光センサーは、基本的に「光」と呼ばれる非常に狭い周波数範囲に存在する放射エネルギーを測定することにより、光の強さを示す出力信号を生成し、周波数範囲は「赤外線」から「可視」、「紫外線」までの光スペクトルです。
光電デバイスは、光起電力や光電子など、光を当てたときに電気を発生するものと、光抵抗や光伝導体など、何らかの方法で電気特性を変化させるものに大別されます。
- – 光電子セル – 十分なエネルギーの光子が当たると、セシウムなどの光に敏感な材料から自由電子を放出する光デバイスのことを指します。 光子のエネルギー量は光の周波数に依存し、周波数が高いほど、光子はより多くのエネルギーを持ち、光エネルギーを電気エネルギーに変換します
- -光伝導セル – 光デバイスは、光を受けるとその電気抵抗が変化します。 光導電性は、光が半導体材料に当たることで発生し、半導体材料に流れる電流を制御します。 このため、より多くの光を当てると、与えられた印加電圧に対して電流が増加します。
- -光電池-これらの光デバイスは、受け取った放射光エネルギーに比例して起電力を生成し、光伝導と同様の効果があります。 光エネルギーは、一緒に挟まれた 2 つの半導体材料に降り注ぎ、約 0.5V の電圧を発生させます。
- – 光接合デバイス – これらの光デバイスは主に、フォトダイオードやフォトトランジスタなどの真の半導体デバイスで、PN 接合を介して電子と正孔の流れを制御するために光を使用しています。
光伝導セル
光伝導型光センサーは電気を発生しませんが、光エネルギーを受けるとその物理的特性が変化するだけです。
光伝導デバイスの最も一般的なタイプは、光強度の変化に応じて電気抵抗が変化するフォトレジスターです。 一般的に使用される光導電セルは、光依存性抵抗器または LDR と呼ばれます。
光依存性抵抗
a light dependent resistorTypical LDR
その名前が示すように、光依存性抵抗は、光に依存した抵抗器です。 光依存性抵抗器（LDR）は、硫化カドミウムなどの半導体材料を露出させたもので、材料に正孔と電子のペアを作ることにより、暗闇では数千オームだった電気抵抗が、光が当たるとわずか数百オームまで変化するものである。
その結果、照度が上がれば上がるほど抵抗値が下がり、導電性が向上する。
半導体基板として使用される材料には、硫化鉛（PbS）、セレン化鉛（PbSe）、赤外線領域の光を検出するアンチモン化インジウム（InSb）などがありますが、光抵抗型光センサの中で最もよく使用されているのは硫化カドミウム（Cds）です。
硫化カドミウムは、そのスペクトル応答曲線が人間の目のものと密接に一致し、光源として単純なトーチを使用して制御することさえできるため、光伝導セルの製造に使用されています。 一般的には、可視光域の560nmから600nmに感度のピーク波長（λp）を持つ。
光依存性抵抗器
最も一般的な光抵抗性光センサーとして ORP12 Cadmium Sulphide photoconductive cell（硫化カドミウム光電池）が使用されています。 この光依存性抵抗器は、光の黄色からオレンジ色の領域で、約610nmのスペクトル応答を持っています。
暗抵抗を増加させ、暗電流を減少させるために、抵抗経路はセラミック基板上にジグザグパターンを形成します。
暗抵抗を増加させ、暗電流を減らすために、抵抗経路はセラミック基板上にジグザグパターンを形成します。CdS フォトセルは、自動調光、街灯を「オン」「オフ」にする暗さや薄明の検出、および写真露出計のタイプのアプリケーションによく使われる非常に低コストのデバイスです。
単一の DC 電源電圧でこのように光依存の抵抗器を標準抵抗器に直列接続することには、大きなメリットがあり、異なるレベルの光に対してそれらの接合部で異なる電圧が表示されます。
ご存知のように、直列回路を流れる電流は共通で、LDR が光の強度によって抵抗値を変化させると、VOUT に存在する電圧は分圧式によって決定されます。 LDRの抵抗値RLDRは、太陽光の下では約100Ω、完全な暗闇では10MΩまで変化し、この抵抗値の変化は、図のようにVOUTでの電圧変化に変換されます。
光依存性抵抗の簡単な用途の 1 つに、以下に示すような感光性スイッチがあります。
LDR Switch
この光センサー基本回路はリレー出力光作動スイッチです。 フォトレジスタ、LDRと抵抗R1の間に分圧回路が形成されています。 光がないとき、つまり暗闇では、LDR の抵抗はメガ オーム (MΩ) の範囲で非常に高いため、ゼロ ベース バイアスがトランジスタ TR1 に適用され、リレーは非通電または「オフ」になります。
