Czujniki światła

Czujnik światła generuje sygnał wyjściowy wskazujący na intensywność światła poprzez pomiar energii promienistej, która istnieje w bardzo wąskim zakresie częstotliwości, zwanym zasadniczo „światłem”, i który rozciąga się w zakresie częstotliwości od „podczerwieni” do „widzialności” aż do „ultrafioletu”.

Czujnik światła jest urządzeniem pasywnym, które przekształca tę „energię świetlną”, widzialną lub w podczerwonych częściach widma w sygnał elektryczny. Czujniki światła są bardziej powszechnie znane jako „urządzenia fotoelektryczne” lub „fotosensory”, ponieważ przekształcają one energię świetlną (fotony) w energię elektryczną (elektrony).

Urządzenia fotoelektryczne można podzielić na dwie główne kategorie, te, które generują energię elektryczną po oświetleniu, takie jak fotowoltaika lub fotoemisja, oraz te, które zmieniają swoje właściwości elektryczne w jakiś sposób, takie jak fotorezystory lub fotoprzewodniki. Prowadzi to do następującej klasyfikacji urządzeń.

• – Ogniwa fotoemisyjne – Są to fotourządzenia, które uwalniają wolne elektrony z materiału światłoczułego, takiego jak cez, gdy zostaną uderzone przez foton o wystarczającej energii. Ilość energii, jaką posiadają fotony zależy od częstotliwości światła i im wyższa częstotliwość, tym więcej energii posiadają fotony przekształcające energię światła w energię elektryczną.
• – Ogniwa fotoprzewodzące – Te fotourządzenia zmieniają swoją oporność elektryczną pod wpływem światła. Fotoprzewodnictwo wynika ze światła uderzającego w materiał półprzewodnikowy, który kontroluje przepływ prądu przez niego. Tak więc, więcej światła zwiększa prąd dla danego przyłożonego napięcia. Najbardziej powszechnym materiałem fotoprzewodzącym jest siarczek kadmu używany w fotokomórkach LDR.
• – Ogniwa fotowoltaiczne – Te fotourządzenia generują emf proporcjonalnie do otrzymanej energii promieniowania świetlnego i są podobne w działaniu do fotoprzewodnictwa. Energia świetlna pada na dwa półprzewodnikowe materiały umieszczone obok siebie tworząc napięcie około 0,5V. Najbardziej powszechnym materiałem fotowoltaicznym jest Selen używany w ogniwach słonecznych.
• – Urządzenia fotozłącza – Te fotourządzenia są głównie prawdziwymi urządzeniami półprzewodnikowymi, takimi jak fotodioda lub fototranzystor, które wykorzystują światło do kontrolowania przepływu elektronów i dziur przez ich złącze PN. Urządzenia fotozłącza są specjalnie zaprojektowane do zastosowań w detektorach i penetracji światła z ich odpowiedzią spektralną dostrojoną do długości fali padającego światła.

Komórka fotoprzewodząca

Fotoprzewodzący czujnik światła nie wytwarza energii elektrycznej, ale po prostu zmienia swoje właściwości fizyczne, gdy jest poddany działaniu energii świetlnej. Najbardziej powszechnym typem urządzenia fotoprzewodzącego jest fotorezystor, który zmienia swoją oporność elektryczną w odpowiedzi na zmiany natężenia światła.

Fotorezystory są urządzeniami półprzewodnikowymi, które wykorzystują energię świetlną do kontrolowania przepływu elektronów, a tym samym prądu przepływającego przez nie. Powszechnie używane ogniwo fotoprzewodzące nazywane jest rezystorem zależnym od światła lub LDR.

Rezystor Zależny od Światła

Jak sama nazwa wskazuje, rezystor zależny od światła (LDR) jest wykonany z kawałka naświetlonego materiału półprzewodnikowego, takiego jak siarczek kadmu, który zmienia swój opór elektryczny z kilku tysięcy omów w ciemności do zaledwie kilkuset omów, gdy pada na niego światło, poprzez tworzenie par dziura-elektron w materiale.

