Trasduttori fotoelettrici

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Stefano Gagliardi
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1 Trasduttori fotoelettrici e radiazioni luminose aventi lunghezza d onda compresa nello spettro della luce visibile modificano le proprietà elettriche di alcune sostanze. Ad esempio nelle fotoresistenze riportate a sinistra la radiazione luminosa incidente varia la conducibilità elettrica mentre nei fotodiodi (al centro in figura) e fototransistor la radiazione luminosa incidente sulla giunzione p n genera un intensità di corrente. FOTOESISTOE NOP 12 I fotoresistori sono costituiti da materiali semiconduttori drogati(solfuro di cadmio o di Pb).Quando la superficie viene esposta alla luce l energia raggiante assorbita provoca la rottura dei legami covalenti creando cariche libere ossia coppie elettrone lacuna con aumento della conducibilità e diminuzione conseguente della resistenza del fotoresistore. a variazione della resistenza con l illuminamento segue la seguente legge = A E α pag.1 10

2 dove A é una costante dimensionale che dipende dalla forma geometrica della superficie esposta alla luce. E é l illuminamento (flusso luminoso incidente sulla superficie unitaria). α é una costante adimensionale minore di 1 che dipende dalle tecnologie usate per la costruzione del circuito. a caratteristica resistenza/illuminamento del trasduttore presenta un accentuata non linearità ed una pendenza negativa. Per linearizzare la caratteristica resistenza illuminamento e per renderla crescente con l illuminamento e per convertire le variazioni di resistenza in una variazione di tensione si possono seguire gli stessi criteri di progettazione utilizzati per gli NTC. Iportiamo in tabella seguente le caratteristiche elettriche della fotoresistenza. pag.2 10

3 Il circuito seguente realizza la conversione resistenza tensione. Più precisamente possiamo affermare che: la linearizzazione della caratteristica con la resistenza è calcolabile con la formula = med ( min min + + max max ) 2 2 min med max equilibrio del ponte si determina con la scelta della resistenza 1 una caratteristica crescente del trasduttore. una uscita in tensione V AB crescente linearmente con l illuminamento. Progetto Si progetti un circuito di condizionamento per il fotoresistore NOP 12 in modo da avere una tensione in uscita variabile linearmente da 5V a 5V quando l illuminamento varia nell intervallo [10lux : 1000lux]. Soluzione: Descriviamo mediante una tabella i valori di resistenza del fotoresistore ai vari illuminamenti. ux[lx] [Ω] min =10 lux min =9000Ω max =1000lux max =400Ω pag.3 10

4 da cui in corrispondenza di MAX + MIN = = = lux si ha come si nota dal 2 2 MEDIO 505 grafico che medio =300Ω Utilizzando la relazione = med ( min min + + max max ) 2 2 min med max si ricava per sostituzione che =305Ω (Val. comm.: 330 Ω). Il circuito di condizionamento, comprensivo di resistenza di linearizzazione, è riportato in figura seguente. 12V illuminamento lux 1000 V AB [V] 6,59 V[V] Fig. 5.4 Vout [V] pag.4 10

5 Nel dimensionare i componenti si suppone che nella condizione di funzionamento più gravosa, corrispondente ad un illuminamento di 1000 Ix ( ux = 400 Q), il fotoresistore sia attraversato da un'intensità di corrente minore di 75 ma. Con i componenti scelti ed una tensione di alimentazione V cc = 12 V, si ha un'intensità di corrente minore di 75 ma. V cc 12 I ( = 400 Ω ) = = = 16, lux 4 UX ma a resistenza di bilanciamento ( 1 + P ), dimensionata per l'illuminamento di 10 lux, è tenendo conto della condizione di equilibrio del ponte: ( P ) = lux + P = lux = 9 K Ω (valore comm. 8,2KΩ+1KΩtrimmer) Do p o av er r eg o l at o i l t r i m m er p p er l ' o f f s et s i c al c o l a l a t en s i o n e V B A p er i l m as s i m o i l l u m i n a m en t o 10 00l u x. 1 + P UX V BA = ( ) V cc = ( ) 12 = 5, 00 V P UX Si conclude che la tensione vale 0V in corrispondenza di 10lux e 5V in corrispondenza di 1000lux. Poiché il range d'uscita richiesto è compreso t r a 5 V e + 5 V, s i f i s s a l a t ens i o ne V 0 (p i n 6 d el p r i m o am p l i f i c at o r e p er s t r u m ent azi o ne INA111) ug ual e a 10 V. Il g uad ag no G d el l ' am p l i f i c at o r e p er s t r ument azi o ne e l a r es i s t enza G d evo no as s u m er e i s eg uent i V o 10 val o r i : G = = 2 1 V ( 1000 lux ) 5 =. Se r i c o r d i am o c he i l g u ad ag no, i n u n BA am p l i f i c at o r e p er s t r u m ent azi o ne val e 2 2 G = 1 + G = con = 25 K Ω G 1 G p er c ui G = = 50 K Ω 2 1 (val o r e c o m m. 47K Ω + t r i m m er 5K Ω ) II d i o d o d i r i f er i m ent o M336 5 V g ener a l a t ens i o ne d i r i f er i m ent o V r e f =5V ap p l i c at a al l ' i n g r es s o i n v er t en t e d el s ec o n d o am p l i f i c at o r e p er s t r u m en t azi o n e i l q u al e t r as l a l a c a r a t t e r i s t i c a p r e c e d e n t e m e n t e o t t e n u t a ( V 0 = O V ; V ) i n m o d o d a r e a l i z z a r e i l r an g e d el l a t en s i o n e d ' u s c i t a V o u t r i c h i es t o d al p r o g et t o. 2 Inf at t i c o n G s i ha c he V out = ( 1 + ) ( V 3 V 2 ) V 3 V 2 Se f ac c i o i n mo d o d a i m p o r r e s u V 2 =5V f i s s e i n q ual un q ue c o nd i zi o ni d i i l l umi nam ent o l a G pag.5 10

