Lichtsensoren: principe, typen, 5 toepassingen

by

Wat is een lichtsensor?

Een lichtsensor is een foto-elektrisch instrument dat lichtenergie of fotonen (die kunnen variëren van het infrarood- tot ultraviolette spectrum) omzet in een elektrisch (elektronen) signaal. De lichtsensor genereert een elektrisch uitgangssignaal met een energie die overeenkomt met de ingevoerde lichtenergie. Lichtsensoren worden ook wel fotosensoren of foto-elektrische sensoren genoemd. 

Inhoud

Wat is het principe van lichtsensoren?

Het werkingsprincipe van de lichtsensor is gebaseerd op een intern foto-elektrisch effect, dat stelt dat wanneer lichtenergie of fotonen op een metalen oppervlak worden gebombardeerd, dit ervoor kan zorgen dat de vrije elektronen uit het metaal exciteren en eruit springen, wat resulteert in elektronenstroom of elektrische stroom . De hoeveelheid geproduceerde stroom hangt af van de energie van het foton (dwz golflengte van licht). De emissie van elektronen vanaf het metalen oppervlak vindt pas plaats nadat het licht een bepaalde drempelfrequentie heeft bereikt die overeenkomt met de minimale energie die de elektronen nodig hebben om de metaalbindingen te verbreken.

lichtsensor
Vertegenwoordiging van fotonenbombardement resulterend in emissie van elektronen vanaf een metalen oppervlak. Afbeeldingsbron: Afgrond, Foto-elektrisch effect in een solide - diagram, CC BY-SA 4.0

Hoe werkt een lichtsensor?

De lichtsensor bestaat uit een foto-elektrische buis met zeer hoge precisie. Binnen in de foto-elektrische buis is een kleine platte metalen plaat aanwezig die is samengesteld uit "twee naaldvormige buizen". De impact van licht op de uiteinden van de foto-elektrische buis wanneer een omgekeerde vaste druk wordt toegepast, resulteert in het vrijkomen van elektronen of elektrische stroom. Het opwekken van elektrische stroom of de variatie in de elektrische stroom toont de aanwezigheid van lichtenergie aan, dwz het neemt licht waar.

Wat zijn de soorten lichtsensoren?

Lichtsensoren kunnen van verschillende typen zijn. Deze sensoren kunnen energie opwekken in aanwezigheid van licht of verschillende andere elektrische eigenschappen. De meest voorkomende soorten lichtsensoren zijn fotovoltaïsche cellen, fotodiodes, fotoweerstanden en fototransistors.

Fotovoltaïsche cellen:

Fotovoltaïsche cellen volgen, zoals de naam al doet vermoeden, het principe van het fotovoltaïsche effect voor het direct omzetten van lichtenergie in elektrische energie. Deze cellen produceren een elektromotorische kracht die evenredig is met de ontvangen stralingsenergie. De meest populaire single-junction siliciumcellen genereren een maximale nullastspanning van ongeveer 0.5 tot 0.6 volt. Zonnecellen gebruiken selenium als fotovoltaïsch materiaal.

Naast het opwekken en opslaan van elektrische energie, fungeren fotovoltaïsche cellen ook als fotodetectoren. Fotogeleidende cellen en foto-emitterende cellen hebben ook een vergelijkbare functie.

Zonnecel
Een fotovoltaïsche zonnecel van kristallijn silicium. Afbeeldingsbron: onbekende auteur, Zonnecel, gemarkeerd als openbaar domein, meer informatie over Wikimedia Commons

Fotodiodes:

Fotodiode-lichtsensoren zijn diodes die lichtenergie veranderen in een stroom elektronen. Fotodiodes zijn vergelijkbaar met de gewone PN-junctiediodes, maar in plaats van een ondoorzichtige behuizing hebben deze diodes een transparante lens om licht op de PN-junctie te focusseren. Deze diodes zijn gevoeliger voor licht met langere golflengten, dwz licht dat behoort tot het rode en infrarode spectrum dan het zichtbare of ultraviolette spectrum. Silicium en germanium zijn de meest gebruikte materialen in dergelijke diodes. Omdat fotodiodes gevoelig zijn voor infrarood licht, bieden ze veel toepassingen in de geneeskunde.

