Comment utiliser les photorésistances, les photodiodes et les phototransistors

Les capteurs sont complètement différents. Ils diffèrent par leur principe d'action, la logique de leur travail et les phénomènes et quantités physiques auxquels ils sont capables de répondre. Les capteurs de lumière ne sont pas seulement utilisés dans les équipements de contrôle d'éclairage automatique, ils sont utilisés dans un grand nombre d'appareils, des alimentations aux alarmes et aux systèmes de sécurité.

Les principaux types d'appareils photoélectroniques. Informations générales

Un photodétecteur au sens général est un appareil électronique qui répond à une variation du flux lumineux incident sur sa partie sensible. Ils peuvent différer, tant par leur structure que par leur principe de fonctionnement. Regardons-les.

Photorésistances - modifiez la résistance lors de l'éclairage

Une photorésistance est un appareil photographique qui modifie la conductivité (résistance) en fonction de la quantité de lumière incidente à sa surface. Le plus intense exposition à la lumière zone sensible, moins de résistance. En voici un schéma.

Il se compose de deux électrodes métalliques, entre lesquelles se trouve un matériau semi-conducteur. Lorsque le flux lumineux frappe le semi-conducteur, des porteurs de charge y sont libérés, ce qui contribue au passage du courant entre les électrodes métalliques.

L'énergie du flux lumineux est dépensée pour surmonter la bande interdite par les électrons et leur transition dans la bande de conduction. En tant que semi-conducteur, les photoconducteurs utilisent des matériaux tels que: sulfure de cadmium, sulfure de plomb, sélénite de cadmium et autres. La caractéristique spectrale de la photorésistance dépend du type de ce matériau.

Intéressant:

La caractéristique spectrale contient des informations sur les longueurs d'onde (couleur) du flux lumineux les plus sensibles à une photorésistance. Dans certains cas, il est nécessaire de sélectionner soigneusement un émetteur de lumière de la longueur d'onde appropriée, afin d'obtenir la sensibilité et l'efficacité de travail les plus élevées.

La photorésistance n'est pas conçue pour mesurer avec précision l'illumination, mais plutôt pour déterminer la présence de lumière, selon ses lectures, l'environnement peut être détecté plus clair ou plus sombre. La caractéristique courant-tension de la photorésistance est la suivante.

Il représente la dépendance du courant à la tension pour différentes valeurs du flux lumineux: Ф - obscurité, et Ф3 - c'est la lumière vive. C'est linéaire. Une autre caractéristique importante est la sensibilité, elle est mesurée en mA (μA) / (Lm * V). Cela reflète la quantité de courant qui traverse la résistance, avec un certain flux lumineux et une tension appliquée.

La résistance sombre est la résistance active en l'absence totale d'éclairage, elle est désignée par RT, et la caractéristique RT / Rb est le taux de variation de la résistance de l'état de la photorésistance en l'absence totale d'éclairage à l'état éclairé maximal et à la résistance minimale possible, respectivement.

Les photorésistances ont un inconvénient important - sa fréquence de coupure. Cette valeur décrit la fréquence maximale du signal sinusoïdal avec laquelle vous modélisez le flux lumineux, à laquelle la sensibilité diminue de 1,41 fois. Dans les ouvrages de référence, cela se reflète soit par la valeur de fréquence, soit par une constante de temps. Il reflète la vitesse des appareils, qui prend généralement des dizaines de microsecondes - 10 ^ (- 5) s. Cela ne vous permet pas de l'utiliser là où vous avez besoin de hautes performances.

Photodiode - convertit la lumière en charge électrique

Une photodiode est un élément qui convertit la lumière entrant dans une zone sensible en une charge électrique. En effet, divers processus associés au mouvement des porteurs de charges se produisent pendant l'irradiation dans la jonction pn.

Si la conductivité a changé sur la photorésistance en raison du mouvement des porteurs de charge dans le semi-conducteur, alors une charge est formée ici à la limite de la jonction pn. Il peut fonctionner en mode photoconvertisseur et photo générateur.

En structure, c'est la même chose qu'une diode conventionnelle, mais sur son boîtier il y a une fenêtre pour le passage de la lumière. Extérieurement, ils viennent dans différents modèles.

Les photodiodes du corps noir n'acceptent que le rayonnement infrarouge. Le revêtement noir est quelque chose comme la teinture. Filtre le spectre IR pour exclure la possibilité de déclencher le rayonnement d'autres spectres.

