Com utilitzar fotoresistors, fotodiodos i fototransistors

Els sensors són completament diferents. Difereixen en principi d’acció, la lògica del seu treball i els fenòmens físics i les quantitats a què poden respondre. Els sensors de llum no només s’utilitzen en equips automàtics de control d’il·luminació, sinó que s’utilitzen en un gran nombre de dispositius, des de fonts d’alimentació fins a alarmes i sistemes de seguretat.

Els principals tipus d'aparells fotoelèctrics. Informació general

Un fotodetector en sentit general és un dispositiu electrònic que respon a un canvi de l’incident de flux lumínic a la seva part sensible. Poden diferir, tant en estructura com en principi de funcionament. Mirem-los.

Fotoreresistors: canvien la resistència quan s’encén

Un fotoreresistor és un dispositiu fotogràfic que canvia la conductivitat (resistència) depenent de la quantitat d’incidents de llum que hi ha a la seva superfície. Com més intens exposició a la llum zona sensible, menys resistència. Aquí hi ha un esquema.

Consta de dos elèctrodes metàl·lics, entre els quals hi ha un material semiconductor. Quan el flux de llum arriba al semiconductor, s’alliberen portadors de càrrega en això, això contribueix al pas de corrent entre els elèctrodes metàl·lics.

L'energia del flux de llum es gasta en superar els espais electrònics i la transició cap a la banda de conducció. Com a semiconductor, els fotoconductors utilitzen materials com: sulfur de cadmi, sulfur de plom, selenita de cadmi i altres. La característica espectral del fotoresistor depèn del tipus d’aquest material.

Interessant:

La característica espectral conté informació sobre quines longituds d'ona (color) del flux de llum són més sensibles a un fotorresistor. En alguns casos, cal seleccionar detingudament un emissor de llum de la longitud d’ona adequada per tal d’aconseguir la major sensibilitat i eficiència de treball.

El fotorresistor no està dissenyat per mesurar amb precisió la il·luminació, sinó per determinar la presència de llum, segons les seves lectures, l’entorn es pot detectar més clar o més fosc. La característica de corrent de tensió del fotorresistor és la següent.

Figura la dependència del corrent de la tensió per a diversos valors del flux de llum: Ф - foscor i Ф3 - això és llum brillant. És lineal. Una altra característica important és la sensibilitat, es mesura en mA (μA) / (Lm * V). Això reflecteix la quantitat de corrent que circula per la resistència, amb un cert flux lluminós i un voltatge aplicat.

La resistència fosca és la resistència activa en l'absència completa d'il·luminació, es denota per RT, i la característica RT / Rb és la taxa de canvi de resistència de l'estat del fotoresistor en l'absència completa d'il·luminació fins al màxim estat il·luminat i la mínima resistència possible, respectivament.

Els fotoreresistors tenen un inconvenient important: la seva freqüència de tall. Aquest valor descriu la freqüència màxima del senyal sinusoïdal amb què es modela el flux lluminós, al qual la sensibilitat disminueix 1,41 vegades. En els llibres de referència, això es reflecteix tant pel valor de freqüència com per mitjà d'una constant de temps. Reflecteix la velocitat dels dispositius, que solen tenir desenes de microsegons - 10 ^ (- 5) s. Això no us permet utilitzar-lo quan necessiteu un alt rendiment.

Fotodiode: converteix la llum en càrrega elèctrica

Un fotodiode és un element que converteix la llum que entra a una zona sensible en una càrrega elèctrica. Això es deu al fet que es produeixen diversos processos associats al moviment de portadors durant la irradiació a la unió pn.

Si la conductivitat canvia al fotoresistor a causa del moviment de les portadores de càrrega al semiconductor, es forma una càrrega al límit de la unió pn. Pot funcionar en el mode d’un fotoconvertidor i d’un generador de fotos.

En estructura, és el mateix que un díode convencional, però en el seu cas hi ha una finestra per al pas de la llum. A l'exterior surten diversos dissenys.

Els fotodíodes del cos negre només accepten radiació infraroja. El recobriment negre és quelcom com tintar. Filtra l’espectre IR per excloure la possibilitat de desencadenar la radiació d’altres espectres.

