Senzori de lumină

Un senzor de lumină generează un semnal de ieșire care indică intensitatea luminii prin măsurarea energiei radiante care există într-o gamă foarte îngustă de frecvențe numite în principiu „lumină” și care variază în frecvență de la „infraroșu” la „vizibil” și până la spectrul de lumină „ultraviolet”.

Senzorul de lumină este un dispozitiv pasiv care convertește această „energie luminoasă”, fie că este vizibilă sau în părțile infraroșii ale spectrului, într-un semnal electric de ieșire. Senzorii de lumină sunt mai frecvent cunoscuți sub denumirea de „dispozitive fotoelectrice” sau „senzori fotoelectrici”, deoarece aceștia convertesc energia luminoasă (fotoni) în electricitate (electroni).

Dispozitivele fotoelectrice pot fi grupate în două categorii principale, cele care generează electricitate atunci când sunt iluminate, cum ar fi fotovoltaicele sau fotoemisivele etc., și cele care își modifică proprietățile electrice într-un anumit mod, cum ar fi fotorezistențele sau fotoconductorii. Aceasta conduce la următoarea clasificare a dispozitivelor.

• – Celule foto-emisive – Acestea sunt fotodispozitive care eliberează electroni liberi dintr-un material sensibil la lumină, cum ar fi cesiul, atunci când sunt lovite de un foton de energie suficientă. Cantitatea de energie pe care o au fotonii depinde de frecvența luminii și cu cât frecvența este mai mare, cu atât mai multă energie au fotonii care convertesc energia luminoasă în energie electrică.
• – Celule fotoconductoare – Aceste fotodispozitive își modifică rezistența electrică atunci când sunt supuse la lumină. Fotoconductivitatea rezultă din faptul că lumina lovește un material semiconductor care controlează fluxul de curent prin el. Astfel, mai multă lumină crește curentul pentru o anumită tensiune aplicată. Cel mai comun material fotoconductor este sulfura de cadmiu utilizată în fotocelulele LDR.
• – Celule fotovoltaice – Aceste fotodispozitive generează o forță electromagnetică proporțională cu energia luminoasă radiantă primită și are un efect similar cu fotoconductivitatea. Energia luminoasă cade pe două materiale semiconductoare lipite între ele, creând o tensiune de aproximativ 0,5 V. Cel mai comun material fotovoltaic este seleniul utilizat în celulele solare.
• – Dispozitive cu fotojoncțiune – Aceste fotodispozitive sunt în principal dispozitive semiconductoare adevărate, cum ar fi fotodioda sau fototransistorul, care utilizează lumina pentru a controla fluxul de electroni și găuri prin joncțiunea lor PN. Dispozitivele cu fotojoncțiune sunt proiectate special pentru aplicații de detectare și penetrare a luminii, răspunsul lor spectral fiind reglat în funcție de lungimea de undă a luminii incidente.

Celula fotoconductoare

Un senzor de lumină fotoconductoare nu produce electricitate, ci pur și simplu își modifică proprietățile fizice atunci când este supus energiei luminoase. Cel mai comun tip de dispozitiv fotoconductor este fotorezistorul, care își modifică rezistența electrică ca răspuns la modificările intensității luminii.

Fotorezistorii sunt dispozitive semiconductoare care utilizează energia luminoasă pentru a controla fluxul de electroni și, prin urmare, curentul care trece prin ele. Celula fotoconductoare utilizată în mod obișnuit se numește rezistență dependentă de lumină sau LDR (Light Dependent Resistor).

Rezistența dependentă de lumină

Așa cum sugerează și numele său, rezistorul dependent de lumină (LDR) este realizat dintr-o bucată de material semiconductor expus, cum ar fi sulfura de cadmiu, care își modifică rezistența electrică de la câteva mii de ohmi în întuneric la doar câteva sute de ohmi atunci când lumina cade pe el, prin crearea de perechi gaură-electron în material.

Efectul net este o îmbunătățire a conductivității sale cu o scădere a rezistenței pentru o creștere a iluminării. De asemenea, celulele fotorezistive au un timp de răspuns îndelungat, necesitând mai multe secunde pentru a răspunde la o modificare a intensității luminii.

Materialele utilizate ca substrat semiconductor includ, sulfura de plumb (PbS), seleniura de plumb (PbSe), antimoniura de indiu (InSb), care detectează lumina în domeniul infraroșu, cel mai frecvent utilizat dintre toți senzorii de lumină fotorezistivi fiind sulfura de cadmiu (Cds).

