Lichtsensoren

Een lichtsensor genereert een uitgangssignaal dat de intensiteit van licht aangeeft door het meten van de stralingsenergie die bestaat in een zeer smal bereik van frequenties die in principe “licht” worden genoemd, en die in frequentie varieert van “Infrarood” tot “Zichtbaar” tot “Ultraviolet” lichtspectrum.

De lichtsensor is een passief apparaat dat deze “lichtenergie” hetzij zichtbaar of in de infrarode delen van het spectrum omzet in een elektrisch uitgangssignaal. Lichtsensoren zijn beter bekend als “foto-elektrische apparaten” of “fotosensoren” omdat zij lichtenergie (fotonen) omzetten in elektriciteit (elektronen).

Foto-elektrische apparaten kunnen in twee hoofdcategorieën worden ingedeeld, die welke elektriciteit opwekken wanneer zij worden verlicht, zoals foto-voltaïsche cellen of foto-emissieven enz., en die welke hun elektrische eigenschappen op de een of andere manier veranderen, zoals foto-weerstanden of fotogeleiders. Dit leidt tot de volgende classificatie van apparaten.

• – Foto-emissieve cellen – Dit zijn fotodevices die vrije elektronen vrijmaken uit een lichtgevoelig materiaal zoals cesium wanneer dit wordt getroffen door een foton van voldoende energie. De hoeveelheid energie die de fotonen hebben hangt af van de frequentie van het licht en hoe hoger de frequentie, hoe meer energie de fotonen hebben die lichtenergie omzetten in elektrische energie.
• – Fotogeleidende cellen – Deze fotodevices variëren hun elektrische weerstand wanneer zij worden blootgesteld aan licht. Fotogeleidbaarheid ontstaat doordat licht een halfgeleidermateriaal raakt dat de stroom erdoorheen regelt. Meer licht verhoogt dus de stroom bij een gegeven toegepaste spanning. Het meest voorkomende fotogeleidende materiaal is cadmiumsulfide dat in LDR-fotocellen wordt gebruikt.
• – Fotovoltaïsche cellen – Deze fotovoltaïsche apparaten wekken een emf op in verhouding tot de ontvangen stralingsenergie van het licht en is qua effect vergelijkbaar met fotogeleidbaarheid. De lichtenergie valt op twee halfgeleidermaterialen die tegen elkaar geklemd zijn, waardoor een spanning van ongeveer 0,5V ontstaat. Het meest gebruikte fotovoltaïsche materiaal is selenium dat in zonnecellen wordt gebruikt.
• – Foto-junctie-apparaten – Deze foto-apparaten zijn hoofdzakelijk echte halfgeleiderapparaten zoals de fotodiode of fototransistor die licht gebruiken om de stroom van elektronen en gaten over hun PN-junctie te controleren. Fotojunctie-elementen zijn speciaal ontworpen voor detectortoepassingen en lichtpenetratie, waarbij hun spectrale respons is afgestemd op de golflengte van het invallende licht.

De fotogeleidende cel

Een fotogeleidende lichtsensor produceert geen elektriciteit, maar verandert gewoon zijn fysische eigenschappen wanneer hij wordt blootgesteld aan lichtenergie. Het meest gebruikte type fotogeleidend apparaat is de fotoweerstand, die zijn elektrische weerstand verandert als reactie op veranderingen in de lichtintensiteit.

Photoresistoren zijn halfgeleiderelementen die lichtenergie gebruiken om de elektronenstroom te regelen, en daarmee de stroom die er doorheen loopt. De vaak gebruikte fotogeleidende cel wordt de lichtafhankelijke weerstand of LDR genoemd.

De lichtafhankelijke weerstand

Zoals de naam al aangeeft, is de lichtafhankelijke weerstand (LDR) gemaakt van een stukje blootgelegd halfgeleidermateriaal, zoals cadmiumsulfide, dat zijn elektrische weerstand verandert van enkele duizenden Ohm in het donker in slechts enkele honderden Ohm wanneer er licht op valt, door in het materiaal gaatjes-elektronenparen te creëren.

Het netto-effect is een verbetering van het geleidingsvermogen met een afname van de weerstand bij een toename van de verlichting. Fotoresistieve cellen hebben ook een lange reactietijd, die vele seconden vergt om op een verandering in de lichtintensiteit te reageren.

Materialen die als halfgeleidersubstraat worden gebruikt, zijn onder meer loodsulfide (PbS), loodselenide (PbSe), indiumantimonide (InSb), die licht in het infrarode bereik detecteren, waarbij de meest gebruikte van alle fotoresistieve lichtsensoren cadmiumsulfide (Cds) is.