Efektem netto jest poprawa przewodnictwa przy spadku oporu przy wzroście oświetlenia. Ponadto, komórki fotorezystywne mają długi czas odpowiedzi, wymagający wielu sekund na reakcję na zmianę natężenia światła.

Materiały stosowane jako podłoże półprzewodnikowe obejmują siarczek ołowiu (PbS), selenek ołowiu (PbSe), antymonek indu (InSb), które wykrywają światło w zakresie podczerwieni, przy czym najczęściej stosowanym ze wszystkich fotorezystywnych czujników światła jest siarczek kadmu (Cds).

Siarczek kadmu jest używany do produkcji komórek fotoprzewodzących, ponieważ jego krzywa odpowiedzi spektralnej ściśle odpowiada krzywej ludzkiego oka i może być nawet kontrolowana przy użyciu zwykłej latarki jako źródła światła. Typowa długość fali dla czułości szczytowej (λp) wynosi od około 560nm do 600nm w widzialnym zakresie spektralnym.

Ogniwo fotorezystywne zależne od światła

Najczęściej stosowanym fotorezystywnym czujnikiem światła jest ogniwo fotorezystywne ORP12 z siarczkiem kadmu. Ten zależny od światła opornik posiada odpowiedź spektralną około 610nm w regionie światła od żółtego do pomarańczowego. Rezystancja ogniwa przy braku oświetlenia (ciemna rezystancja) jest bardzo wysoka i wynosi około 10MΩ’s i spada do około 100Ω’s przy pełnym oświetleniu (jasna rezystancja).

Aby zwiększyć ciemną rezystancję i tym samym zmniejszyć prąd ciemny, ścieżka rezystywna tworzy zygzakowaty wzór na podłożu ceramicznym. Fotokomórka CdS jest bardzo tanim urządzeniem, często stosowanym w automatycznym ściemnianiu, wykrywaniu ciemności lub zmierzchu, do włączania i wyłączania świateł ulicznych oraz w zastosowaniach typu miernik ekspozycji fotograficznej.

Połączenie rezystora zależnego od światła szeregowo ze standardowym rezystorem, takim jak ten, na pojedynczym napięciu zasilania DC ma jedną główną zaletę, różne napięcie pojawi się na ich styku dla różnych poziomów oświetlenia.

Wartość spadku napięcia na rezystorze szeregowym, R2, jest określona przez wartość rezystywną rezystora zależnego od światła, RLDR. Ta zdolność do generowania różnych napięć tworzy bardzo poręczny obwód zwany „dzielnikiem potencjału” lub siecią dzielników napięcia.

Jak wiemy, prąd przez obwód szeregowy jest wspólny i jak LDR zmienia swoją wartość rezystywną w zależności od natężenia światła, napięcie obecne na VOUT będzie określone przez wzór dzielnika napięcia. Rezystancja LDR, RLDR, może zmieniać się od około 100Ω w świetle słonecznym do ponad 10MΩ w absolutnej ciemności, przy czym ta zmiana rezystancji jest przekształcana w zmianę napięcia na VOUT, jak pokazano na rysunku.

Jednym z prostych zastosowań rezystora zależnego od światła jest przełącznik wrażliwy na światło, jak pokazano poniżej.

Ten podstawowy obwód czujnika światła to przełącznik aktywowany światłem z wyjściem przekaźnikowym. Obwód dzielnika potencjału jest utworzony pomiędzy fotorezystorem, LDR i rezystorem R1. Gdy nie ma światła, czyli w ciemności, rezystancja LDR jest bardzo wysoka w zakresie Megaomów (MΩ), więc zerowe napięcie bazowe jest przyłożone do tranzystora TR1 i przekaźnik jest wyłączony lub „OFF”.

