Fényérzékelők

A fényérzékelő a fény intenzitását jelző kimeneti jelet generál a sugárzó energia mérésével, amely egy nagyon szűk frekvenciatartományban létezik, amelyet alapvetően “fénynek” neveznek, és amelynek frekvenciája az “infravörös”, a “látható” és az “ultraibolya” fényspektrumtól terjed.

A fényérzékelő egy passzív eszköz, amely ezt a “fényenergiát”, akár látható, akár a spektrum infravörös részein, elektromos kimeneti jellé alakítja. A fényérzékelőket általában “fotoelektromos eszközöknek” vagy “fotoérzékelőknek” nevezik, mivel a fényenergiát (fotonokat) elektromossággá (elektronokká) alakítják át.

A fotoelektromos eszközök két fő csoportba sorolhatók: azok, amelyek megvilágításkor elektromosságot termelnek, mint például a fotoelektromos vagy fotoemissziók stb., és azok, amelyek valamilyen módon megváltoztatják elektromos tulajdonságaikat, mint például a fotoellenállások vagy a fotovezetők. Ez az eszközök következő osztályozásához vezet.

• – Fényemissziós cellák – Ezek olyan fotóeszközök, amelyek egy fényérzékeny anyagból, például céziumból szabad elektronokat szabadítanak fel, ha megfelelő energiájú foton éri őket. A fotonok energiájának mennyisége a fény frekvenciájától függ, és minél magasabb a frekvencia, annál több energiával rendelkeznek a fotonok, amelyek a fényenergiát elektromos energiává alakítják.
• – Fényvezető cellák – Ezek a fotóeszközök fény hatására változtatják elektromos ellenállásukat. A fotovezetés abból ered, hogy a fény egy félvezető anyagot ér, amely szabályozza az áramáramlást rajta keresztül. Így több fény növeli az áramot egy adott alkalmazott feszültség mellett. A leggyakoribb fotovezető anyag az LDR fotocellákban használt kadmium-szulfid.
• – Fotovoltági cellák – Ezek a fotóeszközök a beérkező sugárzó fényenergiával arányos emf-et generálnak, és hatásuk hasonló a fotovezetéshez. A fényenergia két egymás mellé helyezett félvezető anyagra esik, ami körülbelül 0,5 V-os feszültséget hoz létre. A leggyakoribb fotovoltaikus anyag a napelemekben használt szelén.
• – Fotó-összeköttetéses eszközök – Ezek a fotóeszközök főként valódi félvezető eszközök, mint például a fotodióda vagy a fototranzisztor, amelyek fényt használnak az elektronok és lyukak áramlásának szabályozására a PN-összeköttetésükön keresztül. A fotoelágazásos eszközöket kifejezetten detektoros alkalmazásra és fénybehatolásra tervezték, spektrális válaszuk a beeső fény hullámhosszához van hangolva.

A fotovezető cella

A fotovezető fényérzékelő nem termel villamos energiát, hanem egyszerűen megváltoztatja fizikai tulajdonságait, amikor fényenergiának van kitéve. A fotovezető eszközök leggyakoribb típusa a fotorezisztor, amely a fényintenzitás változására reagálva megváltoztatja elektromos ellenállását.

A fotorezisztorok olyan félvezető eszközök, amelyek fényenergiát használnak az elektronok áramlásának, és így a rajtuk átfolyó áramnak a szabályozására. Az általánosan használt fotovezető cellát fényfüggő ellenállásnak vagy LDR-nek nevezik.

A fényfüggő ellenállás

Amint a neve is mutatja, a fényfüggő ellenállás (LDR, Light Dependent Resistor) egy darab exponált félvezető anyagból, például kadmium-szulfidból készül, amely a sötétben több ezer ohmról mindössze néhány száz ohmra változtatja elektromos ellenállását, amikor fény esik rá, azáltal, hogy lyuk-elektron párokat hoz létre az anyagban.