Cadmiumsulfide wordt gebruikt bij de vervaardiging van fotogeleidende cellen omdat de spectrale responscurve ervan nauw aansluit bij die van het menselijk oog en zelfs kan worden gecontroleerd met een eenvoudige zaklamp als lichtbron. Typisch is dan dat het een piekgevoeligheidsgolflengte (λp) heeft van ongeveer 560nm tot 600nm in het zichtbare spectrale bereik.

De lichtafhankelijke weerstandscel

De meest gebruikte fotoresistieve lichtsensor is de ORP12 cadmiumsulfide fotogeleidende cel. Deze lichtafhankelijke weerstand heeft een spectrale respons van ongeveer 610 nm in het geel tot oranje gebied van het licht. De weerstand van de cel in onverlichte toestand (donkerweerstand) is zeer hoog, ongeveer 10MΩ, en daalt tot ongeveer 100Ω bij volledige verlichting (verlichte weerstand)

Om de donkerweerstand te verhogen en daardoor de donkerstroom te verminderen, vormt het weerstandspad een zigzagpatroon over het keramische substraat. De CdS fotocel is een zeer goedkoop apparaat vaak gebruikt in automatisch dimmen, duisternis of schemering detectie voor het draaien van de straatlantaarns “ON” en “OFF”, en voor fotografische belichting meter type toepassingen.

Het in serie schakelen van een lichtafhankelijke weerstand met een standaard weerstand als deze over een enkele gelijkspanning heeft één groot voordeel, er verschijnt een verschillende spanning op hun knooppunt voor verschillende lichtniveaus.

De hoeveelheid spanningsval over de serieweerstand, R2 wordt bepaald door de resistieve waarde van de lichtafhankelijke weerstand, RLDR. Dit vermogen om verschillende spanningen te genereren levert een zeer handige schakeling op die een “Potential Divider” of Spanningsverdeler Netwerk wordt genoemd.

Zoals we weten is de stroom door een serieschakeling gemeenschappelijk en als de LDR zijn weerstandswaarde verandert als gevolg van de lichtintensiteit, zal de spanning aanwezig op VOUT worden bepaald door de formule van de spanningsdeler. De weerstand van een LDR, RLDR kan variëren van ongeveer 100Ω in het zonlicht, tot meer dan 10MΩ in absolute duisternis, waarbij deze variatie van weerstand wordt omgezet in een spanningsvariatie op VOUT zoals getoond.

Een eenvoudig gebruik van een lichtafhankelijke weerstand, is als een lichtgevoelige schakelaar zoals hieronder getoond.

Deze basis lichtsensor schakeling is van een relais uitgang licht geactiveerde schakelaar. Een potentiaalverdeler wordt gevormd tussen de fotoresistor, LDR en de weerstand R1. Wanneer er geen licht is, d.w.z. in duisternis, is de weerstand van de LDR zeer hoog in het Megaohms (MΩ) bereik, zodat er nul basisvoorspanning op de transistor TR1 wordt toegepast en het relais spanningsloos of “UIT” is.

Als het lichtniveau toeneemt, begint de weerstand van de LDR af te nemen, waardoor de basisvoorspanning op V1 toeneemt. Op een bepaald punt, dat wordt bepaald door het potentiaalverdelingsnetwerk dat met weerstand R1 wordt gevormd, is de basisspanning hoog genoeg om transistor TR1 “AAN” te zetten en zo het relais te activeren, dat op zijn beurt wordt gebruikt om een extern circuit aan te sturen. Als het lichtniveau weer daalt tot duisternis neemt de weerstand van de LDR toe waardoor de basisspanning van de transistor daalt, waardoor de transistor en het relais “UIT” gaan bij een vast lichtniveau dat weer wordt bepaald door het potentiaalverdelingsnetwerk.

Door de vaste weerstand R1 te vervangen door een potentiometer VR1, kan het punt waarop het relais “AAN” of “UIT” gaat vooraf worden ingesteld op een bepaald lichtniveau. Dit hierboven getoonde type eenvoudige schakeling heeft een vrij lage gevoeligheid en het schakelpunt is mogelijk niet consistent als gevolg van variaties in de temperatuur of de voedingsspanning. Een meer gevoelige precisieschakeling kan gemakkelijk worden gemaakt door de LDR in een “brug van Wheatstone” op te nemen en de transistor te vervangen door een operationele versterker, zoals afgebeeld.

