Jak korzystać z fotorezystorów, fotodiod i fototranzystorów

Czujniki są zupełnie inne. Różnią się zasadą działania, logiką pracy oraz zjawiskami fizycznymi i wielkościami, na które są w stanie zareagować. Czujniki światła są stosowane nie tylko w automatycznych urządzeniach sterujących oświetleniem, lecz także w ogromnej liczbie urządzeń, od zasilaczy po alarmy i systemy bezpieczeństwa.

Główne typy urządzeń fotoelektronicznych. Informacje ogólne

Fotodetektor w ogólnym znaczeniu jest urządzeniem elektronicznym, które reaguje na zmianę strumienia świetlnego padającego na jego wrażliwą część. Mogą się różnić zarówno strukturą, jak i zasadą działania. Spójrzmy na nich.

Fotorezystory - zmień opór podczas oświetlenia

Fotorezystor to urządzenie fotograficzne, które zmienia przewodność (oporność) w zależności od ilości światła padającego na jego powierzchnię. Im bardziej intensywny ekspozycja na światło obszar wrażliwy, tym mniejszy opór. Oto jego schemat.

Składa się z dwóch metalowych elektrod, między którymi znajduje się materiał półprzewodnikowy. Gdy strumień światła uderza w półprzewodnik, uwalniane są w nim nośniki ładunku, co przyczynia się do przepływu prądu między metalowymi elektrodami.

Energia strumienia światła jest wydawana na pokonanie przerwy pasmowej przez elektrony i ich przejście do pasma przewodzenia. Jako półprzewodnik fotoprzewodniki wykorzystują materiały takie jak: siarczek kadmu, siarczek ołowiu, selenin kadmu i inne. Charakterystyka spektralna fotorezystora zależy od rodzaju tego materiału.

Ciekawe:

Charakterystyka spektralna zawiera informacje o tym, które długości fali (kolor) strumienia światła są najbardziej wrażliwe na fotorezystor. W niektórych przypadkach konieczne jest staranne wybranie emitera światła o odpowiedniej długości fali, aby osiągnąć największą czułość i wydajność pracy.

Fotorezystor nie jest przeznaczony do dokładnego pomiaru oświetlenia, ale raczej do określania obecności światła, zgodnie z jego odczytami, środowisko można wykryć jaśniej lub ciemniej. Charakterystyka prądowo-napięciowa fotorezystora jest następująca.

Przedstawia zależność prądu od napięcia dla różnych wartości strumienia świetlnego: Ф - ciemność, a Ф3 - jest to jasne światło. Jest liniowy. Inną ważną cechą jest czułość, mierzona w mA (μA) / (Lm * V). Odzwierciedla to, ile prądu przepływa przez rezystor, przy pewnym strumieniu świetlnym i przyłożonym napięciu.

Ciemna rezystancja jest aktywną rezystancją przy całkowitym braku oświetlenia, jest oznaczona przez RT, a charakterystyczną RT / Rb jest szybkość zmiany rezystancji od stanu fotorezystora przy całkowitym braku oświetlenia do odpowiednio maksymalnego stanu oświetlonego i minimalnej możliwej rezystancji.

Fotorezystory mają znaczną wadę - częstotliwość odcięcia. Ta wartość opisuje maksymalną częstotliwość sygnału sinusoidalnego, przy pomocy którego modeluje się strumień świetlny, przy której czułość maleje o 1,41 razy. W książkach referencyjnych jest to odzwierciedlone albo przez wartość częstotliwości, albo przez stałą czasową. Odzwierciedla prędkość urządzeń, która zwykle trwa kilkadziesiąt mikrosekund - 10 ^ (- 5) s. To nie pozwala na użycie go tam, gdzie potrzebujesz wysokiej wydajności.

Fotodioda - zamienia światło w ładunek elektryczny

Fotodioda to element, który przekształca światło wpadające do wrażliwego obszaru w ładunek elektryczny. Wynika to z faktu, że podczas napromieniowania złącza pn zachodzą różne procesy związane z ruchem nośników ładunku.

Jeśli przewodność zmieniła się na fotorezystorze z powodu ruchu nośników ładunku w półprzewodniku, wówczas ładunek powstaje na granicy złącza pn. Może pracować w trybie fotokonwertera i generatora zdjęć.

Struktura jest taka sama jak konwencjonalnej diody, ale na jej obudowie znajduje się okno do przepuszczania światła. Na zewnątrz są w różnych wzorach.