W miarę wzrostu poziomu światła rezystancja LDR zaczyna się zmniejszać, powodując wzrost napięcia bazowego na V1. W pewnym momencie, określonym przez sieć dzielnika potencjału utworzoną z rezystora R1, napięcie biasu bazy jest wystarczająco wysokie, aby włączyć tranzystor TR1 „ON” i w ten sposób aktywować przekaźnik, który z kolei jest używany do sterowania niektórymi obwodami zewnętrznymi. Gdy poziom oświetlenia ponownie spadnie do ciemności, rezystancja LDR wzrasta powodując spadek napięcia bazy tranzystora, wyłączając tranzystor i przekaźnik przy stałym poziomie oświetlenia określonym ponownie przez sieć dzielnika potencjału.

Zastępując stały rezystor R1 potencjometrem VR1, punkt, w którym przekaźnik włącza się lub wyłącza może być wstępnie ustawiony na konkretny poziom oświetlenia. Ten typ prostego obwodu pokazany powyżej ma dość niską czułość i jego punkt przełączania może nie być spójny z powodu zmian w temperaturze lub napięciu zasilania. Bardziej czuły, precyzyjny obwód aktywowany światłem może być łatwo wykonany poprzez włączenie LDR do układu mostka Wheatstone’a i zastąpienie tranzystora wzmacniaczem operacyjnym, jak pokazano na rysunku.

Obwód wykrywający poziom światła

W tym podstawowym obwodzie wykrywającym ciemność, zależny od światła rezystor LDR1 i potencjometr VR1 tworzą jedno regulowane ramię prostego mostka oporowego, znanego również jako mostek Wheatstone’a, podczas gdy dwa stałe rezystory R1 i R2 tworzą drugie ramię. Obie strony mostka tworzą sieci dzielników potencjału w poprzek napięcia zasilania, których wyjścia V1 i V2 są podłączone odpowiednio do nieodwracających i odwracających wejść napięciowych wzmacniacza operacyjnego.

Wzmacniacz operacyjny jest skonfigurowany jako wzmacniacz różnicowy znany również jako komparator napięcia ze sprzężeniem zwrotnym, którego stan napięcia wyjściowego jest określony przez różnicę między dwoma sygnałami lub napięciami wejściowymi, V1 i V2. Kombinacja rezystorów R1 i R2 tworzy stałe napięcie odniesienia na wejściu V2, ustalone przez stosunek tych dwóch rezystorów. Kombinacja LDR – VR1 zapewnia zmienne napięcie wejściowe V1 proporcjonalne do poziomu światła wykrywanego przez fotorezystor.

Tak jak w poprzednim układzie, wyjście ze wzmacniacza operacyjnego jest używane do sterowania przekaźnikiem, który jest chroniony przez diodę z wolnym kołem, D1. Gdy poziom oświetlenia wyczuwany przez LDR i jego napięcie wyjściowe spadnie poniżej napięcia odniesienia ustawionego na V2, wyjście z op-ampa zmienia stan załączając przekaźnik i przełączając podłączone obciążenie.

Podobnie, gdy poziom oświetlenia wzrośnie, wyjście przełączy się z powrotem wyłączając przekaźnik. Histereza tych dwóch punktów przełączania jest ustawiana przez rezystor sprzężenia zwrotnego Rf, który można dobrać tak, aby uzyskać odpowiednie wzmocnienie napięciowe wzmacniacza.

Operacja tego typu układu czujnika światła może być również odwrócona, aby przekaźnik był włączany, gdy poziom światła przekracza poziom napięcia odniesienia i odwrotnie, poprzez odwrócenie pozycji czujnika światła LDR i potencjometru VR1. Potencjometr może być użyty do „wstępnego ustawienia” punktu przełączania wzmacniacza różnicowego na każdy konkretny poziom światła, co czyni go idealnym jako prosty obwód projektowy czujnika światła.

