Αισθητήρες φωτός | Αρχή | 4 Σημαντικοί τύποι | Εφαρμογές

ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ ΦΩΣ

Τι είναι ένας αισθητήρας φωτός;

Ένας αισθητήρας φωτός είναι ένα φωτοηλεκτρικό όργανο που μετατρέπει την ενέργεια του φωτός ή τα φωτόνια (που μπορεί να κυμαίνεται από το υπέρυθρο στο φάσμα υπεριώδους ακτινοβολίας) σε ένα ηλεκτρικό (ηλεκτρόνιο) σήμα. Ο αισθητήρας φωτός παράγει ένα ηλεκτρικό σήμα εξόδου που έχει ενέργεια που αντιστοιχεί στην ενέργεια φωτός εισόδου. Οι αισθητήρες φωτός ονομάζονται επίσης αισθητήρες φωτογραφιών ή φωτοηλεκτρικοί αισθητήρες. 

Περιεχόμενα

Ποια είναι η αρχή των αισθητήρων φωτός;

Η αρχή λειτουργίας του αισθητήρα φωτός βασίζεται στο εσωτερικό φωτοηλεκτρικό φαινόμενο, το οποίο δηλώνει ότι όταν η ελαφριά ενέργεια ή τα φωτόνια βομβαρδίζονται σε μια μεταλλική επιφάνεια από ότι μπορεί να προκαλέσει τη διέγερση και την έξοδο των ελεύθερων ηλεκτρονίων από το μέταλλο με αποτέλεσμα τη ροή ηλεκτρονίων ή το ηλεκτρικό ρεύμα . Η ποσότητα του παραγόμενου ρεύματος εξαρτάται από την ενέργεια του φωτονίου (δηλαδή το μήκος κύματος του φωτός). Η εκπομπή ηλεκτρονίων από τη μεταλλική επιφάνεια συμβαίνει μόνο αφού το φως φτάσει σε μια ορισμένη συχνότητα κατωφλίου που αντιστοιχεί στην ελάχιστη ενέργεια που απαιτείται από τα ηλεκτρόνια για τη διάσπαση των μεταλλικών δεσμών.

αισθητήρα φωτός
Αναπαράσταση βομβαρδισμού φωτονίων με αποτέλεσμα την εκπομπή ηλεκτρονίων από μια μεταλλική επιφάνεια. Πηγή εικόνας: ΠονόρΦωτοηλεκτρικό εφέ σε ένα στερεό - διάγραμμαCC BY-SA 4.0

Πώς λειτουργεί ένας αισθητήρας φωτός;

Ο αισθητήρας φωτός αποτελείται από έναν φωτοηλεκτρικό σωλήνα υψηλής ακρίβειας. Μέσα στον φωτοηλεκτρικό σωλήνα, υπάρχει μια μικρή επίπεδη μεταλλική πλάκα που αποτελείται από «δύο σωλήνες τύπου βελόνας». Η επίδραση του φωτός στα άκρα του φωτοηλεκτρικού σωλήνα όταν εφαρμόζεται αντίστροφη σταθερή πίεση οδηγεί στην απελευθέρωση ηλεκτρονίων ή ηλεκτρικού ρεύματος. Η παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος ή η διακύμανση του ηλεκτρικού ρεύματος καταδεικνύει την παρουσία φωτεινής ενέργειας, δηλαδή ανιχνεύει φως.

Ποιοι είναι οι τύποι αισθητήρων φωτός;

Οι αισθητήρες φωτός μπορούν να είναι διαφόρων τύπων. Αυτοί οι αισθητήρες μπορούν είτε να παράγουν ενέργεια παρουσία φωτός ή διάφορες άλλες ηλεκτρικές ιδιότητες. Οι πιο συνηθισμένοι τύποι αισθητήρων φωτός είναι φωτοβολταϊκά κύτταρα, φωτοδίοδοι, φωτοαντίσταση και φωτο-τρανζίστορ.

Φωτοβολταϊκά κύτταρα:

Τα φωτοβολταϊκά κύτταρα, όπως υποδηλώνει το όνομα, ακολουθούν την αρχή του φωτοβολταϊκού αποτελέσματος για τη μετατροπή της φωτεινής ενέργειας απευθείας σε ηλεκτρική ενέργεια. Αυτά τα κύτταρα παράγουν μια ηλεκτροκινητική δύναμη ανάλογη με την ακτινοβολούμενη ενέργεια που λαμβάνεται. Τα πιο δημοφιλή κύτταρα πυριτίου μονής σύνδεσης δημιουργούν μέγιστη τάση ανοιχτού κυκλώματος περίπου 0.5 έως 0.6 Volts. Τα ηλιακά κύτταρα χρησιμοποιούν σελήνιο ως φωτοβολταϊκό υλικό. Εκτός από την παραγωγή και αποθήκευση ηλεκτρικής ενέργειας, τα φωτοβολταϊκά κύτταρα λειτουργούν επίσης ως φωτοανιχνευτές. Τα φωτοαγώγιμα κύτταρα και τα φωτοεκπεραζόμενα κύτταρα παρέχουν επίσης μια παρόμοια λειτουργία.

