Συλλογή μεταφορά και έλεγχος Δεδομένων ΕΛΕΓΧΟΣ ΦΩΤΙΣΜΟΥ

Συλλογή μεταφορά και έλεγχος Δεδομένων ΕΛΕΓΧΟΣ ΦΩΤΙΣΜΟΥ

Αισθητήρια φωτός Οι φωτοανιχνευτές (light detectors) διαιρούνται σε δύο κατηγορίες: τους κβαντικούς (quantum) και τους θερμικούς (thermal), ανάλογα αν ενεργοποιούνται με την ποσότητα της φωτεινής ακτινοβολίας ή με το θερμικό αποτέλεσμά της. Οι ποσοτικοί ανιχνευτές ενεργοποιούνται στην περιοχή του φάσματος από την υπεριώδη έως το μέσον της υπέρυθρης ακτινοβολίας του φωτός, ενώ οι θερμικοί ανιχνευτές ενεργοποιούνται κυρίως στο μέσον και στην ανώτερη περιοχή της υπέρυθρης ακτινοβολίας. Στην πρώτη κατηγορία ανήκουν οι φωτοδίοδοι, τα φωτοτρανζίστορς και οι φωτοαντιστάσεις, ενώ στη δεύτερη τα θερμοστοιχεία, τα πυροηλεκτρικά αισθητήρια και τα AFIR αισθητήρια.

Πίνακας αισθητήρων φωτός

Παράμετροι φωτοανιχνευτών Οι παράμετροι που εξετάζονται κατά την σύγκριση διαφόρων φωτοανιχνευτών είναι: Ισοδύναμη ισχύς θορύβου (noise equivalent power-nep). Ικανότητα ανίχνευσης (detectivity-d*). Mήκος κύματος αποκοπής (cutoff wavelenght-λ c ). Μέγιστο ρεύμα (maximum current). Μέγιστη ανάστροφη τάση (maximum reverse voltage). Ευαισθησία ακτινοβολίας (radiant responsivity). Πεδίο ακτινοβολίας (field of view-fov). Χωρητικότητα επαφής (juction capacitance-c j ).

Φωτοδίοδος (photodiode). H λειτουργία των φωτοδιόδων βασίζεται στη δημιουργία ζευγαριών ηλεκτρονίων-οπών από φωτόνια που προσπίπτουν σε μία επαφή pn. Όταν η δίοδος πολώνεται ορθά, τότε λειτουργεί σαν απλή δίοδος και η μεταβολή του φωτισμού ελάχιστα μεταβάλλει την λειτουργία της. Όταν όμως πολώνεται ανάστροφα, η δίοδος διαρρέεται από ρεύμα, που αυξάνει ανάλογα με την αύξηση του φωτισμού που δέχεται η δίοδος. Για τάση πόλωσης μηδέν και απόλυτο σκοτάδι, περνά ένα ελάχιστο ρεύμα, που ονομάζεται ρεύμα σκότους και οφείλεται στη θερμική δημιουργία ηλεκτρονίων και οπών. Στο σχήμα φαίνονται οι χαρακτηριστικές καμπύλες ρεύματος - τάσης μιας φωτοδιόδου για διάφορες φωτεινές ροές.

Φωτοτρανζίστορ (phototransistor). Τα φωτοτρανζίστορ βασίζονται στην ίδια αρχή λειτουργίας με την φωτοδίοδο και επιπλέον, προχωρούν σε ενίσχυση του ρεύματος που εμφανίζεται, αυξάνοντας με τον τρόπο αυτό την ευαισθησία. Η επαφή βάσης-συλλέκτη είναι μία δίοδος ανάστροφα πολωμένη, που λειτουργεί όπως περιγράφηκε προηγούμενα. Με κατάλληλη πόλωση η επαφή βάσης-εκπομπού πολώνεται ορθά και ενισχύει το ρεύμα του συλλέκτη.

Φωτοαντίσταση (photoresistor). Η λειτουργία της φωτοαντίστασης βασίζεται στη μεταβολή της τιμής της, ανάλογα με την ένταση του φωτός που πέφτει πάνω της. Σε απόλυτο σκοτάδι η αντίσταση είναι μέγιστη. Εφαρμόζοντας όμως τάση στα άκρα της, εμφανίζεται ένα ρεύμα που οφείλεται κυρίως σε θερμική λειτουργία (ρεύμα σκότους). Με την αύξηση της έντασης του φωτός, η αντίσταση του υλικού μικραίνει και επιτρέπει τη δημιουργία μεγάλων ρευμάτων.

