광 센서

광 센서

광 센서는 가시광선이든 적외선이든 빛 에너지(광자)를 전기(전자) 신호로 변환하는 광전 장치입니다.

조도 센서는 기본적으로 "빛"이라고 불리는 매우 좁은 주파수 범위에 존재하는 복사 에너지를 측정하여 빛의 강도를 나타내는 출력 신호를 생성합니다. 주파수 범위는 "적외선"에서 "가시광선", " 자외선”광 스펙트럼.

광 센서는 가시광선 또는 스펙트럼의 적외선 부분에 있는 이 "빛 에너지"를 전기 신호 출력으로 변환하는 수동 장치입니다. 광 센서는 빛 에너지(광자)를 전기(전자)로 변환하기 때문에 "광전 장치" 또는 "포토 센서"로 더 일반적으로 알려져 있습니다.

광전 장치는 두 가지 주요 범주로 분류될 수 있습니다. 하나는 광기전력 또는 광 방출 등과 같이 조명을 받으면 전기를 생성하는 것이고 다른 하나는 광 저항기 또는 광 전도체 와 같이 전기적 특성을 변경하는 것입니다 .

광센서의 분류

• • 광 방출 전지 – 이는 충분한 에너지의 광자와 충돌할 때 세슘과 같은 감광성 물질로부터 자유 전자를 방출하는 광소자입니다. 광자가 갖는 에너지의 양은 빛의 주파수에 따라 달라지며, 주파수가 높을수록 광자가 빛 에너지를 전기 에너지로 변환하는 에너지가 많아집니다.
• • 광전도 전지 – 이 광소자는 빛에 노출되면 전기 저항이 달라집니다. 광전도성은 빛이 반도체 물질에 닿아 전류 흐름을 제어함으로써 발생합니다. 따라서 주어진 인가 전압에 대해 더 많은 빛이 전류를 증가시킵니다. 가장 일반적인 광전도 물질은 LDR 광전지에 사용되는 황화 카드뮴입니다.
• • 광전지 – 이 광소자는 수신된 복사 에너지에 비례하여 EMF를 생성하며 광전도성과 효과가 유사합니다. 빛 에너지는 서로 끼워진 두 개의 반도체 재료에 떨어지며 약 0.5V의 전압을 생성합니다. 가장 일반적인 광전지 재료는 태양 전지에 사용되는 셀레늄입니다.
• • 광접합 장치 – 이러한 광장치는 주로 빛을 사용하여 PN 접합을 통과하는 전자와 정공의 흐름을 제어하는 ​​광다이오드 또는 광트랜지스터와 같은 진정한 반도체 장치입니다. 광접합 장치는 입사광의 파장에 맞춰 스펙트럼 반응을 조정하여 검출기 응용 및 빛 침투를 위해 특별히 설계되었습니다.

광 센서로서의 광전도 전지

광전 도 센서 는 전기를 생산하지 않고 빛 에너지를 받으면 물리적 특성이 변할 뿐입니다. 광전도 장치의 가장 일반적인 유형은 빛의 강도 변화에 따라 전기 저항을 변경하는 포토레지스터 입니다.

 

포토레지스터는 빛 에너지를 사용하여 전자의 흐름과 이를 통해 흐르는 전류를 제어하는 ​​반도체 장치입니다. 일반적으로 사용되는 광전도 셀은 광 의존 저항기 또는 LDR 이라고 합니다 .

광 의존 저항기(LDR)

일반적인 LDR

이름에서 알 수 있듯이 LDR( 광 의존 저항기 )은 황화 카드뮴과 같은 노출된 반도체 재료로 만들어지며 전기 저항은 어둠 속에서 수천 옴에서 빛이 닿으면 수백 옴으로 변합니다. 물질의 정공-전자쌍.

최종 효과는 조명 증가에 대한 저항 감소로 전도성이 향상된다는 것입니다. 또한, 포토레지스트 셀은 빛의 강도 변화에 반응하는 데 수 초가 필요한 긴 응답 시간을 갖습니다.

반도체 기판으로 사용되는 재료로는 황화납(PbS), 셀렌화납(PbSe), 안티몬화인듐(InSb)이 있으며, 이는 적외선 범위의 빛을 감지하며 모든 포토저항성 광 센서 중 가장 일반적으로 사용되는 것은 황화 카드뮴 ( Cds ) 입니다. .

황화카드뮴은 스펙트럼 반응 곡선이 인간의 눈과 거의 일치하고 단순한 토치를 광원으로 사용하여 제어할 수도 있기 때문에 광전도 전지 제조에 사용됩니다. 일반적으로 가시 광선 스펙트럼 범위에서 약 560nm ~ 600nm의 피크 감도 파장( ) 을 갖습니다 .