Ηλιακό φωτοβολταϊκό στοιχείο κρυσταλλικού πυριτίου. Πηγή εικόνας: Άγνωστος συγγραφέας, Ηλιακό κύτταρο, επισημαίνεται ως δημόσιος τομέας, περισσότερες λεπτομέρειες σχετικά με Wikimedia Commons

Φωτοδιόδους:

Οι αισθητήρες φωτός φωτοδιόδου είναι δίοδοι που αλλάζουν την ενέργεια του φωτός σε ροή ηλεκτρονίων. Οι φωτοδίοδοι είναι συγκρίσιμες με τις κοινές διόδους διακλάδωσης PN, αλλά αντί για αδιαφανές περίβλημα, αυτές οι δίοδοι έχουν διαφανή φακό για εστίαση του φωτός στη διασταύρωση PN. Αυτές οι δίοδοι είναι πιο ευαίσθητες στο φως με μεγαλύτερα μήκη κύματος, δηλαδή φως που ανήκει στο κόκκινο και υπέρυθρο φάσμα από το ορατό ή υπεριώδες φάσμα. Το πυρίτιο και το γερμάνιο είναι τα πιο συχνά χρησιμοποιούμενα υλικά σε τέτοιες διόδους. Δεδομένου ότι οι φωτοδίοδοι είναι ευαίσθητες στο υπέρυθρο φως, προσφέρουν πολλές εφαρμογές στην ιατρική.

Φωτοδιόδους Κορυφή (Γερμανικό), τρίτο κάτω (πυρίτιο). Πηγή εικόνας: http://Ulfbastel (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Fotodio.jpg), „Fotodio“, https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/legalcode

Φωτοαντίσταση:

Οι φωτοαντίσταση είναι επίσης γνωστές ως εξαρτώμενες από το φως αντιστάσεις ή LDR. Οι φωτοαντίσταση είναι συσκευές που μεταβάλλουν την αντίστασή της με βάση την ποσότητα της φωτεινής ενέργειας που λαμβάνει. Όσο χαμηλότερη είναι η ένταση του φωτός, τόσο μεγαλύτερη είναι η αντίσταση. Αυτό συμβαίνει επειδή περισσότερο φως (ένταση) εξασφαλίζει περισσότερη ροή ηλεκτρονίων και ως εκ τούτου, λιγότερη είναι η αντίσταση. Τα κύτταρα θειούχου καδμίου (υλικό ημιαγωγών υψηλής αντοχής) που είναι ευαίσθητα στο υπέρυθρο φως, χρησιμοποιούνται κυρίως σε φωτοαντίσταση. Μερικές φορές, χρησιμοποιούνται υλικά όπως το ίνδιο αντιμονίδιο (InSb), το σεληνίδιο μολύβδου (PbSe) και το σουλφίδιο μολύβδου (PbS). Οι φωτοαντίσταση χρειάζονται πολύ μεγαλύτερο χρόνο (περίπου μερικά δευτερόλεπτα) για να ανταποκριθούν στο εκτεθειμένο φως.

Μια αντίσταση φωτογραφίας. ή LDR. Πηγή εικόνας: © Nevit Dilmen, LDR 1480405 6 7 HDR Enhancer 1CC BY-SA 3.0

Φωτο-τρανζίστορ:

Τα φωτο-τρανζίστορ μπορούν να αναφέρονται ως φωτοδίοδοι με ενίσχυση. Τα φωτο-τρανζίστορ έχουν μια αντίστροφη προκατειλημμένη σύνδεση συλλογής-βάσης PN που εκτίθεται στην πηγή ενέργειας ακτινοβολίας. Τα φωτο-τρανζίστορ είναι πολύ πιο ευαίσθητα (περίπου 50 έως 100 φορές) σε σύγκριση με τις φωτοδιόδους λόγω της ενίσχυσης. Τα φωτο-τρανζίστορ έχουν διπολικά τρανζίστορ NPN με την περιοχή βάσης ηλεκτρικά μη συνδεδεμένη. Εδώ, η ενέργεια ακτινοβολίας φωτός εστιάζεται στη διασταύρωση βάσης από έναν διαφανή φακό. Τα φωτο-τρανζίστορ χρησιμοποιούνται ευρέως σε κινητά τηλέφωνα και αυτοκίνητα.

