Astro-nn.ru

Стройка и ремонт
9 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Фотоэлектрические датчики принцип действия

фотоэлектрическое считывающее устройство

Фотоэлектрические датчики. Фотодатчики. Устройство, типы и виды фотодатчиков.

Фотоэлектрические датчики (фотодатчики)

используются в автоматике для преобразования в электрический сигнал различных неэлектрических величин: механических перемещений, скорости размеров движущихся деталей, температуры, освещенности, прозрачности жидкой или газовой среды и т. д.

По принципу кодирования информации фотодатчики можно разделить на две группы: с амплитудной модуляцией светового потока и с временной или частотной модуляцией. У датчиков с амплитудной модуляцией значение фототока пропорционально световому потоку, зависящему от управляемой (контролируемой) неэлектрической величины. У датчиков с временной или частотной модуляцией фототок изменяется дискретно за счет полного или частичного прерывания светового потока от воздействия неэлектрической величины. Информация об управляемом (контролируемом) параметре кодируется в этих датчиках в виде числа, частоты или длительности импульсов фототока.

в общем случае состоит из фотоэлектрического чувствительного элемента (фотоэлемента) источника света и оптической системы. В некоторых случаях фотодатчики используют световое излучение объекта управления (контроля) и не содержат источника света (датчики астрономического компаса, температуры, освещенности и др.). Некоторые датчики с целью упрощения конструкции могут не содержать оптической системы.

В большинстве фотодатчиков преобразование входной неэлектрической величины в электрический сигнал осуществляется в два этапа: сначала происходит ее преобразование в изменение одного из параметров светового потока (силы света, освещенности, спектрального состава и т. п.), а затем это изменение преобразуется фотоэлементом в электрическую величину (фототок, падение напряжения, фото-ЭДС и т. д.).

Все фотодатчики по характеру формирования воздействия светового потока на фотоэлемент можно разделить на несколько видов.

1. Фотодатчики, у которых световой поток изменяется за счет перемещения объекта управления (контроля) или изменения размеров объекта

(рис. 2-7). В этих датчиках источник света 1 и оптическая система (конденсор) 2 формируют параллельный и равномерный световой поток Ф.. В этом световом потоке помещается деталь З, размеры которой нужно контролировать, или заслонка 4, связанная механически с ОУ и перекрывающая часть светового потока. При изменении размера детали d или при перемещении заслонки х изменяется количество света (лучистой энергии), попадающего на фотоэлемент 5. Для повышения чувствительности световой поток Ф1, содержащий информацию о размерах детали (или о перемещении объекта), собирается оптической системой 6 и фокусируется на светочувствительную поверхность фотоэлемента. По такому принципу работают датчики фотоэлектрических микрометров, датчики длины, площади, деформаций и т. д. На этом принципе основана работа и дискретных фотодатчиков, таких, как фотоэлектрические датчики (преобразователи) «угол — код», датчики частоты вращения, фотосчитывающие датчики с перфолент, перфокарт, фотодатчики конца магнитной ленты, датчики размеров петли магнитной ленты, находящейся в кармане лентопротяжного механизма ЗУ на магнитной ленте, и т. д.

2. Фотодатчики, у которых световой поток попадает на фото элемент после отражения от объекта управления (контроля)

(рис. 2-8). В этих фотодатчиках источник света 1 и оптическая система 2 формируют узкий световой луч, который после отражения от объекта З попадает через собирающую и фокусирующую оптическую систему 4 на фотоэлемент 5. Количество отраженного света, попадающего на фотоэлемент, зависит от отражательной способности поверхности объекта (чистоты обработки, блесткости, наличия участков, покрытых краской, и т. п.). Такие фотодатчики используются в читающих автоматах, способных автоматически считывать и кодировать информацию с текстовых и графических документов, в измерителях чистоты поверхности, фотоэлектрических рефлектометрах, гигрометрах и пр.

3. Фотодатчики, у которых световой поток создается объектом управления (контроля)

(рис.2-9). В этих фотодатчиках световой поток, излучаемый ОУ, содержит информацию об управляемом (контролируемом) параметре объекта 1. Оптическая система 2 собирает и фокусирует световой поток на светочувствительную поверхность фотоэлемента З. Подобные фотодатчики используются в фотоэлектрических измерителях температуры, дозиметрах лучистой энергии, приборах для эмиссионного спектрального анализа.

В качестве чувствительных элементов в фотодатчиках используются фотоэлементы с внешним, вентильным и внутренним фотоэффектом.

Фотоэлементы с внешним фотоэффектом

Это вакуумные и газонаполненные фотоэлементы, фотоумножители обладают высокой линейностью световой характеристики (зависимость фототока от светового потока), высокой температурной стабильностью характеристик. Однако они имеют и ряд существенных недостатков, ограничивающих их применение в устройствах автоматического управления и контроля: необходимость в повышенном напряжении питания (сотни и тысячи вольт); хрупкость стеклянного баллона и возможность деформации электродов при механических воздействиях; старение и утомляемость фотоэлементов (снижение чувствительности при сильной освещенности).

Вентильные фотоэлементы

Они отличаются Высокой надежностью и долговечностью не нуждаются в источнике питания, имеют малую массу и габариты. Недостатками их являются: сильное влияние окружающей температуры; утомляемость и высокая инерционность, ограничивающая применение при частоте прерывания светового потока в несколько десятков герц.

Фотодиоды

и
фототриоды
широко применяются в фотодатчиках различного типа. Они имеют линейную световую характеристику, высокую чувствительность, малую инерционность (частота прерывания светового потока может быть до нескольких килогерц), малые габариты. В зависимости от схемы включения различают вентильный и фотодиодный (фототриодный) режимы работы фотодиодов и фототриодов.

В вентильном режиме

фотодиод является генератором фото тока и не нуждается в источнике питания. Фототриод в вентильном режиме можно рассматривать как комбинированный электронный прибор — фотодиод (
п-р
-переход цепи база — эмиттер) и собственно триод, усиливающий фототок, который возникает в цепи база — эмиттер под действием светового потока. База фототриода в этом режиме замыкается накоротко с эмиттером. В вентильном режиме фотодиоды и фототриоды используются в фотодатчиках с пропорциональной световой характеристикой (измерение размеров, перемещений, температуры и т. д.).

В фотодиодном режиме

к фотодиоду нужно приложить в обратном запирающем направлении внешнее напряжение. У фототриодов в фототриодном режиме в цепь базы подается напряжение смещения от внешнего источника. Фотодиодный (фототриодный) режим включения фотодиодов (фототриодов) используется в основном в фотодатчиках с дискретной световой характеристикой (фотосчитывающие устройства с перфолент, перфокарт, фотоэлектрические преобразователи «угол—код», читающие автоматы и т. д.). В фотодиодном (фототриодном) режиме фотодиоды и фототриоды имеют большую чувствительность, чем в вентильном (выходным сигналом в этом режиме является напряжение).

Фоторезисторы

наряду с фотодиодами и фототриодами находят широкое применение, причем в основном в фотодатчиках с дискретной световой характеристикой. Достоинством фоторезисторов является высокая чувствительность, стабильность параметров, большая надежность и долговечность, возможность работы, как на постоянном, так и на переменном токе, малые габариты. К их недостаткам следует отнести большую инерционность, сильное влияние окружающей температуры, нелинейность световой характеристики, большой разброс параметров у фоторезисторов одной партии.

В качестве источников световой энергии в некоторых фотодатчиках используется сам ОУ (при измерении температуры, освещенности и т.п.). Большинство же фотодатчиков

нуждается в искусственном источнике светового потока. Наибольшее распространение в качестве такого источника в фотодатчиках получили недорогие и простые в эксплуатации

лампы накаливания. С целью повышения их надежности и долговечности рабочее

напряжение снижают на 20—З0 % по сравнению с номинальным.

