Фотосензори и тяхното приложение

Какво представляват фотосензорите

В различни електронни устройства, устройства за домашна и промишлена автоматизация, различни дизайни на любителски радио фотодатчиците се използват много широко. Всеки, който някога е разглобил стара компютърна мишка, както я наричаха „комовская“, с топче вътре, сигурно е виждал колела с прорези, които се въртят в слотовете на фотосензорите.

Тези фотосензори се наричат фото прекъсвачи - прекъсва потока на светлината. От едната страна на такъв сензор е източник - светодиодкато правило, инфрачервена (IR), с друг фототранзистор (за по-точно, два фототранзистора, в някои модели на фотодиода, за да се определи и посоката на въртене). Когато колелото се завърти с прорези на изхода на фотосензора, се получават електрически импулси, което е информация за ъгловото положение на самото колело. Такива устройства се наричат ​​енкодери. Освен това енкодерът може да бъде само контакт, не забравяйте колелото на съвременна мишка!

Фото прекъсвачите се използват не само в „мишки“, но и в други устройства, например сензори за скорост на някакъв механизъм. В този случай се използва единичен фотосензор, тъй като посоката на въртене не се изисква да се определя.

Ако по някаква причина, най-често за ремонт, се качите на други електронни устройства, тогава фото сензорите могат да бъдат намерени в принтери, скенери и копирни машини, в CD устройства, в DVD плейъри, видеокасетофони, видеокамери и друга техника.

И така, какво представляват фотосензорите и какви са те? Просто вижте, без да навлизате във физиката на полупроводниците, да не разбирате формулите и да не изричате неразбираеми думи (рекомбинация, резорбция на миноритарни носители), наречена „на пръсти“, как работят тези фотосензори.

Фигура 1. Фото прекъсвач

Фоторезистор

При него всичко е ясно. Тъй като обикновен постоянен резистор има омично съпротивление, посоката на свързване във веригата не играе роля. Само за разлика от постоянен резистор, той променя съпротивлението под въздействието на светлината: когато свети, той намалява няколко пъти. Броят на тези „времена“ зависи от модела на фоторезистора, преди всичко от неговата тъмна устойчивост.

Структурно фоторезисторите представляват метален калъф със стъклен прозорец, през който се вижда плоча със сивкав цвят със зигзаг. По-късни модели бяха изпълнени в пластмасов калъф с прозрачен плот.

Скоростта на фоторезисторите е ниска, така че те могат да работят само на много ниски честоти. Следователно в новите разработки те почти никога не се използват. Но се случва, че в процеса на ремонт на старо оборудване те ще трябва да се срещнат.

За да проверите здравето на фоторезистора, достатъчно е да проверите неговата устойчивост с мултицет. При липса на осветление съпротивлението трябва да бъде голямо, например фоторезисторът SF3-1 има тъмно съпротивление според референтните данни от 30MOhm. Ако свети, съпротивлението ще спадне до няколко KOhms. Външният вид на фоторезистора е показан на фигура 2.

Фигура 2. Фоторезистор SF3-1

фотодиоди

Много подобен на конвенционален диоден изправител, ако не за свойството да реагира на светлина. Ако го „позвъните“ с тестер, е по-добре да използвате актуален превключвател, тогава при липса на осветление резултатите ще бъдат същите като в случая с конвенционален диод: в посока напред устройството ще покаже малко съпротивление, а в обратна посока стрелката на устройството трудно ще се движи.

Казват, че диодът е включен в обратна посока (тази точка трябва да се помни), така че токът не тече през него. Но ако в това включване фотодиодът е осветен с крушка, тогава стрелката рязко ще се втурне до нулевата маркировка.Този режим на работа на фотодиода се нарича фотодиод.

Фотодиодът има и фотоволтаичен режим на работа: когато светлината го удари, той, като слънчева батерия, произвежда слабо напрежение, което, ако се засили, може да се използва като полезен сигнал. Но по-често фотодиодът се използва във фотодиоден режим.

Фотодиодите на стария дизайн на външен вид са метален цилиндър с два отвода. От друга страна е стъклена леща. Съвременните фотодиоди имат корпус, изработен от прозрачна пластмаса, точно същият като светодиодите.

Фиг. 2. Фотодиоди

фототранзистори

На външен вид те са просто неразличими от светодиодите, същия случай е направен от прозрачна пластмаса или цилиндър със стъкло в края, а от него има два изхода - колектор и емитер. Фототранзисторът изглежда не се нуждае от основен изход, защото входният сигнал за него е светлинният поток.

Въпреки че някои фототранзистори все още имат базов изход, което освен светлина, позволява и транзисторът да се управлява електрически. Това може да се намери в някои транзисторни оптрони, например AOT128 и внесени 4N35, които по същество са функционални аналози. Между основата и излъчвателя на фототранзистора е свързан резистор, за да покрие леко фототранзистора, както е показано на фигура 4.

Фигура 3. Фототранзистор

Нашият оптрон обикновено "виси" 10-100KΩ, докато внесеният "аналог" има около 1MΩ. Ако сложите дори 100K, няма да работи, транзисторът е просто плътно затворен.