Urządzenia fotozłączowe

Urządzenia fotozłączowe są w zasadzie czujnikami światła lub detektorami wykonanymi z półprzewodników krzemowych PN-junction, które są wrażliwe na światło i które mogą wykrywać zarówno światło widzialne jak i podczerwień. Urządzenia fotozłączowe są specjalnie wykonane do wykrywania światła i ta klasa fotoelektrycznych czujników światła obejmuje fotodiodę i fototranzystor.

Fotodioda.

Konstrukcja czujnika światła Fotodioda jest podobna do konwencjonalnej diody ze złączem PN z tym wyjątkiem, że zewnętrzna obudowa diody jest albo przezroczysta albo posiada przezroczystą soczewkę w celu skupienia światła na złączu PN dla zwiększenia czułości. Złącze będzie reagować na światło szczególnie o dłuższych falach, takich jak czerwień i podczerwień, a nie na światło widzialne.

Ta charakterystyka może być problemem dla diod z przezroczystym lub szklanym korpusem, takich jak dioda sygnalizacyjna 1N4148. Diody LED mogą być również stosowane jako fotodiody, ponieważ mogą zarówno emitować jak i wykrywać światło ze swojego złącza. Wszystkie złącza PN są wrażliwe na światło i mogą być używane w trybie fotoprzewodnictwa bez napięcia wstecznego, gdzie złącze PN fotodiody jest zawsze „odwrócone”, tak że może płynąć tylko prąd upływu diody lub prąd ciemny.

Charakterystyka prądowo-napięciowa (krzywe I/V) fotodiody bez światła na jej złączu (tryb ciemny) jest bardzo podobna do normalnej diody sygnałowej lub prostowniczej. Gdy fotodioda jest zasilana napięciem stałym, następuje wykładniczy wzrost prądu, taki sam jak w przypadku zwykłej diody. Gdy zastosuje się odwrotny bias, pojawia się mały prąd nasycenia wstecznego, który powoduje wzrost obszaru zubożenia, który jest wrażliwą częścią złącza. Fotodiody mogą być również podłączone w trybie prądowym przy użyciu stałego napięcia bias na złączu. Tryb prądowy jest bardzo liniowy w szerokim zakresie.

Budowa fotodiody i charakterystyka

Przy zastosowaniu jako czujnik światła, prąd ciemny fotodiody (0 luksów) wynosi około 10uA dla diod typu geranium i 1uA dla diod typu krzemowego. Gdy światło pada na złącze, tworzy się więcej par dziura/elektron i wzrasta prąd upływu. Ten prąd upływu wzrasta wraz ze wzrostem oświetlenia złącza.

Tak więc prąd fotodiody jest wprost proporcjonalny do natężenia światła padającego na złącze PN. Jedną z głównych zalet fotodiod stosowanych jako czujniki światła jest ich szybka reakcja na zmiany natężenia światła, ale jedną z wad tego typu fotourządzeń jest stosunkowo mały przepływ prądu nawet przy pełnym oświetleniu.

Poniższy obwód przedstawia układ przetwornika fotoprądu na napięcie wykorzystujący wzmacniacz operacyjny jako urządzenie wzmacniające. Napięcie wyjściowe (Vout) jest określone jako Vout = IP*Rƒ i jest proporcjonalne do charakterystyki natężenia światła fotodiody.

Ten typ obwodu wykorzystuje również charakterystykę wzmacniacza operacyjnego z dwoma zaciskami wejściowymi o napięciu około zera, aby obsługiwać fotodiodę bez biasu. Ta konfiguracja op-amp z zerowym biasem daje wysoką impedancję obciążenia fotodiody, co skutkuje mniejszym wpływem prądu ciemnego i szerszym zakresem liniowym fotoprądu w stosunku do natężenia promieniowania światła. Kondensator Cf jest używany do zapobiegania oscylacjom lub szczytom wzmocnienia oraz do ustawienia szerokości pasma wyjściowego (1/2πRC).