光レベルが増加すると、LDR の抵抗は減少し始め、V1 のベース バイアス電圧が上昇します。 抵抗 R1 で形成された電位差ネットワークによって決定されるある時点で、ベースバイアス電圧はトランジスタ TR1 を「オン」にするのに十分な高さになり、リレーが作動し、外部回路を制御するために使用されます。
固定抵抗 R1 をポテンショメーター VR1 に置き換えることにより、リレーが「ON」または「OFF」になるポイントを特定の光量にあらかじめ設定することが可能です。 このような単純な回路では、感度が低く、温度や電源電圧の変化により、スイッチングポイントが一定しないことがあります。 LDRを「ホイートストーンブリッジ」に組み込み、トランジスタをオペアンプに置き換えることで、より感度の高い精密な光作動回路を簡単に作ることができます（図参照）。
光量センシング回路
この基本的な暗検出回路では、次のようにします。 光に依存する抵抗LDR1とポテンショメータVR1は、一般にホイートストーンブリッジとして知られる単純な抵抗ブリッジネットワークの一方の調整アームを形成し、2つの固定抵抗R1とR2はもう一方のアームを形成しています。
オペアンプは、フィードバック付き電圧コンパレータとしても知られる差動アンプとして構成され、出力電圧状態は 2 つの入力信号または電圧、V1 と V2 の差によって決まります。 抵抗R1とR2の組み合わせは、2つの抵抗の比率で設定された入力V2の固定電圧基準を形成します。
前の回路と同様に、オペアンプからの出力は、フリーホイール ダイオード D1 で保護されたリレーを制御するために使用されます。
光レベルが LDR によって感知され、その出力電圧が V2 で設定された基準電圧より低くなると、オペアンプからの出力は状態が変わり、リレーを作動させ、接続された負荷を切り替えます。
このタイプの光センサー回路の動作は、光センサー LDR とポテンショメーター VR1 の位置を逆にすることにより、光レベルが基準電圧レベルを超えるとリレーを「ON」に、またはその逆に切り替えることも可能です。 ポテンショメーターは、差動アンプのスイッチング ポイントを特定の光レベルに「事前設定」するために使用でき、シンプルな光センサー プロジェクト回路として最適です。
光接合デバイス
光接合デバイスは基本的に PN 接合の光センサーまたは検出器で、光に敏感で、可視光と赤外線の両方のレベルを検出できるシリコン半導体 PN 接合を使用して作られています。 光接合デバイスは、特に光を感知するために作られており、このクラスの光電ライト センサーには、フォトダイオードとフォトトランジスタが含まれます
フォトダイオード。
フォトダイオード光センサーの構造は、ダイオードの外側が透明か、感度を上げるために PN 接合に光を集める透明レンズが付いている以外は、従来の PN 接合ダイオードと同様です。
この特性は、1N4148 信号ダイオードのような、透明またはガラス ビーズのボディを持つダイオードにとって問題となることがあります。 LED は、その接合部から光を放出し検出することができるため、フォトダイオードとして使用することもできます。
接合部に光がない状態 (ダーク モード) のフォトダイオードの電流電圧特性 (I/V カーブ) は、通常の信号ダイオードまたは整流ダイオードに非常によく似ています。 フォトダイオードに順バイアスをかけると、通常のダイオードと同じように電流が指数関数的に増加します。 逆バイアスをかけると、小さな逆飽和電流が現れ、接合の敏感な部分である空乏領域が増加する。 また、フォトダイオードは、接合部に固定バイアスを印加して電流モードで接続することも可能です。
フォトダイオードの構造と特性
光センサーとして使用すると、フォトダイオードは暗電流 (0 lux) がゼラニウムで 10uA 、シリコンタイプで1uA ほどになります。 光が当たると、正孔と電子のペアが多く形成され、リーク電流が増加します。
このように、フォトダイオードの電流は、PN接合に降り注ぐ光の強さに正比例しているのです。
光センサとして使用する場合の主な利点は、光量の変化に対する応答が速いことですが、このタイプのフォトデバイスの欠点は、フル点灯時でも比較的小さな電流が流れることです。 出力電圧(Vout)はVout=IP*Rƒで表され、フォトダイオードの光量特性に比例します。
このタイプの回路は、2つの入力端子がほぼゼロ電圧にあるオペアンプの特性を利用して、フォトダイオードをバイアスなしで動作させることも可能です。 このゼロバイアスオペアンプ構成により、フォトダイオードは高インピーダンス負荷となり、暗電流の影響を受けにくく、放射光強度に対する光電流のリニアレンジが広くなります。 コンデンサCfは発振やゲインピーキングの防止と出力帯域幅の設定に使用します (1/2πRC)。
フォトダイオードアンプ回路
