Skip to main content

Işık Sensörleri Nedir ? | Elektronik Giriş Çıkış Cihazları

IŞIK SENSÖRLERİ NEDİR ? 

Işık sensörleri nedir ? Işık sensörleri nerelerde ve nasıl kullanılır ? Fotodiyot , fototransistör , fotobirleşim,ldr,fototristör vb. cihazlar ve kullanımları nasıldır ? Bu ve benzeri sorulara yanıt aradığımız Işık Sensörleri Nedir adlı yazımızla karşınızdayız.

Başlayalım.

IŞIK SENSÖRLERİ

Bir Işık Sensörü, temelde “ışık” olarak adlandırılan ve “Kızılötesi” ->  “Görünür” ve “Ultraviyole” ışık spektrumu frekans aralığında değişen radyan enerjiyi ölçerek ışığın yoğunluğunu gösteren bir çıkış sinyali üretir.

Işık sensörü ise, bu “ışık enerjisini” görünür veya spektrumun kızılötesi kısımlarında elektrik sinyali olarak dönüştüren pasif bir cihazdır.

Işık sensörleri daha çok “Fotoelektrik Aygıtlar” veya “Foto Sensörleri” olarak bilinir, çünkü ışık enerjisini (fotonları) elektriğe (elektronlara) dönüştürür.

Fotoelektrik cihazlar, Foto-voltaik veya Foto-yayıcı vb. gibi , aydınlatıldığında elektrik üreten ve Foto-direnç veya Foto-iletken gibi elektriksel özelliklerini değiştiren iki ana kategoride gösterilebilir.

Bu durumda  aşağıdaki gibi sınıflar  ortaya çıkmaktadır ;

  • Foto-yayıcı hücreler – Bunlar, yeterli enerjiye sahip bir fotonun çarpması durumunda sezyum gibi ışığa duyarlı bir malzemeden serbest elektronları serbest bırakan foto-cihazlardır.

Fotonların sahip olduğu enerji miktarı ışığın frekansına bağlıdır ve frekans ne kadar yüksek olursa, fotonlar ışık enerjisini elektrik enerjisine dönüştüren enerji o kadar fazladır.

  • Foto-iletken hücreler – Bu foto-cihazları ışığa maruz kaldıklarında elektriksel olarak direnç değerlerini değiştirirler.

Foto iletkenlik, içinden geçen akımı kontrol eden yarı iletken bir malzemeye çarpan ışıktan kaynaklanır.Bu nedenle, daha fazla ışık, uygulanan bir voltaj değeri için akımı arttırır.

En yaygın kullanılan foto iletken materyal, LDR fotosellerinde kullanılan Kadmiyum Sülfittir.

  • Foto-voltaik Hücreler – Bu foto cihazları, alınan ışığa oranla bir emf üretir ve foto-iletkenlik bakımından benzerdir.

Işık enerjisi, yaklaşık 0,5V’luk bir voltaj oluşturarak bir araya getirilmiş iki yarı iletken malzemeye düşer.

Foto-voltaik maddenin en yaygın materyali güneş hücrelerinde kullanılan Selenyum’dur.
• Foto-birleşim cihazları – Bu foto-cihazları çoğunlukla, PN-birleşiminde elektron akışını kontrol etmek için ışık kullanan fotodiyot veya fototransistör gibi gerçek yarı iletken cihazlardır.

Foto-birleşim cihazları, dedektör uygulaması ve ya gelen ışığın dalga boyuna ayarlanmış spektral tepkisi gibi uygulamalarda ışık geçirimi için özel olarak tasarlanmıştır.

Foto-iletken Hücre

Foto-iletken ışık sensörü elektrik üretmez, ancak ışık enerjisine maruz kaldığında fiziksel özelliklerini değiştirir.En yaygın kullanılan foto iletken aygıt türü, ışık yoğunluğundaki değişikliklere yanıt olarak elektrik direncini değiştiren Fotorezistördür.

Fotorezistörler, elektronların akışını kontrol etmek için ışık enerjisi kullanan yarı-iletken cihazlardır ve dolayısıyla bunların içerisinden bir akım akışı meydana gelmektedir.

