Fotosensoren en hun toepassing

Wat zijn fotosensoren

In verschillende elektronische apparaten, huishoudelijke en industriële automatiseringsapparaten, verschillende amateurradioontwerpen fotosensoren worden zeer veel gebruikt. Iedereen die ooit een oude computermuis heeft gedemonteerd, omdat deze een 'komovskaya' werd genoemd, met een bal erin, moet wielen met slots in de slots van de fotosensoren hebben gezien.

Deze fotosensoren worden genoemd foto onderbrekers - onderbreek de lichtstroom. Aan de ene kant van zo'n sensor is een bron - lichtdiodein de regel infrarood (IR), met een andere fototransistor (om precies te zijn, twee fototransistors, in sommige modellen van de fotodiode, om ook de draairichting te bepalen). Wanneer het wiel met sleuven aan de uitgang van de fotosensor wordt gedraaid, worden elektrische impulsen verkregen, wat informatie is over de hoekpositie van dit wiel zelf. Dergelijke apparaten worden encoders genoemd. Bovendien kan de encoder slechts een contact zijn, denk aan het stuur van een moderne muis!

Foto-onderbrekers worden niet alleen gebruikt in "muizen" maar ook in andere apparaten, bijvoorbeeld snelheidssensoren van een bepaald mechanisme. In dit geval wordt een enkele fotosensor gebruikt, omdat de draairichting niet hoeft te worden bepaald.

Als om welke reden dan ook, meestal voor reparatie, in andere elektronische apparaten klimmen, dan zijn fotosensoren te vinden in printers, scanners en kopieerapparaten, in CD-drives, DVD-spelers, videocassetterecorders, camcorders en andere apparatuur.

Dus wat zijn fotosensoren en wat zijn ze? Kijk gewoon, zonder in te gaan op de fysica van halfgeleiders, de formules niet begrijpen en geen onbegrijpelijke woorden uitspreken (recombinatie, resorptie van minderheidsdragers), wat "op de vingers" wordt genoemd, hoe deze fotosensoren werken.

Figuur 1. Foto-onderbreker

photoresistor

Alles is duidelijk bij hem. Aangezien een gewone constante weerstand een ohmse weerstand heeft, speelt de verbindingsrichting in het circuit geen rol. Alleen in tegenstelling tot een constante weerstand, verandert de weerstand onder invloed van licht: bij verlichting neemt deze verschillende keren af. Het aantal van deze "tijden" hangt af van het model van de fotoresistor, voornamelijk van de donkere weerstand.

Structureel zijn de fotoresistors een metalen behuizing met een glazen venster waardoor een grijsachtig gekleurde plaat met een zigzagspoor zichtbaar is. Latere modellen werden uitgevoerd in een plastic behuizing met een transparante bovenkant.

De snelheid van fotoresistors is laag, zodat ze alleen bij zeer lage frequenties kunnen werken. Daarom worden ze bij nieuwe ontwikkelingen bijna nooit gebruikt. Maar het gebeurt dat ze tijdens het repareren van oude apparatuur moeten voldoen.

Om de gezondheid van de fotoresistor te controleren, volstaat het om de weerstand ervan te controleren met een multimeter. Bij afwezigheid van verlichting moet de weerstand groot zijn, bijvoorbeeld, de fotoresistor SF3-1 heeft een donkere weerstand volgens de referentiegegevens van 30MOhm. Als het brandt, daalt de weerstand tot enkele KOhms. Het uiterlijk van de fotoresistor is weergegeven in figuur 2.

Figuur 2. Fotoresistor SF3-1

fotodiodes

Zeer vergelijkbaar met een conventionele gelijkrichterdiode, zo niet vanwege de eigenschap om op licht te reageren. Als u het met een tester 'belt', is het beter om een ​​up-to-date schakelaar te gebruiken, dan zijn de resultaten bij afwezigheid van verlichting hetzelfde als in het geval van een conventionele diode: in de voorwaartse richting zal het apparaat een beetje weerstand vertonen, en in de tegenovergestelde richting zal de pijl van het apparaat nauwelijks bewegen.

