Işık Sensörü

Işık Sensörü, görünür veya kızıl ötesi ışık enerjisini (fotonları) bir elektrik (elektron) sinyaline dönüştüren fotoelektrik cihazlardır.

Bir Işık Sensörü , temelde “ışık” olarak adlandırılan ve frekansları “Kızılötesi” ile “Görünür” arasında değişen Ultraviyole ışık spektrumunda çok dar bir frekans aralığında bulunan radyan enerjiyi ölçerek ışığın yoğunluğunu gösteren bir çıkış sinyali üretir.

Işık sensörü, spektrumun görünür veya kızıl ötesi kısımlarındaki bu “ışık enerjisini” elektrik sinyali çıkışına dönüştüren pasif bir cihazdır. Işık sensörleri, ışık enerjisini (fotonları) elektriğe (elektronlar) dönüştürdükleri için daha yaygın olarak “Fotoelektrik Cihazlar” veya “Foto Sensörler” olarak bilinir.

Fotoelektrik cihazlar, Foto-voltaikler veya Foto-yayıcılar vb.gibi ayrıldığında elektrik üretenler ve foto-dirençler veya Foto-iletkenler gibi elektriksel özelliklerini bir şekilde değiştirenler olmak üzere iki ana kategoride gruplandırılabilir. Bu, aşağıdaki cihaz sınıflandırmasına yol açar.

  • Foto-yayan Hücreler – Bunlar, yeterli enerjiye sahip bir foton tarafından çarpıldığında sezyum gibi ışığa duyarlı bir malzemeden serbest elektronları serbest bırakan foto cihazlardır. Fotonların sahip olduğu enerji miktarı ışığın frekansına bağlıdır ve frekans ne kadar yüksek olursa, fotonların ışık enerjisini elektrik enerjisine dönüştüren o kadar fazla enerjisi vardır.
  • Foto-iletken Hücreler – Bu foto cihazlar , ışığa maruz kaldıklarında elektrik dirençlerini değiştirir. Fotoiletkenlik, ışığın içinden geçen akımı kontrol eden yarı iletken bir malzemeye çarpmasından kaynaklanır. Böylece, verilen bir voltaj için daha fazla ışık akımı arttırır. En yaygın fotoiletken malzeme, LDR fotosellerinde kullanılan Kadmiyum Sülfürdür.
  • Fotovoltaik Hücreler – Bu fotocihazlar, alınan radyan ışık enerjisiyle orantılı olarak bir emf üretir ve fotoiletkenliğe benzerdir. Işık enerjisi, yaklaşık 0,5V’luk bir voltaj oluşturan bir araya sıkıştırılmış iki yarı iletken malzemeye düşer. En yaygın fotovoltaik malzeme, güneş pillerinde kullanılan Selenyumdur.
  • Foto-bağlantı Cihazları – Bu foto- cihazlar, PN-bağlantıları boyunca elektronların ve deliklerin akışını kontrol etmek için ışık kullanan fotodiyot veya fototransistör gibi esas olarak gerçek yarı iletken cihazlardır. Foto-bağlantı cihazları, gelen ışığın dalga boyuna göre ayarlanmış spektral tepkileri ile detektör uygulaması ve ışık penetrasyonu için özel olarak tasarlanmıştır.

Fotoiletken Hücre

Bir Fotoiletken ışık sensörü elektrik üretmez, sadece ışık enerjisine maruz kaldığında fiziksel özelliklerini değiştirir. En yaygın fotoiletken cihaz türü , ışık yoğunluğundaki değişikliklere yanıt olarak elektrik direncini değiştiren Fotodirençtir.

Fotodirençler, elektronların akışını ve dolayısıyla içinden akan akımı kontrol etmek için ışık enerjisini kullanan Yarı İletken cihazlardır. Yaygın olarak kullanılan Fotoiletken Hücre , Işığa Bağlı Direnç veya LDR olarak adlandırılır.


