Senzorii de lumină sunt dispozitive fotoelectrice care transformă energia luminii (fotoni), indiferent dacă este vizibilă sau lumină infraroșie, într-un semnal electric (electroni).

Un senzor de lumină generează un semnal de ieșire care indică intensitatea luminii prin măsurarea energiei radiante care există într-o gamă foarte restrânsă de frecvențe numite în principiu "lumină" și care variază în frecvență de la Infra-roșu la Visibil până la ultraviolet.

Senzorul de lumină este un dispozitiv pasiv care convertește această "energie luminoasă", indiferent dacă este în părțile vizibilă sau în infraroșu ale spectrului, într-o ieșire de semnal electric. Senzorii de lumină sunt mai des cunoscuți ca "Dispozitive fotoelectrice" sau "Fotosenzori" deoarece transformă energia luminii (fotoni) în electricitate (electroni).

Dispozitivele fotoelectrice pot fi grupate în două categorii principale, cele care generează energie electrică atunci când sunt iluminate, cum ar fi Foto-voltaice sau Foto-emisive etc. și cele care își schimbă proprietățile electrice într-un fel, cum ar fi fotorezistoarele sau fotoconductorii. Aceasta duce la următoarea clasificare a dispozitivelor.

• Celule foto-emise - Acestea sunt fotodetectoare care eliberează electroni liberi de la un material sensibil la lumină, cum ar fi cesiul, atunci când este lovit de un foton de energie suficientă. Cantitatea de energie a fotonilor depinde de frecvența luminii și la frecvența mai mare, fotonii convertesc mai multă energie luminoasă în energie electrică.

• Celule foto-conductoare - Aceste fotodetectoare variază rezistența lor electrică când sunt supuse la lumină. Fotoconductivitatea rezultă din faptul că lumina atinge un material semiconductor care controlează fluxul de curent prin acesta. Astfel, mai multă lumină crește curentul pentru o tensiune aplicată. Cel mai frecvent material fotoconductiv este sulfura de cadmiu utilizată în fotocelule LDR.

• Celule foto-voltaice - Aceste fotodetectoare generează o emf proporțională cu energia luminii radiate primite și este similar cu efectul fotoconductivității. Energia luminoasă cade pe două materiale semiconductoare făcute sandwich, creând o tensiune de aproximativ 0,5V. Cel mai frecvent material fotovoltaic este seleniul utilizat în celulele solare.

• Dispozitive foto-joncțiune - Aceste fotodetectoare sunt în principal dispozitive semiconductoare adevărate, cum ar fi fotodiodele sau fototranzistoarele care utilizează lumina pentru a controla fluxul de electroni și goluri prin joncțiunea lor PN. Dispozitivele fotojoncțiune sunt special concepute pentru aplicație de detectare și penetrarea luminii cu răspunsul lor spectral reglat la lungimea de undă a luminii incidente.

Celula fotoconductivă

Un senzor de lumină fotoconductiv nu produce energie electrică, ci își schimbă pur și simplu proprietățile fizice atunci când este supus energiei luminoase. Cel mai obișnuit tip de dispozitiv fotoconductiv este fotorezistorul care își schimbă rezistența electrică ca răspuns la modificările intensității luminii.

Fotorezistoarele sunt dispozitive semiconductoare care utilizează energie luminoasă pentru a controla fluxul de electroni și, prin urmare, curentul care trece prin ele. Celulele fotoconductive utilizate în mod obișnuit sunt denumite rezistoare dependente de lumină sau LDR.

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 lung, care necesită multe secunde pentru a răspunde unei modificări a intensității luminii.

Materialele utilizate ca substrat semiconductor includ sulfura de plumb (PbS), seleniura de plumb (PbSe), antimonida de indiu (InSb) care detectează lumină în gama infraroșie cu cel mai frecvent utilizat dintre toți senzorii fotorezistenți de lumină fiind sulfura de cadmiu (CdS).

Sulfura de cadmiu este utilizată la fabricarea celulelor fotoconductive, deoarece curba spectrală a răspunsului se potrivește exact cu cea a ochiului uman și poate fi chiar controlată utilizând o singură lanternă ca sursă de lumină. De obicei, are o lungime de undă cu sensibilitate de vârf (λp) de aproximativ 560 nm până la 600 nm în domeniul spectral vizibil.

Celula rezistivă dependentă de lumină

Cel mai frecvent utilizat senzor de lumină fotorezistiv este celula fotoconductivă ORP12 cu sulfură de cadmiu. Acest rezistor dependent de lumină are un răspuns spectral de aproximativ 610 nm în regiunea de lumină galben-portocaliu. Rezistența celulei atunci când nu este lumină (rezistență la întuneric) este foarte ridicată, la aproximativ 10 MΩ, care scade la aproximativ 100 Ω atunci când este complet iluminată (rezistență la lumină).

