Lichtsensoren

Wat is een lichtsensor?

Lichtsensoren vergezellen ons in vele levenssituaties. Van de camera in de smartphone tot de schemerschakelaar thuis en het lichtscherm in de lift. Dat deze sensoren vandaag alomtegenwoordig zijn, is niet in de laatste plaats te danken aan Albert Einstein, die in 1921 de Nobelprijs voor natuurkunde kreeg voor zijn verklaring van het "foto-elektrisch effect". Lees hier welke lichtsensoren de markt domineren, hoe ze werken en hoe hun praktisch gebruik eruit ziet.

Hoe werken lichtsensoren?

Licht heeft de vreemde eigenschap uit zowel golven als deeltjes te bestaan; deskundigen noemen dit de golf-deeltje dualiteit. Voor lichtsensoren spelen beide een rol: de golflengte bepaalt het deel van het elektromagnetische spectrum waarop het halfgeleidermateriaal van de sensor in principe reageert. De energie van de lichtdeeltjes (fotonen) wordt geabsorbeerd in de halfgeleider - er vloeit stroom. 
Momenteel domineren drie soorten lichtsensoren de markt: Fotodiodes, fototransistors en fotoresistors.

• Fotodiodes
  Fotodiodes zijn apparaten die licht rechtstreeks omzetten in elektrische stroom. Zij kunnen optische filters en ingebouwde lenzen bevatten en lijken op normale halfgeleiderdioden. Veel diodes die speciaal zijn ontworpen voor gebruik als lichtsensoren gebruiken een p-i-n junctie in plaats van een p-n junctie om de reactiesnelheid te verhogen. Een fotodiode is ontworpen om in de omgekeerde richting te werken.
• Fototransistors
  Fototransistors zijn lichtgevoelige transistors. Zij hebben een transparante behuizing zodat het licht de basis-collectorverbinding kan bereiken. De elektronen die bij deze overgang ontstaan, worden in de basis geïnjecteerd en versterkt door het transistoreffect. Als alleen de basis- en collectorlijn worden gebruikt, wordt de fototransistor een fotodiode. Hoewel fototransistoren een hogere lichtgevoeligheid hebben dan zuivere fotodiodes, kunnen zij lage lichtniveaus niet beter detecteren dan fotodiodes. De aanzienlijk langere reactietijd is ook een nadeel.

Waarvoor worden fotodiodes en fototransistors gebruikt?

• Als beeldsensor in digitale camera's
  In de hier overwegend gebruikte actieve pixel sensor (APS) komt elke pixel sensor eenheidscel overeen met een fotodiode en een of meer actieve transistors.
  MOS-veldeffecttransistoren (MOSFET's) worden gebruikt als versterkers in een metaaloxidehalfgeleider.
  Deze sensoren, bekend onder de naam CMOS, worden veel gebruikt in camera's voor mobiele telefoons of smartphones, webcamera's, de meeste moderne digitale pocketcamera's en digitale spiegelreflexcamera's (DSLR's).
• Als een schakelsensor in de scherming 
  De fotodiodes die in schemerschakelaars worden gebruikt, detecteren het omgevingslicht en schakelen de armaturen aan en uit afhankelijk van de lichtintensiteit. Schemerschakelaars worden vaak gebruikt voor buiten-, tuin- en decoratieve verlichting, alsook voor reclameverlichting en openbare verlichting. De sensorbehuizingen zijn gewoonlijk stof- en spatwaterdicht.
• Als ontvanger in infrarood afstandsbedieningen
  In de handel verkrijgbare afstandsbedieningen, bijvoorbeeld voor TV-toestellen, werken met infrarood licht. Aangezien de LED in de afstandsbediening verschillende commando's naar de ontvanger zendt, is een modulatie- of demodulatiecircuit nodig voor de zender en de ontvanger. Gewoonlijk worden banddoorlaatfilters gebruikt voor een bepaalde frequentie en worden de signalen gemoduleerd via de pulsbreedte en de pulslengte.
• Als ontvanger in lichtbarrières
  Zowel gevorkte als retro-reflecterende foto-elektrische sensoren en foto-elektrische naderingsschakelaars maken hoofdzakelijk gebruik van infrarode fotodiodes als ontvangelementen. Modulatie is niet nodig; voor grote afstanden tussen zender en ontvanger zijn de prestaties van de LED en de gevoeligheid van de fotodiode doorslaggevend.