Proteusta LDR ve PTC Kullanımı

LDR ile Karanlıkta LED Yakan Devre


Işığa Bağlı Direnç (LDR)

ışık sensörü
LDR

Adından da anlaşılacağı gibi, Işığa Bağlı Direnç (LDR), kadmiyum sülfit gibi bir parça açıkta kalan yarı iletken malzemeden yapılır ve elektrik direncini karanlıkta birkaç bin Ohm’dan ışık üzerine düştüğünde sadece birkaç yüz Ohm’a değiştirir.

Net etki, aydınlatmada bir artış için dirençte bir azalma ile iletkenliğinde bir gelişmedir. Ayrıca, fotorezistif hücreler, ışık yoğunluğundaki bir değişikliğe yanıt vermek için çok süre gerektiren uzun bir tepki süresine sahiptir.

Yarı iletken substrat olarak kullanılan malzemeler arasında, tüm fotodirençli ışık sensörlerinin en yaygın olarak kullanılanı Kadmiyum Sülfür ( Cds ) olmak üzere kızıl ötesi aralıktaki ışığı algılayan kurşun sülfür (PbS), kurşun selenit (PbSe), indiyum antimonid (InSb ) bulunur.

Kadmiyum sülfür, fotoiletken hücrelerin imalatında kullanılır, çünkü spektral tepki eğrisi insan gözününkine çok yakındır ve bir ışık kaynağı olarak basit bir el feneri kullanılarak bile kontrol edilebilir. Tipik olarak , görünür spektral aralıkta yaklaşık 560nm ila 600nm’lik bir tepe hassasiyet dalga boyuna ( λp ) sahiptir.

Işığa Bağlı Direnç Hücresi

ışık sensörü

En yaygın kullanılan fotodirençli ışık sensörü, ORP12 Kadmiyum Sülfür fotoiletken hücredir. Bu ışığa bağımlı direnç, ışığın sarı ila turuncu bölgesinde yaklaşık 610 nm’lik bir spektral tepkiye sahiptir. Hücrenin aydınlatılmadığında direnci (karanlık direnç) yaklaşık 10MΩ’de çok yüksektir ve tam olarak aydınlatıldığında yaklaşık 100Ω’ye düşer (yanan direnç).

Karanlık direnci artırmak ve dolayısıyla karanlık akımı azaltmak için dirençli yol, seramik alt tabaka boyunca bir zikzak deseni oluşturur. CdS fotoseli, genellikle otomatik karartma, karanlık veya alacakaranlık algılamasında sokak lambalarını “AÇIK” ve “KAPALI” konuma getirmek ve fotoğrafik poz ölçer tipi uygulamalar için kullanılan çok düşük maliyetli bir cihazdır.

ışık sensörü

Tek bir DC besleme voltajı boyunca bunun gibi standart bir dirençle seri olarak ışığa bağımlı bir direnç bağlamanın önemli bir avantajı vardır, farklı ışık seviyeleri için bağlantılarında farklı bir voltaj görünecektir.

Seri direnç, R2 boyunca Voltaj Düşüşü miktarı, ışığa bağlı direnç olan RLDR‘NİN direnç değeri ile belirlenir. Farklı voltajlar üretme yeteneği, “potansiyel bölücü” veya voltaj bölücü ağı adı verilen çok kullanışlı bir devre üretir.

Bildiğimiz gibi, bir seri devreden geçen akım yaygındır ve LDR, ışık yoğunluğundan dolayı dirençli değerini değiştirdikçe, VOUT‘TA bulunan voltaj, voltaj bölücü formülü ile belirlenecektir. Bir LDR’nin direnci olan RLDR, güneş ışığında yaklaşık 100Ω’DAN mutlak karanlıkta 10MΩ’a kadar değişebilir ve bu direnç değişimi, gösterildiği gibi VOUT’TA bir voltaj değişimine dönüştürülür.

Işığa Bağlı Direncin basit bir kullanımı, aşağıda gösterildiği gibi ışığa duyarlı bir anahtar gibidir.

