Chương 2. cam bien do quang

Chương II. Cảm biến đo quangChương II. Cảm biến đo quang

1. Tính chất và đơn vị đo ánh sáng

2. Cảm biến quang dẫn

3. Cảm biến quang điện phát xạ

04/12/23

1. Tính chất và đơn vị đo1. Tính chất và đơn vị đo

1.1 Tính chất ánh sáng

a) Tính chất sóng: một dạng của sóng điện từ:

0,395 0,455 0,490 0,575 0,590 0,650 0,750

cực tím tím lam lục da cam đỏ hồng ngoại

0,01 0,1 0,4 0,75 1,2 10 30 100

cực tím Hồng ngoại H. ngoại xa

(m)

Phổ ánh sáng

04/12/23

1.1. Tính chất áng sáng1.1. Tính chất áng sáng

Vận tốc: c = 299.792 km/s (chân không)

hoặc (môi trường vật chất)

Bước sóng: (chân không)

hoặc (môi trường vật chất).

f tần số ánh sáng.

n

cv

f

c

f

v

04/12/23

1.1. Tính chất áng sáng1.1. Tính chất áng sáng

b) Tính chất hạt:

Chùm hạt (photon) chuyển động với vận tốc lớn, mỗi hạt mang một năng lượng nhất định, năng lượng này chỉ phụ thuộc tần số (f) của ánh sáng:

.hW

h = 6,6256.10-34J.s hằng số Planck

04/12/23

1.2. Đơn vị đo quang1.2. Đơn vị đo quang

a) Đơn vị đo năng lượng:

Năng lượng bức xạ Q: là năng lượng lan truyền hoặc hấp thụ dưới dạng bức xạ, tính bằng Jun (J).

Thông lượng ánh sáng : là công suất phát xạ, lan truyền hoặc hấp thụ, tính bằng Oát (W).

dt

dQ (W)

04/12/23


Cường độ ánh sáng (I): là luồng năng lượng phát ra theo một hướng ứng với một đơn vị gốc khối

Độ chói năng lượng (L):

Độ rọi năng lượng (E):ndA

dIL (W/sr.m2)

d

dI (W/sr) sr: steradian

dA

dE

(W/m2)

04/12/23


b) Đơn vị đo thị giác:

Đại lượng đo Đơn vị năng lượng Đơn vị thị giác

Thông lượng W lumen(lm)

Cường độ W/sr cadela(cd)

Độ chói W/sr.m2 cadela/m2 (cd/m2)

Độ rọi W/m2 lumen/m2 hay lux (lx)

Năng lượng J lumen.s (lm.s)

04/12/23

2. Cảm biến quang dẫn2. Cảm biến quang dẫn

2.1. Hiệu ứng quang dẫn:

Hiệu ứng quang dẫn (hiệu ứng quang điện nội) là hiện tượng giải phóng những hạt tải điện (hạt dẫn) trong vật liệu dưới tác dụng của ánh sáng làm tăng độ dẫn điện của vật liệu.

04/12/23

2.1. Hiệu ứng quang dẫn2.1. Hiệu ứng quang dẫn

WWlk

+

điện tử

h

+h

-

điện tửh

+

Vùng dẫn

Vùng hoá trị

Wlk

--

Bán dẫn tinh khiết

lổ trống lổ trống

Bán dẫn loại n Bán dẫn loại p

04/12/23


Mật độ điện tử trong tối:2/1

d2

2

0 r

N.a

r4

a

r.2

an

kT

qWexpa d Hệ số tỉ lệ giải phóng e.

Nd Nồng độ tạp chất loại N

r Hệ số tái hợp.

04/12/23


Nồng độ điện tử khi được chiếu sáng:

h

R1.

V

1

V

Gg

g Số e giải phóng do chiếu sáng trong 1s trong 1 đơn vị thể tích:

2/1

r

gn

nNag d

04/12/23


Độ dẫn trong tối:

Độ dẫn khi chiếu sáng:

00 nq

212

1

.A

1

r

gqnq

0 và là hàm phi tuyến của với số mũ =1/2 (thực tế = 0,5 -1)

04/12/23

2.2. Tế bào quang dẫn (TBQD)2.2. Tế bào quang dẫn (TBQD)

a) Cấu tạo:

Thực chất TBQD là một điện trở được chế tạo từ các chất bán dẫn

0,2 0,6 1 2 3 4 5 10 20 30

CdSCdSe

CdTePbS

PbSePbTe

GeSi GeCu

SnInAsIn

CdHgTe

, m

Vùng phổ làm việc của một số vật liệu quang dẫn

04/12/23


b) Đặc trưng chủ yếu:Điện trở: điện trở trong tối lớn (từ 104 - 109 ở 25oC đối với PbS, CdS, CdSe ) và giảm nhanh khi độ rọi sáng tăng.

