سنسورهای نوری

سنسورهای نوری، المان‌هایی فوتوالکتریک هستند که انرژی نور ( فوتون‌ها ) را تبدیل به یک سیگنال الکتریکی می کنند

یک سنسور نوری سیگنال خروجی را می‌سازد که نشانگر شدت نور است. سنسورهای نوری قادر هستند انرژی تابشی که در نور وجود دارد را تشخیص دهند. بازه‌ی تشخیص این‌گونه سنسورها از امواج فروسرخ تا امواج فرابنفش می‌باشد.

سنسورهای نوری از دسته المان‌های پسیو می‌باشد که امواج نورانی را به سیگنال‌های الکتریکی تبدیل می‌کند. سنسورهای نوری به عنوان المان‌های فوتوالکتریک یا فوتوسنسور نیز شناخته می‌شوند چرا که می‌توانند فوتون‌ها را به الکترون تبدیل  کنند.

المان‌های فوتوالکتریک به ۲ دسته‌ی اصلی تقسیم می‌شوند :

یک دسته هنگامی که نور به آن‌ها تابانده می‌شود الکتریسیته تولید می‌کنند. مانند سیستم‌های فوتوولتاییک ( Photo-Voltaics ) یا سیستم‌های گسیل نوری ( Photo-emissive ) یا سیستم‌هایی که خصیصه های الکتریکی شان با نور تغییر پیدا می‌کند مانند فوتوریزیستورها ( Photo-resistors ) یا فوتوکانداکتورها (Photo-conductor ) که خود این دسته نیز به چند زیر دسته تقسیم می‌شود :

سلول‌های گسیل نوری: المان‌های نوری وجود دارند که در آن یک ماده‌ی حساس به نور وجود دارد مانند سزیم (Caesium) که با تابش نور از خود الکترون گسیل می‌کنند. میزان انرژی فوتون‌ها وابسته به فرکانس نور است به عبارتی دیگر هر چه فرکانس نور بیشتر باشد فوتون‌ها انرژی بیشتری دارند و متعاقباً تعداد الکترون‌های گسیل شده نیز بیشتر خواهد بود

سلول‌های فوتوکانداکتیو: این المان‌های نوری با قرار گرفتن در معرض نور مقاومت الکتریکی خود را تغییر می‌دهند. خاصیت هدایت نوری ناشی از حرارت نور است که ماده ی نیمه رسانا را گرم می‌کند و با افزایش دمای ماده ی رسانا میزان مقاومت آن و در نتیجه میزان جریان عبوری از آن نیز تغییر خواهد کرد. پرکاربردترین ماده فوتوکانداکتیو کادمیوم‌سولفید می‌باشد که در سلول‌های‌خورشیدی LDR مورد استفاده قرار می‌گیرد

سلول‌های فوتوولتاییک: این المان‌های نوری یک نیرو محرکه القایی را متناسب با میزان انرژی نور تولید می‌کنند. در این المان ها انرژی نور بین دو نیمه‌رسانا قرار می‌گیرد و اختلاف پتانسیلی تقریباً به اندازه ی ۰/۵ ولت به وجود می‌آید. در سلول‌های خورشیدی عموما از سلنیم (Selenium) به عنوان ماده فتوولتاییک استفاده می‌شود

المان‌های نوری پیوندی:‌ این المان‌های نوری شامل فوتودیودها و فوتوترانزیستورها می‌شوند که از نور برای کنترل جریان الکترون‌ها و حفره ها در طول پیوند PN  استفاده می‌کنند. المان‌های نوری ـ پیوندی در دتکتورها کاربرد فراوانی دارند چرا که طیف پاسخ شان می‌تواند با طول موج ورودی تنظیم شود

سلول‌های فوتو کانداکتیو

یک سنسور نوری فوتوکانداکتیو الکتریسته تولید نمی‌کند بلکه در تابش نور خورشید خصیصه‌های فیزیکی‌اش را تغییر می‌دهد رایج‌ترین نوع المان های فوتوکانداکتیو، فوتورزیستورها هستند که مقاومت الکتریکی شان با تغییرات شدت نور تغییر می‌کند .

