Ljussensorer

En ljussensor genererar en utsignal som anger ljusets intensitet genom att mäta den strålningsenergi som finns i ett mycket smalt intervall av frekvenser som i princip kallas ”ljus” och som sträcker sig i frekvens från infrarött till synligt och ultraviolett ljusspektrum.

Ljussensorn är en passiv anordning som omvandlar denna ljusenergi, oavsett om den är synlig eller i de infraröda delarna av spektrumet, till en elektrisk utsignal. Ljussensorer kallas vanligen ”fotoelektriska enheter” eller ”fotosensorer” eftersom de omvandlar ljusenergi (fotoner) till elektricitet (elektroner).

Fotoelektriska enheter kan delas in i två huvudkategorier, de som genererar elektricitet när de belyses, t.ex. fotovoltaiska enheter eller fotomissiver etc., och de som ändrar sina elektriska egenskaper på något sätt, t.ex. fotoresistorer eller fotoledare. Detta leder till följande klassificering av anordningar.

• – Fotoemitterande celler – Detta är fotoanordningar som frigör fria elektroner från ett ljuskänsligt material, t.ex. cesium, när de träffas av en foton med tillräcklig energi. Mängden energi som fotonerna har beror på ljusets frekvens och ju högre frekvens desto mer energi har fotonerna som omvandlar ljusenergi till elektrisk energi.
• – Fotokonduktiva celler – Dessa fotoapparater varierar sitt elektriska motstånd när de utsätts för ljus. Fotokonduktivitet uppstår genom att ljus träffar ett halvledarmaterial som styr strömflödet genom det. Mer ljus ökar alltså strömmen för en given spänning. Det vanligaste fotokonduktiva materialet är kadmiumsulfid som används i LDR-fotoceller.
• – Fotovoltaiska celler – Dessa fotodetaljer genererar en emf i proportion till den mottagna ljusenergin och har en liknande effekt som fotokonduktivitet. Ljusenergin faller på två halvledarmaterial som är placerade i varandra och skapar en spänning på cirka 0,5 V. Det vanligaste fotovoltaiska materialet är selen som används i solceller.
• – Fotokopplingsanordningar – Dessa fotokopplingsanordningar är huvudsakligen äkta halvledaranordningar, t.ex. fotodioder eller fototransistorer, som använder ljus för att styra flödet av elektroner och hål över sin PN-koppling. Photojunction-enheter är särskilt utformade för detektortillämpning och ljusgenomträngning med sin spektrala respons inställd på det infallande ljusets våglängd.

Den fotokonduktiva cellen

En fotokonduktiv ljussensor producerar inte elektricitet utan ändrar helt enkelt sina fysiska egenskaper när den utsätts för ljusenergi. Den vanligaste typen av fotokonduktiv anordning är fotoresistorn som ändrar sitt elektriska motstånd som svar på förändringar i ljusintensiteten.

Fotoresistorer är halvledarenheter som använder ljusenergi för att styra flödet av elektroner, och därmed strömmen som flyter genom dem. Den vanligaste fotokonduktiva cellen kallas ljusberoende motstånd eller LDR.

Den ljusberoende motståndet

Som namnet antyder, är ljusberoende motstånd (LDR) tillverkat av en bit exponerat halvledarmaterial, t.ex. kadmiumsulfid, som ändrar sitt elektriska motstånd från flera tusen ohm i mörker till endast några hundra ohm när ljus faller på det genom att skapa hål-elektronpar i materialet.

Nettoeffekten är en förbättring av dess ledningsförmåga med en minskning av motståndet för en ökning av belysningen. Fotoresistiva celler har också en lång responstid som kräver många sekunder för att reagera på en förändring av ljusintensiteten.

Material som används som halvledarsubstrat är bl.a. blysulfid (PbS), blyselenid (PbSe), indiumantimonid (InSb) som detekterar ljus i det infraröda området, medan den vanligaste fotoresistiva ljussensorn är kadmiumsulfid (Cds).

