광 센서

 

빛의 감지는 식물, 동물, 심지어 장치와 같은 모든 것에 대한 기본적인 요구 사항입니다.  빛은 전파보다 훨씬 짧은 파장과 높은 주파수를 가진 전자기 복사입니다. 그것은 양자 역학적 현상이며 광자라고 불리는 이산 입자로 나타납니다.

 

광 센서는 특정 주파수 범위에 존재하는 복사 에너지를 검사하여 빛의 강도를 나타내는 데 사용되는 수동 센서입니다. 전자기파의 스펙트럼에서 센서를 사용하여 감지하는 데 사용되는 주파수 범위는 적외선에서 가시광선 및 최대 자외선 사이입니다.

 

광 센서는 광자 형태의 빛 에너지를 전자 형태의 전기 에너지로 변환합니다. 따라서 포토 센서 또는 포토 디텍터 또는 포토 전기 장치라고도합니다.

 

광 센서 또는 포토 센서는 영향을 받는 물리량에 따라 세 가지 유형으로 분류할 수 있습니다.

 

주요 클래스는 포토 레지스터, 광전지 및 포토 에미터입니다.

포토 에미터는 빛에 노출되면 전기를 생성합니다. 포토 저항은 조명이 켜지면 전기적 특성이 변경됩니다.

 

위의 클래스에 따라 다음과 같은 장치 분류를 할 수 있습니다.

 

광발광 세포: 이러한 유형의 사진 장치는 충분한 에너지의 광자에 부딪힐 때 빛에 민감한 물질로부터 자유 전자를 방출합니다. 일반적으로 사용되는 감광성 물질은 세슘입니다. 광자의 에너지는 빛의 파장이나 주파수에 따라 다릅니다.

광자의 에너지 방정식은 다음과 같습니다.

E = hc / λ

h는 플랑크 상수(h = 6.626 * 10-34 J s),

C는 빛의 속도(C = 3 * 108 m / s)

λ는 빛의 파장입니다.

빛의 주파수가 높으면 광자의 에너지가 높아집니다.

 

포토 전도성 세포: 이러한 유형의 사진 장치는 빛에 노출될 때 저항의 전기적 특성이 다릅니다. 광전도성 물질의 일반적인 유형은 광 의존성 저항 광전지에 사용되는 카드뮴 황화물(CdS)입니다. 이 전지의 광전도성은 빛이 반도체 물질에 부딪쳐 전류의 흐름을 제어하기 때문에 발생합니다. 주어진 인가 전압에 대해 빛의 강도가 증가하면 전류도 증가합니다.

 

포토 Voltaic 세포: 이러한 유형의 사진 장치는 복사광의 에너지에 비례하는 전위 또는 기전력을 생성합니다. 태양 전지는 광전지의 일반적인 유형이며 셀레늄을 광전지 재료로 사용합니다. 두 개의 반도체 재료를 끼워 만든 것으로, 그 위에 빛 에너지가 입사되면 약 0.5V의 전압이 발생합니다.

 

포토 접합 다이오드: 이러한 유형의 사진 장치는 일반적으로 반도체 장치이며 빛을 사용하여 접합부를 가로지르는 전자 또는 정공의 흐름을 제어합니다. 포토 다이오드와 포토 트랜지스터는 이 범주의 두 가지 주요 장치입니다. 검출기 응용 분야를 위해 특별히 설계되었습니다.

 

광 종속 저항기(LDR)

빛 에너지에 노출되면 광전도성 광 센서의 물리적 특성이 변경됩니다. 포토 레지스터는 일반적인 유형의 광전도성 장치입니다. 포토 레지스터는 빛 에너지를 사용하여 전자의 흐름과 전자의 전류 흐름을 제어하는 반도체 장치입니다.

광전도성 셀의 가장 일반적인 유형은 광 의존 저항기 또는 LDR입니다. 이름에서 알 수 있듯이 Light Dependent Resistor는 빛의 존재에 따라 전기 저항이 변하는 반도체 장치입니다. Light Dependent Resistor는 재료에 전자-정공 쌍을 생성하여 빛이 입사될 때 어둠 속에서 수천 옴의 높은 값에서 수백 옴으로 전기 저항을 변경합니다.

