Fotokomórka (fotorezystor) — co to jest, działanie i zastosowania

Jak to działa?

Fotorezystory działają na zasadzie fotoprzewodnictwa. To zjawisko polega na tym, że fotony padające na materiał półprzewodnikowy dostarczają energii elektronowi, dzięki czemu elektrony przechodzą do pasma przewodnictwa i mogą przewodzić prąd. Im więcej światła (więcej fotonów), tym więcej nośników ładunku i tym mniejsza rezystancja elementu.

Materiały i parametry

• Popularne materiały: CdS (siarczek kadmu), CdSe, PbS, dawniej selen. Każdy materiał ma inną czułość spektralną i czas reakcji.
• Rezystancja: w pełnym świetle rzędu kilkudziesięciu–kilku tysięcy omów; w ciemności może sięgać megaomów. Dokładne wartości zależą od typu i producenta.
• Czułość spektralna: fotokomórki na bazie CdS są najczułe w zakresie widzialnym (szczególnie zielonym), mniej w UV i IR.
• Czas reakcji: typowo kilkadziesiąt do kilkuset milisekund — wolniej niż fotodiody i fototranzystory. Czas opadania (odzysku) może być dłuższy niż narastania.
• Temperaturowa zależność: rezystancja zależy od temperatury, co trzeba uwzględnić w dokładnych zastosowaniach.
• Środowisko: niektóre materiały (np. kadm) są toksyczne — brak odpowiedniej utylizacji i ekspozycja mogą być szkodliwe.

Typowe zastosowania

• Automatyczne włączanie oświetlenia (np. lampy uliczne, ogrodowe) — „dusk-to-dawn”.
• Proste czujniki natężenia światła w urządzeniach AGD, zabawkach, zasilaczach.
• Systemy alarmowe wykrywające nagłą zmianę oświetlenia (np. rozbłysk światła).
• Regulatory jasności wyświetlaczy lub lamp.
• Fotometry i układy pomiaru natężenia światła w amatorskich projektach.
• W układach edukacyjnych i prototypach jako tani czujnik światła.

Przykładowe użycie w obwodzie

Najprostszy sposób wykorzystania fotorezystora to połączenie go w dzielniku napięcia z rezystorem stałym, podając wynik na wejście ADC mikrokontrolera lub na wejście wzmacniacza porównawczego (komparatora). Dla dzielnika napięcia możemy zapisać:

Vout = Vin * Rfixed / (Rfixed + R_LDR)

Aby zrealizować punkt załączania np. o określonej jasności, dobiera się Rfixed zbliżony do spodziewanej rezystancji fotorezystora przy tej jasności. Do przełączania bez mikrokontrolera stosuje się prosty komparator (np. LM358) z regulacją progu (potencjometrem).

Zalety i ograniczenia

• Zalety: niska cena, prostota użycia, brak potrzeby zasilania samego czujnika (pasywny element), dobra czułość w widzialnym paśmie.
• Ograniczenia: nieliniowa charakterystyka, wolniejsza odpowiedź niż fotodiody, zależność od temperatury, możliwość zawilgocenia wpływającego na pomiary, toksyczność niektórych materiałów.

Porady praktyczne

• Jeśli potrzebujesz szybkiej i liniowej odpowiedzi, rozważ fotodiodę lub fototranzystor zamiast LDR.
• Chronić fotokomórkę przed wilgocią i bezpośrednim kontaktem z zanieczyszczeniami; czasami stosuje się osłony z przezroczystego tworzywa.
• Kalibruj układ w warunkach rzeczywistych — wpływ oświetlenia zewnętrznego i kąta padania światła może być znaczący.
• Przy projektach wymagających zgodności z przepisami środowiskowymi wybieraj elementy bezkadmowe lub alternatywne czujniki światła.

Fotokomórka (fotorezystor) to prosty, tani i wszechstronny czujnik światła, idealny do wielu zastosowań hobbystycznych i przemysłowych, o ile weźmie się pod uwagę jego ograniczenia i właściwie dobierze układ elektroniczny.