Senzor je měřící přístroj určený ke generování signálu o naměřených informacích ve formě vhodné pro přenos, další převod, zpracování a (nebo) ukládání, ale nepřístupný přímému vnímání pozorovatelem.
Senzory jsou úplně jiné. Liší se principem působení, logikou své práce a fyzikálními jevy a veličinami, na které jsou schopny reagovat. Světelné senzory se používají nejen v zařízeních pro automatické ovládání osvětlení, ale používají se v obrovském množství zařízení, od napájecích zdrojů až po alarmy a bezpečnostní systémy.
Hlavní typy fotoelektronických zařízení. Obecná informace
Fotodetektor v obecném smyslu je elektronické zařízení, které reaguje na změny světelného toku dopadajícího na jeho citlivou část. Mohou se lišit jak svou strukturou, tak principem fungování. Pojďme se na ně podívat.
Fotorezistory – mění odpor při osvětlení
Fotorezistor je fotozařízení, které mění vodivost (odpor) v závislosti na množství světla dopadajícího na jeho povrch. Čím intenzivnější je osvětlení citlivé oblasti, tím menší odpor. Zde je jeho schematické znázornění.
Skládá se ze dvou kovových elektrod, mezi kterými je polovodičový materiál. Při dopadu světla na polovodič se v něm uvolňují nosiče náboje, což podporuje průchod proudu mezi kovovými elektrodami.
Energie světelného toku se vynakládá na elektrony překonávající zakázané pásmo a jejich přechod do vodivostního pásma. Jako polovodič pro fotorezistory se používají materiály jako: sulfid kademnatý, sulfid olovnatý, seleničitan kademnatý a další. Spektrální charakteristiky fotorezistoru závisí na typu materiálu.
Zajímavé:
Spektrální charakteristika obsahuje informaci o tom, na jaké vlnové délky (barvy) světelného toku je fotorezistor nejcitlivější. U některých vzorků je nutné pečlivě vybrat světelný zářič vhodné vlnové délky pro dosažení co největší citlivosti a provozní účinnosti.
Fotorezistor není určen k přesnému měření osvětlení, ale spíše k určení přítomnosti světla, podle jeho údajů lze určit, zda se prostředí zesvětlilo nebo ztmavlo. Proudově napěťová charakteristika fotorezistoru je následující.
Ukazuje závislost proudu na napětí při různých hodnotách světelného toku: F je tma a F3 je jasné světlo. Je lineární. Další důležitou charakteristikou je citlivost, měří se v mA (μA)/(Lm*V). Což odráží, kolik proudu protéká rezistorem při určitém světelném toku a použitém napětí.
Tmavý odpor je aktivní odpor při úplné nepřítomnosti osvětlení, označovaný Rt, a charakteristika Rt/Rsv je faktor změny odporu ze stavu fotorezistoru při úplné absenci osvětlení do maximálního osvětleného stavu a minimální možné odpor, resp.
Fotorezistory mají podstatnou nevýhodu – jejich mezní frekvenci. Tato hodnota popisuje maximální frekvenci sinusového signálu, kterým modelujete světelný tok, při kterém se citlivost sníží 1.41krát. V příručkách se to odráží buď hodnotou frekvence nebo časovou konstantou. Odráží rychlost zařízení, která obvykle trvá desítky mikrosekund – 10^(-5) s. To neumožňuje jeho použití tam, kde je potřeba vysoký výkon.
Fotodioda – přeměňuje světlo na elektrický náboj
Fotodioda je prvek, který přeměňuje světlo dopadající na citlivou oblast na elektrický náboj. Děje se tak proto, že při ozařování dochází v pn přechodu k různým procesům spojeným s pohybem nosičů náboje.
Změní-li se vodivost fotorezistoru vlivem pohybu nosičů náboje v polovodiči, pak na hranici pn přechodu vzniká náboj. Může pracovat v režimu fotokonvertoru a fotogenerátoru.
Jeho struktura je stejná jako u běžné diody, ale její tělo má okénko pro průchod světla. Externě se dodávají v různých provedeních.