6 t ens i o ne c he d i p end e d al l i l l u m i nam ent o é s o l o V 3 =V 0. In p ar t i c o l ar e V o =0V q uand o E=10l ux p er c ui V o u t (10l ux )= V 3 = 5V e q uand o E=1000l u x s i ha V 3 =V o =10V p er c ui V o u t =10 5=5V. Per g ener ar e una t ens i o ne f i s s a d i 5Vs ul p i n 2 d el s ec o nd o am p l i f i c at o r e p er s t r u m ent azi o ne u t i l i zzo un d i o d o zener M336 e s i d i m ens i o nano o p p o r t u nam ent e l e r es i s t enze d el p ar t i t o r e. II f o t o d i o d o St r ut t u r a e c ar at t er i s t i c he S e l a g i u n z i o n e p n d i u n f o t o d i o d o, p o l a r i z z a t a i n v e r s a m e n t e, è s o t t o p o s t a a r a d i a z i o n i l u m i n o s e, a l l ' i n t e r n o d e l l a z o n a d i s v u o t a m e n t o s i g e n e r a u n a f o t o c o r r e n t e a c a u s a d e l l a r i c o m b i n a z i o n e d e l l e c o p p i e l a c u n e e l e t t r o n i. a c a r a t t e r i s t i c a c o r r e n t e / i l l u m i n a m e n t o d i u n f o t o d i o d o è q u a s i l i n e a r e e l a r i s p o s t a s p e t t r a l e d i p e n d e d a l t i p o d i m a t e r i a l e i m p i e g a t o p e r l a c o s t r u z i o n e e d a l l a p e r c e n t u a l e d i m a t e r i a l e d r o g a n t e. a s e n s i b i l i t à è b a s s a ( q u a l c h e d e c i n a d i n A / l x ). N e l l a f i g u r a s e g u e n t e è r i p o r t a t a l a c a r a t t e r i s t i c a d e l f o t o d i o d o I P 1 0 Q 2 0 [ S ]. e c a r a t t e r i s t i c h e e / e t t r i c h e s o n o r i p o r t a t e n e l l a t a b e l l a pag.6 10

7 pag.7 10

8 Ut i l i zzo Nel l a f i g u r a 5.6 è r i p o r t a t o l o s c h e m a d i u n c i r c u i t o d i u t i l i zza zi o n e d e l f o t o d i o d o IP ' am p l i f i c at o r e o p er az i o n al e c h e f u n g e d a c o n v er t i t o r e c o r r en t e t en s i o n e,ad el ev at a i m p ed en z a d ' i n g r es s o, c o n v er t e l a f o t o c o r r en t e i n t en s i o n e. ' a m p l i f i c a t o r e p e r s t r u m en t azi o n e r eal i zza l ' o f f s e t e d i l f at t o r e d i s c al a. Si l as c i a al l o s t u d en t e s t u d i o s o i l d i m en s i o n am en t o d el l a t en s i o n e d i r i f er i m en t o V E F e d el l a G (n el l o s c h em a el et t r i c o è r i p o r t at a c o m e s o m m a d i d u e r es i s t en z e p er l a t ar at u r a) i n f u n zi o n e d el l e s p ec i f i c h e d i p r o g et t o. pag.8 10

9 II fototransistor Appunti redatti dal Prof. Ing. Antonio Pontillo ez.12 St r u t t u r a e c ar at t er i s t i c h e II f o t o t r an s i s t o r è u n s en s o r e d i l u m i n o s i t à c h e s f r u t t a i l p r i n c i p i o d i f u n z i o n am en t o d el f o t o d i o d o. ' i n t en s i t à d i c o r r en t e, g en er at a d al i a g i u n zi o n e b as e em et t i t o r e, è am p l i f i c at a e l a s en s i b i l i t à p u ò r ag g i u n g er e v al o r i d i q u al c h e f i A /l x. Utilizzo Per au m en t ar e l a s en s i b i l i t à s i u t i l i zz a l a c o n n es s i o n e D ar l i n g t o n. I f o t o t r an s i s t o r t r o v a n o l ar g o i m p i eg o n ei f o t o ac c o p p i at o r i e n eg l i en c o d er i n c r em en t al i ed as s o l u t i. N el l a t ab el l a 5.4 s o n o r i p o r t at e l e c ar at t er i s t i c h e d el f o t o t r an s i s t o r d el l a H o n ey w el l [ SD P840 5] a r ag g i i n f r ar o s s i. pag.9 10

10 pag.10 10

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