Cảm biến ánh sáng tạo ra tín hiệu ở ngõ ra để cho biết cường độ ánh sáng bằng cách đo năng lượng bức xạ tồn tại trong một dải tần số rất hẹp được gọi là “dải tần số ánh sáng” và có tần số dao động từ “Hồng ngoại” đến “Có thể nhìn thấy” cho đến quang phổ ánh sáng “Cực tím”.
Cảm biến ánh sáng là những linh kiện thụ động có chức năng chuyển đổi “năng lượng ánh sáng” hoặc có thể nhìn thấy hoặc trong các phần của quang phổ hồng ngoại thành tín hiệu điện ở ngõ ra. Cảm biến ánh sáng thường được gọi là “Linh kiện quang điện tử” hay “Cảm biến photon” vì chuyển đổi năng lượng ánh sáng (photon) thành điện (electron).
Các linh kiện quang điện tử có thể được chia thành hai nhóm chính, những linh kiện tạo ra điện khi được chiếu sáng, chẳng hạn như quang điện hoặc chất phát quang, v.v. và những linh kiện thay đổi đặc tính điện của chúng theo một cách nào đó như quang trở hay điện trở quang. Điều này dẫn đến việc phân loại các linh kiện sau đây.
- Tế bào quang phát xạ – Đây là các linh kiện quang giải phóng các điện tử tự do từ một vật liệu nhạy cảm với ánh sáng như caesium (xezi) khi bị một photon có năng lượng đủ lớn tác động. Năng lượng của các photon phụ thuộc vào tần số của ánh sáng và tần số càng cao thì năng lượng của các photon càng lớn để chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện.
- Tế bào quang dẫn – Các linh kiện quang này thay đổi điện trở của chúng khi bị ánh sáng chiếu vào. Hiện tượng quang dẫn là kết quả của việc ánh sáng chiếu vào vật liệu bán dẫn điều khiển dòng điện chạy qua nó. Do đó, nhiều ánh sáng hơn làm tăng dòng điện đối với một hiệu điện thế đã cho. Vật liệu quang dẫn phổ biến nhất là Cadmium Sulphide được sử dụng trong photocell LDR.
- Pin quang điện – Những linh kiện quang điện này tạo ra một sức điện động tương ứng với năng lượng ánh sáng bức xạ nhận được và có tác dụng tương tự như hiện tượng quang dẫn. Năng lượng ánh sáng chiếu vào hai vật liệu bán dẫn kẹp với nhau tạo ra hiệu điện thế xấp xỉ 0,5V. Vật liệu quang điện phổ biến nhất là Selenium được sử dụng trong pin mặt trời.
- Linh kiện tiếp giáp quang – Các linh kiện quang điện này chủ yếu là các thiết bị bán dẫn thực sự như photodiode hoặc điện trở quang sử dụng ánh sáng để điều khiển dòng electron và lỗ trống qua mối nối PN của chúng. Các linh kiện mối nối quang được thiết kế đặc biệt cho ứng dụng máy dò và sự xâm nhập ánh sáng với đáp ứng quang phổ của chúng được điều chỉnh theo bước sóng của ánh sáng tới.
Cảm biến ánh sáng
Cảm biến ánh sáng quang dẫn không tạo ra điện mà chỉ đơn giản là thay đổi các đặc tính vật lý của nó khi có ánh sáng chiếu vào. Loại linh kiện quang dẫn phổ biến nhất là điện trở quang thay đổi điện trở của nó để đáp ứng với sự thay đổi của cường độ ánh sáng.
Quang trở là linh kiện bán dẫn sử dụng năng lượng ánh sáng để điều khiển dòng electron, và do đó có dòng điện chạy qua chúng. Tế bào quang dẫn thường được sử dụng được gọi là điện trở phụ thuộc ánh sáng hay LDR (Light Dependent Resistor).
