Φωτοαισθητήρες και η εφαρμογή τους

Τι είναι οι φωτοαισθητήρες

Σε διάφορες ηλεκτρονικές συσκευές, οικιακές και βιομηχανικές συσκευές αυτοματισμού, διάφορα ερασιτεχνικά σχέδια ραδιοφώνου φωτοαισθητήρες χρησιμοποιούνται ευρέως. Όποιος έχει αποσυναρμολογήσει ποτέ ένα παλιό ποντίκι υπολογιστή, όπως λέγεται "komovskaya", με μια σφαίρα μέσα, πρέπει να έχει δει τροχούς με σχισμές που περιστρέφονται στις υποδοχές των φωτοαισθητήρων.

Αυτές οι φωτοαισθητήρες καλούνται διακόπτες φωτογραφιών - διακόψτε τη ροή του φωτός. Στη μία πλευρά ενός τέτοιου αισθητήρα υπάρχει μια πηγή - LEDκατά κανόνα, υπέρυθρο (IR), με άλλο φωτοτρανσικό (για να είμαστε ακριβέστεροι, δύο φωτοτρανίστες σε ορισμένα μοντέλα της φωτοδιόδου για να καθορίσουμε και την κατεύθυνση περιστροφής). Όταν ο τροχός περιστρέφεται με σχισμές στην έξοδο του φωτοαισθητήρα, λαμβάνονται ηλεκτρικοί παλμοί, που είναι πληροφορίες σχετικά με τη γωνιακή θέση αυτού του τροχού. Τέτοιες συσκευές καλούνται κωδικοποιητές. Επιπλέον, ο κωδικοποιητής μπορεί να είναι απλά μια επαφή, θυμηθείτε τον τροχό ενός σύγχρονου ποντικιού!

Οι διακόπτες φωτογραφιών χρησιμοποιούνται όχι μόνο σε "ποντίκια" αλλά και σε άλλες συσκευές, για παράδειγμα αισθητήρες ταχύτητας κάποιου μηχανισμού. Σε αυτή την περίπτωση, χρησιμοποιείται ένας μόνο φωτοστέφανος, επειδή δεν χρειάζεται να προσδιοριστεί η κατεύθυνση περιστροφής.

Εάν για κάποιο λόγο, συνήθως για επιδιόρθωση, αναρριχηθείτε σε άλλες ηλεκτρονικές συσκευές, τότε οι αισθητήρες φωτογραφιών μπορούν να βρεθούν σε εκτυπωτές, σαρωτές και φωτοαντιγραφικά, σε μονάδες CD, DVD players, βιντεοκάμερες, βιντεοκάμερες και άλλο εξοπλισμό.

Τι είναι λοιπόν οι φωτοαισθητήρες και ποιοι είναι αυτοί; Απλά δείτε, χωρίς να εισέλθετε στη φυσική των ημιαγωγών, να μην κατανοείτε τους τύπους και να μην εκφωνείτε ακατανόητες λέξεις (ανασυνδυασμός, απορρόφηση των μεταφορέων μειονοτήτων), που ονομάζεται "στα δάχτυλα", πώς λειτουργούν αυτοί οι φωτοαισθητήρες.

Εικόνα 1. Διακόπτης φωτογραφιών

Φωτοαντιστάσεων

Όλα είναι καθαρά μαζί του. Δεδομένου ότι μια συνήθης σταθερή αντίσταση έχει ωμική αντίσταση, η κατεύθυνση σύνδεσης στο κύκλωμα δεν παίζει ρόλο. Μόνο αντίθετα με μια σταθερή αντίσταση, αλλάζει την αντίσταση υπό την επίδραση του φωτός: όταν φωτίζεται, μειώνεται αρκετές φορές. Ο αριθμός αυτών των "χρόνων" εξαρτάται από το μοντέλο του φωτοανθεκτικού, κυρίως από τη σκοτεινή του αντίσταση.

