Как применять фоторезисторы, фотодиоды и фототранзисторы
Датчики бывают совершенно разными. Они отличаются по принципу действию, логике своей работы и физическим явлениям и величинам на которые они способны реагировать. Датчики света используются не только в аппаратуре автоматического управления освещением, они используются в огромном количестве устройств, начиная от блоков питания, заканчивая сигнализациями и охранными системами.
Содержание статьи
Основные виды фотоэлектронных приборов. Общие сведения
Фотоприёмник в общем смысле – это электронный прибор, который реагирует на изменение светового потока падающего на его чувствительную часть. Они могут отличаться, как по своей структуре, так и принципу работы. Давайте их рассмотрим.
Фоторезисторы – изменяют сопротивление при освещении
Фоторезистор – фотоприбор изменяющий проводимость (сопротивление) в зависимости от количества света падающего на его поверхность. Чем интенсивнее освещенность чувствительной области, тем меньше сопротивления. Вот его схематическое изображение.
Состоит он из двух металлических электродов, между которыми присутствует полупроводниковый материал. Когда световой поток попадает на полупроводник, в нём высвобождаются носители заряда, это способствует прохождению тока между металлическими электродами.
Энергия светового потока тратится на преодоление электронами запрещенной зоны и их переходу в зону проводимости. В качестве полупроводника у фоторезисторов используют материалы типа: Сульфид Кадмия, Сульфид Свинца, Селенит Кадмия и другие. От типа этого материала зависит спектральная характеристика фоторезистора
Интересно:
Спектральная характеристика содержит информацию о том, к каким длинам волн (цвету) светового потока наиболее чувствителен фоторезистор. Для некоторых экземпляров приходится тщательно подбирать излучатель света соответствующей длины волны, для достижения наибольшей чувствительности и эффективности работы.
Фоторезистор не предназначен для точного измерения освещенности, а, скорее, для определения наличия света, по его показаниям можно определить светлее или темнее стала окружающая среда. Вольт-амперная характеристика фоторезистора выглядит следующим образом.
На ней изображена зависимость тока от напряжения при различных величинах светового потока: Ф – темнота, а Ф3 – это яркий свет. Она линейна. Еще одна важная характеристика – это чувствительность, она измеряется в мА(мкА)/(Лм*В). Что отражает, сколько тока протекает через резистор, при определенном световом потоке и приложенном напряжении.
Темновое сопротивление – это активное сопротивление при полном отсутствии освещения, обозначается Rт, а характеристика Rт/Rсв – это кратность изменения сопротивления от состояния фоторезистора в полном отсутствии освещения к максимально освещенному состоянию и минимально возможному сопротивлению соответственно.
У фоторезисторов есть существенный недостаток – его граничная частота. Это величина описывает максимальную частоту синусоидального сигнала, которым вы моделируете световой поток, при которой чувствительность снижается на 1.41 раз. В справочниках это отражается либо значением частоты, либо через постоянную времени. Она отражает быстродействие приборов, которое обычно занимает десятки микросекунд – 10^(-5) с. Это не позволяет использовать его там, где нужно высокое быстродействие.
Фотодиод – преобразует свет в электрический заряд
Фотодиод – элемент, который преобразует свет, попадающий на чувствительную зону, в электрический заряд. Это происходит потому что при облучении в p-n переходе протекают различные процессы связанные с движением носителей заряда.
Если на фоторезисторе изменялась проводимость из-за движения носителей заряда в полупроводнике, то здесь происходит образование заряда на границе p-n перехода. Он может работать в режиме фотопреобразователя и фотогенератора.
По структуре он такой же, как и обычный диод, но на его корпусе есть окно для прохождения света. Внешне они бывают в различных исполнениях.
Фотодиоды с черным корпусом воспринимают только ИК-излучение. Черное покрытие – это что-то похожее на тонировку. Фильтрует ИК-спектр, чтобы исключить возможность срабатывания на излучения других спектров.
У фотодиодов, как и у фоторезисторов есть граничная частота, только здесь она на порядки больше и достигает 10 МГц, что позволяет обеспечить неплохое быстродействие. P-i-N фотодиоды обладают большим быстродействием – 100МГц-1ГГц, как и диоды на основании барьера Шоттки. Лавинные диоды имеют граничную частоту в порядка 1-10 ГГц.
