光传感器

介绍

探测光线是植物、动物甚至设备等一切事物的基本需求。设备研究人员致力于光探测技术,并开发出了性能优良的设备。光是一种电磁辐射,它的波长比无线电波短得多,频率也高得多。这是一种量子力学现象,来自于被称为光子的离散粒子。

光传感器是一种被动传感器,通过检测在一定频率范围内存在的辐射能来指示光的强度。在电磁波的光谱中,使用传感器探测的频率范围在红外到可见光和紫外线之间。

光传感器将以光子形式存在的光能转化为以电子形式存在的电能。因此,它们也被称为照片传感器或照片探测器或光电设备。

光传感器或光传感器可以根据受影响的物理量归类为三种类型。主类是光电,光伏和照片发射器。照片发射器在暴露于光线时会产生电力。光电电阻在照明时改变其电气性能。基于上述类,可以进行以下对设备的分类。

照片发射细胞:当这些类型的光敏器件被具有足够能量的光子撞击时,会从光敏材料中释放出自由电子。通常使用的光敏材料是铯。光子的能量取决于光的波长或频率。

光子的能量方程是

E = λ

在这里,

h是普朗克的常数(h = 6.626 * 10-34年J s),

C是光的速度(C = 3 * 108米/秒)

λ是光的波长。

如果光的频率更高,光子的能量也更高。

照片导电细胞:这些类型的光敏器件在受到光照射时,电阻的电学性质会发生变化。常用的光导材料是硫化镉(CdS),用于光敏电阻光电池。这些光电池的光导性来自于光线照射到半导体材料上,而半导体材料控制着通过它的电流。对于给定的施加电压,当光的强度增加时,电流也增加。

伏打电池照片:这些类型的光敏器件产生的电势或电动势与辐射光的能量成正比。太阳能电池是一种常见的光电池类型,使用硒作为光电池材料。它们是由两种半导体材料夹在一起制成的,当光能入射到它们上时,会产生大约0.5 V的电压。

照片结二极管:这些类型的光电器件通常是半导体器件,利用光来控制电子或空穴在结上的流动。光电二极管和光电晶体管是这一类的两个主要器件。它们是专为探测器应用而设计的。

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光相关电阻(LDR)

当光导光传感器受到光能时,其物理性质会发生变化。光敏电阻器是一种常见的光导器件。光敏电阻是一种半导体器件,它利用光能来控制电子的流动,从而控制其中电流的流动。

最常见的光导电池类型是光相关电阻或LDR。顾名思义,光相关电阻是一种半导体器件,它的电阻取决于光的存在。光相关电阻器通过在材料中制造电子-空穴对,将其电阻从黑暗中几千欧姆的高值改变为仅几百欧姆。

用于制造光依赖性电阻的最常见的材料是硫化镉(CD)。铅硫化铅(PBS),抗衍生物(INSB)或铅硒化烯(PBSE)的其他材料也可用作半导体衬底。

硫化镉用于光电电阻,对近红外和可见光敏感。所用原因是因为它与人眼的光谱响应曲线紧密相似。它可以通过像闪光灯的简单,光源控制,并且在可见光谱范围内硫化镉材料的峰值敏感波长为约560nm至600nm。

如下所示,硫化镉作为锯齿形线的形状的绝缘体上的螺纹图案沉积。

异地恋光敏电阻

其原因是增加暗电阻,从而减少暗电流。这种电池封装在玻璃中,以保护基板不受污染。

光敏电阻的符号如下所示。

LDR符号

最常用的光电管类型是ORP12硫化镉光电管。

ORP12型光导体电池的特性如下:峰值光谱响应为610nm,暗电阻为10 MΩ,光照电阻为100 Ω。

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光相关电阻分压器网络

一个光相关电阻通常与一个电阻串联在一起,这个电阻上有一个直流电压。连接如下所示。

异地恋分压器

这种连接的优点是,在不同的光强度下,它们的连接处会出现不同的电压。这种连接是一个分压器网络或分压器的例子。其原因是由于光相关电阻的电阻值RLDR.将决定串联电阻R上的压降量1

