سنسورهای نوری یا فوتو الکتریک 

سنسورهای نوری قطعات فوتو الکتریکی هستند که انرژی نوری (فوتون‌ها) را چه قابل رویت باشند یا نور مادون قرمز باشند به یک سیگنال الکتریکی (الکترون‌ها) تبدیل می‌کند. یک سنسور نور با اندازه‌گیری انرژی تابشی که در یک فرکانس بسیار باریک وجود دارد و اساساً به آن “نور” گفته می‌شود، سیگنال خروجی تولید می‌کند و فرکانس آن از محدوده “مادون قرمز” تا “قابل مشاهده” تا طیف نور “ماوراء بنفش” است.

سنسور نور قطعه‌ای غیرفعال است که این “انرژی نور” را چه آن قابل مشاهده باشد و چه در قسمت‌های مادون قرمز طیف باشد به یک خروجی سیگنال الکتریکی تبدیل می‌کند. سنسورهای نوری معمولاً به عنوان “قطعات فوتوالکتریک” یا “سنسورهای فوتو” شناخته می‌شوند زیرا انرژی نور (فوتون‌ها) را به الکتریسیته (الکترون‌ها) تبدیل می‌کنند.

قطعات فوتوالکتریک می‌توانند به دو دسته اصلی تقسیم شوند، آنهایی که در هنگام تشعشع، الکتریسیته تولید می‌کنند، مانند فوتو-ولتاژ یا منتشر کننده-فوتو و غیره، و مواردی که خصوصیات الکتریکی خود را، مانند مقاومت‌های فوتو یا رساناهای فوتو به نوعی تغییر می‌دهند. این منجر به طبقه‌بندی زیر قطعات می‌شود.

• سلول‌های انتشار دهنده فوتو: اینها قطعات فوتویی هستند که الکترون‌های آزاد را از ماده حساس به نور مانند سزیم که توسط یک فوتون با انرژی کافی ضربه برخورد می‌شود، آزاد می کنند. مقدار انرژی فوتون‌ها به فرکانس نور بستگی دارد و هرچه فرکانس بیشتر باشد، انرژی بیشتری در فوتون‌ها انرژی نور را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند.
• سلول‌های رسانا-فوتو: این قطعات نوری در هنگام قرار گرفتن در معرض نور مقاومت الکتریکی خود را تغییر می‌دهند. هدایت فوتو ناشی از برخورد نور به ماده نیمه هادی است که شارش جریان را در آن کنترل می‌کند. بنابراین، نور بیشتری جریان را برای یک ولتاژ اعمال شده ارائه شده افزایش می‌دهد. متداول‌ترین ماده فوتو رسانا، کادمیوم سولفید است که در فوتوسل‌های LDR بکار می‌رود.
• سلول‌های فتو ولتاژ: این قطعات نوری متناسب با انرژی تابشی دریافتی، یک نیروی محرکه تولید می‌کنند و از نظر تأثیرپذیری با فوتورسانا مشابه هستند. انرژی نور تابشی به دو ماده نیمه هادی که با یکدیگر ادغام شده‌اند یک ولتاژ تقریباً 0/5 ولت ایجاد می‌کند. متداول‌ترین ماده، فتوولتاژ سلنیوم است که در سلول‌های خورشیدی استفاده می‌شود.

قطعات فوتو-پیوندی – این قطعات نوری اساسا قطعات نیمه هادی واقعی مانند فتودودیود یا فتو ترانزیستورها هستند که از نور برای کنترل جریان الکترون‌ها و حفره‌ها در دو سر پیوند PN استفاده می‌کنند. قطعات فوتو پیوندی به طور خاص برای کاربرد آشکارساز و نفوذ نور با پاسخ طیفی آنها که به طول موج نور رخدادی تنظیم شده طراحی شده‌اند.

سلول فوتوشیمیایی در سنسورهای نوری

یک سنسور نور فوتو رسانا الکتریسیته تولید نمی‌کند بلکه به سادگی ویژگی‌های فیزیکی خود را هنگامی که در معرض انرژی نور قرار گرفت، تغییر می‌دهد. متداول‌ترین نوع دستگاه فوتو رسانا فوتو مقاومت است که مقاومت الکتریکی خود را در پاسخ به تغییرات شدت نور تغییر می‌دهد.