Yaygın olarak kullanılan Foto-iletken hücre örneği, Işık Duyarlı Direnç veya LDR olarak adlandırılır.

ışık sensörleri nedir

Işık Duyarlı Direnç

Adından da anlaşılacağı gibi, Işık Duyarlı Direnç (LDR), karanlıkta birkaç bin Ohm’dan, elektrik direnci oluşturabiliyorken, ışık azaldığında birkaç yüz Ohm’a kadar elektrik direncini değiştiren, kadmiyum sülfit gibi açıkta bulunan yarı iletken bir malzemeden yapılmıştır.

Çalışmasına bakacak olursak , aydınlatmada bir artışa karşılık olarak direncini azaltan iletkenliğindeki bir değişimdir.

Ayrıca, foto-dirençli hücreler ışık yoğunluğundaki bir değişime cevap vermek için birkaç saniye gerektiren ‘uzun’ bir tepki süresine sahiptir.

Yarı iletken ve substrat olarak kullanılan malzemeler arasında en yaygın olarak kullanılanlar ;  tüm foto-dirençli ışık sensörlerinde kullanılan, Kadmiyum Sülfür (Cds) ; kızılötesi aralıktaki ışığı algılayan kurşun sülfit (PbS), kurşun selenit (PbSe), indiyum antimonid (InSb) vb.

Foto iletken hücrelerin üretiminde kadmiyum sülfit kullanılır, çünkü spektral tepki eğrisi insan gözününkine çok yakındır ve hatta ışık kaynağı olarak basit bir el feneri kullanılarak kontrol edilebilir.

Tipik olarak, görünür spektral ise yaklaşık 560nm ila 600nm aralıkta hassasiyet dalga boyuna (λp) sahiptir.

Işık Duyarlı Direnç Hücresi
En yaygın kullanılan foto-dirençli ışık sensörü, ORP12 Kadmiyum Sülfür fotoiletken hücredir. Bu ışığa bağlı direnç, ışığın sarı ila turuncu bölgelerinde yaklaşık 610 nm’lik bir spektral tepkiye sahiptir.

Işık almadığında ise hücrenin direnci (karanlık direnç), yaklaşık 10MΩ’da çok yüksektir;ki bu hücre, tam olarak aydınlatıldığında (ışık direnci) yaklaşık 100Ω’a düşer.

Karanlık direncini artırmak ve bu nedenle karanlık akımı azaltmak için, dirençli yol -> seramik substrat üzerinde zikzak deseni oluşturur.

CdS fotosel, örnek olarak  sokak ışıklarını açmak ya da kapamak gibi veya fotografik pozlama ölçer tipi uygulamalar için otomatik karartma da, karanlık veya alacakaranlık saptamada kullanılan çok düşük maliyetli bir cihazdır.

Tek bir DC besleme voltajı boyunca standart dirençle ,seri bağlı bir ışığa bağlı rezistörün bağlanması büyük bir avantaja sahiptir ki farklı ışık seviyeleri için birleşme noktalarında farklı bir voltaj görünecektir.

Seri direnç, R2 boyunca voltaj düşüşü miktarı, ışığa bağlı direnç Rldr’nin direnç değeri ile belirlenir.

Farklı voltajlar üretme özelliği, “Potansiyel Bölücü” veya “Voltaj Bölücü Ağı” denilen çok kullanışlı bir devre üretir.Bildiğimiz gibi, bir seri devre boyunca akım ortaktır ve LDR, ışık yoğunluğundan dolayı direnç değerini değiştirdiğinden, Vout’da mevcut olan voltaj, voltaj bölücü formülüyle belirlenir.

Bir LDR’nin direnci olan Rldr, güneş ışığında yaklaşık 100Ω, mutlak karanlıkta 10MΩ üstüne kadar değişebilir ki bu direnç değişimi, resimde de gösterildiği gibi Vout’da voltaj değişmesine dönüştürülebilir.

Bir Işık Duyarlı Direncin basit bir kullanımı, resimde gösterildiği gibi ışığa duyarlı bir anahtardır.

