Comprensión del circuito básico de fotoresistores

Question

Soy nuevo en la electrónica, así que no puedo entender cómo funciona este circuito de fotoresistores.

Entiendo lo siguiente:

1. el fotodiodo puede entenderse como una resistencia variable (es decir, funciona en principio igual que una fotoresistencia)
2. Quiero medir la diferencia de voltaje, que es causada por esa resistencia variable

Intuitivamente, me gustaría tomar una medida de voltaje antes (fuente: 5V) y después del diodo. ¿Alguien puede explicar, tal vez usando una analogía intuitiva (por ejemplo, la corriente de agua?), por qué esto sólo funciona con una resistencia adicional (como abajo, copiado de aquí )?

Construí un sensor que funciona usando el fotorresistor del kit de arranque de Arduino ( hoja de datos ) usando una resistencia de 10kOhm y una fuente de 5V, pero quiero entenderlo mejor.

Editar: después de comentarios útiles, esta pregunta es básicamente:
a) ¿Cuál es la diferencia entre un fotodiodo y un resistor?
b) ¿por qué un divisor de voltaje necesita 2 resistencias

Answer 1

El HW5P-1 es en realidad un fototransistor.

Este es el diagrama del circuito de ejemplo de la hoja de datos:

El símbolo del circuito es claramente un fototransistor, independientemente de lo que diga el texto mal traducido.

Un fototransistor y un fotorresistor (como una célula de sulfuro de cadmio) reaccionan ambos a la luz, pero su funcionamiento es fundamentalmente diferente.

A fotoresistencia es una resistencia cuya resistencia cambia en respuesta a la luz.

A fototransistor En realidad, genera corriente a partir de la luz en su unión base-emisor, lo que permite que la corriente fluya a través del colector hacia el emisor. Se trata, en efecto, de una diminuta célula solar conectada a un único transistor amplificador.

Puedes utilizar ambos para detectar la luz, pero debes familiarizarte con su funcionamiento.

Una breve lista de diferencias:

1. Los fotorresistores son lentos. No se puede recibir una señal de luz modulada con ellos. Los fototransistores son mucho más rápido, y puede captar señales luminosas moduladas con señales que pueden alcanzar frecuencias de megahercios.

2. Las fotorresistencias siguen cambiando de resistencia incluso después de que la luz desaparezca. Por esta razón, en las hojas de datos se especifica la "resistencia oscura" para un periodo de tiempo en absoluta oscuridad.

3. Los fotorresistentes suelen ser más sensibles a la luz visible. Los fototransistores suelen ser más sensibles a los infrarrojos. Los resultados pueden ser muy diferentes de lo que esperas si simplemente sustituyes una fotorresistencia por un fototransistor sin tener en cuenta esa diferencia.

4. Tienen diferentes curvas de respuesta. Si utilizas el mismo circuito con ambos, reaccionarán de forma diferente a la misma intensidad de luz. Esto podría cambiar sus umbrales si está utilizando un simple detector de nivel.

Así que, en realidad, no son lo mismo, así que no uses los términos indistintamente.

Pueden llevar a cabo tareas similares, pero hay que utilizar cada una de ellas según lo previsto. Utilizar uno igual que el otro dará malos resultados.

Answer 2

La hoja de datos de este dispositivo no es muy clara. En algunos puntos dice ser un reemplazo de un sensor CdS (es decir, una resistencia cuya resistencia varía con la intensidad de la luz) y en otros puntos parece ser un fotodiodo (es decir, un dispositivo semiconductor que crea una pequeña corriente cuando se ilumina con luz). Algunos detalles de la hoja de datos sugieren que se trata de un fotodiodo (y no de una fotorresistencia), pero incluiré ambos dispositivos en mi respuesta.

Fotodiodo (modo fotoconductor)

Si este dispositivo es realmente un fotodiodo, se puede utilizar un circuito muy similar, pero el principio de funcionamiento (y algunas de las matemáticas) es diferente.

El fotodiodo actúa de forma similar a un diodo normal cuando está polarizado en sentido inverso, lo que significa que bloquea la mayor parte de la corriente y un poco de corriente "se escapa". Por la ley de Ohm, el voltaje de salida es igual a la corriente de fuga por la resistencia (etiquetada R en el esquema de tu pregunta). Esto significa que hay una pequeña tensión de salida incluso si el dispositivo se mantiene en completa oscuridad.

Debido a la física del dispositivo, cuando la luz incide en él, deja pasar más corriente 1 . La corriente adicional hace que la tensión de salida aumente, de nuevo debido a la ley de Ohm.

Un fototransistor actúa de forma similar en el exterior cuando está correctamente polarizado (es decir, permite un poco de corriente de fuga y mucho más cuando está iluminado), pero el principio de funcionamiento implica una física de dispositivo diferente.

Fotodiodo (modo fotovoltaico)

El fotodiodo también puede funcionar como un pequeño panel solar: no está polarizado en sentido inverso con una tensión. Esto evita que la corriente de fuga introduzca ruido de fondo, pero también hace que la corriente sea menor y más difícil de detectar. Para que esta configuración funcione se necesita un circuito especial que utiliza un chip amplificador.

Por razones que no se discuten aquí, este circuito también es más lento. Probablemente no lo utilices a menos que tengas una aplicación especial que lo requiera. Además, el sensor que tiene podría ser inadecuado para este modo, ya que el sitio del fabricante menciona "Amplificador CMOS de micro-señal incorporado" posiblemente integrado en el dispositivo. La hoja de datos no lo menciona, curiosamente.

1 Cuando el diodo está en polarización inversa, se forma una región conocida como región de agotamiento. Esta región contiene pocos electrones y pocos huecos, lo que significa que la corriente tiene dificultades para fluir. La luz puede crear nuevos pares de electrones y huecos, que crean corriente de inmediato.

Célula CdS / fotorresistencia

Si consideramos este dispositivo como un sustituto de una fotorresistencia de CdS (sulfuro de cadmio) con el circuito que muestras, acabamos teniendo un divisor de tensión. Voy a presentar esto primero porque es más simple, y una suposición justa para algunos casos.

simular este circuito - Esquema creado con CircuitLab

Supongamos que la salida está conectada a un pin analógico de Arduino, lo que significa que consume poca o ninguna corriente. Entonces, la corriente de la batería viene dada por \$\frac{5\,\text{V}}{R_1+R_2}\$ porque las resistencias están en serie. Por la ley de Ohm, la tensión de salida es:

$$ 5\,\text{V} + \frac{R_2}{R_1+R_2}$$

Como puedes ver, esta tensión depende del valor de R1, que varía con la luz.

Answer 3

No está claro en la hoja de datos qué tipo de dispositivo tienes exactamente. He respondido basándome en la suposición de que se trata de un fotodiodo o fototransistor.

En primer lugar, un fotodiodo (o fototransistor) actuará más como una fuente de corriente controlada por la luz que como una resistencia variable.

En segundo lugar, considere lo que ocurre si mide la tensión a través de R en lugar de a través del fotodiodo.