Valoilmaisin: piiri, toiminta, tyypit ja sen sovellukset

Valodetektori on olennainen komponentti optisessa vastaanottimessa, joka muuntaa saapuvan optisen signaalin sähköiseksi signaaliksi. Puolijohdevaloilmaisimia kutsutaan yleensä valodiodeiksi, koska nämä ovat pääasiallisia optisissa valonilmaisimissa käytettyjä tyyppejä. viestintäjärjestelmät nopean tunnistusnopeuden, korkean tunnistustehokkuuden ja pienen koon ansiosta. Tällä hetkellä valoilmaisimia käytetään laajalti teollisuuselektroniikassa, sähköisessä viestinnässä, lääketieteessä ja terveydenhuollossa, analyyttisissä laitteissa, autoteollisuudessa ja liikenteessä ja monessa muussa. Näitä kutsutaan myös valoantureiksi ja valoantureiksi. Joten tässä artikkelissa käsitellään yleiskatsausta a valonilmaisin – sovellusten parissa työskenteleminen.

Mikä on Photodetector?

Valodetektorin määritelmä on; optoelektroninen laite, jota käytetään havaitsemaan tuleva valo tai optinen teho muuttamaan se sähköiseksi signaaliksi, tunnetaan valoilmaisimena. Yleensä tämä o/p-signaali on verrannollinen tulevaan optiseen tehoon. Näitä antureita tarvitaan ehdottomasti erilaisiin tieteellisiin toteutuksiin, kuten prosessinhallintaan, valokuituviestintäjärjestelmiin, turvallisuuteen, ympäristöanturiin ja myös puolustussovelluksiin. Esimerkkejä valoilmaisimista ovat fototransistorit ja valodiodit .

Kuinka Photodetector toimii?

Valodetektori yksinkertaisesti toimii havaitsemalla valoa tai muuta sähkömagneettista säteilyä tai laitteet voivat vastaanottaa lähetetyt optiset signaalit. Valoilmaisimet, jotka käyttävät puolijohteet toimivat elektroni-reikä-parin luomisessa valosäteilytysperiaatteella.

Kun puolijohdemateriaali on valaistu fotonien läpi, joilla on korkea tai vastaava energia kuin sen kaistaväli, absorboituneet fotonit rohkaisevat valenssikaistan elektroneja siirtymään johtavuuskaistalle, jolloin valenssikaistan sisään jää aukkoja. Johtavuuskaistalla olevat elektronit toimivat vapaina elektroneina (reikinä), jotka voivat hajota sisäisen tai ulkoisesti käytetyn sähkökentän voiman alaisena.

Optisen absorption vuoksi valon tuottamat elektronireikä-parit voivat yhdistyä ja lähettää uudelleen valoa, ellei niille kohdisteta sähkökenttävälitteistä erotusta valovirran lisäämiseksi, mikä on murto-osa valon synnyttämistä vapaista varauksenkuljettajista, jotka vastaanotetaan valoilmaisinjärjestelyn elektrodit. Valovirran voimakkuus tietyllä aallonpituudella on suoraan verrannollinen tulevan valon intensiteettiin.

Ominaisuudet

Valodetektorien ominaisuuksia käsitellään alla.

Spektrivaste - Se on valodetektorin vaste fotonitaajuusfunktiona.

Kvanttitehokkuus - Kullekin fotonille syntyneiden varauksenkuljettajien lukumäärä

Responsiivisuus – Se on ulostulovirta, joka erotetaan ilmaisimeen putoavan valon kokonaisteholla.

Melua vastaava teho - Se on tarvittava määrä valotehoa signaalin tuottamiseen, joka vastaa kooltaan laitteen kohinaa.

Etsivä - Ilmaisimen pinta-alan neliöjuuri, joka erotetaan kohinaekvivalenttiteholla.

Saada - Se on valokuvailmaisimen lähtövirta, joka jaetaan ilmaisimiin tulevien fotonien suoraan tuottamalla virralla.

Pimeä Virta- Virran kulku ilmaisimen läpi jopa valon puutteessa.