Bu temel ışık sensörü devresi, bir röle çıkış ışığı anahtarı aktifleştirmektedir.Fotorezistör, LDR ve rezistör R1 arasında potansiyel bir bölücü devre oluşur.

Işık, karanlık bir ortam için düşünecek olursak , karanlık olmadığı zaman, LDR’nin direnci Megaohms (MΩ) aralığında çok yüksektir, bu nedenle TR1 transistörüne sıfır base bias uygulanır ve rölenin enerjisi kesilir veya “KAPALI” olur.

Işık seviyesi arttıkça, LDR’nin direnci azalmaya başlar ve V1’deki base bias geriliminin yükselmesine neden olur.Direnç R1 ile oluşturulan potansiyel bölücü ağ tarafından belirlenen bir noktada,ana base bias voltajı, transistörü TR1 “Açık” duruma getirecek ve dolayısıyla bazı harici devreleri kontrol etmek için kullanılan röleyi çalıştıracak kadar yüksektir.

Işık seviyesi tekrar karanlığa düştüğü zaman, LDR’nin direnci artar, transistörün base voltajının düşmesine neden olur ve potansiyel bölücü ağ tarafından tekrar belirlenen sabit bir ışık seviyesinde transistörü ve röleyi “KAPALI” konuma getirir.

ışık sensörleri nasıl çalışır

Işık Seviyesi Algılama Devresi

Bu temel karanlık algılama devresinde, ışığa bağlı direnç LDR1 ve potansiyometre VR1, aynı zamanda yaygın olarak bir Wheatstone köprüsü olarak da bilinen basit bir direnç köprüsü ağının ayarlanabilir bir kolunu oluştururken, iki sabit direnç R1 ve R2 diğer kolu oluşturur.

Köprünün her iki tarafı, V1 ve V2 çıkışları, sırasıyla işlemsel yükselticinin çevirici ve çevirici olmayan gerilim girişlerine bağlı olan besleme gerilimi boyunca potansiyel bölücü ağlar oluşturur.

İşlemsel yükselteç, çıkış gerilimi durumu iki giriş sinyali veya gerilimi V1 ve V2 arasındaki fark tarafından belirlenen geri beslemeli bir gerilim karşılaştırıcısı olarak da bilinen bir Diferansiyel Yükselteç olarak yapılandırılmıştır.

Rezistör kombinasyonu R1 ve R2, V2 girişinde iki rezistörün oranı ile belirlenen sabit bir voltaj referansı oluşturur.

LDR – VR1 kombinasyonu, fotorezistör tarafından tespit edilen ışık seviyesine orantılı değişken bir V1 voltaj girişi sağlar.Önceki devrede olduğu gibi, işlemsel yükselticiden çıkan çıkış, serbest diyot olan D1 tarafından korunan bir röleyi kontrol etmek için kullanılır.

LDR tarafından algılanan ışık seviyesi ve çıkış voltajı V2’de ayarlanan referans voltajın altına düştüğünde, op-amp’tan çıkan çıkış, röleyi aktif hale getiren ve bağlı yükü değiştiren durumu değiştirir.

Işık seviyesi arttıkça, çıkış -> röleyi “KAPALI” konuma getirerek geri dönecektir.

İki anahtarlama noktasının histeresizi, geri besleme direnci Rf tarafından ayarlanır, amplifikatörden herhangi bir uygun voltaj kazancını sağlayacak şekilde seçilebilir.

Bu tip ışık sensörü devresinin çalışması, ışık seviyesi referans voltaj seviyesini aştığında ve bunun tersi olduğunda, ışık sensörü LDR ve potansiyometre VR1 konumlarını tersine çevirerek röleyi “AÇIK” duruma getirmek için ters çevrilebilir.

Potansiyometre, diferansiyel amplifikatörün anahtarlama noktasını herhangi bir belirli ışık seviyesine “önceden ayarlamak” için basit bir ışık sensörü proje devresi olarak idealdir.

Foto-birleşim Cihazlar

Foto-birleşim cihazlar temel olarak ışığa duyarlı ve hem görünür ışık hem de kızılötesi ışık seviyelerini algılayan silikon yarı iletken PN-bağlantılarından yapılan algılayıcılar veya algılayıcılardır.