ışık sensörü

Bu temel ışık sensörü devresi, röle çıkışı ışıkla etkinleştirilen bir anahtardan oluşur. Fotorezistör, LDR ve direnç R1 arasında potansiyel bir bölücü devre oluşur. Işık olmadığında, yani karanlıkta, Ldr’nin direnci Megaohm (MΩ) aralığında çok yüksektir, bu nedenle transistör TR1’E sıfır baz öngerilimi uygulanır ve röle enerjisiz veya “kapalı”olur.

Işık seviyesi arttıkça, LDR’nin direnci azalmaya başlar ve V1’deki baz öngerilim voltajının yükselmesine neden olur. R1 direnci ile oluşturulan potansiyel bölücü ağ tarafından belirlenen bir noktada, temel ön gerilim, TR1 transistörünü “AÇIK” konuma getirmek ve böylece bazı harici devreleri kontrol etmek için kullanılan röleyi etkinleştirmek için yeterince yüksektir. Işık seviyesi tekrar karanlığa düştüğünde, LDR’nin direnci artar ve transistörün taban voltajının düşmesine neden olur, transistörü ve röleyi potansiyel bölücü ağ tarafından tekrar belirlenen sabit bir ışık seviyesinde “KAPALI” duruma getirir.

Sabit direnç R1’i bir potansiyometre VR1 ile değiştirerek, rölenin “AÇIK” veya “KAPALI” olduğu nokta belirli bir ışık seviyesine önceden ayarlanabilir. Yukarıda gösterilen bu tip basit devre oldukça düşük bir duyarlılığa sahiptir ve anahtarlama noktası, sıcaklık veya besleme voltajındaki değişikliklerden dolayı tutarlı olmayabilir. LDR’yi bir “Wheatstone Bridge” düzenlemesine dahil ederek ve transistörü gösterildiği gibi bir işlemsel yükselteç ile değiştirerek daha hassas, bir ışıkla etkinleştirilen devre kolayca yapılabilir.

Işık Seviyesi Algılama Devresi

ışık sensörü

Bu temel karanlık algılama devresinde, ışığa bağımlı direnç LDR1 ve potansiyometre VR1 , yaygın olarak Wheatstone köprüsü olarak da bilinen basit bir direnç köprüsü ağının ayarlanabilir bir kolunu oluştururken , iki sabit direnç R1 ve R2 diğer kolu oluşturur. Köprünün her iki tarafı, V1 ve V2 çıkışları sırasıyla işlemsel yükselticinin evirmeyen ve eviren voltaj girişlerine bağlı olan besleme gerilimi boyunca potansiyel bölücü ağlar oluşturur.

İşlemsel yükselteç, çıkış gerilimi durumu iki giriş sinyali veya gerilimi, V1 ve V2 arasındaki fark tarafından belirlenen, geri beslemeli bir gerilim karşılaştırıcısı olarak da bilinen bir Diferansiyel Yükselteç olarak yapılandırılır. Direnç kombinasyonu R1 ve R2 , iki direncin oranıyla ayarlanan V2 girişinde sabit bir voltaj referansı oluşturur. LDR – VR1 kombine bir değişken voltaj girişli V1 fotodirenç tarafından algılanan ışık seviyesi ile orantılıdır.

Önceki devrede olduğu gibi, işlemsel yükselteçten gelen çıkış, serbest dönen diyot D1 tarafından korunan bir röleyi kontrol etmek için kullanılır. LDR tarafından algılanan ışık seviyesi ve çıkış voltajı, V2’de ayarlanan referans voltajının altına düştüğünde , op-amp’den gelen çıkış, röleyi etkinleştirerek ve bağlı yükü değiştirerek durumu değiştirir.

Aynı şekilde ışık seviyesi arttıkça çıkış röleyi “KAPALI” konuma getirerek geri dönecektir. İki anahtarlama noktasının histerezisi, amplifikatörün herhangi bir uygun voltaj kazancını vermek için geri besleme direnci Rf tarafından ayarlanır.