Для работы в инфракрасной области спектра применяют специальные излучатели в виде штифтов из жаропрочных полупроводниковых материалов. Менее распространены в фотодатчиках газоразрядные лампы. Они имеют высокую светоотдачу и потребляют при этом в 2—З раза меньше энергии, чем лампы накаливания. Однако номенклатура этих ламп ограничена, габариты их больше, чем ламп накаливания.

Оптические системы фотодатчиков служат для перераспределения в пространстве потока лучистой энергии с целью повышения эффективности воздействия объектов управления (контроля) на параметры лучистого потока. Функции оптических систем фотодатчиков весьма разнообразны и требуют применения самых различных линз, зеркал, призм, диафрагм, дифракционных решеток, светофильтров и т. д.

С целью повышения помехоустойчивости в некоторых фотодатчиках размещается предварительный усилитель выходного сигнала фотоэлемента. Для этой цели в настоящее время в основном используют микроэлектронные операционные усилители.

В целом, оценивая фотодатчики

, следует отметить их большую универсальность, отсутствие обратного воздействия на объект управления (контроля) — бесконтактность. Недостатками фотодатчиков являются чувствительность к вибрациям, ударам, плохая работа в запыленной, загазованной и влажной среде, помехи от осветительных приборов общего освещения.

Фотоэлектрическое устройство

138391 Класс 42 Ь, 17 вг ссср ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯАВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУдппсная группа Л 3 17 К, Полевицкий и Н, Г. Волдыре ТОЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВОявлено 16 марта 1955 г, за Ло 0868%76885/2 Опубликовано в Б)оллетее изобретеншЬ ЛЪО за 196 Существующие фотоэлектрические устройства, служащие для сравения величины двух модулированных световых потоков, имеют малу.о очность и громоздкую конструкцию.Предлагаемое фотоэлектрическое устройство с двумя фотоэлементами повышает точность работы при удаленном расположении измерительного элемента от исследуемой среды тем, что в нем применено смесительное сопротивление, на которое поступают фотоэлектрические сигналы от обоих фотоэлементов, и потенциометр, обеспечивающий фотометрическое равновесие путем приведения напряжения основной гармоники на смесительном сопротивлении к нулю.Описываемое фотоэлектрическое устройство может быть применено для измерения коэффициента пропускания света водой и атмосферой, а также для измерения поглощения и отражения света толщей воды,На фиг. 1 представлена схема предлагаемого фотоэлектрического устройства при измерении коэффициента пропускания света водой.Лампа накаливания 1 посылает в воду в направлении фотоэлемента 2 параллельный лучок света, который формируется системой линз 3 — 1 и диафрагмой б, Второй пучок света лампа 1 посылает в направлен )н зеркала б, которое отражает его на фотоэлемент 7. Оба пуч-, ка света модулируются диском 8, приводимым в движение двигателем 9 псстоянного тока с центробежным регулятором скорости. На оси двигателя 9 насажен механический демодулятор 10. Настройка фазы осуществляется поворотом фотоэлемента 7 вместе с зеркалом б вокруг оси двигателя, Поле зрения фотоэлемента 2 определяется линзой П и диафрагмой 12. Сигналы от фотоэлементов 2 и 7 выводятся с помощью экранированного герметического кабеля из погруженной в воду части прибора и подаются на выходные цепи узкополосного электронного усилителя, где сигнал от фотоэлемента 7 автоматически ослабляется измерительным потенциометром в заданное число раз.На фиг. 2 дана схема устройства для измерения коэффициента поглошения света водой. н тЬ 138391Лампа 13 посылает в воду широкий расходящийся пучок света, восрииймаемый фотоэлементом 14, который может перемещаться вдоль учка света. Фотоэлемент 14 закрыт молочным стеклом и реагирует на змспение его освещенности. Второй пучок света от того ке источника осыластся в направлении фотоэлемента 15, помещенного в корооке 16.)ба пучка модулируются модулятором 17 цилиндрической формы, расолокенным на оси двигателя постоянного тока, Для настройки фазы редчсмотрена возможность поворота фотоэлемента 15 вокруг осн двига.еля.Сигналы от фотоэлементов по экранированному герметическому каелю подаются на входные цепи упомянутого усилителя, где происходит х уравнение. При этом сигнал с одного из фотоэлементов ослабляется отенциометром, Измерение состоит в получении отсчетов по потенциоетру при двух различных заранее заданных расстояниях х, которые иксируются упорами 18 по направляющим 19. Прибор позволяет проодить измерения коэффициента поглощения света водой в любое время уток, независимо от естественной освсшенности.На фиг. 3 дана электрическая схема устройства.Описываемое фотоэлектрическое устройство с двумя фотоэлементами предназначено для сравнения величин двух световых потоков. Сравиваемые световые потоки Р, и Р модулнруются вакуумными фотоэлементами 20 и 21, Сигнал от первого фотоэлемента воспроизводится кагодным повторителем 22 на измерительном потенциометре 23, часть коорого соответствующая положению движка 24 потенциометра 23, потупает на левую сетку 25 триода 26. На правую сетку 27 триода 2 б по. :тупает сигнал от фотоэлемента 21. На смесительном сопротивлении 28 происходит наложение токов от обоих сигналов,Основная гармоника результирующего сигнала, возникшего на сопротивлении 28, усиливается узкополосным усилителем 29 и выпрямля.тся механическим или электрическим демодулятором 30. Напряжение : демодулятора через усилитель мощности (на схеме не, показан) питает двигатель 31 постоянного тока, который перемещает движок 24 измерительного потенциометра 23 до наступления фотометрического равновесия на смесительном сопротивлении 28. Одновременно электродвигатель 31 перемещает перо самописца для регистрации измеренных величин (на схеме не показан).Предмет изобретенияФотоэлектрическое устройство с двумя фотоэлементами для сравнения величин двух модулированных световых потоков, прошедших сквозь исследуемую среду, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью получения высокой точности работы при удаленном расположении измерительного элемента устройства от исследуемой среды, оно выполнено с применением смесительного сопротивления, на которое поступают фотоэлектрические сигналы от обоих фотоэлементов, и потенциометра, приводящего к нулю на смесительном сопротивлении напряжение основной гармоники, чем достигают фотометрическое равновесие.Формат бум. Тираж 700 о делам те Минист ч. 17 Х 11.61 г Подл. Зак. б обретений и открытийов СССР ТИ при Комитете и при Сове Москва, Центр,. Черкасскнн пер., д. пография ЦБТИ Комитета по делам изобретений и открытий при Совете Министров СССР, Москва, Петровка, 14.
Смотреть

Фотоэлектрические датчики положения — принцип работы и применение

Датчики — в системах автоматического регулирования — чувствительные элементы или устройства, воспринимающие величину контролируемого параметра объекта и выдающие сигнал на устройство сравнения этой величины с заданной величиной, при этом вырабатывается сигнал разности или рассогласования, который через другие устройства воздействует на объект регулирования.

Область применимости фотоэлектрических датчиков положения охватывает широкий промышленный спектр. Датчики данного типа помогают решать задачи, связанные с управлением технологическими процессами производства, где необходимо осуществлять обнаружение, позиционирование или просто подсчет тех или иных объектов.

В силу своей универсальности, фотоэлектрические датчики находят сегодня самое обширное применение там, где необходима промышленная автоматизация. Они отличаются возможностью проводить бесконтактные измерения и подсчет объектов, и выводить соответствующую информацию в виде цифрового сигнала, который легко воспринимается и обрабатывается любым современным контроллером.

Цифровые выходы обычно содержат PNP или NPN-транзисторы либо просто реле. Питание осуществляется постоянным (или сетевым) напряжением от 10 вольт в пределах 240 вольт.

