Cảm biến ánh sáng là gì

Một cảm biến ánh sáng tạo ra tín hiệu đầu ra cho biết cường độ ánh sáng bằng cách đo năng lượng bức xạ tồn tại trong một dải tần số rất hẹp về cơ bản được gọi là “ánh sáng” và tần số từ

Cảm biến ánh sáng là gì?

POSTED ON 13 THÁNG BẢY, 2018 BY TK TECH HUY

Th7

Cảm biến ánh sáng là các thiết bị quang điện chuyển đổi năng lượng ánh

sáng (photon) cho dù ánh sáng nhìn thấy được hay tia hồng ngoại thành tín

hiệu điện (electron) Vậy cảm biến ánh sáng là gì? Cùng Testostore.vn tìm

hiểu nhé?

Một cảm biến ánh sáng tạo ra tín hiệu đầu ra cho biết cường độ ánh sáng

bằng cách đo năng lượng bức xạ tồn tại trong một dải tần số rất hẹp về cơ bản được gọi là “ánh sáng” và tần số từ “Hồng ngoại” đến “Có thể nhìn thấy” tới ” Tia cực tím ”quang phổ ánh sáng

Cảm biến ánh sáng là gì?

Cảm biến ánh sáng là gì?Cảm biến ánh sáng là một thiết bị thụ động

chuyển đổi “năng lượng ánh sáng” này cho dù có thể nhìn thấy hoặc trong các phần hồng ngoại của quang phổ thành tín hiệu điện

Cảm biến ánh sáng thường được gọi là “Thiết bị quang điện” hoặc “Cảm biến ảnh” bởi vì năng lượng ánh sáng chuyển đổi (photon) thành điện (electron)

Các thiết bị quang điện có thể được nhóm lại thành hai loại chính, những loại

tạo ra điện khi chiếu sáng, chẳng hạn như voltaics hoặc

Photo-emissives vv, và những thứ thay đổi tính chất điện của chúng theo một số cách như Photon-resistors hoặc Photo-conductors Điều này dẫn đến việc

phân loại thiết bị sau

Đặc điểm:

• • Các tế bào phát xạ ảnh – Đây là các photodevices giải phóng các electron tự do từ một vật liệu nhạy sáng như xêzi khi bị một photon tràn đầy năng lượng Lượng năng lượng mà các photon phụ thuộc vào tần số ánh sáng và tần số càng cao, năng lượng càng nhiều thì các photon chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện

• • Các tế bào dẫn điện ảnh – Các photodevices này thay đổi điện trở của chúng khi chịu ánh sáng Photoconductivity kết quả từ ánh sáng đánh một vật liệu bán dẫn mà kiểm soát dòng chảy hiện tại thông qua

nó Do đó, nhiều ánh sáng tăng dòng điện cho một điện áp áp dụng

đã cho Vật liệu quang dẫn phổ biến nhất là Cadmium Sulphide được

sử dụng trong quang điện LDR

• • Các tế bào quang điện – Các photodevices này tạo ra một emf tương ứng với năng lượng ánh sáng bức xạ nhận được và tương tự

có hiệu lực với quang điện Năng lượng ánh sáng rơi vào hai vật liệu bán dẫn kẹp lại với nhau tạo ra điện áp xấp xỉ 0.5V Vật liệu quang điện phổ biến nhất là Selen được sử dụng trong các tế bào năng lượng mặt trời

• • Thiết bị ghép nối ảnh – Các thiết bị quang này chủ yếu là các thiết

bị bán dẫn thực sự như photodiode hoặc phototransistor sử dụng ánh sáng để điều khiển dòng electron và lỗ trên đầu nối PN của chúng Thiết bị chụp ảnh được thiết kế đặc biệt cho ứng dụng máy

dò và sự thâm nhập ánh sáng với phản ứng quang phổ của chúng được điều chỉnh theo bước sóng ánh sáng tới

Tế bào quang điện

Bài viết có thể bạn quan tâm:

Cảm biến vị trí là gì?

Cảm biến và đầu dò

Cảm biến nhiệt độ là gì?

