ФСК-1

Систематическое изучение внутреннего фотоэффекта в сернистом кадмии было начато в 1946 г. в Германии. В результате исследования фотоэлектрических свойств CdS примерно в 1950 г. были созданы первые образцы фотосопротивлений.

В Советском Союзе в 1951 г. в Институте физики АН УССР были разработаны первые типы фотосопротивлений из монокристаллов сернистого кадмия и вскоре был организован их выпуск. Примерно в то же время Б. Т. Коломиец обнаружил фотоэлектрические свойства поликристаллического сульфида кадмия. Совместная работа Б.Т. Коломийца (Ленинградский физико-технический институт АН СССР) и А.О. Олеск (ГосНИИ резисторов и конденсаторов, позднее ставший НИИ "Гириконд") по теме "Цинк" - исследования роли примесей меди и режима термообработки для сульфида кадмия - позволила уже в 1952 г. создать фотосопротивления, которые серийно выпускались нашей промышленностью под марками ФС-К.

Первоначально делали их на опытном заводе при НИИ, а с 1959 года выпуск ФСК-1 был перенесён на завод № 228 Тамбовского Совнархоза, известном нам как завод "Алмаз" им. 50-летия СССР" (г.Котовск Тамбовской области). Встречаются также образцы того периода от Таллинского радиотехнического завода им. Ханса Пегельмана; довольно неожиданно, ибо этот завод известен нам лишь своими транзисторами и микросхемами. Но логика в этом есть, вначале предприятие называлось Завод полупроводниковых сопротивлений, а ТРТЗ оно стало с 1959 года.

Со II полугодия 1982г. фоторезисторы ФСК-1 были сняты с производства, с заменой на ФР-765.

Фоточувствительный элемент этих фотосопротивлений изготовляется путем прессования порошка CdS и последующей специальной термообработки его. Исключительная простота технологии позволила осуществить выпуск фотосопротивлений разнообразных форм и габаритов; сернисто-кадмиевые - самые массовые из отечественных фоторезисторов.

У фотосопротивлений ФС-К1 светочувствительный элемент вмонтирован в пластмассовый корпус со штырьковыми электродами, рассчитанными на включение в октальную ламповую панель. Форма светочувствительной площадки близка к прямоугольной; две противоположные стороны этого прямоугольника - не прямые линии, а дуги окружности диаметром 8 мм.

Электрические параметры

Справочные данные на них из отраслевого каталога.

Отличительной особенностью фотосопротивлений типа ФС-К является большое значение допустимой мощности рассеяния, что позволяет использовать большинство из них в фотоэлектрических схемах без усилительных ламп. От ФС-К можно получать при кратковременном (менее 1 сек) освещении фототок до 100 ма; при импульсе света до 3 сек - 20...25 ма и при непрерывной работе - 1,0...1,5 ма.

Значение предельного рабочего напряжения у фотосопротивлений ФС-К1 лежит в пределах до 400 в. Это обстоятельство дает возможность подключать фотоэлектрические схемы непосредственно к сети переменного тока. Однако ввиду разброса значений как темнового, так и светового сопротивления для отдельных экземпляров ФС-К максимальное рабочее напряжение необходимо определять в каждом отдельном случае, исходя из значения допустимой мощности рассеяния.

Недостатком фотосопротивлений ФС-К является значительная величина постоянной времени по сравнению с сернисто-свинцовыми фотосопротивлениями ФС-А. Для фотосопротивлений ФС-К1 она составляет 20 мс и 30 мс в интервале частот модуляции 10-100 гц при световом потоке, равном 10^-5 лм. Частотная характеристика уже при небольших значениях частот имеет очень крутой спад. Так, при 500 Гц фототок уменьшается на 80%. Это обстоятельство ограничивает применение фотосопротивлений ФС-К. 

Этими фотосопротивлениями охватывается относительно узкая область спектра излучений — от ближней ультрафиолетовой части до ближней инфракрасной, в диапазоне длин волн от 0,4 до 0,8 мкм.

Фотосопротивления ФС-К отличаются высокой стабильностью. После периода старения (300—400 ч) в течение которого чувствительность ФС-К1 уменьшается на 50%, в работе фотосопротивлений никаких изменений не происходит.

В цепи фоторезистора могут возникать фототоки порядка миллиампер. Они являются вполне достаточными для срабатывания различных реле в фотоэлектрических устройствах. Наряду с этим не редки случаи, когда эти же фоторезисторы используются в условиях, где требуется усиление полученных от них сигналов. Наличие высокой чувствительности у этих фоторезисторов позволяет получать высокие значения полезного сигнала для управления работой усилителей.