Lichtniveau-sensorschakeling

In deze basisschakeling voor lichtdetectie, vormen de lichtafhankelijke weerstand LDR1 en de potentiometer VR1 de ene regelbare arm van een eenvoudig weerstandsbrugnetwerk, ook bekend als een brug van Wheatstone, terwijl de twee vaste weerstanden R1 en R2 de andere arm vormen. Beide zijden van de brug vormen potentiaalverdelers over de voedingsspanning waarvan de uitgangen V1 en V2 zijn verbonden met respectievelijk de niet-inverterende en de inverterende spanningsingangen van de operationele versterker.

De operationele versterker is geconfigureerd als een Differentiële versterker ook bekend als een spanningsvergelijker met terugkoppeling waarvan de uitgangsspanningstoestand wordt bepaald door het verschil tussen de twee ingangssignalen of spanningen, V1 en V2. De weerstandscombinatie R1 en R2 vormt een vaste spanningsreferentie op ingang V2, ingesteld door de verhouding van de twee weerstanden. De combinatie LDR – VR1 levert een variabele spanningsingang V1, evenredig met het lichtniveau dat door de lichtgevoelige weerstand wordt gedetecteerd.

Zoals bij de vorige schakeling wordt de uitgang van de operationele versterker gebruikt om een relais aan te sturen, dat wordt beschermd door een vrijloopdiode, D1. Wanneer het door de LDR gemeten lichtniveau en zijn uitgangsspanning onder de bij V2 ingestelde referentiespanning komen, verandert de uitgang van de op-amp van toestand, waardoor het relais wordt geactiveerd en de aangesloten belasting wordt geschakeld.

Zoals het lichtniveau toeneemt, schakelt de uitgang terug, waardoor het relais “UIT” wordt geschakeld. De hysteresis van de twee schakelpunten wordt ingesteld door de terugkoppelingsweerstand Rf kan worden gekozen om elke geschikte spanningsversterking van de versterker te geven.

De werking van dit type lichtsensor-schakeling kan ook worden omgekeerd om het relais “AAN” te schakelen wanneer het lichtniveau het referentiespanningsniveau overschrijdt en vice versa door de posities van de lichtsensor LDR en de potentiometer VR1 om te keren. De potentiometer kan worden gebruikt om het schakelpunt van de verschilversterker “vooraf in te stellen” op een bepaald lichtniveau, waardoor het ideaal is als een eenvoudige lichtsensor projectschakeling.

Photojunction Devices

Photojunction Devices zijn in principe PN-junction lichtsensoren of detectoren gemaakt van silicium halfgeleider PN-junctions die gevoelig zijn voor licht en die zowel zichtbaar licht als infra-rood licht niveaus kunnen detecteren. Foto-junctie apparaten zijn speciaal gemaakt voor het detecteren van licht en deze klasse van foto-elektrische lichtsensoren omvat de Photodiode en de Phototransistor.

De Photodiode.

De constructie van de fotodiode lichtsensor is gelijk aan die van een conventionele PN-junctie diode, behalve dat de buitenmantel van de diode ofwel transparant is of een heldere lens heeft om het licht op de PN-junctie te richten voor een grotere gevoeligheid. De junctie zal reageren op licht met name langere golflengten zoals rood en infrarood in plaats van zichtbaar licht.

Dit kenmerk kan een probleem zijn voor dioden met transparante of glazen kraallichamen, zoals de 1N4148 signaaldiode. LED’s kunnen ook worden gebruikt als fotodiodes, omdat zij zowel licht kunnen uitzenden als detecteren vanuit hun junctie. Alle PN-juncties zijn lichtgevoelig en kunnen worden gebruikt in een fotogeleidende spanningsloze modus waarbij de PN-junctie van de fotodiode altijd “Reverse Biased” is, zodat alleen de lek- of donkerstroom van de diode kan vloeien.

De stroom-spanningskarakteristiek (I/V Curves) van een fotodiode zonder licht op de junctie (donkere modus) lijkt sterk op een normale signaal- of gelijkrichtdiode. Wanneer de fotodiode wordt voorgespannen, is er een exponentiële toename van de stroom, net als bij een normale diode. Wanneer een sperspanning wordt toegepast, verschijnt een kleine sperspanningverzadigingsstroom die een toename van het depletiegebied veroorzaakt, het gevoelige deel van de junctie. Fotodiodes kunnen ook worden aangesloten in een stroommodus met een vaste voorspanning over de junctie. De stroommodus is zeer lineair over een groot bereik.

Photo-diode Constructie en Kenmerken

Wanneer een fotodiode als lichtsensor wordt gebruikt, bedraagt de donkerstroom (0 lux) ongeveer 10uA voor geranium en 1uA voor siliciumtype diodes. Wanneer er licht op de junctie valt, worden er meer gaten/elektronenparen gevormd en neemt de lekstroom toe. Deze lekstroom neemt toe naarmate de belichting van de junctie toeneemt.