Δομικά, οι φωτοαντιστάσεις είναι μια μεταλλική θήκη με γυάλινο παράθυρο διαμέσου του οποίου είναι ορατή μία πλάκα με γκριζωπό χρώμα με ίχνη ζιγκ-ζαγκ. Τα μεταγενέστερα μοντέλα πραγματοποιήθηκαν σε πλαστική θήκη με διαφανή κορυφή.

Η ταχύτητα των φωτοαντιστάσεων είναι χαμηλή, ώστε να μπορούν να λειτουργούν μόνο σε πολύ χαμηλές συχνότητες. Ως εκ τούτου, σε νέες εξελίξεις, σχεδόν ποτέ δεν χρησιμοποιούνται. Αλλά συμβαίνει ότι κατά τη διαδικασία επισκευής παλαιού εξοπλισμού θα πρέπει να συναντηθούν.

Για να ελέγξετε την υγεία του φωτοανθεκτικού, αρκεί να ελέγξετε την αντίσταση του με ένα πολύμετρο. Ελλείψει φωτισμού, η αντίσταση θα πρέπει να είναι μεγάλη, για παράδειγμα, ο φωτοανθεκτικός SF3-1 έχει σκοτεινή αντίσταση σύμφωνα με τα δεδομένα αναφοράς των 30MΩ. Εάν ανάβει, τότε η αντίσταση θα πέσει σε λίγα KOhms. Η εμφάνιση του φωτοανθεκτικού φαίνεται στο σχήμα 2.

Σχήμα 2. Φωτοαντίσταση SF3-1

Φωτοδίοδοι

Πολύ παρόμοια με μια συμβατική διόρθωση διόδου, αν όχι για την ιδιότητα της αντίδρασης στο φως. Εάν το χτυπάτε με έναν ελεγκτή, είναι καλύτερο να χρησιμοποιήσετε έναν ενημερωμένο διακόπτη, τότε αν δεν υπάρχει φωτισμός τα αποτελέσματα θα είναι τα ίδια όπως συμβαίνει με μια συμβατική δίοδο: προς τα εμπρός η συσκευή θα παρουσιάσει μικρή αντίσταση και προς την αντίθετη κατεύθυνση το βέλος της συσκευής δεν θα μετακινηθεί.

Λένε ότι η δίοδος είναι ενεργοποιημένη στην αντίθετη κατεύθυνση (αυτό το σημείο πρέπει να θυμόμαστε), έτσι ώστε το ρεύμα να μην ρέει μέσα από αυτό. Αλλά εάν σε αυτή τη συμπερίληψη η φωτοδίοδος ανάβει με έναν λαμπτήρα, τότε το βέλος θα βιαστικά βιασύνη στο μηδενικό σημάδι.Αυτός ο τρόπος λειτουργίας της φωτοδιόδου ονομάζεται φωτοδίοδο.

Η φωτοδίοδος διαθέτει επίσης ένα φωτοβολταϊκό τρόπο λειτουργίας: όταν το φως το χτυπά, το αρέσει ηλιακή μπαταρία, παράγει μια ασθενή τάση, η οποία, αν ενισχυθεί, μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως χρήσιμο σήμα. Όμως, πιο συχνά η φωτοδίοδος χρησιμοποιείται σε λειτουργία φωτοδιόδου.

Οι φωτοδιόδους του παλιού σχεδιασμού σε εμφάνιση είναι ένας μεταλλικός κύλινδρος με δύο καλώδια. Από την άλλη πλευρά είναι ένας γυάλινος φακός. Οι σύγχρονες φωτοδιόδους έχουν ένα περίβλημα κατασκευασμένο από διαφανές πλαστικό, ακριβώς το ίδιο με το LED.