Bu tip ışık sensörü devresinin çalışması, ışık seviyesi referans voltaj seviyesini aştığında röleyi “AÇIK” konuma getirmek için tersine çevrilebilir ve bunun tersi de ışık sensörü LDR ve potansiyometre VR1’in konumları değiştirilerek yapılabilir. Potansiyometre, diferansiyel amplifikatörün anahtarlama noktasını herhangi bir özel ışık seviyesine “önceden ayarlamak” için kullanılabilir, bu da onu basit bir ışık sensörü proje devresi olarak ideal hale getirir.

Fotojonksiyon Cihazları

Fotojonksiyon Cihazları temel olarak PN-Junction ışık sensörleri veya silikon yarı iletken PN-bağlantılarından yapılan, ışığa duyarlı ve hem görünür ışık hem de kızıl ötesi ışık seviyelerini algılayabilen dedektörlerdir. Foto-bağlantı cihazları, ışığı algılamak için özel olarak yapılmıştır ve bu fotoelektrik ışık sensörleri sınıfı, Fotodiyot ve Fototransistörü içerir.

Fotodiyot

ışık sensörü
Fotodiyot

Fotodiyot ışık sensörünün yapısı, diyotların dış muhafazasının şeffaf olması veya artan hassasiyet için ışığı PN birleşim noktasına odaklamak için şeffaf bir merceğe sahip olması dışında, geleneksel bir PN-birleşim diyodununkine benzer. Kavşak, görünür ışıktan ziyade özellikle kırmızı ve kızıl ötesi gibi daha uzun dalga boylarında ışığa tepki verecektir.

Bu özellik, 1n4148 sinyal diyotu gibi şeffaf veya cam boncuk gövdeli diyotlar için bir sorun olabilir. Tüm PN-bağlantı noktaları ışığa duyarlıdır ve fotodiyotun PN-kavşağı her zaman “ters öngerilimli” olan foto iletken tarafsız bir voltaj modunda kullanılabilir, böylece sadece diyot sızıntısı veya karanlık akım akabilir.

Bağlantısında ışık olmayan (karanlık mod) bir fotodiyotun akım-voltaj karakteristiği (I/V Eğrileri), normal bir sinyale veya doğrultucu diyota çok benzer. Fotodiyot ileri kutuplandığında, normal bir diyotta olduğu gibi akımda üstel bir artış olur. Bir ters öngerilim uygulandığında, bağlantının hassas kısmı olan tükenme bölgesinde bir artışa neden olan küçük bir ters doyma akımı ortaya çıkar. Fotodiyotlar, bağlantı boyunca sabit bir ön gerilim kullanılarak bir akım modunda da bağlanabilir. Mevcut mod, geniş bir aralıkta çok doğrusaldır.

Foto-diyot Yapısı ve Özellikleri

ışık sensörü

Işık sensörü olarak kullanıldığında, bir fotodiyot karanlık akımı 0 lux için yaklaşık 10uA ve silikon tipi diyotlar için 1uA’dır. Işık birleşme noktasına düştüğünde daha fazla delik/elektron çifti oluşur ve kaçak akım artar. Bu kaçak akım, birleşme yerinin aydınlatması arttıkça artar.

Böylece fotodiyot akımı, PN-bağlantısına düşen ışık yoğunluğu ile doğru orantılıdır. Işık sensörleri olarak kullanıldığında fotodiyotların bir ana avantajı, ışık seviyelerindeki değişikliklere hızlı tepki vermeleridir, ancak bu tip fotocihazın bir dezavantajı, tamamen yandığında bile nispeten küçük akım akışıdır.

Aşağıdaki devre, amplifikasyon cihazı olarak bir işlemsel yükselteç kullanan bir foto-akım-voltaj dönüştürücü devresini göstermektedir. Çıkış voltajı (Vout), Vout = I P *Rƒ olarak verilir ve fotodiyotun ışık yoğunluğu özellikleriyle orantılıdır.

