Sensori di luce

Un sensore di luce genera un segnale di uscita che indica l’intensità della luce misurando l’energia radiante che esiste in una gamma molto stretta di frequenze chiamate fondamentalmente “luce”, e che varia in frequenza da “Infra-rosso” a “Visibile” fino a “Ultravioletto” spettro luminoso.

Il sensore di luce è un dispositivo passivo che converte questa “energia luminosa” sia visibile o nelle parti infrarosse dello spettro in un segnale elettrico di uscita. I sensori di luce sono più comunemente conosciuti come “dispositivi fotoelettrici” o “fotosensori” perché convertono l’energia luminosa (fotoni) in elettricità (elettroni).

I dispositivi fotoelettrici possono essere raggruppati in due categorie principali, quelli che generano elettricità quando vengono illuminati, come i fotovoltaici o i fotoemissivi ecc, e quelli che cambiano le loro proprietà elettriche in qualche modo come i fotoresistori o i fotoconduttori. Questo porta alla seguente classificazione dei dispositivi.

• – Celle fotoemissive – Questi sono fotodispositivi che rilasciano elettroni liberi da un materiale sensibile alla luce come il cesio quando vengono colpiti da un fotone di energia sufficiente. La quantità di energia dei fotoni dipende dalla frequenza della luce e più alta è la frequenza, più energia hanno i fotoni che convertono l’energia luminosa in energia elettrica.
• – Celle fotoconduttive – Questi fotodispositivi variano la loro resistenza elettrica quando sono sottoposti alla luce. La fotoconduttività risulta dalla luce che colpisce un materiale semiconduttore che controlla il flusso di corrente attraverso di esso. Così, più luce aumenta la corrente per una data tensione applicata. Il materiale fotoconduttivo più comune è il solfuro di cadmio usato nelle fotocellule LDR.
• – Celle fotovoltaiche – Questi fotodispositivi generano un emf in proporzione all’energia luminosa ricevuta ed è simile come effetto alla fotoconduttività. L’energia luminosa cade su due materiali semiconduttori uniti tra loro creando una tensione di circa 0,5 V. Il materiale fotovoltaico più comune è il selenio usato nelle celle solari.
• – Dispositivi a fotogiunzione – Questi fotodispositivi sono principalmente veri dispositivi a semiconduttore come il fotodiodo o il fototransistor che usano la luce per controllare il flusso di elettroni e buchi attraverso la loro giunzione PN. I dispositivi a fotogiunzione sono specificamente progettati per l’applicazione del rivelatore e la penetrazione della luce con la loro risposta spettrale sintonizzata sulla lunghezza d’onda della luce incidente.

La cella fotoconduttiva

Un sensore di luce fotoconduttivo non produce elettricità ma semplicemente cambia le sue proprietà fisiche quando è sottoposto all’energia luminosa. Il tipo più comune di dispositivo fotoconduttivo è il fotoresistore che cambia la sua resistenza elettrica in risposta ai cambiamenti dell’intensità della luce.

I fotoresistori sono dispositivi a semiconduttore che usano l’energia luminosa per controllare il flusso di elettroni, e quindi la corrente che li attraversa. La cella fotoconduttiva comunemente usata è chiamata resistore dipendente dalla luce o LDR.

Il resistore dipendente dalla luce

Come implica il suo nome, il resistore dipendente dalla luce (LDR) è fatto da un pezzo di materiale semiconduttore esposto come il solfuro di cadmio che cambia la sua resistenza elettrica da diverse migliaia di Ohm al buio a solo poche centinaia di Ohm quando la luce cade su di esso creando coppie foro-elettrone nel materiale.

L’effetto netto è un miglioramento della sua conduttività con una diminuzione della resistenza per un aumento dell’illuminazione. Inoltre, le cellule fotoresistive hanno un lungo tempo di risposta che richiede molti secondi per rispondere a un cambiamento nell’intensità della luce.

I materiali usati come substrato semiconduttore includono, solfuro di piombo (PbS), seleniuro di piombo (PbSe), antimonuro di indio (InSb) che rilevano la luce nell’intervallo infrarosso con il più comunemente usato di tutti i sensori di luce fotoresistivi essendo solfuro di cadmio (Cds).

Il solfuro di cadmio è usato nella fabbricazione di celle fotoconduttive perché la sua curva di risposta spettrale corrisponde da vicino a quella dell’occhio umano e può anche essere controllata usando una semplice torcia come fonte di luce. Tipicamente quindi, ha una lunghezza d’onda di sensibilità di picco (λp) di circa 560nm a 600nm nella gamma spettrale visibile.

La cella resistore dipendente dalla luce

Il sensore fotoresistivo più comunemente usato è la cella fotoconduttiva al solfuro di cadmio ORP12. Questo resistore dipendente dalla luce ha una risposta spettrale di circa 610nm nella regione gialla e arancione della luce. La resistenza della cella quando non è illuminata (resistenza al buio) è molto alta, circa 10MΩ, che scende a circa 100Ω quando è completamente illuminata (resistenza illuminata).

Per aumentare la resistenza al buio e quindi ridurre la corrente di buio, il percorso resistivo forma un modello a zigzag attraverso il substrato ceramico. La fotocellula CdS è un dispositivo a bassissimo costo spesso utilizzato nell’oscuramento automatico, nel rilevamento dell’oscurità o del crepuscolo per accendere e spegnere i lampioni, e per applicazioni di tipo esposimetro fotografico.

