Valovastus



Valovastus tai fotoresistori (engl. Photoresistor tai LDR=Light Dependent Resistor) on puolijohdemateriaalista valmistettu vastus, jonka resistanssi laskee lankeavan valon intensiteetin kasvaessa.

Valovastuksia on käytetty alkukantaisissa muodoissa jo 1800-luvun lopulta lähtien jolloin Willoughby Smith keksi seleenin johtavuusominaisuuksien riippuvan valon intensiteetistä.[1] [2]

Photoresistor.gif
Valovastuksen piirrosmerkki
[3]

Toiminta:



Valon intensiteetin ollessa riittävän suuri korkean resistanssin puolijohteeseen absorboituneet fotonit antavat puolijohteen sidotuille elektroneille riittävän määrän energiaa siirtyä valenssivyöltä nk. kielletyn energiavyön yli johtavuusvyölle. Sidoksista irronneet elektronit jättävät jälkeensä aukkoja. Elektroneja ja näin syntyneitä aukkoja kutsutaan varauksen kuljettajiksi ja nämä lisäävät vastuksen johtavuutta eli alentavat resistanssia. Tällainen intrisiittisesti johtava puolijohde ei ole kuitenkaan vastusmateriaalina kovin tehokas, koska sen johtavuus on huono vaikka valon intensiteetti olisi korkeakin.

Yllä kuvattua tapahtumaa voidaan vahvistaa lisäämällä puolijohteeseen epäpuhtauksia (douppaus). Lisätään siis atomeja jotka ovat energia-asteikolla ylempänä. Elektronilla on kapeampi kielletty energiavyö ylitettävänään. Tämä johtaa siihen, että myös sellaiset fotonit, joilla on pienempi energia, ovat riittävän voimakkaita irrottamaan elektronin valenssivyöltä ja lisäämään näin vastuksen johtavuutta. Tällaisen ekstrisiittisesti johtavan vastuksen valoherkkyys on suurempi kuin intrisiittisesti johtavan vastuksen. [4] [5] [6] [7]

Rakenne:



Ohut kerros puolijohdemateriaalia, joka yleensä on kadmiumsulfidia (CdS) tai kadmiumseleeniä (CdSe), on asetettu eristeaineen (yleensä keraaminen) päälle. Kyseisten puolijohdemateriaalien väriherkkyys (eli aallonpituudet joilla ne johtavat), on suurin piirtein sama kuin silmän havaitsema väriskaala. CdS:n suurin herkkyys on 520 nm:n kohdalla, CdSe:n 730 nm:n. Näin ollen ne ovat käytännöllisiä vaihtoehtoja vastuksen materiaaliksi. Jos halutaan vastuksen reagoivan keskipitkän aallonpituuden infrapunavaloon käytetään puolijohdemateriaalina mm. lyijysulfidia (PbS). Germaniumkupari (GeCu) puolijohteita käytetään pitkäaaltoisen infrapunavalon havaitsemiseen.

Puolijohteen päälle tulevat sähköliitokset koostuvat kahdesta vastakkaisilla puolilla olevista kampamaisista limittäin asetetuista metallipinnoista. Puolijohdetta jää näkyviin näiden pintojen väliin jäävän kiemuran verran. Tämän johdosta kontaktipinnan ja puolijohteen kosketuspinta-ala on mahdollisimman suuri. Kun lisäksi kontaktipinnat ovat lähellä toisiaan, kasvaa valovastuksen hyötysuhde.

Komponenttiin kuuluu myös metalliset johtimet ja valovastuspinnan päälle valettava läpinäkyvä pinnoite, joka on yleensä valmistettu keinotekoisesta hartsista. Pinnoitteena voidaan käyttää myös hermeettisesti suljettua metallikoteloa lasi-ikkunalla. [8] [9]

Valovastus.jpg
Kuvassa LDR-komponentti alimmaisena.

Ominaisuudet ja käyttötarkoitukset:


Vastuksen resistanssi kirkkaassa (1000 lux) valossa on luokkaa 100Ohm – 2kOhm. Pimeässä 1MOhm – 100MOhm (tällaiset arvot saavutetaan kuitenkin vasta muutamien sekuntien kuluessa siitä kun valaistus on vaihtunut kirkkaasta pimeäksi). Sen reagointi valoon on hitaanpuoleinen: 200 kOhm/sekunti. Vasteaika (aika, jolloin virta saavuttaa 65% tavoitearvosta valaistuksen vaihtuessa pimeydestä 1000 luxiin) on noin 1-3ms.

Yleistäen voidaan sanoa, että fotoresistoria käytetään siellä missä täytyy ottaa huomioon valon intensiteetin vaihtelu (mm. valaistuksen hämäräkytkimissä, kameroiden valaistusmittareissa sekä palo- ja varashälyttimissä).

Germaniumkupari puolijohteella varustettua valovastusta käytetään mm. astronomisissa laitteissa infrapunatasojen mittaamiseen. [10] [11] [12]
  1. ^ http://en.wikipedia.org/wiki/Photoresistor katsottu 5.02.10
  2. ^ http://www.radio-electronics.com/info/data/resistor/ldr/light_dependent_resistor.php katsottu 5.02.10
  3. ^ http://en.wikipedia.org/wiki/Photoresistor
  4. ^ http://en.wikipedia.org/wiki/Photoresistor
  5. ^ http://de.wikipedia.org/wiki/Fotowiderstand katsottu 5.02.10
  6. ^ http://www.radio-electronics.com/info/data/resistor/ldr/light_dependent_resistor.php
  7. ^ Neil Storey; Electronics - A Systems Approach; 3rd Edition; s. 20-21
  8. ^ http://en.wikipedia.org/wiki/Photoresistor
  9. ^ http://de.wikipedia.org/wiki/Fotowiderstand
  10. ^ http://en.wikipedia.org/wiki/Photoresistor
  11. ^ http://de.wikipedia.org/wiki/Fotowiderstand
  12. ^ http://fi.wikipedia.org/wiki/LDR-valovastus katsottu 5.02.10