Sulfura de cadmiu este utilizată la fabricarea celulelor fotoconductoare deoarece curba sa de răspuns spectral se potrivește îndeaproape cu cea a ochiului uman și poate fi chiar controlată folosind o simplă lanternă ca sursă de lumină. În mod obișnuit, atunci, are o lungime de undă de sensibilitate maximă (λp) de aproximativ 560 nm până la 600 nm în domeniul spectral vizibil.

Celula cu rezistență dependentă de lumină

Senzorul de lumină fotorezistiv cel mai frecvent utilizat este celula fotoconductoare cu sulfură de cadmiu ORP12. Această rezistență dependentă de lumină are un răspuns spectral de aproximativ 610 nm în regiunea galbenă spre portocaliu a luminii. Rezistența celulei atunci când nu este iluminată (rezistență la întuneric) este foarte mare, de aproximativ 10MΩ, care scade la aproximativ 100Ω atunci când este complet iluminată (rezistență aprinsă).

Pentru a crește rezistența la întuneric și, prin urmare, pentru a reduce curentul de întuneric, calea rezistivă formează un model în zigzag pe substratul ceramic. Fotocelula CdS este un dispozitiv cu un cost foarte scăzut, utilizat adesea în cazul atenuării automate, al detectării întunericului sau crepusculului pentru aprinderea și stingerea luminilor stradale, precum și pentru aplicații de tip exponometru fotografic.

Conectarea unui rezistor dependent de lumină în serie cu un rezistor standard ca acesta pe o singură tensiune de alimentare de curent continuu are un avantaj major, o tensiune diferită va apărea la joncțiunea lor pentru diferite niveluri de lumină.

Cantitatea de cădere de tensiune pe rezistorul în serie, R2 este determinată de valoarea rezistivă a rezistorului dependent de lumină, RLDR. Această capacitate de a genera tensiuni diferite produce un circuit foarte la îndemână numit „divizor de potențial” sau rețea de divizor de tensiune.

După cum știm, curentul printr-un circuit serie este comun și, pe măsură ce LDR își modifică valoarea rezistivă datorită intensității luminii, tensiunea prezentă la VOUT va fi determinată de formula divizorului de tensiune. Rezistența unui LDR, RLDR, poate varia de la aproximativ 100Ω la lumina soarelui, la peste 10MΩ în întunericul absolut, această variație a rezistenței fiind transformată într-o variație a tensiunii la VOUT, așa cum se arată.

O utilizare simplă a unui rezistor dependent de lumină, este ca întrerupător sensibil la lumină, așa cum se arată mai jos.

Acest circuit de bază al senzorului de lumină este al unui întrerupător activat de lumină cu ieșire de releu. Între fotorezistor, LDR și rezistorul R1 se formează un circuit de divizor de potențial. Atunci când nu există lumină, adică în întuneric, rezistența LDR-ului este foarte mare, în intervalul Megaohmi (MΩ), astfel încât se aplică o polarizare de bază zero la tranzistorul TR1 și releul este dezactivat sau „OFF”.

Când nivelul de lumină crește, rezistența LDR-ului începe să scadă, determinând creșterea tensiunii de polarizare de bază la V1. La un moment dat, determinat de rețeaua de divizor de potențial formată cu rezistorul R1, tensiunea de polarizare de bază este suficient de mare pentru a activa tranzistorul TR1 „ON” și, astfel, pentru a activa releul care, la rândul său, este utilizat pentru a controla unele circuite externe. Pe măsură ce nivelul de lumină scade din nou până la întuneric, rezistența LDR crește, determinând scăderea tensiunii de bază a tranzistorului, ceea ce face ca tranzistorul și releul să fie „OPRITE” la un nivel de lumină fix determinat din nou de rețeaua de divizare a potențialului.

Înlocuind rezistența fixă R1 cu un potențiometru VR1, punctul în care releul se activează „ON” sau „OFF” poate fi prestabilit la un anumit nivel de lumină. Acest tip de circuit simplu prezentat mai sus are o sensibilitate destul de scăzută și este posibil ca punctul său de comutare să nu fie constant din cauza variațiilor fie ale temperaturii, fie ale tensiunii de alimentare. Se poate realiza cu ușurință un circuit de precizie mai sensibil, activat de lumină, prin încorporarea LDR într-un aranjament de tip „punte Wheatstone” și înlocuirea tranzistorului cu un amplificator operațional, așa cum este prezentat.

