Cómo usar fotoresistores, fotodiodos y fototransistores

Los sensores son completamente diferentes. Difieren en principio de acción, la lógica de su trabajo y los fenómenos físicos y las cantidades a las que pueden responder. Los sensores de luz no solo se usan en equipos de control de iluminación automático, sino que se usan en una gran cantidad de dispositivos, desde fuentes de alimentación hasta alarmas y sistemas de seguridad.

Los principales tipos de dispositivos fotoelectrónicos. Información general

Un fotodetector en un sentido general es un dispositivo electrónico que responde a un cambio en el incidente del flujo de luz en su parte sensible. Pueden diferir, tanto en estructura como en principio de funcionamiento. Miremos a ellos.

Fotoresistores: cambie la resistencia al encender

Un fotorresistor es un dispositivo fotográfico que cambia la conductividad (resistencia) dependiendo de la cantidad de luz incidente en su superficie. Cuanto mas intenso exposición a la luz área sensible, menos resistencia. Aquí hay un esquema de ello.

Se compone de dos electrodos metálicos, entre los cuales hay un material semiconductor. Cuando el flujo de luz golpea el semiconductor, se liberan portadores de carga, lo que contribuye al paso de corriente entre los electrodos metálicos.

La energía del flujo de luz se gasta en superar la brecha de banda por los electrones y su transición a la banda de conducción. Como semiconductores, los fotoconductores utilizan materiales como: sulfuro de cadmio, sulfuro de plomo, selenito de cadmio y otros. La característica espectral del fotorresistor depende del tipo de este material.

Interesante

La característica espectral contiene información sobre qué longitudes de onda (color) del flujo de luz son más sensibles a una fotorresistencia. Para algunos casos, es necesario seleccionar cuidadosamente un emisor de luz de la longitud de onda apropiada, para lograr la mayor sensibilidad y eficiencia de trabajo.

El fotorresistor no está diseñado para medir con precisión la iluminación, sino para determinar la presencia de luz, de acuerdo con sus lecturas, el entorno puede detectarse más claro o más oscuro. La característica de corriente-voltaje del fotorresistor es la siguiente.

Representa la dependencia de la corriente con el voltaje para varios valores del flujo de luz: Ф - oscuridad, y Ф3 - esta es luz brillante. Es lineal. Otra característica importante es la sensibilidad, se mide en mA (μA) / (Lm * V). Esto refleja la cantidad de corriente que fluye a través de la resistencia, con un cierto flujo luminoso y un voltaje aplicado.

La resistencia oscura es la resistencia activa en ausencia total de iluminación, se denota por RT, y la característica RT / Rb es la tasa de cambio de resistencia desde el estado del fotorresistor en ausencia total de iluminación hasta el estado iluminado máximo y la resistencia mínima posible, respectivamente.

Los fotoresistores tienen un inconveniente significativo: su frecuencia de corte. Este valor describe la frecuencia máxima de la señal sinusoidal con la que modela el flujo luminoso, a la que la sensibilidad disminuye en 1,41 veces. En los libros de referencia, esto se refleja ya sea por el valor de frecuencia o por una constante de tiempo. Refleja la velocidad de los dispositivos, que generalmente toma decenas de microsegundos - 10 ^ (- 5) s. Esto no le permite usarlo donde necesita un alto rendimiento.

Fotodiodo: convierte la luz en carga eléctrica

Un fotodiodo es un elemento que convierte la luz que ingresa a un área sensible en una carga eléctrica. Esto se debe a que cuando se irradia en la unión pn, se producen varios procesos asociados con el movimiento de los portadores de carga.

Si la conductividad cambió en la fotorresistencia debido al movimiento de los portadores de carga en el semiconductor, entonces se forma una carga aquí en el límite de la unión pn. Puede funcionar en modo de fotoconvertidor y generador de fotos.

En estructura, es lo mismo que un diodo convencional, pero en su caso hay una ventana para el paso de la luz. Exteriormente, vienen en varios diseños.