Les photodiodes, comme les photorésistances, ont une fréquence de coupure, seulement ici, elle est de plusieurs ordres de grandeur plus grande et atteint 10 MHz, ce qui permet de bonnes performances. Les photodiodes P-i-N ont une vitesse élevée - 100 MHz-1 GHz, tout comme les diodes basées sur la barrière Schottky. Les diodes d'avalanche ont une fréquence de coupure d'environ 1 à 10 GHz.

En mode photoconvertisseur, une telle diode fonctionne comme une clé commandée par la lumière, pour cela elle est connectée au circuit en polarisation directe. C'est-à-dire, la cathode à un point avec un potentiel plus positif (à plus) et l'anode à un potentiel plus négatif (à moins).

Lorsque la diode n'est pas éclairée par la lumière, seul le courant d'obscurité inverse Iobrt circule (unités et dizaines de μA), et lorsque la diode est allumée, un photocourant lui est ajouté, qui ne dépend que du degré d'éclairage (dizaines de mA). Plus il y a de lumière, plus il est courant.

Photocourant Si est égal à:

Iph = Sint * F,

où Sint est la sensibilité intégrale, Ф est le flux lumineux.

Un schéma typique pour allumer une photodiode en mode photoconvertisseur. Faites attention à la façon dont il est connecté - dans le sens opposé par rapport à la source d'alimentation.

Un autre mode est le générateur. Lorsque la lumière pénètre dans la photodiode, une tension est générée à ses bornes, tandis que les courants de court-circuit dans ce mode sont des dizaines d'ampères. Cela rappelle fonctionnement des cellules solairesmais ont une faible puissance.

Phototransistors - ouverts par la quantité de lumière incidente

Le phototransistor est intrinsèquement transistor bipolaire qui au lieu de la sortie de base a une fenêtre dans le cas où la lumière y pénètre. Le principe de fonctionnement et les raisons de cet effet sont similaires aux appareils précédents. Les transistors bipolaires sont contrôlés par la quantité de courant traversant la base, et les phototransistors, par analogie, sont contrôlés par la quantité de lumière.

Parfois, UGO représente toujours en plus la sortie de la base. En général, la tension est fournie au phototransistor ainsi qu'à l'habituel, et la deuxième option est activée avec une base flottante, lorsque la sortie de base reste inutilisée.

Les phototransistors sont également inclus dans le circuit.

Ou échangez le transistor et la résistance, selon ce dont vous avez besoin. En l'absence de lumière, un courant sombre traverse le transistor, qui est formé à partir du courant de base, que vous pouvez régler vous-même.

Après avoir réglé le courant de base requis, vous pouvez régler la sensibilité du phototransistor en sélectionnant sa résistance de base. De cette façon, même la lumière la plus faible peut être capturée.

À l'époque soviétique, les radio-amateurs fabriquaient des phototransistors de leurs propres mains - ils faisaient une fenêtre pour la lumière, coupant une partie du boîtier avec un transistor conventionnel. Pour cela, les transistors comme MP14-MP42 sont excellents.

D'après la caractéristique courant-tension, la dépendance du photocourant à l'éclairage est visible, alors qu'elle est pratiquement indépendante de la tension collecteur-émetteur.

En plus des phototransistors bipolaires, il y en a sur le terrain. Les bipolaires fonctionnent à des fréquences de 10 à 100 kHz, puis les champs sont plus sensibles. Leur sensibilité atteint plusieurs ampères par lumen, et plus «rapide» - jusqu'à 100 MHz. Les transistors à effet de champ ont une caractéristique intéressante: aux valeurs maximales du flux lumineux, la tension de grille n'affecte presque pas le courant de drain.

Portées des dispositifs photoélectroniques

Tout d'abord, vous devriez envisager des options plus familières pour leur application, par exemple, l'inclusion automatique de la lumière.

Le diagramme ci-dessus est le dispositif le plus simple pour allumer et éteindre la charge dans une certaine condition d'éclairage. Photodiode FD320 Lorsque la lumière y pénètre, une certaine tension s'ouvre et R1 baisse une certaine tension lorsque sa valeur est suffisante pour ouvrir le transistor VT1 - elle ouvre et ouvre un autre transistor - VT2. Ces deux transistors sont un amplificateur de courant à deux étages, nécessaire pour alimenter la bobine relais K1.