В режиме фотопреобразователя такой диод работает как ключ управляемый светом, для этого его подключают в цепь в прямом смещении. То есть, катодом к точке с более положительным потенциалом (к плюсу), а анодом к более отрицательному (к минусу).
Когда диод не освещается светом – в цепи протекает только обратный темновой ток Iобрт (единицы и десятки мкА), а когда диод освещен к нему добавляется фототок, который зависит только от степени освещенности (десятки мА). Чем больше света – тем больше ток.
Фототок Iф равен:
где Sинт – интегральная чувствительность, Ф – световой поток.
Типовая схема включения фотодиода в режиме фотопреобразователя. Обратите внимание на то, как он подключен – в обратном направлении по отношению к источнику питания.
Другой режим – генератор. При попадании света на фотодиод на его выводах образуется напряжение, при этом токи короткого замыкания в таком режиме равняются десятки ампер. Это напоминает работу элементов солнечной батареи, но имеют малую мощность.
Фототранзисторы – открываются от количества падающего света
Фототранзистор – это по своей сути биполярный транзистор у которого вместо вывода базы есть в корпусе окошко для попадания туда света. Принцип работы и причины этого эффекта аналогичны с предыдущими приборами. Биполярные транзисторы управляются количеством тока протекающего через базу, а фототранзисторы по аналогии управляются количеством света.
Иногда на УГО еще дополнительно изображается вывод базы. Вообще напряжения на фототранзистор подают также как и на обычный, а второй вариант включения – с плавающей базой, когда базовый вывод остаётся незадействованным.
В схему включают фототранзисторы подобным образом.
Или меняют местами транзистор и резистор, смотря, что конкретно вам нужно. При отсутствии света через транзистор протекает темновой ток, который образуется из тока базы, который вы можете задать сами.
Задав необходимый ток базы, вы можете выставить чувствительность фототранзистора подбором его базового резистора. Таким образом, можно улавливать даже самый тусклый свет.
В советское время радиолюбители делали фототранзисторы своими руками – делали окошко для света, спилив обычному транзистору часть корпуса. Для этого отлично подходят транзисторы типа МП14-МП42.
Из вольтамперной характеристики видна зависимость фототока от освещения, при этом он практически не зависит от напряжения коллектор-эмиттер.
Кроме биполярных фототранзисторов существуют и полевые. Биполярные работают на частотах 10-100 кГц, то полевые более чувствительны. Их чувствительность достигает нескольких Ампер на Люмен, и более «быстрые» — до 100 мГц. У полевых транзисторов есть интересная особенность, при максимальных значениях светового потока напряжение на затворе почти не влияет на ток стока.
Области применения фотоэлектронных приборов
В первую очередь следует рассмотреть более привычные варианты их применения, например автоматическое включение света.
Схема, изображенная выше – это простейший прибор для включения и выключения нагрузки при определенной освещенности. Фотодиод ФД320 При попадании на него света открывается и на R1 падает определенное напряжение, когда его величина достаточна для открытия транзистора VT1 – он открывается, и открывает еще один транзистор – VT2. Эти два транзистора – это двухкаскадный усилитель тока, необходим для запитки катушки реле K1.
Диод VD2 – нужен для гашения ЭДС-самоиндукции, которое образуется при переключениях катушки. На подводящий контакт реле, верхний по схеме, подключается один из проводов от нагрузки (для переменного тока – фаза или ноль).
У нас есть нормально замкнутый и разомкнутый контакты, они нужны либо для выбора включаемой цепи, либо для выбора включить или отключить нагрузку от сети при достижении необходимой освещенности. Потенциометр R1 нужен для подстройки прибора для срабатывания при нужном количестве света. Чем больше сопротивление – тем меньше света нужно для включения схемы.
Вариации этой схемы используют в большинстве подобных приборов, при необходимости добавляя определенный набор функций.
Кроме включения нагрузки по освещенности подобные фотоприемники используются в различных системах контроля, например на турникетах метро часто используют фоторезисторы для определения несанкционированного (зайцем) пересечения турникета.
В типографии при обрыве полосы бумаги свет попадает на фотоприемник и тем самым даёт сигнал оператору об этом. Излучатель стоит по одну сторону от бумаги, а фотоприемник с обратной стороны. Когда бумага рвётся, свет от излучателя достигает фотоприемника.
В некоторых видах сигнализации используются в качестве датчиков входа в помещение излучатель и фотоприемник, при этом, чтобы излучение не были видны используют ИК-приборы.