Вольт-амперные характеристики светового тока сернисто-кадмиевых фоторезисторов имеют линейную зависимость в широкой области изменения рабочих напряжений. Нарушение линейности ВАХ можно наблюдать в двух случаях. Первый случай имеет место у некоторых фоторезисторов в области малых напряжений, значительно меньших, чем рабочее. При увеличении напряжений, прикладываемых к фоторезисторам, от долей вольта до нескольких единиц (3—5 в), световой ток растет нелинейно. Аналогичное отступление от закона Ома в вольт-амперной зависимости светового тока может наблюдаться у фоторезисторов, если к ним прикладываются напряжения значительно более высокие, чем рабочее, и при этом выделяемая на фоторезисторах мощность рассеивания превышает допустимое значение.

В широком интервале освещенностей люкс-амперная зависимость ФСК-1 нелинейная.
При малых освещенностях имеет место пропорциональность между световым током и световым потоком, но при увеличении освещённости возрастание светового тока отстает от роста светового потока.

Однако явного участка насыщения светового тока нет. При столь большой освещенности, как 150000 лк, насыщения светового тока у фоторезистора ФСК-1 не было обнаружено.

При практическом использовании фоторезисторов помимо постоянной времени в обычном понимании часто необходимо знать время, за которое световой ток (ток освещенного фоторезистора) достигает того или иного уровня по отношению к установившемуся значению:

Сопоставляя данные таблиц, можно получить следующую картину. Время, в течение которого фототок достигает уровня 20% от установившегося значения при освещенности и затемнении, примерно в 2—7 раз меньше постоянной времени. Уровня 90% фототок при засветке фоторезисторов достигает за время, которое в 3—5 раз больше постоянной времени по нарастанию. При затемнении фоторезистора ток в его цепи на 90% падает за время, в 2— 5 раз больше постоянной времени по спаданию.
Факт достижения фототоком уровня 20% за незначительный промежуток времени говорит о том, что в первый момент освещения или затемнения ток изменяется с большой скоростью. При практическом использовании фоторезисторов, если фотоэлектрическое устройство настроить так, что при изменении светового тока на 20% фотореле будет срабатывать, инерционность его будет достаточно малой.

Если площадь фоторезистора засвечивается полностью или частично, но таким образом, что световое пятно захватывает оба электрода, то инерционность фоторезистора всегда будет одинаковой.
Совершенно иначе ведет себя постоянная времени в случае, когда световой пучок освещает область, прилегающую к одному из двух электродов, или промежуток между ними, оставляя в темноте часть рабочей площадки. Если световое пятно освещает только половину рабочей площади, то инерционность возрастет примерно в 10 раз по сравнению с инерционностью, измеренной при полном освещении фоторезистора.
Столь резкое ухудшение инерционности объясняется тем, что последовательность с освещенным участком фоторезистора подключается часть поверхности фоторезистора, находящаяся в темноте и имеющая большое темновое сопротивление. Если освещается меньше половины рабочей поверхности, то инерционность будет еще

Окружающая температура при своем колебании наряду с другими параметрами изменяет инерционность фоторезисторов, причем увеличение температуры приводит к уменьшению постоянной времени фоторезисторов. При этом уменьшается постоянная времени по нарастанию и по спаданию. При охлаждении фоторезисторов инерционность их возрастает. Возрастание инерционности при уменьшении температуры является характерным для всех фоторезисторов. Графически характер зависимости постоянной времени от температуры представлен на рисунке:

По сравнению с комнатной температурой постоянная времени ФСК-1 при —60° С оказывается в 1,5—3 раза выше. При температуре +85° С постоянная времени у этих же фоторезисторов примерно в 1,3 раза меньше, чем постоянная времени, измеренная при +20° С.

Уровень освещенности сильно сказывается на постоянной времени фоторезисторов. Имеет место следующая связь между ними: чем выше освещенность, тем меньше инерционность. Освещенность оказывает влияние на постоянную времени и по нарастанию, и по спаданию. Характер влияния одинаков.
Фоторезисторы не всегда защищены от посторонних источников света. В этих случаях, помимо рабочего светового потока, который они должны регистрировать, на фоторезистор попадает рассеянный свет от других источников (фоновая подсветка):

Вывод из рассмотрения данных таблицы может быть сделан такой: дополнительная подсветка видимым светом уменьшает инерционность фоторезисторов. Влияние ее особенно сильно проявляется в том случае, если фоторезистор работает при слабых световых потоках. Чем выше дополнительная подсветка, тем сильнее она уменьшает постоянную времени. Чем выше рабочий световой поток, тем слабее проявляется роль подсветки. 