Một cảm biến ánh sáng quang điện không tạo ra điện nhưng chỉ thay đổi các

tính chất vật lý của nó khi phải chịu năng lượng ánh sáng Loại phổ biến nhất

của thiết bị quang điện là điện trở Photores mà thay đổi điện trở của nó để

đáp ứng với những thay đổi cường độ ánh sáng

Photoresistors là các thiết bị bán dẫn sử dụng năng lượng ánh sáng để điều

khiển dòng điện tử, và do đó dòng điện chạy qua chúng Tế bào quang

điện thường được sử dụng được gọi là điện trở phụ thuộc ánh

sáng hoặc LDR

Điện trở phụ thuộc ánh sáng

Như tên gọi của nó, Điện trở phụ thuộc (LDR) được làm từ vật liệu bán dẫn tiếp xúc như

cadmium sulphide làm thay đổi điện trở từ vài nghìn Ohms trong bóng tối thành chỉ vài trăm Ohms khi ánh sáng rơi vào nó bằng cách tạo ra cặp electron-lỗ trong vật liệu.

LCR điển hình Hiệu ứng ròng là sự cải thiện tính dẫn điện của nó với sự giảm sức đề kháng cho sự gia tăng chiếu sáng Ngoài ra, các tế bào photoresistive có thời gian đáp ứng dài đòi hỏi nhiều giây để phản ứng với sự thay đổi cường độ ánh sáng

Vật liệu được sử dụng làm chất bán dẫn bao gồm chì sunphua (PbS),

selenua chì (PbSe), indimon antimonide (InSb) phát hiện ánh sáng trong dải

hồng ngoại với các cảm biến ánh sáng phổ biến nhất là Cadmium

Sulphide ( Cds )

Cadmium sulphide được sử dụng trong sản xuất các tế bào quang điện vì đường phản ứng quang phổ của nó gần giống với mắt người và thậm chí có thể được điều khiển bằng cách sử dụng một ngọn đuốc đơn giản như một nguồn sáng Thông thường, nó có bước sóng nhạy cảm đỉnh ( λp ) khoảng 560nm đến 600nm trong phạm vi phổ khả kiến

Light Resendent Resistor Cell

Cảm biến ánh sáng photoresistive được sử dụng phổ biến nhất là tế bào

quang điện ORP12 Cadmium Sulphide Điện trở phụ thuộc ánh sáng này có

một phản ứng quang phổ khoảng 610nm trong vùng màu vàng đến màu cam của ánh sáng Sức đề kháng của tế bào khi không được chiếu sáng (kháng tối) là rất cao vào khoảng 10MΩ trong đó giảm xuống khoảng 100Ω khi được chiếu sáng hoàn toàn (kháng sáng)

Để tăng sức đề kháng tối và do đó làm giảm dòng tối, đường điện trở tạo thành một hình zigzag trên đế gốm CdS photocell là một thiết bị chi phí rất thấp thường được sử dụng trong tự động mờ, bóng tối hoặc hoàng hôn phát hiện để chuyển các đèn đường “ON” và “OFF”, và cho các ứng dụng loại tiếp xúc với đồng hồ chụp ảnh

Kết nối một điện trở phụ thuộc ánh sáng trong loạt với một điện trở tiêu

chuẩn như thế này trên một điện áp cung cấp DC duy nhất có một lợi thế lớn, một điện áp khác nhau sẽ xuất hiện tại ngã ba của họ cho các cấp độ khác nhau của ánh sáng

Lượng điện áp giảm qua điện trở loạt, R 2 được xác định bởi giá trị điện trở của điện trở phụ thuộc ánh sáng, R LDR Khả năng tạo ra các điện áp khác nhau tạo ra một mạch rất tiện dụng được gọi là “Bộ chia tiềm năng”

hoặc Mạng Bộ chia Điện áp

Như chúng ta biết, dòng điện thông qua một chuỗi mạch là phổ biến và khi LDR thay đổi giá trị điện trở của nó do cường độ ánh sáng, điện áp có mặt tại V OUT sẽ được xác định bằng công thức chia điện áp Độ bền của

LDR, R LDR có thể thay đổi từ khoảng 100Ω trong ánh sáng mặt trời, đến hơn 10MΩ trong bóng tối tuyệt đối với biến thể kháng được chuyển đổi thành biến thể điện áp tại V OUT như được hiển thị

Một cách sử dụng đơn giản Điện trở phụ thuộc ánh sáng , là một công tắc

nhạy sáng như hình dưới đây

Cảm biến ánh sáng là gì?

