Làm thế nào để sử dụng chất phát quang, photodiod và phototransistors

Các cảm biến là hoàn toàn khác nhau. Họ khác nhau về nguyên tắc hành động, logic công việc của họ và các hiện tượng vật lý và số lượng mà họ có thể đáp ứng. Cảm biến ánh sáng không chỉ được sử dụng trong các thiết bị điều khiển ánh sáng tự động, chúng còn được sử dụng trong một số lượng lớn thiết bị, từ nguồn cung cấp năng lượng đến hệ thống báo động và an ninh.

Các loại chính của thiết bị quang điện tử. Thông tin chung

Một bộ tách sóng quang theo nghĩa chung là một thiết bị điện tử phản ứng với sự thay đổi trong sự cố thông lượng ánh sáng trên phần nhạy cảm của nó. Chúng có thể khác nhau, cả về cấu trúc và nguyên tắc hoạt động. Hãy nhìn vào chúng.

Chất phát quang - thay đổi điện trở khi chiếu sáng

Một quang điện trở là một thiết bị chụp ảnh thay đổi độ dẫn (điện trở) tùy thuộc vào lượng ánh sáng chiếu vào bề mặt của nó. Càng dữ dội tiếp xúc với ánh sáng Khu vực nhạy cảm, sức đề kháng càng ít. Đây là một sơ đồ của nó.

Nó bao gồm hai điện cực kim loại, giữa đó có một vật liệu bán dẫn. Khi thông lượng ánh sáng chạm vào chất bán dẫn, các hạt mang điện được giải phóng trong nó, điều này góp phần dẫn đến dòng điện giữa các điện cực kim loại.

Năng lượng của thông lượng ánh sáng được dành cho việc khắc phục khoảng cách dải bởi các electron và sự chuyển đổi của chúng thành dải dẫn. Là một chất bán dẫn, các chất quang dẫn sử dụng các vật liệu như: Cadmium Sulfide, Chì Sulfide, Cadmium Selenite và các chất khác. Đặc tính quang phổ của quang điện trở phụ thuộc vào loại vật liệu này.

Thú vị:

Đặc tính quang phổ chứa thông tin về bước sóng (màu sắc) nào của thông lượng ánh sáng nhạy nhất với quang điện trở. Trong một số trường hợp, cần phải cẩn thận chọn một bộ phát ánh sáng có bước sóng thích hợp để đạt được độ nhạy và hiệu quả làm việc lớn nhất.

Các quang điện trở không được thiết kế để đo chính xác độ chiếu sáng, mà là để xác định sự hiện diện của ánh sáng, theo bài đọc của nó, môi trường có thể được phát hiện sáng hơn hoặc tối hơn. Đặc tính điện áp hiện tại của quang điện trở như sau.

Nó mô tả sự phụ thuộc của dòng điện vào điện áp đối với các giá trị khác nhau của thông lượng ánh sáng: Ф - bóng tối và Ф3 - đây là ánh sáng rực rỡ. Nó là tuyến tính. Một đặc tính quan trọng khác là độ nhạy, nó được đo bằng mA (A) / (Lm * V). Điều này phản ánh lượng dòng điện chạy qua điện trở, với một thông lượng phát sáng nhất định và điện áp đặt vào.

Điện trở tối là điện trở hoạt động trong trường hợp không có ánh sáng hoàn toàn, nó được ký hiệu là RT và RT / Rb đặc trưng là tốc độ thay đổi điện trở từ trạng thái của quang điện trong trường hợp không có ánh sáng hoàn toàn sang trạng thái chiếu sáng tối đa và điện trở tối thiểu tương ứng.