Читать еще:  Почему нельзя соединять напрямую медный провод с алюминиевым

Принцип прерывания луча

Два корпуса — излучатель и приемник, составляют одно устройство. Они устанавливаются по разные стороны от места, где предполагается прохождение объекта. Приемник статично фиксируется напротив излучателя так, что непреломленный луч от излучателя всегда попадает в детектор приемника.

Рабочий диапазон (размеры фиксируемого объекта) практически неограничен, причем определяемые объекты могут быть как прозрачными, так и непрозрачными.

Если объект непрозрачный, то луч просто перекрывается, блокируется объектом. Если же объект прозрачный, — луч отклоняется или рассеивается так, что приемник его не видит, пока объект не покинет место его обнаружения. Так обеспечивается высокая надежность и точность работы фотоэлектрического датчика, основанного на принципе прерывания луча. Данные датчики способны работать на расстояниях между излучателем и приемником от нескольких сантиметров до десятков метров.

Принцип отражения луча от рефлектор

Датчик состоит из двух частей — излучателя и рефлектора. Приемник и излучатель находятся в одном корпусе, который неподвижно крепится с одной стороны исследуемого места, а с другой стороны устанавливается рефлектор (отражатель). Различные отражатели позволяют использовать датчики такого типа на разных расстояниях, кроме того чувствительность приемника может иногда регулироваться.

Данные датчики также подходят для обнаружения стекла и других хорошо отражающих поверхностей. Как и в случае с датчиками, работающими по принципу прерывания луча, датчики на основе рефлектора позволяют измерять габаритные размеры объектов или просто считать их.

Поскольку корпус здесь один, то прибор в целом требует меньше места для установки, иногда это является важным преимуществом, особенно для систем автоматизации требующих компактности. Данные датчики способны работать на расстояниях между корпусом и рефлектором от нескольких сантиметров до нескольких метров.

Принцип отражения луча от объекта

Все устройство представляет собой одиночный корпус, содержащий излучатель и приемник, способный реагировать даже на рассеянный отраженный от объекта луч. Модели датчиков данного типа имеют преимущественно небольшую стоимость, занимают меньше всего места для установки, им не нужен рефлектор.

Достаточно статично закрепить датчик недалеко от исследуемой зоны, и настроить его чувствительность в соответствии с типом поверхности обнаруживаемого объекта. Датчики данного типа подходят для работы на небольших расстояниях до исследуемых объектов, порядка нескольких десятков сантиметров, например с продуктами, движущимися на конвейерной ленте.

Фотодатчики и их применение

Какие бывают фотодатчики

В различных электронных устройствах, устройствах домашней и промышленной автоматики, различных радиолюбительских конструкциях фотодатчики используются очень широко. Кто хоть раз разбирал старую компьютерную мышь, как ее называли «комовскую», еще с шариком внутри, наверняка видел колесики с прорезями, крутящиеся в щели фотодатчиков.

Подобные фотодатчики называются фотопрерывателями – прерывают поток света. С одной стороны такого датчика находится источник – светодиод, как правило, инфракрасный (ИК), с другой фототранзистор (если быть точнее, то два фототранзистора, в некоторых моделях фотодиода, чтобы определить еще и направление вращения). При вращении колесика с прорезями на выходе фотодатчика получаются электрические импульсы, что является информацией об угловом положении этого самого колесика. Такие устройства называются энкодерами. Причем энкодер может быть просто контактным, вспомните колесико у современной мышки!

Фотопрерыватели используются не только в «мышках» а и в других устройствах, например, датчиках частоты вращения какого-либо механизма. В этом случае применяется одинарный фотодатчик, ведь направление вращения определять не требуется.

Если из каких-то соображений, чаще всего для ремонта, залезть в другие устройства электронной техники, то фотодатчики можно обнаружить в принтерах, сканерах и копирах, в приводах CD дисководов, в DVD плеерах, кассетных видеомагнитофонах, видеокамерах и в другой аппаратуре.

Так какие же бывают фотодатчики, и что они из себя представляют? Просто посмотрим, не вникая в физику полупроводников, не разбираясь в формулах и не произнося непонятных слов (рекомбинация, рассасывание неосновных носителей), что называется «на пальцах», как эти фотодатчики работают.

Рисунок 1. Фотопрерыватель

Фоторезистор

С ним все понятно. Как обычный постоянный резистор имеет омическое сопротивление, направление подключения в схеме роли не играет. Только в отличие от постоянного резистора меняет сопротивление под воздействием света: при освещенности оно уменьшается в несколько раз. Количество этих «раз» зависит от модели фоторезистора, в первую очередь от его темнового сопротивления.

Конструктивно фоторезисторы представляют собой металлический корпус со стеклянным окошком, сквозь которое видна сероватого цвета пластинка с зигзагообразной дорожкой. Более поздние модели выполнялись в пластмассовом корпусе с прозрачным верхом.

Быстродействие фоторезисторов невелико, поэтому работать они могут лишь на очень низких частотах. Поэтому в новых разработках они почти не применяются. Но случается, что в процессе ремонта старой техники с ними встретиться придется.

Чтобы проверить исправность фоторезистора достаточно проверить его сопротивление с помощью мультиметра. При отсутствии освещения сопротивление должно быть большим, к примеру, у фоторезистора СФ3-1 темновое сопротивление по справочным данным 30МОм. Если его осветить, то сопротивление упадет до нескольких КОм. Внешний вид фоторезистора показан на рисунке 2.

Рисунок 2. Фоторезистор СФ3-1

Фотодиоды

Очень похожи на обычный выпрямительный диод, если бы не свойство реагировать на свет. Если его «прозванивать» тестером, лучше несовременным стрелочным, то при отсутствии освещения результаты будут те же, как в случае измерения обычного диода: в прямом направлении прибор покажет маленькое сопротивление, а в обратном стрелка прибора почти не сдвинется с места.

Говорят, что диод включен в обратном направлении (этот момент следует запомнить), поэтому ток через него не идет. Но, если в таком включении фотодиод засветить лампочкой, то стрелка резко устремится к нулевой отметке. Такой режим работы фотодиода называется фотодиодным.

Еще у фотодиода есть фотогальванический режим работы: при попадании на него света он, как солнечная батарея, вырабатывает слабенькое напряжение, которое, если усилить, можно использовать в качестве полезного сигнала. Но, чаще фотодиод используется в фотодиодном режиме.

Фотодиоды старой конструкции по внешнему виду представляют металлический цилиндрик с двумя выводами. С другой стороны находится стеклянная линза. Современные фотодиоды имеют корпус просто из прозрачной пластмассы, в точности такой же как и светодиоды.

Рис. 2. Фотодиоды

Фототранзисторы

По внешнему виду бывают просто неотличимы от светодиодов, тот же корпус из прозрачной пластмассы или цилиндрик со стекляшкой в торце, а из него два вывода — коллектор и эмиттер. Базовый вывод фототранзистору вроде как не нужен, ведь входным сигналом для него является световой поток.

Хотя, некоторые фототранзисторы вывод базы все же имеют, что позволяет кроме света управлять транзистором еще и электрическим способом. Такое можно встретить у некоторых транзисторных оптронов, например АОТ128 и импортных 4N35, — по сути функциональных аналогов. Между базой и эмиттером фототранзистора включают резистор, чтоб несколько прикрыть фототранзистор, как показано на рисунке 4.

Рисунок 3. Фототранзистор

У нашего оптрона обычно «вешают» 10 — 100КОм, а вот у импортного «аналога» около 1МОм. Если поставить даже 100КОм, то он работать не будет, транзистор просто наглухо закрыт.

