Tính chất áng sángb Tính chất hạt: chùm hạt photon chuyển động với vận tốc lớn, mỗi hạt mang một năng lượng nhất định, năng lượng này chỉ phụ thuộc tần số ν của ánh sáng: ν = φ h... Đ
Trang 1Chương II CẢM BiẾN ĐO QUANG
1 Tính chất và đơn vị đo ánh sáng
2 Cảm biến quang dẫn
3 Cảm biến quang điện phát xạ
Trang 31.2 Tính chất áng sáng
• Vận tốc: c = 299.792 km/s (chân không)
hoặc (môi trường vật chất)
• Bước sóng: (chân không)
hoặc (môi trường vật chất).
ν → tần số ánh sáng.
n c
Trang 41.2 Tính chất áng sáng
b) Tính chất hạt: chùm hạt (photon) chuyển
động với vận tốc lớn, mỗi hạt mang một năng lượng nhất định, năng lượng này chỉ phụ thuộc tần số ( ν ) của ánh sáng:
ν
=
φ h W
Trang 51.2 Đơn vị đo quang
a) Đơn vị đo năng lượng:
•) Năng lượng bức xạ Q (J): là năng lượng
lan truyền hoặc hấp thụ dưới dạng bức xạ tính bằng Jun.
•) Thông lượng ánh sáng Φ : là công suất phát xạ, lan truyền hoặc hấp thụ tính bằng oat.
dt
dQ
=
Trang 61.2 Đơn vị đo quang
Trang 71.2 Đơn vị đo quang
b) Đơn vị đo thị giác:
• Độ nhạy đối với ánh sáng của mắt phụ
thuộc bước sóng:
λ ( µ m)
V( λ )
0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0
0,5 1
λ max
Độ nhạy cực đại ứng với sóng λmax
Trang 81.2 Đơn vị đo quang
Đại lượng đo Đơn vị
Trang 91.2 Đơn vị đo quang
• Hệ số chuyển đổi:
1 đv đo năng lượng = K V( λ ).đv đo thị giác
1W = K V( λ max) =680.1= 680 lumen
Ví dụ đối với ánh sáng đơn sắc:
Đối với ánh sáng phổ liên tục:
ΦV 680 V
λ λ
λ
Φ λ
=
Φ λ∫
λ
d d
) (
d ) ( V 680
2
1 V
(lumen) (lumen)
Trang 102 Cảm biến quang dẫn
2.1 Hiệu ứng quang dẫn: Hiệu ứng quang dẫn (hiệu ứng quang điện nội) là hiện tượng giải phóng những hạt tải điện (hạt dẫn) trong vật liệu dưới tác dụng của ánh sáng làm tăng độ dẫn điện của vật liệu.
Trang 11-Bán dẫn tinh khiết
Bán dẫn loại n Bán dẫn loại p
Trang 122.1 Hiệu ứng quang dẫn
• Mật độ điện tử trong tối:
2 / 1 d 2
2 0
r
N
a r
4
a r.
2
a n
a d → Hệ số tỉ lệ giải phóng e
Nd → Nồng độ tạp chất donno
r → Hệ số tái hợp
Trang 131 V
G g
g → Số e giải phóng do chiếu sáng trong 1s trong 1 đơn vị thể tích:
2 / 1
Trang 14A
1 r
g q
= µ
= σ
Trang 152.2 Tế bào quang dẫn (TBQD)
a) Cấu tạo: thực chất TBQD là một điện trở được
chế tạo từ các chất bán dẫn: đa tinh thể đồng nhất, đơn tinh thể, bán dẫn riêng, bán dẫn pha tạp
0,2 0,6 1 2 3 4 5 10 20 30
CdS CdSe
CdTe PbS
PbSe PbTe Ge
Trang 162.2 Tế bào quang dẫn (TBQD)
b) Đặc trưng chủ yếu:
• Điện trở: điện trở trong tối lớn (từ 104 Ω -
109 Ω ở 25oC đối với PbS, CdS, CdSe ) và giảm nhanh khi độ rọi sáng tăng.
Điện trở ( Ω )
Độ rọi sáng (lx) 0,1 1 10 100
102 104 106 106
1000
Sự phụ thuộc của điện trở vào độ rọi sáng
Trang 172.2 Tế bào quang dẫn (TBQD)
• Độ nhạy:
Nhận xét:
+ Độ nhạy giảm khi Φ tăng (trừ γ = 1)
+ Độ nhạy giảm khi tăng nhiệt độ, khi V điện áp đặt vào lớn
+ Độ nhạy phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng
Trang 182.2 Tế bào quang dẫn
c) Đặc điểm
+ Tỷ lệ chuyển đổi tĩnh cao.