Chất phát quang có một nhược điểm đáng kể - tần số cắt của nó. Giá trị này mô tả tần số tối đa của tín hiệu hình sin mà bạn mô hình hóa thông lượng phát sáng, tại đó độ nhạy giảm 1,41 lần. Trong sách tham khảo, điều này được phản ánh bằng giá trị tần số hoặc thông qua hằng số thời gian. Nó phản ánh tốc độ của các thiết bị, thường mất hàng chục micro giây - 10 ^ (- 5) s. Điều này không cho phép bạn sử dụng nó khi bạn cần hiệu suất cao.

Photodiode - chuyển đổi ánh sáng thành điện tích

Photodiode là một yếu tố chuyển đổi ánh sáng đi vào vùng nhạy cảm thành điện tích. Điều này là do các quá trình khác nhau liên quan đến sự chuyển động của các hạt mang điện xảy ra trong quá trình chiếu xạ trong tiếp giáp pn.

Nếu độ dẫn thay đổi trên quang điện trở do chuyển động của các hạt mang điện trong chất bán dẫn, thì một điện tích được hình thành ở đây tại ranh giới của tiếp giáp pn. Nó có thể hoạt động ở chế độ của bộ chuyển đổi quang điện và bộ tạo ảnh.

Về cấu trúc, nó giống như một diode thông thường, nhưng trên vỏ của nó có một cửa sổ cho sự đi qua của ánh sáng. Bề ngoài, chúng có nhiều kiểu dáng khác nhau.

Photodiodes cơ thể đen chỉ chấp nhận bức xạ hồng ngoại. Lớp phủ màu đen là một cái gì đó như pha màu. Lọc phổ IR để loại trừ khả năng kích hoạt bức xạ của các phổ khác.

Các tế bào quang điện, giống như các chất phát quang, có tần số cắt, chỉ ở đây nó là các đơn đặt hàng có cường độ lớn hơn và đạt tới 10 MHz, cho phép thực hiện tốt. Các điốt quang P-i-N có tốc độ cao - 100 MHz-1 GHz, cũng như điốt dựa trên hàng rào Schottky. Điốt Avalanche có tần số cắt khoảng 1-10 GHz.

Trong chế độ chuyển đổi quang điện, một diode như vậy hoạt động giống như một phím được điều khiển bởi ánh sáng, vì điều này nó được kết nối với mạch theo chiều thuận. Đó là, cực âm đến một điểm có tiềm năng tích cực hơn (cộng) và cực dương cho một tiềm năng tiêu cực hơn (trừ đi).

Khi diode không được chiếu sáng bằng ánh sáng, chỉ có dòng Iobrt dòng tối ngược (đơn vị và hàng chục A), và khi diode được thắp sáng, một dòng quang được thêm vào nó, chỉ phụ thuộc vào mức độ chiếu sáng (hàng chục mA). Càng nhiều ánh sáng, càng nhiều hiện tại.

Dòng quang Nếu bằng:

Iph = Sint * F,

Trong đó Sint là độ nhạy không thể thiếu, là thông lượng phát sáng.

Một sơ đồ điển hình để chuyển đổi trên photodiode ở chế độ photonverter. Hãy chú ý đến cách nó được kết nối - theo hướng ngược lại đối với nguồn điện.

Một chế độ khác là máy phát điện. Khi ánh sáng đi vào photodiode, điện áp được tạo ra tại các cực của nó, trong khi dòng điện ngắn mạch ở chế độ này là hàng chục ampe. Nó nhắc nhở hoạt động của pin mặt trờinhưng có công suất thấp.

Phototransistors - mở bằng lượng ánh sáng tới

Phototransistor vốn đã bóng bán dẫn lưỡng cực mà thay vì đầu ra cơ sở có một cửa sổ trong trường hợp ánh sáng đi vào đó. Nguyên tắc hoạt động và lý do cho hiệu ứng này tương tự như các thiết bị trước đó. Các bóng bán dẫn lưỡng cực được điều khiển bởi lượng dòng điện chạy qua cơ sở và các phototransistors, bằng cách tương tự, được điều khiển bởi lượng ánh sáng.