Касаемо ИК-спектра, нельзя упомянуть о приемнике телевизора, на который поступают сигналы от ИК-светодиода в пульте дистанционного управления, когда вы переключаете каналы. Специальным образом кодируется информация и телевизор понимает, что вам нужно.
Информация таким образом ранее передавалась через ИК-порты мобильных телефонов. Скорость передачи ограничена, как последовательным способом передачи, так и принципом работы самого прибора.
В компьютерных мышках также используется технология связанная с фотоэлектронными приборами.
Применение для передачи сигналов в электронных схемах
Оптоэлектронные приборы – это приборы которые объединяют в одном корпусе излучатель и фотоприемник, типа описанных выше. Они нужны для связи двух контуров электрической цепи.
Это нужно для гальванической развязки, быстрой передачи сигнала, а также для соединения цепей постоянного и переменного тока, как в случае управления симистором в цепи 220 В 5 В сигналом с микроконтроллера.
Они имеют условно-графическое обозначение, которое содержит информацию о типе используемых внутри оптопары элементов.
Рассмотрим пару примеров использования таких приборов.
Управление симистором с помощью микроконтроллера
Если вы проектируете тиристорный или симисторный преобразователь вы столкнетесь с проблемой. Во-первых, если переход у управляющего вывода пробьет – на пин микроконтроллера попадет высокий потенциал и последний выйдет из строя. Для этого разработаны специальные драйверы, с элементом, который называется оптосимистор, например MOC3041.
Обратная связь с помощью оптопары
В импульсных стабилизированных блоках питания необходима обратная связь. Если исключить гальваническую развязку в этой цепи, тогда в случае выхода из строя каких-то компонентов в цепи ОС, на выходной цепи возникнет высокий потенциал и подключенная аппаратура выйдет из строя, я не говорю о том, что и вас может ударить током.
В конкретном примере вы видите реализацию такой ОС из выходной цепи в обмотку обратной связи (управляющую) транзистора с помощью оптопары с порядковым обозначением U1.
Выводы
Фото- и оптоэлектроника это очень важные разделы в электроники, которые значительно улучшили качество аппаратуры, её стоимость и надёжность. С помощью оптопары можно исключить использование развязывающего трансформатора в таких цепях, что уменьшает массогабаритные показатели. Кроме того некоторые устройства просто невозможно реализовать без таких элементов.
Надеюсь, что эта статья была для вас полезной. Смотрите также другие статьи в категории Электрическая энергия в быту и на производстве » Практическая электроника
Подписывайтесь на канал в Telegram про электронику для профессионалов и любителей: Практическая электроника на каждый день
Гониофотометр как прибор для измерения силы света
Сила или количество света, которое может производить источник света, известна как интенсивность света. Интенсивность света — это количество энергии, производимой источником света. Его единицей измерения является кандела или Cd. Для определения этой интенсивности требуется специальное измерительное оборудование. Одним из таких инструментов является гониофотометра. В этой статье будет показано, как гониофотометра может быть использован в качестве прибор для измерения силы света.
гониофотометра
A гониофотометра это устройство, которое изменяет положение фотометра или гониометра в точно заданной геометрии. Это делается для измерения распределения света с точки зрения интенсивности света или распределения освещенности источника света или поверхности. Базовый гониофотометра состоит из механического устройства, поддерживающего измеряемый светильник, и фотометра или спектрорадиометра, позволяющего перемещать их для создания круговой траектории.
Это устройство, в котором используется зеркало для отражения света от источника под разными углами. Под этими углами проводятся измерения, чтобы определить, как свет излучается от источника. То гониофотометра также создает файл IES, содержащий информацию о пространственном распределении света. Затем с помощью этого файла можно создать схемы освещения.
Полный световой поток, спектральный лучистый поток и параметры цвета можно рассчитать, используя оптические данные из определенного угла спектрального излучения.
Гониофотометр типа C
Вращающиеся лампы, вращающиеся детекторы и стационарные лампы — это три основных типа гониофотометров. LISUN производит LSG-6000, зеркало типа C гониофотометра. Он также известен как гониофотометр с подвижным детектором.
LSG-6000 — это автоматический прибор для измерения интенсивности света. Он был улучшен по сравнению с LSG-5000 и LSG-3000, чтобы соответствовать требованиям стандарта LM-79-19. Расстояние измерения варьируется от 5 до 30 метров.