Как проверить фототранзистор

Фототранзистор достаточно просто проверить тестером, даже если у него нет вывода базы. При подключении омметра в любой полярности сопротивление участка коллектор – эмиттер достаточно большое, поскольку транзистор закрыт. Когда на линзу попадет свет достаточной интенсивности и спектра, то омметр покажет маленькое сопротивление – транзистор открылся, если, конечно, удалось угадать полярность подключения тестера. По сути дела такое поведение напоминает обычный транзистор, только тот открывается электрическим сигналом, а этот световым потоком. Кроме интенсивности светового потока немалую роль играет его спектральный состав. Про особенности проверки транзисторов смотрите здесь.

Спектр света

Обычно фотодатчики настроены на определенную длину волны светового излучения. Если это излучение инфракрасного диапазона, то такой датчик плохо реагирует на синий и зеленый светодиоды, достаточно хорошо на красный, лампу накаливания и само собой на инфракрасный. Также нехорошо воспринимает свет от люминесцентных ламп. Поэтому причиной плохой работы фотодатчика может быть просто неподходящий спектр источника света.

Выше было написано, как прозвонить фотодиод и фототранзистор. Тут следует обратить внимание на такую вроде бы мелочь, как тип измерительного прибора. У современного цифрового мультиметра в режиме прозвонки полупроводников плюс находится там же, где и при измерении постоянного напряжения, т.е. на красном проводе.

Результатом измерения будет падение напряжения в милливольтах на p-n переходе в прямом направлении. Как правило, это цифры в пределах 500 — 600, что зависит не только от типа полупроводникового прибора, но еще и от температуры. При увеличении температуры эта цифра уменьшается на 2 на каждый градус Цельсия, что обусловлено температурным коэффициентом сопротивления ТКС.

При пользовании стрелочным тестером надо помнить, что в режиме измерения сопротивлений плюсовой вывод находится на «минусе» в режиме измерения напряжений. При таких проверках освещать фотодатчики лучше лампой накаливания с близкого расстояния.

Сопряжение фотодатчика с микроконтроллером

В последнее время многие радиолюбители увлеклись конструированием роботов. Чаще всего это что-то такое на вид примитивное, вроде коробки с батарейками на колесиках, но жутко умное: все слышит, видит, препятствия объезжает. Вот видит он все как раз за счет фототранзистров или фотодиодов, а может даже и фоторезисторов.

Тут все происходит очень просто. Если это фоторезистор, достаточно подключить его, как указано на схеме, а в случае с фототранзистором или фотодиодом, чтобы не перепутать полярность предварительно «прозвонить» их, как было рассказано выше. Особенно полезно эту операцию проделать, если детали не новые, убедиться в их пригодности. Подключение разных фотодатчиков к микроконтроллеру показано на рисунке 4.

Рисунок 4. Схемы подключения фотодатчиков к микроконтроллеру

Измерение освещенности

Фотодиоды и фототранзисторы имеют малую чувствительность, высокую нелинейность и весьма узкий спектр. Основное применение этих фотоприборов – работа в ключевом режиме: включено – выключено. Поэтому создание измерителей освещенности на них достаточно проблематично, хотя раньше во всех аналоговых измерителях освещенности применялись именно эти фотодатчики.

Но к счастью нанотехнология на месте не стоит, а идет вперед семимильными шагами. Для измерения освещенности «там у них» создали специализированную микросхему TSL230R, представляющую собой программируемый преобразователь освещенность – частота.

Внешне устройство представляет собой микросхему в корпусе DIP8 из прозрачной пластмассы. Все сигналы входные и выходные по уровню совместимы с TTL — CMOS логикой, что позволяет легко сопрягать преобразователь с любым микроконтроллером.

С помощью внешних сигналов можно изменять чувствительность фотодиода и шкалу выходного сигнала соответственно 1, 10, 100 и 2, 10, и 100 раз. Зависимость частоты выходного сигнала от освещенности линейная, в пределах от долей герца до 1МГц. Настройки шкалы и чувствительности выполняются подачей логических уровней всего на 4 входа.

Микросхема может вводиться в режим микро потребления (5мкА) для чего есть отдельный вывод, хотя и в рабочем режиме не особенно прожорлива. При напряжении питания 2,7…5,5В потребляемый ток не более 2мА. Для работы микросхемы не требуется никакой внешней обвязки, разве что блокировочный конденсатор по питанию.

По сути, достаточно подключить к микросхеме частотомер и получать показания освещенности, ну, видимо, в каких-то УЕ. В случае же применения микроконтроллера ориентируясь на частоту выходного сигнала можно управлять освещенностью в помещении, или просто по принципу «включить – выключить».

TSL230R не единственный измеритель освещенности. Еще более совершенными являются датчики фирмы Maxim MAX44007-MAX44009. Габариты их меньше, чем у TSL230R, энергопотребление таково, как у других датчиков в спящем режиме. Основное назначение таких датчиков освещенности – применение в приборах с батарейным питанием.

Фотодатчики управляют освещением

Одной из задач, выполняемых при помощи фотодатчиков, является управление освещением. Такие схемы называются фотореле, чаще всего это простое включение освещения в темное время суток. С этой целью радиолюбителями было разработано немало схем, некоторые из которых мы рассмотрим в следующей статье.

Сферы использования и принцип действия фотоэлектрических датчиков, особенности выбора устройств

Часто для охраны помещений нужны устройства, которые могли бы преобразовывать неэлектрические величины в электрические. Одним из вариантов могут стать фотоэлектрические датчики. Благодаря им, можно узнать о многих характеристиках отдельного объекта.

Что из себя представляют фотоэлектрические датчики?

Фотоэлектрический датчик — это устройство, которое обнаруживает изменения в лучах окружающего света. Датчик фиксирует изменение, когда объект задерживает или отображает свет. Также аппарат может использоваться для охраны помещений.

Зачем нужен и где используется?

Аппарат нужен для обнаружения точного местоположения предмета без физического контакта с ним. Совершает работу за счет луча света.

Устройство используется в следующих местах:

  • на производстве;
  • в офисах;
  • в строительстве;
  • на складах;
  • в жилых помещениях;
  • для уличного освещения.
Как работает: устройство и принцип действия

Фотодатчик состоит из следующих частей:

  • корпус;
  • реле;
  • фотоэлектрический элемент;
  • оптическая система;
  • катод;
  • металлический анод.

Устройство действует по следующему принципу:

  • светочувствительный элемент реагирует на свет;
  • происходит смыкание контактов;
  • идет сигнал на центральную панель;
  • датчик продолжает наблюдение за территорией.

Отзывы о фотоэлектрических датчиках: плюсы и минусы

Основными достоинствами аппаратов этого типа являются:

  • невысокая стоимость;
  • легкость в обнаружении светлых предметов;
  • большой диапазон обзора;
  • работа в любых условиях;
  • выявление даже небольшого изменения в положении объекта.

К минусам можно отнести:

  • проблемы с определением черных предметов;
  • небольшая сложность в настройке;
  • у некоторых моделей отсутствует подавление переднего фона.
Читать еще:  Еще раз об устройстве вентиляции в коттедже

Производители и популярные модели: рейтинг лучших и цены

Детектор Omron E3Z-T86AL OMS

Корпус датчика изготовлен из пластика. Тип излучаемого света — поляризованный красный свет. Количество сигнальных каналов равняется 1. Размеры — 10*31*20 мм.

Дистанция переключения — 10 м. Максимальная работа тока равняется 100 мА. Угол обзора — 15 градусов. Длина испускаемой волны датчика — 700 nm. Напряжение может достигать 24 В. Рабочая температура — от -25 до 55 градусов. Устройство не имеет защиты от пыли и газа. Присутствует функция переключения в зависимости от освещения окружающей среды. Настройка может производиться вручную. Цена: 2 440 рублей.

Фотоиндикатор E3FA-DP12 2M OMI

Корпус и материал оптической поверхности выполнен из пластика. Тип света — поляризованный красный свет. Аппарат подключается с помощью кабеля. Присутствует функция ручной настройки параметров.