Circuit de detectare a nivelului de lumină

În acest circuit de bază de detectare a întunericului, rezistorul dependent de lumină LDR1 și potențiometrul VR1 formează un braț reglabil al unei rețele simple de punți de rezistență, cunoscută în mod obișnuit și sub denumirea de punte Wheatstone, în timp ce cele două rezistențe fixe R1 și R2 formează celălalt braț. Ambele părți ale punții formează rețele de divizoare de potențial pe tensiunea de alimentare ale căror ieșiri V1 și V2 sunt conectate la intrările de tensiune neinversoare și, respectiv, inversoare ale amplificatorului operațional.

Amplificatorul operațional este configurat ca un amplificator diferențial, cunoscut și sub numele de comparator de tensiune cu reacție, a cărui stare a tensiunii de ieșire este determinată de diferența dintre cele două semnale sau tensiuni de intrare, V1 și V2. Combinația de rezistențe R1 și R2 formează o referință de tensiune fixă la intrarea V2, stabilită prin raportul dintre cele două rezistențe. Combinația LDR – VR1 asigură o intrare de tensiune variabilă V1 proporțională cu nivelul de lumină detectat de fotorezistor.

Ca și în cazul circuitului anterior, ieșirea amplificatorului operațional este utilizată pentru a comanda un releu, care este protejat de o diodă cu roată liberă, D1. Când nivelul de lumină detectat de LDR și tensiunea de ieșire a acestuia scade sub tensiunea de referință setată la V2, ieșirea de la amplificatorul operațional își schimbă starea activând releul și comutând sarcina conectată.

La fel, pe măsură ce nivelul de lumină crește, ieșirea se va comuta înapoi transformând releul în „OFF”. Histerezisul celor două puncte de comutare este stabilit de rezistența de reacție Rf poate fi aleasă pentru a da orice câștig de tensiune adecvat al amplificatorului.

Funcționarea acestui tip de circuit senzor de lumină poate fi, de asemenea, inversată pentru a comuta releul „ON” atunci când nivelul de lumină depășește nivelul tensiunii de referință și invers prin inversarea pozițiilor senzorului de lumină LDR și a potențiometrului VR1. Potențiometrul poate fi utilizat pentru a „pre-seta” punctul de comutare al amplificatorului diferențial la orice nivel de lumină particular, ceea ce îl face ideal ca un circuit simplu de proiect pentru senzori de lumină.

Dispozitive cu fotojoncțiune

Dispozitivele cu fotojoncțiune sunt, în principiu, senzori de lumină sau detectori de lumină cu joncțiune PN realizați din joncțiuni PN semiconductoare de siliciu care sunt sensibile la lumină și care pot detecta atât lumina vizibilă, cât și nivelurile de lumină infraroșie. Dispozitivele cu fotojoncțiune sunt special concepute pentru detectarea luminii, iar această clasă de senzori fotoelectrici de lumină include fotodioda și fototransistorul.

Photodioda.

Construcția senzorului de lumină Fotodioda este similară cu cea a unei diode convenționale cu joncțiune PN, cu excepția faptului că carcasa exterioară a diodelor este fie transparentă, fie are o lentilă transparentă pentru a focaliza lumina pe joncțiunea PN pentru o sensibilitate sporită. Joncțiunea va răspunde la lumină în special la lungimi de undă mai mari, cum ar fi cea roșie și infraroșie, mai degrabă decât la lumina vizibilă.

Această caracteristică poate fi o problemă pentru diodele cu corpuri transparente sau cu bile de sticlă, cum ar fi dioda de semnal 1N4148. LED-urile pot fi, de asemenea, utilizate ca fotodiode, deoarece pot atât să emită cât și să detecteze lumina din joncțiunea lor. Toate joncțiunile PN sunt sensibile la lumină și pot fi utilizate într-un mod de tensiune fără polarizare fotoconductoare, cu joncțiunea PN a fotodiodei întotdeauna „polarizată invers”, astfel încât numai curentul de scurgere sau curentul de întuneric al diodelor poate circula.

Caracteristica curent-tensiune (curbele I/V) a unei fotodiode fără lumină pe joncțiunea sa (modul întunecat) este foarte asemănătoare cu o diodă normală de semnal sau redresoare. Atunci când fotodioda este polarizată în sens direct, există o creștere exponențială a curentului, la fel ca în cazul unei diode normale. Atunci când se aplică o polarizare inversă, apare un mic curent de saturație inversă care determină o creștere a regiunii de epuizare, care este partea sensibilă a joncțiunii. Fotodiodele pot fi, de asemenea, conectate într-un mod de curent, utilizând o tensiune de polarizare fixă la nivelul joncțiunii. Modul de curent este foarte liniar pe o gamă largă.