 

광 의존 저항기를 만드는 데 사용되는 가장 일반적인 재료는 카드뮴 황화물 (CdS)입니다. 황화납(PbS), 안티몬화인듐(InSb) 또는 셀렌화납(PbSe)과 같은 다른 재료도 반도체 기판으로 사용할 수 있습니다.

카드뮴 황화물은 근적외선 및 가시 광선에 민감한 광 저항기에 사용됩니다. 그것이 사용되는 이유는 스펙트럼 응답 곡선이 인간의 눈과 매우 유사하기 때문입니다. 그것은 플래시 라이트와 같은 간단한 광원에 의해 제어 될 수 있으며 카드뮴 황화물 물질의 피크 민감 파장은 가시 스펙트럼 범위에서 약 560 nm에서 600 nm입니다.

 

카드뮴 황화물은 아래와 같이 지그재그 선 모양의 절연체에 실 패턴으로 증착됩니다.

지그재그 경로의 이유는 암흑 저항을 증가시켜 암전류를 감소시키기 위함입니다. 이 셀은 기판을 오염으로부터 보호하기 위해 유리에 캡슐화됩니다.

 

포토 저항의 기호는 아래와 같습니다.

광전도성 셀의 가장 인기 있는 유형은 ORP12 카드뮴 황화물 광전도성 셀입니다.

ORP12 유형의 포토 컨덕터 셀의 특성은 다음과 같습니다 : 피크 스펙트럼 응답은 610 nm, 암흑 저항은 10 MΩ, 조명시 저항은 100 Ω입니다.

 

광 종속 저항기 전압 분배기 네트워크

Light Dependent Resistor는 일반적으로 단일 DC 전압 공급 장치가 있는 저항과 직렬로 연결됩니다.

 

연결은 아래와 같습니다.

이 연결의 장점은 빛의 강도에 따라 접합부에 서로 다른 전압이 나타나는 것입니다. 이 연결은 전압 분배기 네트워크 또는 전위 분배기의 예입니다. 그 이유는 광 종속 저항 RLDR의 저항값이 직렬 저항 R1의 전압 강하량을 결정하기 때문입니다.

직렬 연결의 전류는 동일하며 광 강도로 인해 광 종속 저항의 저항이 변경되면 전압 분배 공식을 사용하여 출력 전압이 결정됩니다.

The output voltage VOUT = VIN * (R1 / (RLDR + R1 )).

 

빛이 없을 때 광 의존 저항기의 저항은 10M Ω만큼 높습니다. 햇빛이 있는 경우 광 의존 저항의 저항은 100 Ω로 떨어집니다.

 

빛의 다른 강도에 대한 광 의존 저항의 저항 변화는 아래 곡선에 나와 있습니다.

 

Light Sensitive Switch는 Light Dependent Resistor의 일반적인 응용 프로그램입니다.

 

Light Dependent Resistor Switch의 회로는 아래와 같습니다.

릴레이 출력 광 작동 스위치가 있는 광 센서 회로입니다. 광의존성 저항 RLDR과 저항 R1은 분압 네트워크를 형성합니다. 빛이 없을 때, 즉 어둠 속에서 빛에 의존하는 저항의 저항은 메가옴의 순서로 나타납니다. 기본 바이어스 전압은 0이고 트랜지스터는 OFF입니다.

빛의 강도가 증가하면 광의존성 저항기의 저항이 감소하고 바이어스 전압이 증가합니다. 분압기 네트워크에 의해 결정된 특정 지점에서 바이어스 전압이 트랜지스터를 켤 수 있을 정도로 상승합니다. 그러면 릴레이가 활성화되어 다른 외부 회로를 제어하는 데 사용될 수 있습니다.

 

LDR을 이용한 광 감지 회로

LDR 스위치의 감도는 상당히 낮습니다. 광 감지의 감도를 높이려면 몇 가지 수정 사항을 적용할 수 있습니다. 고정 저항 R1은 전위차계 VR1로 대체됩니다. 트랜지스터는 연산 증폭기로 대체되고 광 종속 저항은 휘트스톤 브리지에 통합됩니다.

 

광 종속 저항을 사용하는 새롭고 더 민감한 광 감지 회로는 다음과 같습니다.