Fotodiody s černým tělesem vnímají pouze infračervené záření. Černý povlak je něco podobného jako tónování. Filtruje IR spektrum, aby se vyloučila možnost spuštění záření jiných spekter.
Fotodiody mají stejně jako fotorezistory mezní frekvenci, jen zde je řádově vyšší a dosahuje 10 MHz, což umožňuje dobrý výkon. PiN fotodiody mají vysokou rychlost – 100 MHz-1 GHz, jako diody založené na Schottkyho bariéře. Lavinové diody mají mezní frekvenci asi 1-10 GHz.
V režimu fotokonvertoru funguje taková dioda jako světelně řízený spínač, k tomu je připojena k obvodu v propustném předpětí. To znamená, že katoda je v bodě s kladnějším potenciálem (směrem k plusu) a anoda je v bodě s zápornějším potenciálem (směrem k mínusu).
Když dioda není osvětlena, teče v obvodu pouze zpětný temný proud Irev (jednotky a desítky μA), při rozsvícení diody se k ní přidává fotoproud, který závisí pouze na stupni osvětlení (desítky mA). Čím více světla, tím větší proud.
Fotoproud If se rovná:
kde Sint je integrální citlivost, Ф je světelný tok.
Typický obvod pro zapínání fotodiody v režimu fotokonvertoru. Věnujte pozornost tomu, jak je připojen – v opačném směru ke zdroji energie.
Dalším režimem je generátor. Při dopadu světla na fotodiodu se na jejích svorkách generuje napětí a zkratové proudy se v tomto režimu rovnají desítkám ampérů. To se podobá provozu solárních bateriových článků, ale mají nízký výkon.
Fototranzistory – otevírají se v závislosti na množství dopadajícího světla
Fototranzistor je v podstatě bipolární tranzistor, který má místo výstupu báze v těle okénko pro vstup světla. Princip činnosti a důvody tohoto efektu jsou podobné jako u předchozích zařízení. Bipolární tranzistory jsou řízeny množstvím proudu procházejícím bází a fototranzistory jsou podobně řízeny množstvím světla.
Někdy UGO zobrazuje i výstup základny. Obecně platí, že napětí se na fototranzistor přivádí stejně jako na běžný a druhá možnost zapojení je s plovoucí základnou, kdy pin báze zůstává nevyužit.
Fototranzistory jsou do obvodu zařazeny podobným způsobem.
Nebo vyměňte tranzistor a rezistor, podle toho, co přesně potřebujete. Při nedostatku světla protéká tranzistorem temný proud, který se tvoří ze základního proudu, který si sami nastavíte.
Po nastavení požadovaného proudu báze můžete nastavit citlivost fototranzistoru výběrem jeho základního odporu. Tímto způsobem lze zachytit i to nejslabší světlo.
V sovětských dobách si radioamatéři vyráběli fototranzistory vlastníma rukama – vytvořili okno pro světlo odříznutím části těla obyčejného tranzistoru. Tranzistory jako MP14-MP42 jsou pro to vynikající.
Z proudově-napěťové charakteristiky je patrná závislost fotoproudu na osvětlení, přičemž je prakticky nezávislá na napětí kolektor-emitor.
Kromě bipolárních fototranzistorů existují i ty s efektem pole. Bipolární pracují na frekvencích 10-100 kHz, zatímco polní jsou citlivější. Jejich citlivost dosahuje několika ampérů na lumen a ty „rychlejší“ až 100 MHz. Tranzistory s efektem pole mají zajímavou vlastnost: při maximálních hodnotách světelného toku nemá hradlové napětí téměř žádný vliv na odběrový proud.
Oblasti použití fotoelektronických zařízení
Nejprve byste měli zvážit známější možnosti jejich použití, například automatické rozsvícení světla.
Výše uvedený obvod je nejjednodušším zařízením pro zapínání a vypínání zátěže při určité úrovni osvětlení. Fotodioda FD320 Při dopadu světla se otevře a na R1 klesne určité napětí, když jeho hodnota postačí k otevření tranzistoru VT1 – otevře a otevře další tranzistor – VT2. Tyto dva tranzistory jsou dvoustupňovým proudovým zesilovačem, nezbytným pro napájení reléové cívky K1.