Vasteaika - Se on aika, joka tarvitaan ilmaisimen saavuttaakseen 10–90 % lopullisesta tehosta.

Kohinaspektri - Sisäisen kohinan virta tai jännite on taajuuden funktio, joka voidaan ilmaista kohinan spektritiheyden muodossa.

Epälineaarisuus - Valokuvailmaisimen epälineaarisuus rajoittaa RF-lähtöä.

Valodetektorityypit

Valodetektorit luokitellaan valon havaitsemismekanismin perusteella, kuten valosähköinen tai fotoemission vaikutus, polarisaatiovaikutus, lämpövaikutus, heikko vuorovaikutus tai fotokemiallinen vaikutus. Erityyppisiä valoilmaisimia ovat pääasiassa valodiodi, MSM-valoilmaisin, valotransistori, valonjohtava ilmaisin, valoputket ja valomonistimet.

Valodiodit

Nämä ovat puolijohdelaitteita, joissa on PIN- tai PN-liitosrakenne, jossa valo absorboituu tyhjennysalueella ja tuottaa valovirran. Nämä laitteet ovat nopeita, erittäin lineaarisia, erittäin kompakteja ja tuottavat korkean kvanttihyötysuhteen, mikä tarkoittaa, että ne synnyttävät lähes yhden elektronin jokaista tulevaa fotonia kohden ja suuren dynaamisen alueen. Katso tästä linkistä lisätietoja Valodiodit .

MSM-valoilmaisimet

MSM-valotunnistimia (Metal-semiconductor-metal) on kaksi Schottky kontakteja a. sijaan PN-liitos . Nämä ilmaisimet ovat mahdollisesti nopeampia verrattuna valodiodeihin, joiden kaistanleveys on jopa satoja GHz. MSM-ilmaisimet mahdollistavat erittäin suuren alueen ilmaisimien helpon kytkemisen optisiin kuituihin ilman kaistanleveyden heikkenemistä.

Valotransistori

Valotransistori on yksi valodiodityyppi, joka käyttää valovirran sisäistä vahvistusta. Mutta näitä ei käytetä usein valodiodeihin verrattuna. Niitä käytetään pääasiassa valosignaalien havaitsemiseen ja niiden muuttamiseen digitaalisiksi sähköisiksi signaaleiksi. Näitä komponentteja käytetään yksinkertaisesti valolla eikä sähkövirralla. Fototransistorit ovat edullisia ja tarjoavat suuren määrän vahvistusta, joten niitä käytetään erilaisissa sovelluksissa. Katso tästä linkistä lisätietoja valotransistorit .

Valojohtavat ilmaisimet

Valojohtavat ilmaisimet tunnetaan myös nimellä valovastukset, valokennot ja valosta riippuvat vastukset . Nämä ilmaisimet on valmistettu tietyistä puolijohteista, kuten CdS (kadmiumsulfidi). Joten tämä ilmaisin sisältää puolijohdemateriaalin, jossa on kaksi yhdistettyä metallielektrodia vastuksen havaitsemiseksi. Valodiodeihin verrattuna nämä eivät ole kalliita, mutta ne ovat melko hitaita, eivät kovin herkkiä ja niillä on epälineaarinen vaste. Vaihtoehtoisesti ne voivat reagoida pitkäaaltoiseen IR-valoon. Valojohtavat ilmaisimet jaetaan eri tyyppeihin spektrivasteiden toiminnan perusteella, kuten näkyvä aallonpituusalue, lähi-infrapuna-aallonpituusalue ja IR-aallonpituusalue.

Phototubes

Kaasulla täytetyt putket tai tyhjiöputket, joita käytetään valodetektoreina, tunnetaan fotoputkina. Valoputki on a fotoemissiivinen ilmaisin joka käyttää ulkoista valosähköistä tehostetta tai fotoemissiivistä vaikutusta. Nämä putket tyhjennetään usein tai ne täytetään joskus kaasulla alhaisessa paineessa.