Quang trở (LDR – Light Dependent Resistor)
Như tên gọi của nó, điện trở phụ thuộc ánh sáng (LDR) được chế tạo từ một miếng vật liệu bán dẫn tiếp xúc như Cadmium Sulphide có thể thay đổi điện trở của nó từ vài nghìn Ω trong bóng tối xuống chỉ còn vài trăm Ω khi ánh sáng chiếu vào nó bằng cách tạo ra các cặp electron – lỗ trống trong vật liệu.
Hiệu ứng toàn phần cải thiện độ dẫn điện của linh kiện với việc giảm điện trở để tăng độ chiếu sáng. Ngoài ra, tế bào quang trở có thời gian phản hồi chậm, đòi hỏi vài giây để đáp ứng với sự thay đổi của cường độ ánh sáng.
Các vật liệu được sử dụng làm đế bán dẫn bao gồm, chì sunfua (PbS), chì selenide (PbSe), Antimonide Indium (InSb) phát hiện ánh sáng trong phạm vi tia hồng ngoại với loại được sử dụng phổ biến nhất trong tất cả các cảm biến ánh sáng quang trở là Cadmium Sulphide (Cds) .
Cadmium Sulphide được sử dụng trong sản xuất tế bào quang dẫn vì đường cong phản ứng quang phổ của nó gần giống với đường cong của mắt người và thậm chí có thể được điều khiển bằng cách sử dụng một ngọn đuốc đơn giản làm nguồn sáng. Thông thường, nó có bước sóng độ nhạy cực đại (λp) trong khoảng từ 560nm đến 600nm trong dải quang phổ nhìn thấy được.
Cấu tạo, hoạt động và ứng dụng của quang trở
Cảm biến quang điện trở được sử dụng phổ biến nhất là tế bào quang dẫn ORP12 Cadmium Sulphide. Điện trở phụ thuộc vào ánh sáng này có phản ứng quang phổ khoảng 610nm trong vùng ánh sáng từ vàng đến cam. Điện trở của tế bào khi không được chiếu sáng (điện trở tối) rất cao vào khoảng 10MΩ, giảm xuống khoảng 100Ω khi có đủ ánh sáng chiếu vào (điện trở sáng).
Để tăng điện trở tối và do đó giảm dòng điện tối, đường điện trở tạo thành một đường zigzag trên nền sứ. Photocell CdS là một linh kiện có giá thành rất thấp thường được sử dụng để tự động làm mờ, phát hiện trời tối để bật hoặc tắt đèn đường và cho các ứng dụng loại máy đo độ phơi sáng.
Kết nối nối tiếp một điện trở phụ thuộc vào ánh sáng với một điện trở có giá trị cố định qua một nguồn điện áp DC như hình trên có một ưu điểm đó là, điện áp ngõ ra Vout thay đổi khi cường độ ánh sáng chiếu vào quang trở thay đổi.
Lượng điện áp rơi trên điện trở nối tiếp R2, được xác định bởi giá trị điện trở của điện trở phụ thuộc vào ánh sáng RLDR. Khả năng tạo ra các điện áp khác nhau này tạo ra một mạch rất tiện dụng được gọi là mạch chia điện áp hay mạch phân áp.
Như chúng ta biết, dòng điện qua mạch nối tiếp là phổ biến và khi LDR thay đổi giá trị điện trở của nó do cường độ ánh sáng, điện áp ngõ ra Vout sẽ được xác định bằng công thức của mạch chia điện áp. Điện trở của một LDR, RLDR có thể thay đổi từ khoảng 100Ω dưới ánh sáng mặt trời đến hơn 10MΩ trong bóng tối hoàn toàn với sự biến đổi của điện trở này được chuyển đổi thành sự thay đổi điện áp tại Vout như được minh họa ở hình trên.
Một mạch đơn giản sử dụng quang trở, là một công tắc nhạy sáng như hình dưới đây.
Mạch cảm biến ánh sáng cơ bản này là một công tắc kích hoạt rơ-le ở ngõ ra bằng ánh sáng. Một mạch phân áp được tạo thành giữa điện trở quang LDR và điện trở R1. Khi không có ánh sáng, tức là trong bóng tối, điện trở của LDR rất cao trong phạm vi MΩ do đó điện áp tại cực B của transistor TR1 bằng 0V và rơ-le không được kích hoạt hay tắt.