Fotodio
Fotodiodes bovenaan (germanium), onderste drie (silicium). Afbeeldingsbron: http://Ulfbastel (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Fotodio.jpg), „Fotodio“, https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/legalcode

Foto-weerstanden:

Foto-weerstanden zijn ook bekend als lichtafhankelijke weerstanden of LDR. Fotoweerstanden zijn apparaten die de weerstand variëren op basis van de hoeveelheid lichtenergie die het ontvangt. Hoe lager de lichtintensiteit, hoe hoger de weerstand. Dit komt doordat meer licht (intensiteit) zorgt voor meer doorstroming van elektronen en dus minder weerstand. Cadmiumsulfidecellen (een halfgeleidermateriaal met een hoge weerstand) dat gevoelig is voor infrarood licht, worden meestal gebruikt in fotoweerstanden. Soms worden ook materialen zoals indiumantimonide (InSb), loodselenide (PbSe) en loodsulfide (PbS) gebruikt. Foto-weerstanden doen er aanzienlijk langer over (van ongeveer een paar seconden) om op het belichte licht te reageren.

Foto-transistors:

Foto-transistors kunnen worden aangeduid als fotodiodes met versterking. Fototransistors hebben een in omgekeerde richting voorgespannen PN-overgang op collectorbasis die wordt blootgesteld aan de stralende lichtenergiebron. Foto-transistors zijn veel gevoeliger (ongeveer 50 tot 100 keer) in vergelijking met fotodiodes vanwege versterking. Fototransistors hebben bipolaire NPN-transistors waarbij het basisgebied niet elektrisch is aangesloten. Hier wordt de stralende lichtenergie gefocust op de basisovergang door een transparante lens. Fototransistors worden veel gebruikt in mobiele telefoons en auto's.

Fototransistor Symbool
Een NPN-fototransistorsymbool. afbeeldingsbron: mijzelf, Fototransistor Symbool, CC BY 3.0

Wat zijn de toepassingen van een lichtsensor?

In de loop der jaren zijn lichtsensoren gebruikt voor een verscheidenheid aan toepassingen, zoals:

Zonnepanelen:

Fotovoltaïsche cellen worden vaak gebruikt als zonnecellen voor het opwekken van elektriciteit. Omdat het gebruik van hernieuwbare energiebronnen in de loop der jaren enorm populair is geworden, spelen zonnecellen een uiterst belangrijke rol. Met de uitvinding van zonnecellen is het mogelijk om afgelegen plaatsen van elektrische energie te voorzien.

Consumentenelektronica:

Lichtsensoren worden gebruikt voor het uitvoeren van een breed scala aan functies in smartphones en tablets. De bewegingssensoren en automatische helderheidssensoren die in smartphones aanwezig zijn, gebruiken lichtdetectoren zoals foto-transistors. Afstandsbedieningen die in infrarood licht werken, gebruiken ook fotodiodes voor het uitvoeren van hun functies.

auto's:

Lichtsensoren of lichtdetectoren worden in auto's gebruikt om het omgevingslicht te detecteren. Deze detectoren schakelen automatisch de autolampen in als het donker wordt. Tegenwoordig worden lichtdetectoren ook gebruikt om veilig rijden en parkeren in verschillende automodellen te garanderen.

Beveiligings apparaten:

Lichtsensoren worden vaak gebruikt voor het verwerken van ladingen om te controleren of de dozen goed zijn verzegeld of niet. Verschillende soorten bewegingssensoren gebruiken ook lichtdetectoren die de variatie in de belichting van licht detecteren. Fotodiodes worden ook gebruikt in rookmelders die aanwezig zijn in kantoren, luchthavens, treinen, etc.

Agrarische apparaten:

Met de ontwikkeling in technologie hebben lichtsensoren ook bijgedragen aan de landbouw. Deze sensoren detecteren de hoeveelheid omgevingslicht om het beregeningssysteem te activeren. Lichtsensoren activeren de sproeiers alleen als de intensiteit van het zonlicht minder is om voldoende hydratatie van gewassen te garanderen.

Bezoek voor meer informatie over lichtenergie https://techiescience.com/light-energy-light-energy-examples-and-uses/

Lees ook:

     

Laat een bericht achter