Φωτο-μετατροπέας (light to light converter). Αποτελείται από ένα φωτοτρανζίστορ και μία δίοδο Laser (LD). Ο μετατροπέας αυτός απαιτεί μικρή τάση πόλωσης (4V) και πραγματοποιεί μεγάλη ενίσχυση (πάνω από 6*10 5 ), μπορεί μάλιστα να ανιχνεύσει ακτινοβολία με πολύ χαμηλή ισχύ (π.χ.7nw).

Ψυχόμενοι ανιχνευτές (cooled detectors). Ένας σημαντικός παράγοντας για την καλή λειτουργία ενός ανιχνευτή είναι ο λόγος σήμα προς θόρυβο (signal to noise - S/N). Σε πολλές εφαρμογές (ιδίως όταν η θερμοκρασία λειτουργίας μεγαλώνει) ο θόρυβος αυξάνει, οπότε, στην περίπτωση μεγάλου μήκους κύματος (άρα μικρής συχνότητας και ενέργειας) η ακρίβεια και η ευαισθησία του αισθητηρίου ελαττώνεται κατά πολύ. Αντίθετα, στους ψυχόμενους ανιχνευτές το επίπεδο του θορύβου είναι ιδιαίτερα χαμηλό (αφού μειώνεται ο θερμικός θόρυβος), επομένως μπορούν να χρησιμοποιηθούν για ανίχνευση ακτινοβολιών με μεγάλο μήκος κύματος. Οι ανιχνευτές αυτοί έχουν μεγάλη ευαισθησία, έχουν όμως πιο αργή απόκριση, αφού η χωρητικότητα επαφής αυξάνει.

Θερμοηλεκτρικά αισθητήρια (thermopile sensors). Η λειτουργία του αισθητηρίου αυτού βασίζεται στο θερμοηλεκτρικό φαινόμενο, στο οποίο βασίζεται και η λειτουργία του θερμοζεύγους. Το αισθητήριο περιλαμβάνει μια περιοχή μεγάλης θερμικής μάζας, που αποτελεί τη ψυχρή επαφή, και μια δεύτερη περιοχή, που αποτελεί τη θερμή επαφή. Η περιοχή αυτή καλύπτεται από διαφανή μεμβράνη, που επιτρέπει στην ακτινοβολία να φτάσει στη θερμή περιοχή, αυξάνοντας τη θερμοκρασία της. Η διαφορά θερμοκρασίας ανάμεσα στις δύο περιοχές δημιουργεί μια ηλεκτρική τάση. Το αισθητήριο αυτό χαρακτηρίζεται από υψηλή ευαισθησία και χαμηλό θόρυβο. Ο θερμοηλεκτρικός συντελεστής είναι 230μV/ 0 C.

Πυροηλεκτρικά αισθητήρια (pyroelectric sensors). Η λειτουργία τους βασίζεται στην ιδιότητα κάποιων υλικών να δημιουργούν ηλεκτρική τάση, ανάλογα με τη θερμική ακτινοβολία που δέχονται. Έχουν σχετικά καλή συμπεριφορά στο θόρυβο, αλλά παρουσιάζουν σχετικά μεγάλη καθυστέρηση στην απόκρισή τους.

Κυκλώματα ελέγχου φωτεινής στάθμης Ο έλεγχος της φωτεινής στάθμης μπορεί να γίνει με δύο τρόπους. Στην πρώτη περίπτωση η λειτουργία των λαμπτήρων είναι συνεχής και ανάλογα με τον φωτισμό του χώρου μεταβάλλεται και η ένταση του ρεύματος που τους διαρρέει, άρα αλλάζει και η ένταση της ακτινοβολίας τους. Στην δεύτερη περίπτωση η λειτουργία των λαμπτήρων είναι διακοπτόμενη και το κύκλωμα που τους ηλεκτροδοτεί ενεργοποιείται όταν ο φωτισμός του χώρου γίνει χαμηλότερος από κάποια προκαθορισμένη τιμή. Κάθε κύκλωμα περιλαμβάνει κατάλληλο αισθητήριο (sensor) και ενεργοποιητή (actuator) που είναι είτε ρελέ είτε θυρίστορ. Άν χρησιμοποιήσουμε για αισθητήριο φωτοδίοδο, υπάρχουν δύο διαφορετικοί τρόποι εφαρμογής της: φωτοαγωγιμότητας (PC) και φωτοτάσης (PV). Στην δεύτερη περίπτωση δεν απαιτείται τάση πόλωσης και η δίοδος λειτουργεί σαν γεννήτρια ρεύματος. Έτσι, δεν υπάρχει ρεύμα σκότους, οπότε απομένει μόνο ο θερμικός θόρυβος, αυξάνοντας έτσι την ευαισθησία σε χαμηλούς φωτισμούς και βελτιώνοντας τον λόγο σήμα/θόρυβο (S/N). Μειονέκτημα της μεθόδου αυτής είναι ότι μεγαλώνει ο χρόνος απόκρισης και μικραίνει η απόκριση σε μεγάλα μήκη κύματος.