Το Σχ. 2. Φωτοδίοδοι

Φωτομετατροπείς

Στην εμφάνιση, απλά δεν διακρίνονται από τα LED, η ίδια περίπτωση είναι κατασκευασμένη από διαφανές πλαστικό ή έναν κύλινδρο με ένα ποτήρι στο τέλος, και από αυτό υπάρχουν δύο εξόδους - ένας συλλέκτης και ένας πομπός. Ο φωτοτρανζίστριος δεν φαίνεται να χρειάζεται μια βασική έξοδο, επειδή το σήμα εισόδου για αυτό είναι η ροή φωτός.

Παρόλο που ορισμένοι φωτοτρανίστες έχουν ακόμα μια έξοδο βάσης, η οποία, εκτός από το φως, επιτρέπει επίσης την ηλεκτρική ρύθμιση του τρανζίστορ. Αυτό μπορεί να βρεθεί σε μερικούς οπτικούς συζευκτήρες τρανζίστορ, για παράδειγμα, AOT128 και εισαγόμενο 4Ν35, οι οποίοι είναι ουσιαστικά λειτουργικά ανάλογα. Ένας αντιστάτης συνδέεται μεταξύ της βάσης και του πομπού του φωτοτρανστικού για να καλύψει ελαφρά το φωτοτρανσικό, όπως φαίνεται στο σχήμα 4.

Σχήμα 3. Φωτοτρανζίστορ

Ο οπτοπλέκτης μας συνήθως "κολλάει" 10-100KΩ, ενώ το εισαγόμενο "αναλογικό" έχει περίπου 1MΩ. Αν βάζετε ακόμη και 100Κ, δεν θα λειτουργήσει, το τρανζίστορ είναι μόνο σφικτά κλειστό.

Πώς να ελέγξετε ένα φωτοτρανζίστορ

Ένας φωτοτρανσικός μπορεί απλώς να ελεγχθεί από έναν ελεγκτή, ακόμη και αν δεν έχει έξοδο βάσης. Όταν ένα ωμόμετρο είναι συνδεδεμένο σε οποιαδήποτε πολικότητα, η αντίσταση του τμήματος συλλεκτήρα-εκπομπού είναι αρκετά μεγάλη, καθώς το τρανζίστορ είναι κλειστό. Όταν το φως της επαρκούς έντασης και του φάσματος φτάσει στο φακό, το ωμόμετρο θα δείξει μικρή αντίσταση - το τρανζίστορ ανοίγει, αν, φυσικά, ήταν δυνατό να μαντέψει την πολικότητα της σύνδεσης του δοκιμαστή. Στην πραγματικότητα, αυτή η συμπεριφορά μοιάζει με ένα συμβατικό τρανζίστορ, μόνο ανοίγει με ένα ηλεκτρικό σήμα, και αυτό με ένα φως ρεύμα. Εκτός από την ένταση της ροής φωτός, η φασματική σύνθεσή της παίζει σημαντικό ρόλο. Για χαρακτηριστικά ελέγχου τρανζίστορ, δείτε εδώ. 

Φως φάσματος

Τυπικά, οι φωτοαισθητήρες συντονίζονται σε ένα συγκεκριμένο μήκος κύματος ακτινοβολίας φωτός. Εάν πρόκειται για υπέρυθρη ακτινοβολία, τότε ένας τέτοιος αισθητήρας δεν ανταποκρίνεται καλά στα μπλε και πράσινα LED, αρκετά καλό για να κόκκινο, μια λάμπα πυρακτώσεως και φυσικά στην υπέρυθρη ακτινοβολία. Επίσης, δεν δέχεται φως από λαμπτήρες φθορισμού. Επομένως, ο λόγος για την κακή λειτουργία του φωτοαισθητήρα μπορεί απλά να είναι ένα ακατάλληλο φάσμα της πηγής φωτός.