Los fotodiodos de cuerpo negro solo aceptan radiación infrarroja. El recubrimiento negro es algo así como el tinte. Filtra el espectro IR para excluir la posibilidad de disparar la radiación de otros espectros.

Los fotodiodos, como los fotorresistores, tienen una frecuencia de corte, solo que aquí es de un orden de magnitud mayor y alcanza los 10 MHz, lo que permite un buen rendimiento. Los fotodiodos P-i-N tienen alta velocidad: 100 MHz-1 GHz, al igual que los diodos basados ​​en la barrera de Schottky. Los diodos de avalancha tienen una frecuencia de corte de aproximadamente 1-10 GHz.

En el modo de fotoconvertidor, dicho diodo funciona como una llave controlada por luz, para esto está conectado al circuito en polarización directa. Es decir, el cátodo a un punto con un potencial más positivo (a más) y el ánodo a un potencial más negativo (a menos).

Cuando el diodo no está iluminado por la luz, solo fluye la corriente oscura inversa Iobrt (unidades y decenas de μA), y cuando el diodo está encendido, se agrega una fotocorriente, que depende solo del grado de iluminación (decenas de mA). Cuanto más luz, más corriente.

Fotocorriente Si es igual a:

Iph = Sint * F,

donde Sint es la sensibilidad integral, Ф es el flujo luminoso.

Un esquema típico para encender un fotodiodo en modo fotoconvertidor. Preste atención a cómo está conectado, en la dirección opuesta con respecto a la fuente de alimentación.

Otro modo es el generador. Cuando la luz ingresa al fotodiodo, se genera voltaje en sus terminales, mientras que las corrientes de cortocircuito en este modo son decenas de amperios. Recuerda operación de células solaresPero tiene poca potencia.

Fototransistores: abiertos por la cantidad de luz incidente

El fototransistor es inherentemente transistor bipolar que en lugar de la salida base tiene una ventana en el caso de que la luz entre allí. El principio de funcionamiento y las razones de este efecto son similares a los dispositivos anteriores. Los transistores bipolares están controlados por la cantidad de corriente que fluye a través de la base, y los fototransistores, por analogía, están controlados por la cantidad de luz.

A veces, UGO aún representa adicionalmente la salida de la base. En general, el voltaje se suministra tanto al fototransistor como al habitual, y la segunda opción se enciende con una base flotante, cuando la salida básica permanece sin usar.

Los fototransistores también se incluyen en el circuito.

O cambie el transistor y la resistencia, según lo que necesite exactamente. En ausencia de luz, una corriente oscura fluye a través del transistor, que se forma a partir de la corriente base, que puede configurar usted mismo.

Una vez establecida la corriente base requerida, puede configurar la sensibilidad del fototransistor seleccionando su resistencia base. De esta forma, se puede capturar incluso la luz más tenue.

En la época soviética, los radioaficionados fabricaron fototransistores con sus propias manos; hicieron una ventana para la luz, cortando parte del estuche con un transistor convencional. Para esto, los transistores como MP14-MP42 son excelentes.

A partir de la característica de voltaje de corriente, la dependencia de la fotocorriente en la iluminación es visible, mientras que prácticamente no depende del voltaje del colector-emisor.

Además de los fototransistores bipolares, hay unos de campo. Los bipolares funcionan a frecuencias de 10-100 kHz, luego los de campo son más sensibles. Su sensibilidad alcanza varios amperios por lumen y más "rápido", hasta 100 MHz. Los transistores de efecto de campo tienen una característica interesante: a valores máximos del flujo luminoso, el voltaje de la puerta casi no afecta la corriente de drenaje.

Ámbitos de dispositivos fotoelectrónicos

En primer lugar, debe considerar opciones más familiares para su aplicación, por ejemplo, la inclusión automática de luz.

El diagrama que se muestra arriba es el dispositivo más simple para encender y apagar la carga en ciertas condiciones de luz. Fotodiodo FD320 Cuando la luz entra, se abre un cierto voltaje y R1 cae un cierto voltaje cuando su valor es suficiente para abrir el transistor VT1: se abre y abre otro transistor: VT2. Estos dos transistores son un amplificador de corriente de dos etapas, necesario para alimentar la bobina del relé K1.