Dus is de fotodiodestroom recht evenredig met de lichtintensiteit die op de PN-junctie valt. Een groot voordeel van fotodiodes bij gebruik als lichtsensoren is hun snelle reactie op veranderingen in het lichtniveau, maar een nadeel van dit type fotodevice is de relatief kleine stroom, zelfs bij volledige belichting.

De volgende schakeling toont een fotostroom-naar-spanningsomvormerschakeling met een operationele versterker als versterkingsapparaat. De uitgangsspanning (Vout) wordt gegeven als Vout = IP*Rƒ en die is evenredig met de lichtintensiteitskarakteristieken van de fotodiode.

Dit type schakeling maakt ook gebruik van de karakteristieken van een operationele versterker met twee ingangsklemmen op ongeveer nulspanning om de fotodiode zonder bias te laten werken. Deze nul-bias op-amp configuratie geeft een hoge impedantiebelasting aan de fotodiode, hetgeen resulteert in minder beïnvloeding door donkere stroom en een breder lineair bereik van de fotostroom in verhouding tot de stralingslichtintensiteit. Condensator Cf wordt gebruikt om oscillatie of versterkingspieken te voorkomen en om de uitgangsbandbreedte in te stellen (1/2πRC).

Fotodiodeversterkerschakeling

Fotodioden zijn zeer veelzijdige lichtsensoren die hun stroom zowel “AAN” als “UIT” kunnen zetten in nanoseconden en worden veel gebruikt in camera’s, lichtmeters, CD- en DVD-ROM-stations, TV-afstandsbedieningen, scanners, faxapparaten en kopieerapparaten, enz., en wanneer geïntegreerd in operationele versterkerschakelingen als infraroodspectrumdetectoren voor glasvezelcommunicatie, bewegingsdetectieschakelingen voor inbraakalarm en talrijke beeldvormings-, laserscannings- en plaatsbepalingssystemen, enz.

De fototransistor

Fototransistor

Een alternatief voor de fotodiode is de fototransistor, die in feite een fotodiode met versterking is. Bij de fototransistor-lichtsensor wordt de PN-overgang tussen collector en basis in omgekeerde richting beïnvloed, zodat hij wordt blootgesteld aan de stralingsbron.

Fototransistors werken hetzelfde als de fotodiode, behalve dat zij stroomversterking kunnen bieden en veel gevoeliger zijn dan de fotodiode met stromen die 50 tot 100 maal groter zijn dan die van de standaard fotodiode en elke normale transistor kan gemakkelijk worden omgebouwd tot een fototransistor-lichtsensor door een fotodiode aan te sluiten tussen de collector en de basis.

Fototransistoren bestaan hoofdzakelijk uit een bipolaire NPN-transistor waarvan de grote basisregio elektrisch niet is aangesloten, hoewel bij sommige fototransistoren een basisaansluiting mogelijk is om de gevoeligheid te regelen, en die fotonen van licht gebruikt om een basisstroom te genereren die op zijn beurt een collector-naar-emitter-stroom doet vloeien. De meeste fototransistoren zijn NPN types waarvan de buitenste behuizing doorzichtig is of een heldere lens heeft om het licht op de basisverbinding te richten voor een grotere gevoeligheid.

Fotototransistorbouw en eigenschappen

In de NPN-transistor is de collector positief gebiased ten opzichte van de emitter, zodat de basis/collector-junctie omgekeerd gebiased is. Als er geen licht op de junctie valt, vloeit er dus een normale lekstroom of donkerstroom, die zeer klein is. Wanneer er licht op de basis valt, worden er in dit gebied meer elektron-gat paren gevormd en de stroom die door deze actie wordt geproduceerd, wordt door de transistor versterkt.

Normaal gesproken is de gevoeligheid van een fototransistor een functie van de DC stroomversterking van de transistor. De totale gevoeligheid is dus een functie van de collectorstroom en kan worden geregeld door een weerstand aan te sluiten tussen de basis en de emitter, maar voor zeer gevoelige toepassingen van het type optocoupler worden meestal Darlington fototransistoren gebruikt.

Photodarlington-transistoren gebruiken een tweede bipolaire NPN-transistor voor extra versterking of wanneer een hogere gevoeligheid van een fotodetector nodig is als gevolg van lage lichtniveaus of selectieve gevoeligheid, maar de respons is langzamer dan die van een gewone NPN-fotototransistor.