Điện trở ()

Độ rọi sáng (lx)0,1 1 10 100102

104

106

106

1000

Sự phụ thuộc của điện trở vào độ rọi sáng

04/12/23


Độ nhạy:

Nhận xét:

+ Độ nhạy giảm khi tăng (trừ = 1)

+ Độ nhạy giảm khi tăng nhiệt độ, khi điện áp đặt vào lớn.

+ Độ nhạy phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng.

1

A

VIS

04/12/23

2.2. Tế bào quang dẫn 2.2. Tế bào quang dẫn

c) Đặc điểm

+ Tỷ lệ chuyển đổi tĩnh cao.

+ Độ nhạy cao.

+ Hồi đáp phụ thuộc không tuyến tính .

+ Thời gian hồi đáp lớn.

+ Các đặc trưng không ổn định do già hoá.

+ Độ nhạy phụ thuộc nhiệt độ, một số loại đòi hỏi làm nguội.

04/12/23


-150 -100 -50 0 50Nhiệt độ (oC)

10

5

1

0,5

0,1

Độ nhạy tương

đối

Bước sóng (m)

Độ nhạy tương đối (%)

1 2 31

3

5

10

30

50

100

Ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ nhạy của tế bào quang dẫn

Ảnh hưởng bước sóng đến độ nhạy

của tế bào quang dẫn

04/12/23


c) Ứng dụng:

Điều khiển rơ le: khi có bức xạ ánh sáng chiếu lên tế bào quang dẫn, điện trở giảm, cho dòng điện chạy qua đủ lớn sử dụng trực tiếp hoặc qua khuếch đại để đóng mở rơle.

Thu tín hiệu quang: dùng tế bào quang dẫn để thu và biến tín hiệu quang thành xung điện.

04/12/23


+ +

Điều khiển trực tiếp Điều khiển thông qua tranzito khuếch đại

04/12/23

2.3. Photodiode2.3. Photodiode

a) Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

04/12/23

2.3. Photođiot2.3. Photođiot

Nguyên lý hoạt động:

- Khi = 0 và V = 0, dòng điện chạy qua

Ikt Dòng khuếch tán các hạt cơ bản. I0 Dòng hạt

dẫn không cơ bản sinh ra do kích thích nhiệt.

- Khi V > 0 dòng ngược:

- Khi V đủ lớn 0 và Ir = I0.

0IkT

qVexpII 0

d0r

kT

qVexpI d

0

0IkT

qVexpIIII 0

d00kt

04/12/23


Khi chiếu sáng bằng luồng ánh sáng 0 Ip.

Khi V đủ lớn:

N

P

h

+

Ir

Vùng nghèo

+

x

Hiệu ứng quang điện khi chiếu sáng

Vp0d

0r IIkT

qVexpII

pp0r IIII

Xexphc

R1qI 0p

Ip: dòng quang điện

04/12/23


Chế độ quang dẫn:

Phương trình mạch điện:

Tín hiệu ra: đường thẳng tải .Dòng ngược:

Cảm biến làm việc ở chế độ tuyến tính VR ~ .

Ir

VD

VRRmES

+

0-10-20-30-40

50W

100W

150W

200W

20

40

60

Ir

DR VVE

rmR IRV

ES

m

D

mr R

V

R

EI

04/12/23


Chế độ quang thế: điện áp ngoài V = 0.

Đo thế hở mạch

Khi Ip<< I0: nhỏ nhưng tỉ lệ với .

Khi Ip>> I0: lớn nhưng tỉ lệ với log.

Đo dòng ngắn mạch:

0

POC I

I1log

q

kTV

0

poc I

I.

q

kTV

0

POC I

Ilog

q

kTV

psc II ISC

Rbé

04/12/23


c) Độ nhạy:

S không phụ thuộc thông lượng ánh sáng .

S phụ thuộc vào , với s:

SSmax khi = p

Khi nhiệt độ tăng, p dịch sang phải.