Diodo VD2: necesario para suprimir la autoinducción EMF, que se forma al cambiar la bobina. Uno de los cables de la carga está conectado al terminal de entrada del relé, el superior según el esquema (para corriente alterna - fase o cero).

Normalmente tenemos contactos cerrados y abiertos, son necesarios para seleccionar el circuito que se va a encender o para seleccionar encender o apagar la carga de la red cuando se alcanza la iluminación requerida. Se necesita el potenciómetro R1 para ajustar el dispositivo para que funcione con la cantidad correcta de luz. Cuanto mayor es la resistencia, se necesita menos luz para encender el circuito.

Las variaciones de este esquema se utilizan en la mayoría de los dispositivos similares, agregando un cierto conjunto de funciones si es necesario.

Además de encender la carga ligera, tales fotodetectores se usan en varios sistemas de control, por ejemplo, los fotoresistores se usan a menudo en los torniquetes de metro para detectar el cruce no autorizado (liebre) del torniquete.

En la imprenta, cuando se rompe una tira de papel, la luz entra al fotodetector y por lo tanto le da al operador una señal al respecto. El emisor está en un lado del papel y el fotodetector está en la parte posterior. Cuando se rasga el papel, la luz del emisor llega al fotodetector.

En algunos tipos de alarmas, se utilizan un emisor y un fotodetector como sensores para ingresar a la habitación, y se utilizan dispositivos infrarrojos para que la radiación no sea visible.

Con respecto al espectro IR, no puede mencionar el receptor de TV, que recibe señales del LED IR en el control remoto cuando cambia de canal. La información se codifica de manera especial y el televisor comprende lo que necesita.

Información así transmitida previamente a través de los puertos infrarrojos de los teléfonos móviles. La velocidad de transmisión está limitada tanto por el método de transmisión secuencial como por el principio de funcionamiento del propio dispositivo.

Los ratones de computadora también usan tecnología asociada con dispositivos fotoelectrónicos.

Solicitud de transmisión de señal en circuitos electrónicos.

Los dispositivos optoelectrónicos son dispositivos que combinan un transmisor y un fotodetector en la misma carcasa, como los descritos anteriormente. Son necesarios para conectar dos circuitos del circuito eléctrico.

Esto es necesario para el aislamiento galvánico, la transmisión rápida de señales, así como para conectar circuitos de CC y CA, como en el caso del control triac en un circuito de 220 V 5 V con una señal del microcontrolador.

Tienen una designación gráfica que contiene información sobre el tipo de elementos utilizados dentro del optoacoplador.

Considere un par de ejemplos del uso de tales dispositivos.

Controlar un triac usando un microcontrolador

Si está diseñando un convertidor de tiristores o triac, se encontrará con un problema. En primer lugar, si la transición en la salida de control se rompe: al pin del microcontrolador alto potencial caerá y este último fallará. Para esto, se han desarrollado controladores especiales, con un elemento llamado optosymistor, por ejemplo, MOC3041.

Optocouple Feedback

En las fuentes de alimentación conmutadas estabilizadas, se requiere retroalimentación. Si excluimos el aislamiento galvánico en este circuito, en caso de falla de algunos componentes en el circuito del sistema operativo, aparecerá un alto potencial en el circuito de salida y el equipo conectado fallará, no estoy diciendo que pueda recibir una descarga eléctrica.

En un ejemplo específico, puede ver la implementación de dicho SO desde el circuito de salida hasta el devanado de retroalimentación (control) del transistor utilizando un optoacoplador con la designación en serie U1.

Conclusiones

La fotografía y la optoelectrónica son secciones muy importantes en electrónica, que han mejorado significativamente la calidad del equipo, su costo y confiabilidad. Usando un optoacoplador, es posible excluir el uso de un transformador de aislamiento en dichos circuitos, lo que reduce las dimensiones generales. Además, algunos dispositivos son simplemente imposibles de implementar sin tales elementos.