Γράφτηκε παραπάνω πώς να χτυπήσει μια φωτοδίοδο και ένα φωτοτραντιστή. Εδώ πρέπει να δώσετε προσοχή σε μια τέτοια φαινομενικά ασήμαντη μορφή όπως το είδος της συσκευής μέτρησης. Σε ένα σύγχρονο ψηφιακό πολύμετρο, στον τρόπο συνέχειας ημιαγωγών, συν είναι στο ίδιο σημείο όπως όταν μετράται τάση συνεχούς ρεύματος, δηλ. στο κόκκινο σύρμα.

Το αποτέλεσμα της μέτρησης θα είναι η πτώση τάσης σε millivolts στη σύνδεση p-n στην προς τα εμπρός κατεύθυνση. Κατά κανόνα, αυτοί είναι αριθμοί που κυμαίνονται από 500 έως 600, πράγμα που εξαρτάται όχι μόνο από τον τύπο της συσκευής ημιαγωγών, αλλά και από τη θερμοκρασία. Με την αύξηση της θερμοκρασίας, ο αριθμός αυτός μειώνεται κατά 2 για κάθε βαθμό Κελσίου, ο οποίος οφείλεται στον συντελεστή θερμοκρασίας αντίστασης των TCS.

Όταν χρησιμοποιείτε έναν ελεγκτή δεικτών, πρέπει να θυμάστε ότι στη λειτουργία μέτρησης αντίστασης, η θετική έξοδος βρίσκεται στο μείον στη λειτουργία μέτρησης τάσης. Με τέτοιους ελέγχους, είναι καλύτερο να φωτίσετε τους αισθητήρες φωτογραφίας με λαμπτήρα πυρακτώσεως σε κοντινή απόσταση.

Αντιστοίχιση του φωτοαισθητήρα με μικροελεγκτή

Πρόσφατα, πολλοί ραδιοερασιτέχνες έχουν μεγάλο ενδιαφέρον για το σχεδιασμό ρομπότ. Τις περισσότερες φορές, είναι κάτι που είναι φαινομενικά πρωτόγονο, όπως ένα κουτί με μπαταρίες σε τροχούς, αλλά τρομερά έξυπνο: ακούει τα πάντα, βλέπει τα πάντα, πηγαίνει γύρω από τα εμπόδια.Βλέπει τα πάντα μόνο λόγω φωτοτρανζίστρων ή φωτοδιόδων, και ίσως ακόμη και φωτοαντιστάσεων.

Όλα είναι πολύ απλά εδώ. Εάν πρόκειται για φωτοανθεκτικό, αρκεί να το συνδέσετε, όπως υποδεικνύεται στο διάγραμμα, και στην περίπτωση ενός φωτοτρανζίστορ ή φωτοδίοδου, ώστε να μην συγχέεται η πολικότητα, "δακτυλογραφήστε" πρώτα, όπως περιγράφεται παραπάνω. Είναι ιδιαίτερα χρήσιμο να κάνετε αυτή τη λειτουργία, εάν τα εξαρτήματα δεν είναι καινούργια, βεβαιωθείτε ότι είναι κατάλληλα. Σύνδεση διαφορετικών αισθητήρων φωτογραφιών στο μικροελεγκτή που φαίνεται στο σχήμα 4.

Εικόνα 4. Σχέδια για τη σύνδεση φωτοαισθητήρων σε μικροελεγκτή

Μέτρηση φωτός

Οι φωτοδίοδοι και οι φωτοτραντιστές έχουν χαμηλή ευαισθησία, υψηλή μη γραμμικότητα και πολύ στενό φάσμα. Η κύρια εφαρμογή αυτών των φωτογραφικών συσκευών είναι να λειτουργούν σε λειτουργία κλειδιού: on-off. Ως εκ τούτου, η δημιουργία μετρητών φωτός πάνω τους είναι αρκετά προβληματική, αν και νωρίτερα σε όλα τα αναλογικά φωτόμετρα χρησιμοποιήθηκαν ακριβώς αυτοί οι φωτοαισθητήρες.

