Fotosensori un to pielietojums

Kas ir fotosensori?

Dažādās elektroniskās ierīcēs, mājas un rūpniecības automatizācijas ierīcēs, dažādos radioamatieru projektējumos foto sensori tiek izmantoti ļoti plaši. Ikvienam, kurš kādreiz ir izjaucis veco datora peli, kā to sauca par “komovskaya”, kuras iekšpusē ir bumba, ir jāredz riteņi ar spraugām, kas griežas foto sensoru spraugās.

Šie foto sensori tiek saukti foto pārtraucēji - pārtrauciet gaismas plūsmu. Vienā šāda sensora pusē ir avots - LEDparasti infrasarkanais (IR) ar citu fototransistoru (precīzāk sakot, divi fototransistori dažos fotodiodes modeļos arī rotācijas virziena noteikšanai). Kad ritenis tiek pagriezts ar spraugām fotosensora izejā, tiek iegūti elektriskie impulsi, kas ir informācija par paša riteņa leņķisko stāvokli. Šādas ierīces sauc par kodētājiem. Turklāt kodētājs var būt tikai kontakts, atcerieties modernas peles riteni!

Fotoattēlu pārtraucēji tiek izmantoti ne tikai “pelēm”, bet arī citās ierīcēs, piemēram, kāda mehānisma ātruma sensoros. Šajā gadījumā tiek izmantots viens fotosensors, jo rotācijas virziens nav jānosaka.

Ja kāda iemesla dēļ, visbiežāk remonta nolūkā, uzkāpiet citās elektroniskās ierīcēs, tad foto sensorus var atrast printeros, skeneros un kopētājos, kompaktdisku diskdziņos, DVD atskaņotājos, video kasešu ierakstītājos, videokamerās un citā aprīkojumā.

Kas ir fotosensori, un kādi tie ir? Vienkārši redziet, neiedziļinoties pusvadītāju fizikā, nesaprotot formulas un neizteicot nesaprotamus vārdus (rekombinācija, mazākumtautību nesēju rezorbcija), ko sauc “uz pirkstiem”, kā šie foto sensori darbojas.

1. attēls. Fotoattēlu pārtraucējs

Fotorezistors

Ar viņu viss ir skaidrs. Tā kā parastajam pastāvīgajam rezistoram ir omiskā pretestība, savienojuma virzienam ķēdē nav nozīmes. Tikai atšķirībā no pastāvīga rezistora, tas maina pretestību gaismas ietekmē: apgaismojot, tas vairākas reizes samazinās. Šo “reižu” skaits ir atkarīgs no fotorezistora modeļa, galvenokārt no tā tumšās pretestības.

Strukturāli fotorezistori ir metāla korpuss ar stikla logu, caur kuru ir redzama pelēcīgi krāsaina plāksne ar zigzaga celiņu. Vēlāk modeļi tika veikti plastmasas apvalkā ar caurspīdīgu augšdaļu.

Fotorezistoru ātrums ir mazs, tāpēc viņi var strādāt tikai ar ļoti zemām frekvencēm. Tāpēc jaunos izstrādājumos tos gandrīz nekad neizmanto. Bet gadās, ka vecās tehnikas remonta procesā viņiem būs jāsatiekas.

Lai pārbaudītu fotorezistora veselību, ir pietiekami pārbaudīt tā pretestību ar multimetru. Ja apgaismojuma nav, pretestībai jābūt lielai, piemēram, fotorezistoram SF3-1 ir tumša pretestība saskaņā ar atsauces datiem 30MΩ. Ja tas iedegsies, pretestība samazināsies līdz dažiem KOhms. Fotorezistora izskats ir parādīts 2. attēlā.

2. attēls. Fotorezistors SF3-1

Fotodiodes

Ļoti līdzīgs parastajai taisngrieža diodei, ja ne tā, lai reaģētu uz gaismu. Ja jūs to “zvana” ar testeri, labāk ir izmantot mūsdienīgu slēdzi, tad apgaismojuma trūkuma gadījumā rezultāti būs tādi paši kā parastās diodes gadījumā: virzienā uz priekšu ierīce parādīs nelielu pretestību, un pretējā virzienā ierīces bultiņa diez vai kustēsies.

Viņi saka, ka diode ir ieslēgta pretējā virzienā (šis punkts ir jāatceras), tāpēc strāva caur to neplūst. Bet, ja šajā iekļaušanā fotodiode tiek iedegta ar spuldzi, tad bultiņa pēkšņi uzbruks līdz nulles atzīmei.Šo fotodiodes darbības režīmu sauc par fotodiodu.