فوتو مقاومت‌ها قطعات نیمه رسانایی هستند که انرژی نور را برای کنترل الکترون ها بکار می‌برند و از این رو جریان درون آنها شارش می‌یابد. رایج‌ترین سلول نوری بکار رفته مقاومت وابسته بر نور(LDR) نامیده می‌شود.

مقاومت وابسته بر نور در سنسورهای نوری

همانطور که از نام آن پیداست، LDR از یک قطعه از ماده نیمه رسانا مانند کادیوم سولفید، ساخته شده است که مقاومت الکتریکی خود را از از چند صد اهم در تاریکی تا تنها به چند صد اهم زمانی که نور بر آن می‌تابد با ایجاد جفت‌های الکترون-حفره در ماده تغییر می‌دهد.

تاثیر عمده بهبود در رسانایی آن با کاهش در مقاومت برای افزایش در تابش است. همچنین، سلول‌های فوتو مقاومت دارای یک پاسخ زمانی طولانی که نیازمند ثانیه‌های بیشتر برای پاسخ دادن به تغییر در شدت نور است، می‌باشد.

مواد بکار رفته به عنوان بستر نیمه رسانا شامل سولفید سرب (PbS)، سلنیید سرب (PbSe)، اینیدیوم آنتیمونید (InSb)، است که نور را در محدوده مادون قرمز آشکار می‌کند که پرکاربردترین سنسورهای نور فوتو مقاومت سولفید کادیوم (Cds) است.

سولفید کادمیوم در ساخت سلول‌های نور رسانا استفاده می‌شود زیرا منحنی پاسخ طیفی آن بصورت زیاد با چشم انسان مطابقت دارد و حتی می‌تواند با استفاده از یک مشعل ساده به عنوان منبع نور نیز کنترل شود. نوعا در این حالت، آن دارای طول موج حساس به اوج (λp) در حدود 560nm تا 600nm در محدوده طیفی قابل مشاهده است.

سلول مقاومت وابسته بر نور در سنسورهای نوری

متداول‌ترین سنسور نور فوتو مقاومت، سلول فوتو رسانا کادمیوم سولفید ORP12 است. این مقاومت وابسته به نور دارای پاسخ طیفی در حدود 610 نانومتر در منطقه زرد به نارنجی از نور است. مقاومت سلول در هنگام روشن نشدن (مقاومت تاریک) در حدود 10MΩ و بسیار زیاد است که در هنگام روشنایی کامل (مقاومت روشن) به حدود 100Ω افت می‌کند.

برای افزایش مقاومت تاریک و در نتیجه کاهش جریان تاریک، مسیر مقاومت یک الگوی زیگزاگ را در سراسر بستر سرامیکی تشکیل می‌دهد. فتوسل CdS قطعه‌ای بسیار کم هزینه است که اغلب در تغییر نور اتومات تاریکی یا تشخیص گرگ و میش برای روشن کردن چراغ‌های خیابانی “روشن” و “خاموش” و برای کاربردهای نوع اندازه‌گیری فوتو گرافیک در معرض نور مورد استفاده قرار می‌گیرد.

اتصال یک مقاومت وابسته بر نور بصورت سری با یک مقاومت استاندارد مانند این در دو سر یک ولتاژ تغذیه DC واحد دارای یک مزیت اصلی است، بطوریکه یک ولتاژ متفاوت در پیوند آنها برای سطوح مختلف نور ظاهر خواهد شد.

مقدار افت ولتاژ دو سر مقاومت سری R₂، توسط مقدار مقاومت مقاومت وابسه بر نور R_LDR  تعیین شده است. این قابلیت برای تولید ولتاژهای مختلف یک مدار دستی معروف به “تقسیم‌کننده پتانسیل” یا شبکه تقسیم‌کننده ولتاژ تولید می‌کند.