Размеры аппарата — 18*41*18 мм. Дистанция переключения — 300 мм. Температура, при которой работает устройство — от -25 до 55 градусов. Присутствует функция переключения при затемнении или освещении территории. Конструкция корпуса — цилиндр с резьбой. Не имеет защиты от газа и пыли. Длина волны — 624 nm. Частота тока — 2000 Гц. Количество каналов — 1. Аппарат срабатывает достаточно быстро — за 0,5 сек. Цена: 3162 рубля.

Датчик Jalo Kupu 80011

Устройство является фотоэлектрическим датчиком дыма и определяет места возгорания. Рабочее напряжение — 9 В. Переключение проводится на расстоянии 3 м. Размеры — 136*136*43 мм. Вес аппарата — 165 гр. Устройство работает при колебании температур — от 0 до 45 градусов. Батарея рассчитана на 5 лет. Датчик содержит особую чувствительную камеру, с помощью которой определяет частички дыма в воздухе. В аппарате присутствует функция самоконтроля и диагностики.

У этих моделей снижен риск ложных срабатываний. Датчик прост в установке и использовании. Цена: 2460 рублей.

Устройство обнаружения BEN10M-TDT DC12-24V

Этот датчик рекомендуется устанавливать в отдельных комнатах жилых помещений. Размеры — 18*50*50 мм. Работает при температурах — от -20 до 65 градусов. Вес достигает 324 гр. Аппарат подключается с помощью кабеля, который имеет длину 2 м. диаметром 5 мм. Срабатывает на расстоянии 10 м. Индикатор имеет 2 цвета — красный и зеленый. Источником света является инфракрасный светодиод с длиной волны 850 nm.

Два режима срабатывания — на свет и на затемнение. Потребляемый ток — 40 мА. В датчик встроена защита от обратной полярности и от замыкания. Датчик прост в устройстве и обслуживании. Цена: 2809 рублей.

Индикатор BPS3M-TDTL-P

Устройство является низкопрофильным датчиком с увеличенным радиусом срабатывания. Размеры — 17*7,5*28 мм. Корпус выполнен из пластика. Устройство работает на расстоянии 3 м. Потребляемый ток — 20 мА. Максимальная нагрузка тока может достигать 100 мА. Длина волны — 500 nm. Источником света является инфракрасный светодиод.

Присоединяется с помощью кабеля, длина которого составляет 2 м. Вес — 66 гр. Подает сигнал на затемнение или освещение. Влагозащищенный корпус. Устройство удобно в установке из-за миниатюрного и плоского корпуса. Цена: 3094 рубля.

PHOTOSWITCH MiniSight

Датчик предназначен для работы в промышленной сфере. С его помощью проводится зондирование некоторых материалов. Потребляемый ток — 30 мА. Прибор защищен от перегрузки, замыкания, ложного импульса и неправильной полярности. Светодиоды представлены зеленым, оранжевым и янтарным цветом. Нагрузка тока — 100 мА. Температура, при которой совершается работа датчика — от -20 до 70 градусов. Линзы камеры наблюдения сделаны из акрила.

Особенностью этого устройства считается самостоятельная настройка чувствительности. Товар встречается довольно редко, поэтому цена зависит от наличия данного продукта.

Какого производителя и какой тип лучше выбрать: ТОП-3

Из вышеперечисленных устройств можно выделить следующие модели.

  1. BEN10M-TDT DC12-24V — датчик работает при разных температурах. Особенностью датчика можно назвать большой диапазон действия — 10 м. Также одним из его достоинств является низкое потребление тока. Это снижает затраты на электроэнергию. Цена: 2809 рублей.
  2. BPS3M-TDTL-P — датчик, который добился популярности за счет увеличенного радиуса срабатывания. В отличие от других моделей его корпус более защищен от доступа влаги и пыли. Присутствует повышенная защита от замыкания и переполюсовки. Цена: 3094 рубля.
  3. E3FA-DP12 2M OMI — аппарат представлен своеобразной формой — цилиндр, покрытый резьбой. Устройство стало популярно за счет функции ручной настройки некоторых параметров. Также достоинством датчика является быстрая подача сигнала. Цена: 3162 рубля.
Что учитывать при выборе устройства?

При выборе датчика стоит обратить внимание на следующие факторы:

  • место, где будет монтироваться аппарат;
  • наличие защиты от ложных срабатываний;
  • мощность сигнала;
  • мощность испускаемого луча;
  • величина нагрузки тока;
  • надежность.
3 лучших модели

Согласно отзывам, лучшими моделями являются:

    E3Z-D61-2M — датчик завоевал популярность за счет низкого расхода тока и наличия системы защиты от факторов окружающей среды. Цена: 5540 рублей.

BEN5M-MFR — устройство стало популярно благодаря простоте установки и большому сроку годности. Цена: 2064 рубля.

  • E3JM — аппарат славится тем, что его корпус сделан из специальной стали, которая не подвластна коррозии и погодным условиям. Цена: 6100 рублей.
  • Стоимость

    Цена зависит от мощности тока, излучаемого луча света, наличия ложных срабатываний.

    Наиболее дешевые варианты представлены следующими моделями:

    • BEN5M-MFR — 2064 рубля.
    • E3Z-T86AL OMS — 2440 рублей.
    • Jalo Kupu 80011 — 2460 рублей.
    • BEN10M-TDT DC12-24V — 2809 рублей.

    И более дорогие варианты:

    • BPS3M-TDTL-P — 3094 рубля.
    • E3FA-DP12 2M OMI — 3162 рубля.
    • E3Z-D61-2M — 5540 рублей.
    • E3JM — 6100 рублей.

    Где купить фотоэлектрический датчик для квартиры и дома?

    В Москве
    1. «Косби», ул. Шипиловская, д. 28а, +74957763393.
    2. Компания «Эско Восток КОМ», Пыжевский пер., д. 5, +74959742460.
    3. «РумЭлектро», ул. Братиславская, д. 18, +74952120900.
    В Санкт-Петербурге
    1. Компания «ПневмоЭлектроСервис», Торфяная дорога, д. 9, +78123263100.
    2. «LabSI», Индустриальный проспект, д.44, офис 557, +78129377855.
    3. «ACS», пр. Приморский, д. 137, +78124323838.

    Фотоэлектрический датчик необходим, если нужно узнать информацию об объекте, не соприкасаясь с ним. Именно из-за этого качества аппарат стал популярен. Так же устройство имеет относительно небольшую стоимость, что делает его доступным всем желающим.

    Фотоэлектрические датчики. Фотодатчики. Устройство, типы и виды фотодатчиков.

    Фотоэлектрические датчики (фотодатчики) используются в автоматике для преобразования в электрический сигнал различных неэлектрических величин: механических перемещений, скорости размеров движущихся деталей, температуры, освещенности, прозрачности жидкой или газовой среды и т. д.

    По принципу кодирования информации фотодатчики можно разделить на две группы: с амплитудной модуляцией светового потока и с временной или частотной модуляцией. У датчиков с амплитудной модуляцией значение фототока пропорционально световому потоку, зависящему от управляемой (контролируемой) неэлектрической величины. У датчиков с временной или частотной модуляцией фототок изменяется дискретно за счет полного или частичного прерывания светового потока от воздействия неэлектрической величины. Информация об управляемом (контролируемом) параметре кодируется в этих датчиках в виде числа, частоты или длительности импульсов фототока.

    Фотодатчик в общем случае состоит из фотоэлектрического чувствительного элемента (фотоэлемента) источника света и оптической системы. В некоторых случаях фотодатчики используют световое излучение объекта управления (контроля) и не содержат источника света (датчики астрономического компаса, температуры, освещенности и др.). Некоторые датчики с целью упрощения конструкции могут не содержать оптической системы.