Mạch cảm biến ánh sáng cơ bản này là công tắc kích hoạt ánh sáng đầu ra

relay Một mạch chia tiềm năng được hình thành giữa điện trở quang, LDR và điện trở R1

Khi không có ánh sáng có nghĩa là trong bóng tối, sức đề kháng của LDR là rất cao trong phạm vi Megaohms ( MΩ ) vì vậy không thiên vị cơ sở được áp dụng cho TR1 tranzito và relay là de-energized hoặc “OFF”

Khi mức ánh sáng tăng thì điện trở của LDR bắt đầu giảm xuống khiến điện

áp thiên vị cơ sở ở V1 tăng lên Tại một số điểm được xác định bởi mạng chia tiềm năng được hình thành với điện trở R1 Điện áp thiên vị cơ sở đủ cao để bật transistor TR1 “ON” và do đó kích hoạt rơle được sử dụng để điều khiển một số mạch bên ngoài

Khi mức ánh sáng giảm trở lại bóng tối một lần nữa sức đề kháng

của LDR tăng làm cho điện áp cơ sở của bóng bán dẫn giảm, chuyển bóng bán dẫn và chuyển tiếp “OFF” ở mức ánh sáng cố định được xác định lại bởi mạng chia tiềm năng

Bằng cách thay thế điện trở cố định R1 bằng một chiết áp VR1 , điểm mà tại

đó rơle chuyển sang “ON” hoặc “OFF” có thể được thiết lập trước đến một mức ánh sáng cụ thể Loại mạch đơn giản được trình bày ở trên có độ nhạy khá thấp và điểm chuyển mạch của nó có thể không nhất quán do các biến thể ở nhiệt độ hoặc điện áp cung cấp

Mạch kích hoạt ánh sáng chính xác nhạy cảm hơn có thể dễ dàng được thực hiện bằng cách kết hợp LDR vào một sắp xếp “Cầu Wheatstone” và thay thế bóng bán dẫn bằng một Bộ khuếch đại hoạt động như được hiển thị

Mạch cảm biến mức ánh sáng

mạch cảm biến ánh sáng

Trong mạch cảm biến tối cơ bản này, điện trở phụ thuộc LDR1 và chiết

áp VR1 tạo thành một cánh tay điều chỉnh của một mạng cầu kháng đơn giản,

còn được gọi là cầu Wheatstone

Trong khi hai điện trở cố định R1 và R2 tạo thành cánh tay kia Cả hai bên của cầu tạo thành mạng lưới chia tiềm năng trên điện áp nguồn cung cấp có đầu ra V1 và V2được kết nối với đầu vào điện áp không đảo ngược và đảo ngược tương ứng của bộ khuếch đại hoạt động

Bộ khuếch đại hoạt động được cấu hình như Bộ khuếch đại vi sai còn được gọi là bộ so sánh điện áp với phản hồi có điều kiện điện áp đầu ra được xác định bởi sự khác biệt giữa hai tín hiệu đầu vào hoặc điện áp, V1 và V2

Kết hợp điện trở R1 và R2 tạo thành một tham chiếu điện áp cố định tại đầu vào V2 , được thiết lập bởi tỷ lệ của hai điện trở Kết hợp LDR – VR1 cung cấp một đầu vào điện áp biến V1 tỷ lệ thuận với mức ánh sáng được phát hiện bởi điện trở quang

Như với mạch trước, đầu ra từ bộ khuếch đại hoạt động được sử dụng để điều khiển rơle, được bảo vệ bởi một diode bánh xe miễn phí, D1

Khi mức ánh sáng cảm nhận bởi LDR và điện áp đầu ra của nó rơi xuống dưới điện áp tham chiếu được đặt ở V2 đầu ra từ trạng thái thay đổi op-amp kích hoạt rơle và chuyển tải kết nối

Tương tự như mức độ ánh sáng tăng đầu ra sẽ chuyển trở lại chuyển “OFF”

relay Độ trễ của hai điểm chuyển mạch được thiết lập bởi điện trở phản

hồi Rf có thể được chọn để cung cấp bất kỳ điện áp thích hợp nào của bộ khuếch đại