Pentru a crește rezistența la întuneric și, prin urmare, pentru a reduce curentul la întuneric, calea rezistivă formează un model zig-zag peste substratul ceramic. Fotocelula CdS este un dispozitiv cu costuri foarte scăzute, utilizat adesea în detectarea automată a intensității luminoase, a întunericului sau a crepuscului pentru acționarea luminilor stradale "ON" și "OFF", precum și pentru aplicațiile tip aparatură de expunere fotografică.

Prin înlocuirea rezistorului fix R1 cu un potențiometru VR1, punctul la care releul comută "ON" sau "OFF" poate fi prestabilit la un anumit nivel de lumină. Acest tip de circuit simplu arătat mai sus are o sensibilitate destul de scăzută și punctul său de comutare poate să nu fie consecvent din cauza variațiilor temperaturii sau a tensiunii de alimentare. Un circuit mai sensibil la lumină, de precizie, poate fi ușor realizat prin încorporarea LDR într-un aranjament "Punte Wheatstone" și înlocuirea tranzistorului cu un amplificator operațional așa cum se arată mai jos.

Circuitul de detectare a nivelului de lumină

În acest circuit de detectare a întunecării, rezistorul LDR1 dependent de lumină și potențiometrul VR1 formează un braț reglabil dintr-o rețea simplă de rezistențe, cunoscută și sub numele de punte Wheatstone, în timp ce cele două rezistoare fixe R1 și R2 formează celălalt braț. Ambele părți ale punții formează rețele divizoare de tensiune pentru tensiunea de alimentare, ale căror ieșiri V1 și V2 sunt conectate la intrările de tensiune neinversoare și inversoare ale amplificatorului operațional.

Amplificatorul operațional este configurat ca un amplificator diferențial cunoscut și ca un comparator de tensiune cu feedback, a cărui stare de tensiune de ieșire este determinată de diferența dintre cele două semnale sau tensiuni de intrare V1 și V2. Combinația rezistorului R1 și R2 formează o referință de tensiune fixă ​​la intrarea V2, stabilită de raportul celor două rezistoare. Combinația LDR-VR1 asigură o intrare de tensiune variabilă V1 proporțională cu nivelul de lumină fiind detectată de fotorezistor.

Ca și în cazul circuitului precedent, ieșirea din amplificatorul operațional este utilizată pentru a controla un releu care este protejat de o diodă, D1. Când nivelul de lumină detectat de LDR și tensiunea de ieșire a acestuia scade sub tensiunea de referință stabilită la V2, ieșirea de la op-amp se schimbă, activând releul și comutând sarcina conectată.

De asemenea, la mărirea nivelului luminii, ieșirea va reveni comutând "OFF" releul. Histerezisul celor două puncte de comutare este stabilit de rezistorul de reacție Rf care poate fi ales 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" când nivelul luminii depășește nivelul tensiunii de referință și vice-versa prin inversarea pozițiilor senzorului de lumină LDR și a potențiometrului VR1. Potențiometrul poate fi folosit pentru a "pre-seta" punctul de comutare al amplificatorului diferențial la orice nivel de lumină deosebit, făcându-l ideal ca un circuit de proiectare simplu al unui senzor de lumină.

Dispozitive fotojoncțiune

Dispozitivele fotojoncțiune sunt, în principal, senzori de lumină Joncțiune-PN sau detectoare realizate din joncțiuni PN semiconductoare din siliciu care sunt sensibile la lumină și care pot detecta atât lumina vizibilă, cât și nivele de lumină infraroșie. Dispozitivele fotojoncțiune sunt realizate special pentru detectarea luminii, iar această clasă de senzori fotoelectrici de lumină include fotodioda și fototranzistorul.

Această caracteristică poate reprezenta o problemă pentru diode cu corpuri transparente sau de sticlă, cum ar fi dioda de semnal 1N4148 . LED-urile pot fi de asemenea folosite ca fotodiode deoarece ele pot emite și detecta lumina de la joncțiunea lor. Toate joncțiunile PN sunt sensibile la lumină și pot fi utilizate într-un mod de tensiune nepolarizată fotoconductiv, cu joncțiunea PN a fotodiodei întotdeauna polarizată invers, astfel încât numai curentul invers al diodei sau curentul de întuneric pot curge.