광의존 저항기 셀

가장 일반적으로 사용되는 감광성 광 센서는 ORP12 카드뮴 황화물 광전도 셀입니다. 이 광 의존형 저항기는 노란색에서 주황색까지의 빛 영역에서 약 610nm의 스펙트럼 응답을 갖습니다. 조명이 없을 때 셀의 저항(암흑 저항)은 약 10MΩ으로 매우 높지만 완전히 조명을 받으면 약 100Ω으로 떨어집니다(밝은 저항).

암흑 저항을 증가시켜 암전류를 감소시키기 위해 저항 경로는 세라믹 기판 전체에 지그재그 패턴을 형성합니다. CdS 광전지는 가로등을 "켜기" 및 "끄기"로 전환하기 위한 자동 밝기 조절, 어둠 또는 황혼 감지 및 사진 노출계 유형 응용 분야에 자주 사용되는 매우 저렴한 장치입니다.

단일 DC 공급 전압에 걸쳐 이와 같은 표준 저항과 직렬로 광 의존 저항을 연결하면 한 가지 주요 이점이 있습니다. 즉, 다양한 수준의 빛에 대해 접합부에 다른 전압이 나타납니다.

직렬 저항기 R 2 의 전압 강하량은 광 의존 저항기 R LDR 의 저항 값에 의해 결정됩니다 . 다양한 전압을 생성하는 이러한 기능은 "전위 분배기" 또는 전압 분배기 네트워크 라고 하는 매우 편리한 회로를 생성합니다 .

 

우리가 알고 있듯이 직렬 회로를 통과하는 전류는 일반적이며 LDR이 빛의 강도로 인해 저항 값을 변경함에 따라 V OUT 에 존재하는 전압은 전압 분배기 공식에 의해 결정됩니다. LDR의 저항인 R LDR은 태양광에서 약 100Ω부터 절대 어둠 속에서 10MΩ 이상까지 다양할 수 있으며, 이러한 저항 변화는 그림과 같이 V OUT 에서 전압 변화로 변환됩니다 .

광 의존 저항기 의 간단한 용도 중 하나는 아래와 같이 감광 스위치로 사용하는 것입니다.

LDR 스위치

이 기본 광 센서 회로는 릴레이 출력 광 활성화 스위치로 구성됩니다. 포토레지스터 LDR 과 저항 R1 사이에는 전위 분배 회로가 형성됩니다 . 빛이 없는 경우, 즉 어둠 속에서 LDR의 저항은 메가 옴( MΩ ) 범위에서 매우 높으므로 제로 베이스 바이어스가 트랜지스터 TR1 에 적용되고 릴레이의 전원이 차단되거나 "OFF"됩니다.

조명 수준이 증가함에 따라 LDR 의 저항이 감소하기 시작하여 V1 의 기본 바이어스 전압이 상승합니다. 저항 R1 으로 형성된 전위 분배기 네트워크에 의해 결정된 특정 지점에서 기본 바이어스 전압은 트랜지스터 TR1을 "ON"으로 전환하여 일부 외부 회로를 제어하는 ​​데 사용되는 릴레이를 활성화할 만큼 충분히 높습니다. 빛의 수준이 다시 어두워지면 LDR 의 저항 이 증가하여 트랜지스터의 기본 전압이 감소하고 전위 분배기 네트워크에 의해 다시 결정된 고정된 빛 수준에서 트랜지스터와 릴레이가 "OFF"됩니다.

고정 저항기 R1을 전위차계 VR1 로 교체하면 릴레이가 "ON" 또는 "OFF"되는 지점을 특정 조명 수준으로 미리 설정할 수 있습니다. 위에 표시된 이러한 유형의 간단한 회로는 감도가 상당히 낮으며 온도나 공급 전압의 변화로 인해 스위칭 포인트가 일관되지 않을 수 있습니다. LDR을 "휘트스톤 브리지" 배열에 통합하고 그림과 같이 트랜지스터를 연산 증폭기로 교체하면 보다 민감한 정밀 광 활성화 회로를 쉽게 만들 수 있습니다.

조도 감지 회로

이 기본 암흑 감지 회로에서 광 의존 저항기 LDR1 과 전위차계 VR1은 일반적으로 휘트스톤 브리지 라고도 알려진 간단한 저항 브리지 네트워크의 조정 가능한 암 하나를 형성 하고 두 개의 고정 저항기 R1 및 R2는 다른 암을 형성합니다. 브리지의 양쪽 측면은 출력 V1 및 V2가 연산 증폭기의 비반전 및 반전 전압 입력에 각각 연결되는 공급 전압에 걸쳐 전위 분배기 네트워크를 형성합니다.