Khi cường độ ánh sáng tăng, điện trở của LDR bắt đầu giảm làm cho điện áp tại V1 tăng lên. Khi điện áp tại điểm này có giá trị đủ lớn thì transistor TR1 chuyển sang trạng thái dẫn điện và do đó kích hoạt rơ-le để điều khiển mạch bên ngoài. Khi quang trở được đưa vào trong tối, điện trở của LDR tăng lên làm cho điện áp tại cực B của transistor giảm xuống, chuyển transistor và rơ-le về trạng thái tắt.
Bằng cách thay thế điện trở cố định R1 bằng một biến trở VR1, điểm mà tại đó rơ-le chuyển sang trạng thái dẫn hoặc tắt có thể được đặt trước ở một mức ánh sáng cụ thể. Loại mạch đơn giản được trình bày ở trên có độ nhạy khá thấp và điểm chuyển mạch của nó có thể không nhất quán do sự thay đổi của nhiệt độ hoặc điện áp nguồn. Có thể dễ dàng tạo ra một mạch kích hoạt ánh sáng chính xác nhạy hơn bằng cách kết hợp LDR với biến trở và thay thế transistor bằng một Op-Amp như hình bên dưới.
Mạch cảm biến mức độ ánh sáng
Trong mạch cảm biến bóng tối cơ bản này, điện trở phụ thuộc ánh sáng LDR1 và biến trở VR1 tạo thành một nhánh có thể điều chỉnh của một mạch cầu điện trở đơn giản, còn được gọi là cầu Wheatstone, trong khi hai điện trở cố định R1 và R2 tạo thành nhánh kia. Cả hai bên của mạch cầu tạo thành các mạng phân chia tiềm năng qua điện áp cung cấp có đầu ra V1 và V2 được kết nối tương ứng với hai đầu vào đảo và không đảo của bộ khuếch đại thuật toán.
Bộ khuếch đại thuật toán được định cấu hình là bộ khuếch đại vi sai còn được gọi là bộ so sánh điện áp với tín hiệu hồi tiếp là điện áp đầu ra được xác định bởi sự khác biệt giữa hai tín hiệu đầu vào V1 và V2. Sự kết hợp của các điện trở R1 và R2 tạo thành một điện áp tham chiếu cố định ở đầu vào V2, được xác định bằng tỷ số của hai điện trở. Sự kết hợp của LDR và VR1 cung cấp điện áp ở đầu vào V1 thay đổi tỷ lệ với cường độ ánh sáng được phát hiện bởi điện trở quang.
Giống như mạch trước, ngõ ra của Op-Amp được sử dụng để điều khiển một rơ-le. Khi cường độ ánh sáng được LDR cảm nhận và điện áp ngõ ra của nó giảm xuống dưới mức điện áp tham chiếu được đặt ở V2 thì ngõ ra của Op-Amp thay đổi trạng thái sẽ kích hoạt rơ-le và điều khiển tải.
Tương tự như vậy, khi cường độ ánh sáng tăng lên, ngõ ra sẽ kích hoạt mở rơ-le. Độ trễ của hai điểm chuyển mạch được thiết lập bởi điện trở hồi tiếp Rf có thể được chọn để cung cấp bất kỳ độ lợi điện áp thích hợp nào của bộ khuếch đại.
Linh kiện tiếp giáp quang
Linh kiện tiếp giáp quang về cơ bản là cảm biến ánh sáng được làm từ chất bán dẫn silic có mối nối PN nhạy cảm với ánh sáng và có thể phát hiện cả mức độ ánh sáng nhìn thấy và ánh sáng hồng ngoại. Linh kiện tiếp giáp quang được chế tạo đặc biệt để cảm nhận ánh sáng và loại cảm biến ánh sáng quang điện này bao gồm Photodiode và transistor quang.