Kadmiumsulfid används vid tillverkning av fotokonduktiva celler eftersom dess spektrala responskurva nära överensstämmer med det mänskliga ögats och till och med kan kontrolleras med hjälp av en enkel ficklampa som ljuskälla. Typiskt sett har den då en toppkänslighetsvåglängd (λp) på cirka 560 nm till 600 nm i det synliga spektralområdet.

Den ljusberoende motståndscellen

Den vanligaste fotoresistiva ljussensorn är den fotokonduktiva ORP12-kadmiumsulfidcellen. Detta ljusberoende motstånd har en spektral respons på cirka 610 nm i det gula till orangea ljusområdet. Cellens motstånd när den är obelyst (mörkermotstånd) är mycket högt, ca 10 MΩ, vilket sjunker till ca 100Ω när den är helt upplyst (ljusmotstånd).

För att öka mörkermotståndet och därmed minska mörkerströmmen bildar den resistiva banan ett sicksackmönster över det keramiska substratet. CdS-fotocellen är en mycket billig anordning som ofta används för automatisk dimning, mörker- eller skymningsdetektering för att tända och släcka gatubelysningen och för tillämpningar av typen exponeringsmätare för fotografier.

Att koppla ett ljusberoende motstånd i serie med ett standardmotstånd som detta över en enda likströmsspänning har en stor fördel, en annan spänning kommer att uppträda i deras korsning för olika ljusnivåer.

Mängden av spänningsfallet över serieresistorn, R2, bestäms av det resistansmässiga värdet av det ljusberoende motståndet, RLDR. Denna förmåga att generera olika spänningar ger en mycket praktisk krets som kallas ”potentialdelare” eller spänningsdelarnätverk.

Som vi vet är strömmen genom en seriekrets gemensam och när LDR ändrar sitt resistansvärde på grund av ljusintensiteten kommer spänningen vid VOUT att bestämmas av formeln för spänningsdelaren. En LDR:s resistans, RLDR, kan variera från cirka 100Ω i solljus till över 10MΩ i absolut mörker, och denna resistansvariation omvandlas till en spänningsvariation vid VOUT som visas.

En enkel användning av ett ljusberoende motstånd är som en ljuskänslig brytare enligt nedan.

Denna grundläggande ljussensorkrets är en ljusaktiverad brytare med reläutgång. En potentialdelarkrets bildas mellan fotoresistorn, LDR och motståndet R1. När det inte finns något ljus, dvs. i mörker, är LDR:s motstånd mycket högt i Megaohms (MΩ)-området, vilket innebär att transistorn TR1 inte får någon basförspänning och att reläet är avaktiverat eller ”OFF”.

När ljusnivån ökar börjar LDR:s motstånd att minska, vilket leder till att basförspänningen vid V1 stiger. Vid en viss punkt, som bestäms av det potentialdelarnätverk som bildas med motstånd R1, är basförspänningen tillräckligt hög för att slå på transistorn TR1 och därmed aktivera reläet som i sin tur används för att styra någon extern krets. När ljusnivån sjunker tillbaka till mörker igen ökar LDR:s motstånd vilket leder till att basspänningen i transistorn minskar, vilket gör att transistorn och reläet stängs av vid en fast ljusnivå som återigen bestäms av potentialdelarnätverket.

Om det fasta motståndet R1 ersätts med en potentiometer VR1 kan den punkt vid vilken reläet slås på eller stängs av förinställas till en viss ljusnivå. Denna typ av enkel krets som visas ovan har en ganska låg känslighet och dess kopplingspunkt är kanske inte konsekvent på grund av variationer i antingen temperatur eller matningsspänning. En känsligare ljusaktiverad precisionskrets kan enkelt tillverkas genom att integrera LDR:n i ett ”Wheatstone Bridge”-arrangemang och ersätta transistorn med en operationsförstärkare enligt bilden.