Bu tip devre aynı zamanda fotodiyodu öngerilimsiz çalıştırmak için yaklaşık sıfır voltajda iki giriş terminali olan bir işlemsel yükselticinin özelliklerini kullanır. Bu sıfır öngerilimi op-amp konfigürasyonu, fotodiyota yüksek empedans yüklemesi verir ve bu da karanlık akımın daha az etkisine ve radyan ışık yoğunluğuna göre daha geniş bir fotoakım lineer aralığına neden olur. Kapasitör C f , salınımı veya tepe kazanımını önlemek ve çıkış bant genişliğini ( 1/2πRC ) ayarlamak için kullanılır.

Foto-diyot Amplifikatör Devresi

ışık sensörü

Fotodiyotlar, nanosaniye cinsinden akım akışını hem “AÇIK” hem de “KAPALI” hale getirebilen çok yönlü ışık sensörleridir ve kameralarda, ışık ölçerlerde, CD ve DVD-ROM sürücülerinde, TV uzaktan kumandalarında, tarayıcılarda, faks makinelerinde ve fotokopi makinelerinde yaygın olarak kullanılır. ve fiber optik iletişim, hırsız alarmı hareket algılama devreleri ve çok sayıda görüntüleme, lazer tarama ve konumlandırma sistemleri vb. için kızılötesi spektrum dedektörleri olarak işlemsel yükselteç devrelerine entegre edilir.

Fototransistör

ışık sensörü
Fototransistör

Fotodiyota alternatif bir foto-bağlantı cihazı, temelde amplifikasyonlu bir fotodiyot olan Fototransistördür. Fototransistör ışık sensörü, onu radyant ışık kaynağına maruz bırakan toplayıcı tabanlı PN-bağlantısı ters polarma özelliğine sahiptir.

Fototransistörler, akım kazancı sağlayabilmeleri ve fotodiyottan çok daha hassas olmaları dışında fotodiyot ile aynı şekilde çalışırlar ve akımlar standart fotodiyotunkinden 50 ila 100 kat daha fazladır ve herhangi bir normal transistör tarafından kolayca bir fototransistör ışık sensörüne dönüştürülebilir.

Bazı fototransistörler, duyarlılığı kontrol etmek için bir taban bağlantısına izin vermesine ve ışık fotonlarını kullanarak bir taban akımı üretmek için ışık fotonlarını kullanmasına ve bu da bir kollektörün yayıcı akımın akmasına neden olmasına rağmen, esas olarak büyük taban bölgesi elektriksel olarak bağlı olmayan bir bipolar NPN Transistörden oluşur. Fototransistörlerin çoğu, dış kasası ya şeffaf olan ya da artan hassasiyet için ışığı taban bağlantısına odaklamak için şeffaf bir merceğe sahip olan NPN tipleridir.

Foto-transistör Yapısı ve Özellikleri

ışık sensörü

NPN transistöründe toplayıcı, yayıcıya göre pozitif olarak önpolarlıdır, böylece taban/kollektör bağlantısı ters taraflıdır. Bu nedenle bağlantı noktasında ışık olmadığında normal kaçak veya çok küçük karanlık akım akar. Işık tabana düştüğünde, bu bölgede daha fazla elektron/delik çifti oluşur ve bu hareketle üretilen akım, transistör tarafından yükseltilir.

Genellikle bir fototransistörün hassasiyeti, transistörün DC akım kazancının bir fonksiyonudur. Bu nedenle, genel hassasiyet kollektör akımının bir fonksiyonudur ve taban ile emitör arasına bir direnç bağlanarak kontrol edilebilir, ancak çok yüksek hassasiyetli optokuplör tipi uygulamalar için genellikle Darlington fototransistörleri kullanılır.

ışık sensörü

Photodarlington transistörleri, ek amplifikasyon sağlamak için veya düşük ışık seviyeleri veya seçici hassasiyet nedeniyle bir fotodetektörün daha yüksek hassasiyeti gerektiğinde, ikinci bir bipolar NPN transistörü kullanır, ancak yanıtı sıradan bir NPN fototransistörünkinden daha yavaştır.