Fotodiody ciała czarnego akceptują tylko promieniowanie podczerwone. Czarna powłoka przypomina zabarwienie. Filtruje widmo IR, aby wykluczyć możliwość wyzwalania promieniowania innych widm.

Fotodiody, podobnie jak fotorezystory, mają częstotliwość odcięcia, tylko tutaj są o rząd wielkości większe i osiągają 10 MHz, co pozwala na dobrą wydajność. Fotodiody P-i-N mają wysoką prędkość - 100 MHz-1 GHz, podobnie jak diody oparte na barierze Schottky'ego. Diody lawinowe mają częstotliwość odcięcia około 1-10 GHz.

W trybie fotokonwertera taka dioda działa jak klucz sterowany światłem, do tego jest podłączony do obwodu z przesunięciem do przodu. Oznacza to, że katoda do punktu o większym potencjale dodatnim (na plus), a anoda na bardziej ujemnym potencjale (do minus).

Gdy dioda nie jest oświetlona światłem, płynie tylko odwrotny ciemny prąd Iobrt (jednostki i dziesiątki μA), a gdy dioda się świeci, dodaje się do niej fotoprąd, który zależy tylko od stopnia oświetlenia (dziesiątki mA). Im więcej światła, tym więcej prądu.

Photocurrent Jeśli jest równy:

Iph = Sint * F,

gdzie Sint jest czułością całkowitą, Ф jest strumieniem świetlnym.

Typowy schemat włączania fotodiody w trybie fotokonwertera. Zwróć uwagę na sposób podłączenia - w przeciwnym kierunku w stosunku do źródła zasilania.

Innym trybem jest generator. Gdy światło dostaje się do fotodiody, na jej zaciskach generowane jest napięcie, podczas gdy prądy zwarciowe w tym trybie wynoszą dziesiątki amperów. Przypomina działanie ogniw słonecznychale mają niską moc.

Fototranzystory - otwarte według ilości padającego światła

Fototranzystor jest z natury tranzystor bipolarny który zamiast wyjściowego wyjścia ma okno w skrzynce na wejście światła. Zasada działania i przyczyny tego efektu są podobne do poprzednich urządzeń. Tranzystory bipolarne są kontrolowane przez ilość prądu przepływającego przez podstawę, a fototranzystory, analogicznie, są kontrolowane przez ilość światła.

Czasami UGO wciąż dodatkowo przedstawia dane wyjściowe bazy. Zasadniczo napięcie jest dostarczane zarówno do fototranzystora, jak i do zwykłego, a druga opcja jest włączana z pływającą podstawą, gdy podstawowe wyjście pozostaje niewykorzystane.

Fototranzystory są również zawarte w obwodzie.

Lub zamień tranzystor i rezystor, w zależności od tego, czego dokładnie potrzebujesz. W przypadku braku światła przez tranzystor powstaje ciemny prąd, który powstaje z prądu podstawowego, który można ustawić samodzielnie.

Ustawiając wymagany prąd podstawowy, można ustawić czułość fototranzystora, wybierając jego rezystor podstawowy. W ten sposób można uchwycić nawet najdelikatniejsze światło.

W czasach sowieckich radioamatorzy wytwarzali fototranzystory własnymi rękami - wykonali okno na światło, odcinając część obudowy konwencjonalnym tranzystorem. W tym celu tranzystory takie jak MP14-MP42 są doskonałe.

Z charakterystyki prądowo-napięciowej wynika zależność fotoprądu od oświetlenia, podczas gdy jest on praktycznie niezależny od napięcia kolektor-emiter.

Oprócz bipolarnych fototranzystorów istnieją również pola. Dwubiegunowe działają na częstotliwościach 10-100 kHz, a następnie pola są bardziej czułe. Ich czułość sięga kilku amperów na lumen, a bardziej „szybko” - do 100 MHz. Tranzystory polowe mają interesującą cechę: przy maksymalnych wartościach strumienia świetlnego napięcie bramki prawie nie wpływa na prąd drenu.

Zakresy urządzeń fotoelektronicznych

Przede wszystkim należy rozważyć bardziej znane opcje ich zastosowania, na przykład automatyczne włączenie światła.

Powyższy schemat jest najprostszym urządzeniem do włączania i wyłączania ładunku w określonych warunkach oświetleniowych. Fotodioda FD320 Gdy światło wchodzi do niego, pewne napięcie otwiera się, a R1 spada pewne napięcie, gdy jego wartość jest wystarczająca do otwarcia tranzystora VT1 - otwiera się i otwiera kolejny tranzystor - VT2. Te dwa tranzystory są dwustopniowym wzmacniaczem prądu, niezbędnym do zasilania cewki przekaźnika K1.

