Snímače světla

Snímač světla generuje výstupní signál udávající intenzitu světla měřením zářivé energie, která se vyskytuje ve velmi úzkém rozsahu frekvencí, v podstatě nazývaném „světlo“, a jejíž frekvence se pohybuje od „infračerveného“ přes „viditelné“ až po „ultrafialové“ světelné spektrum.

Snímač světla je pasivní zařízení, které převádí tuto „světelnou energii“, ať už ve viditelné nebo infračervené části spektra, na výstupní elektrický signál. Světelné senzory se častěji označují jako „fotoelektrická zařízení“ nebo „fotosenzory“, protože přeměňují světelnou energii (fotony) na elektrickou energii (elektrony).

Fotoelektrická zařízení lze rozdělit do dvou hlavních kategorií, na zařízení, která při osvětlení generují elektrickou energii, jako jsou fotovoltaická zařízení nebo fotoemisní zařízení atd., a na zařízení, která nějakým způsobem mění své elektrické vlastnosti, jako jsou fotorezistory nebo fotovodiče. Z toho vyplývá následující klasifikace zařízení.

• – Fotoemisní články – Jedná se o fotozařízení, která při dopadu fotonu o dostatečné energii uvolňují volné elektrony ze světlocitlivého materiálu, jako je cesium. Množství energie fotonů závisí na frekvenci světla a čím vyšší je frekvence, tím více energie fotony mají a přeměňují světelnou energii na elektrickou.
• – Fotovodivé články – Tato fotozařízení mění svůj elektrický odpor, když jsou vystavena světlu. Fotovodivost je výsledkem dopadu světla na polovodičový materiál, který řídí průtok proudu tímto materiálem. Více světla tedy zvyšuje proud při daném přiloženém napětí. Nejběžnějším fotovodivým materiálem je sulfid kadmia používaný ve fotočláncích LDR.
• – Fotovoltaické články – Tato fotozařízení vytvářejí emf úměrně přijaté zářivé světelné energii a mají podobný účinek jako fotovodivost. Světelná energie dopadá na dva polovodičové materiály vložené do sebe a vytváří napětí přibližně 0,5 V. Nejběžnějším fotovoltaickým materiálem je selen používaný v solárních článcích.
• – Zařízení s fotopřechodem – Tato fotozařízení jsou především pravé polovodičové součástky, jako je fotodioda nebo fototranzistor, které využívají světlo k řízení toku elektronů a děr přes jejich PN přechod. Fotopřechodová zařízení jsou speciálně navržena pro použití v detektorech a pro průnik světla, přičemž jejich spektrální odezva je vyladěna podle vlnové délky dopadajícího světla.

Fotovodivý článek

Fotovodivý světelný senzor nevyrábí elektřinu, ale pouze mění své fyzikální vlastnosti, když je vystaven světelné energii. Nejběžnějším typem fotovodivého zařízení je fotorezistor, který mění svůj elektrický odpor v reakci na změny intenzity světla.

Fotorezistory jsou polovodičová zařízení, která využívají světelnou energii k řízení toku elektronů, a tedy i proudu, který jimi protéká. Běžně používaný fotovodivý článek se nazývá rezistor závislý na světle neboli LDR.

Odpor závislý na světle

Jak již název napovídá, rezistor závislý na světle (LDR) je vyroben z kousku exponovaného polovodičového materiálu, jako je sulfid kademnatý, který mění svůj elektrický odpor z několika tisíc ohmů ve tmě na pouhých několik set ohmů, když na něj dopadá světlo, a to vytvořením párů díra-elektron v materiálu.

Čistým efektem je zlepšení jeho vodivosti se snížením odporu při zvýšení osvětlení. Fotorezistivní články mají také dlouhou dobu odezvy, která vyžaduje mnoho sekund k reakci na změnu intenzity světla.

Mezi materiály používané jako polovodičový substrát patří sulfid olova (PbS), selenid olova (PbSe), antimonid india (InSb), které detekují světlo v infračervené oblasti, přičemž nejčastěji používaným ze všech fotorezistivních světelných senzorů je sulfid kadmia (Cds).