Fotodarlington-apparaten bestaan uit een gewone fototransistor waarvan de emitteruitgang is gekoppeld aan de basis van een grotere bipolaire NPN-transistor. Omdat een darlington-transistorconfiguratie een stroomversterking geeft die gelijk is aan een product van de stroomversterkingen van twee afzonderlijke transistors, levert een fotodarlington-apparaat een zeer gevoelige detector op.

Typische toepassingen van fototransistors-lichtsensoren zijn in opto-isolatoren, optoschakelaars met sleuven, lichtstraalsensoren, glasvezeloptica en afstandsbedieningen van het TV-type, enz. Infrarood filters zijn soms nodig bij het detecteren van zichtbaar licht.

Een ander type fotojunctie halfgeleider lichtsensor die het vermelden waard is, is de foto-thyristor. Dit is een door licht geactiveerde thyristor of Silicon Controlled Rectifier, SCR die kan worden gebruikt als een door licht geactiveerde schakelaar in AC-toepassingen. Hun gevoeligheid is echter meestal zeer laag in vergelijking met gelijkwaardige fotodiodes of fototransistors.

Om hun gevoeligheid voor licht te helpen vergroten, worden fototyristors dunner gemaakt rond de gate junction. Het nadeel van dit proces is dat het de hoeveelheid anodestroom beperkt die ze kunnen schakelen. Voor AC-toepassingen met hogere stromen worden ze dan gebruikt als pilot-apparaten in opto-couplers om grotere, meer conventionele thyristoren te schakelen.

Photovoltaïsche Cellen.

Het meest voorkomende type fotovoltaïsche lichtsensor is de zonnecel. Zonnecellen zetten lichtenergie rechtstreeks om in gelijkstroom in de vorm van een spanning of stroom om een resistieve belasting zoals een lamp, batterij of motor van stroom te voorzien. Fotovoltaïsche cellen zijn dus in veel opzichten vergelijkbaar met een batterij, omdat zij gelijkstroom leveren.

In tegenstelling tot de andere foto-apparaten die we hierboven hebben bekeken en die lichtintensiteit, zelfs van een zaklamp, gebruiken om te werken, werken fotovoltaïsche zonnecellen het best met behulp van de stralingsenergie van de zon.

Zonnecellen worden in veel verschillende toepassingen gebruikt om een alternatieve energiebron te bieden voor conventionele batterijen, zoals in rekenmachines, satellieten en nu ook in woningen als een vorm van hernieuwbare energie.

Photovoltaïsche cellen zijn gemaakt van PN-juncties van enkelkristalsilicium, hetzelfde als fotodiodes met een zeer groot lichtgevoelig gebied, maar worden gebruikt zonder de omgekeerde bias. Ze hebben dezelfde eigenschappen als een zeer grote fotodiode in het donker.

Wanneer verlicht zorgt de lichtenergie ervoor dat elektronen door de PN-junctie stromen en een individuele zonnecel kan een open-circuit spanning genereren van ongeveer 0,58v (580mV). Zonnecellen hebben een “positieve” en een “negatieve” kant, net als een batterij.

Afzonderlijke zonnecellen kunnen in serie worden geschakeld om zonnepanelen te vormen, waardoor de uitgangsspanning toeneemt, of kunnen parallel worden geschakeld om de beschikbare stroom te verhogen. In de handel verkrijgbare zonnepanelen worden gewaardeerd in Watt, wat het product is van de uitgangsspanning en de stroom (Volt maal Ampère) bij volledige verlichting.

Karakteristieken van een typische fotovoltaïsche zonnecel.

De hoeveelheid beschikbare stroom van een zonnecel hangt af van de lichtintensiteit, de grootte van de cel en het rendement, dat met zo’n 15 tot 20% over het algemeen erg laag is. Om de totale efficiëntie van de cel te verhogen wordt in de handel gebruik gemaakt van polykristallijn silicium of amorf silicium, dat geen kristallijne structuur heeft, en een stroom kan opwekken van 20 tot 40 mA per cm2.

Andere materialen die worden gebruikt bij de constructie van fotovoltaïsche cellen zijn Gallium Arsenide, Koper Indium Diselenide en Cadmium Telluride. Deze verschillende materialen hebben elk een andere spectrumbandresponsie, en kunnen dus worden “afgestemd” om bij verschillende golflengten van het licht een uitgangsspanning te produceren.

In deze tutorial over lichtsensoren hebben we verschillende voorbeelden bekeken van apparaten die als lichtsensoren worden geclassificeerd. Dit omvat die met en die zonder PN-juncties die kunnen worden gebruikt om de intensiteit van licht te meten.