Caracteristica curent-tensiune (curbele I/V) a unei fotodiode fără lumină pe joncțiunea sa (modul întuneric) este foarte asemănătoare cu a diodei de semnal normal sau cu o diodă de redresare. Când fotodioda este polarizată direct, există o creștere exponențială a curentului, la fel ca și pentru o diodă normală. 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 conectate într-un mod curent, utilizând o tensiune de polarizare fixă ​​pe joncțiune. Modul curent este foarte liniar pe o gamă largă.

Construcția și caracteristicile fotodiodei

Când se utilizează ca senzor de lumină, curentul de întuneric al fotodiodelor (0 lux) este de aproximativ 10 μA pentru diode cu germaniu și 1 μA pentru diode cu siliciu. Când lumina cade pe joncțiune, se formează mai multe perechi de goluri/electroni, iar curentul invers crește. Acest curent invers crește odată cu creșterea iluminării joncțiunii.

Astfel, curentul fotodiodelor este direct proporțional cu intensitatea luminii care cade pe joncțiunea PN. Unul dintre avantajele principale ale fotodiodelor atunci când sunt utilizate ca senzori de lumină este răspunsul lor rapid la variația nivelului de lumină, dar un dezavantaj al acestui tip de fotodispozitiv este curentul relativ mic, chiar și atunci când este luminat complet.

Următorul circuit prezintă un circuit de conversie foto-curent-tensiune utilizând un amplificator operațional ca dispozitiv de amplificare. Tensiunea de ieșire (Vout) este dată ca Vout = IP*RF și care este proporțională cu caracteristicile de intensitate luminoasă ale fotodiodei.

Acest tip de circuit utilizează caracteristicile unui amplificator operațional cu două terminale de intrare la aproximativ tensiune zero pentru a opera fotodioda fără polarizare. Această configurație op-amp fără polarizare oferă o sarcină de impedanță ridicată pentru fotodiodă, rezultând o influență mai redusă a curentului de întuneric și un domeniu liniar mai larg al fotocurentului față de intensitatea luminii radiante. Condensatorul CF este utilizat pentru a preveni oscilația sau maximizarea câștigului și pentru a seta lățimea de bandă de ieșire (1/2πRC).

Circuit amplificator fotodiodă

Fotodiodele sunt senzori de lumină foarte versați, care pot comuta fluxul lor de curent atât în ​​"ON" cât și în "OFF" în nanosecunde și sunt frecvent utilizate în aparate foto, contoare de lumină, unități CD și DVD-ROM, telecomenzi TV, scanere, faxuri și copiatoare etc, și atunci când sunt integrate în circuitele amplificatorului operațional ca detectori de spectru în infraroșu pentru comunicații cu fibră optică, circuite de detecție a mișcării pentru alarmă anti-efracție și numeroase sisteme pentru imagini, scanare laser și poziționare etc.

Fototranzistorul

Un dispozitiv alternativ de foto-joncțiune este fototranzistorul care este în principiu o fotodiodă cu amplificare. Senzorul de lumină fototranzistor are o joncțiune PN colector-bază, polarizată invers expusă la sursa de lumină radiantă.

Fototranzistoarele funcționează la fel ca fotodioda, cu excepția faptului că pot asigura câștiguri de curent și sunt mult mai sensibili decât fotodioda cu curenți de 50 până la 100 de ori mai mari decât la fotodioda standard și orice tranzistor normal poate fi ușor transformat într-un senzor de lumină fototranzistor prin conectarea unei fotodiode între colector și bază.

Fototranzistoarele constau în principal dintr-un tranzistor bipolar NPN cu regiunea de bază mare, fără legătură electrică, deși unele fototranzistoare permit o conexiune a bazei pentru a controla sensibilitatea și care utilizează fotoni de lumină pentru a genera un curent de bază care la rândul său determină un curent de la colector la emitor. Cele mai multe fototranzistoare sunt tipuri NPN a căror carcasă exterioară este fie transparentă, fie are o lentilă clară pentru a focaliza lumina asupra joncțiunii bazei pentru o sensibilitate crescută.

Construcția și caracteristicile fototranzistorului

În tranzistorul NPN, colectorul este polarizat pozitiv față de emitor, astfel încât joncțiunea de bază/colector este polarizată invers, prin urmare, fără lumină pe joncțiune fluxul de curent invers (de întuneric) este foarte mic. Când lumina cade pe bază, se formează mai multe perechi de electroni/goluri în această regiune și curentul produs de această acțiune este amplificat de tranzistor.