Đôi khi UGO vẫn mô tả thêm đầu ra của cơ sở. Nói chung, điện áp được cung cấp cho phototransistor cũng như thông thường, và tùy chọn thứ hai được bật với một đế nổi, khi đầu ra cơ bản vẫn chưa được sử dụng.

Phototransistors cũng được bao gồm trong mạch.

Hoặc trao đổi bóng bán dẫn và điện trở, tùy thuộc vào chính xác những gì bạn cần. Trong trường hợp không có ánh sáng, một dòng điện tối chạy qua bóng bán dẫn, được hình thành từ dòng cơ sở, bạn có thể tự đặt.

Khi đã đặt dòng cơ sở cần thiết, bạn có thể đặt độ nhạy của phototransistor bằng cách chọn điện trở cơ sở của nó. Theo cách này, ngay cả ánh sáng mờ nhất cũng có thể bị bắt.

Vào thời Xô Viết, những người nghiệp dư vô tuyến đã chế tạo ra các bộ phát quang bằng tay của chính họ - họ đã tạo ra một cửa sổ cho ánh sáng, cắt bỏ một phần của vỏ máy bằng một bóng bán dẫn thông thường. Đối với điều này, các bóng bán dẫn như MP14-MP42 là tuyệt vời.

Từ đặc tính điện áp hiện tại, có thể nhìn thấy sự phụ thuộc của dòng quang vào ánh sáng, trong khi thực tế nó không phụ thuộc vào điện áp bộ thu-phát.

Ngoài các phototransistors lưỡng cực, còn có các trường. Các cực lưỡng cực hoạt động ở tần số 10-100 kHz, sau đó các trường cực nhạy hơn. Độ nhạy của chúng đạt tới một số ampe trên mỗi lum, và nhiều hơn nữa nhanh chóng - lên đến 100 MHz. Các bóng bán dẫn hiệu ứng trường có một tính năng thú vị: ở các giá trị tối đa của quang thông, điện áp cổng hầu như không ảnh hưởng đến dòng thoát.

Phạm vi của các thiết bị quang điện tử

Trước hết, bạn nên xem xét các tùy chọn quen thuộc hơn cho ứng dụng của họ, ví dụ, bao gồm ánh sáng tự động.

Sơ đồ hiển thị ở trên là thiết bị đơn giản nhất để bật và tắt tải trong một điều kiện ánh sáng nhất định. Photodiode FD320 Khi ánh sáng đi vào nó, một điện áp nhất định mở ra và R1 giảm một điện áp nhất định khi giá trị của nó đủ để mở bóng bán dẫn VT1 - nó mở và mở một bóng bán dẫn khác - VT2. Hai bóng bán dẫn này là một bộ khuếch đại dòng điện hai giai đoạn, cần thiết để cấp nguồn cho cuộn dây rơle K1.

Diode VD2 - cần thiết để triệt tiêu cảm ứng tự EMF, được hình thành khi chuyển đổi cuộn dây. Một trong các dây từ tải được kết nối với cực đầu vào rơle, đầu dây theo sơ đồ (đối với dòng điện xoay chiều - pha hoặc không).

Chúng tôi thường có các tiếp điểm đóng và mở, chúng cần thiết để chọn mạch được bật hoặc để chọn bật hoặc tắt tải từ mạng khi đạt đến mức chiếu sáng cần thiết. Potentiometer R1 là cần thiết để điều chỉnh thiết bị hoạt động với lượng ánh sáng phù hợp. Điện trở càng lớn thì càng cần ít ánh sáng để bật mạch.

Biến thể của sơ đồ này được sử dụng trong hầu hết các thiết bị tương tự, thêm một bộ chức năng nhất định nếu cần thiết.

Ngoài việc chuyển đổi trên tải ánh sáng, các bộ tách sóng quang như vậy được sử dụng trong các hệ thống điều khiển khác nhau, ví dụ, các bộ phát quang thường được sử dụng trên các cửa quay của tàu điện ngầm để phát hiện việc vượt qua trái phép của cửa quay.