Valokuvan monistin

Valomonistin on erään tyyppinen valoputki, joka muuttaa saapuvat fotonit sähköisiksi signaaliksi. Nämä ilmaisimet käyttävät elektronien moninkertaistamisprosessia saadakseen paljon paremman herkkyyden. Heillä on suuri aktiivinen alue ja suuri nopeus. Saatavilla on erilaisia ​​valomonistintyyppejä, kuten valomonistinputki, magneettinen valomonistin, sähköstaattinen valomonistin ja piivalomonistin.

Valoilmaisimen piirikaavio

Alla on esitetty valoanturipiiri, jossa käytetään valoilmaisinta. Tässä piirissä valodiodia käytetään valodetektorina valon olemassaolon tai puuttumisen havaitsemiseen. Tämän anturin herkkyyttä voidaan yksinkertaisesti säätää käyttämällä esiasetusta.

Tämän valoanturipiirin tarvittavia komponentteja ovat pääasiassa valodiodi, LED, LM339 IC , vastus, esiasetus jne. Kytke piiri alla olevan piirikaavion mukaisesti.

Työskentely

Valodiodia käytetään valotunnistimena tuottamaan virtaa piirissä, kun valo osuu siihen. Tässä piirissä valodiodia käytetään käänteisessä bias-tilassa R1-vastuksen kautta. Joten tämä R1-vastus ei salli liikaa virran syöttämistä koko fotodiodille, jos valodiodin päälle putoaa valtava määrä valoa.

Kun valodiodin päälle ei osu valoa, se johtaa korkeaan potentiaaliin LM339-vertailijan nastassa 6 (invertoiva tulo). Kun valo putoaa tähän diodiin, se antaa virran syöttää koko diodin ja siten jännite putoaa sen yli. Komparaattorin nasta 7 (ei-invertoiva tulo) on kytketty VR2:een (muuttuva vastus) komparaattorin referenssijännitteen asettamiseksi.

Tässä komparaattori toimii, kun vertailijan ei-invertoiva tulo on korkea verrattuna invertoivaan tuloon, jolloin sen lähtö pysyy korkeana. Joten IC:n lähtönasta, kuten pin-1, on kytketty valoa emittoivaan diodiin. Tässä referenssijännite asetetaan VR1-esiasetuksen läpi vastaamaan kynnysvalaistusta. Ulostulossa LED syttyy, kun valo osuu valodiodin päälle. Joten invertoiva tulo putoaa pienempään arvoon verrattuna ei-invertoivaan tuloon asetettuun viitearvoon. Joten lähtö syöttää tarvittavan eteenpäin-esijännityksen valodiodille.

Valodetektori vs valodiodi

Valodetektorin ja valodiodin välinen ero on seuraava.

Valodetektorin kvanttitehokkuus

Valodetektorin kvanttihyötysuhde voidaan määritellä ilmaisimen terminaaliin kerättyjen valojohtimen kautta syntyneisiin elektroneihin absorboituneiden fotonien murto-osa.

Kvanttihyötysuhde voidaan merkitä 'η'

Kvanttitehokkuus (η) = Syntyneet elektronit / kohtaavien fotonien kokonaismäärä

Täten,

η = (virta/elektronin varaus)/(tulevan fotonin optinen kokonaisteho/fotonienergia)

Joten matemaattisesti siitä tulee sellainen

η = (Iph/e)/(PD/hc/λ)

Hyödyt ja haitat

Valodetektorin etuja ovat seuraavat.

• Valoilmaisimet ovat kooltaan pieniä.
• Sen tunnistusnopeus on nopea.
• Sen tunnistustehokkuus on korkea.
• Ne tuottavat vähemmän melua.
• Nämä eivät ole kalliita, kompakteja ja kevyitä.
• Niillä on pitkä käyttöikä.
• Niillä on korkea kvanttitehokkuus.
• Se ei vaadi korkeaa jännitettä.

The valotunnistimen haitat Sisällytä seuraavat.

• Niillä on erittäin alhainen herkkyys.
• Heillä ei ole sisäistä hyötyä.
• Vastausaika on erittäin hidas.
• Tämän ilmaisimen aktiivinen alue on pieni.
• Virran muutos on erittäin pieni, joten se ei välttämättä riitä ohjaamaan piiriä.
• Se vaatii offset-jännitteen.