Hoạt động của loại mạch cảm biến ánh sáng này cũng có thể đảo ngược để

chuyển tiếp “ON” khi mức ánh sáng vượt quá mức điện áp tham chiếu và ngược lại bằng cách đảo ngược vị trí của cảm biến ánh sáng LDR và chiết

áp VR1

Potentiometer có thể được sử dụng để “cài đặt trước” điểm chuyển mạch của

bộ khuếch đại vi sai cho bất kỳ mức ánh sáng cụ thể nào làm cho nó trở nên

lý tưởng như một mạch dự án cảm biến ánh sáng đơn giản

Thiết bị chụp ảnh

Thiết bị chụp ảnh về cơ bản là cảm biến ánh sáng PN-Junction hoặc thiết

bị dò được tạo ra từ các điểm nối PN bán dẫn silicon nhạy cảm với ánh sáng

và có thể phát hiện cả ánh sáng nhìn thấy được và các mức ánh sáng hồng

ngoại.

Thiết bị nối ảnh được thiết kế đặc biệt để cảm nhận ánh sáng và loại cảm

biến ánh sáng quang điện này bao gồm Photodiode và Phototransistor

Photodiode.

Photo diode

Việc xây dựng cảm biến ánh sáng Photodiode tương tự như một diode PN-junction thông

thường ngoại trừ vỏ điốt bên ngoài là trong suốt hoặc có thấu kính rõ ràng để tập trung ánh sáng vào điểm nối PN để tăng độ nhạy Đường giao nhau sẽ phản ứng với ánh sáng đặc biệt là các bước sóng dài hơn như màu đỏ và hồng ngoại hơn là ánh sáng khả kiến.

Đặc điểm này có thể là một vấn đề đối với các điốt với các thân hạt trong suốt hoặc thủy tinh như diode tín hiệu 1N4148 Đèn LED cũng có thể được sử dụng làm đèn quang học vì cả hai có thể phát ra và phát hiện ánh sáng từ đường giao nhau của chúng

Tất cả các mối nối PN có độ nhạy sáng và có thể được sử dụng trong chế độ điện áp không bị dẫn điện ảnh với điểm tiếp xúc PN của photodiode luôn “Đảo ngược hướng” để chỉ rò rỉ điốt hoặc dòng tối có thể chảy.Diode tín

hiệu1N4148 Đèn LED cũng có thể được sử dụng làm đèn quang học vì cả hai có thể phát ra và phát hiện ánh sáng từ đường giao nhau của chúng

Tất cả các mối nối PN có độ nhạy sáng và có thể được sử dụng trong chế độ điện áp không bị dẫn điện ảnh với điểm tiếp xúc PN của photodiode luôn “Đảo ngược hướng” để chỉ rò rỉ điốt hoặc dòng tối có thể chảy

Đặc tính điện áp hiện tại (I / V Curves) của một photodiode không có ánh sáng trên đường giao nhau của nó (chế độ tối) rất giống với tín hiệu bình thường hoặc diode chỉnh lưu Khi photodiode được chuyển tiếp thiên vị, có một sự gia tăng theo cấp số mũ trong dòng điện, giống như đối với một diode thông thường

Khi áp dụng sai lệch ngược, một dòng bão hòa ngược nhỏ xuất hiện làm tăng vùng suy giảm, là phần nhạy cảm của đường giao nhau Photodiodes cũng có thể được kết nối trong một chế độ hiện tại bằng cách sử dụng điện áp phân cực cố định trên đường giao nhau Chế độ hiện tại rất tuyến tính trên một phạm vi rộng

Cấu tạo và đặc điểm Photo-diode

cấu tạo và đặc điểm photo-diode

Khi được sử dụng như một bộ cảm biến ánh sáng, một hiện tượng quang điện tối (0 lux) là khoảng 10uA cho geranium và 1uA cho các điốt loại

silicon Khi ánh sáng rơi vào ngã ba nhiều lỗ / cặp electron được hình thành

và dòng rò sẽ tăng lên Dòng rò này tăng lên khi sự chiếu sáng của đường giao nhau tăng lên

