Grundlegende Fotowiderstandsschaltung verstehen

Ich bin neu in der Elektronik, daher kann ich mich einfach nicht darum kümmern, wie diese Fotowiderstandsschaltung funktioniert.

Ich verstehe folgendes:

1. Die Fotodiode kann als variabler Widerstand verstanden werden (dh funktioniert im Prinzip genauso wie ein Fotowiderstand).
2. Ich möchte den Spannungsunterschied messen, der durch diesen variablen Widerstand verursacht wird

Intuitiv möchte ich vor (Quelle: 5V) und nach der Diode eine Spannungsmessung durchführen. Kann jemand erklären, vielleicht mit einer intuitiven Analogie (zB Wasserstrom?), Warum dies nur mit einem zusätzlichen Widerstand funktioniert (wie unten, von hier kopiert )?

Ich habe einen funktionierenden Sensor mit dem Fotowiderstand des Arduino-Starter-Kits ( Datenblatt ) unter Verwendung eines 10-kOhm-Widerstands und einer 5-V-Quelle gebaut, möchte ihn aber besser verstehen.

Bearbeiten: Nach hilfreichen Kommentaren lautet diese Frage im Wesentlichen:
a) Was ist der Unterschied zwischen einer Fotodiode und
einem Widerstand ? B) Warum benötigt ein Spannungsteiler 2 Widerstände ?

Der HW5P-1 ist tatsächlich ein Fototransistor.

Dies ist das Diagramm der Beispielschaltung aus dem Datenblatt:

Das Schaltungssymbol ist eindeutig ein Fototransistor, unabhängig davon, was der schlecht übersetzte Text sagt.

Ein Fototransistor und ein Fotowiderstand (wie eine Cadmiumsulfidzelle) reagieren beide auf Licht, unterscheiden sich jedoch grundlegend in ihrer Funktionsweise.

Ein Fotowiderstand ist ein Widerstand, dessen Widerstand sich in Reaktion auf Licht ändert.

Ein Fototransistor erzeugt tatsächlich Strom aus Licht in seiner Basis zum Emitterübergang, wodurch Strom durch den Kollektor zum Emitter fließen kann. Es ist praktisch eine winzige Solarzelle, die an einen einzelnen Transistorverstärker angeschlossen ist.

Sie können beide verwenden, um Licht zu erkennen, aber Sie sollten sich mit deren Funktionsweise vertraut machen.

Eine kurze Liste der Unterschiede:

1. Fotowiderstände sind langsam. Mit ihnen kann man kein moduliertes Lichtsignal empfangen. Fototransistoren sind viel schneller und können Lichtsignale aufnehmen, die mit Signalen moduliert sind, die Megahertzfrequenzen erreichen können.

2. Fotowiderstände ändern ihren Widerstand auch nach dem Erlöschen des Lichts. Aus diesem Grund geben Datenblätter den "Dunkelwiderstand" für einen Zeitraum in absoluter Dunkelheit an.

3. Fotowiderstände reagieren normalerweise am empfindlichsten auf sichtbares Licht. Fototransistoren sind normalerweise am empfindlichsten gegenüber Infrarot. Die Ergebnisse können sehr unterschiedlich sein, wenn Sie nur einen Fotowiderstand durch einen Fototransistor ersetzen, ohne diesen Unterschied zu berücksichtigen.

4. Sie haben unterschiedliche Antwortkurven. Wenn Sie mit beiden dieselbe Schaltung verwenden, reagieren diese unterschiedlich auf dieselbe Lichtintensität. Dies kann Ihre Schwellenwerte ändern, wenn Sie einen einfachen Füllstandsdetektor verwenden.

Also, wirklich, sie sind nicht die gleichen, also verwenden Sie die Begriffe nicht austauschbar.

Sie können ähnliche Aufgaben ausführen, aber Sie müssen jede wie vorgesehen verwenden. Die Verwendung eines wie des anderen führt zu schlechten Ergebnissen.

Das Datenblatt dieses Geräts ist nicht besonders klar. An einigen Stellen soll es sich um einen Ersatz für einen CdS-Sensor handeln (dh um einen Widerstand, dessen Widerstand mit der Lichtintensität variiert), und an anderen Stellen scheint es sich um eine Fotodiode zu handeln (dh um ein Halbleiterbauelement, das bei Beleuchtung einen kleinen Strom erzeugt Licht). Einige Details im Datenblatt deuten darauf hin, dass es sich um eine Fotodiode (und nicht um einen Fotowiderstand) handelt, aber ich werde beide Geräte in meine Antwort aufnehmen.

