Fotorezistor

Fotorezistor

František Kundracik

Katedra experimentálnej fyziky FMFI UK

Na meranie množstva dopadajúceho svetla sa používajú rôzne senzory. Medzi najjednoduchšie patrí fotorezistor. Je to rezistor zhotovený z polovodiča, pričom jeho realizácia umožňuje dopa­danie svetla na veľký povrch súčiastky.

Po dopade fotónov sa v polovodiči naruší elektrónová štruktúra za vzniku párov elektrón – diera, čím elektrický odpor súčiastky poklesne. Citlivosť a presnosť takýchto senzorov síce nie je výnimočná, ale ich použitie na účely demonštračných pokusov má viacero výhod:

• 
  Mierou osvetlenia je veľkosť (presnejšie malosť) elektrického odporu súčiastky, takže pri vysvetľovaní elektrických obvodov pomocou fotorezistora vystačíme s Ohmovým zákonom.
  
• 
  Na vyhodnotenie elektrického odporu môžeme použiť bežný multimeter, bez nutnosti doplniť experiment elektronickými obvodmi pre prevod signálu na elektrické napätie alebo prúd.
  
• 
  Fotorezistory sú lacné (ceny sa pohybujú v rozpätí 30 – 80 Sk za kus).
  

Linearizácia senzora

Ako sme už spomínali vyššie, vodivosť fotorezistora vzrastie, ak naň dopadne svetlo. Vyššia vodivosť (menší odpor) teda znamená, že na fotorezistor dopadá väčšie množstvo svetla. Závislosť vodivosti od osvetlenia nie je však lineárna - nameranie dvojnásobnej vodivosti neznamená, že na senzor dopadlo dvojnásobné množstvo svetla. Pri experimentoch,
v ktorých potrebujeme vyhodnotiť množstvo dopadajúceho svetla, musíme údaj detektora linearizovať – prepočítať vodivosť fotorezis­tora na veličinu úmernú množstvu dopadajúceho svetla.

Postup je jednoduchý: na detektor necháme dopadať postupne rôzne množstvo svetla a pre každú hodnotu zmeriame vodivosť (odpor) fotorezistora. Z takto nameraných hodnôt nakreslíme graf a z neho môžeme potom určiť množstvo dopadajúceho svetla aj pre iné namerané hodnoty vodivosti.

Opis experimentu

Ak sa uspokojíme s relatívnym meraním osvetlenia (nameraná hodnota bude iba úmerná množstvu dopadajúcej energie) z daného zdroja, vystačíme pri linearizácii hodnoty vodivosti fotorezistora aj bez merania skutočného množstva dopadajúceho svetla (luxmetra).

Na linearizáciu urobíme experiment s „bodovým“ zdrojom svetla, u ktorého klesá osvetlenie s druhou mocninou vzdialenosti od zdroja. Pri pokuse vystačíme aj s obyčajnou žiarovkou alebo vreckovým lampášom s LED-diódou, pokiaľ bude vzdialenosť fotorezistora od zdroja svetla aspoň niekoľkonásobne väčšia, než je rozmer svetelného zdroja. Žiarovku s krátkym vláknom alebo LED-diódu možno považovať za bodový zdroj už vo vzdialenosti väčšej než 10 – 20 cm. Usporiadanie experimentu je znázornené na nasledujúcom obrázku.

Schéma experimentu „Linearizácia senzora“

Vzdialenosť d medzi fotorezistorom a zdrojom svetla meníme, pričom pre každú vzdialenosť zmeriame hodnotu R odporu fotorezistora. Hodnoty vzdialenosti volíme hustejšie v blízkosti zdroja svetla.

Intenzita svetla dopadajúceho na fotorezistor je úmerná výrazu 1/d², vodivosť fotorezistora sa rovná 1/R. Grafom vhodným na linearizáciu by teda mohla byť závislosť veličiny 1/R od veli­činy 1/d².

Vyhodnotenie experimentu

Ako vidíme na nasledujúcom grafe, pri použití logaritmických mierok na oboch osiach je priebeh závislosti vodivosti fotorezistora od osvetlenia približne priamkový.