Els fotodíodes, com els fotoreresistors, tenen una freqüència de tall, només aquí són ordres de magnitud més grans i arriben als 10 MHz, cosa que permet un bon rendiment. Els fotodíodes P-i-N tenen una velocitat alta: 100 MHz-1 GHz, com els díodes basats en la barrera de Schottky. Els díodes d’allaus tenen una freqüència de tall d’uns 1-10 GHz.

En mode fotoconvertidor, aquest diode funciona com una clau controlada per la llum, per això es connecta al circuit amb esbiaixades endavant. És a dir, el càtode fins a un punt amb un potencial més positiu (a plus), i l’ànode a un potencial més negatiu (a menys).

Quan el díode no està il·luminat per la llum, només circula el corrent invers iob iobob (unitats i desenes de μA), i quan el díode està encès, se li afegeix un fotocurrent, que depèn només del grau d’il·luminació (desenes de mA). Com més llum, més actual.

Fotocurrent Si és igual:

Iph = Sint * F,

on Sint és la sensibilitat integral, Ф és el flux lluminós.

Un esquema típic per a encendre un fotodiode en mode fotoconvertidor. Fixeu-vos en la connexió, en el sentit contrari, respecte a la font d'energia.

Un altre mode és el generador. Quan la llum entra al fotodiode, es genera tensió als seus terminals, mentre que els corrents de curtcircuit en aquest mode són desenes d’amperis. Recorda funcionament de cèl·lules solarsperò tenen una potència baixa.

Fototransistors: obert per la quantitat de llum incident

El fototransistor és inherent transistor bipolar que en lloc de la sortida base té una finestra en el cas que hi entri llum. El principi de funcionament i els motius d’aquest efecte són similars als dispositius anteriors. Els transistors bipolars estan controlats per la quantitat de corrent que circula per la base i els fototransistors, per analogia, es controlen per la quantitat de llum.

De vegades, UGO encara mostra de manera addicional la sortida de la base. En general, el voltatge es subministra al fototransistor, així com a l’habitual, i la segona opció de commutació és amb una base flotant, quan la sortida bàsica continua inutilitzada.

Els fototransistors també s’inclouen al circuit.

O bé canvieu el transistor i el resistor, depenent del que necessiteu exactament. En absència de llum, flueix un corrent fosc a través del transistor, que es forma a partir del corrent base, que podeu fixar per vosaltres mateixos.

Definint el corrent de base necessari, podeu definir la sensibilitat del fototransistor seleccionant la seva resistència base. D’aquesta manera, fins i tot es pot captar la llum més dèbil.

En temps soviètics, els amateurs de ràdio feien fototransistors amb les seves pròpies mans: feien una finestra per a la llum, tallant part del cas amb un transistor convencional. Per això, transistors com MP14-MP42 són excel·lents.

Des de la característica de corrent de tensió, la dependència del fotocurrent a la il·luminació és visible, mentre que és pràcticament independent de la tensió col·lectora-emissora.

A més dels fototransistors bipolars, n'hi ha de camp. Les bipolars operen a freqüències de 10-100 kHz, i les de camp són més sensibles. La seva sensibilitat arriba a diversos amperis per lumen, i més "ràpids" - fins a 100 MHz. Els transistors amb efecte de camp tenen una característica interessant: als valors màxims del flux lluminós, la tensió de la porta gairebé no afecta el corrent de drenatge.

Àmbits dels dispositius fotoelectrònics

En primer lloc, heu de considerar opcions més familiars per a la seva aplicació, per exemple, la inclusió automàtica de la llum.

El diagrama mostrat anteriorment és el dispositiu més senzill per encendre i apagar la càrrega en certes condicions de llum. Fotodiode FD320 Quan entra la llum, s’obre una certa tensió i R1 baixa una tensió determinada quan el seu valor és suficient per obrir el transistor VT1: s’obre i s’obre un altre transistor - VT2. Aquests dos transistors són un amplificador de corrent de dues etapes, necessari per alimentar la bobina del relé K1.