Sulfid kademnatý se používá při výrobě fotovodivých článků, protože jeho křivka spektrální odezvy přesně odpovídá křivce lidského oka a lze ji dokonce ovládat pomocí jednoduché svítilny jako zdroje světla. Typicky pak má maximální vlnovou délku citlivosti (λp) přibližně 560 nm až 600 nm ve viditelném spektrálním rozsahu.

Fotorezistorový článek závislý na světle

Nejčastěji používaným fotorezistorovým senzorem světla je fotovodivý článek ORP12 na bázi sulfidu kadmia. Tento světelně závislý rezistor má spektrální odezvu přibližně 610 nm ve žluté až oranžové oblasti světla. Odpor článku při neosvětleném stavu (tmavý odpor) je velmi vysoký, přibližně 10 MΩ, který při plném osvětlení klesne na přibližně 100Ω (osvětlený odpor).

Pro zvýšení tmavého odporu, a tedy snížení tmavého proudu, tvoří odporová dráha přes keramický substrát klikatý vzor. Fotočlánek CdS je velmi levné zařízení, které se často používá při automatickém stmívání, detekci tmy nebo soumraku pro zapínání a vypínání pouličního osvětlení a pro aplikace typu fotografických expozimetrů.

Připojení rezistoru závislého na světle do série se standardním rezistorem, jako je tento, přes jedno stejnosměrné napájecí napětí má jednu zásadní výhodu, na jejich spoji se objeví různé napětí pro různé úrovně osvětlení.

Velikost úbytku napětí na sériovém rezistoru, R2, je určena hodnotou odporu rezistoru závislého na světle, RLDR. Tato schopnost generovat různá napětí vytváří velmi šikovný obvod nazývaný „dělič potenciálu“ nebo síťový dělič napětí.

Jak víme, proud procházející sériovým obvodem je společný, a protože LDR mění svou odporovou hodnotu v důsledku intenzity světla, napětí přítomné na VOUT bude určeno vzorcem pro dělič napětí. Odpor LDR, RLDR, se může měnit od přibližně 100Ω na slunečním světle až po více než 10MΩ v absolutní tmě, přičemž tato změna odporu se převede na změnu napětí na VOUT, jak je znázorněno na obrázku.

Jedním z jednoduchých použití rezistoru závislého na světle je použití jako spínače citlivého na světlo, jak je znázorněno níže.

Tento základní obvod světelného senzoru je spínač s reléovým výstupem aktivovaným světlem. Mezi fotorezistorem, LDR a rezistorem R1 je vytvořen obvod děliče potenciálu. Když není přítomno žádné světlo, tj. ve tmě, je odpor LDR velmi vysoký v rozsahu megaohmů (MΩ), takže na tranzistor TR1 je přivedeno nulové předpětí báze a relé je bez napětí neboli „OFF“.

Při zvyšující se úrovni osvětlení začne odpor LDR klesat, což způsobí, že napětí předpětí báze na V1 vzroste. V určitém okamžiku, který je určen sítí děliče potenciálu vytvořenou pomocí rezistoru R1, je napětí předpětí báze dostatečně vysoké, aby se tranzistor TR1 „zapnul“, a tím aktivoval relé, které se následně použije k ovládání některých externích obvodů. Jakmile úroveň světla opět klesne do tmy, odpor LDR se zvýší, což způsobí pokles napětí báze tranzistoru, a tranzistor a relé se „vypnou“ při pevně stanovené úrovni světla, která je opět určena sítí děliče potenciálu.

Záměnou pevného rezistoru R1 za potenciometr VR1 lze bod, ve kterém se relé „zapne“ nebo „vypne“, předem nastavit na konkrétní úroveň světla. Tento výše uvedený typ jednoduchého obvodu má poměrně nízkou citlivost a jeho spínací bod nemusí být konzistentní v důsledku změn teploty nebo napájecího napětí. Citlivější přesný obvod aktivovaný světlem lze snadno vytvořit začleněním LDR do uspořádání „Wheatstoneova můstku“ a nahrazením tranzistoru operačním zesilovačem, jak je znázorněno na obrázku.