S phụ thuộc hiệu suất lượng tử , hệ số phản xạ R, hệ số hấp thụ α.

hc

XexpR1qI)(S P

p

(S(p ) = 0,1-1,0 A/W)

0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0

(m)0

0,1

0,2

0,3

0,4

S (A/W)

T1 T2

04/12/23


d) Ứng dụng:

ES

Rm

Ir R1

R2

V0

CP1

Rm

ES

R1+R2

R1

V0

R2

Sơ đồ cơ sở Sơ đồ tác động nhanh

+

C2+

+

- Sơ đồ mạch làm việc ở chế độ quang dẫn:

r1

2m0 I

R

R1RV

r210 IRRV

04/12/23


- Sơ đồ làm việc ở chế độ quang thế:

Vco

R1

R2

V0

+

_ISC

R1=Rm

Rm

V0

_

+

Sơ đồ tuyến tính Sơ đồ logarit

scm0 I.RV

oc1

20 V

R

R1V

04/12/23


Chế độ quang dẫn:

+ Độ tuyến tính cao.

+ Thời gian hồi đáp ngắn.

+ Dải thông lớn.

Chế độ quang thế:+ Có thể làm việc ở chế độ tuyến tính hoặc logarit.+ Ít nhiễu.+ Thời gian hồi đáp lớn.+ Dải thông nhỏ.+ Nhạy cảm với nhiệt độ ở chế độ logarit.

04/12/23


c) Ứng dụng:- Chuyển mạch: điều khiển rơ le, cổng logic, ….- Đo ánh sáng không đổi (Chế độ tuyến tính)

04/12/23

2.4. Phototranzito2.4. Phototranzito

a) Cấu tạo và nguyên lý hoạt động:Gồm 3 lớp bán dẫn ghép nối tiếp tạo thành 2 tiếp giáp

E - B và B – C tương tự như một tranzito

Phân cực: chỉ có điện áp đặt lên C, không có điện áp đặt lên B, B – C phân cực ngược.

Sơ đồ mạch điện như hình vẽ

04/12/23


b) Nguyên lý làm việc: Khi đặt điện áp E lên C, điện

áp VBE 0,6 0,7 V, VBC E. Khi chiếu sáng tiếp giáp B – C

các điện tử và lỗ trống phát sinh trong vùng bazơ dưới tác dụng của ánh sáng sẽ bị phân chia dưới tác dụng của điện trường trên chuyển tiếp B – C điện tử bị kéo về C, lỗ trống ở lại trong B tạo ra dòng điện tử từ EBC tạo ra dòng ngược: Ir

= I0 + Ip

E

C

B

+E

Sơ đồ mạch điện

Điện thế

CBE

+-

Sơ đồ tách cặp điện - lỗ trống

04/12/23


E

C

B

Ir

IC

Sơ đồ tương đương

+E

Dòng I0: dòng ngược trong tối.Dòng Ip : dòng ngược do chiếu sáng.

phototranzito tương đương tổ hợp của một photodiot và một tranzito.

0P hc

)Xexp(R1qI

Ir ~ IB Dòng colector IC:

p0rc I1I1I1I

04/12/23


c) Độ nhạy:

Ic Ip và Ic

S độ nhạy phụ thuộc thông lượng ánh sáng.

Độ nhạy phụ thuộc

(hình vẽ)

S(p) = 1 100A/W

0

cI)(S

p0rc I1I1I1I S()

S(p)(%)

100

80

60

40

20

0,4 0,6 0,8 1,0

(m)

Đường cong phổ hồi đáp

p

04/12/23


d) Ứng dụng phototranzito:Chuyển mạch: thông tin dạng nhị phân (có hay không có bức xạ, bức xạ nhỏ hơn hoặc lớn hơn ngưỡng) điều khiển rơle, cổng logic hoặc thyristo.

Cho độ khuếch đại lớn có thể dùng ĐK trực tiếp.

+ +

Điều khiển rơle

+

Điều khiển cổng logic

+ +

Điều khiển thyristo

04/12/23


Sử dụng ở chế độ tuyến tính:

+ Trường hợp thứ nhất: đo ánh sáng không đổi (giống luxmet).

+ Trường hợp thứ hai: thu nhận tín hiệu thay đổi (Điều kiện biên độ dao động nhỏ):

Độ tuyến tính kém hơn photodiot.

tt 10

+

Luxmet

t.SItI 10cc

0

04/12/23

2.5.Phototranzito hiệu ứng trường2.5.Phototranzito hiệu ứng trường

a) Cấu tạo và nguyên lý làm việc: Gồm 2 lớp P và N ghép với nhau, lõi là N, vỏ là P, tạo thành một tiếp giáp P-N. Tiếp giáp P-N được phân cực ngược, bên ngoài vùng nghèo là cổng, bên trong vùng nghèo là kênh. Dòng qua kênh phụ thuộc tiết diện kênh điện áp giữa cổng và kênh:

S

G

D

G

P

P

N+ + + + + + + +

+ + + + + + + + - - - - - - -

- - - - - - -

2

P

GSDSD V

V1II

04/12/23


• Khi chiếu sáng, chuyển tiếp P - N hoạt động như một photodiot cho dòng ngược:

I0 - dòng điện trong tối. IP = Sg - dòng quang điện. Sg - độ nhạy của điot cổng-kênh. - thông lượng ánh sáng.