Diode VD2: necessari per suprimir l’autoinducció de l’EMF, que es forma en commutar la bobina. Un dels cables de la càrrega està connectat al terminal d’entrada del relé, el superior segons l’esquema (per a corrent altern - fase o zero).

Normalment tenim contactes tancats i oberts, perquè siguin necessaris per seleccionar el circuit que s’encengui o bé per seleccionar per encendre o desactivar la càrrega de la xarxa quan s’aconsegueixi la il·luminació necessària. El potenciòmetre R1 és necessari per ajustar el dispositiu per funcionar a la quantitat adequada de llum. Com més gran sigui la resistència, menys llum es necessita per engegar el circuit.

Les variacions d’aquest esquema s’utilitzen en la majoria de dispositius similars, afegint un determinat conjunt de funcions si és necessari.

A més d’encendre la càrrega lleugera, aquests fotodetectors s’utilitzen en diversos sistemes de control, per exemple, sovint s’utilitzen fotoresistors en tornells de metro per detectar un creuament no autoritzat del llevant.

En una impremta, quan es trenca una tira de paper, la llum entra al fotodetector i, per tant, proporciona a l'operador un senyal al respecte. L’emissor es troba a un costat del paper i el fotodetector es troba a la part posterior. Quan el paper està esquinçat, la llum de l'emissor arriba al fotodetector.

En alguns tipus d’alarmes, s’utilitza un emissor i un fotodetector com a sensors per entrar a l’habitació i s’utilitzen dispositius d’infrarojos de manera que la radiació no sigui visible.

Pel que fa a l’espectre IR, no es pot esmentar el receptor de TV, que rep senyals del LED IR al comandament a distància quan canvieu canals. La informació es codifica d’una manera especial i el televisor entén el que necessita.

Informació així transmesa anteriorment a través dels ports d’infrarojos dels telèfons mòbils. La velocitat de transmissió està limitada tant pel mètode de transmissió seqüencial com pel principi de funcionament del propi dispositiu.

Els ratolins informàtics també utilitzen tecnologia associada amb dispositius fotoelectrònics.

Sol·licitud de transmissió de senyal en circuits electrònics

Els dispositius optoelectrònics són dispositius que combinen un transmissor i un fotodetector en el mateix carcassa, com els descrits anteriorment. Es necessiten per connectar dos circuits del circuit elèctric.

Això és necessari per a l’aïllament galvànic, la transmissió de senyal ràpida, així com per a la connexió de circuits de corrent continu i alternatiu, com en el cas del control de triac en un circuit de 220 V a 5 V amb un senyal del microcontrolador.

Tenen una designació gràfica que conté informació sobre el tipus d’elements que s’utilitzen a l’optopacoplador.

Considereu un parell d’exemples de l’ús d’aquests dispositius.

Control d'un triac mitjançant un microcontrolador

Si creeu un tiristor o un convertidor de triac, us trobareu amb un problema. En primer lloc, si la transició a la sortida de control passa per al passador del microcontrolador un elevat potencial caurà i aquest darrer fracassarà. Per a això, s’han desenvolupat controladors especials, amb un element anomenat optosimistor, per exemple, MOC3041.

Opinió sobre optocopis

A les fonts d’alimentació de commutació estabilitzades, és necessària una retroalimentació. Si excloem l’aïllament galvànic en aquest circuit, aleshores en cas de fallada d’alguns components del circuit del sistema operatiu, apareixerà un potencial elevat al circuit de sortida i l’equip connectat fallarà, no estic parlant del fet que pugueu quedar xocats.

En un exemple específic, vegeu la implementació d’un sistema operatiu d’aquest tipus des del circuit de sortida fins al bobinat de retroalimentació (control) del transistor mitjançant un optocopiador amb la designació en sèrie U1.

Conclusions

La foto i l’optoelectrònica són seccions molt importants en electrònica, que han millorat notablement la qualitat dels equips, el seu cost i la seva fiabilitat. Si es fa servir un optopup, és possible excloure l'ús d'un transformador d'aïllament en aquests circuits, cosa que redueix les dimensions generals. A més, alguns dispositius són senzillament impossibles d’implementar sense aquests elements.