A nettó hatás a vezetőképesség javulása, a megvilágítás növekedése esetén az ellenállás csökkenésével. A fotorezisztív cellák hosszú reakcióidővel rendelkeznek, és sok másodpercet igényelnek a fényintenzitás változására való reagáláshoz.

A félvezető szubsztrátként használt anyagok közé tartozik az ólomszulfid (PbS), az ólomszelenid (PbSe), az indium-antimonid (InSb), amelyek az infravörös tartományban érzékelik a fényt, a fotorezisztív fényérzékelők közül pedig a leggyakrabban használt a kadmium-szulfid (Cds).

A kadmium-szulfidot azért használják a fotovezető cellák gyártásához, mert spektrális válaszgörbéje nagymértékben megegyezik az emberi szemével, és még egy egyszerű zseblámpával mint fényforrással is vezérelhető. Jellemzően a látható spektrális tartományban az érzékenységi csúcs hullámhossza (λp) körülbelül 560 nm és 600 nm között van.

A fényfüggő ellenállásos cella

A leggyakrabban használt fotorezisztív fényérzékelő az ORP12 kadmium-szulfid fotovezető cella. Ennek a fényfüggő ellenállásnak a spektrális válasza körülbelül 610 nm a fény sárga-narancs tartományában. A cella ellenállása megvilágítatlan állapotban (sötét ellenállás) nagyon magas, kb. 10MΩ, ami teljes megvilágítás esetén kb. 100Ω-ra csökken (világító ellenállás).

A sötét ellenállás növelése és ezáltal a sötétáram csökkentése érdekében az ellenállás útja cikk-cakkos mintázatot alkot a kerámia hordozón. A CdS fotocella egy nagyon alacsony költségű eszköz, amelyet gyakran használnak automatikus sötétítésben, sötétség- vagy szürkületérzékelésben az utcai lámpák “ON” és “OFF” kapcsolására, valamint fényképészeti expozíciómérő típusú alkalmazásokban.

A fényfüggő ellenállás és egy ilyen szabványos ellenállás sorba kapcsolásának egyetlen egyenáramú tápfeszültségen keresztül egy nagy előnye van: a különböző fényszintek esetén különböző feszültség fog megjelenni a csomópontjukon.

A soros ellenálláson, R2-n keresztüli feszültségesés mértékét a fényfüggő ellenállás, RLDR ellenállási értéke határozza meg. Ez a különböző feszültségek létrehozásának képessége egy nagyon praktikus áramkört hoz létre, amelyet “potenciálosztónak” vagy feszültségosztó hálózatnak neveznek.

Mint tudjuk, a soros áramkörön keresztül folyó áram közös, és mivel az LDR a fény intenzitása miatt megváltoztatja ellenállási értékét, a VOUT-on jelenlévő feszültséget a feszültségosztó képlet határozza meg. Egy LDR ellenállása, az RLDR körülbelül 100Ω-tól a napfényben, több mint 10MΩ-ig változhat abszolút sötétségben, és ez az ellenállásváltozás a VOUT-nál lévő feszültségváltozássá alakul át, amint az látható.

A fényfüggő ellenállás egyik egyszerű felhasználási módja a fényérzékeny kapcsoló, mint az alábbiakban látható.

Ez az alapvető fényérzékelő áramkör egy relé kimenetű fényaktivált kapcsoló. A fotorezisztor, az LDR és az R1 ellenállás között egy potenciálosztó áramkör van kialakítva. Amikor nincs fény, azaz sötétben, az LDR ellenállása nagyon magas a Megaohm (MΩ) tartományban, így a TR1 tranzisztorra nulla bázis előfeszítés kerül, és a relé feszültségmentesített vagy “OFF”.

