Verwendung von Fotowiderständen, Fotodioden und Fototransistoren

Sensoren sind völlig anders. Sie unterscheiden sich im Handlungsprinzip, in der Logik ihrer Arbeit und in den physikalischen Phänomenen und Größen, auf die sie reagieren können. Lichtsensoren werden nicht nur in automatischen Lichtsteuerungsgeräten verwendet, sondern auch in einer Vielzahl von Geräten, von Netzteilen über Alarme bis hin zu Sicherheitssystemen.

Die Haupttypen von photoelektronischen Geräten. Allgemeine Informationen

Ein Fotodetektor im Allgemeinen ist ein elektronisches Gerät, das auf eine Änderung des Lichtflusses reagiert, der auf seinen empfindlichen Teil einfällt. Sie können sich sowohl in der Struktur als auch im Funktionsprinzip unterscheiden. Schauen wir sie uns an.

Fotowiderstände - ändern Sie den Widerstand bei Beleuchtung

Ein Fotowiderstand ist eine fotografische Vorrichtung, die die Leitfähigkeit (den Widerstand) in Abhängigkeit von der auf ihre Oberfläche einfallenden Lichtmenge ändert. Je intensiver Belichtung empfindlicher Bereich, desto weniger Widerstand. Hier ist ein Schema davon.

Es besteht aus zwei Metallelektroden, zwischen denen sich ein Halbleitermaterial befindet. Wenn der Lichtfluss auf den Halbleiter trifft, werden darin Ladungsträger freigesetzt, was zum Stromdurchgang zwischen den Metallelektroden beiträgt.

Die Energie des Lichtflusses wird zur Überwindung der Bandlücke durch die Elektronen und ihres Übergangs in das Leitungsband verwendet. Als Halbleiter verwenden Fotoleiter Materialien wie: Cadmiumsulfid, Bleisulfid, Cadmiumselenit und andere. Die spektrale Charakteristik des Fotowiderstands hängt von der Art dieses Materials ab.

Interessant:

Die spektrale Charakteristik enthält Informationen darüber, welche Wellenlängen (Farben) des Lichtflusses für einen Fotowiderstand am empfindlichsten sind. In einigen Fällen ist es notwendig, einen Lichtemitter mit der geeigneten Wellenlänge sorgfältig auszuwählen, um die größte Empfindlichkeit und Arbeitseffizienz zu erzielen.

Der Fotowiderstand ist nicht dafür ausgelegt, die Beleuchtung genau zu messen, sondern das Vorhandensein von Licht zu bestimmen. Entsprechend seinen Messwerten kann die Umgebung heller oder dunkler erkannt werden. Die Strom-Spannungs-Charakteristik des Fotowiderstands ist wie folgt.

Es zeigt die Abhängigkeit des Stroms von der Spannung für verschiedene Werte des Lichtflusses: Ф - Dunkelheit und Ф3 - dies ist helles Licht. Es ist linear. Ein weiteres wichtiges Merkmal ist die Empfindlichkeit, sie wird in mA (μA) / (Lm * V) gemessen. Dies spiegelt wider, wie viel Strom mit einem bestimmten Lichtstrom und einer angelegten Spannung durch den Widerstand fließt.

Der Dunkelwiderstand ist der aktive Widerstand bei völliger Abwesenheit von Beleuchtung, er wird mit RT bezeichnet, und die charakteristische RT / Rb ist die Änderungsrate des Widerstands vom Zustand des Fotowiderstands bei völliger Abwesenheit von Beleuchtung zum maximal beleuchteten Zustand bzw. zum minimal möglichen Widerstand.