Fotodiodei ir arī fotoelementu darbības režīms: kad gaisma tam piesit, tā patīk saules baterija, rada vāju spriegumu, kuru pastiprinot, var izmantot kā noderīgu signālu. Bet biežāk fotodiode tiek izmantota fotodiodes režīmā.

Vecā dizaina fotodiodes pēc izskata ir metāla cilindrs ar diviem vadiem. No otras puses, ir stikla lēca. Mūsdienu fotodiodēm ir korpuss, kas izgatavots no caurspīdīgas plastmasas, tieši tāds pats kā LED.

Att. 2. fotodiodes

Fototransistori

Pēc izskata tie vienkārši nav atšķirami no gaismas diodēm, tas pats korpuss ir izgatavots no caurspīdīgas plastmasas vai cilindra, kura galā ir stikls, un no tā ir divas izejas - kolektors un emitētājs. Šķiet, ka fototransistoram nav nepieciešama pamata izeja, jo tā ieejas signāls ir gaismas plūsma.

Lai gan dažiem fototransistoriem joprojām ir bāzes izeja, kas papildus gaismai ļauj arī tranzistoru vadīt elektriski. To var atrast dažos tranzistora optoparteros, piemēram, AOT128 un importētajos 4N35, kas būtībā ir funkcionālie analogi. Starp pamatni un fototransistora emitētāju ir savienots rezistors, lai nedaudz pārklātu fototransistoru, kā parādīts 4. attēlā.

Fotoattēlu tranzistors

Mūsu optoelements parasti "karājas" 10-100KΩ, bet importētajam "analogam" ir aptuveni 1MΩ. Ja jūs ievietojat pat 100K, tas nedarbosies, tranzistors ir vienkārši cieši noslēgts.

Kā pārbaudīt fototransistoru

Fototransistoru var vienkārši pārbaudīt testētājs, pat ja tam nav bāzes izejas. Kad jebkura polaritātes laikā ir pievienots ommeters, kolektora - emitētāja sekcijas pretestība ir diezgan liela, jo tranzistors ir aizvērts. Kad uz objektīva nokļūst pietiekamas intensitātes un spektra gaisma, ohmmeters parādīs nelielu pretestību - tranzistors atvērās, ja, protams, bija iespējams uzminēt testera savienojuma polaritāti. Faktiski šī izturēšanās atgādina parasto tranzistoru, tikai tā atveras ar elektrisko signālu, bet šī - ar gaismas plūsmu. Papildus gaismas plūsmas intensitātei svarīga loma ir arī tā spektrālajam sastāvam. Par tranzistora testa funkcijām skat šeit. 

Gaismas spektrs

Parasti fotosensori tiek noregulēti uz noteiktu gaismas starojuma viļņa garumu. Ja tas ir infrasarkanais starojums, tad šāds sensors labi nereaģē uz zilām un zaļām gaismas diodēm, pietiekami labs uz sarkanu, kvēlspuldzi un, protams, uz infrasarkano. Tas nepieņem arī luminiscences spuldžu gaismu. Tāpēc iemesls, kāpēc fotosensors ir slikts, var vienkārši būt nepiemērots gaismas avota spektrs.

Iepriekš bija rakstīts, kā piezvanīt fotodiodei un fototransistoram. Šeit jums vajadzētu pievērst uzmanību tik šķietami sīkumiem kā mērīšanas ierīces tipam. Mūsdienu digitālā multimetra gadījumā pusvadītāja nepārtrauktības režīmā plus atrodas tajā pašā vietā, kur mēra līdzstrāvas spriegumu, t.i. uz sarkanās stieples.

Mērījuma rezultāts būs sprieguma kritums milivoltos p-n krustojumā virzienā uz priekšu. Parasti šie skaitļi ir diapazonā no 500 līdz 600, kas ir atkarīgs ne tikai no pusvadītāju ierīces veida, bet arī no temperatūras. Palielinoties temperatūrai, šis skaitlis samazinās par 2 par katru Celsija grādu, kas ir saistīts ar TCS pretestības temperatūras koeficientu.

Izmantojot rādītāja testeri, jāatceras, ka pretestības mērīšanas režīmā sprieguma mērīšanas režīmā pozitīvā izeja ir uz mīnusiem. Veicot šādas pārbaudes, ir labāk apgaismot foto sensorus ar kvēlspuldzi tuvu diapazonā.