Ze zeggen dat de diode in de tegenovergestelde richting is ingeschakeld (dit punt moet worden onthouden), zodat de stroom er niet doorheen stroomt. Maar als in deze opname de fotodiode wordt verlicht met een gloeilamp, dan zal de pijl abrupt naar de nulmarkering snellen.Deze werkingsmodus van de fotodiode wordt fotodiode genoemd.

De fotodiode heeft ook een fotovoltaïsche bedrijfsmodus: wanneer licht erop valt, lijkt het zonnebatterij, produceert een zwakke spanning, die, indien versterkt, kan worden gebruikt als een nuttig signaal. Maar vaker wordt de fotodiode gebruikt in de fotodiode-modus.

De fotodiodes van het oude ontwerp zijn qua uiterlijk een metalen cilinder met twee draden. Aan de andere kant is een glazen lens. Moderne fotodiodes hebben een behuizing van transparant plastic, precies hetzelfde als LED's.

Fig. 2. Fotodiodes

fototransistoren

Qua uiterlijk zijn ze eenvoudig niet te onderscheiden van LED's, dezelfde behuizing is gemaakt van transparant plastic of een cilinder met een glas aan het uiteinde, en daaruit zijn er twee uitgangen - een collector en een emitter. De fototransistor lijkt geen basisuitgang nodig te hebben, omdat het ingangssignaal daarvoor de lichtstroom is.

Hoewel, sommige fototransistoren nog steeds een basisuitgang hebben, waardoor naast transistor ook de transistor elektrisch kan worden bestuurd. Dit kan worden gevonden in sommige transistoroptocouplers, bijvoorbeeld AOT128 en geïmporteerde 4N35, die in wezen functionele analogen zijn. Een weerstand is verbonden tussen de basis en de emitter van de fototransistor om de fototransistor enigszins te bedekken, zoals getoond in figuur 4.

Figuur 3. Fototransistor

Onze optocoupler "hangt" meestal 10-100KΩ, terwijl de geïmporteerde "analoog" ongeveer 1MΩ heeft. Als je zelfs 100K plaatst, zal het niet werken, de transistor is gewoon goed gesloten.

Hoe een fototransistor te controleren

Een fototransistor kan eenvoudig worden gecontroleerd door een tester, zelfs als deze geen basisuitgang heeft. Wanneer een ohmmeter in een willekeurige polariteit wordt aangesloten, is de weerstand van het collector-emittergedeelte vrij groot, omdat de transistor gesloten is. Wanneer licht van voldoende intensiteit en spectrum op de lens komt, zal de ohmmeter een beetje weerstand vertonen - de transistor ging open, als het natuurlijk mogelijk was om de polariteit van de testeraansluiting te raden. In feite lijkt dit gedrag op een conventionele transistor, alleen opent het met een elektrisch signaal, en dit met een lichtstroom. Naast de intensiteit van de lichtstroom speelt de spectrale samenstelling een belangrijke rol. Zie voor transistortestfuncties hier. 

Licht spectrum

Doorgaans zijn fotosensoren afgestemd op een specifieke golflengte van lichtstraling. Als dit infraroodstraling is, reageert een dergelijke sensor niet goed op blauwe en groene LED's, goed genoeg voor rood, een gloeilamp en natuurlijk op infrarood. Het accepteert ook geen licht van fluorescentielampen. Daarom kan de reden voor de slechte werking van de fotosensor eenvoudig een ongepast spectrum van de lichtbron zijn.

Het is hierboven geschreven hoe een fotodiode en een fototransistor te bellen. Hier moet u op een schijnbaar onbeduidende manier letten als het type meetapparaat. In een moderne digitale multimeter bevindt de continuïteitsmodus van de halfgeleider zich op dezelfde plaats als bij het meten van DC-spanning, d.w.z. op de rode draad.

Het resultaat van de meting is de spanningsval in millivolt bij de p-n-kruising in de voorwaartse richting. In de regel zijn dit getallen in het bereik van 500 - 600, wat niet alleen afhankelijk is van het type halfgeleiderapparaat, maar ook van de temperatuur. Bij toenemende temperatuur daalt dit cijfer met 2 voor elke graad Celsius, wat te wijten is aan de temperatuurcoëfficiënt van de TCS.

Bij gebruik van een pointer tester moet er rekening mee worden gehouden dat in de weerstandsmeetmodus de positieve uitgang op de min staat in de spanningmeetmodus. Met dergelijke controles is het beter om de fotosensoren met een gloeilamp van dichtbij te verlichten.