Construcția și caracteristicile fotodiodei

Când este utilizată ca senzor de lumină, curentul de întuneric al fotodiodei (0 lux) este de aproximativ 10uA pentru diodele de tip geraniu și de 1uA pentru diodele de tip siliciu. Atunci când lumina cade pe joncțiune se formează mai multe perechi de găuri/electroni și curentul de scurgere crește. Acest curent de scurgere crește pe măsură ce crește iluminarea joncțiunii.

Astfel, curentul fotodiodelor este direct proporțional cu intensitatea luminii care cade pe joncțiunea PN. Un avantaj principal al fotodiodelor atunci când sunt utilizate ca senzori de lumină este răspunsul lor rapid la modificările nivelului de lumină, dar un dezavantaj al acestui tip de fotodispozitiv este fluxul de curent relativ mic chiar și atunci când sunt complet iluminate.

Circuitul următor prezintă un circuit convertor fotocurent-tensiune care utilizează un amplificator operațional ca dispozitiv de amplificare. Tensiunea de ieșire (Vout) este dată de Vout = IP*Rƒ și care este proporțională cu caracteristicile de intensitate luminoasă ale fotodiodei.

Acest tip de circuit utilizează, de asemenea, caracteristicile unui amplificator operațional cu două terminale de intrare la aproximativ zero tensiune pentru a opera fotodioda fără polarizare. Această configurație a amplificatorului operațional cu polarizare zero oferă o sarcină de impedanță ridicată pentru fotodiodă, ceea ce duce la o influență mai mică a curentului de întuneric și la o gamă liniară mai largă a fotocurentului în raport cu intensitatea luminii radiante. Condensatorul Cf este utilizat pentru a preveni oscilațiile sau vârfurile de câștig și pentru a stabili lățimea de bandă de ieșire (1/2πRC).

Circuit amplificator cu fotodiode

Fotodiodele sunt senzori de lumină foarte versatili care își pot transforma fluxul de curent atât „ON” cât și „OFF” în câteva nanosecunde și sunt utilizate în mod obișnuit în camerele foto, cititoare de lumină, unități CD și DVD-ROM, telecomenzi TV, scanere, faxuri și copiatoare etc., iar atunci când sunt integrate în circuite amplificatoare operaționale ca detectoare de spectru infraroșu pentru comunicații prin fibră optică, circuite de detectare a mișcării pentru alarme de efracție și numeroase sisteme de imagistică, de scanare cu laser și de poziționare etc.

Fototransistorul

Un dispozitiv cu fotojoncțiune alternativ la fotodiodă este fototransistorul, care este practic o fotodiodă cu amplificare. Senzorul de lumină cu fototransistor are joncțiunea PN-colector-bază polarizată invers, expunându-l la sursa de lumină radiantă.

Fototransistorii funcționează la fel ca fotodioda, cu excepția faptului că pot oferi un câștig de curent și sunt mult mai sensibili decât fotodioda, curenții fiind de 50 până la 100 de ori mai mari decât cei ai fotodiodei standard și orice tranzistor normal poate fi ușor transformat într-un senzor de lumină cu fototransistor prin conectarea unei fotodiode între colector și bază.

Fototransistorii constau în principal dintr-un tranzistor bipolar NPN cu regiunea sa mare de bază neconectată electric, deși unele fototransistori permit o conexiune de bază pentru a controla sensibilitatea, și care utilizează fotonii de lumină pentru a genera un curent de bază care, la rândul său, face să curgă un curent de la colector la emițător. Majoritatea fototransistoarelor sunt de tip NPN a căror carcasă exterioară este fie transparentă, fie are o lentilă transparentă pentru a focaliza lumina pe joncțiunea de bază pentru o sensibilitate sporită.

Construcția și caracteristicile fototransistorului

În tranzistorul NPN, colectorul este polarizat pozitiv în raport cu emițătorul, astfel încât joncțiunea bază/colector este polarizată invers. Prin urmare, în lipsa luminii pe joncțiune circulă un curent normal de scurgere sau de întuneric care este foarte mic. Când lumina cade pe bază se formează mai multe perechi electroni/găuri în această regiune și curentul produs de această acțiune este amplificat de tranzistor.

În mod obișnuit, sensibilitatea unui fototransistor este funcție de câștigul de curent continuu al tranzistorului. Prin urmare, sensibilitatea globală este funcție de curentul de colector și poate fi controlată prin conectarea unei rezistențe între bază și emitor, dar pentru aplicațiile de tip optocuplor de foarte mare sensibilitate se folosesc în general fototransistoare Darlington.