Foto-birleşim cihazlar özellikle ışığı algılamak için üretilmiştir ve bu fotoelektrik ışık sensörleri sınıfı Fotodiyot ve Fototransistör’ü içermektedir.

Fotodiyot

Fotodiyot ışık sensörünün yapısı, diyotların dış muhafazasının saydam olması veya ışığı artan hassasiyet için PN bağlantısına odaklamak için şeffaf bir merceğe sahip olması dışında, standart bir PN-birleşim diyotuna benzer.

Bağlantı, ışığa, görünür ışıktan ziyade, kırmızı ve kızıl-kırmızı gibi daha uzun dalga boylarında cevap verecektir.

Bu özellik, 1N4148 sinyal diyotu gibi saydam veya cam gövdeli diyotlar için bir problem olabilir.

LED’ler, aynı zamanda birleşimlerinden ışık yayan ve tespit edebilen fotodiyotlar olarak da kullanılabilir.

Tüm PN-birleşimler ışığa duyarlıdır ve fotodiyotun PN-birleşimi her zaman “Ters Eğimli” olan, sadece diyotların kaçak veya karanlık akımın akabilmesi için “Ters Eğimli” modda kullanılabilir.

Bir fotodiyotun birleşiminde ışıksız (karanlık mod) mevcut voltaj karakteristiği (I/V eğrileri) normal sinyale veya doğrultucu diyotlara çok benzer.

Fotodiyot ileri doğru bastırıldığında, akımda normal diyotta olduğu gibi üssel bir artış olur. Ters bias uygulandığında, bağlantının hassas kısmı olan tükenme bölgesinin artmasına neden olan küçük bir ters doygunluk akımı belirir.

Fotodiyotlar ayrıca bir bağlantı boyunca sabit bir bias voltajı kullanılarak bir akım modunda da bağlanabilir.Geçerli mod, geniş bir aralıkta çok doğrusaldır.

Fotodiyot Yapısı ve Özellikleri
Bir ışık sensörü olarak kullanıldığında, fotodiyot karanlık akımı (0 lux) geranyum için yaklaşık 10uA ve silikon tipi diyotlar için 1uA’dır.

Işık birleşim noktasına düştüğünde daha fazla boşluk/elektron çifti oluşur ve kaçak akım artar.

Bu kaçak akım, bağlantının aydınlatması arttıkça artar.Bu nedenle, fotodiyot akımı, PN-birleşimine düşen ışık yoğunluğuyla doğrudan orantılıdır.

Işık sensörleri olarak kullanıldığında fotodiyotların bir ana avantajı, ışık seviyelerindeki değişikliklere hızlı tepki vermeleridir, ancak bu tür foto-cihazların bir dezavantajı da tamamen yanarken bile nispeten küçük akım akışıdır.

Resimdeki devre, yükseltici cihaz olarak bir işlemsel yükselteç(Op-amp) kullanan bir foto-akım-gerilim dönüştürücü devresini göstermektedir.

Çıkış voltajı (Vout) (Vout = IP * Rƒ) olarak verilir ve fotodiyotun ışık yoğunluğu özellikleri ile orantılıdır.

Bu devre türü, foto-diyotu yanlılık olmadan çalıştırmak için yaklaşık sıfır voltajda iki giriş terminali olan bir işlemsel yükselticinin özelliklerini de kullanır.

Bu sıfır-bias op-amp konfigürasyonu, foto-diyot için yüksek empedans yükü verir, bu da karanlık akım tarafından daha az etki sağlar ve ışık akımının yoğunluğuna göre fotoakımın daha geniş bir lineer aralığıdır.

Kondansatör Cf, salınımı önlemek veya pik elde etmek ve çıkış bant genişliğini (1/2πRC) ayarlamak için kullanılır.