همانطور که می‌دانیم جریان درون یک مدار سری مشترک است و با تغییرمقدار مقاومت LDR به دلیل شدت نور، ولتاژ موجود در V_OUT با فرمول تقسیم کننده ولتاژ تعیین خواهد شد. مقاومت LDR ،R_LDR می‌تواند از حدود 100Ω در نور خورشید تا بیش از 10MΩ در تاریکی مطلق تغییر کند همانطور که نشان داده شده، این تغییر مقاومت به یک تغییر ولتاژ در V_OUT تبدیل شده است.

یک کاربرد ساده از مقاومت وابسته بر نور، سوئیچ حساس به نور است که در زیر نیز نشان داده شده است.

این مدار سنسور نوری اصلی از یک سوئیچ فعال شده نور خروجی رله است. یک مدار تقسیم کننده پتانسیل بین مقاومت نوری، LDR و مقاومت R1 تشکیل می‌شود. هنگامی که هیچ نوری وجود ندارد، یعنی در تاریکی است، مقاومت LDR بسیار بالا در رنج مگا اهم (MΩ) است بنابراین بایاس بیس صفر به ترانزیستور TR1 اعمال شده است و رله انرژی خود را از دست داده و یا “خاموش” شده است.

با افزایش سطح نور، مقاومت LDR شروع به كاهش می‌کند که باعث افزایش ولتاژ بایاس پایه در V1 می‌كند. در بعضی از نقاط که توسط شبکه تقسیم کننده پتانسیل که با مقاومت R1 تشکیل شده تعیین می‌شود، ولتاژ بایاس بیس به اندازه کافی برای روشن کردن ترانزیستور “TR1″ بالا است و در نتیجه رله را که به نوبه خود برای کنترل برخی از مدارهای خارجی استفاده می‌شود، فعال می‌کند. با افت دوباره سطح نور به تاریکی مقاومت LDR افزایش می‌یابد و باعث می‌شود ولتاژ بیس ترانزیستور کاهش یابد و ترانزیستور و رله در یک سطح نور ثابت تعیین شده مجددا توسط شبکه تقسیم کننده پتانسیل”خاموش” می‌شود.

با جایگزینی مقاومت ثابت R1 با یک پتانسیومتر VR1، نقطه‌ای که در آن رله “روشن” می‌شود یا “خاموش” می‌شود می‌تواند به یک سطح نور مخصوص از پیش تنظیم شود. این نوع از مدار ساده که در بالا نشان داده شده دارای یک حساسیت نسبتا کم است و نقطه سوئیچینگ آن ممکن است به دلیل تغییرات در هر دو دما یا ولتاژ تغذیه، ثابت نباشد. یک مدار فعال شده با نور دقیق حساس‌تر می‌تواند بسادگی با جایگذاری LDR در یک آرایش”پل وتسون” و جابه‌جایی ترانزیستور با یک تقویت کننده عملیاتی همانطور که نشان داده شده است، ساخته شود.

مدار سنجش سطح نور در سنسورهای نوری

در این مدار سنجش تاریک پایه، مقاومت وابسته به نور LDR1 و پتانسیومتر VR1 یک بازوی قابل تنظیم از یک شبکه پل مقاومت ساده را تشکیل می‌دهند، که معمولاً به عنوان یک پل وتسون نیز شناخته می‌شود، در حالی که دو مقاومت ثابت R1 و R2 بازوی دیگر را تشکیل می‌دهند. هر دو طرف پل، شبکه‌های تقسیم كننده پتانسیل را در سراسر ولتاژ نغذیه  تشکیل می‌دهند كه خروجی‌های V1 و V2 به ورودی‌های ولتاژ معکوس و غیر معکوس تقویت کننده عملیاتی وصل شده‌اند.

تقویت کننده عملیاتی به عنوان یک تقویت کننده تفاضلی که نیز به عنوان یک مقایسه کننده ولتاژ با بازخورد شناخته می‌شود که وضعیت ولتاژ خروجی آن با تفاوت بین دو سیگنال ورودی یا ولتاژ V1 و V2 مشخص می‌شود، پیکربندی شده است. ترکیب مقاومت R1 و R2 یک مرجع ولتاژ ثابت در ورودی V2 تشکیل می‌دهد، که توسط نسبت دو مقاومت تعیین می‌شود. ترکیب LDR – VR1 یک ورودی ولتاژ متغیر V1 متناسب با سطح نوری که توسط فوتو ترانزیستور شناسایی می شود، فراهم می‌کند.