Ljusnivåavkännande krets

I den här grundläggande mörkeravkännande kretsen, utgör det ljusberoende motståndet LDR1 och potentiometern VR1 den ena justerbara armen i ett enkelt motståndsbryggnätverk, även känt som en Wheatstone-brygga, medan de två fasta motstånden R1 och R2 utgör den andra armen. Båda sidorna av bryggan bildar potentialdelarnätverk över matningsspänningen vars utgångar V1 och V2 är anslutna till operationsförstärkarens icke-inverterande respektive inverterande spänningsingångar.

Operationsförstärkaren är konfigurerad som en differentialförstärkare, även kallad spänningskomparator med återkoppling, vars utgångsspänningstillstånd bestäms av skillnaden mellan de två ingångssignalerna eller spänningarna V1 och V2. Motståndskombinationen R1 och R2 bildar en fast spänningsreferens vid ingång V2, som ställs in av förhållandet mellan de två motstånden. Kombinationen LDR – VR1 ger en variabel spänningsingång V1 som är proportionell mot den ljusnivå som detekteras av fotoresistorn.

Som i den föregående kretsen används utgången från operationsförstärkaren för att styra ett relä, som skyddas av en frihjulsdiod, D1. När ljusnivån som registreras av LDR:n och dess utgångsspänning sjunker under referensspänningen som är inställd på V2 byter utgången från operationsförstärkaren tillstånd och aktiverar reläet och kopplar om den anslutna belastningen.

På samma sätt som ljusnivån ökar kommer utgången att växla tillbaka och stänga av reläet. Hysteresen för de två omkopplingspunkterna ställs in av återkopplingsmotståndet Rf som kan väljas för att ge en lämplig spänningsförstärkning för förstärkaren.

Driften av denna typ av ljussensorkrets kan också vändas om så att reläet slås på när ljusnivån överstiger referensspänningsnivån och tvärtom genom att man vänder på positionerna för ljussensorn LDR och potentiometern VR1. Potentiometern kan användas för att ”förinställa” differentialförstärkarens kopplingspunkt till en viss ljusnivå, vilket gör den idealisk som en enkel ljussensorprojektkrets.

Photojunction-enheter

Photojunction-enheter är i princip PN-junction-ljussensorer eller -detektorer som är tillverkade av PN-junctions av kiselhalvledare, som är ljuskänsliga och som kan detektera både synligt ljus och infraröda ljusnivåer. Fotokopplingsenheter är särskilt gjorda för att känna av ljus och denna klass av fotoelektriska ljussensorer omfattar fotodioden och fototransistorn.

Fotodioden.

Konstruktionen av fotodiodljussensorn liknar den för en konventionell PN-junction-diod, förutom att diodens yttre hölje antingen är genomskinligt eller har en klar lins för att fokusera ljuset på PN-junction för ökad känslighet. Förbindelsen reagerar på ljus med särskilt längre våglängder som rött och infrarött snarare än synligt ljus.

Denna egenskap kan vara ett problem för dioder med genomskinliga eller glaspärlkroppar, t.ex. signaldioden 1N4148. Lysdioder kan också användas som fotodioder eftersom de både kan sända ut och detektera ljus från sin förbindelse. Alla PN-ledningar är ljuskänsliga och kan användas i ett fotokonduktivt, ofördelat spänningsläge där fotodiodens PN-ledning alltid är ”omvänt förspänd” så att endast diodens läckage- eller mörkerström kan flöda.

Ström- och spänningskaraktäristiken (I/V-kurvorna) för en fotodiod utan ljus i ledningen (mörkerläge) liknar i hög grad en normal signal- eller likriktningsdiod. När fotodioden är framåtspänd sker en exponentiell ökning av strömmen, på samma sätt som för en normal diod. När en omvänd förspänning tillämpas uppstår en liten omvänd mättnadsström som orsakar en ökning av utarmningsområdet, som är den känsliga delen av förbindelsen. Fotodioder kan också anslutas i strömläge med hjälp av en fast förspänning över förbindelsen. Strömläget är mycket linjärt över ett brett område.

Fotodiodkonstruktion och egenskaper

När den används som ljussensor är en fotodiods mörkerström (0 lux) cirka 10uA för geranium och 1uA för kiseldiod. När ljuset faller på övergången bildas fler hål/elektronpar och läckströmmen ökar. Denna läckström ökar när belysningen av övergångsstället ökar.