연산 증폭기는 출력 전압 조건이 두 입력 신호 또는 전압 V1 과 V2 사이의 차이에 의해 결정되는 피드백을 갖춘 전압 비교기라고도 알려진 차동 증폭기로 구성됩니다 . 저항기 조합 R1 과 R2는 두 저항기의 비율에 의해 설정된 입력 V2 에서 고정 전압 기준을 형성합니다 . LDR – VR1 조합은 포토레지스터에 의해 감지되는 광량에 비례하는 가변 전압 입력 V1을 제공합니다.

이전 회로와 마찬가지로 연산 증폭기의 출력은 프리휠 다이오드 D1 에 의해 보호되는 릴레이를 제어하는 ​​데 사용됩니다 . LDR에 의해 감지된 조도와 출력 전압이 V2 에 설정된 기준 전압 아래로 떨어지면 연산 증폭기의 출력은 상태를 변경하여 릴레이를 활성화하고 연결된 부하를 전환합니다.

마찬가지로 조명 수준이 증가하면 출력이 다시 전환되어 릴레이가 "OFF"됩니다. 두 스위칭 지점의 히스테리시스는 피드백 저항기 Rf 에 의해 설정되며 증폭기의 적절한 전압 이득을 제공하도록 선택할 수 있습니다.

이러한 유형의 광 센서 회로의 작동은 광 레벨이 기준 전압 레벨을 초과할 때 릴레이를 "ON"으로 전환하도록 역전될 수도 있고, 그 반대의 경우도 광 센서 LDR 및 전위차계 VR1 의 위치를 ​​반대로 함으로써 가능합니다 . 전위차계를 사용하여 차동 증폭기의 스위칭 지점을 특정 조명 수준으로 "사전 설정"할 수 있으므로 간단한 광 센서 프로젝트 회로로 이상적입니다.

광접합 장치

광접합 장치는 기본적으로 빛에 민감하고 가시광선과 적외선 수준을 모두 감지할 수 있는 실리콘 반도체 PN 접합으로 만들어진 PN 접합 광 센서 또는 감지기입니다. 광접합 장치는 빛을 감지하기 위해 특별히 제작되었으며 이 종류의 광전 센서에는 포토다이오드 와 포토트랜지스터가 포함됩니다 .

포토다이오드.

포토다이오드

포토다이오드 광 센서 의 구성은 다이오드 외부 케이스가 투명하거나 감도를 높이기 위해 빛을 PN 접합에 집중시키는 투명 렌즈가 있다는 점을 제외하면 기존 PN 접합 다이오드의 구성과 유사합니다. 접합은 가시광선보다 특히 적색 및 적외선과 같은 더 긴 파장의 빛에 반응합니다.

이 특성은 1N4148 신호 다이오드와 같은 투명 또는 유리 비드 본체가 있는 다이오드에 문제가 될 수 있습니다. LED는 접합부에서 빛을 방출하고 감지할 수 있으므로 포토다이오드로도 사용할 수 있습니다. 모든 PN 접합은 감광성이 있으며 포토다이오드의 PN 접합이 항상 "역 바이어스"되어 다이오드 누출 또는 암전류만 흐를 수 있도록 하는 광전도 편견 전압 모드에서 사용할 수 있습니다.

접합부에 빛이 없는 포토다이오드(다크 모드)의 전류-전압 특성(I/V 곡선)은 일반 신호 또는 정류 다이오드와 매우 유사합니다. 포토다이오드가 순방향 바이어스되면 일반 다이오드와 마찬가지로 전류가 기하급수적으로 증가합니다. 역방향 바이어스가 인가되면 작은 역포화 전류가 나타나며 이는 접합의 민감한 부분인 공핍 영역을 증가시킵니다. 포토다이오드는 접합부 전체의 고정 바이어스 전압을 사용하여 전류 모드로 연결할 수도 있습니다. 현재 모드는 넓은 범위에 걸쳐 매우 선형적입니다.

포토다이오드 구성 및 특성

광 센서로 사용될 때 포토다이오드 암전류(0lux)는 제라늄의 경우 약 10uA, 실리콘 유형 다이오드의 경우 1uA입니다. 빛이 접합부에 떨어지면 더 많은 정공/전자 쌍이 형성되고 누설 전류가 증가합니다. 이 누설 전류는 접합부의 조명이 증가함에 따라 증가합니다.

