Αισθητήρες φωτοκυττάρων: Κατασκευή, κύκλωμα, 4 σημαντικοί τύποι

Ποιοι είναι οι αισθητήρες φωτοκυττάρων;

Ο αισθητήρας φωτοκυττάρων είναι ένας τύπος φωτοευαίσθητης αντίστασης που ποικίλλει την ειδική αντίστασή του ανάλογα με την ένταση του φωτός που δέχεται. Αυτοί οι αισθητήρες συνδέονται γενικά με ένα ηλεκτρικό ή ηλεκτρονικό κύκλωμα. Όταν η ένταση του φωτός είναι χαμηλότερη, η αντίσταση είναι μεγαλύτερη.

Αυτό συμβαίνει καθώς η αύξηση της ενέργειας ή της έντασης του φωτός επιτρέπει τη ροή περισσότερων ηλεκτρονίων, μειώνοντας έτσι την αντίσταση. Οι κυψέλες υλικού ημιαγωγών υψηλής αντίστασης, όπως οι κυψέλες θειούχου καδμίου, χρησιμοποιούνται σε αισθητήρες φωτοκυττάρων, καθώς είναι ευαίσθητοι στο φως υπερύθρων. Υλικά όπως το αντιμονίδιο του ινδίου (InSb), το σεληνίδιο του μολύβδου (PbSe) και το θειούχο μόλυβδο (PbS) αντικαθιστούν επίσης κατά καιρούς τα κύτταρα θειούχου καδμίου.

Περιεχόμενα

Πώς κατασκευάζεται ένας αισθητήρας φωτοκυττάρου;

Ένας αισθητήρας φωτοκυττάρων κατασκευάζεται με έναν εκκενωμένο γυάλινο σωλήνα που περιλαμβάνει δύο ηλεκτρόδια όπως έναν πομπό και έναν συλλέκτη. Ο ακροδέκτης του εκπομπού έχει γενικά ένα ημι-κούφιο κυλινδρικό σχήμα και είναι διατεταγμένο πάντα σε αρνητικό δυναμικό.

Ο ακροδέκτης συλλέκτη παίρνει τη μορφή ή το σχήμα ενός μετάλλου που μπορεί να στερεωθεί στον άξονα του μερικώς κυλινδρικού εκπομπού. Ο ακροδέκτης συλλέκτη γενικά διατηρείται σε θετικό ακροδέκτη. Ο εκκενωμένος γυάλινος σωλήνας στερεώνεται στη συνέχεια πάνω από μια μη μεταλλική βάση και υπάρχουν καρφίτσες στη βάση προκειμένου να διευθετηθεί μια εξωτερική σύνδεση.

Ποια είναι η αρχή λειτουργίας ενός αισθητήρα φωτοκυττάρου;

Το εσωτερικό φωτοηλεκτρικό φαινόμενο αποτελεί τη βάση της αρχής λειτουργίας των αισθητήρων φωτοκυττάρων. Δηλώνει ότι όταν μια μεταλλική επιφάνεια βομβαρδίζεται με φωτεινή ενέργεια ή φωτόνια, τα ελεύθερα ηλεκτρόνια στην μεταλλική επιφάνεια μπορούν να διεγερθούν και να πηδήξουν έξω από το μεταλλικό πλέγμα με αποτέλεσμα τη ροή ηλεκτρονίων ή ηλεκτρικού ρεύματος.

Η εκπομπή ηλεκτρονίων από μεταλλικές επιφάνειες μπορεί να συμβεί μόνο όταν τα βομβαρδισμένα φωτόνια φτάσουν σε μια ορισμένη συχνότητα κατωφλίου που αντιστοιχεί στη λιγότερη ενέργεια που χρειάζονται τα ηλεκτρόνια για τη διάσπαση των μεταλλικών δεσμών. Αυτό το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο χρησιμοποιείται για τη μεταβολή της ηλεκτρικής αντίστασης σε ένα φωτοκύτταρο.

