообразно его ставить в цепи последовательно с исполнительными устройствами без усилительных элементов.
В ФЭУ с УПТ желательно использовать фоторезисторы, так как при увеличении температуры окружающей среды на 30…40 °C темновой ток фотодиодов увеличивается в несколько раз, что вызывает нестабильность работы ФЭУ.
Из применяемых в настоящее время ФЭУ с УПТ можно выделить три основные группы:
1. Фоторезистор включен между базой транзистора первого каскада УПТ и минусом (для транзистора р-n-р структуры) или плюсом (для транзистора n-р-n структуры) источника питания.
2. Фоторезистор включен между базой и эмиттером входного транзистора УПТ.
3. Фоторезистор включен в цепь УПТ, выполненного на интегральных микросхемах.
Однокаскадный УПТ на транзисторе, а также УПТ на составном транзисторе, являющийся разновидностью однокаскадного УПТ с более высоким коэффициентом усиления, применяют в ФЭУ первой группы, например в автоматах управления освещением, в измерительных приборах. Для ФЭУ тревожной сигнализации, в устройствах для подсчета и сортировки штучных изделий и т. п. обычно применяются двухкаскадные УПТ. Повышения чувствительности ФЭУ первой группы можно добиться не только подбором по соответствующим параметрам транзисторов (указано ниже), но и путем увеличения напряжения источника питания. Лучше для питания ФЭУ использовать два источника: один с напряжением 5…20 В для питания УПТ, а другой, с более высоким напряжением, для питания фоторезистора. Подбирая напряжение второго источника в пределах 20…250 В, добиваются наибольшей чувствительности ФЭУ. Практические конструкции ФЭУ с УПТ первой группы приведены в «Радио», 1975, № 3, с. 37 и № 10, с. 64.
ФЭУ, в которых фоторезистор включен между базой и эмиттером транзистора входного каскада УПТ, питаются от источника с меньшим напряжением, чем ФЭУ первой группы. В них не полностью используются возможности фоторезистора, поэтому ФЭУ даже с многокаскадными УПТ по чувствительности уступают ФЭУ с однокаскадными УПТ первой группы. Одно из ФЭУ с УПТ второй группы описано в «Радио», 1980, № 9, с. 38.
Чувствительность ФЭУ с УПТ на транзисторах зависит от статического коэффициента передачи тока (h21э) транзисторов (особенно оконечного) и рабочего тока электромагнитного реле (или других исполнительных элементов). Чем больше коэффициент h21э транзистора и меньше ток реле, тем выше чувствительность ФЭУ. Транзистор, ко входу которого подключается фоторезистор, должен обладать как можно меньшим обратным током коллектора (IKBO < 2 мкА). Лучшие результаты дает применение кремниевых транзисторов.
В радиолюбительской практике используются чаше всего двухкаскадные УПТ на транзисторах, так как построение многокаскадных УПТ связано с усложнением процесса установки режимов работы транзисторов при настройке ФЭУ. Поэтому для дальнейшего повышения чувствительности можно использовать УПТ, выполненные на интегральных микросхемах (ИМС) с высоким коэффициентом усиления. Однако при этом снижается помехозащищенность ФЭУ и использовать его можно при условии неизменности освещенности помещения, в котором установлен фоторезистор.
ФЭУ выполняют на интегральных микросхемах не только для повышения их чувствительности, но и для уменьшения габаритов самих конструкций, повышения экономичности. Кроме того, в автоматических устройствах, выполненных на цифровых ИМС, легче согласовать выход ФЭУ со входом ИМС. Вариант ФЭУ, выполненного па одном элементе 2И-НЕ, описан в «Радио», 1977, № 3, с. 60. По чувствительности оно эквивалентно ФЭУ с однокаскадным УПТ первой группы и ее можно улучшить, если на фоторезистор отдельно подавать большее напряжение источника питания. Следует учесть, что в данном случае логический элемент выполняет функцию не порогового элемента, а УПТ, поэтому если освещенность светочувствительного элемента резко не изменяется, то и напряжение на выходе элемента может быть в пределах 0,4… 2,4 В.
Если в ФЭУ на цифровых ИМС фоторезистор необходимо вынести на несколько метров, то для повышения помехоустойчивости и улучшения согласования с проводной линией связи следует применять логические элементы с открытым коллекторным выходом (например, элементы ИМС K155ЛA7, K155ЛA8) или использовать транзисторный согласующий каскад, который будет повышать и чувствительность ФЭУ.
ФЭУ, в которых в качестве управляющих элементов используются электромагнитные реле, обладают большим гистерезисом, так как ток срабатывания реле больше тока отпускания. Поэтому включение и отключение исполнительных устройств происходит не при одинаковой освещенности фоторезистора. Кроме того, в таких ФЭУ при включении и выключении наблюдается нечеткое срабатывание, проявляющееся в виде «дребезга», особенно в случаях относительно медленного нарастания и убывания среднего уровня освещенности фоторезистора или когда уровень его освещенности имеет значительные колебания относительно среднего уровня. Чтобы избавиться от этих недостатков, нужно обеспечить не плавное, а резкое (скачкообразное) изменение силы тока, проходящего через обмотку реле, т. е. необходимо использовать для этого УПТ, обладающие пороговым эффектом (например, триггеры с эмиттерной связью).
ФЭУ без пороговых элементов чаще всего используют для фотоизмерительных приборов и в тех устройствах, где необходимо плавное изменение значения регулирующего параметра, пропорционально изменению освещенности светочувствительного элемента.
ФЭУ с использованием порогового элемента получили более широкое распространение.
Иногда для простоты в качестве порогового элемента используют стабилитрон, включая его между выходом УПТ и базой транзистора ключевого каскада, нагрузкой которого служит электромагнитное реле или другое управляющее устройство. При достижении на нагрузочном резисторе УПТ падения напряжения, превышающего напряжение пробоя стабилитрона, он открывается и подает напряжение для управления ключевым каскадом. Однако такие устройства имеют ограниченное применение, так как не для всякого ФЭУ можно подобрать стабилитрон с нужным напряжением пробоя, кроме того, следует учитывать и разброс параметров стабилитронов и невозможность плавного регулирования этого порога без усложнения устройства.