Photodiode
Cấu tạo của cảm biến ánh sáng Photodiode tương tự như của diode tiếp giáp PN thông thường ngoại trừ vỏ bên ngoài diode là trong suốt hoặc có thấu kính xuyên thấu để tập trung ánh sáng vào tiếp giáp PN để tăng độ nhạy. Mối nối PN sẽ nhạy với ánh sáng có bước sóng dài hơn, đặc biệt là ánh sáng đỏ và tia hồng ngoại hơn là ánh sáng nhìn thấy được.
Đặc tính này có thể là một vấn đề đối với các diode có thân hạt trong suốt hoặc thủy tinh như diode tín hiệu 1N4148. Đèn LED cũng có thể được sử dụng như photodiode vì chúng có thể vừa phát ra vừa phát hiện ánh sáng từ chuyển tiếp PN. Tất cả các mối nối PN đều nhạy với ánh sáng và có thể được sử dụng ở chế độ điện áp không phân cực quang dẫn với mối nối PN của photodiode luôn được “Phân cực ngược” để chỉ có dòng điện rò hay dòng điện tối mới có thể chạy qua photodiode.
Đặc tuyến dòng điện-điện áp (Đường cong I/V) của một photodiode khi không có ánh sáng chiếu vào tiếp giáp (chế độ tối) rất giống đặc tuyến của một diode tín hiệu thông thường hoặc diode chỉnh lưu. Khi photodiode được phân cực thuận, dòng điện tăng theo cấp số nhân, giống như diode thông thường. Khi bị phân cực ngược, dòng điện bão hòa ngược nhỏ xuất hiện làm gia tăng vùng nghèo, đây là phần nhạy ánh sáng của tiếp giáp. Photodiode cũng có thể được kết nối ở chế độ dòng điện bằng cách sử dụng một điện áp phân cực cố định trên tiếp giáp. Chế độ dòng điện rất tuyến tính trên một phạm vi rộng.
Cấu tạo và đặc tính của photodiode
Khi được sử dụng làm cảm biến ánh sáng, dòng điện tối của photodiode (0 lux) là khoảng 10uA đối với germani và 1uA đối với diode loại silic. Khi ánh sáng chiếu vào tiếp giáp PN, nhiều cặp lỗ trống/điện tử được hình thành hơn và dòng điện rò tăng lên. Dòng rò này tăng lên khi cường độ ánh sáng chiếu vào tiếp giáp tăng lên.
Do đó, dòng điện chạy qua photodiode tỷ lệ thuận với cường độ ánh sáng chiếu vào tiếp giáp PN. Một ưu điểm chính của photodiode khi được sử dụng làm cảm biến ánh sáng là khả năng đáp ứng nhanh với những thay đổi về cường độ ánh sáng, nhưng một nhược điểm của loại linh kiện quang này là dòng điện tương đối nhỏ ngay cả khi được chiếu sáng đầy đủ.
Mạch sau đây cho thấy một mạch chuyển đổi dòng điện quang thành điện áp bằng cách sử dụng Op-Amp làm linh kiện khuếch đại. Điện áp ngõ ra (Vout) được tính theo công thức là Vout = IP * Rƒ và tỷ lệ với đặc tính cường độ ánh sáng của photodiode.
Loại mạch này cũng sử dụng các đặc tính của bộ khuếch đại thuật toán với hai ngõ vào có điện áp khoảng 0V để photodiode hoạt động mà không cần phải phân cực. Cấu hình mạch Op-Amp không phân cực này mang lại tải trở kháng cao cho photodiode dẫn đến ít bị ảnh hưởng bởi dòng điện tối và phạm vi tuyến tính rộng hơn của dòng quang so với cường độ ánh sáng bức xạ. Tụ điện Cf được sử dụng để ngăn chặn dao động hoặc đạt được đỉnh và đặt băng thông đầu ra (1/2πRC).