Κυκλώματα ελέγχου φωτεινής στάθμης (2) Στην πρώτη περίπτωση, η δίοδος πολώνεται ανάστροφα με αποτέλεσμα την μείωση της χωρητικότητας επαφής, άρα βελτίωση του χρόνου απόκρισης. Στο κύκλωμα βλέπουμε μια βασική συνδεσμολογία φωτοδιόδου σε συνδεσμολογία PV. Το κύκλωμα αυτό παρουσιάζει πολύ καλή γραμμικότητα (δηλαδή, όσες φορές αυξάνει η φωτεινή ακτινοβολία, τόσες να αυξάνει και η τάση εξόδου). Η αντίσταση των 10ΜΩ μεταξύ φωτοδιόδου και γής ρυθμίζει την ευαισθησία της διάταξης (πάντως δεν μπορεί να είναι κατώτερη από 100ΚΩ). Αντί για φωτοδίοδο στο ίδιο κύκλωμα μπορεί να χρησιμοποιηθεί φωτοτρανζίστορ.

Κυκλώματα ελέγχου φωτεινής στάθμης (3) Μια άλλη μέθοδος είναι να χρησιμοποιήσουμε φωτοαντίσταση. Το κύκλωμα ενεργοποιεί μια συσκευή ή μια σειρά λαμπτήρων, που τοποθετούνται στη θέση "φορτίο". Στο κύκλωμα αυτό ενεργοποιητής είναι ένα θυρίστορ. Το θυρίστορ μπορεί (όπως και το ρελέ) να ελέγχει μεγάλα ρεύματα (του κυκλώματος ισχύος), μέσω μικρών ρευμάτων (του κυκλώματος ελέγχου). Η φωτοαντίσταση με την αντίσταση των 10Κ αποτελούν έναν διαιρέτη τάσης για τη πηγή. Όταν ο φωτισμός είναι χαμηλός, η φωτοαντίσταση παρουσιάζει μεγάλη τιμή, οπότε η τάση του DIAC αυξάνει με αποτέλεσμα, τελικά το ρεύμα που οδηγείται στην πύλη του θυρίστορ μέσω του DIAC να αποκτά μεγάλη τιμή. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα να μικραίνει το σημείο εκκίνησης του θυρίστορ, οπότε τελικά αυτό άγει, με αποτέλεσμα οι λάμπες του φορτίου να διαρρέονται από ρεύμα.

Κυκλώματα ελέγχου φωτεινής στάθμης (4) Κύκλωμα ενεργοποίησης φορτίου με έλεγχο μέσω ρελέ. Ο τελεστικός ενισχυτής λειτουργεί σαν συγκριτής. Όταν ο φωτισμός είναι χαμηλός ενεργοποιείται η έξοδος του τελεστικού που οδηγεί το τρανζίστορ σε κόρο. Τότε ενεργοποιείται το ρελέ και οι λάμπες ανάβουν. Με το ποτενσιόμετρο ρυθμίζουμε την φωτεινότητα, στην οποία θα ενεργοποιηθεί το κύκλωμα. Ο τελεστικός ενισχυτής μπορεί να είναι ένας απλός 741, ενώ το ρελέ πρέπει να είναι 6Vdc.

Ερωτήσεις Αναφέρατε τις σημαντικότερες παραμέτρους ενός φωτοανιχνευτή. Αναφέρατε τα κυριώτερα είδη φωτοανιχνευτών. Στο κύκλωμα της διαφάνειας 13, ποιο είναι το τμήμα ισχύος και ποιο του ελέγχου; Οι ανιχνευτές φωτός (light detectors) διαιρούνται σε και., ανάλογα αν ενεργοποιούνται με την. της φωτεινής ακτινοβολίας ή με το αποτέλεσμά της. Το ρεύμα που διαρέει μια φωτοδίοδο σε απόλυτο σκοτάδι ονομάζεται Στους θερμικούς ανιχνευτές φωτός η λειτουργία τους βασίζεται i. στο θερμικό αποτέλεσμα του φωτός ii. στην θερμοκρασία του περιβάλλοντος iii. στην θέρμανση λόγω φαινομένου Joule Μια φωτοδίοδος πολώνεται i. πάντα ορθά ii. πάντα ανάστροφα iii. ανάλογα με την εφαρμογή