To nasvedčuje, že závislosť vodivosti 1/R fotorezistora od osvetlenia I v oblasti nami name­raných hodnôt by mohla byť mocninná:

1/R = k·Iⁿ

pretože

log(1/R) = log(k) + n·log(I)

Bodmi preložíme metódou najmenších štvorcov mocninnú závislosť a získame vzťahy

1/R = 0,92I^0,68 alebo I  1/R^1,4

Pomocou posledného vzťahu možno prepočítať nameranú hodnotu odporu fotorezistora na veličinu úmernú jeho osvetleniu.

Závislosť vodivosti fotorezistora od osvetlenia – logaritmické mierky na oboch osiach

Koncentrácia farebných roztokov

Princíp merania

Ak dáme do nádobky farebný roztok, prejde cez ňu tým menej svetla, čím je roztok koncentrova­nejší. Ak teda z jednej strany budeme na nádobku svietiť konštantným zdrojom svetla a prejdené svetlo budeme merať fotorezistorom, odpor fotorezistoru bude závisieť od koncentrácie roztoku. Absolútne hodnoty koncentrácie roztoku určíme tak, že si najprv pripravíme sériu roztokov so zná­mymi koncentráciami, zmeriame odpor fotorezistora a nakreslíme si kalibračnú krivku. Pri roztoku s neznámou koncentráciou zmeriame odpor fotorezistora a z kalibračnej krivky určíme koncentráciu roztoku.

Opis experimentu

Schéma experimentu je na nasledujúcom obrázku. Svetlo postupuje zo zdroja, prechádza cez nádobku s roztokom a dopadá na fotorezistor.

Schéma experimentu „Koncentrácia farebných roztokov“

Z nameraných údajov pri známych koncentráciách sme zostrojili graf. Z obrázku vidíme, že závislosť je jednoznačná, a preto sa dá využiť na určovanie koncentrácie roztokov.

Nech sme pri použití roztoku atramentu s neznámou koncentráciou namerali odpor foto­rezistora rovnajúci sa 25 k. S využitím grafu zistíme, že kocentrácia roztoku by mala byť približne 6 %.

Závislosť odporu fotorezistoru od koncentrácie roztoku atramentu

Obsah tuku v mlieku

Princíp experimentu

Pri prechode homogénnym prostredím (napríklad čistou vodou) sa svetlo šíri priamočiaro a nerozptyľuje sa. Preto nie je možné vidieť napríklad dráhu svetla laserového ukazovadla. Ak však do vody pridáme nerozpustné kvapôčky, dráha lúča cez kvapalinu sa zviditeľní. Typickou kvapalinou silne rozptyľujúcou svetlo je mlieko. Tu je za rozptyl svetla zodpovedný hlavne tuk, v menšej miere aj bielkoviny. Bežné mlieko však obsahuje tak veľa rozptyľujúcich častíc, že je až nepriehľadné, nie je možné sledovať v ňom dráhu lúča . Preto na naše experimenty budeme používať mlieko zriedené na 1 %: do 1 dl vody pridáme 1 ml mlieka. Množstvo svetla z laserového ukazovadla, ktoré sa v roztoku rozptýli, bude závisieť od koncentrácie tuku
v mlieku a budeme ho merať fotorezistorom.

Opis experimentu

Schéma experimentu „Obsah tuku v mlieku“

Množstvo rozptýleného svetla je malé, takže celý experiment musíme robiť v tmavom priestore – uzavretej škatuľke.

Vyhodnotenie experimentu

Závislosť odporu fotorezistoru od obsahu tuku vo vzorke.

Z grafu je zrejmé, že metódu možno prakticky využiť na meranie obsahu tuku v mlieku.

Záver

Ako vidno, pomocou fotoodporu možno realizovať jednoduché a pritom preukazné experimenty založené na rozptyle a absorpcii svetla. Experimenty možno ďalej zdokonaľovať a vylepšovať, takže by mohli slúžiť aj ako námety na domáce projekty žiakov.