따라서 포토다이오드 전류는 PN 접합에 떨어지는 빛의 강도에 정비례합니다. 광 센서로 사용될 때 포토다이오드의 주요 장점 중 하나는 조도 변화에 빠르게 반응한다는 것입니다. 그러나 이러한 유형의 광 장치의 한 가지 단점은 완전히 켜져 있을 때에도 전류 흐름이 상대적으로 작다는 것입니다.

다음 회로는 연산 증폭기를 증폭 장치로 사용하는 광전류-전압 변환기 회로를 보여줍니다. 출력 전압(Vout)은 Vout = IP * Rf 로 주어지며 이는 포토다이오드의 광도 특성에 비례합니다.

이 유형의 회로는 바이어스 없이 포토다이오드를 작동하기 위해 약 0 전압에서 두 개의 입력 단자가 있는 연산 증폭기의 특성을 활용합니다. 이 제로 바이어스 연산 증폭기 구성은 포토다이오드에 높은 임피던스 로딩을 제공하여 암전류의 영향을 줄이고 복사광 강도에 비해 광전류의 선형 범위를 더 넓힙니다. 커패시터 C f 는 발진이나 이득 피킹을 방지하고 출력 대역폭( 1/2πRC )을 설정하는 데 사용됩니다.

포토다이오드 광 센서 회로

포토다이오드는 전류 흐름을 나노초 단위로 "ON" 및 "OFF"로 전환할 수 있는 매우 다재다능한 광 센서이며 일반적으로 카메라, 조도계, CD 및 DVD-ROM 드라이브, TV 리모콘, 스캐너, 팩스 기계 및 복사기 등에 사용됩니다. , 광섬유 통신용 적외선 스펙트럼 탐지기, 도난 경보 동작 탐지 회로 및 수많은 이미징, 레이저 스캐닝 및 위치 확인 시스템 등의 연산 증폭기 회로에 통합될 경우.

포토트랜지스터 광 센서

포토트랜지스터

포토다이오드의 대체 광접합 장치는 기본적으로 증폭 기능이 있는 포토다이오드인 포토트랜지스터 입니다. 포토트랜지스터 광 센서는 컬렉터 베이스 PN 접합을 역방향 바이어스하여 복사 광원에 노출시킵니다.

포토트랜지스터는 전류 이득을 제공할 수 있고 전류가 표준 포토다이오드보다 50~100배 더 크고 포토트랜지스터 광 센서로 쉽게 변환할 수 있다는 점을 제외하면 포토다이오드와 동일하게 작동합니다. 컬렉터와 베이스 사이에 포토다이오드를 연결합니다.

포토트랜지스터는 주로 큰 베이스 영역이 전기적으로 연결되지 않은 양극성 NPN 트랜지스터로 구성되지만 일부 포토트랜지스터는 감도를 제어하기 위해 베이스 연결을 허용하고 빛의 광자를 사용하여 베이스 전류를 생성하여 콜렉터에서 이미터로 전류가 흐르게 합니다. . 대부분의 포토트랜지스터는 외부 케이스가 투명하거나 감도를 높이기 위해 베이스 접합부에 빛을 집중시키는 투명 렌즈가 있는 NPN 유형입니다.

포토트랜지스터 구성 및 특성

NPN 트랜지스터에서 컬렉터는 이미터에 대해 양으로 바이어스되어 베이스/컬렉터 접합이 역방향 바이어스됩니다. 따라서 접합부에 빛이 없으면 정상적인 누설 또는 암전류가 흐르며 이는 매우 작습니다. 빛이 베이스에 떨어지면 이 영역에 더 많은 전자/정공 쌍이 형성되고 이 작용으로 생성된 전류가 트랜지스터에 의해 증폭됩니다.

일반적으로 포토트랜지스터의 감도는 트랜지스터의 DC 전류 이득의 함수입니다. 따라서 전체 감도는 컬렉터 전류의 함수이며 베이스와 이미터 사이에 저항을 연결하여 제어할 수 있지만 감도가 매우 높은 광커플러 유형 애플리케이션의 경우 일반적으로 달링턴 포토트랜지스터가 사용됩니다.

포토달링턴

포토달링턴 트랜지스터는 추가 증폭을 제공하거나 낮은 조도 또는 선택적 감도로 인해 광검출기의 더 높은 감도가 필요한 경우 두 번째 바이폴라 NPN 트랜지스터를 사용하지만 응답은 일반 NPN 포토 트랜지스터보다 느립니다.

포토 달링턴 장치는 이미터 출력이 더 큰 바이폴라 NPN 트랜지스터의 베이스에 결합되는 일반 포토트랜지스터로 구성됩니다. 달링턴 트랜지스터 구성은 두 개별 트랜지스터의 전류 이득의 곱과 동일한 전류 이득을 제공하므로 광달링턴 장치는 매우 민감한 검출기를 생성합니다.

