光传感器

介绍

探测光线是植物、动物甚至设备等一切事物的基本需求。设备研究人员致力于光探测技术,并开发出了性能优良的设备。光是一种电磁辐射,它的波长比无线电波短得多,频率也高得多。这是一种量子力学现象,来自于被称为光子的离散粒子。

光传感器是一种被动传感器,通过检测在一定频率范围内存在的辐射能来指示光的强度。在电磁波的光谱中,使用传感器探测的频率范围在红外到可见光和紫外线之间。

光传感器将以光子形式存在的光能转化为以电子形式存在的电能。因此,它们也被称为照片传感器或照片探测器或光电设备。

根据受影响的物理量,光传感器或光传感器可以分为三种类型。主要的类别是光电电阻,光电光伏和光电发射器。光发射器暴露在光线下会产生电能。光电阻器在受到光照时,其电性能会发生变化。根据以上分类,可以制作以下设备分类。

照片发光细胞:当通过足够的电能击打时,这些类型的光电设备从轻敏材料中释放自由电子。通常使用的光敏材料是铯。光子的能量取决于光的波长或频率。

光子的能量方程是

E = λ

在这里,

h为普朗克常数(h = 6.626 * 10-34J s),

C是光速(C = 3 * 108米/秒)

λ是光的波长。

如果光的频率更高,光子的能量也更高。

照片导电细胞:这些类型的光敏器件在受到光照射时,电阻的电学性质会发生变化。常用的光导材料是硫化镉(CdS),用于光敏电阻光电池。这些光电池的光导性来自于光线照射到半导体材料上,而半导体材料控制着通过它的电流。对于给定的施加电压,当光的强度增加时,电流也增加。

伏打电池照片:这些类型的光敏器件产生的电势或电动势与辐射光的能量成正比。太阳能电池是一种常见的光电池类型,使用硒作为光电池材料。它们是由两种半导体材料夹在一起制成的,当光能入射到它们上时,会产生大约0.5 V的电压。

图片结二极管:这些类型的光电器件通常是半导体器件,利用光来控制电子或空穴在结上的流动。光电二极管和光电晶体管是这一类的两个主要器件。它们是专为探测器应用而设计的。

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光依赖电阻(LDR)

当经过光能时,光电导光传感器将改变其物理性质。光电电阻是一种常见的光电导装置。光电电阻是一种半导体器件,它使用光能来控制电子流,从而控制它们的电流。

最常见的光电导电池类型是光依赖电阻或LDR。顾名思义,光依赖性电阻是根据光的存在改变其电阻的半导体器件。光依赖电阻器通过在材料中创建电子孔对在其上发生在暗中时,在黑暗中的高值为几千欧姆的电阻从高值达到几百欧姆的变化。

制作光相关电阻最常用的材料是硫化镉(CdS)。其他材料如硫化铅(PbS),锑化铟(InSb)或硒化铅(PbSe)也可以用作半导体衬底。

硫化镉用于对近红外和可见光敏感的光电阻器。之所以使用它,是因为它的光谱响应曲线与人眼的光谱响应曲线非常相似。它可以由简单的光源如闪光灯控制,硫化镉材料的峰值敏感波长在可见光谱范围内约为560nm ~ 600nm。亚博彩票下载

硫化镉以螺纹形式沉积在绝缘子上,其形状为之字形,如下图所示。

异地恋光敏电阻

其原因是增加暗电阻,从而减少暗电流。这种电池封装在玻璃中,以保护基板不受污染。

光敏电阻的符号如下所示。

异地恋的象征

最常用的光电管类型是ORP12硫化镉光电管。

ORP12型光导体电池的特性如下:峰值光谱响应为610nm,暗电阻为10 MΩ,光照电阻为100 Ω。

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光相关电阻分压器网络

一个光相关电阻通常与一个电阻串联在一起,这个电阻上有一个直流电压。连接如下所示。

异地恋分压器

这种连接的优点是它们在其交界处的不同电压的外观,用于不同的光强度。该连接是分压器网络或潜在分频器的示例。原因是因为光依赖电阻r的电阻值异地恋将确定串联电阻器r的电压降的量1

