8 800 777 800 2

Бесплатный звонок по России

Световые датчики или датчики освещенности. Виды, характеристики, принцип работы

03/26/2021
автор да

 

Как дополнительно экономить электроэнергию?

Экономия электроэнергии заключается не только в выборе источника света, но и в возможности рационального использования. Для управленим освещенностью существуют специальные устройства. которые получили название световые датчики или датчики освещенности.

Датчик освещенности - это пассивный датчик, который используется для определения интенсивности света путем изучения излучаемой энергии, которая существует в определенном диапазоне частот. Диапазон частот, которые используются для обнаружения с помощью датчика, находятся от инфракрасного до видимого и до ультрафиолетового.


Полезные статьи:

Основные характеристики диодов, виды, параметры

Что такое диммер светильника, виды, принцип работы

Все статьи

 

Световые датчики приобразуют световую энергию в форме фотонов в электрическую в форме электронов. Они также называются фотодатчиками, фотодетекторами или фотоэлектрическими устройствами.

Датчики света или фотодатчики можно разделить на три типа в зависимости от физических величин, на которые они влияют. Основными классами являются фоторезисторы, фотоэлектрические и фотоэмиттеры. Фотоэмиттеры вырабатывают электричество при воздействии света. Фоторезисторы меняют свои электрические свойства при освещении. На основании вышеперечисленных классов можно составить следующую классификацию устройств.

Фотоэмиссионные ячейки.  

Высвобождают свободные электроны из светочувствительных материалов при попадании фотона достаточной энергии. Обычно используемый светочувствительный материал - цезий. Энергия фотона зависит от длины волны или частоты света.

Уравнение энергии фотона имеет вид

E = hc / λ

Здесь,

h - постоянная Планка (h = 6,626 * 10 -34  Дж с),

c - скорость света (c = 3 * 10 8  м / с)

λ - длина волны света.

Чем выше частота света, тем выше энергия фотона.

Фотопроводящие элементы. 

Меняют свое электрическое сопротивление при воздействии света. Распространенным типом фотопроводящего материала является сульфид кадмия (CdS), который используется в светозависимых резисторных фотоэлементах. Фотопроводимость в этих ячейках возникает в результате попадания света на полупроводниковый материал, который контролирует прохождение тока через него. Для заданного приложенного напряжения, когда интенсивность света увеличивается, ток также увеличивается.

Фотоэлектрические элементы. 

Генерируют потенциал или ЭДС, пропорциональную энергии излучаемого света. Солнечные элементы являются распространенным типом фотоэлементов и используют селен в качестве фотоэлектрического материала. Они состоят из двух полупроводниковых материалов, и когда на них падает световая энергия, генерируется напряжение примерно 0,5 В.

Светозависимый резистор (LDR)

Фоторезистор - это распространенный тип фотопроводящих устройств. Полупроводник, использует световую энергию для управления потоком электронов и током в них.

Самый распространенный тип фотопроводящего элемента - это светозависимый резистор или LDR. Как следует из названия, светозависимый резистор - это полупроводниковое устройство, которое изменяет свое электрическое сопротивление в зависимости от наличия света. Светозависимый резистор изменяет свое электрическое сопротивление с большого значения в несколько тысяч Ом в темноте до нескольких сотен Ом при свете.

 

 

Наиболее распространенным материалом, используемым для изготовления светозависимого резистора, является сульфид кадмия (CdS). Другие материалы, такие как сульфид свинца (PbS), антимонид индия (InSb) или селенид свинца (PbSe), также могут использоваться в качестве полупроводниковой подложки.

Сульфид кадмия используется в фоторезисторах, чувствительных к ближнему инфракрасному и видимому свету. Причина, по которой он используется, заключается в том, что его спектральная кривая отклика очень похожа на кривую человеческого глаза. Им можно управлять с помощью простого источника света, такого как вспышка, а максимальная чувствительная длина волны материала сульфида кадмия составляет от 560 нм до 600 нм в видимом спектральном диапазоне.

Сеть светозависимого резисторного делителя напряжения

Светозависимый резистор обычно подключается последовательно с резистором, через который подается одиночное напряжение постоянного тока. 

Достоинством такого подключения является появление на их стыке разных напряжений при разной интенсивности света. Это соединение является примером сети делителя напряжения или делителя потенциала. Причина в том, что значение сопротивления светозависимого резистора R LDR  будет определять величину падения напряжения на последовательном резисторе R 1 .

Ток в последовательном соединении такой же, и поскольку сопротивление светозависимого резистора изменяется из-за силы света, выходное напряжение будет определяться с использованием формулы делителя напряжения.

Выходное напряжение V OUT = V IN * (R 1 / (R LDR + R 1 )).

В отсутствие света сопротивление светозависимого резистора достигает 10 МОм. При наличии солнечного света сопротивление светозависимого резистора упадет до 100 Ом. 

Светочувствительный переключатель - это обычное применение светозависимого резистора. По мере увеличения интенсивности света сопротивление светозависимого резистора уменьшается, а напряжение смещения увеличивается. В определенный момент, определяемый схемой делителя напряжения, напряжение смещения повышается настолько, чтобы включить транзистор. Это, в свою очередь, активирует реле, которое можно использовать для управления какой-либо другой внешней цепью.