Obvod pro snímání úrovně osvětlení

V tomto základním obvodu pro snímání tmy, tvoří rezistor LDR1 závislý na světle a potenciometr VR1 jedno nastavitelné rameno jednoduché sítě odporového můstku, běžně známé také jako Wheatstoneův můstek, zatímco dvě pevné rezistory R1 a R2 tvoří druhé rameno. Obě strany můstku tvoří sítě děliče potenciálu napříč napájecím napětím, jejichž výstupy V1 a V2 jsou připojeny k neinvertujícímu, resp. invertujícímu napěťovému vstupu operačního zesilovače.

Operační zesilovač je konfigurován jako diferenciální zesilovač známý také jako komparátor napětí se zpětnou vazbou, jehož stav výstupního napětí je určen rozdílem dvou vstupních signálů nebo napětí, V1 a V2. Kombinace rezistorů R1 a R2 tvoří na vstupu V2 pevné referenční napětí, nastavené poměrem obou rezistorů. Kombinace LDR – VR1 poskytuje proměnné vstupní napětí V1 úměrné úrovni světla detekované fotorezistorem.

Stejně jako u předchozího zapojení se výstup z operačního zesilovače používá k ovládání relé, které je chráněno volnoběžnou diodou D1. Když úroveň světla snímaná LDR a jeho výstupní napětí klesne pod referenční napětí nastavené na V2, výstup z operačního zesilovače změní stav, čímž aktivuje relé a sepne připojenou zátěž.

Podobně, jak se úroveň světla zvyšuje, výstup se přepne zpět a „vypne“ relé. Hystereze obou spínacích bodů se nastavuje pomocí zpětnovazebního rezistoru Rf, který lze zvolit tak, aby poskytoval libovolné vhodné napěťové zesílení zesilovače.

Působení tohoto typu obvodu světelného senzoru lze také obrátit, aby se relé „zapnulo“, když úroveň osvětlení překročí úroveň referenčního napětí, a naopak obrácením poloh světelného senzoru LDR a potenciometru VR1. Potenciometr lze použít k „přednastavení“ spínacího bodu diferenciálního zesilovače na libovolnou konkrétní úroveň osvětlení, takže je ideální jako jednoduchý projektový obvod světelného senzoru.

Fotopřechodová zařízení

Fotopřechodová zařízení jsou v podstatě světelné senzory nebo detektory PN-Junction vyrobené z křemíkových polovodičových přechodů PN, které jsou citlivé na světlo a které mohou detekovat úrovně viditelného i infračerveného světla. Fotopřechodová zařízení jsou speciálně vyrobena pro snímání světla a do této třídy fotoelektrických světelných senzorů patří fotodioda a fototranzistor.

Fotodioda.

Konstrukce světelného senzoru fotodiody je podobná konstrukci běžné diody s přechodem PN s tím rozdílem, že vnější plášť diody je buď průhledný, nebo má průhlednou čočku, která soustřeďuje světlo na přechod PN pro zvýšení citlivosti. Přechod bude reagovat na světlo zejména delších vlnových délek, jako je červené a infračervené světlo, spíše než na viditelné světlo.

Tato vlastnost může být problémem pro diody s průhledným tělem nebo tělem ze skleněných kuliček, jako je signální dioda 1N4148. LED diody lze také použít jako fotodiody, protože mohou vyzařovat i detekovat světlo ze svého spoje. Všechny přechody PN jsou citlivé na světlo a lze je použít ve fotovodivém režimu bez napětí, kdy je přechod PN fotodiody vždy „reverzně předpjatý“, takže diodou může protékat pouze svodový nebo temný proud.

Proudově-napěťová charakteristika (I/V křivky) fotodiody bez světla na jejím přechodu (temný režim) je velmi podobná normální signální nebo usměrňovací diodě. Když je fotodioda předpjatá dopředu, dochází k exponenciálnímu nárůstu proudu, stejně jako u normální diody. Při zpětném předpětí se objeví malý zpětný saturační proud, který způsobí zvětšení depleční oblasti, což je citlivá část přechodu. Fotodiody lze také zapojit v proudovém režimu pomocí pevného předpětí na přechodu. Proudový režim je v širokém rozsahu velmi lineární.

Konstrukce a vlastnosti fotodiody

Při použití jako světelný senzor je tmavý proud fotodiody (0 luxů) přibližně 10uA u geraniových a 1uA u křemíkových diod. Když na přechod dopadá světlo, vytváří se více párů díra/elektron a zvyšuje se svodový proud. Tento unikající proud se zvyšuje s rostoucím osvětlením přechodu.