Photo darlington cihazları, emitör çıkışı daha büyük bir bipolar NPN transistörünün tabanına bağlı olan normal bir fototransistörden oluşur. Bir darlington transistör konfigürasyonu, iki ayrı transistörün akım kazanımlarının bir ürününe eşit bir akım kazancı sağladığından, bir fotodarlington cihazı çok hassas bir dedektör üretir.

Fototransistör ışık sensörlerinin tipik uygulamaları, opto-izolatörler, oluklu opto anahtarlar, ışık huzmesi sensörleri, fiber optikler ve TV tipi uzaktan kumandalar vb.’dir. Görünür ışığı algılarken bazen kızılötesi filtreler gerekir.

Bahsedilmeye değer başka bir foto- bağlantılı yarı iletken ışık sensörü türü Foto-tristördür. Bu, AC uygulamalarında ışıkla etkinleştirilen bir anahtar olarak kullanılabilen, ışıkla etkinleştirilen bir tristör veya Silikon Kontrollü Doğrultucu , SCR’dir. Ancak duyarlılıkları eşdeğer fotodiyotlar veya fototransistörlere kıyasla genellikle çok düşüktür.

Işığa duyarlılıklarını artırmaya yardımcı olmak için, foto-tristörler kapı bağlantısının çevresinde daha ince yapılır. Bu işlemin dezavantajı, değiştirebilecekleri anot akımı miktarını sınırlamasıdır. Daha sonra, daha yüksek akım AC uygulamaları için, daha büyük ve daha geleneksel tristörleri değiştirmek için opto-kuplörlerde alternatif cihazlar olarak kullanılırlar.

Fotovoltaik Hücreler

En yaygın fotovoltaik ışık sensörü tipi Güneş Pilidir. Güneş pilleri, ışık enerjisini, bir ışık, pil veya motor gibi dirençli bir yüke bir voltaj veya akım şeklinde doğrudan DC elektrik enerjisine dönüştürür. O halde fotovoltaik hücreler, DC güç sağladıkları için birçok yönden pile benzerler.

Bununla birlikte, bir el fenerinden bile ışık yoğunluğunu kullanan, yukarıda incelediğimiz diğer fotoğraf cihazlarından farklı olarak, fotovoltaik güneş pilleri, güneşin radyan enerjisini kullanarak en iyi şekilde çalışır.

ışık sensörü

Fotovoltaik hücreler , ışığa duyarlı çok büyük bir bölgeye sahip fotodiyotlarla aynı, ancak ters öngerilim olmadan kullanılan tek kristal silikon PN bağlantılarından yapılır. Karanlıkta çok büyük bir fotodiyot ile aynı özelliklere sahiptirler.

Işık enerjisi aydınlatıldığında elektronların PN bağlantısından akmasına neden olur ve tek bir güneş pili yaklaşık 0,58v (580mV) açık devre voltajı üretebilir. Güneş pillerinin tıpkı bir pil gibi “Pozitif” ve “Negatif” tarafları vardır.

Tekli güneş pilleri, çıkış voltajını artıran güneş panelleri oluşturmak için seri olarak birbirine bağlanabilir veya mevcut akımı artırmak için paralel olarak bağlanabilir. Ticari olarak temin edilebilen güneş panelleri, tamamen yandığında çıkış voltajı ve akımının (Volt çarpı Amp) ürünü olan Watt cinsinden derecelendirilir.

Tipik bir Fotovoltaik Güneş Pilinin Özellikleri.

ışık sensörü

Bir güneş pilinden gelen mevcut akımın miktarı, ışık yoğunluğuna, hücrenin boyutuna ve genellikle %15 ila %20 arasında çok düşük olan verimliliğine bağlıdır. 

Fotovoltaik hücrelerin yapımında kullanılan diğer malzemeler arasında Galyum Arsenid, Bakır İndiyum Diselenid ve Kadmiyum Tellurid bulunur. Bu farklı malzemelerin her biri farklı bir spektrum bant yanıtına sahiptir ve bu nedenle farklı ışık dalga boylarında bir çıkış voltajı üretmek için “ayarlanabilir”.