De rol van optische sensoren in elektronische toepassingen

Dit artikel beschrijft de werkingsprincipes van optische sensoren, optische sensortypes, overwegingen voor optische sensorselectie en belangrijke toepassingen.

Optische sensoren zijn elektronische componenten die zijn ontworpen om invallende lichtstralen te detecteren en om te zetten in elektrische signalen. Deze componenten zijn nuttig om de intensiteit van invallend licht te meten en om te zetten in een vorm die afleesbaar is door een geïntegreerd meetapparaat, afhankelijk van het sensortype.

Dit artikel beschrijft de werkingsprincipes van optische sensoren, optische sensortypes, overwegingen voor optische sensorselectie en belangrijke toepassingen.

Voorbeeld van een optische sensor. Afbeelding met dank aan ROHM

Toepassingen van optische sensoren

Optische sensoren zijn alomtegenwoordige componenten in elektronische apparaten en apparatuur die worden gebruikt in de industriële, consumenten-, gezondheidszorg- en automobielsector.

Medisch en gezondheidszorg

Met de ongekende behoefte aan contactloze detectie als gevolg van de wereldwijde pandemie, zijn optische sensoren gebruikt in dispensers voor ontsmettingsmiddelen bij langdurige zorginstellingen om naleving van de gezondheids- en veiligheidsvoorschriften te garanderen.

Andere medische toepassingen zijn onder meer biomedische apparaten voor ademanalyse en hartslagmeting. Ademanalyse kan worden bereikt met behulp van een afstembare diodelaser, terwijl de reflectie van licht terug naar de sensor door de huid de menselijke hartslag nauwkeurig kan volgen in een proces dat bekend staat als fotoplethysmografie. Draagbare draagbare sensoren maken gebruik van optische sensoren voor zowel geautomatiseerde als handmatige tracking van de gezondheidsstatus en vitale functies van gebruikers.

Industrieel/commercieel

In industriële en commerciële toepassingen worden optische sensoren ook gebruikt voor afstands- en temperatuurmeting en automatisering in Industrie 4.0-toepassingen. Optische sensoren kunnen bijvoorbeeld vloeistofniveaus detecteren in procestechnische faciliteiten, zoals petroleumniveaus in tankparken en koolwaterstofraffinaderijen, door een infrarood-LED, lichttransistor en een transparante prismatip te integreren.

Optische sensoren maken ook geautomatiseerde controle mogelijk door de aanwezigheid van componenten op fabrieksvloeren te detecteren.

Consumentenelektronica

Optische sensoren worden ook gebruikt voor het detecteren van omgevingslicht in consumentenelektronica zoals smartphones, met voordelen zoals het verlengen van de levensduur van de batterij en het optimaliseren van de schermhelderheid om de hoeveelheid verlichting in de omgeving aan te passen.

Het onderstaande schema (Figuur 1) integreert een microcontroller en een met automatische lichtregeling uitgeruste LED-driver-IC om een ​​uitgangsstroom te bereiken die evenredig is met de hoeveelheid omgevingslicht en de spectrale gevoeligheid van het menselijk oog na te bootsen.

Afbeelding 1. IC-blokdiagram omgevingslichtsensor. Afbeelding met dank aan ROHM

Foto-onderbrekers en fotosensoren van het reflecterende type worden gebruikt voor optische detectie in printers en 3D-scanners voor industriële en retailtoepassingen. Optische sensoren worden ook gebruikt in bewakingsapparatuur in commerciële en residentiële gebouwen om indringers te detecteren.

Soorten optische sensoren

De meest voorkomende typen optische sensoren zijn:

• Foto-onderbrekers van het transmissietype detecteren de aanwezigheid van objecten door licht te onderscheppen en worden veel gebruikt in toepassingen zoals positiewaarneming en rotatiesnelheidsmetingen
• Reflecterende fotosensoren de beweging van objecten detecteren door de reflectie van licht erover te meten
• Fotogeleidende apparaten elektrisch geleidend worden door invallende lichtstralen te absorberen
• Fotodiodes invallend licht omzetten in elektrische stroom
• Fototransistoren vergelijkbare resultaten behalen als fotodiodes wanneer de basis-collectorovergang wordt blootgesteld aan licht

Werking van optische sensoren

Optische detectietechnologieën vereisen monochromatische, compacte en betrouwbare lichtbronnen om effectief te kunnen functioneren. Veelgebruikte lichtbronnen die geschikt zijn voor optische sensorverlichting zijn LED's en lasers.

Light-emitting diodes (LED's) produceren licht wanneer elektronen worden gecombineerd met gaten op een kruising van n- en p-gedoteerde halfgeleiders om het vrijkomen van fotonen te bevorderen. Aan de andere kant wordt een laser geproduceerd door de elektrische excitatie van elektronen in de atomen van bepaalde materialen, zoals glas of kristallen.