フォトダイオードはナノ秒で電流をON/OFFできる非常に万能な光センサーで、カメラによく使用されているものです。 また、オペアンプ回路に組み込むことにより、光ファイバー通信用の赤外線スペクトル検出器、防犯ブザーの動作検出回路、多数の画像処理、レーザースキャン、位置検出システムなどとして使用できます。
フォトトランジスタ
フォトダイオードに代わる光接合デバイスはフォトトランジスタであり、基本的に増幅器付きのフォトダイオードとなっています。
フォトトランジスタは、電流利得を提供できることと、電流が標準的なフォトダイオードの 50 ～ 100 倍とフォトダイオードよりもはるかに高い感度を持つことを除いて、フォトダイオードと同じように動作します。
フォトトランジスタは、主にバイポーラNPNトランジスタで構成され、その大きなベース領域は電気的に接続されていませんが、一部のフォトトランジスタはベース接続により感度を制御し、光子を利用してベース電流を発生させ、それによってコレクターからエミッターへ電流を流すことができます。 ほとんどのフォトトランジスタはNPNタイプで、外装が透明か、透明レンズで光をベース接合部に集中させ、感度を高めている。
フォトトランジスタの構造と特性
NPN トランジスタはコレクタがエミッタに対して正のバイアスなので、ベース/コレクタ結合は逆のバイアスになっている。 そのため、接合部に光が当たらない状態では、通常のリーク電流や暗電流が流れますが、これは非常に小さなものです。
通常、フォトトランジスタの感度は、トランジスタの直流電流利得の関数であり、ベース上に光が当たると、この領域に多くの電子/ホール対が形成され、この作用によって生じる電流がトランジスタによって増幅されます。
通常、フォトトランジスタの感度はトランジスタの直流電流利得の関数であるため、全体の感度はコレクタ電流の関数であり、ベースとエミッタ間に抵抗を接続することで制御できますが、非常に高い感度のオプトカプラ型のアプリケーションでは、一般にダーリントン・フォトトランジスタが使用されます。
フォトダーリントントランジスタは、追加増幅を行う場合や低照度や選択的感度により受光部の高感度が必要な場合、第2のバイポーラNPNトランジスタを用いていますが、通常のNPNフォトトランジスタより応答性が鈍く、そのため、光検出器の高感度化には適していません。
フォトダーリン トンは、エミッタ出力がより大きなバイポーラ NPN トランジスタのベースに結合された通常のフォトトランジスタで構成されています。
フォトダーリン トンの代表的なアプリケーションは、オプトアイソレータ、スロット付きオプトスイッチ、光ビーム センサー、光ファイバー、TV タイプのリモコンなどです。
言及に値するもう 1 つのタイプの光接合半導体光センサーは、フォトサイリスタです。
光接合型半導体光センサーのもう一つのタイプとして、フォトサイリスターがあります。これは、光で作動するサイリスターまたはシリコン制御整流器（SCR）で、AC アプリケーションで光作動スイッチとして使用できます。
光に対する感度を高めるために、フォトサイリスターはゲート接合の周囲を薄くします。
光に対する感度を上げるために、フォトサイリスタではゲート接合部の周囲を薄くしていますが、そのためにスイッチングできるアノード電流の量が制限されます。
光電池
最も一般的な光電池光センサーは、太陽電池です。 太陽電池は、光エネルギーを電圧または電流の形で直接 DC 電気エネルギーに変換し、照明、バッテリー、モーターなどの抵抗性負荷に電力を供給します。
しかし、懐中電灯の光でも動作する他のフォト デバイスとは異なり、光電池は太陽の放射エネルギーを使用して最もよく機能します。
太陽電池は、電卓や人工衛星など、従来の電池に代わる電源を提供するさまざまな種類のアプリケーションで使用されており、現在では家庭でも再生可能な電力として使用されています。
太陽光発電セルは、非常に大きな受光領域を持つフォトダイオードと同じ単結晶シリコン PN 接合で作られていますが、逆バイアスなしで使用されています。
光が当たると、光エネルギーによって電子が PN 接合を通過し、個々の太陽電池は約 0.58V (580mV) の開回路電圧を発生させることができます。
個々の太陽電池を直列に接続してソーラーパネルにし、出力電圧を上げたり、並列に接続して利用可能な電流を増やしたりすることができます。
一般的な太陽電池の特徴。
太陽電池から利用できる電流量は光強度、セルのサイズ、一般的に約 15 ～ 20% と非常に低い効率によって左右されます。
太陽電池の製造に使用される他の材料には、ガリウムヒ素、二セレン化銅インジウム、カドミウムテルルなどがあります。
光センサーに関するこのチュートリアルでは、光センサーとして分類されるデバイスのいくつかの例について見てきました。 これには、光の強度を測定するために使用できる、PN 接合を持つものと持たないものが含まれます。