Гониофотометр с подвижным детектором LM-79 (тип зеркала C)
Где использовать гониофотометр?
Гониофотометр — это прибор, который используется для проверки работы светового оборудования в светотехнической и автомобильной промышленности. Гониофотометр также используется для измерения света светофоров. Устройство можно использовать для оценки отражательной способности дорожных знаков и других светоотражающих материалов.
Международные стандарты
Гониофотометр LSG-6000 Moving Detector создан в соответствии с международными стандартами. Рабочие принципы IESNA и CIE соблюдаются LISUN инструменты. Он полностью соответствует стандартам LM-79-19, IES LM-80-08, РЕГЛАМЕНТАМ ДЕЛЕГИРОВАННОЙ КОМИССИИ (ЕС) 2019/2015, CIE-121, CIE S025, SASO 2902, IS16106 и EN13032-1 пункт 6.1.1.3. тип 4 ЛМ-79-19, ИЭС ЛМ-80-08, КОМИССИЯ ДЕЛЕ.
Прибор для измерения силы света
СОДЕРЖАНИЕ гониофотометра может измерять интенсивность света всех форм источников освещения. К ним относятся внутренние и наружные светильники, дорожные светильники, уличные фонари, прожекторы и светодиодное освещение. Гониофотометры могут измерять различные характеристики этих устройств. Одним из таких измерений является интенсивность света.
Как измерить интенсивность света?
Гониофотометр использует фиксированный детектор и вращающуюся лампу для измерения света. Измерительная лампа закреплена на двухмерном вращающемся рабочем столе. Лазерный луч лазерного прицела совмещает светящийся центр лампы с вращающимся центром вращающегося рабочего стола.
При включении светильник вращается вокруг вертикальной оси. Рефлектор вращается вокруг горизонтальной оси, а ось синхронизации вращается в противоположном направлении. Синхронное вращение светильника и отражателя можно измерить под любым горизонтальным или вертикальным углом.
Это можно сделать, не наклоняя светильник. Детектор расположен перед отражателем с ограниченным расстоянием измерения для сбора света со всех направлений. Интенсивность света рассчитывается на основе расстояния между источником света и детектором после измерения значения освещенности.
СОДЕРЖАНИЕ LISUN Программа гониофотометр поддерживает экспорт файлов CIE, IES, LDT и других форматов. Другие приложения для проектирования освещения и светильников также могут использовать эти типы файлов формата.
Методы измерения интенсивности света
Для работы в большой фотолаборатории потребуется гониофотометр. Следует избегать попадания отраженного света в датчик. Это достигается за счет использования в помещении материалов с низкой отражательной способностью. Метод интеграла освещенности и метод интеграла силы света могут использоваться для измерения силы света, в зависимости от схемы измерительного светового пути.
Интегральный метод освещенности
Расстояние измерения не ограничено, а необходимое пространство для измерения мало. Точный общий световой поток может быть получен даже при небольшом расстоянии. Это до тех пор, пока освещенность может быть измерена.
Метод интегрирования интенсивности света
Метод интегрирования силы света гониофотометра рассчитывает общий световой поток. Это делается путем измерения распределения интенсивности света источника света в пространстве и интегрирования всего пространства. Подходящее расстояние необходимо для измерения распределения интенсивности света. Измеряемый объект можно рассматривать как точечный источник света. Интенсивность света можно рассчитать, умножив расстояние на обратный квадрат.
Условия для правильного измерения силы света
Гониофотометрические тесты следует проводить в темной комнате. Критерии комнаты определяет производитель тестового гаджета. Гониофотометрические измерения включают некоторые критические факторы. К ним относятся размер комнаты, цвет стен и температура. Ошибки измерения могут возникнуть, если фотолаборатория не соответствует требованиям производителя.
Для правильного проведения теста температура окружающей среды должна быть 25°C. Размер комнаты можно регулировать. Это зависит от тестируемого типа света и тестового устройства. Стены комнаты должны быть окрашены матовой черной краской без отражающих свойств.
После измерения интенсивности света создаются файлы LDT (EULUMDAT) и IES. Передав эти файлы в программное обеспечение, можно выполнить моделирование освещения.