+ Độ nhạy cao.
+ Hồi đáp phụ thuộc không tuyến tính Φ
+ Thời gian hồi đáp lớn.
+ Các đặc trưng không ổn định do già hoá.
+ Độ nhạy phụ thuộc nhiệt độ, một số loại đòi hỏi làm nguội.
Trang 192.2 Tế bào quang dẫn
150
100
50 0 50
Nhiệt độ (oC)
1
3 5 10
30 50 100
Ảnh hưởng của nhiệt
độ đến độ nhạy của tế
bào quang dẫn
Ảnh hưởng bước sóng đến độ nhạy của tế bào
quang dẫn
Trang 202.2 Tế bào quang dẫn
c) Ứng dụng:
lên tế bào quang dẫn, điện trở giảm, cho dòng
qua khuếch đại để đóng mở rơle
thu và biến tín hiệu quang thành xung điện
Trang 212.2 Tế bào quang dẫn
Điều khiển trực tiếp Điều khiển thông qua
tranzito khuếch đại
Trang 222.3 Photođiot
a) Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
Sơ đồ chuyển tiếp P – N
Vùng chuyển tiếp
Trang 232.3 Photođiot
• Nguyên lý hoạt động:
Khi Φ = 0 và V = 0, dòng điện chạy qua chuyển tiếp:
Ikt → Dòng khuếch tán các hạt cơ bản I0 → Dòng hạt
dẫn không cơ bản sinh ra do kích thích nhiệt.
Khi V > 0 → dòng ngược:
Khi V đủ lớn → 0 và Ir = I0.
0
I kT
qV exp
0
0
I kT
qV exp
I I
I
0 0
kt − = − =
=
Trang 24Hiệu ứng quang điện khi chiếu
sáng
V
p 0
d 0
kT
qV exp
I
I = − + +
p p
Ip = η − λ Φ0 − α
Trang 25VR Rm
ES
− +
∆
0 -10 -20 -30 -40
R R I
m
D m
r
R
V R
E
I = +
Trang 262.3 Photođiot
• Chế độ quang thế: điện áp ngoài V = 0.
⇒ Đo thế hở mạch
Khi Ip<< I0: ⇒ nhỏ nhưng tỉ lệ với Φ
Khi Ip>> I0: ⇒ lớn nhưng tỉ lệ với log Φ
=
0
P OC
I
I 1
log q
kT V
0
p oc
I
I q
kT
V ≈
0
P OC
I
I log q
Trang 272.3 Photođiot
c) Độ nhạy:
• S không phụ thuộc thông lượng ánh sáng Φ
• S phụ thuộc vào λ , v ới λ ≤ λ s:
R 1 q I
) (
S ( µ A/ µ W)
T1 T2
Trang 282.3 Photođiot
d) Ứng dụng:
E S
Rm Ir
R1
R2
V 0
CP 1
Rm
ES R1+R2
R 1
V 0 R2
Sơ đồ cơ sở Sơ đồ tác động nhanh
+
−
C2 +
2 m
R
R 1 R
Trang 292.3 Photođiot
- Sơ đồ làm việc ở chế độ quang thế:
Vco
R 1
R 2
V0
+ _
IS C
R1=Rm
Rm
V0
_ +
Sơ đồ tuyến tính Sơ đồ logarit
Trang 322.4 Phototranzito
a) Cấu tạo và nguyên lý hoạt động:
Gồm 3 lớp bán dẫn ghép nối tiếp tạo
thành 2 tiếp giáp E - B và B – C tương tự
như một tranzito.
•) Phân cực: chỉ có điện áp đặt lên C,
không có điện áp đặt lên B, B – C phân
cực ngược.
•) Sơ đồ mạch điện như hình vẽ.
E -
B
C +
N P N Cấu tạo
E
C B
+
Sơ đồ mạch điện
Trang 332.4 Phototranzito
Nguyên lý làm việc:
• Khi đặt điện áp E lên C, điện áp VBE ≈
0,6 ÷ 0,7 V, VBC ≈ E
Khi chiếu sáng tiếp giáp B – C → các
điện tử và lỗ trống phát sinh trong vùng bazơ
dưới tác dụng của ánh sáng sẽ bị phân chia
dưới tác dụng của điện trường trên chuyển
tiếp B – C → điện tử bị kéo về C, lỗ trống ở
lại trong B tạo ra dòng điện tử từ E → B → C
C B E
+
-Sơ đồ tách cặp điện - lỗ trống
Trang 34) X exp(
R 1
q
Trang 3510 0 80 60 40 20
0, 4
0, 6
0, 8
1, 0
λ
( µ m) Đường cong phổ hồi đáp
λ p
Trang 362.4 Phototranzito
d) Ứng dụng phototranzito:
• Chuyển mạch: thông tin dạng nhị phân (có hay không có bức xạ,
bức xạ nhỏ hơn hoặc lớn hơn ngưỡng) → điều khiển rơle, cổng logic hoặc thyristo.