 

저항기 LDR, VR1, R1 및 R2는 휘트스톤 브리지를 형성합니다. 브리지 LDR – VR1 및 R1θ – R2의 측면은 출력 전압 V1 및 V2를 갖는 전위 분배기를 형성합니다. 이러한 전압은 각각 작동 증폭기의 비반전 입력 및 반전 입력에 연결됩니다. 작동 증폭기는 출력이 두 입력 전압 V1 및 V2의 차이 함수인 차동 증폭기로 작동합니다. 이를 피드백이 있는 전압 비교기라고도 합니다. 피드백 저항 Rf는 필요한 전압 이득을 제공하는 데 사용됩니다.

작동 증폭기의 출력은 외부 회로를 제어할 수 있는 릴레이에 연결됩니다. LDR에 의한 광 감지로 인한 전압 V1이 기준 전압으로 작용하는 전압 V2 아래로 떨어지면 앰프의 출력이 상태를 변경합니다. 그러면 릴레이가 활성화되고 로드가 켜집니다.

빛의 세기가 증가하면 출력이 다시 전환되고 릴레이가 꺼집니다.

여기서 릴레이는 빛의 강도가 낮을 때 켜집니다. 광검출 저항기와 전위차계의 위치를 반대로 하여 작동을 되돌릴 수 있습니다. 이제 조명 레벨이 증가하고 기준 전압에 의해 설정된 레벨을 초과하면 릴레이가 켜집니다.

 

광다이오드

포토 다이오드는 기본적으로 PN 접합 광 센서 인 광 접합 장치 클래스에 속합니다. 일반적으로 반도체 PN 접합으로 만들어지며 가시광선과 적외선에 민감합니다. 빛이 포토다이오드에 입사되면 전자와 정공이 분리되어 접합부가 전도될 수 있습니다. 포토다이오드는 다른 기존 접합 다이오드와 같이 구성됩니다.

 

일반적인 포토 다이오드는 다음과 같습니다.

신호 및 정류기 다이오드에 사용되는 불투명 코팅은 포토 다이오드에는 없습니다. 이것은 다이오드를 빛을 허용하고 접합부의 전도도에 영향을 줄 수 있을 만큼 충분히 투명하게 만듭니다.

 

포토 다이오드의 기호는 아래와 같습니다.

 

작동 원리

포토 다이오드는 전류 방향의 쉬운 흐름에 대해 바이어스됩니다., 즉 매우 낮은 누설 전류가 흐르도록 역 바이어스됩니다. 충분한 에너지의 광자가 접합부에서 다이오드에 입사되면 전자가 방출되고 충분한 에너지를 보유하면 에너지 장벽을 통과하여 작은 누설 전류가 흐를 수 있습니다. 전류의 양은 접합부의 조명량에 비례합니다.

 

포토 다이오드 특성

빛이 없을 때 포토 다이오드의 전류 – 전압 특성은 일반 다이오드의 특성과 유사합니다. 일반 다이오드와 유사하게, 포토 다이오드가 순방향 바이어스될 때 전류가 기하급수적으로 증가합니다. 역 바이어스되면 역 포화 전류라는 작은 누설 전류가 나타나 공핍 영역이 증가합니다.

 

포토 다이오드를 광 센서로 사용하는 경우 게르마늄 형 다이오드의 경우 암전류는 약 10μA이고 실리콘 형 다이오드의 경우 1μA입니다. 암전류는 빛의 강도가 0Lux 일 때의 전류입니다.

 

포토다이오드를 이용한 광 감지

포토다이오드는 광전지 모드와 광도전 모드의 두 가지 모드로 작동 및 바이어스될 수 있습니다.

광전지 모드에서 포토 다이오드는 가상 접지 전치 증폭기에 연결됩니다.

 

회로는 아래와 같습니다.

광자가 입사하면 전압이 생성되고 연산 증폭기에 의해 증폭됩니다. 열적으로 생성된 전류 외에도 다이오드 전체에 DC 바이어스가 없기 때문에 기본 누설 전류가 없습니다.

 

빛에 의해 생성 된 전류를 전압으로 변환하고 연산 증폭기에 의해 증폭되는 유사한 회로가 아래에 나와 있습니다.

이 회로는 두 개의 입력 단자가 0 전압에 있는 연산 증폭기의 특성을 활용하여 DC 바이어스 없이 다이오드를 작동합니다. 연산 증폭기의 이러한 구성은 포토 다이오드에 높은 임피던스 부하를 제공하여 입사광의 강도에 비해 더 넓은 범위의 전류를 생성합니다.