همانند مدار قبلی، خروجی تقویت کننده عملیاتی برای کنترل رله استفاده می‌شود که توسط یک دیود freewheel ،D1 محافظت می‌شود. هنگامی که سطح نوری که توسط LDR حس می‌شود و ولتاژ خروجی آن پایین‌تر از ولتاژ مرجع تنظیم شده در V2 قرار می‌گیرد، خروجی حاصل از تقویت کننده عملیاتی تغییر می‌کند و رله را فعال می‌کند و بار وصل شده را تغییر می‌دهد.

به همین ترتیب با افزایش سطح نور، خروجی تغییر خواهد کرد و رله را “خاموش” می‌کند. هیسترزیس دو نقطه سوئیچینگ توسط مقاومت فیدبک R_f تنظیم شده است که  می‌تواند برای ارائه هرگونه بهره ولتاژ مناسب از تقویت کننده انتخاب شود.

عملکرد این نوع مدار سنسور نوری نیز می تواند برای تغییر رله به “روشن” هنگامی که سطح نور از سطح ولتاژ مرجع بالاتر می‌رود و برعکس با معکوس کردن موقعیت‌های سنسور نوری LDR و پتانسیومتر VR1 معکوس شود. از پتانسیومتر می‌توان برای “پیش تنظیم” نقطه سوئیچینگ تقویت کننده تفاضلی به هر سطح خاص از نور استفاده کرد و آن را به عنوان یک مدار پروژه حسگر نوری ساده ایده‌آل کرد.

قطعات پیوند نوری در سنسورهای نوری

قطعات پیوند نوری اساسا سنسورهای نوری پیوند PN یا آشکارسازهای ساخته شده از نیمه هادی پیوند PN سیلیکونی هستند که به نور حساس هستند و می‌توانند هم نور مرئی و هم سطح نور مادون قرمز را تشخیص دهند. قطعات پیوند نوری به طور خاص برای سنجش نور ساخته شده‌اند و این کلاس از سنسورهای نور فوتوالکتریک شامل فوتو دیودها و فوتو ترانزیستورها است.

فوتو دیود در سنسورهای نوری

ساختار سنسور نوری فوتو دیود شبیه به ساختار یک دیود پیوند PN معمولی است به جز اینکه پوشش بیرونی دیودها شفاف است یا دارای لنز روشن برای تمرکز نور بر روی پیوند PN برای افزایش حساسیت است. این پیوند به نور به ویژه به طول موج‌های طولانی تر مانند قرمز و مادون قرمز بیشتر از نور مرئی پاسخ خواهد داد.

این ویژگی می‌تواند برای دیودهایی با بدن‌های مهره‌ای شفاف یا شیشه‌ای مانند دیود سیگنال 1N4148 مشکل ایجاد کند. همچنین می‌توان از LED ها نیز به عنوان دیود نوری استفاده کرد زیرا می‌توانند نور را از محل اتصال خود ساطع و تشخیص دهند.

تمام پیوندهای PN حساس به نور هستند و می‌توانند در حالت ولتاژ بدون بایاس رسانای نور با پیوند PN از فتودیود همیشه بصورت “بایاس معکوس” مورد استفاده قرار گیرند بنابراین تنها نشت دیودها یا جریان تاریک شارش می‌یابد.

مشخصه ولتاژ جریان (منحنی‌های I / V) یک فتودیودود بدون هیچ نوری بر محل پیوند آن (حالت تاریک) بسیار شبیه به یک سیگنال معمولی یا دیود اصلاح‌کننده است. هنگامی که فتودودیود بایاس مستقیم شده است، همانند یک دیود معمولی یک افزایش نمایی در جریان وجود دارد.