串联中的电流是相同的,由于光相关电阻的电阻因光强而变化,输出电压将通过使用分压器公式来确定。

输出电压V= V*(右1/ (R异地恋+ R.1))。

在没有光的情况下,光相关电阻的电阻高达10 M Ω。在阳光的存在下,光相关电阻的电阻将下降到100 Ω。下面的曲线显示了光相关电阻在不同光强度下的电阻变化。

4.光相关电阻在不同光强度下的电阻变化

光敏开关是光敏电阻的一种常用应用。光相关电阻开关的电路如下所示。

异地恋开关

它是一种具有继电器输出光激活开关的光传感器电路。光相关电阻R异地恋和电阻器r1形成分压器网络。当没有光时,即在黑暗中,光相关电阻的电阻是在百万欧姆的顺序。基极偏置电压为零,晶体管处于OFF状态。

随着光强度的增加,光相关电阻的电阻减小,偏置电压增加。在由分压器网络决定的某一点上,偏置电压升高到足以打开晶体管。这反过来激活继电器,可以用来控制一些其他外部电路。

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使用LDR光敏电路

LDR开关的灵敏度相当低。为了提高光敏的灵敏度,可以应用很少的修改。固定电阻R1用电位计VR1代替。晶体管被运算放大器替换,并将光依赖电阻结合到惠斯通桥中。使用光相关电阻的新的更敏感的光敏电路如下所示。

使用LDR光敏电路

电阻器LDR,VR1,R.1和R2将形成惠斯通桥。电桥LDR - VR1和R1 - R2的两侧形成一个电压分压器,输出电压为V1和V2。这些电压分别连接到运算放大器的非反相和反相输入端。运算放大器是一个差分放大器,其输出是两个输入电压V1和V2之间的差的函数。这也被称为带反馈的电压比较器。反馈电阻Rf用于提供所需的电压增益。

操作放大器的输出连接到可以控制外部电路的继电器。当电压V1由于LDR的光感测而低于用作参考电压的电压V2时,放大器的输出改变其状态。这导致继电器激活,并打开负载。

当光强度增加时,输出开关返回,继电器关闭。

在这里,当光的强度较低时,继电器就会打开。通过反转光检测电阻和电位器的位置,可以反转操作。现在,当光电平增加并超过参考电压设置的电平时,继电器被打开。

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光电二极管

光电二极管是在基本上是PN结光传感器的光电连接装置中。它们通常由半导体PN结制成,对可见光和红外光敏感。当光入射在光电二极管上时,电子和孔被分离,并将允许结的交叉来进行。

光电二极管的构造与任何其他传统结二极管一样。一个典型的光电二极管如下所示。

光电二极管

用于信号和整流二极管的不透明涂层在光电二极管中没有。这使得二极管足够透明,允许光和影响结的导电性。

光电二极管的符号如下所示。

光电二极管符号

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操作原理

光电二极管偏向其易于电流方向,即反向偏置,使得非常低的漏电流流动。如果足够的能量的光子在其交界处入射在二极管上,则电子被释放,如果它具有足够的能量,则可能通过能量屏障导致小漏电流流动。电流量与结的照明量成比例。

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光敏二极管特性

在没有光的情况下,光电二极管的电流-电压特性与普通二极管相似。与普通二极管类似,当光电二极管正偏置时,电流呈指数增长。当它是反向偏置时,一个小的泄漏电流称为反向饱和电流将出现,并导致耗尽区增加。