Amint a fényszint növekszik, az LDR ellenállása csökkenni kezd, ami a V1-en lévő bázis előfeszítés feszültségének növekedését okozza. Egy bizonyos ponton, amelyet az R1 ellenállással kialakított potenciálelosztó hálózat határoz meg, a bázis előfeszültség elég magas ahhoz, hogy a TR1 tranzisztort “ON” kapcsolja be, és így aktiválja a relét, amely viszont néhány külső áramkör vezérlésére szolgál. Ahogy a fényszint ismét sötétbe esik vissza, az LDR ellenállása megnő, ami a tranzisztor bázisfeszültségének csökkenését okozza, és a tranzisztort és a relét “KI” kapcsolja egy rögzített fényszintnél, amelyet ismét a potenciálosztó hálózat határoz meg.

Az R1 rögzített ellenállás VR1 potenciométerrel való helyettesítésével a relé “BE” vagy “KI” kapcsolásának pontja előre beállítható egy adott fényszinthez. A fent bemutatott ilyen típusú egyszerű áramkör meglehetősen alacsony érzékenységgel rendelkezik, és a kapcsolási pontja nem biztos, hogy következetes a hőmérséklet vagy a tápfeszültség változása miatt. Egy érzékenyebb precíziós fényaktivált áramkör könnyen elkészíthető az LDR beépítésével egy “Wheatstone-híd” elrendezésbe, és a tranzisztor helyettesítésével egy műveleti erősítővel, ahogy az ábrán látható.

Fényszint-érzékelő áramkör

Ebben az alapvető sötétérzékelő áramkörben, a fényfüggő LDR1 ellenállás és a VR1 potenciométer egy egyszerű ellenállás-hídhálózat, más néven Wheatstone-híd egyik állítható ágát alkotja, míg a két fix R1 és R2 ellenállás a másik ágat. A híd mindkét oldala potenciálosztó hálózatot képez a tápfeszültségen keresztül, amelynek V1 és V2 kimenetei az operációs erősítő nem invertáló, illetve invertáló feszültségbemenetéhez vannak csatlakoztatva.

A műveleti erősítő differenciálerősítőként van konfigurálva, amelyet visszacsatolással rendelkező feszültségkomparátornak is neveznek, amelynek kimeneti feszültségállapotát a két bemeneti jel vagy feszültség, V1 és V2 közötti különbség határozza meg. Az R1 és R2 ellenálláskombináció fix feszültségreferenciát képez a V2 bemeneten, amelyet a két ellenállás aránya határoz meg. Az LDR – VR1 kombináció egy változó V1 bemeneti feszültséget biztosít, amely arányos a fotorezisztor által érzékelt fényszinttel.

Az előző áramkörhöz hasonlóan az operációs erősítő kimenete egy relé vezérlésére szolgál, amelyet egy szabadkerekes dióda, D1 véd. Amikor az LDR által érzékelt fényszint és annak kimeneti feszültsége a V2-nél beállított referenciafeszültség alá esik, az operációs erősítő kimenete állapotot vált, aktiválva a relét és kapcsolva a csatlakoztatott terhelést.

A fényszint növekedésével a kimenet visszavált, és “kikapcsolja” a relét. A két kapcsolási pont hiszterézisét a visszacsatolási ellenállás Rf úgy választható, hogy az erősítő bármilyen megfelelő feszültségerősítést adjon.

Az ilyen típusú fényérzékelő áramkör működése megfordítható úgy is, hogy a relét “ON” kapcsolja, amikor a fényszint meghaladja a referencia feszültségszintet, és fordítva a fényérzékelő LDR és a VR1 potenciométer pozícióinak megfordításával. A potenciométer használható a differenciálerősítő kapcsolási pontjának “előzetes beállítására” bármely adott fényszintre, így ideális egyszerű fényérzékelő projekt áramkörként.

Fotóelágazás eszközök

A fotóelágazás eszközök alapvetően PN-összeköttetésű fényérzékelők vagy detektorok, amelyek szilícium félvezető PN-összeköttetésekből készülnek, amelyek fényérzékenyek, és amelyek mind a látható fény, mind az infravörös fényszintek érzékelésére képesek. A fotoelágazásos eszközök kifejezetten fényérzékelésre készültek, és a fotoelektromos fényérzékelők ezen osztályába tartozik a fotodióda és a fototranzisztor.