هنگامی که یک بایاس معکوس اعمال می‌شود، یک جریان اشباع معکوس کوچک ظاهر می‌شود که باعث افزایش منطقه تهی می‌شود، که قسمت حساس پیوند است. همچنین با استفاده از یک ولتاژ بایاس ثابت در دو سر پیوند، فتودیودها می‌توانند در یک حالت جریان متصل شدند. حالت جریان در طول طیف گسترده بسیار خطی است.

ساختار فوتو دیود

هنگامی که به عنوان یک سنسور نور مورد استفاده قرار می‌گیرد، جریان تاریک فتو دیود (0 لوکس) حدود 10uA برای گرانیوم و 1uA برای دیودهای نوع سیلیکون است. هنگامی که نور روی محل اتصال می‌تابد، جفت‌های حفره / الکترون بیشتری ایجاد می‌شوند و جریان نشتی افزایش می‌یابد. این جریان نشتی با افزایش روشنایی محل پیوند افزایش می‌یابد.

بنابراین، جریان فتودیودها مستقیما با شدت نوری که روی پیوند PN می‌تابد، متناسب است. یکی از مهمترین مزیت های فتودیودها که به عنوان سنسور نور استفاده می‌شوند، پاسخ سریع آنها به تغییر در سطح نور است، اما یکی از معایب این نوع قطعه نوری، شارش نسبتاً کوچک جریان حتی در صورت روشن بودن کامل است.

مدار زیر یک مدار مبدل ولتاژ به جریان نوری  را با استفاده از یک تقویت کننده عملیاتی به عنوان یک قطعه تقویت کننده نشان می‌دهد. ولتاژ خروجی (Vout) بصورت Vout = I * Rƒ ارائه می‌شود که متناسب با خصوصیات شدت نور فوتودیود است.

ویژگی های فوتو دیود

این نوع مدار همچنین از ویژگی‌های یک تقویت کننده عملیاتی با دو پایانه ورودی با ولتاژ تقریبی صفر برای بهره‌برداری از فتودیود بدون بایاس است. این پیکربندی تقویت کننده عملیاتی، با بایاس صفر، بارگذاری امپدانس بالایی را به فتودودیود منتقل می‌کند و در نتیجه تأثیر کمتری از جریان تاریک و دامنه خطی وسیع‌تری از جریان نوری را نسبت به شدت تابش نور دارد. خازن C_F برای جلوگیری از نوسان یا اوج بهره و تنظیم پهنای باند خروجی ( 1/2πRC) استفاده می‌شود.

مدار تقویت کننده فوتو دیود

فتودیودها سنسورهای نوری بسیار متنوع هستند که می‌توانند جریان فعلی خود را در نانو ثانیه “روشن” و “خاموش” کنند و معمولاً در دوربین‌ها، کنتورهای روشنایی، درایوهای CD و DVD-ROM ، کنترل از راه دور تلویزیون، اسکنر، دستگاه‌های فکس و دستگاه‌های کپی و غیره استفاده می‌شوند و هنگام ادغام در مدارهای تقویت کننده عملیاتی می‌توانند به عنوان آشکارسازهای طیف مادون قرمز برای ارتباطات فیبر نوری، مدارهای تشخیص حرکات دزدگیر و بسیاری از تصویربرداری، سیستم‌های اسکن لیزری و موقعیت یابی و غیره استفاده شوند.

فوتو ترانزیستور

یک قطعه پیوند نوری جایگزین برای فوتو دیودها، فوتو ترانزیستور است که اساسا یک فوتو دیود باتقویت است. سنسور نور فوتو ترانزیستور دارای پیوند PN بیس کلکتور است که بایاس معکوس شده است که آن را در معرض منبع تابش نور قرار می‌دهد.

فوتوترانزیستورها همانند فتودودیود کار می‌کنند به جز اینکه آنها می‌توانند بهره جریان را مهیا کنند و از حساسیت بیشتری به جریان نسبت به فتودیودها دارند که 50 تا 100 برابر بیشتر از فتودیود استاندارد هستند و هر ترانزیستور معمولی می‌تواند به راحتی به یک سنسور نور فتو ترانزیستور با اتصال یک فتودودیود بین کلکتور و بیس تبدیل شود.