Foto-diyotlu Amplifikatör Devresi
Foto-diyotlar, akım akışını nanosaniyede “Açık” ve “Kapalı” olarak döndürebilen çok yönlü ışık sensörleridir ve kameralarda, ışık sayaçlarında, CD ve DVD-ROM sürücülerinde, TV uzaktan kumandalarında, tarayıcılarda, faks makinelerinde ve fotokopi makinelerinde vb. ve işlemsel yükselteç devrelerine entegre edildiğinde  fiber optik haberleşme, hırsız alarmı hareket algılama devreleri ve sayısız görüntüleme, lazer tarama ve konumlandırma sistemleri vb. için kızılötesi spektrum dedektörleri olarak kullanılırlar.

Fototransistör

Foto-diyot için alternatif bir foto-birleşim cihazı, temel olarak amplifikasyonlu bir foto-diyot olan Fototransistördür.

Foto-transistör ışık sensörü, ışık yayan ışık kaynağına maruz bırakan kolektör-base PN-birleşimli ve ters eğimlidir.

Foto-transistörler, akım kazanımı sağlayabilmeleri ve akımları olan foto-diyottan çok daha hassas olmaları haricinde, foto-diyotlarla aynı şekilde çalışırlar ve akımların standart foto-diyotlarınkinden 50 ila 100 kat daha büyük olmaları ve kolektör ve taban arasına bir fotodiyot bağlanması ile normal transistörlerin kolayca foto-transistör ışık sensörüne dönüştürülmeleri mümkündür.

Foto-transistörler, esas olarak elektriksel olarak bağlı olmayan büyük base bölgesi ile bipolar bir NPN transistörden oluşur, ancak bazı foto-transistörler hassasiyeti kontrol etmek için bir base bağlantısına izin verir ve bunun sonucunda bir kollektör akımının akmasına neden olan bir base akım üretmek için ışık fotonları kullanır.

Foto-transistörlerin çoğu, dış kılıfı saydam olan veya ışığı artan hassasiyet için taban bağlantısına odaklamak için şeffaf bir mercek içeren NPN tipleridir.

Foto-transistör Yapısı ve Özellikleri

NPN transistöründe, kolektör, emitere göre pozitif olarak bastırılır, böylece base/kolektör birleşim ters bias olmuş olur.

Bu nedenle, birleşimde ışık olmadığında normal sızıntı veya çok küçük olan karanlık akım akar.

Base’e ışık düştüğünde bu bölgede daha fazla elektron/boşluk çifti oluşur ve bu işlem tarafından üretilen akım transistör tarafından büyütülür.

Genellikle bir foto-transistörün hassasiyeti, transistörün DC akım kazancının bir fonksiyonudur.

Bu nedenle, genel hassasiyet, kollektör akımının bir fonksiyonudur ve base ile emiter arasında bir direnç bağlanarak kontrol edilebilir, ancak çok yüksek hassasiyetli optokuplör tipi uygulamalar için, Darlington foto-transistörleri genel olarak kullanılır.

Foto-darlington transistörleri, ek amplifikasyon sağlamak için düşük ışık seviyeleri veya seçici hassasiyet nedeniyle bir foto algılayıcının daha yüksek hassasiyetine ihtiyaç duyulduğunda ikinci bir bipolar NPN transistörü kullanır, ancak bunun sonucu, sıradan bir NPN foto-transistöründen daha düşüktür.

Foto-darlington cihazları, emiter çıkışı daha büyük bir bipolar NPN transistörünün base’ine bağlı normal bir foto-transistörden oluşur.

Bir darlington transistör konfigürasyonu, iki ayrı transistörün mevcut kazanımlarının bir sonucuna eşit bir akım kazancı sağladığından, bir foto-darlington cihazı çok hassas bir detektör üretmektedir.

Foto-transistörlerin ışık sensörlerinin tipik uygulamaları opto-izolatörler, oluklu opto anahtarlar, ışık demeti sensörleri, fiber optikler ve TV tipi uzaktan kumandalar, vb. içerisindedir.

Bahsedilmeye değer başka bir foto-birleşim yarı iletken ışık sensörü tipi foto-tristördür.

AC uygulamalarda ışıkla çalışan bir anahtar olarak kullanılabilecek, ışıkla çalışan bir tristör veya Silikon Kontrollü Doğrultucu, SCR’dir.

Bununla birlikte, duyarlılıkları genellikle eşdeğer foto-diyotlara veya foto-transistörlere nazaran çok düşüktür.