A fotodióda.

A fotodiódás fényérzékelő felépítése hasonló a hagyományos PN-összeköttetésű diódákéhoz, kivéve, hogy a diódák külső burkolata vagy átlátszó, vagy átlátszó lencsével rendelkezik, amely a fényt a PN-összeköttetésre fókuszálja a nagyobb érzékenység érdekében. A csomópont különösen a hosszabb hullámhosszú fényre reagál, mint például a vörös és infravörös, nem pedig a látható fényre.

Ez a tulajdonság problémát jelenthet az átlátszó vagy üveggyöngyös testtel rendelkező diódák, például az 1N4148 jelződióda esetében. A LED-ek fotodiódaként is használhatók, mivel a csomópontjukból származó fényt egyszerre képesek kibocsátani és érzékelni. Minden PN-összeköttetés fényérzékeny és használható fényvezető, előfeszítés nélküli feszültség üzemmódban, ahol a fotodióda PN-összeköttetése mindig “fordított előfeszítésű”, így csak a dióda szivárgási vagy sötét áram folyhat.

A fotodióda áram-feszültség karakterisztikája (I/V görbék), ha nincs fény a csomópontján (sötét üzemmód), nagyon hasonló egy normál jel- vagy egyenirányító diódához. Amikor a fotodióda előrefelé van előfeszítve, az áram exponenciális növekedést mutat, ugyanúgy, mint egy normál dióda esetében. Ha fordított előfeszítést alkalmazunk, egy kis fordított telítési áram jelenik meg, ami a kimerülési tartomány, azaz az átmenet érzékeny részének növekedését okozza. A fotodiódák áram üzemmódban is csatlakoztathatók, ha a csomóponton rögzített előfeszültséget használunk. Az áram üzemmód széles tartományban nagyon lineáris.

Fotodióda felépítése és jellemzői

Fényérzékelőként használva a fotodióda sötétáram (0 lux) a geránium típusú diódák esetében körülbelül 10uA, a szilícium típusú diódák esetében 1uA. Amikor fény esik az átmenetre, több lyuk/elektron pár keletkezik, és a szivárgási áram megnő. Ez a szivárgási áram az átmenet megvilágításának növekedésével nő.

Így a fotodiódák árama egyenesen arányos a PN-átmenetre eső fényintenzitással. A fényérzékelőként használt fotodiódák egyik fő előnye, hogy gyorsan reagálnak a fényszint változásaira, de az ilyen típusú fotóeszközök egyik hátránya, hogy még teljes megvilágítás esetén is viszonylag kis áram folyik.

A következő áramkör egy fotoáram-feszültség átalakító áramkört mutat be, amely erősítő eszközként műveleti erősítőt használ. A kimeneti feszültség (Vout) a következőképpen adódik: Vout = IP*Rƒ, és amely arányos a fotodióda fényintenzitási jellemzőivel.

Ez az áramkörtípus is kihasználja az operációs erősítő jellemzőit, amelynek két bemeneti csatlakozója körülbelül nulla feszültségen van, hogy a fotodiódát előfeszítés nélkül működtesse. Ez a nulla előfeszítésű műveleti erősítő konfiguráció nagy impedanciájú terhelést ad a fotodiódának, ami a sötétáram kisebb befolyását és a fotóáramnak a sugárzó fényintenzitáshoz viszonyított szélesebb lineáris tartományát eredményezi. A Cf kondenzátor az oszcilláció vagy az erősítés csúcsértékének megakadályozására és a kimeneti sávszélesség beállítására szolgál (1/2πRC).