Fotodiodströmmen är alltså direkt proportionell mot den ljusintensitet som faller på PN-övergångsstället. En stor fördel med fotodioder när de används som ljussensorer är deras snabba respons på förändringar i ljusnivåerna, men en nackdel med denna typ av fotodiod är det relativt lilla strömflödet även när de är fullt upplysta.

Den följande kretsen visar en krets med fotoström-till-spänningsomvandlare som använder en operationsförstärkare som förstärkningsanordning. Utgångsspänningen (Vout) ges som Vout = IP*Rƒ och är proportionell mot fotodiodens ljusintensitetsegenskaper.

Denna typ av krets utnyttjar också egenskaperna hos en operationsförstärkare med två ingångsterminaler vid ungefär noll spänning för att driva fotodioden utan förspänning. Denna nollförstärkarkonfiguration ger fotodioden en hög impedansbelastning, vilket resulterar i mindre påverkan av mörkerströmmen och ett större linjärt intervall för fotoströmmen i förhållande till den strålande ljusintensiteten. Kondensatorn Cf används för att förhindra oscillation eller förstärkningstoppar och för att ställa in utgångsbandbredden (1/2πRC).

Fotodiodförstärkarkrets

Fotodioder är mycket mångsidiga ljussensorer som kan slå sitt strömflöde både ”PÅ” och ”AV” på nanosekunder och används ofta i kameror, Ljusmätare, CD- och DVD-ROM-enheter, TV-fjärrkontroller, skannrar, faxapparater och kopiatorer etc. När de integreras i operativa förstärkarkretsar används de som infraröda spektrumdetektorer för fiberoptisk kommunikation, kretsar för rörelsedetektering vid inbrottslarm och många bild-, laserskannings- och positioneringssystem etc.

Fotototransistorn

Ett alternativ till fotodioden är fototransistorn som i princip är en fotodiod med förstärkning. Fototransistorns ljussensor har sin PN-förbindelse mellan kollektor och bas som är omvänt förspänd och utsätts för den strålande ljuskällan.

Fotototransistorer fungerar på samma sätt som fotodioder, förutom att de kan ge strömförstärkning och är mycket känsligare än fotodioderna, med strömmar som är 50 till 100 gånger större än för en standardfotodiod.

Alla vanliga transistorer kan enkelt omvandlas till en fototransistorljussensor genom att koppla in en fotodiod mellan kollektorn och basen.

Fotototransistorer består huvudsakligen av en bipolär NPN-transistor vars stora basområde inte är elektriskt anslutet, även om vissa fototransistorer tillåter en basanslutning för att styra känsligheten, och som använder ljusets fotoner för att generera en basström som i sin tur får en ström från kollektor till emitter att flöda. De flesta fototransistorer är NPN-typer vars yttre hölje antingen är genomskinligt eller har en genomskinlig lins för att fokusera ljuset på basförbindelsen för ökad känslighet.

Fotototransistorers uppbyggnad och egenskaper

I NPN-transistorn är kollektorn positivt polariserad i förhållande till emittorn, så att bas/kollektorsövergången är omvänd polariserad. Utan ljus på korsningen flödar därför en normal läckage- eller mörkerström, som är mycket liten. När ljus faller på basen bildas fler elektron/hålpar i detta område och den ström som produceras av denna åtgärd förstärks av transistorn.

I vanliga fall är känsligheten hos en fototransistor en funktion av transistorens likströmsförstärkning. Därför är den totala känsligheten en funktion av kollektorströmmen och kan kontrolleras genom att ansluta ett motstånd mellan basen och emittern, men för tillämpningar av optokopplartyp med mycket hög känslighet används i allmänhet Darlington-fotototransistorer.

Fotodarlingtontransistorer använder en andra bipolär NPN-transistor för att ge ytterligare förstärkning eller när det krävs en högre känslighet hos en fotodetektor på grund av låga ljusnivåer eller selektiv känslighet, men dess respons är långsammare än hos en vanlig NPN-fotototransistor.