⇒ Cho độ khuếch đại lớn có thể dùng ĐK trực tiếp.
Trang 372.4 Phototranzito
• Sử dụng ở chế độ tuyến tính:
+ Trường hợp thứ nhất: đo ánh sáng không đổi
(giống luxmet).
+ Trường hợp thứ hai: thu nhận tín hiệu thay đổi
(Điều kiện biên độ dao động nhỏ):
Độ tuyến tính kém hơn photodiot
Trang 382.5.Phototranzito hiệu ứng trường
a) Cấu tạo và nguyên lý làm
việc: Gồm 2 lớp P và N ghép
với nhau, lõi là N, vỏ là P, tạo
thành một tiếp giáp P-N Tiếp
giáp P-N được phân cực
ngược, bên ngoài vùng nghèo
là cổng, bên trong vùng nghèo
là kênh Dòng qua kênh phụ
thuộc tiết diện kênh → ∈ điện
áp giữa cổng và kênh:
S
G
D G
D
V
V 1
I I
+
=
Trang 392.5.Phototranzito hiệu ứng trường
• Khi chiếu sáng, chuyển tiếp P - N
hoạt động như một photodiot cho
Sơ đồ mạch
R g
g r
g
Trang 402.5.Phototranzito hiệu ứng trường
c) Đặc điểm và ứng dụng:
Trang 413 Cảm biến quang điện phát xạ
3.1 Hiệu ứng quang điện phát xạ
• Hiệu ứng quang điện phát xạ (hiệu ứng
quang điện ngoài) là hiện tượng các điện
tử được giải phóng khỏi bề mặt vật liệu và
có thể thu lại nhờ tác dụng của điện trường khi chiếu vào chúng một bức xạ ánh sáng có bước sóng thích hợp (nhỏ hơn một ngưỡng nhất định).
Trang 423 Cảm biến quang điện phát xạ
• Cơ chế phát xạ điện tử khi chiếu sáng:
bình khi một photon bị hấp thụ (hiệu suất lượng tử) thường nhỏ hơn 10% và ít khi vượt quá 30%.
Trang 433.2 Tế bào quang điện chân không
a) Cấu tạo:
•) Catot: có phủ lớp vật liệu nhạy với ánh sáng (Cs3Sb,
K2CsSb, Cs2Te, Rb2Te , CsTe …) đặt trong vỏ hình trụ trong suốt (b) hoặc vỏ kim loại có một đầu trong suốt (b) hoặc hộp bên trong được hút chân không (áp suất
~ 10-6 - 10-8 mmHg).
•) Anot: bằng kim loại.
Φ
A K
A
K
Φ
A K
c)
Trang 443.2 Tế bào quang điện chân không
4,75 mW
2,37 mW 0,95 mW
4 3 2 1
0 20 40 60 80 100 120
Φ
Sơ đồ tương đương Đặc tính V - A
• Khi chiếu sáng catot (K) các điện tử phát xạ
và dưới tác dụng của điện đường do Vak tạo
ra tập trung về anot (A)→ tạo thành dòng anot (Ia)
Trang 453.2 Tế bào quang điện chân không
Trang 463.2 Tế bào quang điện chân không
Trang 473.3 Tế bào quang điện dạng khí
a) Cấu tạo và nguyên lý làm việc: cấu tạo tương
tự TBQĐ chân không, chỉ khác bên trong được điền đầy bằng khí (acgon) dưới áp suất cỡ 10-1 - 10-2 mmHg.
4 0
6 0
8 0
100 120
10-2 lm 1,5.10-2 lm
Khi Vak < 20V, đặc tuyến
Trang 483.3 Tế bào quang điện dạng khí
c) Đặc điểm và ứng dụng:
- Dòng Ia lớn
- S phụ thuộc mạnh vào Vak.
⇒ Chuyển mạch và đo tín hiệu
quang
6
2
0 20 40 60 804
8 Stg.đối
Vak (V)