Mạch khuếch đại photodiode
Photodiode là cảm biến ánh sáng rất linh hoạt có thể chuyển dòng điện chảy qua nó cả dẫn và tắt trong nano giây và thường được sử dụng trong máy chụp hình, máy đo ánh sáng, ổ đĩa CD và DVD-ROM, thiết bị điều khiển TV từ xa, máy scan, máy fax và máy photocopy, v.v. , và khi được tích hợp vào các mạch khuếch đại thuật toán như máy dò quang phổ hồng ngoại cho truyền thông cáp quang, mạch phát hiện chuyển động để báo trộm và nhiều hệ thống định vị, quét laser và hình ảnh, v.v.
Transistor quang
Một linh kiện tiếp giáp quang thay thế cho photodiode là transistor quang (Phototransistor) về cơ bản là một photodiode có khả năng khuếch đại. Cảm biến ánh sáng Phototransistor có tiếp giáp PN giữa cực nền và cực thu bị phân cực ngược và tiếp giáp này được cho tiếp xúc với nguồn phát ra ánh sáng.
Transistor quang hoạt động giống như một photodiode ngoại trừ việc chúng có thể cung cấp độ lợi dòng điện và nhạy hơn nhiều so với photodiode có dòng điện lớn hơn từ 50 đến 100 lần so với photodiode tiêu chuẩn và bất kỳ transistor thông thường nào cũng có thể dễ dàng chuyển đổi thành cảm biến ánh sáng phototransistor bằng cách kết nối một photodiode giữa cực thu và cực nền.
Transistor quang chủ yếu bao gồm transistor lưỡng cực NPN với vùng nền lớn của nó không được kết nối điện, mặc dù một số phototransistor cho phép kết nối cực nền để điều khiển độ nhạy và sử dụng các photon ánh sáng để tạo ra dòng điện cực nền, từ đó tạo ra dòng điện chạy qua giữa cục thu và cực phát. Hầu hết các phototransistor là loại NPN có vỏ bên ngoài là trong suốt hoặc có thấu kính trong để tập trung ánh sáng vào tiếp giáp nền để tăng độ nhạy.
Cấu tạo và đặc tính của transistor quang
Trong transistor NPN, cực thu được phân cực thuận so với cực phát để tiếp giáp giữa cực nền và cực thu được phân cực ngược. Do đó, khi không có ánh sáng chiếu vào tiếp giáp thì dòng điện rò hay dòng điện tối có giá trị rất nhỏ. Khi ánh sáng chiếu chiều vào cực nền, nhiều cặp electron/lỗ trống hơn được hình thành trong vùng này và dòng điện do hoạt động này tạo ra được khuếch đại bởi transistor.
Thông thường độ nhạy của phototransistor là một hàm của độ lợi dòng điện của transistor. Do đó, độ nhạy tổng là một chức năng của dòng điện thu và có thể được điều khiển bằng cách kết nối điện trở giữa đế và bộ phát nhưng đối với các ứng dụng loại optocoupler có độ nhạy rất cao, transistor quang Darlington thường được sử dụng.
Transistor photodarlington sử dụng hai transistor lưỡng cực NPN để tăng thêm độ khuếch đại hoặc khi cần độ nhạy cao hơn của bộ tách sóng quang do cường độ ánh sáng thấp hoặc độ nhạy chọn lọc, nhưng phản ứng của nó chậm hơn so với transistor quang NPN thông thường.
Linh kiện photodarlington bao gồm một transistor quang bình thường có cực phát được ghép nối với cực nền của transistor lưỡng cực NPN lớn hơn. Bởi vì cấu hình transistor darlington có độ lợi dòng bằng tích độ lợi dòng của hai transistor riêng lẻ, một photodarlington tạo ra một mạch dò ánh sáng rất nhạy.
Các ứng dụng điển hình của cảm biến ánh sáng Phototransistor là trong bộ cách ly quang học, công tắc quang học có rãnh, cảm biến chùm ánh sáng, sợi quang và điều khiển từ xa kiểu TV, v.v. Đôi khi cần có bộ lọc hồng ngoại khi dò ánh sáng nhìn thấy được.
Một loại cảm biến ánh sáng bán dẫn quang nối khác đáng được nhắc đến là Photo-thyristor. Đây là một thyristor được kích hoạt ánh sáng hay SCR, có thể được sử dụng như một công tắc kích hoạt bằng ánh sáng trong các ứng dụng AC. Tuy nhiên, độ nhạy của chúng thường rất thấp so với các photodiode hoặc transistor quang tương đương.