فوتورزیستورها المان‌های نیمه رسانایی هستند که از انرژی نور برای کنترل جریان الکترون ها استفاده می‌کنند بنابراین جریان از آن‌ها، عبور می‌کند. یکی از سلول‌های معروف فوتوتکانداکتیو، مقاومت وابسته به نور ( Light Dependent Resistor ) یا (LDR) می‌باشد .

4. LDR

همان‌طور که از نام آن پیداست LDR  از یک نیمه رسانا مانند کادمیوم‌سولفید ساخته شده که مقاومت الکتریکی‌اش از چند کیلواهم در تاریکی تا چند صد اهم در روشنایی متغیر است.

هنگامی که این ماده ی نیمهرسانا در معرض نور قرار می‌گیرد حفره ها و الکترون ها با یکدیگر جفت می‌شوند و یک شبکه را به وجود می‌آورند این شبکه میزان هدایت نیمه رسانا را بهبود می‌بخشد، در نتیجه مقاومت کاهش پیدا می‌کند. سلول‌های فوتورزیستیو زمان پاسخ‌دهی طولانی دارند و چندین ثانیه طول می‌کشد تا نسبت به تغییرات شدت نور پاسخ بدهند.

موادی که به عنوان زیرلایه نیمه رسانا مورد استفاده قرار می‌گیرند عبارتند از: سولفید قلع (Pbs) ، سلنید قلع (Pbse) و ایندیوم آنتیمونید (InSb) که نور را در بازه‌ی فروسرخ تشخیص می‌دهد؛ اما پرکاربردترین سنسور فوتورزیستیو کادمیوم‌سولفید می‌باشد.

از کادمیوم‌سولفید برای ساخت سلول فوتوکانداکتیو استفاده می‌شود چرا که منحنی پاسخ آن تا حد زیادی با چشم انسان شباهت دارد و به راحتی قابل کنترل است و حداکثر طول موج قابل تشخیص توسط این سنسور 600nm می‌باشد.

سلول‌های مقاومتی وابسته به نور

۲. سلول‌های مقاومتی وابسته به نور

یکی از پرکاربردترین سنسورهای فوتورزیستیو  ORP12 می‌باشد که از جنس کادمیوم‌سولفید است. این المان می‌تواند تا فرکانس 610nm  را تشخیص دهد. مقاومت سلول در تاریکی  تا ۱۰MΩ می‌رسد و اگر کاملاً روشن شود مقاومت تا ۱۰۰Ω نزول پیدا می‌کند.

برای افزایش مقاومت در تاریکی و متعاقباً کاهش جریان تاریکی یک مسیر مقاومتی به شکل زیگزاگ در طول زیرلایه سرامیکی تعبیه می‌شود. سلول‌های نوری کادمیوم‌سولفید بسیار ارزان هستند و در تاریک‌کننده‌ی اتوماتیک ، تشخیص غروب و طلوع خورشید و برای روشن شدن خودکار نور خیابان‌ها به کار می‌روند .

اگر یک LDR  به صورت سری با یک مقاومت معمولی در مادر قرار گیرد و به یک منبع تغذیه DC متصل شود؛ یک ولتاژ متفاوت به ازای هر سطح نور در پیوندشان شکل می‌گیرد.

میزان افت ولتاژ در دو سر مقاومت‌های سری شده توسط مقدار مقاومتی LDR معین می‌گردد توانایی به وجود آوردن ولتاژهای مختلف، این پیکربندی را به شبکه‌ی جداکننده ولتاژ معروف کرده.

همان‌طور که می‌دانیم جریانی که از مدارهایی که با یکدیگر سری شده می‌گذرد یکسان می‌باشد و در حالیکه LDR  مقدار مقاومتی‌اش را به تدریج و متناسب با شدت نور تغییر می‌دهد ولتاژ خورجی توسط فرمول جداکننده ولتاژ تعیین می‌شود مقاومت LDR (RLDR) متغیر می‌باشد و از ۱۰Ω تا ۱۰MΩ متناسب با نور تغییر می‌کند و این تغییرات خودش را در ولتاژ خروجی نشان می‌دهد.

۳. سلول‌های مقاومتی وابسته به نور

یک مدار ساده سنسور نوری، متشکل از یک رله و یک مدار جداکننده ولتاژ است هنگامی که مدار در تاریکی قرار می‌گیرد.

