Como usar fotorresistores, fotodiodos e fototransistores

Os sensores são completamente diferentes. Eles diferem em princípio de ação, na lógica de seu trabalho e nos fenômenos e quantidades físicos aos quais são capazes de responder. Os sensores de luz não são usados ​​apenas em equipamentos de controle automático de iluminação, eles são usados ​​em um grande número de dispositivos, desde fontes de alimentação a alarmes e sistemas de segurança.

Os principais tipos de dispositivos fotoeletrônicos. Informação geral

Um fotodetector em sentido geral é um dispositivo eletrônico que responde a uma mudança no fluxo de luz incidente em sua parte sensível. Eles podem diferir, tanto na estrutura quanto no princípio de operação. Vamos olhar para eles.

Fotorresistores - altere a resistência ao iluminar

Um fotorresistor é um dispositivo fotográfico que altera a condutividade (resistência) dependendo da quantidade de luz incidente em sua superfície. Quanto mais intenso exposição à luz área sensível, menor resistência. Aqui está um esquema disso.

Consiste em dois eletrodos de metal, entre os quais existe um material semicondutor. Quando o fluxo de luz atinge o semicondutor, os portadores de carga são liberados nele, isso contribui para a passagem de corrente entre os eletrodos de metal.

A energia do fluxo de luz é gasta na superação do gap da banda pelos elétrons e sua transição para a banda de condução. Como semicondutores, os fotocondutores usam materiais como: sulfeto de cádmio, sulfeto de chumbo, selenito de cádmio e outros. A característica espectral do fotorresistor depende do tipo desse material.

Interessante:

A característica espectral contém informações sobre quais comprimentos de onda (cor) do fluxo de luz são mais sensíveis a um fotorresistor. Em alguns casos, é necessário selecionar cuidadosamente um emissor de luz com o comprimento de onda apropriado, para obter a maior sensibilidade e eficiência de trabalho.

O fotorresistor não foi projetado para medir com precisão a iluminação, mas para determinar a presença de luz, de acordo com suas leituras, o ambiente pode ser detectado mais claro ou mais escuro. A característica de tensão de corrente do fotorresistor é a seguinte.

Ele descreve a dependência da corrente na tensão para vários valores do fluxo de luz: Ф - escuridão e Ф3 - essa é a luz brilhante. É linear. Outra característica importante é a sensibilidade, é medida em mA (μA) / (Lm * V). Isso reflete a quantidade de corrente que flui através do resistor, com um certo fluxo luminoso e uma tensão aplicada.

A resistência escura é a resistência ativa na completa ausência de iluminação, é indicada por RT, e a característica RT / Rb é a taxa de alteração da resistência do estado do fotorresistor na completa ausência de iluminação para o estado máximo iluminado e a menor resistência possível, respectivamente.

Os fotorresistores têm uma desvantagem significativa - sua frequência de corte. Este valor descreve a frequência máxima do sinal sinusoidal com o qual você modela o fluxo luminoso, no qual a sensibilidade diminui 1,41 vezes. Nos livros de referência, isso é refletido pelo valor da frequência ou por uma constante de tempo. Ele reflete a velocidade dos dispositivos, que geralmente levam dezenas de microssegundos - 10 ^ (- 5) s. Isso não permite usá-lo onde é necessário alto desempenho.

Fotodiodo - converte luz em carga elétrica

Um fotodiodo é um elemento que converte a luz que entra em uma área sensível em uma carga elétrica. Isso ocorre porque, quando irradiados na junção pn, ocorrem vários processos associados ao movimento dos portadores de carga.

Se a condutividade for alterada no fotorresistor devido ao movimento de portadores de carga no semicondutor, uma carga será formada no limite da junção pn. Pode operar no modo de um fotoconversor e um gerador de fotos.

Na estrutura, é o mesmo que um diodo convencional, mas, no seu caso, existe uma janela para a passagem da luz. Externamente, eles vêm em vários modelos.