Để giúp tăng độ nhạy của chúng với ánh sáng, thyristor quang được chế tạo mỏng hơn xung quanh tiếp giáp cực cổng. Nhược điểm của quá trình này là nó hạn chế lượng dòng điện anode mà chúng có thể chuyển mạch. Sau đó, đối với các ứng dụng AC dòng điện lớn, chúng được sử dụng làm thiết bị thí điểm trong bộ ghép quang để chuyển đổi các thyristor thông thường lớn hơn.
Pin quang điện
Loại cảm biến ánh sáng quang điện phổ biến nhất là Pin mặt trời. Pin mặt trời chuyển đổi năng lượng ánh sáng trực tiếp thành năng lượng điện một chiều dưới dạng điện áp hoặc dòng điện thành điện trở tải điện trở như đèn, pin hoặc động cơ. Khi đó, các tế bào quang điện có nhiều điểm tương tự như pin vì chúng cung cấp nguồn điện một chiều.
Tuy nhiên, không giống như các linh kiện quang điện tử khác mà chúng ta đã xem xét ở trên sử dụng cường độ ánh sáng ngay cả từ ngọn đuốc để hoạt động, pin quang điện hoạt động tốt nhất bằng cách sử dụng năng lượng bức xạ của mặt trời.
Pin mặt trời được sử dụng trong nhiều loại ứng dụng khác nhau để cung cấp nguồn năng lượng thay thế từ pin thông thường, chẳng hạn như trong máy tính, vệ tinh và hiện nay trong các ngôi nhà cung cấp một dạng năng lượng tái tạo.
Pin quang điện được làm từ các chuyển tiếp PN Silic đơn tinh thể, giống như photodiode có vùng nhạy sáng rất lớn nhưng được sử dụng mà không có phân cực ngược. Chúng có đặc điểm giống như một photodiode rất lớn khi ở trong bóng tối.
Khi được chiếu sáng, năng lượng ánh sáng làm cho các electron chạy qua chuyển tiếp PN và một pin mặt trời riêng lẻ có thể tạo ra điện áp mạch hở khoảng 0,58V (580mV). Pin mặt trời có mặt “Dương” và mặt “Âm” giống như pin.
Các pin mặt trời riêng lẻ có thể được kết nối nối tiếp với nhau để tạo thành các tấm pin mặt trời làm tăng điện áp đầu ra hoặc kết nối song song với nhau để tăng dòng điện khả dụng. Các tấm pin mặt trời bán sẵn trên thị trường có thông số định mức là W, là tích của điện áp đầu ra và dòng điện (V x A) khi được chiếu sáng đầy đủ.
Đặc tính của một pin quang điện
Lượng dòng điện có sẵn từ pin mặt trời phụ thuộc vào cường độ ánh sáng, kích thước của tế bào và hiệu suất của nó thường rất thấp, khoảng 15 đến 20%. Để tăng hiệu suất tổng thể của tế bào, pin mặt trời có bán trên thị trường sử dụng silicon đa tinh thể hoặc silicon vô định hình, không có cấu trúc tinh thể và có thể tạo ra dòng điện từ 20 đến 40mA trên mỗi cm2.
Các vật liệu khác được sử dụng để chế tạo pin quang điện bao gồm Gali Arsenide, đồng Indium Diselenide và Cadmium Telluride. Mỗi vật liệu khác nhau này có một phản ứng dải phổ khác nhau, và do đó có thể được “điều chỉnh” để tạo ra điện áp đầu ra ở các bước sóng ánh sáng khác nhau.
Lời kết
Trong bài viết về cảm biến ánh sáng này, chúng ta đã tìm hiểu một số linh kiện quang điện tử được phân loại là cảm biến ánh sáng. Những linh kiện này bao gồm những linh kiện có và không có tiếp giáp PN có thể được sử dụng để đo cường độ ánh sáng.