Из сказанного следует, что в отношении инерционности постоянная подсветка невредна. В некоторых случаях применения фоторезисторов ею можно воспользоваться как средством для уменьшения их инерционности.

В тех случаях, когда необходимо избежать влияния посторонней подсветки, а защитить фоторезисторы полностью от нее не удается, прибегают к модулированию рабочего светового потока. С увеличением частоты модуляции светового потока чувствительность фоторезисторов уменьшается. Но, несмотря на крутую частотную характеристику, при сравнительно высокой частоте, как 1 000 гц, у фоторезисторов сохраняется сигнал порядка 20%, который превышает уровень шумов фоторезисторов во много раз.

Источники:

1. Б.Т. Коломиец. Фотосопротивления (Новые типы фотоэлементов для автоматики). Стенограмма публичной лекции, прочитанной в Политехническом музее в Москве (из цикла "Воскресные чтения"). - Издательство "Знание". Москва, 1954.
2. Всесоюзная промышленная выставка. Сборник справочных листков. 1956. - Министерство радиотехнической промышленности.
3. М.Д. Гуревич, М.Д. Гуревич – Электровакуумные приборы. Издание второе, переработанное и дополненное. Военное издательство Министерства Обороны Союза ССР. Москва – 1960.
4. Богородицкий Н.П и Пасынков В.В. Материалы в радиоэлектронике. М.-Л., Госэнергоиздат, 1961.
5. М.М. Гринштейн. Фотосопротивления в приборах промышленной автоматики. М.-Л. Госэнергоиздат, 1962 (Библиотека по автоматике, вып.49).
6. Дыкин А.В. Электронные и полупроводниковые приборы. М.-Л., изд-во "Энергия". 1965.
7. Олеск А.О. Фоторезисторы. М.-Л., изд-во "Энергия", 1966 (Библиотека по автоматике, вып. 215)
8. Справочник по полупроводниковым приборам. Лавриненко В. Ю. Изд. четвертое, переработанное и дополненное. "Техника", 1966.
9. Верхопятницкий П.Д. Электрические элементы судовых радиоэлектронных и вычислительных устройств. Л.: Судостроение, 1967.
10. Расчет фотоэлектрических цепей. Под ред. С. Ф. Корндорфа. М., "Энергия", 1967.
11. П.В. Николаев, Ю.А. Сабинин. Фотоэлектрические следящие системы. Л., "Энергия, 1969 (Б-ка по автоматике. Вып. 345).
12. Калинчук Б.А., Пичугин О.А. Модуляторы малых сигналов. Л., "Энергия", 1972.
13. Изнар А.Н., Павлов А.В., Федоров Б.Ф. Оптико-электронные приборы космических аппаратов. - Москва, «Машиностроение», 1972
14. Сопротивления. Справочник. Том 1. ВНИИ "Электронстандарт", 1977.
15. Криксунов Л.З. Справочник по основам инфракрасной техники. - М.: Сов. Радио, 1978.
16. Справочник конструктора оптико-механических приборов./В. А. Панов, М. Я. Кругер, В. В. Кулагин и др.; Под общ. ред. В. А. Панова. - 3-е изд., перераб. и доп. - Л.: Машиностроение, Ленингр. Отд-ние, 1980.
17. Резисторы. Справочник. Том III. ВНИИ "Электронстандарт", 1980.
18. Измерительные преобразователи. Е.С. Полищук.- Киев: Вища школа. Головное изд-во, 1981.
19. Лавриненко В.Ю. Справочник по полупроводниковым приборам. 10-е изд., перераб. и доп. - К.: Технiка, 1984.
20. Полупроводниковые фотоприемники: Ультрафиолетовый, видимый и ближний инфракрасный диапазоны спектра/ И.Д. Анисимова, И.М. Викулин, Ф.А. Заитов, Ш.Д. Курмашев; Под. ред. В.И. Стафеева.- М.: Радио и связь, 1984.
21. Основы промышленной электроники: учеб. для неэлектротехн. спец. вузов/В.Г. Герасимов, О.М. Князьков, А.Е. Краснопольский, В.В. Сухоруков; Под ред. В.Г. Герасимова.- 3-е изд., перераб. и доп.- М.: Высш. шк., 1986.
22. Креопалова В.Г., Лазарева Н. Л., Пуряев Д. Т. Оптические измерения: Учебник для вузов по специальностям "Оптико-электронные приборы" и "Технология оптического приборостроения"/Под общ. ред. Д. Т. Пуряева. - М,: Машиностроение, 1987
23. Ю.В. Зайцев и др. Полупроводниковые резисторы в электротехнике/ Ю.В. Зайцев, А.Н. Марченко, И.И. Ващенко.- М.: Энергоатомиздат. 1988.

домой