Hur man använder fotoresistorer, fotodioder och fototransistorer

Sensorerna är helt olika. De skiljer sig åt i princip om handlingen, logiken i deras arbete och de fysiska fenomen och mängder som de kan svara på. Ljussensorer används inte bara i automatisk belysningskontrollutrustning, de används i ett stort antal enheter, från strömförsörjning till larm och säkerhetssystem.

De viktigaste typerna av fotoelektroniska enheter. Allmän information

En fotodetektor i allmän mening är en elektronisk anordning som svarar på en förändring av ljusflödet på dess känsliga del. De kan skilja sig, både i struktur och i princip. Låt oss titta på dem.

Fotoresistorer - ändra motståndet vid belysning

En fotoresistor är en fotografisk anordning som ändrar konduktivitet (motstånd) beroende på mängden ljus som inträffar på ytan. Ju mer intensiv ljus exponering känsligt område, desto mindre motstånd. Här är en schematisk bild av det.

Den består av två metallelektroder, mellan vilka det finns ett halvledarmaterial. När ljusflödet träffar halvledaren släpps laddningsbärare i den, detta bidrar till att strömmen passerar mellan metallelektroderna.

Ljusflödets energi spenderas på att övervinna bandgapet av elektronerna och deras övergång till ledningsbandet. Som halvledare använder fotoledare material såsom: kadmiumsulfid, blysulfid, kadmiumselenit och andra. Fotoresistorens spektralkaraktär beror på typen av detta material.

Jag undrar:

Spektralkarakteristiken innehåller information om vilka våglängder (färg) hos ljusflödet som är mest känsliga för en fotoresistor. I vissa fall är det nödvändigt att noggrant välja en ljusavgivare med lämplig våglängd för att uppnå största känslighet och effektivitet.

Fotoresistorn är inte utformad för att mäta belysning exakt, utan snarare för att bestämma närvaron av ljus, i enlighet med dess avläsningar, kan miljön upptäckas ljusare eller mörkare. Fotoresistorens strömspänningskaraktäristik är som följer.

Det visar beroende av ström på spänning för olika värden på ljusflödet: Ф - mörker och Ф3 - detta är starkt ljus. Det är linjärt. En annan viktig egenskap är känsligheten, den mäts i mA (μA) / (Lm * V). Detta återspeglar hur mycket ström som flyter genom motståndet, med ett visst lysflöde och applicerad spänning.

Det mörka motståndet är det aktiva motståndet i fullständig frånvaro av belysning, det indikeras av RT, och det karakteristiska RT / Rb är hastigheten på motståndskiftet från fotoresistorens tillstånd i fullständig frånvaro av belysning till det maximala upplysta tillståndet respektive minsta möjliga motstånd.

Fotoresistorer har en betydande nackdel - avstängningsfrekvensen. Detta värde beskriver den maximala frekvensen för sinusformad signal som du modellerar det lysande flödet, vid vilket känsligheten minskar med 1,41 gånger. I referensböcker återspeglas detta antingen genom frekvensvärdet eller genom en tidskonstant. Det återspeglar hastigheten på enheter, som vanligtvis tar tiotals mikrosekunder - 10 ^ (- 5) s. Detta tillåter dig inte att använda den där du behöver hög prestanda.

Photodiode - omvandlar ljus till elektrisk laddning

En fotodiod är ett element som konverterar ljus som kommer in i ett känsligt område till en elektrisk laddning. Detta beror på att olika processer associerade med rörelsen av laddningsbärare inträffar under bestrålning i pn-övergången.

Om konduktiviteten förändrats på fotoresistor på grund av laddningsbärarnas rörelse i halvledaren, bildas en laddning här vid gränsen för pn-korsningen. Den kan fungera i läget för en fotokonverterare och en fotogenerator.

I struktur är det samma som en konventionell diod, men i dess fall finns det ett fönster för ljusgenomgång. Utåt kommer de i olika utföranden.