Ένα σύμβολο φωτοτρανζίστορ NPN. πηγή εικόνας: εγώ, PhototransistorSymbolCC-BY 3.0

Ποιες είναι οι εφαρμογές ενός αισθητήρα φωτός;

Με τα χρόνια, οι αισθητήρες φωτός έχουν χρησιμοποιηθεί για μια ποικιλία εφαρμογών όπως:

Ηλιακά κύτταρα:

Τα φωτοβολταϊκά κύτταρα χρησιμοποιούνται συνήθως ως ηλιακά κύτταρα για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Με τα χρόνια, καθώς η χρήση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας έχει γίνει πολύ δημοφιλής, τα ηλιακά κύτταρα προσφέρουν έναν εξαιρετικά σημαντικό ρόλο. Με την εφεύρεση ηλιακών κυψελών, κατέστη δυνατή η παροχή ηλεκτρικής ενέργειας σε απομακρυσμένα μέρη.

Ηλεκτρονικά καταναλωτών:

Οι αισθητήρες φωτός χρησιμοποιούνται για την εκτέλεση ενός ευρέος φάσματος λειτουργιών σε smartphone και tablet. Οι αισθητήρες κίνησης και οι αισθητήρες αυτόματης φωτεινότητας που υπάρχουν στα smartphone χρησιμοποιούν ανιχνευτές φωτός όπως φωτο-τρανζίστορ. Οι συσκευές τηλεχειρισμού που λειτουργούν σε υπέρυθρο φως χρησιμοποιούν επίσης φωτοδιόδους για τη διεξαγωγή των λειτουργιών της.

Αυτοκίνητα:

Οι αισθητήρες φωτός ή οι ανιχνευτές φωτός χρησιμοποιούνται στα αυτοκίνητα για την ανίχνευση του περιβάλλοντος φωτός περιβάλλοντος. Αυτοί οι ανιχνευτές ανάβουν αυτόματα τα φώτα του αυτοκινήτου όταν σκοτεινιάζει. Σήμερα, ανιχνευτές φωτός χρησιμοποιούνται επίσης για την ασφαλή οδήγηση και στάθμευση σε διάφορα μοντέλα αυτοκινήτων.

Συσκευές ασφαλείας:

Οι αισθητήρες φωτός χρησιμοποιούνται συνήθως για την επεξεργασία φορτίων αποστολής προκειμένου να διασφαλιστεί εάν τα κουτιά είναι σωστά σφραγισμένα ή όχι. Αρκετοί τύποι αισθητήρων κίνησης χρησιμοποιούν επίσης ανιχνευτές φωτός που αισθάνονται τη διακύμανση στην έκθεση του φωτός. Οι φωτοδίοδοι χρησιμοποιούνται επίσης σε ανιχνευτές καπνού που υπάρχουν σε γραφεία, αεροδρόμια, τρένα κ.λπ.

Γεωργικές συσκευές:

Με την ανάπτυξη της τεχνολογίας, οι αισθητήρες φωτός έχουν συμβάλει επίσης στον τομέα της γεωργίας. Αυτοί οι αισθητήρες ανιχνεύουν την ποσότητα του περιβάλλοντος φωτός περιβάλλοντος για την ενεργοποίηση του συστήματος άρδευσης του ψεκαστήρα. Οι αισθητήρες φωτός ενεργοποιούν τους ψεκαστήρες μόνο όταν η ένταση του ηλιακού φωτός είναι μικρότερη για την εξασφάλιση επαρκούς ενυδάτωσης των καλλιεργειών.

Για να μάθετε περισσότερα σχετικά με την ελαφριά ενέργεια επίσκεψη https://lambdageeks.com/light-energy-light-energy-examples-and-uses/

Σχετικά με το Sanchari Chakraborty

Είμαι πρόθυμος μαθητευόμενος, επί του παρόντος επενδύω στον τομέα της Εφαρμοσμένης Οπτικής και της Φωτονικής. Είμαι επίσης ενεργό μέλος του SPIE (Διεθνής Εταιρεία Οπτικής και Φωτονικής) και του OSI (Optical Society of India). Τα άρθρα μου έχουν ως στόχο να φέρουν στο φως ποιοτικά επιστημονικά ερευνητικά θέματα με απλό αλλά ενημερωτικό τρόπο. Η επιστήμη εξελίσσεται από αμνημονεύτων χρόνων. Γι 'αυτό, προσπαθώ να αξιοποιήσω την εξέλιξη και να το παρουσιάσω στους αναγνώστες.

Ας συνδεθούμε μέσω https://www.linkedin.com/in/sanchari-chakraborty-7b33b416a/

Αφήστε ένα σχόλιο

Η διεύθυνση email σας δεν θα δημοσιευθεί. Τα υποχρεωτικά πεδία σημειώνονται *

Lambda Geeks