ترانزیستورها به طور عمده از ترانزیستور دو قطبی NPN تشکیل شده‌اند و ناحیه بیس بزرگ آن به صورت الکتریکی بدون اتصال است، اگرچه برخی از ترانزیستورها اتصال به بیس را برای کنترل حساسیت امکان‌پذیر می‌کنند و از این طریق با استفاده از فوتون‌های نوری برای تولید یک جریان بیس استفاده می‌شود که به نوبه خود باعث می‌شود تا جریان کلکتور به امیتر جاری شود. بیشتر فوتو ترانزیستورها از نوع NPN هستند که پوشش بیرونی آن شفاف است یا دارای لنز روشن برای تمرکز نور بر روی پیوند بیس برای افزایش حساسیت است.

ویژگی های فوتو ترانزیستور

در ترانزیستور NPN، کلکتور با توجه به امیتر به طور مثبت بایاس شده است بتابراین اتصال بیس / کلکتور بایاس معکوس شده است. بنابراین، بدون تابش در محل پیوند، نشت طبیعی یا جریان‌های تاریک جریان می‌یابند که بسیار کوچک است. هنگامی که نور بر بیس می‌تابد، جفت‌های الکترون / حفره بیستری  در این منطقه تشکیل می‌شوند و جریان تولید شده توسط این عمل توسط ترانزیستور تقویت می‌شود.

معمولاً حساسیت یک فوتوترانزیستور تابعی از بهره جریان DC ترانزیستور است. بنابراین، حساسیت کلی تابعی از جریان کلکتور است و می‌تواند با اتصال یک مقاومت بین بیس و امیترر کنترل شود اما برای کاربردهای نوع پیوند نوری با حساسیت بسیار بالا، بطور کلی فوتوترانزیستورهای دارلینگتون استفاده می‌شود.

ترانزیستورهای فوتودارلینگتون از ترانزیستور دو قطبی NPN استفاده می‌کنند تا تقویت بیشتری را مهیا کنند یا در صورت نیاز به آشکارساز نور با حساسیت بیشتر به دلیل پایین بودن سطح نور یا حساسیت انتخابی استفاده شوند، اما پاسخ آن کندتر از یک فوتو ترانزیستور NPN معمولی است.

قطعات دارلینگتون نوری شامل یک فوتو ترانزیستور عادی است که خروجی امیتر آن به بیس یک ترانزیستور دو قطبی NPN بزرگتر وصل می‌شود. از آنجا که یک پیکربندی ترانزیستور دارلینگتون یک بهره جریان برابر با محصول بهره جریان دو ترانزیستور انفرادی ارائه می‌دهد، یک قطعه فتودارلینگتون یک آشکارساز بسیار حساس تولید می‌کند.

کاربردهای نوعی سنسورهای نور فوتو ترانزیستور در جداکننده‌های نوری، سوییچ‌های نوری شکاف دار، سنسورهای پرتوی نور، فیبر نوری و کنترل از راه دور نوع تلویزیون و غیره است. فیلترهای مادون قرمز در هنگام تشخیص نور مرئی گاهی مورد نیاز هستند.

نوع دیگر حسگر نوری نیمه هادی فوتو پیوندی که ارزش ذکر آن را دارد، فوتو تریستور است. این یک تریستور فعال شده با نور یا یک یکسو کننده کنترل شده سیلیکونی است که می‌تواند به عنوان یک سوئیچ فعال شده با نور در کاربردهای AC استفاده شود. با این حال حساسیت آنها معمولاً در مقایسه با فوتودیودهای معادل یا فتو ترانزیستورهای معادل بسیار کم است.

برای کمک به افزایش حساسیت آنها به نور، فوتو تریستورها در اطراف محل اتصال گیت باریک‌تر ساخته می‌شوند. نکته منفی این روند این است که آن میزان جریان آندی را که می‌توانند سوئیچ کنند را محدود می‌کند. سپس برای کاربردهای AC جریان بالا، از آنها به عنوان قطعات هدایت‌گر در اپتو کوپلرها برای سوئیچ تریستورهای معمولی بزرگتر استفاده می‌شوند.