    В большинстве фотодатчиков преобразование входной неэлектрической величины в электрический сигнал осуществляется в два этапа: сначала происходит ее преобразование в изменение одного из параметров светового потока (силы света, освещенности, спектрального состава и т. п.), а затем это изменение преобразуется фотоэлементом в электрическую величину (фототок, падение напряжения, фото-ЭДС и т. д.).

    Все фотодатчики по характеру формирования воздействия светового потока на фотоэлемент можно разделить на несколько видов.

    1. Фотодатчики, у которых световой поток изменяется за счет перемещения объекта управления (контроля) или изменения размеров объекта (рис. 2-7). В этих датчиках источник света 1 и оптическая система (конденсор) 2 формируют параллельный и равномерный световой поток Ф.. В этом световом потоке помещается деталь З, размеры которой нужно контролировать, или заслонка 4, связанная механически с ОУ и перекрывающая часть светового потока. При изменении размера детали d или при перемещении заслонки х изменяется количество света (лучистой энергии), попадающего на фотоэлемент 5. Для повышения чувствительности световой поток Ф1, содержащий информацию о размерах детали (или о перемещении объекта), собирается оптической системой 6 и фокусируется на светочувствительную поверхность фотоэлемента. По такому принципу работают датчики фотоэлектрических микрометров, датчики длины, площади, деформаций и т. д. На этом принципе основана работа и дискретных фотодатчиков, таких, как фотоэлектрические датчики (преобразователи) «угол — код», датчики частоты вращения, фотосчитывающие датчики с перфолент, перфокарт, фотодатчики конца магнитной ленты, датчики размеров петли магнитной ленты, находящейся в кармане лентопротяжного механизма ЗУ на магнитной ленте, и т. д.

    2. Фотодатчики, у которых световой поток попадает на фото элемент после отражения от объекта управления (контроля) (рис. 2-8). В этих фотодатчиках источник света 1 и оптическая система 2 формируют узкий световой луч, который после отражения от объекта З попадает через собирающую и фокусирующую оптическую систему 4 на фотоэлемент 5. Количество отраженного света, попадающего на фотоэлемент, зависит от отражательной способности поверхности объекта (чистоты обработки, блесткости, наличия участков, покрытых краской, и т. п.). Такие фотодатчики используются в читающих автоматах, способных автоматически считывать и кодировать информацию с текстовых и графических документов, в измерителях чистоты поверхности, фотоэлектрических рефлектометрах, гигрометрах и пр.

    3. Фотодатчики, у которых световой поток создается объектом управления (контроля) (рис.2-9). В этих фотодатчиках световой поток, излучаемый ОУ, содержит информацию об управляемом (контролируемом) параметре объекта 1. Оптическая система 2 собирает и фокусирует световой поток на светочувствительную поверхность фотоэлемента З. Подобные фотодатчики используются в фотоэлектрических измерителях температуры, дозиметрах лучистой энергии, приборах для эмиссионного спектрального анализа.

    В качестве чувствительных элементов в фотодатчиках используются фотоэлементы с внешним, вентильным и внутренним фотоэффектом.

    Фотоэлементы с внешним фотоэффектом

    Это вакуумные и газонаполненные фотоэлементы, фотоумножители обладают высокой линейностью световой характеристики (зависимость фототока от светового потока), высокой температурной стабильностью характеристик. Однако они имеют и ряд существенных недостатков, ограничивающих их применение в устройствах автоматического управления и контроля: необходимость в повышенном напряжении питания (сотни и тысячи вольт); хрупкость стеклянного баллона и возможность деформации электродов при механических воздействиях; старение и утомляемость фотоэлементов (снижение чувствительности при сильной освещенности).

    Они отличаются Высокой надежностью и долговечностью не нуждаются в источнике питания, имеют малую массу и габариты. Недостатками их являются: сильное влияние окружающей температуры; утомляемость и высокая инерционность, ограничивающая применение при частоте прерывания светового потока в несколько десятков герц.

    Фотодиоды и фототриоды

    широко применяются в фотодатчиках различного типа. Они имеют линейную световую характеристику, высокую чувствительность, малую инерционность (частота прерывания светового потока может быть до нескольких килогерц), малые габариты. В зависимости от схемы включения различают вентильный и фотодиодный (фототриодный) режимы работы фотодиодов и фототриодов.

    В вентильном режиме фотодиод является генератором фото тока и не нуждается в источнике питания. Фототриод в вентильном режиме можно рассматривать как комбинированный электронный прибор — фотодиод ( п-р -переход цепи база — эмиттер) и собственно триод, усиливающий фототок, который возникает в цепи база — эмиттер под действием светового потока. База фототриода в этом режиме замыкается накоротко с эмиттером. В вентильном режиме фотодиоды и фототриоды используются в фотодатчиках с пропорциональной световой характеристикой (измерение размеров, перемещений, температуры и т. д.).

    В фотодиодном режиме к фотодиоду нужно приложить в обратном запирающем направлении внешнее напряжение. У фототриодов в фототриодном режиме в цепь базы подается напряжение смещения от внешнего источника. Фотодиодный (фототриодный) режим включения фотодиодов (фототриодов) используется в основном в фотодатчиках с дискретной световой характеристикой (фотосчитывающие устройства с перфолент, перфокарт, фотоэлектрические преобразователи «угол—код», читающие автоматы и т. д.). В фотодиодном (фототриодном) режиме фотодиоды и фототриоды имеют большую чувствительность, чем в вентильном (выходным сигналом в этом режиме является напряжение).

    наряду с фотодиодами и фототриодами находят широкое применение, причем в основном в фотодатчиках с дискретной световой характеристикой. Достоинством фоторезисторов является высокая чувствительность, стабильность параметров, большая надежность и долговечность, возможность работы, как на постоянном, так и на переменном токе, малые габариты. К их недостаткам следует отнести большую инерционность, сильное влияние окружающей температуры, нелинейность световой характеристики, большой разброс параметров у фоторезисторов одной партии.

    В качестве источников световой энергии в некоторых фотодатчиках используется сам ОУ (при измерении температуры, освещенности и т.п.). Большинство же фотодатчиков

    нуждается в искусственном источнике светового потока. Наибольшее распространение в качестве такого источника в фотодатчиках получили недорогие и простые в эксплуатации

    лампы накаливания. С целью повышения их надежности и долговечности рабочее

    напряжение снижают на 20—З0 % по сравнению с номинальным.

    Для работы в инфракрасной области спектра применяют специальные излучатели в виде штифтов из жаропрочных полупроводниковых материалов. Менее распространены в фотодатчиках газоразрядные лампы. Они имеют высокую светоотдачу и потребляют при этом в 2—З раза меньше энергии, чем лампы накаливания. Однако номенклатура этих ламп ограничена, габариты их больше, чем ламп накаливания.

    Оптические системы фотодатчиков служат для перераспределения в пространстве потока лучистой энергии с целью повышения эффективности воздействия объектов управления (контроля) на параметры лучистого потока. Функции оптических систем фотодатчиков весьма разнообразны и требуют применения самых различных линз, зеркал, призм, диафрагм, дифракционных решеток, светофильтров и т. д.

    Читать еще:  Почему нельзя брать лампочки руками

    С целью повышения помехоустойчивости в некоторых фотодатчиках размещается предварительный усилитель выходного сигнала фотоэлемента. Для этой цели в настоящее время в основном используют микроэлектронные операционные усилители.

    В целом, оценивая фотодатчики , следует отметить их большую универсальность, отсутствие обратного воздействия на объект управления (контроля) — бесконтактность. Недостатками фотодатчиков являются чувствительность к вибрациям, ударам, плохая работа в запыленной, загазованной и влажной среде, помехи от осветительных приборов общего освещения.

