Fotoelementas arba nuo šviesos priklausomas rezistorius (LDR) yra maža dalis, kuri keičia savo varžą priklausomai nuo aplinkinės šviesos. Tamsoje atsparumas yra didelis, o ryškioje šviesoje jis nukrenta žemai. Dėl šio paprasto veiksmo fotoelementai yra naudingi įrenginiuose, kurie turi automatiškai veikti su šviesa, pvz., gatvių žibintai, sodo lempos ir ekrano ryškumo valdikliai. Šiame straipsnyje paaiškiname, kaip veikia fotoelementai, iš ko jie pagaminti, jų savybės ir kur jie naudojami.
Fotoelementų apžvalga
Fotoelementas, dar vadinamas fotorezistoriumi arba nuo šviesos priklausomu rezistoriumi (LDR), yra elektroninė dalis, kuri keičia, kiek ji priešinasi elektros srautui, priklausomai nuo į ją patenkančios šviesos. Kai šviesos yra labai mažai, jos varža tampa labai didelė, kartais siekia milijonus omų. Kai yra ryški šviesa, jos varža tampa labai maža, kartais tik keli šimtai omų. Dėl šio pasipriešinimo pokyčio fotoelementai yra naudingi grandinėse, kurios turi reaguoti į šviesos lygį be žmogaus kontrolės. Jie tyliai veikia fone, reguliuodami elektros srautą pagal aplink juos esančios šviesos kiekį. Dėl šios priežasties jie naudojami daugelyje sistemų, kuriose reikalingas automatinis šviesos valdymas.
Fotoelemento veikimas
Ši diagrama parodo, kaip fotoelementas (nuo šviesos priklausomas rezistorius arba LDR) veikia fotolaidumo principu. Kai šviesos fotonai atsitrenkia į kadmio sulfido (CdS) medžiagos paviršių, jie sužadina elektronus iš valentinės juostos į laidumo juostą. Šis procesas sukuria laisvus elektronus ir skylutes medžiagos viduje.
Išlaisvinti elektronai padidina CdS kelio laidumą tarp metalinių elektrodų. Kai absorbuojama daugiau fotonų, susidaro daugiau krūvio nešiklių, todėl sumažėja bendras fotoelemento pasipriešinimas. Tamsoje elektronų yra labai mažai, todėl varža išlieka didelė. Esant ryškiam apšvietimui, pasipriešinimas pastebimai sumažėja, todėl praeina daugiau srovės.
Fotoelementų medžiagos ir konstrukcija
Šis paveikslėlis iliustruoja vidinę fotoelemento konstrukciją ir medžiagas. Jo šerdyje ant keraminio pagrindo nusėda plonas kadmio sulfido (CdS plėvelės) sluoksnis. Šis CdS sluoksnis yra šviesai jautri medžiaga, kurios varža keičiasi su apšvietimu.
Metaliniai elektrodai yra raštuoti ant CdS plėvelės, kad surinktų ir perduotų elektrinius signalus, generuojamus, kai šviesa sužadina medžiagą. Šie elektrodai yra kruopščiai išdėstyti, kad būtų užtikrintas maksimalus kontaktas su CdS sluoksniu, pagerinant jautrumą ir atsaką.
Visas mazgas yra uždengtas permatomu apsauginiu dangteliu, kuris apsaugo komponentus nuo dulkių, drėgmės ir mechaninių pažeidimų, tuo pačiu praleidžiant šviesą. Ši konstrukcija užtikrina fotoelemento ilgaamžiškumą, patikimumą ir stabilų veikimą įvairiomis apšvietimo ir aplinkos sąlygomis.
Elektros specifikacijos
| Parametras | Vertė |
|---|---|
| Atsparumas tamsai | ≥ 1 MΩ (visiškoje tamsoje) |
| Atsparumas šviesai | 10–20 kΩ @ 10 liuksų |
| Gama (γ) | 0,6–0,8 |
| Pakilimo / kritimo laikas | 20–100 ms |
| Spektrinė smailė | 540–560 nm |
| Maksimali įtampa | 90–100 V |
| Maksimalus galios išsklaidymas | \~100 mW |
Fotoelementų spektrinis atsakas
• Didžiausias jautrumas: fotoelementai stipriausiai reaguoja žaliai–geltonai (540–560 nm), kuris taip pat yra sritis, kurioje žmogaus regėjimas yra jautriausias.
• Mažas jautrumas IR ir UV: Jie rodo minimalų atsaką į infraraudonąją (IR) ir ultravioletinę (UV) spinduliuotę. Tai apsaugo nuo klaidingo šilumos šaltinių, saulės spindulių akinimo ar nematomos šviesos įjungimo.
• Privalumas: Dėl šio akių atitikimo fotoelementai naudojami šviesos matuokliuose, automatiniuose ryškumo valdikliuose, aplinkos šviesos jutikliuose ir energiją taupančiose apšvietimo sistemose.
Dinaminis fotoelementų elgesys
Reakcijos laikas
Fotoelementai reaguoja per dešimtis milisekundžių, o tai yra per lėta, kad aptiktų greitai besikeičiančius ar mirgančius šviesos šaltinius.