Η πλάκα εκπομπής συνδέεται στον αρνητικό ακροδέκτη και η πλάκα συλλέκτη συνδέεται στον θετικό ακροδέκτη. Όταν η συχνότητα του φωτός που λαμβάνεται από την πλάκα εκπομπής υπερβαίνει μια συχνότητα κατωφλίου, λαμβάνει χώρα η ροή ηλεκτρονίων. η πλάκα συλλέκτη συνδέεται με το θετικό τερματικό έτσι ώστε η ροή ηλεκτρονίων να είναι προς τον συλλέκτη. Εάν αυξηθεί η ενέργεια του ακτινοβολημένου φωτός, τότε θα αυξηθεί επίσης η ροή ρεύματος μέσα στο κύκλωμα.

Κύκλωμα αισθητήρα φωτοκυττάρου

Το κύκλωμα αισθητήρα φωτοκυττάρου ονομάζεται επίσης κύκλωμα σκοτεινής ανίχνευσης ή κύκλωμα μεταγωγής τρανζίστορ. Τα εξαρτήματα που απαιτούνται για την κατασκευή ενός κυκλώματος αισθητήρα φωτοκύτταρου είναι ψωμί, μπαταρία-9V, καλώδια βραχυκυκλωτήρα, τρανζίστορ 2N222A, αντιστάσεις-22 κιλο-ωμ, 47 ohms, φωτοκύτταρο και LED Το κύκλωμα φωτοαισθητήρα μπορεί να λειτουργήσει σε δύο συνθήκες: όταν υπάρχει φως και όταν υπάρχει σκοτάδι.

αισθητήρας φωτοκυττάρου
Ένα κύκλωμα αισθητήρα φωτοκυττάρου.

Όταν υπάρχει φως, η αντίσταση του φωτοκυττάρου είναι μικρότερη. Ως εκ τούτου, το ρεύμα ρέει κυρίως μέσω του φωτοκυττάρου και του R2 αντίσταση. Σε αυτήν την περίπτωση, το τρανζίστορ αρχίζει να λειτουργεί σαν μονωτής που διακόπτει τη ροή του ρεύματος μέσω του LED και του R1 αντίσταση.

Όταν υπάρχει σκοτάδι, η αντίσταση του φωτοκυττάρου είναι υψηλή. Ως εκ τούτου, το ρεύμα θα ρέει μέσω του τρανζίστορ προς τον πομπό. Όταν η ισχύς λαμβάνεται από το τερματικό βάσης, το τρανζίστορ συμπεριφέρεται σαν αγωγός. Αυτό επιτρέπει τη ροή ρεύματος μέσω της αντίστασης R1 και το LED.

Ποιοι είναι οι τύποι των φωτοκυττάρων;

Οι αισθητήρες φωτοκυττάρων μπορούν να χωριστούν σε 4 βασικούς τύπους:

Φωτοβολταϊκά κύτταρα:

Τα φωτοβολταϊκά κύτταρα λειτουργούν βάσει της αρχής του φωτοβολταϊκού αποτελέσματος για τη μετατροπή της φωτεινής ενέργειας απευθείας σε ηλεκτρική ενέργεια. Αυτά τα στοιχεία μπορούν να δημιουργήσουν μια ηλεκτροκινητική δύναμη που εξαρτάται από την ποσότητα της ακτινοβολούσας ενέργειας που λαμβάνεται. Οι κυψελίδες πυριτίου μονής σύνδεσης που χρησιμοποιούνται συνήθως παράγουν μέγιστη τάση ανοικτού κυκλώματος περίπου 0.5 έως 0.6 Volts. Αυτά τα κύτταρα χρησιμοποιούν σελήνιο ως φωτοβολταϊκό υλικό. Εκτός από την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, τα φωτοβολταϊκά κύτταρα λειτουργούν επίσης ως φωτοανιχνευτές. Φωτοαγώγιμα κύτταρα και φωτοεκπεραζόμενα κύτταρα εξυπηρετούν επίσης παρόμοιο σκοπό.

Ηλιακό κύτταρο 2
Ηλιακό φωτοβολταϊκό στοιχείο κρυσταλλικού πυριτίου. Πηγή εικόνας: Άγνωστος συγγραφέας, Ηλιακό κύτταρο, επισημαίνεται ως δημόσιος τομέας, περισσότερες λεπτομέρειες σχετικά με Wikimedia Commons

Φωτοαντίσταση:

Φωτοαντίσταση ή εξαρτώμενες από το φως αντιστάσεις ή LDR είναι όργανα που μπορούν να αλλάξουν τη δική τους εσωτερική αντίσταση ανάλογα με την ποσότητα της προσπίπτουσας φωτεινής ενέργειας. Όταν η ένταση του φωτός είναι χαμηλότερη, η αντίσταση είναι μεγαλύτερη. Αυτό συμβαίνει καθώς η αύξηση της ενέργειας ή της έντασης του φωτός επιτρέπει τη ροή περισσότερων ηλεκτρονίων, μειώνοντας έτσι την αντίσταση.