 مقاومت LDR فوق‌العاده بالا و در حد چند مگا‌اهم می‌باشد بنابراین هیچ جریانی از بیس ترازیستور TR1 عبور نمی‌کند و رله‌خاموش است.

به محض اینکه میزان نور افزایش پیدا می‌کند مقاومت LDR کاهش می‌یابد و ولتاژ V۱ به تدریج در بیس ترانزیستور شکل می‌گیرد به تدریج ولتاژ به حدی بالا می‌رود که می‌تواند ترانزیستور TR1  را روشن کند و متعاقباً رله نیز فعال می‌شود که در نهایت برای کنترل یک مدار خارجی از آن استفاده می‌شود و حال اگر مدار دوباره در تاریکی قرار گیرد مقاومت LDR افزایش پیدا می‌کند و باعث می‌شود ولتاژ تغذیه ترانزیستور افت کند و به حالت خاموش رود و در نتیجه رله نیز خاموش شود.

اگر مقاومت ثابت R۱ که در شبکه ی جداکننده ولتاژ قرار دارد را با یک پتانسیومتر تعویض کنیم، نقطه‌ای که رله در آن خاموش یا روشن می‌شود به راحتی قابل تنظیم خواهد بود. این نوع مدار ساده که در شکل بالا نشان داده شده حساسیت نسبتاً پایینی دارد و نقطه ی خاموش و روشنش ممکن است با بالا رفتن دمای مدار تغییر کند. اگر بخواهیم مدار دقیق‌تری بسازیم باید LDR را به یک پل وتسون متصل کنیم و ترانزیستور را با یک تقویت‌کننده عملیاتی تعویض کنیم شکل زیر را ببینید.

۴. سوییچ مقاومتی وابسته به نور

مدار حسگر سطح نور

۵. مدار حسگر سطح نور

در این مدار پایه حسگر نور LDR1 و پتانسیومتر VR1 بخشی از شبکه مقامتی پل وتسون هستند؛ در حالیکه دو مقاومت R1 و R2 بخش دیگری از مدار پل وتسون را تشکیل می‌دهند و ولتاژ تغذیه V۱ و V۲  به پایه‌های ورودی غیر معکوس و معکوس تقویت‌کننده عملیاتی متصل شده‌اند.

تقویت‌کننده عملیاتی در اینجا به عنوان یک مقایسه کننده ولتاژ با فیدبک عمل میکند که خروجی اش حاصل تفاضل بین دو ولتاژ ورودی است. مقاومت‌های R1 و R2 یک ولتاژ مرجع ثابت را در ورودی به وجود می آورد و ترکیب LDR و VR1 ولتاژ متغیر V۱ را به وجود می آرود که متناسب با سطح نوری که به LDR می‌تابد تغییر می‌کند.

همانند مدار قبل از خروجی این مدار نیز برای کنترل یک رله استفاده می‌شود که توسط رله هرزگرد D1 محافظت می‌شود. اگر ولتاژ خروجی LDR از ولتاژ مرجع V۲ پایین‌تر بیاید وضعیت آپ امپ تغییر پیدا می‌کند و با فعال شدن رله ، بار متصل به آن نیز روشن می‌گردد .

در این مدار اگر سطح نور افزایش پیدا کند، رله خاموش می‌شود هیسترزیس دو نقطه ی کلیدزنی توسط مقاومت فیدبک RF تعیین می‌شود تا بهره مناسب تقویت‌کننده به دست بیاید.

البته می‌توان این مدار را به گونه‌ای تنظیم کرد که با افزایش نور روشن گردد و اگر سطح نور از ولتاژ مرجع بالاتر رود رله روشن شود به این منظور باید جای LDR و پتانسیومتر با هم عوض شود پتانسیومتر نقطه سوییچ اپ امپ را تعیین می‌کند این مدار یک مدار ساده حسگر نور ایده‌آل می‌باشد .

سنسورهای نوری ـ پیوندی

این المان ها به طور پایه یک پیوند PN دارند و از یک نیمه رسانای سیلیکونی درست شده‌اند که به نور حساس می‌باشد و در بازه نور مرئی و فروسرخ کار می‌کند. سنسورهای نوری ـ پیوندی برای تشخیص نور ساخته شده‌اند و فوتودیودها و فوتوترانزیستورها در این دسته قرار می‌گیرند.