 

광도전 모드에서 광 다이오드는 DC 바이어스되고 다이오드를 가로질러 흐르는 전류는 DC 바이어스로 인해 광 감지가 저항에 의해 전압으로 변환되고 연산 증폭기에 의해 증폭됩니다. 이 접근 방식은 적용된 바이어스가 광 다이오드의 커패시턴스를 감소시키므로 공핍 영역을 넓힙니다.

 

광전도 모드의 포토다이오드 회로는 아래와 같습니다.

커패시터는 출력 대역폭을 1 / (2πRFCF) 또한 진동을 방지합니다. 그러나 커패시터가 충전되어야 하므로 RC가 지연됩니다.

 

포토트랜지스터

다이오드로 광 접합 장치를 만드는 것 외에도 트랜지스터로 광 센서를 구성 할 수 있습니다. 비유적으로 포토 트랜지스터는 기본적으로 포토 다이오드와 증폭 트랜지스터의 조합입니다.

 

포토다이오드와 트랜지스터가 있는 포토트랜지스터의 표현은 아래와 같다.

 

포토 트랜지스터의 기호는 아래와 같습니다.

포토 트랜지스터에서 컬렉터-베이스 접합은 포토 다이오드 역할을 합니다. 컬렉터 – 베이스 접합부는 역방향 바이어스되어 광원에 노출됩니다. 이 접합부의 전류는 정상적인 트랜지스터 동작에 의해 증폭되므로 컬렉터 전류가 큽니다.

 

작동 원리

포토트랜지스터의 동작은 포토다이오드의 동작과 유사하다. 추가적인 이점은 큰 컬렉터 전류를 제공할 수 있고 광 다이오드보다 민감하다는 것입니다. 포토 트랜지스터의 전류는 포토 다이오드의 경우보다 50-100 배 더 큽니다. 일반 트랜지스터의 컬렉터와 베이스 단자 사이에 포토 다이오드를 연결하면 포토 트랜지스터로 변환할 수 있습니다.

 

포토 트랜지스터 특성

포토 트랜지스터는 기본적으로 큰 베이스 단자가 전기적으로 절연되어 있거나 연결되지 않은 NPN 트랜지스터입니다. 감도를 제어하기 위해 일부 포토 트랜지스터는 베이스 연결을 허용합니다. 베이스 연결을 사용하면 광자가 표면에 부딪힐 때 베이스 전류가 생성되고 컬렉터가 방출기 전류가 흐르게 됩니다.

 

컬렉터-베이스 접합부에서 역 바이어스를 달성하기 위해 컬렉터는 이미 터에 대해 더 높은 전위에 있습니다. 빛이 없으면 소량의 정상적인 누설 전류가 흐릅니다. 베이스 단자에 빛이 있으면 이 영역의 전자-정공 쌍의 수가 증가하고 생성된 전류는 트랜지스터 작동에 의해 증폭됩니다.

 

광도, 전류 및 출력 전압 간의 관계는 다음과 같습니다.

 

포토 트랜지스터를 이용한 광 감지

포토 트랜지스터와 관련된 빛을 감지하는 데 사용되는 간단한 회로가 아래에 나와 있습니다.

포토 트랜지스터의 감도는 트랜지스터의 DC 전류 이득에 따라 달라집니다. 따라서 컬렉터 전류의 함수인 전체 감도는 이미터와 베이스 사이의 저항에 의해 제어될 수 있습니다.

 

광커플러와 같은 고감도 애플리케이션의 경우 Darlington Photo Transistor가 사용됩니다. 일반적으로 Photo Darlington 트랜지스터라고 하며 두 번째 바이폴라 NPN 접합 트랜지스터를 사용합니다. 이 두 번째 트랜지스터는 추가 증폭을 제공합니다.

두 번째 트랜지스터가 있는 포토 트랜지스터의 회로는 아래와 같습니다.

Photo Darlington 트랜지스터의 기호는 아래와 같습니다.

Photo Darlington 트랜지스터는 이미터 출력이 두 번째로 큰 NPN 트랜지스터의 베이스 단자에 연결된 포토 트랜지스터로 구성됩니다. 사진 Darlington 장치는 총 전류 이득이 개별 전류 이득의 곱이기 때문에 매우 민감한 감지기입니다.