Proud fotodiody je tedy přímo úměrný intenzitě světla dopadajícího na přechod PN. Jednou z hlavních výhod fotodiod při použití jako světelných senzorů je jejich rychlá odezva na změny úrovně osvětlení, ale jednou z nevýhod tohoto typu fotozařízení je relativně malý průtok proudu i při plném osvětlení.

Následující zapojení ukazuje obvod převodníku fotoproudu na napětí s použitím operačního zesilovače jako zesilovacího zařízení. Výstupní napětí (Vout) je dáno jako Vout = IP*Rƒ a které je úměrné charakteristice intenzity světla fotodiody.

Tento typ obvodu také využívá vlastnosti operačního zesilovače se dvěma vstupními svorkami při přibližně nulovém napětí k provozu fotodiody bez předpětí. Tato konfigurace operačního zesilovače s nulovým předpětím poskytuje fotodiodě vysokou impedanční zátěž, což má za následek menší ovlivnění temným proudem a širší lineární rozsah fotoproudu vzhledem k intenzitě záření. Kondenzátor Cf se používá k zabránění oscilací nebo špičkování zesílení a k nastavení šířky výstupního pásma (1/2πRC).

Obvod fotodiodového zesilovače

Fotodiody jsou velmi univerzální světelné senzory, které mohou svůj proudový tok „zapnout“ i „vypnout“ během nanosekund a běžně se používají ve fotoaparátech, měřičích světla, mechanikách CD a DVD-ROM, dálkových ovladačích televizorů, skenerů, faxů a kopírek atd. a po integraci do operačních zesilovacích obvodů jako detektory infračerveného spektra pro optické komunikace, obvody pro detekci pohybu při vloupání a četné zobrazovací, laserové skenovací a polohovací systémy atd.

Fototranzistor

Alternativou k fotodiodě je fototranzistor, což je v podstatě fotodioda se zesílením. Fototranzistorový snímač světla má svůj kolektorový přechod PN-báze reverzně předpjatý, čímž je vystaven zářivému zdroji světla.

Fototranzistory pracují stejně jako fotodioda s tím rozdílem, že mohou poskytovat proudové zesílení a jsou mnohem citlivější než fotodioda, přičemž proudy jsou 50 až 100krát větší než u standardní fotodiody a každý běžný tranzistor lze snadno přeměnit na fototranzistorový snímač světla připojením fotodiody mezi kolektor a bázi.

Fototranzistory se skládají převážně z bipolárního tranzistoru NPN, jehož velká oblast báze není elektricky propojena, ačkoli některé fototranzistory umožňují propojení báze pro řízení citlivosti a které využívají fotony světla ke generování proudu báze, který následně způsobuje tok proudu z kolektoru do emitoru. Většina fototranzistorů jsou typy NPN, jejichž vnější pouzdro je buď průhledné, nebo má průhlednou čočku, která soustřeďuje světlo na bázový přechod pro zvýšení citlivosti.

Konstrukce a vlastnosti fototranzistoru

V tranzistoru NPN je kolektor vůči emitoru kladně předpjatý, takže přechod báze/kolektor je opačně předpjatý. Proto při nedostatku světla na přechodu teče normální svodový nebo temný proud, který je velmi malý. Když na bázi dopadá světlo, vytváří se v této oblasti více párů elektron/díra a proud vzniklý tímto dějem je tranzistorem zesilován.

Obvykle je citlivost fototranzistoru funkcí stejnosměrného proudového zesílení tranzistoru. Celková citlivost je tedy funkcí kolektorového proudu a lze ji řídit připojením odporu mezi bázi a emitor, ale pro aplikace typu optočlenů s velmi vysokou citlivostí se obvykle používají Darlingtonovy fototranzistory.

Fotototranzistory Darlington používají druhý bipolární tranzistor NPN k zajištění dodatečného zesílení nebo v případech, kdy je vyžadována vyšší citlivost fotodetektoru z důvodu nízké úrovně osvětlení nebo selektivní citlivosti, ale jeho odezva je pomalejší než u běžného fototranzistoru NPN.