فوتودیود

۶. فوتودیود

شیوه‌ی ساخت فوتودیودها تا حد زیادی به دیودهای معمولی پیوندی شباهت دارد با این تفاوت که دارای یک محافظ خروجی شفاف و یک لنز برای متمرکز کردن نور بر روی پیوند PN می‌باشد. پاسخ‌دهی این المان نسبت به نورهایی با طول موج بلندتر ( نور قرمز و مادون قرمز ) بهتر از نورهایی با طول موج کوتاه است.

تمامی پیوند‌های PN نسبت به نور حساس هستند و مشخصه‌ی جریان ـ ولتاژ یک فوتودیود بدون اینکه هیچ نوری به محل پیوند بتابد تا حد زیادی شبیه به دیودهای یکسوساز می‌باشد. هنگامی که یک فوتودیود در حالت بایاس مستقیم است جریان به طور لگاریتمی افزایش می‌یابد اما اگر فوتودیود بایاس معکوس باشد تنها جریان نشتی فوق‌العاده کوچکی از دیود عبور می‌کند چرا که عرض ناحیه تخلیه فوق‌العاده زیاد شده است.

ساختار و مشخصه فوتودیودها

۷. ساختار و مشخصه فوتو دیودها

هنگامی که فوتودیود‌ها به عنوان سنسور نوری به کار می‌روند؛ جریان نشتی آن‌ها برای ژرمانیم ۱۰ میکروآمپر و برای سیلیکون ۱ میکروآمپر می‌باشد. هنگامی که نور روی پیوند دیودی می‌افتد جفت حفره ـ الکترون های بیشتری تشکیل می‌شوند و شدت جریان بالا می‌رود. لازم به ذکر است که شدت جریان با شدت نوری که به پیوند تابیده می‌شود رابطه‌ی مستقیم دارد. یکی از مهم‌ترین مزیت‌های فوتودیودها به عنوان یک سنسور نوری، پاسخ سریع آن‌ها به تغییرات در شدت نور می‌باشد. اما به طور کلی جریان زیادی از این نوع دیودها نمی‌تواند عبور کند.

مدار شکل زیر یک مبدل را نشان می‌دهد که از آپ امپ به عنوان تقویت‌کننده استفاده می‌کند ولتاژ خروجی (VOUT) برابر است با VOUT=IP*RF که با شدت نور متناسب است.

در این نوع مدار از آپ امپ برای راه‌اندازی دیود بدون ولتاژ بایاس استفاده می‌شود. پیکربندی آپ امپ در ولتاژ صفر امپدانس ورودی را فوق‌العاده بالا می‌برد و باعث می‌شود که خروجی نسبت به شدت نور خطی تر باشد. از خازن C۱ برای جلوگیری از نوسان و تنظیم پهنای باند خروجی استفاده می‌شود (1/2πRC)

مدار تقویت کننده فوتودیود

۸. مدار تقویت کننده فوتودیود

پاسخ فوتودیودها فوق‌العاده سریع می‌باشد و جریان در عرض چند ثانیه خاموش یا روشن می‌شود. از فوتودیود در دوربین‌ها، مترهای نوری، درایوهای CD و DVD، ریموت‌کنترل تلویزیون، اسکنرها، ماشین‌های فکس و دستگاه‌های کپی استفاده می‌شود. در برخی دستگاه‌ها فوتودیودها با آپ‌امپ در یک مدار قرار می‌گیرند؛ مانند دتکتورهای امواج فروسرخ، دزدگیرها، مدارهای تشخیص حرکت، اسکن لیزری و سیستم‌های موقعیت یابی.

فوتوترانزیستور

یک المان دیگر که می‌تواند به جای فوتودیودها مورد استفاده قرار بگیرد، فوتوترانزیستور است. فوتوترانزیستورها در اصل همان فوتودیود می‌باشند که علاوه بر تشخیص شدت نور می‌توانند عمل تقویت‌کنندگی را نیز انجام دهند. در فوتوترانزیستورها، پیوند PN بین کلکتور و بیس هنگامی که المان در معرض نور قرار می‌گیرد بایاس معکوس می‌شود.