Όμως, ευτυχώς, η νανοτεχνολογία δεν παραμένει ακίνητη, αλλά προχωράει με άλματα. Για να μετρήσουν τον φωτισμό "εκεί" έχουν δημιουργήσει ένα εξειδικευμένο τσιπ TSL230R, το οποίο είναι προγραμματιζόμενος μετατροπέας φωτισμού - συχνότητας.

Εξωτερικά, η συσκευή είναι ένα chip σε θήκη DIP8 κατασκευασμένη από διαφανές πλαστικό. Όλα τα σήματα εισόδου και εξόδου στο επίπεδο είναι συμβατά με τη λογική TTL - CMOS, γεγονός που καθιστά εύκολο το ζευγάρωμα του μετατροπέα με οποιοδήποτε μικροελεγκτή.

Χρησιμοποιώντας εξωτερικά σήματα, μπορείτε να αλλάξετε την ευαισθησία της φωτοδίοδου και την κλίμακα του σήματος εξόδου, αντίστοιχα, 1, 10, 100 και 2, 10 και 100 φορές. Η εξάρτηση της συχνότητας του σήματος εξόδου από τον φωτισμό είναι γραμμική, κυμαινόμενη από κλάσματα ενός hertz σε 1 MHz. Οι ρυθμίσεις κλίμακας και ευαισθησίας πραγματοποιούνται με την παροχή λογικών επιπέδων μόνο σε 4 εισόδους.

Το μικροκύκλωμα μπορεί να εισαχθεί σε λειτουργία μικροκατανάλωσης (5 μΑ) για την οποία υπάρχει ξεχωριστό συμπέρασμα, αν και δεν είναι ιδιαίτερα αδιάφορος στον τρόπο λειτουργίας. Με τάση τροφοδοσίας 2,7 ... 5,5 V, η κατανάλωση ρεύματος δεν είναι μεγαλύτερη από 2 mA. Για τη λειτουργία του τσιπ δεν απαιτείται καμία εξωτερική ταινία, εκτός από το ότι ο πυκνωτής μπλοκαρίσματος για την εξουσία.

Στην πραγματικότητα, αρκεί να συνδέσετε έναν μετρητή συχνότητας στο μικροκυκλώνα και να λάβετε αναγνώσεις φωτισμού, προφανώς, σε ορισμένους UEs. Στην περίπτωση που χρησιμοποιείτε τον μικροελεγκτή, εστιάζοντας στη συχνότητα του σήματος εξόδου, μπορείτε να ελέγξετε τον φωτισμό στο δωμάτιο ή απλά με την αρχή της "ενεργοποίησης - απενεργοποίησης".

Το TSL230R δεν είναι ο μόνος μετρητής φωτός. Ακόμα πιο προηγμένες είναι οι αισθητήρες Maxim MAX44007-MAX44009. Οι διαστάσεις τους είναι μικρότερες από αυτές του TSL230R, η κατανάλωση ενέργειας είναι η ίδια με αυτή των άλλων αισθητήρων σε λειτουργία αναστολής λειτουργίας. Ο κύριος σκοπός αυτών των αισθητήρων φωτός είναι η χρήση σε συσκευές που λειτουργούν με μπαταρία.

Οι αισθητήρες ελέγχου φωτισμού

Ένα από τα καθήκοντα που εκτελούνται με τη βοήθεια των φωτοαισθητήρων είναι έλεγχος φωτισμού. Αυτά τα συστήματα ονομάζονται φωτογραφία ρελέ, πιο συχνά αυτό είναι μια απλή ένταξη του φωτισμού στο σκοτάδι. Για το σκοπό αυτό, πολλοί ερασιτέχνες έχουν αναπτύξει πολλά κυκλώματα, μερικά από τα οποία θα εξετάσουμε στο επόμενο άρθρο.

Συνέχεια του άρθρου: Σχέδια ρελέ φωτογραφιών για έλεγχο φωτισμού