Fotodióda erősítő áramkör

A fotodiódák nagyon sokoldalú fényérzékelők, amelyek nanoszekundumok alatt képesek “ON” és “OFF” állapotba kapcsolni az áramát, és általában kamerákban használják őket, fénymérőkben, CD- és DVD-ROM-meghajtókban, TV-távirányítókban, szkennerekben, fax- és fénymásoló készülékekben stb., valamint operatív erősítő áramkörökbe integrálva infravörös spektrumérzékelőként az optikai szálas kommunikációban, betörésjelző mozgásérzékelő áramkörökben és számos képalkotó, lézerszkennelő és pozicionáló rendszerben stb. használják.

A fototranzisztor

A fotodióda alternatívája a fototranzisztor, amely lényegében egy erősítéssel ellátott fotodióda. A fototranzisztor fényérzékelője a kollektor-bázis PN-összeköttetést fordított előfeszítésűvé teszi a sugárzó fényforrásnak kitéve.

A fototranzisztorok ugyanúgy működnek, mint a fotodióda, kivéve, hogy képesek áramerősítést biztosítani, és sokkal érzékenyebbek, mint a fotodióda, az áramok 50-100-szor nagyobbak, mint a hagyományos fotodiódáké, és bármely normál tranzisztor könnyen átalakítható fototranzisztor fényérzékelővé, ha a kollektor és a bázis közé fotodiódát kapcsolunk.

A fototranzisztorok főleg egy bipoláris NPN tranzisztorból állnak, amelynek nagy bázisterülete elektromosan nem kapcsolódik, bár egyes fototranzisztorok lehetővé teszik a báziskapcsolást az érzékenység szabályozására, és amely a fény fotonjait használja fel egy bázisáram létrehozására, amely viszont egy kollektor-emitter áramot indít el. A legtöbb fototranzisztor NPN típus, amelynek külső burkolata vagy átlátszó, vagy átlátszó lencsével rendelkezik, hogy a fényt a báziscsatlakozásra fókuszálja a fokozott érzékenység érdekében.

Fototranzisztor felépítése és jellemzői

Az NPN-tranzisztorban a kollektor pozitívan van előfeszítve az emitterhez képest, így a bázis/kollektor átmenet fordítottan van előfeszítve. Ezért, ha nincs fény a csomóponton, normális szivárgási vagy sötétáram folyik, amely nagyon kicsi. Amikor fény esik a bázisra, több elektron/lyuk pár keletkezik ebben a régióban, és az így keletkező áramot a tranzisztor felerősíti.

A fototranzisztor érzékenysége általában a tranzisztor egyenáram-erősítésének függvénye. Ezért a teljes érzékenység a kollektoráram függvénye, és a bázis és az emitter közötti ellenállás csatlakoztatásával szabályozható, de a nagyon nagy érzékenységű optocsatlakozó típusú alkalmazásokhoz általában Darlington fototranzisztorokat használnak.

A fotodarlington tranzisztorok egy második bipoláris NPN tranzisztort használnak további erősítés biztosítására, vagy amikor egy fotodetektor nagyobb érzékenységére van szükség alacsony fényszint vagy szelektív érzékenység miatt, de a reakciója lassabb, mint egy hagyományos NPN fototranzisztoré.

A fotodarlington eszközök egy normál fototranzisztorból állnak, amelynek emitter kimenete egy nagyobb bipoláris NPN tranzisztor bázisához van kapcsolva. Mivel a darlington tranzisztor konfiguráció a két különálló tranzisztor áramnyereségének szorzatával egyenlő áramerősítést ad, a fotodarlington eszköz nagyon érzékeny érzékelőt eredményez.

A fototranzisztor fényérzékelők tipikus alkalmazásai opto-izolátorokban, réselt opto kapcsolókban, fénysugár érzékelőkben, száloptikában és TV típusú távirányítókban stb. találhatók. A látható fény érzékelésekor néha infravörös szűrőkre van szükség.

A fotoelágazásos félvezető fényérzékelők másik típusa, amelyet érdemes megemlíteni, a fototirisztor. Ez egy fényvezérelt tirisztor vagy szilíciumvezérelt egyenirányító, SCR, amely fényvezérelt kapcsolóként használható váltakozó áramú alkalmazásokban. Érzékenységük azonban általában nagyon alacsony az egyenértékű fotodiódákhoz vagy fototranzisztorokhoz képest.