Fotowiderstände haben einen erheblichen Nachteil - ihre Grenzfrequenz. Dieser Wert beschreibt die maximale Frequenz des Sinussignals, mit der Sie den Lichtstrom modellieren, bei dem die Empfindlichkeit um das 1,41-fache abnimmt. In Nachschlagewerken spiegelt sich dies entweder im Frequenzwert oder in einer Zeitkonstante wider. Es spiegelt die Geschwindigkeit von Geräten wider, die normalerweise zehn Mikrosekunden - 10 ^ (- 5) s dauert. Dies ermöglicht es Ihnen nicht, es dort einzusetzen, wo Sie eine hohe Leistung benötigen.

Fotodiode - wandelt Licht in elektrische Ladung um

Eine Fotodiode ist ein Element, das in einen empfindlichen Bereich eintretendes Licht in eine elektrische Ladung umwandelt. Dies liegt daran, dass bei Bestrahlung im pn-Übergang verschiedene Prozesse auftreten, die mit der Bewegung von Ladungsträgern verbunden sind.

Wenn sich die Leitfähigkeit am Fotowiderstand aufgrund der Bewegung von Ladungsträgern im Halbleiter ändert, wird an der Grenze des pn-Übergangs eine Ladung gebildet. Es kann im Modus eines Fotokonverters und eines Fotogenerators betrieben werden.

In der Struktur ist es das gleiche wie eine herkömmliche Diode, aber in ihrem Fall gibt es ein Fenster für den Durchgang von Licht. Äußerlich kommen sie in verschiedenen Ausführungen.

Schwarzkörper-Fotodioden akzeptieren nur Infrarotstrahlung. Schwarze Beschichtung ist so etwas wie Tönen. Filtert das IR-Spektrum, um die Möglichkeit auszuschließen, die Strahlung anderer Spektren auszulösen.

Fotodioden haben wie Fotowiderstände eine Grenzfrequenz, nur hier ist sie um Größenordnungen größer und erreicht 10 MHz, was eine gute Leistung ermöglicht. P-i-N-Fotodioden haben eine hohe Geschwindigkeit von 100 MHz bis 1 GHz, wie Dioden, die auf der Schottky-Barriere basieren. Lawinendioden haben eine Grenzfrequenz von ca. 1-10 GHz.

Im Fotokonvertermodus arbeitet eine solche Diode wie ein durch Licht gesteuerter Schlüssel, für den sie in Vorwärtsrichtung mit der Schaltung verbunden ist. Das heißt, die Kathode zu einem Punkt mit einem positiveren Potential (zu Plus) und die Anode zu einem negativeren Potential (zu Minus).

Wenn die Diode nicht durch Licht beleuchtet wird, fließt nur der umgekehrte Dunkelstrom Iobrt (Einheiten und einige zehn μA), und wenn die Diode leuchtet, wird ihr ein Photostrom hinzugefügt, der nur vom Beleuchtungsgrad (zehn mA) abhängt. Je mehr Licht, desto mehr Strom.

Fotostrom Wenn gleich:

Iph = Sint * F,

wobei Sint die integrale Empfindlichkeit ist, ist Ф der Lichtstrom.

Ein typisches Schema zum Einschalten einer Fotodiode im Fotokonvertermodus. Achten Sie darauf, wie es angeschlossen ist - in entgegengesetzter Richtung zur Stromquelle.

Ein anderer Modus ist der Generator. Wenn Licht in die Fotodiode eintritt, wird an ihren Anschlüssen Spannung erzeugt, während die Kurzschlussströme in diesem Modus mehrere zehn Ampere betragen. Es erinnert Betrieb von Solarzellenaber haben geringe Leistung.

Fototransistoren - offen durch die Menge des einfallenden Lichts

Fototransistor ist von Natur aus Bipolartransistor welches anstelle des Basisausgangs ein Fenster hat, in das Licht eintreten kann. Das Funktionsprinzip und die Gründe für diesen Effekt ähneln denen früherer Geräte. Bipolartransistoren werden durch die durch die Basis fließende Strommenge gesteuert, und Fototransistoren werden analog durch die Lichtmenge gesteuert.