Valoilmaisimien sovellukset

Valodetektorin sovelluksia ovat seuraavat.

• Valotunnistimia käytetään erilaisissa sovelluksissa, jotka vaihtelevat supermarkettien automaattiovista television kaukosäätimiin kotonasi.
• Nämä ovat olennaisia ​​merkittäviä komponentteja, joita käytetään optisessa viestinnässä, turvallisuudesta, pimeänäössä, videokuvauksessa, biolääketieteellisessä kuvantamisessa, liiketunnistuksessa ja kaasuntunnistuksessa ja jotka pystyvät muuttamaan valon tarkasti sähköisiksi signaaleiksi.
• Niitä käytetään optisen tehon ja valovirran mittaamiseen
• Näitä käytetään pääasiassa erilaisissa mikroskooppien ja optisten antureiden malleissa.
• Nämä ovat tärkeitä laseretäisyysmittajille.
• Näitä käytetään yleensä taajuusmetrologiassa, valokuituviestinnässä jne.
• Fotometrian ja radiometrian valoilmaisimia käytetään mittaamaan erilaisia ​​ominaisuuksia, kuten optista tehoa, optista intensiteettiä, säteilyä ja valovirtaa.
• Niitä käytetään optisen tehon mittaamiseen spektrometreissä, optisissa tiedontallennuslaitteissa, valoesteissä, säteen profiloinnissa, fluoresenssimikroskoopeissa, autokorrelaattoreissa, interferometreissä ja erilaisissa optisissa antureissa.
• Näitä käytetään LIDAR-, laseretäisyysmittareissa, yönäkölaitteissa ja kvanttioptisissa kokeissa.
• Nämä soveltuvat optiseen taajuusmetrologiaan, valokuituviestintään ja myös laserkohinan tai pulssilaserien luokitukseen.
• Kaksiulotteisia ryhmiä, joissa on useita identtisiä valoilmaisimia, käytetään pääasiassa polttotasoryhminä ja usein kuvantamissovelluksissa.

Mihin valoilmaisinta käytetään?

Valonilmaisimia käytetään valon fotonienergian muuntamiseen sähkösignaaliksi.

Mitkä ovat valotunnistimen ominaisuudet?

Valodetektorien ominaisuuksia ovat valoherkkyys, spektrivaste, kvanttitehokkuus, eteenpäin suuntautuva kohina, tumma virta, kohinaekvivalenttiteho, ajoitusvaste, päätekapasitanssi, katkaisutaajuus ja taajuuden kaistanleveys.

Mitkä ovat valotunnistimen vaatimukset?

Valonilmaisimien vaatimukset ovat; lyhyet vasteajat, pienin meluvaikutus, luotettavuus, korkea herkkyys, lineaarinen vaste laajalla valovoimakkuusalueella, alhainen esijännite, alhaiset kustannukset ja suorituskykyominaisuuksien vakaus.

Mitä optisten ilmaisimien määrittelyssä käytetään?

Kohinaekvivalenttitehoa käytetään optisten ilmaisimien määrittelyssä, koska se on optinen tuloteho, joka tuottaa ylimääräisen lähtötehon, joka on yhtä suuri kuin kohinateho tietyllä kaistanleveydellä.

Ovatko kvanttituotto ja kvanttitehokkuus samat?

Kvanttisaanto ja kvanttitehokkuus eivät ole samat, koska todennäköisyys, että fotoni emittoi yhden fotonin absorboitumisen jälkeen, on kvanttituotto, kun taas kvanttitehokkuus on todennäköisyys, että fotoni emittoituu, kun järjestelmä on energisoitu emittoivaan tilaan.

Näin ollen tämä on yleiskuvaus valoilmaisimesta – sovellusten parissa työskenteleminen. Nämä laitteet perustuvat sisäiseen ja ulkoiseen valosähköiseen efektiin, joten niitä käytetään pääasiassa valon havaitsemiseen. Tässä on sinulle kysymys, mitkä ovat optiset ilmaisimet ?