Işığa duyarlılıklarını arttırmaya yardımcı olmak için, foto-tristörler geçit birleşimi çevresinde inceltilir.

Bu işlemin dezavantajı, değiştirebilecekleri anot akımı miktarını sınırlamasıdır.Daha sonra, daha yüksek akım AC uygulamaları için daha büyük daha geleneksel tristörleri değiştirmek için opto-kuplörlerde ana cihaz olarak kullanılırlar.

ışık sensörleri hakkında bilgi

Foto-voltaik Hücreler.

En yaygın fotovoltaik ışık sensörü tipi Solar Hücredir.

Güneş pilleri, ışık enerjisini, ışık, akü veya motor gibi dirençli bir yüke güç sağlamak için voltaj veya akım biçiminde doğrudan DC elektrik enerjisine dönüştürür.Aynı zamanda foto-voltaik hücreler, bir bataryaya benzerler çünkü DC güç sağlarlar.

Güneş pilleri, hesap makineleri, uydular gibi geleneksel pillerden alternatif bir güç kaynağı sağlamak için birçok farklı uygulama türünde ve şimdilerde ise yenilenebilir enerji sunan evlerde kullanılır.

Fotovoltaik hücreler, çok büyük ışığa duyarlı bir bölgeye sahip foto-diyotlar ile aynı olan, ancak ters bias olmadan kullanılan tek kristalli silikon PN bağlantılarından yapılır.

Karanlıkta iken bir foto-diyotla büyük oranda aynı özelliklere sahiptirler.Aydınlatıldığında, ışık enerjisi elektronların PN birleşiminden geçmesine neden olur ve ayrı bir güneş pili yaklaşık 0.58v (580mV) açık devre voltajı üretebilir.

Güneş pilleri, aynı bataryalar gibi bir “pozitif” ve bir de“negatif” tarafa sahiptir.

Kişisel güneş pilleri, çıkış gerilimini artıran güneş panelleri oluşturmak için seri olarak bağlanabilir veya mevcut akımı artırmak için paralel olarak birbirine bağlanabilir.

Ticari olarak temin edilebilen güneş panelleri, tamamen yandığında, çıkış voltajı ve akımın (Volt x Amper) sonucu olan Watt cinsinden derecelendirilir.

Tipik bir Foto-voltaik Güneş Hücresinin Özellikleri

Bir güneş pilinden elde edilebilir mevcut akım miktarı, ışık yoğunluğuna, hücrenin boyutuna ve genellikle %15 ila 20 arasında genellikle çok düşük olan verimine bağlıdır.

Ticari olarak temin edilebilen hücrenin genel verimliliğini arttırmak için, kristal yapıya sahip olmayan ve cm2 başına 20 ila 40mA arasında akım oluşturabilen poli-kristalin silikon veya şekilsiz silikon kullanmalısınız.

Fotovoltaik hücrelerin yapımında kullanılan diğer malzemeler arasında Gallium Arsenide, Bakır Indium Diselenide ve Cadmium Telluride bulunur.

Bu farklı malzemelerin her biri farklı bir spektrum bant tepkisine sahiptir ve bu nedenle farklı ışık dalga boylarında bir çıkış voltajı üretmek için ayarlanabilirdirler.

IŞIK SENSÖRLERİ NEDİR SONUÇ : 

Bugün Işık Sensörleri Nedir adlı yazımızı sizlerle paylaştık.Işık Sensörleri ile ilgili bu eğitici yazıda, Işık Sensörleri olarak sınıflandırılan çeşitli cihaz örneklerine baktık. Işığın şiddetini ölçmek için kullanılabilecek PN-birleşimi olanları ve olmayanları içerir.

Bir sonraki derste, Aktüatörler denilen çıkış cihazlarına bakacağız. Aktüatörler elektrik sinyalini hareket, kuvvet veya ses gibi karşılık gelen bir fiziksel miktara dönüştürür. Bu tür yaygın olarak kullanılan bir çıkış veren cihaz, Elektromanyetik Röle’dir.

Umuyorum faydalı bir yazı olmuştur.

İyi Çalışmalar

Bir cevap yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.