Manchmal zeigt UGO noch zusätzlich die Ausgabe der Basis. Im Allgemeinen wird die Spannung sowohl dem Fototransistor als auch dem üblichen zugeführt, und die zweite Schaltoption erfolgt mit einer schwebenden Basis, wenn der Basisausgang nicht verwendet wird.

Fototransistoren sind ebenfalls in der Schaltung enthalten.

Oder tauschen Sie den Transistor und den Widerstand aus, je nachdem, was genau Sie benötigen. In Abwesenheit von Licht fließt ein dunkler Strom durch den Transistor, der aus dem Basisstrom gebildet wird, den Sie selbst einstellen können.

Nachdem Sie den erforderlichen Basisstrom eingestellt haben, können Sie die Empfindlichkeit des Fototransistors einstellen, indem Sie dessen Basiswiderstand auswählen. Auf diese Weise kann auch das schwächste Licht eingefangen werden.

In der Sowjetzeit stellten Funkamateure Fototransistoren mit ihren eigenen Händen her - sie machten ein Fenster für Licht und schnitten einen Teil des Gehäuses mit einem herkömmlichen Transistor ab. Dafür eignen sich Transistoren wie MP14-MP42 hervorragend.

Aus der Strom-Spannungs-Kennlinie ist die Abhängigkeit des Photostroms von der Beleuchtung ersichtlich, während sie praktisch nicht von der Kollektor-Emitter-Spannung abhängt.

Neben bipolaren Fototransistoren gibt es auch Feldtransistoren. Bipolare arbeiten mit Frequenzen von 10-100 kHz, dann sind feldempfindlichere. Ihre Empfindlichkeit erreicht mehrere Ampere pro Lumen und ist „schneller“ - bis zu 100 MHz. Feldeffekttransistoren haben ein interessantes Merkmal: Bei Maximalwerten des Lichtstroms beeinflusst die Gate-Spannung den Drainstrom fast nicht.

Anwendungsbereiche von photoelektronischen Geräten

Zunächst sollten Sie vertraute Optionen für ihre Anwendung in Betracht ziehen, z. B. die automatische Einbeziehung von Licht.

Das oben gezeigte Diagramm ist das einfachste Gerät zum Ein- und Ausschalten der Last bei bestimmten Lichtverhältnissen. Fotodiode FD320 Wenn Licht eintritt, öffnet sich eine bestimmte Spannung und R1 senkt eine bestimmte Spannung, wenn ihr Wert ausreicht, um den Transistor VT1 zu öffnen - sie öffnet und öffnet einen anderen Transistor - VT2. Diese beiden Transistoren sind zweistufige Stromverstärker, die zur Versorgung der Relaisspule K1 erforderlich sind.

Diode VD2 - wird benötigt, um die EMF-Selbstinduktion zu unterdrücken, die beim Schalten der Spule entsteht. Einer der Drähte von der Last ist mit dem Relais-Eingangsanschluss verbunden, der obere gemäß dem Schema (für Wechselstrom - Phase oder Null).

Wir haben normalerweise geschlossene und offene Kontakte. Sie werden entweder benötigt, um den einzuschaltenden Stromkreis auszuwählen oder um die Last des Netzwerks ein- oder auszuschalten, wenn die erforderliche Beleuchtung erreicht ist. Das Potentiometer R1 wird benötigt, um das Gerät so einzustellen, dass es mit der richtigen Lichtmenge arbeitet. Je größer der Widerstand, desto weniger Licht wird benötigt, um die Schaltung einzuschalten.

Variationen dieses Schemas werden in den meisten ähnlichen Geräten verwendet, wobei bei Bedarf bestimmte Funktionen hinzugefügt werden.

Zusätzlich zum Einschalten der leichten Last werden solche Fotodetektoren in verschiedenen Steuerungssystemen verwendet, beispielsweise werden Fotowiderstände häufig an U-Bahn-Drehkreuzen verwendet, um ein unbefugtes (Hasen-) Überqueren des Drehkreuzes zu erfassen.