عمل‌کرد فوتوترانزیستورها همانند فوتودیودهاست اما بهره‌ی جریان بیشتری دارند و از فوتودیودها نسبت به جریان حساس‌تر هستند. در ضمن هر ترانزیستور به سهولت و با قرار دادن یک فوتودیود بین کلکتور و بیسش می‌تواند تبدیل به فوتوترانزیستور شود.

۹. فوتوترانزیستور

فوتوترانزیستورها معمولاً از یک ترانزیستور پیوندی دو قطبی NPN به وجود می‌آیند که ناحیه بیس‌شان به لحاظ الکتریکی به جایی متصل نیست. با وجود این برخی ترانزیستورها اتصال الکتریکی کوچکی به بیس را به منظور کنترل میزان حساسیت تعبیه کرده‌اند. اکثر فوتوترانزیستورها از نوع NPN هستند که لایه ی بیرونی‌شان شفاف است و از یک لنز برای متمرکز کردن نور روی پیوند بیس استفاده می‌شود.

ساختار و مشخصات فوتوترانزیستور

۱۰. ساختار و مشخصات فوتوترانزیستور

در ترانزیستور NPN کلکتور نسبت به امیتر مثبت بایاس می‌شود طوری که پیوند بین بیس و کلکوتر بایاس معکوس می‌شود. بنابراین اگر هیچ نوری به پیوند نتابد جریان عبوری فوق‌العاده کم خواهد بود. هنگامی که نور روی بیس می‌افتد جفت‌های حفره ـ الکترون بیشتری تشکیل می‌شوند و جریانی که از این جفت‌ها به وجود می‌آید توسط ترانزیستور تقویت می‌شود.

معمولاً حساسیت یک ترانزیستور تابعی از بهره ی جریان DC آن می‌باشد. بنابراین حساسیت تابعی از جریان کلکتور است و می‌تواند توسط اتصال یک مقاومت بین بیس و امیتر کنترل شود اما در اپتوکوپلرهای فوق‌العاده حساس غالباً از زوج دارلینگتون فوتوترانزیستورها استفاده می‌شود.

فوتوترانزیستور دارلینگتون

در پیکربندی زوج دارلینگتون برای سنسورهای نوری از دو ترانزیستور NPN استفاده می‌شود تا قدرت تقویت کنندگی سیگنال چند برابر شود یا ممکن است به دلیل سطح پایین نور به سنسوری با حساسیت فوق‌العاده بالا نیاز باشد در هر صورت سرعت پاسخ دهی زوج دارلینگتون فوتوترانزیستورها نسبت به یک فوتوترانزیستور NPN معمولی پایین‌تر است.

فوتوترانزیستورهای دارلینگتون متشکل از یک فوتوترانزیستور معمولی هستند که خروجی امیتر ترانزیستور اول به بیس یک ترانزیستور NPN دوقطبی متصل شده به دلیل اینکه در پیکربندی دارلینگتون بهره‌ی جریان برابر با حاصلضرب بهره‌ی جریان دو ترانزیستوری است که در مدار به کار رفته، زوج‌‌های فوتو ترانزیستور دارلینگتون دتکتورهای فوق‌العاده حساسی هستند.

از فوتوترانزیستورها غالباً در اپتوایزولاتورها ( Opto_isolators )، سوییچ‌های نوری شیاردار ، فیبرهای اپتیک و ریموت کنترل‌های تلویزیون استفاده می‌شود. البته در برخی موارد به فیلترهای مادون قرمز نیاز است به‌خصوص در مواردی که قرار است تنها نورهای مرئی تشخیص داده شوند.

یکی دیگر از سنسورهای نیمه رسانای پیوندی نوری که ذکر آن در این مقاله خالی از لطف نیست؛ فوتوتریستور است این نوع تریستور با نور فعال می‌شود که به آن یکسوساز کنترل شده سیلیکونی (Silicon Controlled Rectifier ) یا (SCR) نیز گفته می‌شود در این المان نور می‌تواند فرمان روشن شدن را بدهد. متأسفانه حساسیت فوتوتریستورها در مقایسه با فوتودیودها و فوتوترانزیستورها فوق‌العاده کم می‌باشد.