Fotodiode (photoleitender Modus)

Wenn dieses Gerät tatsächlich eine Fotodiode ist, können Sie eine sehr ähnliche Schaltung verwenden, aber das Funktionsprinzip (und ein Teil der Mathematik) ist unterschiedlich.

Die Fotodiode verhält sich ähnlich wie eine normale Diode, wenn sie in Sperrrichtung vorgespannt ist, was bedeutet, dass sie den meisten Strom blockiert und ein wenig Strom "leckt". Nach dem Ohmschen Gesetz ist die Ausgangsspannung gleich dem Leckstrom mal dem Widerstand (im Schema in Ihrer Frage mit R bezeichnet). Dies bedeutet, dass eine kleine Ausgangsspannung vorliegt, auch wenn das Gerät in völliger Dunkelheit gehalten wird.

Aufgrund der Gerätephysik lässt mehr Licht, wenn es auf das Gerät trifft, mehr Strom durch ¹ . Durch den zusätzlichen Strom steigt die Ausgangsspannung aufgrund des Ohmschen Gesetzes wieder an.

Ein Fototransistor wirkt auf der Außenseite ähnlich, wenn er richtig vorgespannt ist (dh er lässt ein wenig Leckstrom und dann viel mehr, wenn er beleuchtet ist), aber das Arbeitsprinzip beinhaltet eine andere Gerätephysik.

Fotodiode (Photovoltaik-Modus)

Die Fotodiode kann auch wie ein winziges Solarpanel betrieben werden - sie ist nicht mit einer Spannung in Sperrrichtung vorgespannt. Dies verhindert, dass Leckstrom Hintergrundgeräusche einführt, macht den Strom jedoch auch kleiner und schwerer zu erkennen. Eine spezielle Schaltung, die einen Verstärkerchip verwendet, wird benötigt, damit ein solches Setup funktioniert.

Aus Gründen, die hier nicht diskutiert werden, ist diese Schaltung auch langsamer. Sie werden es wahrscheinlich nur verwenden, wenn Sie eine spezielle Anwendung haben, die dies erfordert. Zusätzlich kann der Sensor haben Sie vielleicht für diesen Modus nicht geeignet sein, da die Hersteller - Website Nennungen „Built-in Mikro-Signal - CMOS - Verstärker“ möglicherweise in das Gerät eingebaut. Das Datenblatt erwähnt dies seltsamerweise nicht.

¹ Wenn die Diode in Sperrrichtung vorgespannt ist, wird ein Bereich gebildet, der als Verarmungsbereich bekannt ist. Diese Region enthält wenige Elektronen und wenige Löcher, was bedeutet, dass der Strom nur schwer fließen kann. Licht kann neue Paare von Elektronen und Löchern erzeugen, die sofort Strom erzeugen.

CdS-Zelle / Fotowiderstand

Wenn wir dieses Gerät als Ersatz für einen CdS-Fotowiderstand (Cadmiumsulfid) mit der von Ihnen gezeigten Schaltung betrachten, erhalten wir einen Spannungsteiler. Ich werde dies zuerst vorstellen, weil es am einfachsten ist und in einigen Fällen eine faire Annahme ist.

^{simulieren Sie diese Schaltung - Schema erstellt mit CircuitLab}

Nehmen wir an, dass der Ausgang an einen analogen Arduino-Pin angeschlossen ist, was bedeutet, dass er wenig bis gar keinen Strom zieht. Dann ist der Strom von der Batterie gegeben durch$\frac{5\,\text{V}}{R_1+R_2}$weil die Widerstände in Reihe geschaltet sind. Nach dem Ohmschen Gesetz beträgt die Ausgangsspannung:

Wie Sie sehen können, hängt diese Spannung vom Wert von R1 ab, der mit dem Licht variiert.

Aus dem Datenblatt geht nicht genau hervor, welche Art von Gerät Sie haben. Ich habe unter der Annahme geantwortet, dass dies eine Fotodiode oder ein Fototransistor ist.

Erstens wirkt eine Fotodiode (oder ein Fototransistor) eher wie eine lichtgesteuerte Stromquelle als wie ein variabler Widerstand.

Zweitens überlegen Sie, was passiert, wenn Sie die Spannung an R und nicht an der Fotodiode messen.