Фотодиод

Фотодиод относится к классу фотоэлектрических устройств, которые в основном представляют собой светочувствительные элементы с PN-переходом. Обычно они изготавливаются из полупроводниковых материалов, которые чувствительны к видимому и инфракрасному свету. Когда свет падает на фотодиод, электроны и дырки разделяются и происходит PN-переход.

Фотодиоды устроены так же, как и любые другие обычные переходные диоды. 

Непрозрачное покрытие, используемое в сигнальных и выпрямительных диодах, отсутствует в фотодиодах. Это делает диод достаточно прозрачным, чтобы пропускать свет и влиять на проводимость перехода.

 

 

 

Принцип действия

Фотодиод смещен против направления тока в обратном направлении. Если фотон с достаточной энергией падает на диод в месте его перехода, электрон освобождается. Если он обладает достаточной энергией, он может пройти через энергетический барьер, вызывая протекание небольшого тока утечки. Сила тока пропорциональна освещенности перехода.

Характеристики фотодиода

В отсутствие света вольт-амперная характеристика фотодиода аналогична характеристике обычного диода. Как и в случае с обычным диодом, при прямом смещении фотодиода происходит экспоненциальное увеличение тока. Когда он смещен в обратном направлении, появляется небольшой ток утечки, называемый током обратного насыщения, который вызывает увеличение области истощения.

Когда фотодиод используется в качестве светового датчика, для диодов германиевого типа темновой ток составляет около 10 мкА, а для диодов кремниевого типа - 1 мкА. Темновой ток - это ток, когда интенсивность света составляет 0 люкс.

Светочувствительность с помощью фотодиода

Фотодиод может работать и смещаться в двух режимах: фотоэлектрический и фотопроводящий.

Когда фотоны падают, создается напряжение, которое усиливается операционным усилителем. Помимо термически генерируемого тока, нет основного тока утечки, поскольку нет постоянного смещения на диоде.

В этих схемах используется характеристика операционного усилителя, в котором две входные клеммы находятся под нулевым напряжением, чтобы диод работал без какого-либо смещения постоянного тока. Такая конфигурация операционного усилителя обеспечивает высокую импедансную нагрузку на фотодиод, что приводит к более широкому диапазону тока по сравнению с интенсивностью падающего света.

В фотопроводящем режиме фотодиод смещен по постоянному току, и ток, протекающий через диод, возникает из-за смещения постоянного тока, а также светочувствительность преобразуется в напряжение резистором и усиливается операционным усилителем. Такой подход расширяет область обеднения, поскольку приложенное смещение уменьшает емкость фотодиода.

Конденсатор используется для установки выходной полосы пропускания как 1 / (2πR F C F ), а также предотвращает колебания. Однако есть задержка RC, так как конденсатор должен заряжаться.

Фототранзистор

Помимо изготовления фотоэлементов из диодов, можно построить светочувствительный элемент из транзисторов. Образно говоря, фототранзистор представляет собой комбинацию фотодиода и транзистора усиления.

В фототранзисторе переход коллектор-база действует как фотодиод. Переход коллектор-база смещен в обратном направлении, подвергая его воздействию источника света. Ток в этом переходе усиливается нормальным действием транзистора и, следовательно, ток коллектора велик.

 

 

 

Принцип действия

Фототранзистор работает аналогично фотодиоду. Дополнительные преимущества заключаются в том, что они могут обеспечивать большой ток коллектора и более чувствительны, чем фотодиоды. Токи в фототранзисторе в 50-100 раз больше, чем в фотодиоде. Подключив фотодиод между выводами коллектора и базы обычного транзистора, он может быть преобразован в фототранзистор.

Характеристики фототранзистора

Фототранзисторы - это, в основном, транзисторы NPN с большим базовым выводом, электрически изолированным или неподключенным. Для управления чувствительностью некоторые фототранзисторы допускают базовое соединение. Если используется соединение с базой, ток базы генерируется, когда фотоны ударяются о поверхность, и заставляет коллектор течь эмиттерным током.

Чтобы добиться обратного смещения на переходе коллектор-база, коллектор находится под более высоким потенциалом по отношению к эмиттеру. В отсутствие света протекает небольшое количество нормального тока утечки. При наличии света на выводе базы количество электронно-дырочных пар в этой области увеличивается, и возникающий ток усиливается работой транзистора.

Светочувствительность с использованием фототранзистора

Чувствительность фототранзистора зависит от коэффициента усиления транзистора по постоянному току. Следовательно, общая чувствительность, которая является функцией тока коллектора, может контролироваться сопротивлением между эмиттером и базой.

Для высокочувствительных приложений, таких как оптопары, используется фототранзистор Дарлингтона. Его обычно называют фото-транзистором Дарлингтона, в нем используется второй биполярный транзистор с переходом NPN. Этот второй транзистор обеспечит дополнительное усиление.

Фототранзистор Дарлингтона состоит из фототранзистора, выход эмиттера которого соединен с базовым выводом второго более крупного NPN-транзистора. Фото-устройство Дарлингтона - очень чувствительный детектор, поскольку общий коэффициент усиления по току является произведением отдельных коэффициентов усиления по току.

 

yes  Каталог светильников ФОКУС

Комментарии

Сообщения не найдены

Новое сообщение