광트랜지스터 광 센서 의 일반적인 응용 분야 는 광절연체, 슬롯형 광 스위치, 광선 센서, 광섬유 및 TV 유형 리모콘 등에 있습니다. 가시광선을 감지할 때 적외선 필터가 필요한 경우가 있습니다.

언급할 만한 또 다른 유형의 광접합 반도체 광 센서는 광사이리스터 입니다 . 이것은 AC 애플리케이션에서 광 활성화 스위치로 사용할 수 있는 광 활성화 사이리스터 또는 실리콘 제어 정류기 (SCR) 입니다 . 그러나 이들의 감도는 일반적으로 동등한 포토다이오드나 포토트랜지스터에 비해 매우 낮습니다.

빛에 대한 감도를 높이기 위해 포토 사이리스터는 게이트 접합 주변에서 더 얇게 만들어집니다. 이 프로세스의 단점은 전환할 수 있는 양극 전류의 양이 제한된다는 것입니다. 그런 다음 고전류 AC 애플리케이션의 경우 더 큰 기존 사이리스터를 전환하기 위해 광 커플러의 파일럿 장치로 사용됩니다.

광전지

가장 일반적인 유형의 광전지 광 센서는 태양 전지 입니다 . 태양 전지는 빛 에너지를 전압이나 전류 형태의 DC 전기 에너지로 직접 변환하여 조명, 배터리 또는 모터와 같은 저항성 부하에 전력을 공급합니다. 그러면 광전지는 DC 전원을 공급한다는 점에서 여러 면에서 배터리와 유사합니다.

그러나 토치의 빛 강도를 사용하여 작동하는 위에서 살펴본 다른 사진 장치와 달리 광전지 태양 전지는 태양 복사 에너지를 사용하여 가장 잘 작동합니다.

태양전지는 계산기, 위성, 현재는 재생 가능한 전력을 제공하는 가정 등 기존 배터리의 대체 전원을 제공하기 위해 다양한 유형의 응용 분야에 사용됩니다.

태양광전지

광전지는 매우 큰 감광 영역을 갖는 포토다이오드와 동일하지만 역방향 바이어스 없이 사용되는 단결정 실리콘 PN 접합으로 만들어집니다. 어둠 속에서도 매우 큰 포토다이오드와 동일한 특성을 갖습니다.

조명을 받으면 빛 에너지로 인해 전자가 PN 접합을 통해 흐르게 되고 개별 태양전지는 약 0.58v(580mV)의 개방 회로 전압을 생성할 수 있습니다. 태양전지에는 배터리와 마찬가지로 "양성"과 "음성" 면이 있습니다.

개별 태양전지는 직렬로 함께 연결되어 출력 전압을 증가시키는 태양광 패널을 형성하거나, 사용 가능한 전류를 증가시키기 위해 병렬로 함께 연결될 수 있습니다. 상업적으로 이용 가능한 태양광 패널의 등급은 와트(Watt)로 표시되며, 이는 완전히 켜졌을 때 출력 전압과 전류(볼트 곱하기 암페어)를 곱한 것입니다.

일반적인 태양광전지의 특성.

태양 전지에서 사용 가능한 전류의 양은 빛의 강도, 전지의 크기 및 효율에 따라 달라지며 일반적으로 약 15~20%로 매우 낮습니다. 전지의 전체 효율을 높이기 위해 상업적으로 이용 가능한 태양 전지는 결정 구조가 없고 cm 2 당 20~40mA 사이의 전류를 생성할 수 있는 다결정 실리콘 또는 비정질 실리콘을 사용합니다 .

광전지 구성에 사용되는 다른 재료로는 갈륨 비소, 구리 인듐 디셀레나이드 및 카드뮴 텔루라이드가 있습니다. 이러한 서로 다른 재료는 각각 서로 다른 스펙트럼 대역 응답을 가지므로 서로 다른 빛의 파장에서 출력 전압을 생성하도록 "조정"될 수 있습니다.

광 센서 에 관한 이 튜토리얼에서는 광 센서 로 분류되는 장치의 몇 가지 예를 살펴보았습니다 . 여기에는 빛의 강도를 측정하는 데 사용할 수 있는 PN 접합이 있는 것과 없는 것이 포함됩니다.

다음 튜토리얼에서는 Actuator 라는 출력 장치를 살펴보겠습니다 . 액추에이터는 전기 신호를 움직임, 힘 또는 소리와 같은 해당 물리량으로 변환합니다. 일반적으로 사용되는 출력 장치 중 하나는 전자기 릴레이입니다.