Οι κυψέλες υλικού ημιαγωγών υψηλής αντίστασης, όπως οι κυψέλες θειούχου καδμίου, χρησιμοποιούνται σε αισθητήρες φωτοκυττάρων, καθώς είναι ευαίσθητοι στο φως υπερύθρων. Υλικά όπως το αντιμονίδιο του ινδίου (InSb), το σεληνίδιο του μολύβδου (PbSe) και το θειούχο μόλυβδο (PbS) αντικαθιστούν επίσης κατά καιρούς τα κύτταρα θειούχου καδμίου. Οι φωτοαντιστάσεις χρειάζονται πολύ περισσότερο χρόνο (περίπου λίγα δευτερόλεπτα) για να ανταποκριθούν στο εκτεθειμένο φως.

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

Κύτταρα Golay:

Ένα κύτταρο Golay χρησιμοποιείται γενικά για την ανίχνευση ακτινοβολιών υπερύθρων. Αυτά τα κύτταρα αποτελούνται από έναν μαυρισμένο μεταλλικό κύλινδρο που είναι γεμάτος με ευγενή αέρια όπως το Xenon στο ένα άκρο. Όταν οι υπέρυθρες ακτινοβολίες πέφτουν στη μεταλλική πλάκα, το αέριο xenon θερμαίνεται και στρίβει το ελαστικό διάφραγμα που υπάρχει στο άλλο άκρο του κυλίνδρου. Η κίνηση του διαφράγματος βοηθά στην εύρεση της εξόδου της πηγής ενέργειας.

330 εικονοστοιχεία Golay Cell Schematic.svg
Ένα σχηματικό διάγραμμα του κυττάρου Golay. Πηγή εικόνας: Εχάβ Έμπιντ, Αρχικά Tls60 Golay_Cell_Schematic.pngΣχηματικό κύτταρο GolayCC-BY 3.0

Φωτοπολλαπλασιαστής:

Ένας φωτοπολλαπλασιαστής είναι μια συσκευή που χρησιμοποιείται για πολλαπλασιασμό ή ενίσχυση θολών ή ασαφών φωτός περίπου 100 εκατομμύρια φορές. Οι φωτοπολλαπλασιαστές είναι εξαιρετικά ευαίσθητοι και μπορούν να ανιχνεύσουν πολύ αχνό φως. Οι φωτοπολλαπλασιαστές είναι τριών τύπων, ο μαγνητικός φωτοπολλαπλασιαστής, ο ηλεκτρονικός φωτοπολλαπλασιαστής και ο φωτοπολλαπλασιαστής πυριτίου.

1920 px PhotoMultiplierTubeAndScintillator.svg
Ένα σχηματικό διάγραμμα ενός φωτοπολλαπλασιαστικού σωλήνα. Πηγή εικόνας: Qwerty123uiopPhotoMultiplierTubeAndScintillatorCC BY-SA 3.0

Ποιες είναι οι εφαρμογές των αισθητήρων φωτοκυττάρων;

Οι αισθητήρες φωτοκυττάρων χρησιμοποιούνται για διάφορους σκοπούς όπως:

  • Αυτόματα φώτα του δρόμου.
  • Συναγερμοί διαρρήκτη.
  • Χρονόμετρα αγώνα.
  • Κατασκευή ρομπότ.
  • Μετρητές έκθεσης κάμερας.
  • Αυτόματοι διακόπτες.
  • Lux μέτρα.
  • Φώτα αυτοκινήτου.
  • Αυτόματοι ψεκαστήρες άρδευσης.
  • Αυτόματες πόρτες.

Για να μάθετε περισσότερα σχετικά με τους αισθητήρες φωτός επισκεφθείτε https://lambdageeks.com/light-sensors/

Διαβάστε επίσης:

Αφήστε ένα σχόλιο