Histerezės efektas
Pasipriešinimas gali neatitikti tos pačios kreivės, kai šviesos intensyvumas mažėja, kaip padidėjus. Dėl to valdymo sistemose gali atsirasti nedidelių matavimo klaidų.
Senėjimas ir degradacija
Ilgalaikis stiprios šviesos, UV spindulių ar lauko sąlygų poveikis gali visam laikui pakeisti varžos vertes, todėl laikui bėgant sumažėja jutiklio tikslumas.
Palyginimas: fotoelementas vs fotodiodas vs fototranzistorius
| Funkcija | Fotoelementas (LDR) | Fotodiodas | Fototranzistorius |
|---|---|---|---|
| Kaina | Labai mažas | Žemas–vidutinis | Žemas–vidutinis |
| Atsakymo greitis | Lėtas (20–100 ms) – negali aptikti mirgėjimo ar aukšto dažnio šviesos | Labai greitas (nuo nanosekundžių iki mikrosekundžių) – idealiai tinka didelio greičio aptikimui | Vidutinis (nuo mikrosekundžių iki milisekundžių) – greitesnis nei LDR, bet lėtesnis nei fotodiodas |
| Linijiškumas | Prastas – netiesinis atsakas į šviesos intensyvumą | Puikus – labai nuspėjamas atsakymas | Vidutinis – geresnis nei LDR, mažiau tikslus nei fotodiodas |
| Spektrinės rungtynės | Atitinka žmogaus akį (žalia–geltona smailė esant 540–560 nm) | Platus spektras; galima derinti optiniais filtrais | Jautrus daugiausia matomiems arba infraraudoniesiems spinduliams, priklausomai nuo konstrukcijos |
| Galios valdymas | Pasyvus įrenginys, maža galia (\~100 mW) | Labai mažas, reikalauja šališkumo | Vidutinis, gali sustiprinti fotosrovę |
| Programos | Sutemų jutikliai, žaislai, aplinkos šviesos aptikimas, sodo šviestuvai | Šviesos matuokliai, optinis ryšys, medicinos įranga | Objektų aptikimas, IR nuotoliniai jutikliai, padėties kodavimo įrenginiai |
Pagrindinės fotoelementų grandinės
Ttage daliklis į ADC įvestį
Fotoelementas ir rezistorius sudaro daliklį, kuris sukuria įtampą, proporcingą šviesos lygiui. Tai idealiai tinka mikrovaldikliams, tokiems kaip Arduino ar ESP32, kur signalą gali nuskaityti analoginis-skaitmeninis keitiklis (ADC) ir susieti su liuksų arba ryškumo reikšmėmis.
Komparatoriaus slenkstis (tamsus/šviesus jungiklis)
Prijungus fotoelementą prie komparatoriaus grandinės, išvestis pasikeičia tarp HIGH ir LOW, priklausomai nuo šviesos. Klasikinis pavyzdys yra automatiniai gatvių žibintai, kurie įsijungia, kai šviesa nukrenta žemiau nustatytos ribos, pvz., 20 liuksų.
Darbo ciklo maitinamas daliklis (mažos galios režimas)
Baterijomis maitinamose arba daiktų interneto sistemose daliklį galima maitinti tik matavimo metu. Tai sumažina energijos sąnaudas ir užtikrina patikimą šviesos aptikimą, todėl tinka nuotoliniams jutikliams ar išmaniesiems apšvietimo mazgams.
Fotoelementų grandinių projektavimo taisyklės
Kalibravimas tikslumui
LDR turi netiesinį atsaką į šviesą. Norėdami gauti tikslius rodmenis, užrašykite varžos vertes esant žinomiems šviesos lygiams ir pritaikykite duomenis prie logaritminės kreivės. Tai leidžia tiksliau susieti varžą ir apšvietimą.
Temperatūros poveikis
Kadmio sulfido (CdS) fotoelementai pasižymi neigiamu temperatūros koeficientu, o tai reiškia, kad jų atsparumas mažėja kylant temperatūrai. Šis poslinkis gali sukelti klaidų aplinkoje, kurioje kinta šilumos lygis, todėl gali prireikti kompensacijos ar korekcijos.
Optinis ekranavimas
Tiesioginis akinimas ar pasklidę atspindžiai gali iškraipyti rodmenis. Naudojant difuzorių arba korpuso korpusą, jutiklis matuoja tik aplinkos šviesą, pagerina stabilumą ir pakartojamumą.
Signalo filtravimas
Šviesos šaltiniai, tokie kaip šviesos diodai ir fluorescencinės lempos, gali sukelti mirgėjimo triukšmą. Pridėjus programinės įrangos vidurkį arba paprastą RC žemųjų dažnių filtrą (kondensatorius + rezistorius), išlyginama išvestis, kad matavimai būtų švaresni.