سلول های فتو ولتاژ

متداول‌ترین نوع سنسور نور فتو ولتاژ، سلول خورشیدی است. سلول‌های خورشیدی انرژی نور را مستقیما به انرژی الکتریکی DC در شکل ولتاژ یا جریان برای روشن کردن بار مقاومتی مانند نور، باتری یا موتور تبدیل می‌کنند. سپس سلول‌های فتوولتاژ از بسیاری جهات به باتری شباهت دارند زیرا منبع تغذیه DC را تامین می‌کنند.

اگرچه، بر خلاف سایر قطعات نوری که در بالا بر آنها پرداختیم که از شدت نور حتی از مشعل برای عمل کردن استفاده می‌کنند، سلول های خورشیدی فتو ولتاژ با استفاده از انرژی تابش خورشید بهتر کار می‌کنند.

سلول‌های خورشیدی در انواع مختلفی از کاربردها استفاده می‌شود تا یک منبع تغذیه جایگزین از باتری‌های معمولی مانند ماشین حساب‌ها، ماهواره‌ها را ارائه کند و اکنون در خانه‌ها یک نوع توان تجدید پذیر را ارائه می‌دهند.

سلول‌های فتوولتاژ از پیوندهای PN یك سیلیکون کریستالی، همانند فتودیودها با یک منطقه بسیار بزرگ حساس به نور که بدون ولتاژ معكوس استفاده می‌شوند، ساخته شده‌اند. آنها هنگامی که در تاریکی قرار دارند، همان ویژگی‌های یک فتودودیود بسیار بزرگ را دارند.

در هنگام روشن شدن، انرژی نور باعث می‌شود كه الکترون‌ها درون پیوند PN شارش یابند و سلول خورشیدی منفرد می‌تواند یک ولتاژ مدار باز حدود 0/58 ولت (580mV) ایجاد كند. سلول‌های خورشیدی دقیقاً مانند باتری دارای یک سمت “مثبت” و “منفی” هستند.

سلول‌های خورشیدی مستقل می‌توانند به صورت سری به هم برای تشیکل  پانل‌های خورشیدی وصل شوند که این ولتاژ خروجی را افزایش می‌دهد یا به طور موازی به یکدیگر وصل می‌شوند تا جریان موجود را افزایش دهند. پانل‌های خورشیدی موجود تجاری دارای محدوده‌ای در وات هستند، که محصول ولتاژ خروجی و جریان (ولت برابر آمپر) هنگام روشن شدن کامل است.

ویژگی های سلول خورشیدی فتو ولتاژ نوعی

مقدار جریان موجود از سلول خورشیدی بستگی به شدت نور، اندازه سلول و راندمان آن دارد که عموماً در حدود 15 تا 20٪ و بسیار کم است. برای افزایش راندمان کلی سلول، سلول‌های خورشیدی موجود تجاری از سیلیکون پلی کریستالی یا سیلیکون بی شکل استفاده می‌کنند که ساختار کریستالی ندارند و می‌توانند جریانهایی بین 20 تا 40 میلی‌آمپر در سانتی مترمربع تولید کنند.

مواد دیگر مورد استفاده در ساخت سلول‌های فتوولتاژ عبارتند از: گالیم آرسنید، مس ایندیوم دیزلنید و کادمیوم تلورید. هر یک از این مواد متفاوت، دارای یک باند طیف متفاوت هستند و بنابراین می‌توانند برای تولید ولتاژ خروجی در طول موج‌های مختلف از نور، “تنظیم” شوند.

در این آموزش در مورد سنسورهای نوری، بر چندین نمونه از قطعات پرداختیم که به عنوان سنسورهای نوری طبقه‌بندی شده‌اند. این شامل مواردی است که دارای پیوند PN هستند و برای اندازه‌گیری شدت نور می‌توان از آنها استفاده کرد.

در آموزش بعدی بر قطعات خروجی به نام فعال کننده‌ها خواهیم پرداخت. فعال‌کننده‌ها یک سیگنال الکتریکی را به یک مقدار فیزیکی مربوطه مانند حرکت، نیرو یا صدا تبدیل می‌کنند. یکی از این قطعات خروجی متداول، پر کاربرد رله الکترومغناطیسی است.