Svartkroppsfotodioder accepterar endast infraröd strålning. Svart beläggning är något som tonning. Filtrerar IR-spektrumet för att utesluta möjligheten att utlösa strålning av andra spektra.

Fotodioder har, liksom fotoresistorer, en avstängningsfrekvens, bara här är den större ordningsstorlekar och når 10 MHz, vilket möjliggör god prestanda. P-i-N-fotodioder har hög hastighet - 100 MHz-1 GHz, liksom dioder baserade på Schottky-barriären. Lavin-dioder har en avstängningsfrekvens på cirka 1-10 GHz.

I fotokonverteringsläget fungerar en sådan diod som en nyckel som styrs av ljus, för detta är den ansluten till kretsen i framförspänning. Det vill säga katoden till en punkt med en mer positiv potential (till plus) och anoden till en mer negativ potential (till minus).

När dioden inte är upplyst av ljus, flyter bara den bakåt mörka strömmen Iobrt (enheter och tiotals μA), och när dioden tänds läggs en lysström till den, som beror bara på belysningsgraden (tiotals mA). Ju mer ljus, desto mer aktuell.

Photocurrent If är lika med:

Iph = Sint * F,

där Sint är den integrerade känsligheten, Ф är det lysande flödet.

Ett typiskt schema för att slå på en fotodiod i fotokonverteringsläge. Var uppmärksam på hur den är ansluten - i motsatt riktning med avseende på strömkällan.

Ett annat läge är generatorn. När ljus kommer in i fotodioden alstras spänning vid dess terminaler, medan kortslutningsströmmarna i detta läge är tiotals ampère. Det påminner drift av solcellermen har låg effekt.

Fototransistorer - öppen med mängden infallande ljus

Fototransistor är i sig bipolär transistor som istället för basutgången har ett fönster för ljuset att komma in där. Funktionsprincipen och orsakerna till denna effekt liknar tidigare enheter. Bipolära transistorer styrs av mängden ström som strömmar genom basen, och fototransistorer, analogt, kontrolleras av mängden ljus.

Ibland visar UGO fortfarande basens utgång. I allmänhet matas spänningen till fototransistorn såväl som till den vanliga och det andra alternativet slås på med en flytande bas när basutgången förblir oanvänd.

Fototransistorer ingår också i kretsen.

Eller byt transistor och motstånd, beroende på exakt vad du behöver. I frånvaro av ljus flödar en mörk ström genom transistorn, som bildas från basströmmen, som du kan ställa in dig själv.

När du har ställt in önskad basström kan du ställa in fototransistorns känslighet genom att välja dess basmotstånd. På detta sätt kan även det svagaste ljuset fångas.

Under sovjetiden skapade radioamatörer fototransistorer med sina egna händer - de skapade ett fönster för ljus, och avskärde en del av fallet med en konventionell transistor. För detta är transistorer som MP14-MP42 utmärkta.

Från strömspänningskaraktäristiken är ljusströmens beroende av belysning synlig medan den är praktiskt taget oberoende av kollektor-emitter-spänningen.

Förutom bipolära fototransistorer finns det fält. Bipolära sådana arbetar vid frekvenser av 10-100 kHz, sedan är fälten mer känsliga. Deras känslighet når flera ampere per lumen och mer "snabb" - upp till 100 MHz. Fälteffekttransistorer har en intressant egenskap: vid maximala värden för det lysande flödet påverkar grindspänningen nästan inte dräneringsströmmen.

Omfång för fotoelektroniska enheter

Först och främst bör du överväga mer välkända alternativ för deras tillämpning, till exempel automatisk införande av ljus.

Diagrammet ovan är den enklaste anordningen för att slå på och stänga av lasten i ett visst ljusförhållande. Photodiode FD320 När ljus kommer in i den öppnas en viss spänning och R1 tappar en viss spänning när dess värde är tillräckligt för att öppna transistorn VT1 - den öppnar och öppnar en annan transistor - VT2. Dessa två transistorer är en tvåstegsströmförstärkare, nödvändig för att driva reläspolen K1.