Dioda VD2 - potrzebna do stłumienia samoindukcji EMF, która powstaje podczas przełączania cewki. Jeden z przewodów od obciążenia jest podłączony do zacisku wejściowego przekaźnika, górny zgodnie ze schematem (dla prądu przemiennego - faza lub zero).

Zwykle mamy zamknięte i otwarte kontakty, są one potrzebne do wyboru obwodu, który ma zostać włączony, lub do włączenia lub wyłączenia obciążenia z sieci po osiągnięciu wymaganego oświetlenia. Potencjometr R1 jest potrzebny do dostosowania urządzenia do pracy z odpowiednią ilością światła. Im większy opór, tym mniej światła jest potrzebne do włączenia obwodu.

Odmiany tego schematu są stosowane w większości podobnych urządzeń, w razie potrzeby dodając pewien zestaw funkcji.

Oprócz włączenia lekkiego obciążenia, takie fotodetektory są stosowane w różnych systemach sterowania, na przykład fotorezystory są często stosowane na kołowrotach metra do wykrywania nieautoryzowanego (zająca) przekroczenia bramki.

W drukarni, gdy pęka pasek papieru, światło wchodzi do fotodetektora i tym samym daje operatorowi sygnał na ten temat. Emiter znajduje się po jednej stronie papieru, a fotodetektor znajduje się z tyłu. Po rozerwaniu papieru światło emitera dociera do fotodetektora.

W niektórych typach alarmów nadajnik i fotodetektor są używane jako czujniki wchodzące do pomieszczenia, a urządzenia na podczerwień służą do tego, aby promieniowanie nie było widoczne.

Jeśli chodzi o widmo IR, nie można wspomnieć o odbiorniku telewizyjnym, który odbiera sygnały z diody IR LED na pilocie po zmianie kanałów. Informacje są kodowane w specjalny sposób, a telewizor rozumie, czego potrzebujesz.

Informacje przesyłane wcześniej przez porty podczerwieni telefonów komórkowych. Prędkość transmisji jest ograniczona zarówno metodą transmisji sekwencyjnej, jak i zasadą działania samego urządzenia.

Myszy komputerowe stosują również technologię związaną z urządzeniami fotoelektronicznymi.

Aplikacja do transmisji sygnałów w obwodach elektronicznych

Urządzenia optoelektroniczne to urządzenia łączące nadajnik i fotodetektor w tej samej obudowie, takie jak te opisane powyżej. Są one potrzebne do połączenia dwóch obwodów obwodu elektrycznego.

Jest to konieczne do izolacji galwanicznej, szybkiej transmisji sygnału, a także do łączenia obwodów prądu stałego i przemiennego, jak w przypadku sterowania triakiem w obwodzie 220 V 5 V z sygnałem z mikrokontrolera.

Mają oznaczenie graficzne, które zawiera informacje o rodzaju elementów zastosowanych w transoptorze.

Rozważ kilka przykładów użycia takich urządzeń.

Kontrolowanie triaka za pomocą mikrokontrolera

Jeśli projektujesz tyrystor lub konwerter triakowy, napotkasz problem. Po pierwsze, jeśli przejście na wyjściu sterującym zostanie przerwane - do pinu mikrokontrolera duży potencjał spadnie, a ten drugi zawiedzie. W tym celu opracowano specjalne sterowniki z elementem zwanym optosymistorem, na przykład MOC3041.

Informacje zwrotne od optyki

W stabilizowanych zasilaczach impulsowych wymagane jest sprzężenie zwrotne. Jeśli wykluczymy izolację galwaniczną w tym obwodzie, to w przypadku awarii niektórych elementów w obwodzie systemu operacyjnego pojawi się wysoki potencjał w obwodzie wyjściowym, a podłączony sprzęt ulegnie awarii, nie mówię o tym, że możesz być zszokowany.

W konkretnym przykładzie widać implementację takiego systemu operacyjnego od obwodu wyjściowego do uzwojenia sprzężenia zwrotnego (sterowania) tranzystora za pomocą transoptora o oznaczeniu szeregowym U1.

Wnioski

Foto i optoelektronika to bardzo ważne sekcje w elektronice, które znacznie poprawiły jakość sprzętu, jego koszt i niezawodność. Za pomocą transoptora można wykluczyć zastosowanie transformatora izolacyjnego w takich obwodach, co zmniejsza ogólne wymiary. Ponadto niektóre urządzenia są po prostu niemożliwe do wdrożenia bez takich elementów.