Lisun Компания Instruments Limited была найдена LISUN GROUP в 2003 году. LISUN система качества была строго сертифицирована ISO9001: 2015. Как член CIE, LISUN продукты разработаны на основе CIE, IEC и других международных или национальных стандартов. Все продукты прошли сертификат CE и прошли проверку подлинности в сторонней лаборатории.
Элементы оптоэлектроники. Фотоприборы
Фотоприборы – это приборы, предназначенные для преобразования энергии электромагнитного излучения в электрическую.
1. фотоприёмники (оптоэлектронные приборы, предназначенные для преобразования энергии оптического излучения в электрическую энергию.
— фоторезисторы (полупроводниковый фотоэлектрический прибор с внутренним фотоэффектом, в котором используется явление фотопроводимости, т.е. изменение электрической проводимости полупроводника под действием оптического излучения)
— фотодиоды (полупроводниковый фотоэлектрический прибор, в котором используется внутренний фотоэффект. Устройство фотодиода аналогично устройству обычного плоскостного диода. Отличие состоит в том, что его р-n-переход одной стороной обращен к стеклянному окну в корпусе, через которое поступает свет, и защищен от воздействия света с другой стороны).
— фототранзисторы (полупроводниковый управляемый оптическим излучением прибор с двумя взаимодействующими р-n-переходами. Фототранзисторы, как и обычные транзисторы, могут иметь p-n-p-и n-p-n-структуру. Конструктивно фототранзистор выполнен так, что световой поток облучает область базы. Наибольшее практическое применение нашло включение фототранзистора в схеме с ОЭ, при этом нагрузка включается в коллекторную цепь. Входным сигналом фототранзистора является модулированный световой поток, а выходным – изменение напряжения на резисторе нагрузки в коллекторной цепи)
— фототиристоры (оптоэлектронный прибор, имеющий структуру, схожую со структурой обычного тиристора и отличается от последнего тем, что включается не напряжением, а светом, освещающим затвор. Этот прибор применяется в управляемых светом выпрямителях и наиболее эффективен в управлении сильными токами при высоких напряжениях. Скорость отклика на свет — менее 1 мкс).
2. излучающие приборы
3. фотогальванические элементы (солнечные батареи).
Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:
Вопросы к экзамену по электронике
36. Какой из диодов изготавливают из полупроводниковых материалов с высокой концентрацией примесей?
37. Что является основными параметрами выпрямительных полупроводниковых диодов
38. Электронно-дырочный переход
39. Совпадают ли по направлению диффузионное поле в p-n-переходе при обратном включении диода во внешнее электрическое поле?
40. Какую структуру имеет транзистор?
41. Какой вид тока на выходе диода, если он включен в электрическую цепь переменного тока?
42. Какую структуру имеет тиристор?
43. Сохраняется ли открытое состояние тиристора, если сигнал на управляющей электроде отсутствует?
44. Какой режим работы транзистора необходимо обеспечить, если его использовать в логических схемах?
45. Сколько выводов имеет транзистор?
46. Какую функцию выполняет стабилитрон в источниках питания?
47. Схематическое обозначение приборов
48. Какой фотоприбор состоит из химически чистого полупроводника?
49. Какой фотоприбор наиболее точно оценит силу света?
50. Какой слой в биполярном транзисторе имеет наименьшую толщину?
51. Какой элемент относится к фотоэлектрическому приемнику излучения?
52. Единица измерения индуктивности
53. Единица измерения электрического сопротивления
55. Как называются примеси, атомы которых отдают электроны
56. Как называется область в полевом транзисторе, через которую проходит поток основных носителей заряда
Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:
Рекомендуем для прочтения:
Виды анкетных вопросов Под анкетными вопросами специалисты понимают все адресованные респондентам речевые сообщения в вопросительной.
Определения, классификация ДТП, причины и сопутствующие факторы их возникновения. Учет отчетных и не отчётных ДТП. Анализ ДТП (качественный, количественный, топографический) Автомобильный транспорт наиболее опасный из всех видов транспорта.
Обратная связь в усилителях Общие сведения и классификация Обратной связью (ОС) называется явление передачи части энергии усиленных колебаний из выходной.
Обязательные и факультативные признаки состава преступления В науке уголовного права признаки состава преступления в зави­.
Стерилизация: понятие, методы и режимы. ПЛАН 1. Стерилизация: понятие, методы и режимы. 2. Способы контроля стерилизации. 3. Устройство и функции ЦСО. Стерилизация: понятие.