Foto Darlington-enheter består av en vanlig fototransistor vars emitterutgång är kopplad till basen på en större bipolär NPN-transistor. Eftersom en darlingtontransistorkonfiguration ger en strömförstärkning som är lika med produkten av strömförstärkningarna hos två enskilda transistorer, ger en fotodarlingtonanordning en mycket känslig detektor.

Typiska tillämpningar av fototransistorers ljussensorer är i optoisolatorer, slitsade optoomkopplare, sensorer för ljusstrålar, fiberoptik och fjärrkontroller av TV-typ, etc. Infrarödfilter krävs ibland vid detektering av synligt ljus.

En annan typ av fotokopplingshalvledar-ljussensor som är värd att nämna är foto-thyristorn. Detta är en ljusaktiverad tyristor eller kiselstyrd likriktare, SCR, som kan användas som en ljusaktiverad omkopplare i växelströmstillämpningar. Deras känslighet är dock vanligtvis mycket låg jämfört med motsvarande fotodioder eller fototransistorer.

För att öka deras ljuskänslighet görs foto-thyristorer tunnare runt grindförbindelsen. Nackdelen med denna process är att den begränsar mängden anodström som de kan växla. För växelströmstillämpningar med högre strömstyrka används de sedan som pilotenheter i optokopplare för att koppla större mer konventionella tyristorer.

Fotovoltaiska celler.

Den vanligaste typen av fotovoltaisk ljussensor är solcellen. Solceller omvandlar ljusenergi direkt till elektrisk likström i form av en spänning eller ström för att driva en resistiv belastning, t.ex. en lampa, ett batteri eller en motor. Solceller liknar alltså på många sätt ett batteri eftersom de levererar likström.

Men till skillnad från de andra fotoanordningar som vi har tittat på ovan och som använder ljusintensitet till och med från en ficklampa för att fungera, fungerar solceller bäst genom att använda solens strålningsenergi.

Solceller används i många olika typer av tillämpningar för att erbjuda en alternativ kraftkälla till konventionella batterier, t.ex. i miniräknare, satelliter och nu även i hemmen som erbjuder en form av förnybar kraft.

Fotovoltaiska celler är gjorda av PN-övergångar av monokristallint kisel, samma som fotodioder med ett mycket stort ljuskänsligt område men används utan omvänd bias. De har samma egenskaper som en mycket stor fotodiod när de är i mörker.

När de är upplysta får ljusenergin elektroner att strömma genom PN-övergången och en enskild solcell kan generera en öppen kretsspänning på cirka 0,58v (580mV). Solceller har en ”positiv” och en ”negativ” sida precis som ett batteri.

Enskilda solceller kan kopplas samman i serie för att bilda solpaneler som ökar utgångsspänningen eller kopplas samman parallellt för att öka den tillgängliga strömmen. Kommersiellt tillgängliga solpaneler anges i watt, vilket är produkten av utgångsspänningen och strömmen (volt gånger ampere) när de är helt tända.

Kännetecken för en typisk solcell.

Mängden tillgänglig ström från en solcell beror på ljusintensiteten, cellens storlek och dess verkningsgrad, som generellt sett är mycket låg, cirka 15-20 procent. För att öka cellens totala verkningsgrad använder kommersiellt tillgängliga solceller polykristallint kisel eller amorft kisel, som inte har någon kristallin struktur, och som kan generera strömmar på mellan 20 och 40 mA per cm2.

Andra material som används vid tillverkningen av solceller är bland annat galliumarsenid, kopparindiumdiselenid och kadmiumtellurid. Dessa olika material har olika spektrumbandsrespons och kan därför ”trimmas” för att producera en utgångsspänning vid olika våglängder av ljus.

I denna handledning om ljussensorer har vi tittat på flera exempel på anordningar som klassas som ljussensorer. Detta inkluderar sådana med och sådana utan PN-förbindelser som kan användas för att mäta ljusets intensitet.