-

G

D

S

+

Sơ đồ mạch

Rg

P0r III

grgGS EIRV gP0gGS EIIRV

04/12/23


c) Đặc điểm và ứng dụng:- Làm việc ổn định- Hệ số khuếch đại cao

Điều khiển điện áp bằng ánh sáng.

04/12/23

3. Cảm biến quang điện phát xạ3. Cảm biến quang điện phát xạ

3.1. Hiệu ứng quang điện phát xạ

Hiệu ứng quang điện phát xạ (hiệu ứng quang điện ngoài) là hiện tượng các điện tử được giải phóng khỏi bề mặt vật liệu và có thể thu lại nhờ tác dụng của điện trường khi chiếu vào chúng một bức xạ ánh sáng có bước sóng thích hợp (nhỏ hơn một ngưỡng nhất định).

04/12/23

3. Cảm biến quang điện phát xạ3. Cảm biến quang điện phát xạ

Cơ chế phát xạ điện tử khi chiếu sáng:- Hấp thụ photon và giải phóng điện tử.- Điện tử được giải phóng di chuyển bề mặt.- Điện tử thoát khỏi bề mặt vật liệu.

Do nhiều nguyên nhân số điện tử phát xạ trung bình khi một photon bị hấp thụ (hiệu suất lượng tử) thường nhỏ hơn 10% và ít khi vượt quá 30%.

04/12/23

3.2. Tế bào quang điện chân không3.2. Tế bào quang điện chân không

a) Cấu tạo:

Catot: có phủ lớp vật liệu nhạy với ánh sáng (Cs3Sb, K2CsSb, Cs2Te, Rb2Te , CsTe …) đặt trong vỏ hình trụ trong suốt (b) hoặc vỏ kim loại có một đầu trong suốt (b) hoặc hộp bên trong được hút chân không (áp suất ~ 10-6 - 10-8 mmHg).

Anot: bằng kim loại.

A

Kc)

A

K

b)

AK

a)

04/12/23


K

A Ia

E

Rm

Ia (A)

Vak (V)

4,75 mW

2,37 mW

0,95 mW

4

3

2

1

0 20 40 60 80 100 120

Sơ đồ tương đương Đặc tính V - A

• Khi chiếu sáng catot (K) các điện tử phát xạ và dưới tác dụng của điện đường do Vak tạo ra tập trung về anot (A) tạo thành dòng anot (Ia).

04/12/23


Đặc tính V - A có hai vùng:- Vùng điện tích không gian.- Vùng bão hòa.

TBQĐ làm việc ở vùng bão hòa tương đương nguồn dòng, cường độ dòng chủ yếu phụ thuộc thông lượng ánh sáng. Điện trở trong của tế bào quang điện rất lớn:

ak

a

dV

dI1

=10 100 mA/W

aISĐộ nhạy:

04/12/23


c) Đặc điểm và ứng dụng:

- Độ nhạy lớn ít phụ thuộc Vak.

- Tính ổn định cao

Chuyển mạch hoặc đo tín hiệu quang.

04/12/23

3.3. Tế bào quang điện dạng khí3.3. Tế bào quang điện dạng khí

a) Cấu tạo và nguyên lý làm việc: cấu tạo tương tự TBQĐ chân không, chỉ khác bên trong được điền đầy bằng khí (acgon) dưới áp suất cỡ 10-1 - 10-2 mmHg.

Ia (A)

Vak (V)

2

1

0 20 40 60 80 100 120

10-2 lm

1,5.10-2 lm

Khi Vak < 20V, đặc tuyến I - V có dạng giống TBQĐ. Khi điện áp cao, điện tử chuyển động với tốc độ lớn ion hoá các nguyên tử khí Ia tăng 5 10 lần.

04/12/23

3.3. Tế bào quang điện dạng khí3.3. Tế bào quang điện dạng khí

c) Đặc điểm và ứng dụng:

- Dòng Ia lớn.

- S phụ thuộc mạnh vào Vak.

Chuyển mạch và đo tín hiệu quang.

6

2

0 20 40 60 80

4

8

Stg.đối

Vak (V)

04/12/23

Chương 2. cam bien do quang

Education

Transcript of Chương 2. cam bien do quang