Os fotodiodos do corpo negro aceitam apenas radiação infravermelha. O revestimento preto é algo como tingimento. Filtra o espectro de infravermelho para excluir a possibilidade de acionar a radiação de outros espectros.

Os fotodiodos, como os fotorresistores, têm uma frequência de corte, só que aqui é de ordens de magnitude maior e chega a 10 MHz, o que permite um bom desempenho. Os fotodiodos P-i-N possuem alta velocidade - 100 MHz-1 GHz, como diodos baseados na barreira Schottky. Os diodos de avalanche têm uma frequência de corte de cerca de 1-10 GHz.

No modo fotoconversor, esse diodo funciona como uma chave controlada pela luz, para isso é conectado ao circuito em polarização direta. Ou seja, o cátodo até um ponto com um potencial mais positivo (para mais) e o ânodo para um potencial mais negativo (para menos).

Quando o diodo não é iluminado pela luz, apenas a corrente escura reversa Iobrt flui (unidades e dezenas de μA) e, quando o diodo está aceso, uma fotocorrente é adicionada a ele, que depende apenas do grau de iluminação (dezenas de mA). Quanto mais luz, mais corrente.

Fotocorrente Se for igual a:

Iph = Sint * F,

onde Sint é a sensibilidade integral, Ф é o fluxo luminoso.

Um esquema típico para ligar um fotodiodo no modo fotoconversor. Preste atenção em como ele está conectado - na direção oposta em relação à fonte de energia.

Outro modo é o gerador. Quando a luz entra no fotodiodo, a tensão é gerada em seus terminais, enquanto as correntes de curto-circuito nesse modo são dezenas de amperes. Lembra operação de células solaresmas tem baixa potência.

Fototransistores - abertos pela quantidade de luz incidente

O fototransistor é inerentemente transistor bipolar que, em vez da saída base, tem uma janela para a luz entrar lá. O princípio de operação e as razões para esse efeito são semelhantes aos dispositivos anteriores. Os transistores bipolares são controlados pela quantidade de corrente que flui através da base, e os fototransistores, por analogia, são controlados pela quantidade de luz.

Às vezes, o UGO ainda mostra a saída da base. Em geral, a tensão é fornecida ao fototransistor e ao usual, e a segunda opção de comutação é com uma base flutuante, quando a saída básica permanece sem uso.

Fototransistores também estão incluídos no circuito.

Ou troque o transistor e o resistor, dependendo do que exatamente você precisa. Na ausência de luz, uma corrente escura flui através do transistor, que é formado a partir da corrente base, que você pode definir.

Ao definir a corrente de base necessária, você pode definir a sensibilidade do fototransistor selecionando seu resistor de base. Dessa maneira, até a luz mais fraca pode ser capturada.

Nos tempos soviéticos, os radioamadores produziam fototransistores com as próprias mãos - eles criavam uma janela para a luz, cortando parte da caixa com um transistor convencional. Para isso, transistores como MP14-MP42 são excelentes.

A partir da característica corrente-tensão, é visível a dependência da fotocorrente na iluminação, enquanto é praticamente independente da tensão coletor-emissor.

Além dos fototransistores bipolares, existem outros de campo. Os bipolares operam em frequências de 10 a 100 kHz, depois os de campo são mais sensíveis. Sua sensibilidade atinge vários amperes por lúmen e é mais "rápida" - até 100 MHz. Os transistores de efeito de campo têm uma característica interessante: nos valores máximos do fluxo luminoso, a tensão do portão quase não afeta a corrente de drenagem.

Escopos de dispositivos fotoeletrônicos

Antes de tudo, você deve considerar opções mais familiares para sua aplicação, por exemplo, inclusão automática de luz.

O diagrama mostrado acima é o dispositivo mais simples para ligar e desligar a carga em uma determinada condição de luz. Fotodiodo FD320 Quando a luz entra, uma certa tensão se abre e R1 cai uma certa tensão quando seu valor é suficiente para abrir o transistor VT1 - ele abre e abre outro transistor - VT2. Esses dois transistores são um amplificador de corrente de dois estágios, necessário para alimentar a bobina K1 do relé.