Collegare un resistore dipendente dalla luce in serie con un resistore standard come questo attraverso una singola tensione di alimentazione DC ha un grande vantaggio, una tensione diversa apparirà alla loro giunzione per diversi livelli di luce. Questa capacità di generare tensioni diverse produce un circuito molto pratico chiamato “divisore di potenziale” o rete divisoria di tensione.

Come sappiamo, la corrente attraverso un circuito serie è comune e come l’LDR cambia il suo valore resistivo a causa dell’intensità della luce, la tensione presente a VOUT sarà determinata dalla formula del divisore di tensione. La resistenza di un LDR, RLDR può variare da circa 100Ω alla luce del sole, a più di 10MΩ nel buio assoluto e questa variazione di resistenza viene convertita in una variazione di tensione a VOUT come mostrato.

Un semplice uso di un resistore dipendente dalla luce, è come un interruttore sensibile alla luce come mostrato di seguito.

Questo circuito base di sensore di luce è un interruttore attivato dalla luce con uscita a relè. Un circuito a divisore di potenziale è formato tra il fotoresistore, LDR e il resistore R1. Quando non c’è luce, cioè al buio, la resistenza del LDR è molto alta, nell’ordine dei Megaohms (MΩ), quindi al transistor TR1 viene applicata una polarizzazione di base pari a zero e il relè è diseccitato o “OFF”.

Come il livello di luce aumenta, la resistenza del LDR inizia a diminuire, causando un aumento della tensione di polarizzazione di base a V1. A un certo punto, determinato dalla rete del divisore di potenziale formata con il resistore R1, la tensione di polarizzazione di base è abbastanza alta da accendere il transistor TR1 “ON” e quindi attivare il relè che a sua volta è usato per controllare alcuni circuiti esterni. Quando il livello di luce scende di nuovo al buio, la resistenza del LDR aumenta facendo diminuire la tensione di base del transistor, spegnendo il transistor e il relè a un livello di luce fisso determinato di nuovo dalla rete del divisore di potenziale.

Sostituendo il resistore fisso R1 con un potenziometro VR1, il punto in cui il relè si accende o si spegne può essere pre-impostato a un particolare livello di luce. Questo tipo di circuito semplice mostrato sopra ha una sensibilità abbastanza bassa e il suo punto di commutazione può non essere coerente a causa delle variazioni di temperatura o della tensione di alimentazione. Un circuito di precisione ad attivazione luminosa più sensibile può essere facilmente realizzato incorporando l’LDR in un “ponte di Wheatstone” e sostituendo il transistor con un amplificatore operazionale come mostrato.

Circuito di rilevamento del livello di luce

In questo circuito base di rilevamento del buio, la resistenza dipendente dalla luce LDR1 e il potenziometro VR1 formano un braccio regolabile di una semplice rete a ponte di resistenza, nota anche comunemente come ponte di Wheatstone, mentre le due resistenze fisse R1 e R2 formano l’altro braccio. Entrambi i lati del ponte formano reti di divisori di potenziale attraverso la tensione di alimentazione le cui uscite V1 e V2 sono collegate rispettivamente agli ingressi di tensione non invertente e invertente dell’amplificatore operazionale.

L’amplificatore operazionale è configurato come un amplificatore differenziale noto anche come un comparatore di tensione con feedback la cui condizione di tensione di uscita è determinata dalla differenza tra i due segnali o tensioni di ingresso, V1 e V2. La combinazione di resistori R1 e R2 forma un riferimento di tensione fisso all’ingresso V2, impostato dal rapporto dei due resistori. La combinazione LDR – VR1 fornisce un ingresso di tensione variabile V1 proporzionale al livello di luce rilevato dal fotoresistore.

Come nel circuito precedente, l’uscita dell’amplificatore operazionale è usata per controllare un relè, che è protetto da un diodo a ruota libera, D1. Quando il livello di luce rilevato dal LDR e la sua tensione di uscita scende al di sotto della tensione di riferimento impostata a V2, l’uscita dell’amplificatore operazionale cambia di stato attivando il relè e commutando il carico collegato.

Similmente, quando il livello di luce aumenta, l’uscita tornerà a commutare “OFF” il relè. L’isteresi dei due punti di commutazione è impostata dal resistore di feedback Rf può essere scelto per dare qualsiasi guadagno di tensione adatto dell’amplificatore.

Il funzionamento di questo tipo di circuito sensore di luce può anche essere invertito per commutare il relè “ON” quando il livello di luce supera il livello di tensione di riferimento e viceversa invertendo le posizioni del sensore di luce LDR e il potenziometro VR1. Il potenziometro può essere usato per “pre-impostare” il punto di commutazione dell’amplificatore differenziale a qualsiasi livello di luce particolare, rendendolo ideale come un semplice circuito per il progetto del sensore di luce.

Dispositivi a fotogiunzione

I dispositivi a fotogiunzione sono fondamentalmente sensori di luce PN-Junction o rivelatori fatti da semiconduttori di silicio PN-junctions che sono sensibili alla luce e che possono rilevare sia la luce visibile che i livelli di luce infrarossa. I dispositivi a fotogiunzione sono fatti appositamente per rilevare la luce e questa classe di sensori di luce fotoelettrici include il fotodiodo e il fototransistor.

Il fotodiodo.