当光电二极管用作光传感器时,对于锗型二极管,暗电流约为10μA,对于硅式二极管,为1μA。当光线的强度为0勒克斯时,暗电流是当前的。

8.光敏二极管特性

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光电二极管的光传感

光电二极管可以在两种模式下工作和偏压:光伏模式和光导模式。

在光电模式下,光电二极管连接到虚拟地前置放大器。电路如下所示。

光电二极管在光伏模式

当光子入射时,产生一个电压,并被运算放大器放大。除了热产生的电流,没有基本的泄漏电流,因为在二极管上没有直流偏置。

在下面示出了将由光产生的电流转换为电压并通过运算放大器放大的类似电路。

电流到电压使用光电二极管

这些电路利用运放的特性,其中两个输入端子在零电压下操作二极管没有任何直流偏置。运放的这种配置为光电二极管提供了高阻抗负载,从而相对于入射光的强度产生更大范围的电流。

在光导模式下,光电二极管是直流电偏置的,流过二极管的电流由于直流电偏置以及光敏被电阻转换为电压,并被运算放大器放大。当应用偏置降低光电二极管的电容时,这种方法会使耗尽区变宽。

光导模式下的光电二极管电路如下图所示。

光导模式下的光电二极管

利用电容器将输出带宽设为1 / (2πR)FCF),也可以防止振荡。然而,RC有一个延迟,因为电容必须充电。

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PhotoLro ansistor

除了用二极管制造光结器件,还可以用晶体管制造光传感器。形象地说,光晶体管基本上是光二极管和放大晶体管的组合。

光电三极管、光电二极管和三极管的表示如下所示。

光电二极管和晶体管

光电晶体管的符号如下所示。

光电晶体管的象征

在光电晶体管中,集电极-基极结起光电二极管的作用。集电极-基极结是反向偏置的,将其暴露在光源下。这个结的电流被晶体管的正常作用放大,因此集电极电流很大。

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操作原理

光电晶体管的操作类似于光电二极管的操作。额外的益处是它们可以提供比光电二极管的大集电器电流和敏感。光电二极管的光电二极管的情况下,光晶体管中的电流大于50至100倍。通过将光电二极管连接在正常晶体管的集电极和基极端之间,可以将其转换为照片晶体管。

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照片晶体管特性

光电晶体管基本上是NPN晶体管,它们的大型基极是电隔离的或不连接的。为了控制灵敏度,一些光电晶体管允许基极连接。如果使用基极连接,当光子撞击表面时就会产生基极电流,并导致集电极和发射极电流流动。

为了在集电极基结处实现反向偏压,收集器相对于发射器处于较高的电位。在没有光的情况下,少量的正常漏电流流动。在基础端子上的光存在下,通过晶体管操作放大该区域中的电子 - 空穴对的数量增加并且产生电流。

光强度,电流和输出电压之间的关系如下所示。

14.光强、电流和输出电压之间的关系

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利用光敏晶体管的光传感

下面显示了一个简单的用于感光的电路,它包含一个光电晶体管。

利用光电晶体管进行光传感

光敏晶体管的灵敏度取决于晶体管的直流电流增益。因此,整体灵敏度是集电极电流的函数,可以通过发射极和基极之间的电阻来控制。

对于高灵敏度的应用,如光耦合器,使用达林顿光电晶体管。它通常被称为Photo Darlington晶体管,并使用第二双极NPN结晶体管。这第二只晶体管将提供额外的放大效果。

一个光电晶体管和第二个晶体管的电路如下所示。

带有第二晶体管的光电晶体管放大器

照片达林顿晶体管的符号如下所示。

照片达林顿晶体管符号

Photo Darlington晶体管由光电输出耦合到第二较大NPN晶体管的基底端子的光电晶体管。照片达林顿设备是一个非常敏感的探测器,因为总电流增益是各个电流收益的产品。

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3反应

  1. 我有金属屏蔽光电池,侧面没有41,它来自卡瓦依风琴的音量控制,我需要一个替换的电线引线已经断了,可以识别或告诉我型号。

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