De fotosensor koppelen aan een microcontroller

Onlangs hebben veel radioliefhebbers grote belangstelling getoond voor het ontwerpen van robots. Meestal is dit iets dat primitief lijkt, zoals een doos met batterijen op wielen, maar vreselijk slim: alles hoort, alles ziet en obstakels omzeilt.Hij ziet alles alleen vanwege fototransistors of fotodiodes, en misschien zelfs fotoresistors.

Alles is hier heel eenvoudig. Als dit een fotoresistor is, volstaat het om deze aan te sluiten, zoals aangegeven in het diagram, en in het geval van een fototransistor of fotodiode, om de polariteit niet te verwarren, eerst te "bellen", zoals hierboven beschreven. Het is vooral handig om deze bewerking uit te voeren, als de onderdelen niet nieuw zijn, zorg ervoor dat ze geschikt zijn. Verschillende fotosensoren aansluiten op microcontroller getoond in figuur 4.

Figuur 4. Schema's voor het verbinden van fotosensoren met een microcontroller

Licht meting

Fotodiodes en fototransistors hebben een lage gevoeligheid, hoge niet-lineariteit en een zeer smal spectrum. De belangrijkste toepassing van deze fototoestellen is om in de sleutelmodus te werken: aan - uit. Daarom is het creëren van lichtmeters op hen behoorlijk problematisch, hoewel ze eerder in alle analoge lichtmeters juist deze fotosensoren werden gebruikt.

Maar gelukkig staat nanotechnologie niet stil, maar gaat het met grote sprongen vooruit. Om de verlichting "daar hebben ze" te meten, creëerde een gespecialiseerde chip TSL230R, een programmeerbare converter van verlichtingsfrequentie.

Extern is het apparaat een chip in een DIP8-behuizing van transparant plastic. Alle ingangs- en uitgangssignalen in niveau zijn compatibel met TTL-CMOS-logica, waardoor het gemakkelijk is om de converter te koppelen met elke microcontroller.

Met externe signalen kunt u de gevoeligheid van de fotodiode en de schaal van het uitvoersignaal wijzigen, respectievelijk 1, 10, 100 en 2, 10 en 100 keer. De afhankelijkheid van de frequentie van het uitgangssignaal van de verlichting is lineair, variërend van fracties van een Hertz tot 1 MHz. Schaal- en gevoeligheidsinstellingen worden uitgevoerd door logische niveaus te leveren aan slechts 4 ingangen.

De microschakeling kan worden geïntroduceerd in de modus voor micro-consumptie (5 μA) waarvoor een afzonderlijke conclusie bestaat, hoewel deze niet bijzonder vraatzuchtig is in de bedrijfsmodus. Met een voedingsspanning van 2,7 ... 5,5 V is het stroomverbruik niet meer dan 2 mA. Voor de werking van de chip is geen externe omsnoering vereist, behalve dat de blokkeercondensator voor stroomvoorziening.

Het is zelfs voldoende om een ​​frequentiemeter op de microschakeling aan te sluiten en verlichtingswaarden te krijgen, nou ja, blijkbaar in sommige UE's. In het geval van het gebruik van de microcontroller, gericht op de frequentie van het uitgangssignaal, kunt u de verlichting in de kamer regelen, of gewoon door het principe van "aan - uit".

TSL230R is niet de enige lichtmeter. Nog geavanceerder zijn de Maxim MAX44007-MAX44009 sensoren. Hun afmetingen zijn kleiner dan die van de TSL230R, het stroomverbruik is hetzelfde als dat van andere sensoren in de slaapstand. Het hoofddoel van dergelijke lichtsensoren is het gebruik in apparaten op batterijen.

Fotosensoren regelen verlichting

Een van de taken die wordt uitgevoerd met behulp van fotosensoren is lichtregeling. Dergelijke schema's worden genoemd fotorelais, meestal is dit een eenvoudige opname van verlichting in het donker. Hiertoe hebben veel amateurs veel circuits ontwikkeld, waarvan we in het volgende artikel enkele zullen bespreken.

Vervolg van het artikel: Fotorelaischema's voor lichtregeling