Diodo VD2 - necessário para suprimir a auto-indução de CEM, formada ao trocar a bobina. Um dos fios da carga está conectado ao terminal de entrada do relé, o superior de acordo com o esquema (para corrente alternada - fase ou zero).

Normalmente, temos contatos fechados e abertos; eles são necessários para selecionar o circuito a ser ligado ou para ativar ou desativar a carga da rede quando a iluminação necessária for atingida. O potenciômetro R1 é necessário para ajustar o dispositivo para operar na quantidade certa de luz. Quanto maior a resistência, menos luz é necessária para ligar o circuito.

Variações desse esquema são usadas na maioria dos dispositivos semelhantes, adicionando um certo conjunto de funções, se necessário.

Além de ligar a carga leve, esses fotodetectores são usados ​​em vários sistemas de controle, por exemplo, os fotorresistores são frequentemente usados ​​em catracas de metrô para detectar cruzamentos não autorizados (lebre) da catraca.

Em uma gráfica, quando uma tira de papel quebra, a luz entra no fotodetector e, assim, dá ao operador um sinal sobre isso. O emissor está em um lado do papel e o fotodetector está na parte de trás. Quando o papel está rasgado, a luz do emissor atinge o fotodetector.

Em alguns tipos de alarmes, um emissor e um fotodetector são usados ​​como sensores para entrar na sala e dispositivos infravermelhos são usados ​​para que a radiação não seja visível.

Em relação ao espectro IR, você não pode mencionar o receptor de TV, que recebe sinais do LED IR no controle remoto quando muda de canal. As informações são codificadas de uma maneira especial e a TV entende o que você precisa.

Informações assim transmitidas anteriormente pelas portas de infravermelho dos telefones celulares. A velocidade de transmissão é limitada pelo método de transmissão seqüencial e pelo princípio de operação do próprio dispositivo.

Mouses de computador também usam tecnologia associada a dispositivos fotoeletrônicos.

Pedido de transmissão de sinal em circuitos eletrônicos

Dispositivos optoeletrônicos são dispositivos que combinam um transmissor e um fotodetector no mesmo compartimento, como os descritos acima. Eles são necessários para conectar dois circuitos do circuito elétrico.

Isso é necessário para isolamento galvânico, transmissão rápida de sinal, bem como para conectar circuitos CC e CA, como no caso de controle triac em um circuito de 220 V 5 V com um sinal do microcontrolador.

Eles possuem uma designação gráfica que contém informações sobre o tipo de elementos usados ​​dentro do acoplador óptico.

Considere alguns exemplos do uso de tais dispositivos.

Controlando um triac usando um microcontrolador

Se você estiver projetando um tiristor ou conversor triac, terá um problema. Primeiramente, se a transição na saída de controle interromper - ao pino do microcontrolador alto potencial cairá e o último falhará. Para isso, drivers especiais foram desenvolvidos, com um elemento chamado optosimistor, por exemplo, MOC3041.

Feedback do acoplador óptico

Nas fontes de alimentação de comutação estabilizadas, é necessário feedback. Se excluirmos o isolamento galvânico nesse circuito, em caso de falha de alguns componentes no circuito do SO, um alto potencial aparecerá no circuito de saída e o equipamento conectado falhará, não estou dizendo que você pode ficar chocado.

Em um exemplo específico, você vê a implementação desse SO do circuito de saída para o enrolamento de feedback (controle) do transistor usando um acoplador óptico com a designação serial U1.

Conclusões

Foto e optoeletrônica são seções muito importantes na eletrônica, que melhoraram significativamente a qualidade do equipamento, seu custo e confiabilidade. Usando um acoplador óptico, é possível excluir o uso de um transformador de isolamento nesses circuitos, o que reduz as dimensões gerais. Além disso, alguns dispositivos são simplesmente impossíveis de implementar sem esses elementos.