De obicei, sensibilitatea unui fototranzistor este o funcție de câștigul de curent DC al tranzistorului. Prin urmare, sensibilitatea totală este o funcție de curentul colectorului și poate fi controlată prin conectarea unei rezistențe între bază și emitor, dar pentru aplicațiile de tip optocuplor cu sensibilitate foarte ridicată, fototranzistoarele Darlington sunt utilizate în general.

Aplicațiile tipice ale senzorilor de lumină fototranzistori sunt în optoizolatoare, optocuploare, senzori de fascicul de lumină, fibră optică și telecomenzi de tip TV etc. Filtrele infraroșii sunt uneori necesare atunci când se detectează lumina vizibilă.

Un alt tip de senzor de lumină semiconductor fotojoncțiune, de menționat, este foto-tiristorul. Acesta este un tiristor activat de lumină sau un redresor controlat cu siliciu, SCR care poate fi utilizat ca întrerupător activat de lumină în aplicațiile AC. Cu toate acestea, sensibilitatea lor este de obicei foarte scăzută în comparație cu fotodiodele sau fototranzistoarele echivalente.

Pentru a spori sensibilitatea la lumină, foto-tiristoarele sunt mai subțiri în jurul joncțiunii de poartă. Dezavantajul acestui proces este acela că limitează cantitatea de curent anodic pe care o pot comuta. Astfel, pentru aplicații AC de curent mai înalt, acestea sunt utilizate ca dispozitive pilot în opto-cuploare pentru a comuta tiristoare convenționale mai mari.

Celule fotovoltaice

Cel mai obișnuit tip de senzor de lumină fotovoltaică este celula solară. Celulele solare convertesc energia luminoasă direct în energie electrică DC sub forma unei tensiuni sau a unui curent pentru a alimenta o sarcină rezistivă, cum ar fi o lumină, baterie sau motor. Altfel, celulele fotovoltaice sunt similare în multe privințe cu o baterie, deoarece furnizează o energie DC.

Dar, spre deosebire de celelalte dispozitive foto pe care le-am analizat mai sus, care utilizează intensitatea luminii chiar și de la o torță pentru a funcționa, celulele solare fotovoltaice funcționează cel mai bine folosind energia radiantă a soarelui.

Celulele solare sunt utilizate în multe tipuri diferite de aplicații pentru a oferi o sursă de energie alternativă de la bateriile convenționale, cum ar fi în calculatoare, sateliți și acum în case oferind o formă de energie regenerabilă.

Celulele fotovoltaice sunt realizate din joncțiuni PN de siliciu monocristal, la fel ca fotodiodele cu o regiune foarte largă sensibilă la lumină, dar sunt utilizate fără polarizare inversă. Ele au aceleași caracteristici ca o fotodiodă foarte mare atunci când sunt în întuneric.

Când se luminează, energia luminii determină curgerea electronilor prin joncțiunea PN, iar o celulă individuală poate genera o tensiune în circuit deschis de circa 0,58 V (580 mV). Celulele solare au o parte "pozitivă" și "negativă" la fel ca o baterie.

Celulele solare individuale pot fi conectate în serie pentru a forma panouri solare care măresc tensiunea de ieșire sau se conectează împreună în paralel pentru a crește curentul disponibil. Panourile solare disponibile în comerț sunt evaluate în Watt, care este produsul tensiunii de ieșire și curentului (volți x amperi) atunci când sunt luminate complet.

Caracteristicile unei celule solare fotovoltaice tipice

Cantitatea de curent disponibil dintr-o celulă solară depinde de intensitatea luminii, de dimensiunea celulei și de eficiența acesteia, care este în general foarte scăzută la aproximativ 15 până la 20%. Pentru a mări eficiența globală a celulei solare disponibile în comerț utilizați silicon policristalin sau silicon amorf, care nu au o structură cristalină și pote gener curenți de la 20 până la 40 mA per cm2 .

Alte materiale utilizate în construcția celulelor fotovoltaice includ Arseniură de Galliu, Diselenură de Indiu de Cupru și Telurură de Cadmiu. Aceste materiale diferite au fiecare un răspuns diferit în banda de spectru și astfel pot fi "reglate" pentru a produce o tensiune de ieșire la diferite lungimi de undă de lumină.

În acest tutorial despre senzori de lumină, am analizat mai multe exemple de dispozitive care sunt clasificate ca senzori de lumină. Acestea includ cele cu și fără joncțiuni PN care pot fi utilizate pentru a măsura intensitatea luminii.

În următorul tutorial vom examina dispozitivele de ieșire denumite Actuatori. Actuatorii convertesc un semnal electric într-o cantitate fizică adecvată, cum ar fi mișcarea, forța sau sunetul. Un astfel de dispozitiv de ieșire folosit în mod obișnuit este releul electromagnetic.