Fotoczujniki i ich zastosowanie

Co to są fotosensory

W różnych urządzeniach elektronicznych, urządzeniach automatyki domowej i przemysłowej, różnych projektach radiowych amatorów fotosensory są używane bardzo szeroko. Każdy, kto kiedykolwiek zdemontował starą mysz komputerową, jak to się nazywało „komovskaya”, z kulką w środku, musiał widzieć koła ze szczelinami obracającymi się w gniazdach fotosensorów.

Te fotoczujniki są nazywane przerywacze zdjęć - przerwać przepływ światła. Po jednej stronie takiego czujnika znajduje się źródło - LEDz reguły podczerwień (IR), z innym fototranzystorem (a ściślej mówiąc, dwoma fototranzystorami, w niektórych modelach fotodiody, aby określić również kierunek obrotu). Gdy koło obraca się ze szczelinami na wyjściu fotoczujnika, uzyskiwane są impulsy elektryczne, które są informacją o położeniu kątowym samego koła. Takie urządzenia nazywane są koderami. Co więcej, enkoder może być tylko kontaktem, pamiętaj o kole nowoczesnej myszy!

Przerywacze zdjęć są używane nie tylko u „myszy”, ale także w innych urządzeniach, na przykład czujnikach prędkości niektórych mechanizmów. W takim przypadku stosuje się pojedynczy fotosensor, ponieważ nie trzeba określać kierunku obrotu.

Jeśli z jakiegoś powodu, najczęściej do naprawy, wdrap się na inne urządzenia elektroniczne, to czujniki fotograficzne można znaleźć w drukarkach, skanerach i kopiarek, w napędach CD, w odtwarzaczach DVD, magnetowidach, kamerach wideo i innym sprzęcie.

Czym więc są fotoczujniki i czym one są? Zobacz, nie wchodząc w fizykę półprzewodników, nie rozumiejąc wzorów i nie wypowiadając niezrozumiałych słów (rekombinacja, resorpcja nośników mniejszościowych), które nazywa się „na palcach”, jak te fotosensory działają.

Rysunek 1. Przerywacz zdjęć

Fotorezystor

Wszystko z nim jest jasne. Ponieważ zwykły stały rezystor ma rezystancję omową, kierunek połączenia w obwodzie nie odgrywa żadnej roli. Tylko w przeciwieństwie do stałego rezystora zmienia on rezystancję pod wpływem światła: po podświetleniu zmniejsza się kilkakrotnie. Liczba tych „czasów” zależy od modelu fotorezystora, przede wszystkim od jego odporności na ciemność.

Strukturalnie, fotorezystory są metalową obudową ze szklanym oknem, przez które widać szarawą płytkę z zygzakowatą ścieżką. Późniejsze modele wykonano w plastikowej skrzynce z przezroczystym blatem.

Prędkość fotorezystorów jest niska, więc mogą pracować tylko na bardzo niskich częstotliwościach. Dlatego w nowych rozwiązaniach prawie nigdy nie są używane. Ale zdarza się, że podczas naprawy starego sprzętu będą musieli się spotkać.

Aby sprawdzić stan fotorezystora, wystarczy sprawdzić jego rezystancję za pomocą multimetru. W przypadku braku oświetlenia rezystancja powinna być duża, na przykład fotorezystor SF3-1 ma ciemną rezystancję zgodnie z danymi odniesienia 30MOhm. Jeśli się zaświeci, opór spadnie do kilku kiloomów. Wygląd fotorezystora pokazano na rysunku 2.

Rysunek 2. Fotorezystor SF3-1

Fotodiody

Bardzo podobny do konwencjonalnej diody prostowniczej, jeśli nie ze względu na właściwość reagowania na światło. Jeśli „zadzwonisz” za pomocą testera, lepiej jest użyć aktualnego przełącznika, a następnie przy braku oświetlenia wyniki będą takie same, jak w przypadku konwencjonalnej diody: w kierunku do przodu urządzenie pokaże mały opór, a w przeciwnym kierunku strzałka urządzenia prawie się nie poruszy.

Mówią, że dioda jest włączona w przeciwnym kierunku (ten punkt należy pamiętać), więc prąd przez nią nie przepływa. Ale jeśli w tym włączeniu fotodioda zostanie zapalona żarówką, strzałka gwałtownie przyspieszy do znaku zerowego.Ten tryb działania fotodiody nazywa się fotodiodą.