Fotoelementų programos
Automatinis gatvių apšvietimas
Fotoelementai plačiai naudojami lauko apšvietimo sistemose. Jie nustato aplinkos šviesos sumažėjimą sutemus ir automatiškai įjungia gatvių žibintus, tada juos išjungia auštant. Tai sumažina rankinį įsikišimą ir taupo energiją.
Saulės sodo lempos
Saulės energija varomuose sodo šviestuvuose fotoelementai jaučia, kada tamsu. Sukaupta saulės energija naudojama šviesos diodams maitinti, užtikrinant automatinį veikimą be jungiklių.
Ekrano ir ekrano ryškumo valdymas
Išmanieji telefonai, televizoriai ir monitoriai naudoja fotoelementus ekrano ryškumui reguliuoti. Jausdami aplinkos apšvietimą, jie optimizuoja matomumą, sumažina akių nuovargį ir taupo akumuliatoriaus veikimo laiką.
Fotoaparato ekspozicijos sistemos
Fotoaparatuose fotoelementai padeda išmatuoti šviesos intensyvumą, kad automatiškai nustatytų tinkamą ekspozicijos laiką. Tai užtikrina tinkamą nuotraukų apšvietimą esant įvairioms apšvietimo sąlygoms.
Saugos ir apsaugos sistemos
Fotoelementai yra įmontuoti į judesio jutiklius, durų prieigos sistemas ir įsilaužimo signalizacijas. Jie aptinka apšvietimo lygio pokyčius, kuriuos sukelia judėjimas ar kliūtis, suaktyvina aliarmus arba įjungia šviesas.
Pramoninė automatika
Gamyklos naudoja fotoelementus objektų aptikimui ant konvejerių juostų, pakavimo sistemų ir skaičiavimo programų. Greitas jų atsakas padeda bekontakčiu medžiagų jutimu.
Energijos valdymas pastatuose
Fotoelementai yra integruoti į išmaniąsias pastatų sistemas, kad būtų galima reguliuoti patalpų apšvietimą. Šviesos automatiškai pritemdomos arba išsijungia reaguodamos į natūralią dienos šviesą, todėl padidėja energijos vartojimo efektyvumas.
Fotoelemento bandymas ir kalibravimas
• Fotoelementą (LDR) pastatykite kontroliuojamomis apšvietimo sąlygomis, pvz., 10, 100 ir 1000 liuksų, naudodami kalibruotą šviesos šaltinį arba liuksmetrą.
• Užrašykite varžos vertes kiekviename apšvietimo lygyje, kad užfiksuotumėte jutiklio atsaką.
• Nubraižykite atsparumą liuksams rąstų skalėje. Tai leidžia išgauti nuolydį, vadinamą gama (γ), kuris apibūdina fotoelemento elgesį.
• Naudokite pritaikytą kreivę, kad sukurtumėte konvertavimo lentelę arba formulę, kuri susietų ADC rodmenis iš mikrovaldiklio tiesiai su liuksų reikšmėmis.
• Pakartotinai išbandykite jutiklį esant skirtingoms temperatūroms, nes CdS fotoelementai yra jautrūs temperatūrai, ir taikykite korekcijas, jei pastebimas poslinkis.
• Išsaugokite kalibravimo duomenis sistemos programinėje įrangoje arba programinėje įrangoje, kad galėtumėte atlikti patikimus, pakartojamus šviesos matavimus.
Išvada
Fotoelementai yra paprasti ir patikimi šviesos jutikliai, reguliuojantys varžą pagal ryškumą. Nors jie yra lėtesni nei kiti jutikliai, jie išlieka ekonomiški ir praktiški įprastam naudojimui, pavyzdžiui, gatvių žibintams, ekranams ir energiją taupančioms sistemoms. Tinkamai kalibruojant ir suprojektavus, fotoelementai ir toliau užtikrina patikimą veikimą tiek kasdieniuose įrenginiuose, tiek pramonėje.
Dažnai užduodami klausimai
1 klausimas. Ar fotoelementai pažeidžiami dulkių ar drėgmės?
Taip. Dulkės ir drėgmė gali sumažinti jautrumą, todėl lauko modeliai turi būti sandarūs arba atsparūs oro sąlygoms.
2 klausimas. Ar fotoelementai gali aptikti labai silpną šviesą?
Ne. Standartiniai CdS fotoelementai nėra patikimi žvaigždžių šviesoje arba labai silpname apšvietime.
3 klausimas. Kiek laiko tarnauja fotoelementai?
5–10 metų, tačiau karščio, UV ir saulės spindulių poveikis gali sutrumpinti jų gyvenimą.
4 klausimas. Ar fotoelementai yra ribojami aplinkai?
Taip. CdS pagrindu pagamintiems fotoelementams gali būti taikomos RoHS taisyklės, nes juose yra kadmio.
5 klausimas. Ar fotoelementai gali išmatuoti šviesos spalvą?
Ne. Jie nustato tik ryškumą, o ne bangos ilgį.
6 klausimas. Ar fotoelementai tinka greitai besikeičiančiai šviesai?
Ne. Dėl lėtos reakcijos (20–100 ms) jie netinka mirgėjimui ar impulsinei šviesai.