Obwód wzmacniacza fotodiodowego

Fotodiody są bardzo uniwersalnymi czujnikami światła, które mogą zmieniać swój przepływ prądu zarówno „ON” jak i „OFF” w nanosekundach i są powszechnie stosowane w aparatach fotograficznych, światłomierzach, napędach CD i DVD-ROM, pilotach telewizyjnych, skanerach, faksach i kopiarkach itp., a po zintegrowaniu z układami wzmacniaczy operacyjnych jako detektory widma podczerwieni dla komunikacji światłowodowej, układy wykrywania ruchu w alarmach przeciwwłamaniowych oraz liczne systemy obrazowania, skanowania laserowego i pozycjonowania itp.

Fotototranzystor

Alternatywnym urządzeniem fotozłączowym do fotodiody jest fototranzystor, który jest w zasadzie fotodiodą ze wzmocnieniem. Fototranzystorowy czujnik światła ma odwrócone złącze PN kolektor-baza wystawiając go na działanie promieniującego źródła światła.

Fototototranzystory działają tak samo jak fotodioda z tym wyjątkiem, że mogą zapewnić wzmocnienie prądowe i są znacznie bardziej czułe niż fotodioda z prądami 50 do 100 razy większymi niż standardowa fotodioda i każdy normalny tranzystor może być łatwo przekształcony w fototranzystorowy czujnik światła poprzez podłączenie fotodiody pomiędzy kolektorem a bazą.

Fotototranzystory składają się głównie z bipolarnego tranzystora NPN, którego duży obszar bazy jest elektrycznie niepodłączony, chociaż niektóre fototranzystory pozwalają na podłączenie bazy w celu kontroli czułości, i który wykorzystuje fotony światła do generowania prądu bazy, który z kolei powoduje przepływ prądu kolektora do emitera. Większość fototranzystorów to typy NPN, których zewnętrzna obudowa jest albo przezroczysta, albo ma przezroczystą soczewkę, aby skupić światło na złączu bazowym dla zwiększenia czułości.

Budowa i charakterystyka fototranzystora

W tranzystorze NPN kolektor jest spolaryzowany dodatnio w stosunku do emitera, tak że złącze baza/kolektor jest spolaryzowane odwrotnie. Dlatego przy braku światła na złączu płynie normalny prąd upływu lub prąd ciemny, który jest bardzo mały. Kiedy światło pada na bazę, w tym regionie tworzy się więcej par elektron/dziura, a prąd powstały w wyniku tego działania jest wzmacniany przez tranzystor.

Zwykle czułość fototranzystora jest funkcją wzmocnienia prądowego DC tranzystora. Dlatego ogólna czułość jest funkcją prądu kolektora i może być kontrolowana przez podłączenie rezystora pomiędzy bazą i emiterem, ale dla zastosowań typu optocoupler o bardzo wysokiej czułości zazwyczaj stosuje się fototranzystory Darlingtona.

Tranzystory fotodarlingtona wykorzystują drugi tranzystor bipolarny NPN do zapewnienia dodatkowego wzmocnienia lub gdy wymagana jest wyższa czułość fotodetektora ze względu na niski poziom oświetlenia lub selektywną czułość, ale jego odpowiedź jest wolniejsza niż zwykłego fototranzystora NPN.

Przetworniki darlingtona składają się z normalnego fototranzystora, którego wyjście emitera jest sprzężone z bazą większego bipolarnego tranzystora NPN. Ponieważ konfiguracja tranzystorów darlingtona daje wzmocnienie prądowe równe iloczynowi wzmocnień prądowych dwóch pojedynczych tranzystorów, urządzenie fotodarlingtona wytwarza bardzo czuły detektor.

Typowe zastosowania czujników światła fototranzystorów są w optoizolatorach, szczelinowych przełącznikach opto, czujnikach wiązki światła, światłowodach i pilotach typu TV, itp. Filtry podczerwieni są czasami wymagane przy wykrywaniu światła widzialnego.