Diode VD2 - nécessaire pour supprimer l'auto-induction EMF, qui se forme lors de la commutation de la bobine. Un des fils de la charge est connecté à la borne d'entrée du relais, celui du haut selon le schéma (pour courant alternatif - phase ou zéro).

Nous avons normalement des contacts fermés et ouverts, ils sont nécessaires soit pour sélectionner le circuit à allumer, soit pour allumer ou éteindre la charge du réseau lorsque l'éclairage requis est atteint. Le potentiomètre R1 est nécessaire pour régler l'appareil afin qu'il fonctionne à la bonne quantité de lumière. Plus la résistance est élevée, moins il faut de lumière pour allumer le circuit.

Des variantes de ce schéma sont utilisées dans la plupart des appareils similaires, en ajoutant un certain ensemble de fonctions si nécessaire.

En plus d'activer la charge lumineuse, de tels photodétecteurs sont utilisés dans divers systèmes de contrôle, par exemple, des photorésistances sont souvent utilisées sur les tourniquets de métro pour détecter le franchissement non autorisé (lièvre) du tourniquet.

Dans l'imprimerie, lorsqu'une bande de papier se casse, la lumière pénètre dans le photodétecteur et donne ainsi à l'opérateur un signal à ce sujet. L'émetteur est sur un côté du papier et le photodétecteur est sur le dos. Lorsque le papier est déchiré, la lumière de l'émetteur atteint le photodétecteur.

Dans certains types d'alarmes, un émetteur et un photodétecteur sont utilisés comme capteurs pour entrer dans la pièce, et des dispositifs infrarouges sont utilisés pour que le rayonnement ne soit pas visible.

En ce qui concerne le spectre IR, vous ne pouvez pas mentionner le récepteur TV, qui reçoit les signaux de la LED IR de la télécommande lorsque vous changez de chaîne. Les informations sont encodées d'une manière spéciale et le téléviseur comprend ce dont vous avez besoin.

Des informations ainsi transmises précédemment via les ports infrarouges des téléphones portables. La vitesse de transmission est limitée à la fois par la méthode de transmission séquentielle et le principe de fonctionnement de l'appareil lui-même.

Les souris d'ordinateur utilisent également la technologie associée aux dispositifs photoélectroniques.

Demande de transmission de signaux dans des circuits électroniques

Les dispositifs optoélectroniques sont des dispositifs qui combinent un émetteur et un photodétecteur dans le même boîtier, tels que ceux décrits ci-dessus. Ils sont nécessaires pour connecter deux circuits du circuit électrique.

Cela est nécessaire pour l'isolation galvanique, la transmission rapide du signal, ainsi que pour la connexion des circuits CC et CA, comme dans le cas de la commande triac dans un circuit 220 V 5 V avec un signal provenant du microcontrôleur.

Ils ont une désignation graphique qui contient des informations sur le type d'éléments utilisés à l'intérieur de l'optocoupleur.

Prenons quelques exemples d'utilisation de tels appareils.

Contrôle d'un triac à l'aide d'un microcontrôleur

Si vous concevez un thyristor ou un convertisseur triac, vous rencontrerez un problème. Premièrement, si la transition à la sortie de contrôle passe par - à la broche du microcontrôleur un potentiel élevé tombera et ce dernier échouera. Pour cela, des drivers spéciaux ont été développés, avec un élément appelé optosymistor, par exemple, MOC3041.

Rétroaction de l'optocouple

Dans les alimentations à découpage stabilisées, une rétroaction est requise. Si nous excluons l'isolation galvanique de ce circuit, en cas de défaillance de certains composants du circuit OS, un potentiel élevé apparaîtra sur le circuit de sortie et l'équipement connecté échouera, je ne dis pas que vous pouvez être choqué.

Dans un exemple spécifique, vous voyez la mise en œuvre d'un tel OS du circuit de sortie à l'enroulement de rétroaction (contrôle) du transistor à l'aide d'un optocoupleur avec la désignation série U1.

Conclusions

La photo et l'optoélectronique sont des sections très importantes en électronique, qui ont considérablement amélioré la qualité de l'équipement, son coût et sa fiabilité. En utilisant un optocoupleur, il est possible d'exclure l'utilisation d'un transformateur d'isolement dans de tels circuits, ce qui réduit les dimensions globales. De plus, certains appareils sont tout simplement impossibles à mettre en œuvre sans ces éléments.