Fotodioda ma również tryb działania fotowoltaicznego: gdy uderza ją światło, to tak bateria słoneczna, wytwarza słabe napięcie, które, jeśli zostanie wzmocnione, może być wykorzystane jako użyteczny sygnał. Ale częściej fotodioda jest używana w trybie fotodiody.

Wygląd fotodiod starego projektu to metalowy cylinder z dwoma wyprowadzeniami. Z drugiej strony jest szklana soczewka. Nowoczesne fotodiody mają obudowę z przezroczystego plastiku, dokładnie taką samą jak diody LED.

Ryc. 2. Fotodiody

Fototranzystory

Z wyglądu są po prostu nie do odróżnienia od diod LED, ta sama obudowa jest wykonana z przezroczystego plastiku lub cylindra ze szkłem na końcu, a z niego są dwa wyjścia - kolektor i emiter. Fototranzystor nie potrzebuje podstawowego wyjścia, ponieważ sygnałem wejściowym jest strumień świetlny.

Chociaż niektóre fototranzystory nadal mają wyjściową moc wyjściową, która oprócz światła umożliwia także sterowanie elektryczne tranzystora. Można to znaleźć w niektórych transoptorach tranzystorowych, na przykład AOT128 i importowanym 4N35, które są zasadniczo funkcjonalnymi analogami. Rezystor jest podłączony między podstawą a emiterem fototranzystora, aby delikatnie zakryć fototranzystor, jak pokazano na rycinie 4.

Rysunek 3. Fototranzystor

Nasz transoptor zwykle „zawiesza się” 10-100 kΩ, podczas gdy importowany „analog” ma około 1MΩ. Jeśli umieścisz nawet 100K, to nie będzie działać, tranzystor jest po prostu szczelnie zamknięty.

Jak sprawdzić fototranzystor

Fototranzystor może być po prostu sprawdzony przez tester, nawet jeśli nie ma wyjściowej bazy. Kiedy omomierz jest podłączony z dowolną polaryzacją, rezystancja sekcji kolektor - emiter jest dość duża, ponieważ tranzystor jest zamknięty. Kiedy światło o wystarczającej intensywności i widmie dostanie się na soczewkę, omomierz pokaże mały opór - tranzystor otworzył się, jeśli oczywiście można było odgadnąć polaryzację połączenia testera. W rzeczywistości takie zachowanie przypomina tradycyjny tranzystor, tylko otwiera się sygnałem elektrycznym, a ten ze strumieniem światła. Oprócz intensywności strumienia świetlnego ważną rolę odgrywa jego skład spektralny. Funkcje testu tranzystora, patrz tutaj. 

Widmo światła

Zazwyczaj fotoczujniki są dostrojone do określonej długości fali promieniowania świetlnego. Jeśli jest to promieniowanie podczerwone, to taki czujnik nie reaguje dobrze na niebieską i zieloną diodę LED, wystarczająco dobrą na czerwoną, żarówkę i oczywiście na podczerwień. Nie przyjmuje również światła z świetlówek. Dlatego przyczyną złego działania fotosensora może być po prostu nieodpowiednie spektrum źródła światła.

Powyżej napisano, jak zadzwonić na fotodiodę i fototranzystor. Tutaj powinieneś zwrócić uwagę na tak pozornie drobiazg, jak rodzaj urządzenia pomiarowego. W nowoczesnym multimetrze cyfrowym w trybie ciągłości półprzewodników plus znajduje się w tym samym miejscu, co podczas pomiaru napięcia stałego, tj. na czerwonym przewodzie.

Wynikiem pomiaru będzie spadek napięcia w miliwoltach na złączu p-n w kierunku do przodu. Z reguły są to liczby z zakresu 500 - 600, które zależą nie tylko od rodzaju urządzenia półprzewodnikowego, ale także od temperatury. Wraz ze wzrostem temperatury liczba ta zmniejsza się o 2 dla każdego stopnia Celsjusza, co wynika ze współczynnika temperaturowego oporu TCS.

Korzystając ze wskaźnika, należy pamiętać, że w trybie pomiaru rezystancji dodatnie wyjście jest ujemne w trybie pomiaru napięcia. Dzięki takim kontrolom lepiej oświetlić czujniki fotoelektryczne żarówką z bliskiej odległości.