串联中的电流是相同的,由于光相关电阻的电阻因光强而变化,输出电压将通过使用分压器公式来确定。

输出电压V= V*(右1/ (RLDR.+ R1))。

在没有光的情况下,光相关电阻的电阻高达10mΩ。在阳光下,光依赖电阻的电阻下降至100Ω。在下面的曲线中示出了在不同光强度下的光依赖电阻的电阻的变化。

4.光相关电阻在不同光强度下的电阻变化

光敏开关是光依赖电阻的常见应用。光相关电阻开关的电路如下所示。

异地恋开关

它是一个带继电器输出光激活开关的光传感器电路。轻依赖电阻器rLDR.电阻R1形成分压器网络。当没有光时,即在黑暗中,光相关电阻的电阻是在百万欧姆的顺序。基极偏置电压为零,晶体管处于OFF状态。

随着光强度的增加,光相关电阻的电阻减小,偏置电压增加。在由分压器网络决定的某一点上,偏置电压升高到足以打开晶体管。这反过来激活继电器,可以用来控制一些其他外部电路。

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利用LDR的光传感电路

LDR开关的灵敏度相当低。为了提高感光灵敏度,可进行的修改很少。将固定电阻R1替换为电位器VR1。晶体管被运算放大器取代,光相关电阻被并入惠斯顿电桥。使用光相关电阻的新的更灵敏的光传感电路如下所示。

利用LDR的光传感电路

电阻LDR, VR1, R1和R.2将形成惠斯通桥。电桥LDR - VR1和R1 - R2的两侧形成一个电压分压器,输出电压为V1和V2。这些电压分别连接到运算放大器的非反相和反相输入端。运算放大器是一个差分放大器,其输出是两个输入电压V1和V2之间的差的函数。这也被称为带反馈的电压比较器。反馈电阻Rf用于提供所需的电压增益。

运算放大器的输出连接到一个可以控制外部电路的继电器。当LDR感光的电压V1低于参考电压V2时,放大器的输出状态发生变化。这使继电器激活,负载被接通。

当光强度增加时,输出开关返回,继电器关闭。

在这里,当光的强度较低时,继电器就会打开。通过反转光检测电阻和电位器的位置,可以反转操作。现在,当光电平增加并超过参考电压设置的电平时,继电器被打开。

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光电二极管

光电二极管属于光结器件,基本上是一种PN结光传感器。它们通常由半导体PN结制成,对可见光和红外光敏感。当光入射到光电二极管上时,电子和空穴分开,并允许结导电。

光电二极管的构造与任何其他传统结二极管一样。一个典型的光电二极管如下所示。

光电二极管

用于信号和整流二极管的不透明涂层在光电二极管中没有。这使得二极管足够透明,允许光和影响结的导电性。

光电二极管的符号如下所示。

光电二极管符号

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操作原理

一个光电二极管偏向于它容易流动的方向的电流,即它是反向偏置,因此一个非常低的泄漏电流流动。如果一个能量充足的光子入射到二极管的接口处,一个电子被释放,如果它拥有足够的能量,它可以通过能量垒造成一个小的泄漏电流流动。电流的量与结的照度成正比。

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光敏二极管特性

在没有光的情况下,光电二极管的电流-电压特性与普通二极管相似。与普通二极管类似,当光电二极管正偏置时,电流呈指数增长。当它是反向偏置时,一个小的泄漏电流称为反向饱和电流将出现,并导致耗尽区增加。