Trong nhà in, khi một dải giấy bị vỡ, ánh sáng đi vào bộ tách sóng quang và do đó cung cấp cho người vận hành một tín hiệu về điều này. Bộ phát nằm ở một mặt của tờ giấy và bộ tách sóng quang ở mặt sau. Khi giấy bị rách, ánh sáng từ bộ phát đến bộ tách sóng quang.

Trong một số loại báo động, bộ phát và bộ tách sóng quang được sử dụng làm cảm biến để vào phòng và các thiết bị hồng ngoại được sử dụng để không nhìn thấy bức xạ.

Về phổ IR, bạn không thể đề cập đến bộ thu TV, nhận tín hiệu từ đèn LED IR trong điều khiển từ xa khi bạn chuyển kênh. Thông tin được mã hóa theo một cách đặc biệt và TV hiểu những gì bạn cần.

Thông tin trước đây được truyền qua các cổng hồng ngoại của điện thoại di động. Tốc độ truyền bị giới hạn bởi cả phương thức truyền tuần tự và nguyên tắc hoạt động của chính thiết bị.

Chuột máy tính cũng sử dụng công nghệ liên quan đến các thiết bị quang điện tử.

Ứng dụng truyền tín hiệu trong mạch điện tử

Các thiết bị quang điện tử là các thiết bị kết hợp một máy phát và bộ tách sóng quang trong cùng một vỏ, như các thiết bị được mô tả ở trên. Chúng là cần thiết để kết nối hai mạch của mạch điện.

Điều này là cần thiết để cách ly điện, truyền tín hiệu nhanh, cũng như để kết nối các mạch DC và AC, như trong trường hợp điều khiển triac trong mạch 220 V 5 V với tín hiệu từ vi điều khiển.

Họ có một chỉ định đồ họa có chứa thông tin về loại phần tử được sử dụng bên trong bộ ghép.

Hãy xem xét một vài ví dụ về việc sử dụng các thiết bị như vậy.

Điều khiển triac bằng vi điều khiển

Nếu bạn đang thiết kế một bộ chuyển đổi thyristor hoặc triac, bạn sẽ gặp phải một vấn đề. Thứ nhất, nếu quá trình chuyển đổi ở đầu ra điều khiển bị phá vỡ - đến chân của vi điều khiển tiềm năng cao sẽ giảm và sau này sẽ thất bại. Đối với điều này, các trình điều khiển đặc biệt đã được phát triển, với một yếu tố gọi là optosymistor, ví dụ, MOC3041.

Phản hồi cặp

Trong nguồn cung cấp năng lượng chuyển đổi ổn định, cần có thông tin phản hồi. Nếu chúng ta loại trừ sự cô lập điện trong mạch này, thì trong trường hợp hỏng một số thành phần trong mạch hệ điều hành, tiềm năng cao sẽ xuất hiện trên mạch đầu ra và thiết bị được kết nối sẽ thất bại, tôi không nói về việc bạn có thể bị sốc.

Trong một ví dụ cụ thể, bạn thấy việc triển khai một HĐH như vậy từ mạch đầu ra đến cuộn dây phản hồi (điều khiển) của bóng bán dẫn bằng cách sử dụng một bộ ghép quang có ký hiệu nối tiếp U1.

Kết luận

Ảnh và quang điện tử là những phần rất quan trọng trong thiết bị điện tử, đã cải thiện đáng kể chất lượng của thiết bị, giá thành và độ tin cậy của nó. Sử dụng một bộ ghép quang, có thể loại trừ việc sử dụng một biến áp cách ly trong các mạch như vậy, làm giảm kích thước tổng thể. Ngoài ra, một số thiết bị đơn giản là không thể thực hiện được nếu không có các yếu tố như vậy.