Dioda VD2 je potřebná pro tlumení samoindukce EMF, která se tvoří při spínání cívky. Jeden z vodičů od zátěže je připojen k napájecímu kontaktu relé, horní ve schématu (pro střídavý proud – fáze nebo nula).
Máme normálně zavřené a otevřené kontakty, které jsou potřeba buď k výběru obvodu, který se má zapnout, nebo k volbě, zda zapnout nebo vypnout zátěž ze sítě, když je dosaženo požadovaného osvětlení. Potenciometr R1 je nutný pro nastavení zařízení pro provoz s požadovaným množstvím světla. Čím větší odpor, tím méně světla je potřeba k zapnutí obvodu.
Variace tohoto obvodu se používají ve většině podobných zařízení a v případě potřeby přidávají určitou sadu funkcí.
Kromě zapínání světelné zátěže se takové fotodetektory používají v různých řídicích systémech, například na turniketech metra se často používají fotorezistory pro detekci neoprávněného (zajícového) překročení turniketu.
V tiskárně, když se proužek papíru zlomí, světlo dopadá na fotodetektor a dává tak obsluze signál. Emitor je na jedné straně papíru a fotodetektor je na opačné straně. Když se papír roztrhne, světlo z emitoru dosáhne fotodetektoru.
V některých typech poplachových systémů se jako senzory pro vstup do místnosti používají zářič a fotodetektor, zatímco IR zařízení se používají k zabránění viditelného záření.
Pokud jde o IR spektrum, není zde zmínka o TV přijímači, který při změně kanálů přijímá signály z IR LED na dálkovém ovladači. Informace jsou zakódovány speciálním způsobem a televizor rozumí tomu, co potřebujete.
Informace byly dříve přenášeny tímto způsobem přes infračervené porty mobilních telefonů. Přenosová rychlost je omezena jak způsobem sériového přenosu, tak i principem činnosti samotného zařízení.
Počítačové myši také používají technologii související s fotoelektronickými zařízeními.
Aplikace pro přenos signálu v elektronických obvodech
Optoelektronická zařízení jsou zařízení, která kombinují emitor a fotodetektor v jednom pouzdře, jako jsou zařízení popsaná výše. Jsou potřebné k propojení dvou obvodů elektrického obvodu.
To je nutné pro galvanické oddělení, rychlý přenos signálu, jakož i pro připojení stejnosměrných a střídavých obvodů, jako v případě řízení triaku v obvodu 220 V 5 V signálem z mikrokontroléru.
Mají konvenční grafické označení, které obsahuje informace o typu prvků použitých uvnitř optočlenu.
Podívejme se na několik příkladů použití takových zařízení.
Řízení triaku pomocí mikrokontroléru
Pokud navrhujete tyristorový nebo triakový měnič, narazíte na problém. Za prvé, pokud se přechod na ovládacím kolíku zlomí, vysoký potenciál zasáhne kolík mikrokontroléru a ten selže. Pro tento účel byly vyvinuty speciální ovladače s prvkem zvaným optosimistor, například MOC3041.
Zpětná vazba optočlenu
Spínané stabilizované zdroje vyžadují zpětnou vazbu. Pokud vyloučíme galvanické oddělení v tomto obvodu, tak při poruše některých komponent v obvodu OS vznikne na výstupním obvodu vysoký potenciál a připojené zařízení selže, nemluvím o tom, že můžete dostat elektrický šok .
Na konkrétním příkladu vidíte implementaci takového OS z výstupního obvodu do zpětnovazebního (řídícího) vinutí tranzistoru pomocí optočlenu se sériovým označením U1.
Závěry
Foto- a optoelektronika jsou velmi důležité sekce v elektronice, které výrazně zlepšily kvalitu zařízení, jeho cenu a spolehlivost. Pomocí optočlenu je možné v takových obvodech eliminovat použití oddělovacího transformátoru, který snižuje hmotnostní a rozměrové parametry. Některá zařízení navíc bez takových prvků jednoduše nelze implementovat.