    Автомобильный справочник

    для настоящих любителей техники

    Оптоэлектронные датчики

    Оптоэлектронные датчики распознают наличие объектов, а также проверяют их форму, цвет, толщину и расстояние. Отсутствие силового воздействия на перемещающийся объект, возможность дистанционного измерения параметра делает оптоэлектронные датчики незаменимыми в тех случаях, когда наличие даже незначительного силового воздействия может привести к недопустимому изменению состояния контролируемого объекта. Кроме того, отсутствие механической связи с объектом контроля и, соответственно, механической преобразующей системы внутри датчика, делает их надежными в эксплуатации, простыми в изготовлении. Вот о том, какими бывают оптоэлектронные датчики, мы и поговорим в этой статье.

    Внутренний фотоэлектрический эффект

    Внутренний фотоэлектрический эффект соз­дает основу для оптоэлектронных чувстви­тельных элементов. Свет можно рассматри­вать как поток отдельных квантов (фотонов). Энергия EPh фотона зависит только от его частоты f или длины волны λ:

    где h — квант действия Планка.

    Когда фотоны сталкиваются с атомами, каж­дый из них, при наличии достаточной энер­гии, может освободить электрон из внешней оболочки. Необходимая для этого энергия соответствует разности между энергией Ev валентной зоны атома и энергией EL зоны проводимости, т.е. межзонного интервала Eg:

    Следовательно, для освобождения электрона энергия EPh должна быть больше межзонного интервала Eg. В чистом полупроводнике, в результате поглощения фотонов, создаются пары носителей заряда (электроны и дырки). Преодолеваемый межзонный интервал, к примеру, у кремния составляет Eg = 1,12 эВ при комнатной температуре. Без специаль­ных мер созданные пары носителей заряда уже через короткое время рекомбинируют. Однако создаваемое излучение в случае с кремнием не попадает в видимый глазу спектр.

    В сильно легированных полупроводниках упомянутый выше внутренний фотоэлектри­ческий эффект дополняется внешним фотоэ­лектрическим эффектом. Поскольку преодо­леваемый энергетический перепад в таких внешних датчиках значительно меньше, они также подходят для излучения более длин­ных волн (инфракрасный диапазон).

    Для энергий EPh и Eg не происходит дальнейшего освобождения. Согласно урав­нению 1 в случае с кремнием это соответ­ствует предельной длине волны λg = 1,1 мкм (рядом с ИК-диапазоном). Свет с большей длиной волны или меньшей частотой уже не поглощается; здесь кремний становится прозрачным.

    Светочувствительные элементы

    Фоторезисторы

    Случайный свет приводит к созданию пар но­сителей заряда в датчике с конфигурацией резистора (LDR, светочувствительный рези­стор). Эти пары носителей заряда увеличи­вают проводимость G. Через короткое время (считанные миллисекунды) они рекомбини­руют. Но, тем не менее, повышается концен­трация пар носителей заряда в стационарном равновесии с освещенностью Е согласно сле­дующему закону:

    G = const·E γ (уравнение 3)

    В качестве светочувствительных материалов обычно используются сульфид кадмия CdS (Eg = 1,8 эВ; λg= 0,7 мкм) и сепенид кадмия CdSe (Eg=1,5 эВ; λg= 0,8 мкм) на керамиче­ских подложках.

    р-n переходы в полупроводниках

    По существу разницы между фотоэлемен­том, фотодиодом и фототранзистором нет. В качестве измерительного эффекта все они используют фототок или безнагрузочное напряжение в освещенных р-n переходах. Однако элементы различаются принципами работы.

    Носители заряда, создаваемые внутрен­ним фотоэффектом в запирающем слое р-n перехода (рис. «Разделение созданных пар «электрон-дырка» в плоском полупроводниковом компоненте с p-n переходом» ), сразу же ускоряются электрическим полем в области простран­ственного заряда с низкой концентрацией носителей заряда, в результате чего носители заряда расщепляются сразу после создания (дрейфовый ток). Их рекомбинация практи­чески предотвращается, и фоточувствитель­ность значительно повышается.

    Фотоэлементы

    Фотоэлементы работают без внешнего на­пряжения смещения и могут действовать как без нагрузки (фотоэлектрический эффект), так и в короткозамкнутом режиме. Они имеют низкий фоновый шум и, соответственно, вы­сокую обнаруживающую способность.

    Характеристические кривые, применимые к этим режимам (рис. «Характеристичекие кривые фотоэлемента в зависимости от освещенности» ), могут быть легко выведены как частные случаи работы диода, поляризованного в прямом направлении с напряжением U с термически кондициони­рованным током насыщения в закрытом со­стоянии Is и фототоком Iрh, текущим в обрат­ном направлении:

    е- элементарный заряд;

    k — постоянная Больцмана;

    T — абсолютная температура.

    Фотоэлементы обычно имеют очень боль­шую чувствительную к излучению поверх­ность и, соответственно, также обеспечивают относительно высокий фотоэлектрический ток (например, Iph = 250 мкА при Е = 1000 лк). Их постоянная времени прямо пропорциональна и обычно составляет по­рядка 20 мс.

    Фотодиоды, фототранзисторы

    Фотодиоды работают с постоянным напряже­нием смещения Us в обратном направлении, где фототок, протекающий как обратный ток, линейно зависит от освещенности Е (рис. «Характеристические кривые фотодиода при постоянном освещении Е» ). Область пространственного заряда увеличивается при подаче обратного напря­жения. В результате уменьшается емкость р-n перехода так, что частота отсечки такого фотодиода составляет несколько МГц.

    В случае с фототранзистором, изобра­женном на рис. «Характеристические кривые фототранзистора при постоянном освещении Е» (прn), диод «коллектор-база», поляризованный в обратном на­правлении, действует как фотодиод. Таким образом, коллектор, как у любого транзистора, подает фототок, усиленный на коэффициент В (≈ 100-500) (соот­ветственно току базы). Однако, увеличе­ние чувствительности получается за счет чуть худшей частотной динамики и чуть худ­шей термической характеристики.

    Применение оптоэлектронных датчиков

    Датчик загрязнения фар

    С помощью такого датчика измеряется уро­вень загрязнения рассеивателя фары для включения автоматической системы его очистки (рис. «Датчик загрязнения фар» ).

    Фотоэлектрический датчик экранирова­ния отраженного света состоит из источ­ника света (светодиод) и приемника света (фототранзистор). Источник расположен на внутренней стороне рассеивателя в пределах очищаемой поверхности, однако не на пути основного светового луча. Если рассеиватель чистый или покрытый каплями дождя, луч, испускаемый светодиодом, проходит через рассеиватель без помех. Только незначитель­ная часть отражается назад — к приемнику света.

    Если луч наталкивается на частички грязи на внешней поверхности рассеива­теля, то отражается обратно к приемнику с интенсивностью, прямо пропорциональ­ной степени загрязнения; очиститель фары включается при достижении определенного уровня загрязнения.

    Датчик дождя

    Датчик дождя распознает капли воды на ве­тровом стекле для автоматического включе­ния стеклоочистителей. Но водитель может использовать и ручное управление; если нужно, автоматическая система может быть выбрана вручную при запуске двигателя.

    Датчик состоит из оптической линии пере­дачи и приемного канала (подобно датчику загрязнения фары). Однако луч света направ­ляется на стекло под некоторым углом. Сухая внешняя поверхность стекла полностью отра­жает весь свет обратно к приемнику, который также установлен под углом (рис. «Датчик дождя для ветрового стекла» ). Если на внешней поверхности стекла имеются водя­ные капли, то они рассеивают свет, ослабляя, таким образом, сигнал. Стеклоочиститель ве­трового стекла реагирует также и на загряз­нения, превышающие порог срабатывания.