Gaismas sensora savienošana pārī ar mikrokontrolleri

Nesen daudzi radio entuziasti ir ļoti ieinteresēti robotu projektēšanā. Visbiežāk tas ir kaut kas šķietami primitīvs, piemēram, kaste ar baterijām uz riteņiem, bet briesmīgi gudrs: visu dzird, visu redz, apiet šķēršļus.Viņš visu redz tikai fototransistoru vai fotodiodu un varbūt pat fotorezistoru dēļ.

Šeit viss ir ļoti vienkārši. Ja tas ir fotorezistors, pietiek ar tā pievienošanu, kā norādīts diagrammā, un fototransistora vai fotodiodes gadījumā, lai nesajauktu polaritāti, vispirms tos “apzvana”, kā aprakstīts iepriekš. Īpaši noderīgi ir veikt šo darbību, ja detaļas nav jaunas, pārliecinieties, ka tās ir piemērotas. Dažādu foto sensoru pievienošana mikrokontrolieris parādīts 4. attēlā.

4. attēls. Foto sensoru pievienošanas shēmas mikrokontrolleram

Gaismas mērīšana

Fotodiodēm un fototransistoriem ir zema jutība, augsta nelinearitāte un ļoti šaurs spektrs. Šo foto ierīču galvenais pielietojums ir darbs taustiņu režīmā: ieslēgts - izslēgts. Tāpēc gaismas mērītāju izveidošana uz tiem ir diezgan problemātiska, lai gan agrāk visos analogos gaismas skaitītājos tie tika izmantoti tieši šie foto sensori.

Bet par laimi nanotehnoloģija nestāv uz vietas, bet gan iet uz priekšu ar lēcieniem. Lai izmērītu apgaismojumu "tur viņi ir", ir izveidota speciāla mikroshēma TSL230R, kas ir programmējams apgaismojuma frekvences pārveidotājs.

Ārēji ierīce ir mikroshēma DIP8 korpusā, kas izgatavota no caurspīdīgas plastmasas. Visi līmeņa ieejas un izejas signāli ir saderīgi ar TTL - CMOS loģiku, kas ļauj pārveidotāju viegli savienot pārī ar jebkuru mikrokontrolleri.

Izmantojot ārējos signālus, jūs varat attiecīgi mainīt fotodioda jutīgumu un izejas signāla mērogu 1, 10, 100 un 2, 10 un 100 reizes. Izejas signāla frekvences atkarība no apgaismojuma ir lineāra, sākot no herca frakcijām līdz 1 MHz. Mēroga un jutīguma iestatījumus veic, piegādājot loģikas līmeņus tikai 4 ieejām.

Mikroshēmu var ievest mikro patēriņa režīmā (5 μA), par kuru ir atsevišķs secinājums, lai gan darba režīmā tas nav īpaši izteikts. Ar barošanas spriegumu 2,7 ... 5,5 V strāvas patēriņš nepārsniedz 2 mA. Lai darbotos mikroshēma, nav nepieciešama ārēja dūšība, izņemot to, ka bloķējošais kondensators barošanai.

Patiesībā pietiek ar frekvences mērītāja pievienošanu mikroshēmai un apgaismojuma rādījumu iegūšanu, acīmredzot, dažos UE. Mikrokontrollera lietošanas gadījumā, koncentrējoties uz izejas signāla frekvenci, jūs varat kontrolēt apgaismojumu telpā vai vienkārši pēc principa "ieslēgt - izslēgt".

TSL230R nav vienīgais gaismas skaitītājs. Vēl modernāki ir Maxim MAX44007-MAX44009 sensori. Viņu izmēri ir mazāki nekā TSL230R, enerģijas patēriņš ir tāds pats kā citiem sensoriem miega režīmā. Šādu gaismas sensoru galvenais mērķis ir izmantošana akumulatoru darbināmās ierīcēs.

Fotosensori kontrolē apgaismojumu

Viens no uzdevumiem, ko veic, izmantojot fotosensorus, ir apgaismojuma vadība. Šādas shēmas tiek sauktas foto relejs, visbiežāk tas ir vienkāršs apgaismojuma iekļaušana tumsā. Šim nolūkam daudzi amatieri ir izstrādājuši daudzas shēmas, no kurām dažas mēs apsvērsim nākamajā rakstā.

Raksta turpinājums: Foto releju shēmas apgaismojuma kontrolei