Innym typem fotojunction półprzewodnikowego czujnika światła, o którym warto wspomnieć, jest fototyrystor. Jest to aktywowany światłem tyrystor lub sterowany krzemem prostownik SCR, który może być używany jako aktywowany światłem przełącznik w aplikacjach AC. Jednak ich czułość jest zazwyczaj bardzo niska w porównaniu z fotodiodami lub fototranzystorami.

Aby zwiększyć ich czułość na światło, fototyrystory są cieńsze wokół złącza bramki. Wadą tego procesu jest to, że ogranicza on ilość prądu anodowego, który mogą one przełączać. W przypadku wyższych prądów AC są one używane jako urządzenia pilotujące w sprzęgaczach optoelektrycznych do przełączania większych, bardziej konwencjonalnych tyrystorów.

Ogniwa fotowoltaiczne.

Najczęstszym typem fotowoltaicznego czujnika światła jest ogniwo słoneczne. Ogniwa słoneczne przekształcają energię świetlną bezpośrednio w energię elektryczną prądu stałego w postaci napięcia lub prądu do zasilania obciążenia rezystancyjnego, takiego jak światło, akumulator lub silnik. Ogniwa fotowoltaiczne są więc pod wieloma względami podobne do baterii, ponieważ dostarczają prąd stały.

Jednakże, w przeciwieństwie do innych urządzeń fotograficznych, którym przyjrzeliśmy się powyżej, które wykorzystują do działania intensywność światła nawet z latarki, fotowoltaiczne ogniwa słoneczne działają najlepiej wykorzystując energię promieniowania słonecznego.

Ogniwa słoneczne są wykorzystywane w wielu różnych typach zastosowań, oferując alternatywne źródło energii w stosunku do konwencjonalnych baterii, np. w kalkulatorach, satelitach, a obecnie w domach, oferując formę energii odnawialnej.

Ogniwa fotowoltaiczne są wykonane z monokrystalicznych krzemowych złączy PN, takich samych jak fotodiody z bardzo dużym regionem światłoczułym, ale są używane bez odwrotnego biasu. W ciemności mają taką samą charakterystykę jak bardzo duża fotodioda.

Po oświetleniu energia świetlna powoduje przepływ elektronów przez złącze PN i pojedyncze ogniwo słoneczne może wygenerować napięcie obwodu otwartego około 0,58v (580mV). Ogniwa słoneczne mają stronę „dodatnią” i „ujemną” tak jak bateria.

Poszczególne ogniwa słoneczne mogą być połączone szeregowo w celu utworzenia paneli słonecznych, które zwiększają napięcie wyjściowe lub połączone równolegle w celu zwiększenia dostępnego prądu. Dostępne w handlu panele słoneczne są oceniane w watach, co jest iloczynem napięcia wyjściowego i prądu (Volty razy Ampery), gdy są w pełni oświetlone.

Charakterystyka typowego fotowoltaicznego ogniwa słonecznego.

Ilość dostępnego prądu z ogniwa słonecznego zależy od natężenia światła, rozmiaru ogniwa i jego sprawności, która jest generalnie bardzo niska i wynosi około 15 do 20%. Aby zwiększyć ogólną sprawność ogniwa, dostępne na rynku ogniwa słoneczne wykorzystują krzem polikrystaliczny lub krzem amorficzny, które nie mają struktury krystalicznej i mogą generować prąd o natężeniu od 20 do 40 mA na cm2.

Inne materiały wykorzystywane w budowie ogniw fotowoltaicznych to arsenek galu, diselenek miedziowo-indowy i tellurek kadmu. Każdy z tych materiałów ma inne pasmo odpowiedzi i może być „dostrojony” do wytwarzania napięcia wyjściowego przy różnych długościach fali światła.

W tym poradniku o czujnikach światła przyjrzeliśmy się kilku przykładom urządzeń, które są klasyfikowane jako czujniki światła. Obejmuje to urządzenia z i bez złącz PN, które mogą być używane do pomiaru natężenia światła.