Parowanie fotoczujnika z mikrokontrolerem

Ostatnio wielu entuzjastów radia bardzo interesuje się projektowaniem robotów. Najczęściej jest to coś, co z pozoru prymitywne, jak pudełko z akumulatorami na kołach, ale strasznie sprytne: słyszy wszystko, widzi wszystko, omija przeszkody.Widzi wszystko tylko dzięki fototranzystorom lub fotodiodom, a może nawet fotorezystorom.

Tutaj wszystko jest bardzo proste. Jeśli jest to fotorezystor, wystarczy go podłączyć, jak pokazano na schemacie, aw przypadku fototranzystora lub fotodiody, aby nie pomylić biegunowości, najpierw „zadzwoń”, jak opisano powyżej. Ta operacja jest szczególnie przydatna, jeśli części nie są nowe, upewnij się, że są odpowiednie. Podłączanie różnych czujników fotograficznych do mikrokontroler pokazane na rysunku 4.

Rycina 4. Schematy podłączenia fotosensorów do mikrokontrolera

Pomiar światła

Fotodiody i fototranzystory mają niską czułość, wysoką nieliniowość i bardzo wąskie spektrum. Głównym zastosowaniem tych urządzeń fotograficznych jest praca w trybie klucza: włącz - wyłącz. Dlatego tworzenie na nich światłomierzy jest dość problematyczne, chociaż wcześniej we wszystkich światłomierzach analogowych używano właśnie tych fotosensorów.

Ale na szczęście nanotechnologia nie stoi w miejscu, ale posuwa się naprzód. Aby zmierzyć oświetlenie „tam oni” stworzyli specjalny układ TSL230R, który jest programowalnym przetwornikiem oświetlenia - częstotliwości.

Zewnętrznie urządzenie jest chipem w obudowie DIP8 wykonanej z przezroczystego plastiku. Wszystkie sygnały wejściowe i wyjściowe w poziomie są zgodne z logiką TTL - CMOS, co ułatwia parowanie konwertera z dowolnym mikrokontrolerem.

Korzystając z sygnałów zewnętrznych, możesz zmienić czułość fotodiody i skalę sygnału wyjściowego odpowiednio 1, 10, 100 i 2, 10 i 100 razy. Zależność częstotliwości sygnału wyjściowego od oświetlenia jest liniowa i waha się od ułamków herca do 1 MHz. Ustawienia skali i czułości są wykonywane przez dostarczanie poziomów logicznych do zaledwie 4 wejść.

Mikroukład można wprowadzić w tryb mikrozużycie (5 μA), dla którego istnieje odrębny wniosek, chociaż nie jest on szczególnie żarłoczny w trybie roboczym. Przy napięciu zasilania 2,7 ... 5,5 V pobór prądu nie przekracza 2 mA. Do działania układu nie jest wymagane żadne zewnętrzne wiązanie, z wyjątkiem kondensatora blokującego moc.

W rzeczywistości wystarczy podłączyć miernik częstotliwości do mikroukładu i uzyskać odczyty oświetlenia, no cóż, najwyraźniej w niektórych krajach UE. W przypadku korzystania z mikrokontrolera, skupiając się na częstotliwości sygnału wyjściowego, możesz kontrolować oświetlenie w pomieszczeniu lub po prostu stosując zasadę „włącz - wyłącz”.

TSL230R to nie jedyny światłomierz. Jeszcze bardziej zaawansowane są czujniki Maxim MAX44007-MAX44009. Ich wymiary są mniejsze niż w TSL230R, zużycie energii jest takie samo jak w przypadku innych czujników w trybie uśpienia. Głównym celem takich czujników światła jest zastosowanie w urządzeniach zasilanych bateryjnie.

Fotoczujniki kontrolują oświetlenie

Jednym z zadań wykonywanych za pomocą fotosensorów jest sterowanie oświetleniem. Takie schematy są nazywane przekaźnik zdjęć, najczęściej jest to proste włączenie oświetlenia w ciemności. W tym celu wielu amatorów opracowało wiele obwodów, z których niektóre rozważymy w następnym artykule.

Kontynuacja artykułu: Schematy przekaźników fotograficznych do sterowania oświetleniem