• Als ontvanger in bewegingsmelders
  Bewegingsdetectoren reageren op het temperatuurverschil tussen de omgeving en een warmer voorwerp, bijvoorbeeld mensen of dieren. De meting gebeurt via een fotodiode voor passief infrarood, afgekort als PIR. Als de instelbare gevoeligheidsdrempel wordt bereikt, activeert de bewegingsmelder een actie via een relais, waarbij meestal de buitenverlichting wordt ingeschakeld.

• Als sensor voor gekleurd licht of omgevingslicht
  Speciale fotodiodes zijn voorzien van een RGB-filter en leveren verschillende stromen afhankelijk van de golflengte van het invallende licht. De waarden kunnen bijvoorbeeld worden gebruikt om de kleur van een display aan te passen of om voorwerpen op kleur te sorteren. Een RGB-fotodiode met een chip voor het meten van het omgevingslicht kan als regelaar worden gebruikt.

Wat is een fotoweerstand?

Een fotoweerstand is een actieve component die de weerstand vermindert in verhouding tot de lichtintensiteit: hoe feller het licht, hoe lager de weerstand. In het donker kan deze weerstand oplopen tot een paar megohms, in het licht slechts een paar honderd ohms. Het weerstandsbereik en de gevoeligheid van een fotoweerstand kunnen bij verschillende ontwerpen sterk uiteenlopen. Bovendien reageren fotolijstjes veel verschillend op fotonen binnen bepaalde golflengtebanden. Bovendien kan de weerstand sterk variëren naar gelang van de omgevingstemperatuur. Dit maakt ze ongeschikt voor toepassingen die bijvoorbeeld een nauwkeurige meting van fotonen vereisen. Fotoresistoren hebben ook een bepaalde latentie tussen de belichting en de daaropvolgende afname van de weerstand, die gewoonlijk ongeveer 10 milliseconden bedraagt. De vertragingstijd bij de overgang van een verlichte naar een donkere omgeving is nog groter en kan vaak tot één seconde oplopen.

Waarvoor worden fotoweerstanden gebruikt?

• Als ontvanger in artikelen voor dagelijks gebruik
  Goedkope cadmiumsulfidecellen zijn te vinden in tal van alledaagse apparaten, zoals lichtmeters voor camera's, wekkers, alarmtoestellen, nachtlampjes, buitenklokken en straatlantaarns. 
• Als een sensor voor geschakeld licht
  Fotoweerstanden kunnen in straatlantaarns worden geplaatst voor schakelcontrole. Het omgevingslicht dat op de fotoresistor valt, zorgt ervoor dat de straatverlichting uitgaat. Dit bespaart energie door ervoor te zorgen dat het licht alleen brandt tijdens de uren dat het donker is.
• Als sensor in een alarmsysteem
  Fotoweerstanden worden ook gebruikt in op laser gebaseerde beveiligingssystemen: Als een persoon of voorwerp de laserstraal kruist, verandert de lichtintensiteit en gaat er een alarm af.

FAQ veelgestelde vragen

Horen zonnepanelen ook bij lichtsensoren?

De conventionele zonnecel die wordt gebruikt om elektrische zonne-energie op te wekken, is uiteindelijk een fotodiode met een groot oppervlak. De meeste modules maken gebruik van wafer-gebaseerde kristallijne siliciumcellen of dunne-film cellen.

Welke halfgeleidermaterialen worden gebruikt voor fotoresistoren?

Voor het midden-infraroodspectrum worden vaak loodsulfide (PbS) en indiumantimonide (InSb) gebruikt. Ge:Cu fotogeleiders behoren tot de beste ver-infrarood detectoren die beschikbaar zijn en worden gebruikt voor infrarood astronomie en infrarood spectroscopie. Belangrijk: Het gebruik van CdS- en CdSe-fotoresistoren is in Europa aan strenge beperkingen onderworpen wegens het RoHS-verbod op cadmium.

Zijn er ook kant-en-klare lichtsensoren, bijvoorbeeld voor gebouwentechniek?

Ja, vooral voor gebouwentechnologie zijn er kant-en-klare lichtsensoren op de markt die alleen nog maar hoeven te worden aangesloten. Deze toestellen zijn ontworpen voor continu gebruik en zijn beveiligd tegen overspanning en transiënten. Vaak is er ook een keuze tussen gelijk- of wisselspanning. De gemeten waarde moet worden uitgevoerd als een 0...10 V standaard signaal.