    Фотоэлектрические датчики

    Оптические чувствительные элементы, использующие принцип фотоэффекта, называются фотоэлектрическими датчиками.

    Принцип фотоэффекта заключается в том, что при освещении поверхности металлов или полупроводников частицы лучистой энергии сообщают электронам освещенного вещества дополнительную энергию. В результате этого ускоряется перемещение электронов, они отделяются от атома и возникает или изменяется сила (напряжение) электрического тока.

    Различают внешний, внутренний и вентильный фотоэффекты.

    При внешнем фотоэффекте освободившиеся электроны покидают освещенное вещество, а при внутреннем остаются в освещенном веществе, повышая его электропроводность.

    Вентильным называется промежуточный фотоэффект, при котором освободившиеся электроны переходят из слоя освещенного в слой неосвещенного вещества, отделенного тонким изоляционном или «запирающим» слоем. Ввиду недостатка электронов в одним слое и избытка их в другом, между слоями !^возникает электродвижущая сила.

    Различают фотоэлементы с внешним, внутренним и вентильным фотоэффектами. Электрический ток при воздействии лучистой энергии без каких-либо дополнительных источников создают только фотоэлементы с вентильным фотоэффектом.

    Наиболее часто фотоэлементы используются в качестве датчиков, реагирующих на появление или исчезновение светового луча. Наиболее распространены фотоэлементы с внешним фотоэффектом. Такой элемент представляет собой вакуумную или газонаполненную лампу (рис. 29,а) с катодом 2 из фоточувствительного слоя (обычно цезиевого или сурымяноцезиевого) и анодом 1, выполненным в виде металлической пластинки или кольца. Фоточувствительный слой нанесен поверх тончайшего слоя серебра, которым покрыта часть внутренней поверхности колбы лампы. Вакуумные фотоэлементы практически безынерционны, однако дают меньший фототок, по сравнению с газонаполненными элементами, характеризующимися некоторой инерционностью.

    Достоинством фотоэлементов с внешним фотоэффектом является линейность их световых характеристик , т. е. зависимости фототока от величины светового потока (рис. 29,6). Из графика видно, что величина фототока /ф зависит от величины напряжения, приложенного к фотоэлементу.

    Чувствительность вакуумных фотоэлементов, выпускаемых в СССР, составляет около 20, а газонаполненных — 120 мка/лм.

    Чувствительность фотоэлемента, работающего на сопротивление уменьшается и может быть определена по формуле
    і
    где:
    — статическая чувствительность фотоэлемента при отсутствии сопротивления нагрузки;
    — динамическая чувствительность фотоэлемента при наличии сопротивления;
    — внутреннее сопротивление фотоэлемента;
    — сопротивление нагрузки.

    За последнее время значительное распространение начинают получать особые вакуумные фотоэлементы, принцип действия которых основан на следующем явлении.

    В результате действия лучистой энергии на катод фотоэлемента возникает эмиссия электронов, излучаемых катодом, и в фотоэлементе появляется первичный электронный ток. Если эту первичную эмиссию направить на второй катод (например, кислородно-цезиевый), подключенный к батарее электрического тока, то такой катод (эмиттер) также будет «выбрасывать» электроны — возникнет вторичная эмиссия. Вторичный электронный ток в несколько раз больше первичного и может быть направлен на следующий эмиттер для нового усиления. Этот метод усиления электронного тока называют «электронным умножением», а приборы, основанные на использовании его,- фотоумножителями.

    Схема многокаскадного фотоумножителя приведена на рис. 30,а. Световой поток Ф попадает на катод К фотоумножителя и «выбивает» из него гп электронов, которые, получая ускорение от напряжения, снимаемого с сопротивления R, «бомбардируют» эмиттер Зі, «выбивая» из него увеличенное число т2 вторичных электронов. Далее поток количественно увеличивающихся электронов последовательно переносится на эмиттеры Э2, Э3, Э4 и анод А. В цепь фототока умножителя включены сопротивление Ra и измерительный прибор. Для усиления фототока фотоумножитель подключается к усилителю через нагрузочное сопротивление R„, как показано пунктиром.

    По внешнему виду (рис. 30,6) фотоумножители напоминают вакуумные фотоэлементы обычного типа.
    Отношение числа т2 вторичных электронов к числу Jnl первичных называется коэффициентом вторичной эмиссии (a = m^/m|) материала, равным обычно 4-:-6.
    Полный фототок на выходе фотоумножителя:

    где:
    — фототок катода;
    — число дополнительных электродов;
    — чувствительность фотокатода в а/лм;
    — коэффициент усиления фотоумножителя;
    — общая чувствительность фотоумножителя. Фотоумножителипрактически безынерционны. Их световая
    характеристика линейна в широком диапазоне изме
    нений светового потока.

    В табл. 14 даны технические характеристики вакуумных и газонаполненных фотоэлементов.

    Фотоэлемент с внутренним фотоэффектом (фотосопротивление) состоит из диэлектрической пластинки I (рис. 31,а) и тонких металлических проволок 2 и 4. На проволоки (решетки) наносится тонкий слой 3 селена, сернистых таллия, свинца или висмута. При изменении освещенности Ф фотоэлемента его сопротивление изменяется, что регистрируется электрическим измерительным прибором 5, включенным в цепь электрической батареи 6.

    Световая характеристика фотосопротивления,т. е. зависимость величины фототока от освещенности поверхности фотоэлемента при одном и том же напряжении, показана на рис. 31,6. Особенностью характеристики является ее нелинейность и падение чувствительностипри увеличении освещенности. Величина чувствительности — может быть определена изхарактеристики как тангенс угла наклона кривой к оси недостаткам фотосопротивлений относится значительная их инерционность и зависимость световой характеристики от температуры элемента.

    При использовании фотосопротивления для приведения в действие исполнительных механизмов применяют промежуточные реле и электронные усилители (см. гл. V).

    Фотосопротивления выполняются в виде штепсельных вилок, в которые заделаны чувствительные элементы.

    Характеристики фотоэлементов с внутренним сопротивлением приведены в табл. 15.

    Принцип действия вентильных фотоэлементов с «запирающим» слоем состоит в следующем. Световой поток Ф (рис. 32,а), проходя через полупрозрачный проводник

    4 одного из контактов фотоэлемента, попадает на границу между тончайшим запирающим слоем 3 и полупроводником 2, т. е. светочувствительным слоем, нанесенным на металлическую подкладку 1 второго контакта фотоэлемента. Полупроводник и проводник заряжаются разноименно, так как запирающий слой обладает способностью пропускать электроны, освобождаемые из металла под действием света, только в одном направлении.

    В настоящее время известны медно-закисные, железо-селеновые, с фронтовым фотоэффектом, серно-серебряные, серно- таллиевые и другие вентильные фотоэлементы.

    Световые характеристикифотоэлементов при различных нагрузочных сопротивлениях н приведены на рис. 32,6.

    Линейный характер зависимости фототока /ф от освещенности Ф нарушается с увеличением нагрузочного сопротивления.

    Фототок /ф вентильного фотоэлемента крайне незначителен и поэтому для приведения в действие исполнительных механизмов применяют промежуточные высокочувствительные реле.

    Вентильные фотоэлементы применяются главным образом в измерительной технике. Они не нуждаются в дополнительном источнике питания, так как вырабатывают электрическую энергию. К недостаткам вентильных фотоэлементов относится низкая чувствительность по напряжению, значительная зависимость параметров от температуры, сравнительно большая инерционность, линейность световой характеристики лишь при слабых световых потоках и необходимость включения на низкоомную нагрузку [62, 74]. В табл. 16 приведены технические характеристики вентильных фотоэлементов.

    голоса
    Рейтинг статьи
    Ссылка на основную публикацию
    ВсеИнструменты
    Adblock
    detector