Do đó, dòng quang phát quang là tỷ lệ thuận với cường độ ánh sáng rơi vào tiếp giáp PN Một ưu điểm chính của các photodiodes khi được sử dụng như cảm biến ánh sáng là phản ứng nhanh của chúng với những thay đổi về mức

ánh sáng, nhưng một bất lợi của loại photodevice này là dòng chảy tương đối nhỏ ngay cả khi được thắp sáng hoàn toàn

Mạch sau đây cho thấy một mạch chuyển đổi từ hiện tại sang điện áp sử dụng bộ khuếch đại hoạt động như thiết bị khuếch đại Điện áp đầu ra (Vout) được cho là Vout = I P * Rƒ và tỷ lệ thuận với các đặc tính cường độ ánh sáng của photodiode

Loại mạch này cũng sử dụng các đặc tính của một bộ khuếch đại hoạt động

với hai đầu vào đầu vào ở khoảng không điện áp để vận hành photodiode mà

không bị lệch Cấu hình op-amp không thiên vị này cho phép tải trở kháng cao tới photodiode dẫn đến ít ảnh hưởng hơn bởi dòng tối và phạm vi tuyến tính rộng hơn của quang điện tương quan với cường độ ánh sáng bức xạ Tụ điện C f được sử dụng để ngăn chặn dao động hoặc đạt được peaking và để thiết lập băng thông đầu ra ( 1 / 2πRC )

Mạch khuếch đại Photo-diode

Mạch khuếch đại photo-diode

Photodiodes là cảm biến ánh sáng rất đa năng có thể chuyển dòng chảy của

nó cả “ON” và “OFF” trong nano giây và thường được sử dụng trong máy ảnh, đồng hồ đo ánh sáng, ổ CD và DVD-ROM, điều khiển từ xa TV, máy quét, máy fax và máy photocopy vv , và khi được tích hợp vào các mạch khuếch đại hoạt động như máy dò phổ hồng ngoại cho truyền thông sợi

quang, mạch phát hiện chuyển động báo động chống trộm và nhiều hình ảnh,

hệ thống định vị và quét laser, v.v

Phototransistor

Phototransistor

Một thiết bị ghép nối hình ảnh thay thế cho photodiode là Phototransistor mà về cơ bản là một

photodiode với khuếch đại Cảm biến ánh sáng của Phototransistor có điểm tiếp xúc ngược của thiết bị thu gom PN tiếp xúc với nguồn sáng rạng rỡ.

Phototransitor hoạt động giống như photodiode ngoại trừ chúng có thể mang lại độ lợi hiện tại và nhạy hơn nhiều so với photodiode với dòng lớn hơn 50 đến 100 lần so với photodiode chuẩn và bất kỳ transistor bình thường nào cũng có thể dễ dàng chuyển đổi thành cảm biến ánh sáng phototransistor kết nối một photodiode giữa collector và base

Phototransitor bao gồm chủ yếu là một NPN Transistor lưỡng cực với vùng cơ

sở lớn không được nối với nhau, mặc dù một số phototransistors cho phép kết nối cơ sở kiểm soát độ nhạy và sử dụng các photon ánh sáng để tạo ra dòng cơ bản

Hầu hết các phototransistor là các loại NPN có vỏ ngoài là trong suốt hoặc có thấu kính rõ ràng để tập trung ánh sáng vào điểm nối cơ sở để tăng độ nhạy

Cấu tạo và đặc điểm photo-transistor

cấu tạo và đặc điểm photo-transistor

Trong bóng bán dẫn NPN, bộ thu có khuynh hướng thiên vị đối với bộ phát để đầu nối cơ sở / bộ chia đảo ngược do đó, không có ánh sáng trên sự rò rỉ bình thường của đường giao nhau hoặc dòng chảy tối mà rất nhỏ Khi ánh sáng rơi trên cơ sở, nhiều cặp electron / lỗ được hình thành trong vùng này

và dòng điện được tạo ra bởi hành động này được khuếch đại bởi transistor Thông thường độ nhạy của một photo-transistor là một hàm của độ lợi dòng điện DC của transistor Do đó, độ nhạy tổng thể là một chức năng của bộ thu