Fotototranzistory Darlington se skládají z běžného fototranzistoru, jehož emitorový výstup je spojen s bází většího bipolárního tranzistoru NPN. Protože konfigurace darlingtonových tranzistorů dává proudový zisk rovný součinu proudových zisků dvou jednotlivých tranzistorů, vytváří fototarlingtonové zařízení velmi citlivý detektor.

Typické aplikace fototranzistorových světelných senzorů jsou v optoizolátorech, štěrbinových optospínačích, senzorech světelného paprsku, optických vláknech a dálkových ovladačích televizního typu atd. Při detekci viditelného světla jsou někdy nutné infračervené filtry.

Dalším typem polovodičového světelného senzoru s fotopřechodem, který stojí za zmínku, je fototyristor. Jedná se o světlem aktivovaný tyristor nebo křemíkem řízený usměrňovač, SCR, který lze použít jako světlem aktivovaný spínač ve střídavých aplikacích. Jejich citlivost je však obvykle velmi nízká ve srovnání s ekvivalentními fotodiodami nebo fototranzistory.

Pro zvýšení citlivosti na světlo se fototyristory vyrábějí tenčí v okolí přechodu hradla. Nevýhodou tohoto procesu je, že omezuje velikost anodového proudu, který mohou spínat. Pro střídavé aplikace s vyšším proudem se pak používají jako pilotní zařízení v optočlenech pro spínání větších konvenčnějších tyristorů.

Fotovoltaické články.

Nejběžnějším typem fotovoltaického světelného senzoru je solární článek. Solární články přeměňují světelnou energii přímo na stejnosměrnou elektrickou energii ve formě napětí nebo proudu pro napájení odporové zátěže, jako je světlo, baterie nebo motor. Fotovoltaické články se pak v mnoha ohledech podobají baterii, protože dodávají stejnosměrný proud.

Na rozdíl od ostatních fotozařízení, kterým jsme se věnovali výše a která ke své činnosti využívají intenzitu světla i z baterky, však fotovoltaické solární články pracují nejlépe s využitím energie slunečního záření.

Solární články se používají v mnoha různých typech aplikací a nabízejí alternativní zdroj energie k běžným bateriím, například v kalkulačkách, satelitech a nyní i v domácnostech, kde nabízejí formu obnovitelné energie.

Fotovoltaické články jsou vyrobeny z monokrystalických křemíkových přechodů PN, stejně jako fotodiody s velmi velkou světlocitlivou oblastí, ale používají se bez zpětného zkreslení. Ve tmě mají stejné vlastnosti jako velmi velká fotodioda.

Při osvětlení způsobuje světelná energie tok elektronů přes přechod PN a jednotlivý solární článek může generovat napětí v otevřeném obvodu přibližně 0,58 V (580 mV). Solární články mají „kladnou“ a „zápornou“ stranu stejně jako baterie.

Jednotlivé solární články lze spojit do série a vytvořit tak solární panely, které zvyšují výstupní napětí, nebo je spojit paralelně a zvýšit tak dostupný proud. Komerčně dostupné solární panely se udávají ve wattech, což je součin výstupního napětí a proudu (volty krát ampéry) při plném osvětlení.

Charakteristika typického fotovoltaického solárního článku.

Výkon dostupného proudu ze solárního článku závisí na intenzitě světla, velikosti článku a jeho účinnosti, která je obecně velmi nízká a pohybuje se kolem 15 až 20 %. Pro zvýšení celkové účinnosti článku se v komerčně dostupných solárních článcích používá polykrystalický křemík nebo amorfní křemík, které nemají krystalickou strukturu a mohou generovat proudy mezi 20 až 40 mA na cm2.

Dalšími materiály používanými při konstrukci fotovoltaických článků jsou arsenid galia, diselenid mědi a teflurid kadmia. Každý z těchto různých materiálů má jiné spektrální pásmo odezvy, a lze je tedy „vyladit“ tak, aby produkovaly výstupní napětí při různých vlnových délkách světla.

V tomto výukovém materiálu o světelných senzorech jsme se podívali na několik příkladů zařízení, která jsou klasifikována jako světelné senzory. Patří mezi ně ty s přechody PN i bez nich, které lze použít k měření intenzity světla.