63
()()
8.1
2
1
21
2
3
VV
R
R
Ra
R
V
o
−






+=

b. Mạch cầu Wheatstone
:
Mạch cầu Wheastone dùng để chuyển đổi sự thay đổi của điện trở thành sự thay đổi
của điện áp trên đường chéo của cầu.
Vcc
Ro

∆+
∆
=








−
∆+
∆+
=∆

Nếu ∆R << R
o
thì biểu thức trên có thể viết lại như sau:
()
10.1
4
cc
o
V
R
R
U
∆
=∆

của vật liệu
Các chất PbS, CdS, CdSe có điện trở vùng tối rất cao ( từ 10
4
tới 10
5
Ω ở 25
o
C), trong
khi đó SbIn, AbSs, CdHgTe có điện trở vùng tối tương đối nhỏ (từ 10 tới 10
3
Ω ở 25
o
C).
Khi được chiếu sáng, điện trở cửa tế bào quang dẫn giảm xuống rất nhanh, quan hệ
giữ điện trở của tế bào quang dẫn và độ rọi sáng:
(
)
1.2.
γ
−
Φ= aR
c

Trong đó a là hằng số phụ thuộc vào vật liệu, 0,5 < γ < 1
Hình 2.1 biểu diễn quan hệ giữa điện trở của tế bào quang dẫn và độ rọi sáng.
5
10
4
10
3
10
2
10
8
0,01 0,1 1 10 1001000

65
Độ nhạy của tế bào quang dẫn:
()
3.2
1−
Φ=
Φ
=
γ
γ
a
V
d
dI
s

- Ứng dụng của tế bào quang dẫn
:
Tế bào quang dẫn thường được dùng để đo thông lượng ánh sáng, kết hợp với nguồn

ngoại.
Hình 2.5 Cấu tạo của photo diode
- Nguyên lý làm việc của photo diode
:
Khi chiếu sáng lên bề mặt của photo diode bằng bức xạ có bước sóng nhỏ hơn bước
sóng ngưỡng λ < λ
n
sẽ xuất hiện thêm các cặp điện tử – lỗ trống. Để các hạt này có thể
tham gia vào độ dẫn và làm tăng dòng điện I ta cần phải ngăn quá trình tái hợp của chúng
Vùng nghèo
p
n
Chuyển tiếp
E

66
nghóa là phải nhanh chóng tách cặp điện tử – lỗ trống dưới tác dụng của điện trường. Quá
trình này chỉ xảy ra trong vùng nghèo và làm tăng dòng điện ngược.
- Các chế độ làm việc của photo Diode
:
+ Chế độ quang dẫn
:
Ở chế độ quang dẫn, photo diode được phân cực ngược bởi nguồn sức điện động E như hình
2.6:

p
là dòng quang điện khi ánh
sáng đạt tới vùng nghèo sau khi qua bề dày X của lớp bán dẫn.
(
)
5.2
X
op
eKI
α
−
Φ=
K là hằng số, Φ
o
là quang thông bên ngoài lớp bán dẫn, α ≈ 10
5
[cm
-1
], V
d
là điện áp
ngược trên photo diode.
Khi V
d
có giá trò đủ lớn thì: I
r
= I
o
+ I
p
Hình 2.7 Đặc tuyến I-V với thông lượng ánh sáng khác nhau của photo diode
R
E
I
r
0-5-10-15-20-E-30-35
10
20
30
70
50
60
I
r
0V
d
50
µ
W
100
µ
W
150
µ
W

IeI
b

()
11.21ln








+=∆
o
p
b
I
I
q
kT
v

Sự thay đổi của hàng rào điện thế này được xác đònh bằng cách đo hiệu điện thế trên
photo diode ở trạng thái hở mạch.
Khi chiếu sáng yếu: I
p
<< I
o
, phương trình (2.11) có thể viết lại:

13.2ln








=∆
o
p
b
I
I
q
kT
v

Với I
p
được tính trong công thức (2.5) thì từ (2.13) ta thấy điện áp trên photo diode
phụ thuộc theo thông lượng ánh sáng theo hàm logarit.
- Độ nhạy của photo diode
:
()
14.2
X
o
p

R3

68
Vo
+
-
3
2
1
8 4
R1
R2

Hình 2.8 Sơ đồ mạch đo dùng photo diode ở chế độ quang thế
c. Photo transistor
:
- Cấu tạo của photo transistor và nguyên lý làm việc của transistor quang
:
Photo transistor là transistor silic loại NPN mà vùng Bazơ có thể được chiếu sáng. Khi
không có điện áp đặt lên Bazơ chỉ có điện áp đặt lên Colector, chuyển tiếp BC bò phân cực
ngược như hình 2.9. Hình 2.9 Sơ đồ mạch đo dùng transistor quang

(2.16)
Trong (2.16) thì β là hệ số khuếch đại dòng khi emiter nối chung.
- Độ nhạy của transistor quang
:
() ()
17.21
X
o
c
eK
d
dI
s
α
β
−
+=
Φ
=
- Ứng dụng của transistor quang
:

Transistor có thể dùng để do thông lượng ánh sáng, dò vạch dẫn đường cho mobile
robot, làm đầu thu trong các bộ điều khiển từ xa không dây, đọc mã vạch, chế tạo cáac cảm
biến quang trong công nghiệp …

E
R
E
Q3

:
Sau đây là một số dạng của cảm biến quang trong công nghiệp của hãng OMRON: Hình 2.11 Dạng thu phát chung không cần gương phản xạ
Đ
ầu thu
R
Mạch ra
Led phát
Transistor
q
uan
g
thu
Thấu kính
ho
ä
i tu
ï
Đầu
p
hát
Hình 2.10.a Cấu ta
ï
o cảm biến
q

q
uan
g
dạn
g
thu
p
hát chun
g

Mạch ra

70 Hình 2.12 Dạng thu phát riêng

Hình 2.13 Dạng thu phát chung có gương phản xạ

Hình 2.14 Cảm biến sợi quang
- Cấu trúc mạch ra của cảm biến quang

Mạch cảm
biến
Tải
GND
10-30VDC
Nâu
Đen
Xanh
Đèn báo
Hình 2.16 Ma
ï
ch ra kiểu transistor PNP cư
ï
c thu để hở

71

II.2
Ứng Dụng Của Cảm Biến Quang
:

Dùng để phát hiện sự vật thể tại một vò trí đònh trước như: dùng làm cảm biến phát
hiện sản phẩm trong các hệ thống đếm sản phẩm và đóng thùng sản phẩm, phát hiện có vật
cản ngay cửa của các thang máy, phát hiện chấm đen ở đầu bao bì trong các hệ thống đóng
gói sản phẩm, dùng đo tốc độ động cơ … Dưới đây trình bày một số ví dụ ứng dụng của cảm
biến quang.
Ví dụ 1
: Ứng dụng cảm biến quang để phát hiện đầu vật liệu trong hệ thống cắt sản phẩm
theo chiều dài



Cảm biến quang
Hộp sữa
Băng tải
Thành băng tải
Cảm biến quang
Băng tải
Thực phẩm
Cảm biến quang
Băng tải
Gương phản xạ