Diode VD2 - behövs för att undertrycka EMF självinduktion, som bildas vid byte av spole. En av ledningarna från lasten är ansluten till reläingångsterminalen, den översta enligt schemat (för växelström - fas eller noll).

Vi har normalt stängt och öppet kontakter, de behövs antingen för att välja den krets som ska slås på eller för att välja att slå på eller stänga av belastningen från nätverket när den erforderliga belysningen uppnås. Potentiometer R1 behövs för att justera enheten så att den fungerar med rätt ljusmängd. Ju större motstånd, desto mindre ljus behövs för att slå på kretsen.

Variationer av detta schema används i de flesta liknande enheter och lägger till en viss uppsättning funktioner vid behov.

Förutom att slå på ljusbelastningen används sådana fotodetektorer i olika styrsystem, till exempel används fotoresistorer ofta på tunnelbanestråk för att upptäcka obehörig (hare) korsning av vändkorset.

I ett tryckeri, när en pappersremsa går sönder, kommer ljus in i fotodetektorn och ger därmed operatören en signal om detta. Sändaren är på ena sidan av papperet och fotodetektorn är på baksidan. När papperet rivs når ljuset från sändaren fotodetektorn.

I vissa typer av larm används en emitter och en fotodetektor som sensorer för att komma in i rummet, och infraröda enheter används så att strålningen inte syns.

När det gäller IR-spektrumet kan du inte nämna TV-mottagaren, som tar emot signaler från IR-lysdioden i fjärrkontrollen när du byter kanal. Information kodas på ett speciellt sätt och TV: n förstår vad du behöver.

Information som tidigare har överförts via de infraröda portarna på mobiltelefoner. Överföringshastigheten begränsas både av den sekventiella överföringsmetoden och principen för själva anordningen.

Datormöss använder också teknik förknippad med fotoelektroniska enheter.

Ansökan om signalöverföring i elektroniska kretsar

Optoelektroniska enheter är enheter som kombinerar en sändare och en fotodetektor i samma hölje, såsom de som beskrivs ovan. De behövs för att ansluta två kretsar i den elektriska kretsen.

Detta är nödvändigt för galvanisk isolering, snabb signalöverföring såväl som för anslutning av likströms- och växelströmskretsar, som för triacstyrning i en 220 V 5 V-krets med en signal från mikrokontrollern.

De har en grafisk beteckning som innehåller information om vilken typ av element som används i optokopplaren.

Tänk på några exempel på användningen av sådana enheter.

Kontrollera en triac med hjälp av en mikrokontroller

Om du utformar en tyristor eller triac-transformator kommer du att få problem. För det första, om övergången vid styrutgången bryter igenom - till stiftet på mikrokontrollern hög potential kommer att falla och det senare kommer att misslyckas. För detta har speciella drivrutiner utvecklats, med ett element som kallas en optosymistor, till exempel MOC3041.

Optokoppling

Återkoppling krävs vid växling av stabiliserade strömförsörjningar. Om vi ​​utesluter galvanisk isolering i den här kretsen, i händelse av fel på vissa komponenter i OS-kretsen, kommer hög potential att visas på utgångskretsen och den anslutna utrustningen kommer att misslyckas, jag talar inte om det faktum att du kan bli chockad.

I ett specifikt exempel ser du implementeringen av ett sådant operativsystem från utgångskretsen till återkopplingslindningen (styrningen) av transistorn med en optokopplare med den seriella beteckningen U1.

rön

Foto och optoelektronik är mycket viktiga avsnitt inom elektronik, vilket har förbättrat utrustningens kvalitet, dess kostnad och tillförlitlighet avsevärt. Med hjälp av en optokopplare är det möjligt att utesluta användningen av en isoleringstransformator i sådana kretsar, vilket minskar de totala dimensionerna. Dessutom är vissa enheter helt enkelt omöjliga att implementera utan sådana element.