Afbeelding 2. Blokschema optische naderingssensor. Afbeelding met dank aan ROHM

Verschillende soorten optische sensoren werken echter iets anders.

De maximale stroom die een op een uitgangstrap gebaseerde fototransistor kan aansturen in foto-onderbrekers, hangt af van de hoeveelheid licht die het ontvangt. Wanneer licht op de fototransistor schijnt (d.w.z. geen object in de opening), vertonen foto-onderbrekers een LAGE output.

Figuur 3. Foto-onderbreker constructie. Afbeelding met dank aan ROHM

Omgekeerd vertonen foto-onderbrekers een HOGE output met de aanwezigheid van een object. Ingenieurs kunnen de mogelijkheden van foto-onderbrekers benutten door de uitgang aan te sluiten op een microcontroller of logisch apparaat voor optische besturing.

Ontwerpoverwegingen

Reactietijden, kosten, grootte en gevoeligheid zijn essentiële overwegingen voor ingenieurs die optische sensoren in hun ontwerpen willen integreren.

Reactietijd verwijst naar de tijd die een optische sensor nodig heeft om te reageren op invallend licht en is van cruciaal belang in verschillende toepassingen. Snellere responstijden resulteren doorgaans in hogere optische detectie-efficiënties. Veel optische sensoren (Figuur 4) bevatten circuits voor responstijdmeting in hun ontwerpen om rekening te houden met hun vertragings-, stijg- en daaltijdmogelijkheden.

Figuur 4. Productafbeelding van de RPI-246 (links) en de RPI-44C1E (rechts). Afbeelding met dank aan ROHM

Evenzo zijn de kosten een essentiële vereiste voor het ontwerpen van optische sensoren. Veel factoren zijn van invloed op de totale ontwerpkosten van optische sensoren, waaronder de aanschaf van hardware/software, testen en onderzoek en ontwikkeling.

Sensoren zijn er ook in verschillende maten, afhankelijk van hun type en specifieke toepassingen. Typische afmetingen van foto-onderbrekers variëren bijvoorbeeld van 3,6 x 3,3 mm tot 8 x 4,2 mm. Door de snelle miniaturisatie zullen ontwerpers vaak kiezen voor kleinere optische sensoren met een balans tussen hoge prestaties en lagere kosten.

Bovendien geven ontwerpers de voorkeur aan sensoren die gevoelig zijn voor een breder spectrum van licht, inclusief zichtbaar en infrarood. Hogere gevoeligheden tot ±40 kunnen tot vier keer snellere metingen van nabijheid en omgevingslicht bereiken.

Voordelen van optische sensoren

Optische sensoren bieden verschillende voordelen in verschillende toepassingen, waaronder:

• Lichtgewicht pakket
• Immuniteit voor elektromagnetische interferentie (EMI)
• Betrouwbaarheid
• Breed dynamisch bereik
• Hoge gevoeligheid

Bovendien zijn ze zeer geschikt voor het bewaken van meerdere chemische en fysische verschijnselen en zijn ze chemisch inert, wat van cruciaal belang is in gevaarlijke en brandbare omgevingen.

Bovendien is in het licht van de pandemie de behoefte aan contactloze detectie ongekend hoog. Optische sensoren kunnen worden gebruikt om innovatieve oplossingen te ontwerpen in industriële en commerciële omgevingen om de naleving van veiligheid en gezondheid te vergemakkelijken.

ROHM-oplossingen voor optische detectie in elektronische toepassingen

ROHM is een leverancier van hoogwaardige optische sensoroplossingen. ROHM-sensoren bieden een hoge mate van gevoeligheid, wat van cruciaal belang is in een breed scala aan toepassingen, bijvoorbeeld automatisering, bewegingsdetectie, meting, beveiliging, bewaking en nog veel meer.

De optische detectieoplossingen omvatten nabijheids- en omgevingslichtsensoren, foto-onderbrekers, infrarood-LED's, fotosensoren, fotodiodes, fototransistoren, omgevingslichtsensor-IC's en 4-richtingsdetectoren. ROHM's optische sensoren bieden een breed bedrijfstemperatuurbereik (-25 tot +85°C) en worden geleverd in compacte verpakkingen voor optimale ruimtebesparing.

Bezoek de website voor meer informatie over ROHM's optische detectieoplossingen.

Industrieartikelen zijn een vorm van inhoud waarmee branchepartners nuttig nieuws, berichten en technologie kunnen delen met lezers van All About Circuits op een manier waarop redactionele inhoud niet goed geschikt is. Alle brancheartikelen zijn onderworpen aan strikte redactionele richtlijnen met de bedoeling de lezers nuttig nieuws, technische expertise of verhalen te bieden. De standpunten en meningen in brancheartikelen zijn die van de partner en niet noodzakelijk die van All About Circuits of zijn schrijvers.