Wenn in der Druckerei ein Papierstreifen zerbricht, tritt Licht in den Fotodetektor ein und gibt dem Bediener dadurch ein Signal dazu. Der Emitter befindet sich auf einer Seite des Papiers und der Fotodetektor auf der Rückseite. Wenn das Papier zerrissen ist, erreicht das Licht des Emitters den Fotodetektor.

Bei einigen Arten von Alarmen werden ein Emitter und ein Fotodetektor als Sensoren zum Betreten des Raums verwendet, und Infrarotgeräte werden verwendet, um sichtbare Strahlung zu verhindern.

In Bezug auf das IR-Spektrum können Sie den TV-Empfänger nicht erwähnen, der beim Kanalwechsel Signale von der IR-LED auf der Fernbedienung empfängt. Informationen werden auf besondere Weise verschlüsselt und der Fernseher versteht, was Sie brauchen.

Informationen, die zuvor über die Infrarotanschlüsse von Mobiltelefonen übertragen wurden. Die Übertragungsgeschwindigkeit wird sowohl durch das sequentielle Übertragungsverfahren als auch durch das Funktionsprinzip des Geräts selbst begrenzt.

Computermäuse verwenden auch Technologien für photoelektronische Geräte.

Anwendung zur Signalübertragung in elektronischen Schaltungen

Optoelektronische Bauelemente sind Bauelemente, die einen Sender und einen Fotodetektor in demselben Gehäuse kombinieren, wie die oben beschriebenen. Sie werden benötigt, um zwei Stromkreise des Stromkreises zu verbinden.

Dies ist für die galvanische Trennung, die schnelle Signalübertragung sowie für den Anschluss von Gleich- und Wechselstromkreisen erforderlich, wie im Fall der Triac-Steuerung in einem 220-V-5-V-Stromkreis mit einem Signal vom Mikrocontroller.

Sie haben eine grafische Bezeichnung, die Informationen über die Art der im Optokoppler verwendeten Elemente enthält.

Betrachten Sie einige Beispiele für die Verwendung solcher Geräte.

Steuerung eines Triacs mit einem Mikrocontroller

Wenn Sie einen Thyristor oder Triac-Wandler entwerfen, werden Sie auf ein Problem stoßen. Erstens, wenn der Übergang am Steuerausgang durchbricht - an den Pin des Mikrocontrollers hohes Potenzial wird fallen und letzteres wird scheitern. Zu diesem Zweck wurden spezielle Treiber mit einem Element entwickelt, das als Optosymistor bezeichnet wird, beispielsweise MOC3041.

Optoelement-Feedback

Bei stabilisierten Schaltnetzteilen ist eine Rückmeldung erforderlich. Wenn wir die galvanische Trennung in diesem Stromkreis ausschließen, tritt bei einem Ausfall einiger Komponenten im Betriebssystemkreis ein hohes Potential im Ausgangsstromkreis auf und die angeschlossenen Geräte fallen aus. Ich spreche nicht von der Tatsache, dass Sie schockiert werden können.

In einem speziellen Beispiel sehen Sie die Implementierung eines solchen Betriebssystems von der Ausgangsschaltung zur Rückkopplungswicklung (Steuerung) des Transistors unter Verwendung eines Optokopplers mit der seriellen Bezeichnung U1.

Schlussfolgerungen

Foto- und Optoelektronik sind sehr wichtige Bereiche in der Elektronik, die die Qualität der Geräte, ihre Kosten und ihre Zuverlässigkeit erheblich verbessert haben. Mit einem Optokoppler kann die Verwendung eines Trenntransformators in solchen Schaltungen ausgeschlossen werden, wodurch sich die Gesamtabmessungen verringern. Darüber hinaus sind einige Geräte ohne solche Elemente einfach nicht zu implementieren.