Как да проверите фототранзистор

Фототранзисторът може просто да бъде проверен от тестер, дори и да няма базов изход. Когато омметър е свързан с каквато и да е полярност, съпротивлението на секцията колектор - емитер е доста голямо, тъй като транзисторът е затворен. Когато светлината с достатъчна интензивност и спектър попадне върху лещата, омметърът ще покаже малко съпротивление - транзисторът се отвори, ако, разбира се, беше възможно да се познае полярността на връзката на тестера. Всъщност това поведение прилича на конвенционален транзистор, само той се отваря с електрически сигнал, а този със светлинен поток. В допълнение към интензитета на светлинния поток, неговата спектрална композиция играе важна роля. За характеристиките на тест на транзистора вижте тук. 

Светлинен спектър

Обикновено фотосензорите са настроени на определена дължина на вълната на светлинно излъчване. Ако това е инфрачервено лъчение, тогава такъв сензор не реагира добре на сини и зелени светодиоди, достатъчно добър за червен, лампа с нажежаема жичка и, разбира се, на инфрачервена. Освен това не приема светлина от флуоресцентни лампи. Следователно причината за лошата работа на фотосензора може просто да е неподходящ спектър на източника на светлина.

По-горе беше написано как да звъни фотодиод и фототранзистор. Тук трябва да обърнете внимание на такава на пръв поглед дреболия като вида на измервателното устройство. В модерен цифров мултицет, в режим на непрекъснатост на полупроводници, плюс е на същото място, както при измерване на постояннотоково напрежение, т.е. на червената жица.

Резултатът от измерването ще бъде спадът на напрежението в миливолта на p-n кръстовище в посока напред. По правило това са числа в диапазона от 500 - 600, което зависи не само от типа на полупроводниковото устройство, но и от температурата. С повишаване на температурата тази цифра намалява с 2 за всеки градус по Целзий, което се дължи на температурния коефициент на съпротивление на TCS.

Когато използвате указател тестер, трябва да се помни, че в режим на измерване на съпротивлението положителният изход е на минус в режим на измерване на напрежение. При такива проверки е по-добре да осветите фотодатчиците с лампа с нажежаема жичка на близко разстояние.

Сдвояване на фотосензора с микроконтролер

Напоследък много радио ентусиасти проявиха голям интерес към проектирането на роботи. Най-често това е нещо, което изглежда примитивно, като кутия с батерии на колела, но ужасно умна: чува всичко, вижда всичко, обикаля препятствия.Той вижда всичко само поради фототранзисторите или фотодиодите, а може би дори и фоторезисторите.

Тук всичко е много просто. Ако това е фоторезистор, достатъчно е да го свържете, както е показано на диаграмата, и в случай на фототранзистор или фотодиод, за да не объркате полярността, първо ги „звънете“, както е описано по-горе. Особено полезно е да извършите тази операция, ако частите не са нови, уверете се, че са подходящи. Свързване на различни фото сензори към микроконтролер показано на фигура 4.

Фигура 4. Схеми за свързване на фотосензори към микроконтролер

Измерване на светлината

Фотодиодите и фототранзисторите имат ниска чувствителност, висока нелинейност и много тесен спектър. Основното приложение на тези фотоустройства е да работят в ключов режим: включен - изключен. Следователно създаването на светлинни измервателни уреди върху тях е доста проблематично, въпреки че преди тези аналогови измервателни уреди за светлина са използвали именно тези фотосензори.

Но за щастие, нанотехнологиите не стоят неподвижно, а продължават напред с прескачания. За измерване на осветеността "там те са създали" специализиран чип TSL230R, който е програмируем преобразувател на осветеност - честота.

Външно устройството е чип в калъф DIP8, изработен от прозрачна пластмаса. Всички входни и изходни сигнали на ниво са съвместими с логиката TTL - CMOS, което улеснява сдвояването на конвертора с всеки микроконтролер.

Използвайки външни сигнали, можете да промените чувствителността на фотодиода и мащаба на изходния сигнал, съответно 1, 10, 100 и 2, 10 и 100 пъти. Зависимостта на честотата на изходния сигнал от осветеността е линейна, варираща от фракции на херца до 1 MHz. Настройките на мащаба и чувствителността се извършват чрез подаване на логически нива на само 4 входа.

Микросхемата може да бъде въведена в режим на микро потребление (5 μA), за което има отделно заключение, въпреки че в режим на работа не е особено нелепо. При захранващо напрежение 2,7 ... 5,5 V консумацията на ток е не повече от 2 mA. За работата на чипа не се изисква външно обтягане, с изключение на блокиращия кондензатор за захранване.

Всъщност е достатъчно да свържете честотен измервател към микросхемата и да получите показания на осветеността, добре, очевидно, в някои UE. В случай на използване на микроконтролера, като се фокусирате върху честотата на изходния сигнал, можете да контролирате осветлението в помещението или просто по принципа на "включване - изключване".

TSL230R не е единственият светломер. Още по-напреднали са сензорите Maxim MAX44007-MAX44009. Размерите им са по-малки от тези на TSL230R, консумацията на енергия е същата като тази на други сензори в режим на заспиване. Основната цел на такива сензори за светлина е използването в устройства с батерия.

Фотосензорите контролират осветлението

Една от задачите, изпълнявани с помощта на фотосензори, е управление на осветлението, Такива схеми се наричат фото реле, най-често това е просто включване на осветлението в тъмното. За тази цел много любители са разработили много схеми, някои от които ще разгледаме в следващата статия.

Продължение на статията: Фоторелейни схеми за управление на осветлението