使用光电二极管作为光传感器时,锗型二极管的暗电流约为10µa,硅型二极管的暗电流约为1µa。暗电流是指光强为0勒克斯时的电流。

8.光敏二极管特性

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使用光电二极管光感测

光电二极管可以在两种模式下工作和偏压:光伏模式和光导模式。

在光伏模式下,光电二极管连接到虚拟接地前置放大器。电路如下所示。

光电二极管在光伏模式下

当光子入射时,产生一个电压,并被运算放大器放大。除了热产生的电流,没有基本的泄漏电流,因为在二极管上没有直流偏置。

下面是一个类似的电路,它将由光产生的电流转换为电压,并被运放放大。

电流到电压使用光电二极管

这些电路利用了运算放大器的特性,其中两个输入端子处于零电压以操作二极管而没有任何直流偏压。运算放大器的这种配置给光电二极管提供了高阻抗负荷,导致相对于入射光强度的更宽范围的电流。

在光导模式下,光电二极管是直流电偏置的,流过二极管的电流由于直流电偏置以及光敏被电阻转换为电压,并被运算放大器放大。当应用偏置降低光电二极管的电容时,这种方法会使耗尽区变宽。

光导模式中的光电二极管电路如下所示。

光导模式下的光电二极管

利用电容器将输出带宽设为1 / (2πR)FCF),也可以防止振荡。然而,RC有一个延迟,因为电容必须充电。

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光电晶体管

除了用二极管制造光结器件,还可以用晶体管制造光传感器。形象地说,光晶体管基本上是光二极管和放大晶体管的组合。

光电三极管、光电二极管和三极管的表示如下所示。

光电二极管和晶体管

光电晶体管的符号如下所示。

光电晶体管的象征

在光电晶体管中,集电极-基极结起光电二极管的作用。集电极-基极结是反向偏置的,将其暴露在光源下。这个结的电流被晶体管的正常作用放大,因此集电极电流很大。

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操作原理

光电晶体管的工作原理与光电二极管相似。其额外的优点是可以提供比光电二极管更大的集电极电流和灵敏度。光电晶体管的电流是光电二极管的50到100倍。通过在普通晶体管的集电极和基极之间连接一个光电二极管,它可以转换为光电晶体管。

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照片晶体管特性

光电晶体管基本上是NPN晶体管,它们的大型基极是电隔离的或不连接的。为了控制灵敏度,一些光电晶体管允许基极连接。如果使用基极连接,当光子撞击表面时就会产生基极电流,并导致集电极和发射极电流流动。

为了在集电极-基极结处实现反向偏压,集电极相对于发射极具有更高的电位。在没有光线的情况下,有少量正常的泄漏电流流过。在基极端有光的情况下,该区域的电子-空穴对数量增加,产生的电流被晶体管放大。

光强、电流与输出电压的关系如下图所示。

14.光强、电流和输出电压之间的关系

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使用照片晶体管光敏

下面显示了一个简单的用于感光的电路,它包含一个光电晶体管。

利用光电晶体管进行光传感

光敏晶体管的灵敏度取决于晶体管的直流电流增益。因此,整体灵敏度是集电极电流的函数,可以通过发射极和基极之间的电阻来控制。

对于高灵敏度的应用,如光耦合器,使用达林顿光电晶体管。它通常被称为Photo Darlington晶体管,并使用第二双极NPN结晶体管。这第二只晶体管将提供额外的放大效果。

一个光电晶体管和第二个晶体管的电路如下所示。

具有第二晶体管的光电晶体管放大器

照片达林顿晶体管的符号如下所示。

照片达林顿晶体管符号

一种光电达林顿晶体管包括一个光电晶体管,其发射极输出耦合到第二个更大的NPN晶体管的基端。照片达林顿器件是一个非常敏感的探测器,因为总电流增益是单个电流增益的乘积。

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以前-温度传感器

下一个-红外传感器

3回复

  1. 我有金属屏蔽光电池,侧面没有41,它来自卡瓦依风琴的音量控制,我需要一个替换的电线引线已经断了,可以识别或告诉我型号。

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