A fényérzékenységük növelése érdekében a fototirisztorokat vékonyabbá teszik a kapuátmenet körül. Ennek az eljárásnak az a hátránya, hogy korlátozza az általuk kapcsolható anódáram nagyságát. Ezután nagyobb áramerősségű váltakozó áramú alkalmazásokban optocsatolókban kísérleti eszközként használják őket, hogy nagyobb, hagyományosabb tirisztorokat kapcsoljanak.

Fotovoltaikus cellák.

A fotovoltaikus fényérzékelők legelterjedtebb típusa a napelem. A napelemek a fényenergiát közvetlenül egyenáramú elektromos energiává alakítják feszültség vagy áram formájában, hogy egy ellenállásos terhelést, például fényt, akkumulátort vagy motort tápláljanak. Ezután a fotovoltaikus cellák sok szempontból hasonlítanak egy akkumulátorhoz, mivel egyenáramú energiát szolgáltatnak.

A fentebb vizsgált más fotóeszközökkel ellentétben azonban, amelyek működéséhez akár egy zseblámpából származó fényerősséget is használnak, a fotovoltaikus napelemek a nap sugárzási energiáját használva működnek a legjobban.

A napelemeket számos különböző típusú alkalmazásban használják, hogy alternatív áramforrást kínáljanak a hagyományos akkumulátorokkal szemben, például számológépekben, műholdakban és most már otthonokban is, amelyek egyfajta megújuló energiát kínálnak.

A fotovoltaikus cellák egykristályos szilícium PN-összeköttetésekből készülnek, ugyanúgy, mint a fotodiódák, amelyek nagyon nagy fényérzékeny területtel rendelkeznek, de fordított előfeszítés nélkül használják őket. Sötétben ugyanolyan tulajdonságokkal rendelkeznek, mint egy nagyon nagy fotodióda.

Világításkor a fényenergia hatására az elektronok átáramlanak a PN-összeköttetésen, és egy egyedi napelem körülbelül 0,58v (580mV) nyitott áramköri feszültséget képes generálni. A napelemeknek van egy “pozitív” és egy “negatív” oldala, akárcsak egy akkumulátornak.

Az egyes napelemek sorosan összekapcsolhatók napelemekké, ami növeli a kimeneti feszültséget, vagy párhuzamosan összekapcsolhatók, hogy növeljék a rendelkezésre álló áramot. A kereskedelemben kapható napelemek teljesítménye wattban van megadva, ami a kimeneti feszültség és az áram (Volt szorozva Amperrel) szorzata, amikor teljesen világít.

A tipikus fotovoltaikus napelem jellemzői.

A napelemmel elérhető áram mennyisége a fényerősségtől, a cella méretétől és a hatásfokától függ, amely általában nagyon alacsony, 15-20% körüli. A cella teljes hatásfokának növelése érdekében a kereskedelemben kapható napelemek polikristályos szilíciumot vagy amorf szilíciumot használnak, amelyek nem rendelkeznek kristályos szerkezettel, és 20-40 mA/cm2 közötti áramot képesek generálni.

A fotovoltaikus cellák építéséhez használt egyéb anyagok közé tartozik a gallium-arzenid, a réz-indium-diselenid és a kadmium-tellurid. Ezek a különböző anyagok mindegyike más-más spektrumsávra reagál, és így “hangolhatóak”, hogy a fény különböző hullámhosszainál kimeneti feszültséget állítsanak elő.

A fényérzékelőkről szóló bemutatóban több példát is megnéztünk a fényérzékelőnek minősülő eszközökre. Ezek közé tartoznak a PN-összeköttetéssel rendelkezők és a PN-összeköttetés nélküliek, amelyek a fény intenzitásának mérésére használhatók.