برای بالا بردن حساسیت آن‌ها نسبت به نور بخش‌های نزدیک به پیوند گیت فوق‌العاده نازک ساخته می‌شود یکی از نقاط ضعف این روش این است که جریان آند محدود می‌شود در ضمن اگر به جریان AC زیادی نیاز باشد از آن‌ها برای راه‌اندازی تریستورهای بزرگ‌تری استفاده خواهد شد.

سلول‌های فوتوولتاییک

رایج‌ترین نوع سنسورهای فوتو ولتاییک ، سلول‌های خورشیدی می‌باشد . سلول‌های خورشیدی انرژی نور را به طور مستقیم تبدیل به انرژی الکتریکی DC می‌کنند و از آن برای راه‌اندازی موتور ، تولید نور و … استفاده می‌کنند سلول‌های فوتوولتاییک تا حد زیادی به باتری‌ها شباهت دارند چرا که همانند باتری‌ها می‌توانند به عنوان یک منبع تغذیه DC عمل کنند .

به هر حال این المان برخلاف دیگر المان های نوری بهترین عمل‌کرد را در معرض نور خورشید خواهد داشت.

از سلول‌های خورشیدی در طراحی مدارات زیادی استفاده می شود و غالباً به عنوان یک منبع تغذیه اضطراری در نظر گرفته می‌شود تا در صورتی که منبع تغذیه اصلی به مشکل برخورد ، انرژی الکتریکی مورد نیاز برای دستگاه را تأمین کند برخی از ماشین حساب‌ها ،ماهواره و خانه‌ها مجهز به سلول‌های خورشیدی می‌باشند .

۱۲. سلول فوتوولتاییک

سلول‌های فوتوولتاییک از یک پیوند PN سیلیکونی ساخته شده‌اند. آن‌ها دارای ناحیه حساس به نور فوق‌العاده بزرگی هستند اما بایاس معکوس ندارند آن‌ها در تاریکی مانند فوتودیودهای خیلی بزرگ عمل می‌کنند .

هنگامی که نور خورشید به سلول‌های خورشیدی می‌تابد الکترون ها در پیوند PN جریان می‌یابند یک سلول خورشیدی به تنهایی می‌تواند ۵۸۰ میلی ولت برق تولید کند سلول‌های خورشیدی همانند باتری دارای سر مثبت و منفی می‌باشند .

همچنین می‌توان سلول‌های خورشیدی را به یکدیگر متصل کرد تا پنل‌های خورشیدی به وجود بیاید و متعاقباً ولتاژ ( در صورت بسته شدن سری سلول‌ها به یکدیگر ) و جریان در صورت بسته شدن موازی سلول‌ها به یکدیگر ) افزایش یابد .

مشخصات یک سلول معمولی فوتوولتاییک

۱۳. مشخصات یک سلول معمولی فوتوولتاییک

میزان جریانی که از یک سلول خورشیدی عبور می‌کند وابسته به شدت نور، اندازه‌ی سلول خورشیدی و بازده آن است. بازده سلول‌های خورشیدی فوق‌العاده پایین است ( بین ۱۵ تا ۲۰ درصد ) برای افزایش بازده از سیلیکون پلی‌کریستال یا سیلیکون معمولی استفاده می‌شود که می‌توانند جریانی به بزرگی ۲۰۰ تا ۴۰۰ میلی آمپر را تولید کنند.

مواد دیگری که در تولید سلول‌های فوتوولتاییک به کار می‌روند عبارتند از: گالیوم‌آرسنید، مس‌ایندیوم دی‌سلنید (Copper Indium Diselenide) و کادمویم‌تلوراید ( Cadmium Telluride). استفاده از مواد مختلف پاسخ سلول‌ها را نسبت به نور با فرکانس‌های مختلف تعیین می‌کنند. به عبارتی دیگر می‌توان تعیین کرد که سلول‌ها خورشیدی با تابش چه فرکانس‌های نوری فعال شوند.

در مقاله‌ی بعدی در راه‌اندازها یا اکچویتورها خواهیم پرداخت. راه‌انداز‌ها سیگنال الکتریکی را به حالت فیزیکی مانند حرکت، نور یا صدا تبدیل می‌کنند. یکی از پرکاربردترین المان‌های خروجی رله‌های الکترومغناطیسی هستند.