مستشعرات الضوء: المبدأ ، الأنواع ، 5 تطبيقات


ما هو مستشعر الضوء؟

مستشعر الضوء هو أداة كهروضوئية تقوم بتحويل الطاقة الضوئية أو الفوتونات (التي يمكن أن تتراوح من الأشعة تحت الحمراء إلى الطيف فوق البنفسجي) إلى إشارة كهربائية (إلكترونات). يولد مستشعر الضوء إشارة خرج كهربائية لها طاقة تقابل طاقة ضوء الإدخال. يُطلق على مستشعرات الضوء أيضًا اسم مستشعرات الصور أو المستشعرات الكهروضوئية. 

المحتويات

ما هو مبدأ حساسات الضوء؟

يعتمد مبدأ عمل مستشعر الضوء على التأثير الكهروضوئي الداخلي ، والذي ينص على أنه عند قصف الطاقة الضوئية أو الفوتونات على سطح معدني ، يمكن أن يتسبب ذلك في إثارة الإلكترونات الحرة من المعدن والقفز للخارج مما يؤدي إلى تدفق الإلكترون أو التيار الكهربائي . تعتمد كمية التيار الناتج على طاقة الفوتون (أي الطول الموجي للضوء). يحدث انبعاث الإلكترونات من السطح المعدني فقط بعد أن يصل الضوء إلى تردد حد معين يتوافق مع الحد الأدنى من الطاقة التي تتطلبها الإلكترونات لكسر الروابط المعدنية.

جهاز استشعار الضوء
تمثيل لقصف الفوتون مما يؤدي إلى انبعاث الإلكترون من سطح معدني. مصدر الصورة: مانحالتأثير الكهروضوئي في رسم بياني صلبCC BY-SA 4.0

كيف يعمل مستشعر الضوء؟

يتكون مستشعر الضوء من أنبوب كهروضوئي عالي الدقة. داخل الأنبوب الكهروضوئي ، توجد لوحة معدنية مسطحة صغيرة تتكون من "أنبوبين من نوع الإبرة". ينتج عن تأثير الضوء على نهايات الأنبوب الكهروضوئي عند تطبيق ضغط ثابت عكسي إطلاق الإلكترونات أو التيار الكهربائي. يوضح توليد التيار الكهربائي أو التباين في التيار الكهربائي وجود طاقة ضوئية أي أنها تستشعر الضوء.

ما هي أنواع حساسات الضوء؟

يمكن أن تكون أجهزة استشعار الضوء من عدة أنواع. يمكن لهذه المستشعرات إما أن تولد الطاقة في وجود الضوء أو في وجود خصائص كهربائية مختلفة. أكثر أنواع أجهزة استشعار الضوء شيوعًا هي الخلايا الكهروضوئية والصمامات الضوئية والمقاومات الضوئية والترانزستورات الضوئية.

الخلايا الضوئية:

تتبع الخلايا الكهروضوئية ، كما يوحي الاسم ، مبدأ التأثير الكهروضوئي لتحويل الطاقة الضوئية مباشرة إلى طاقة كهربائية. تنتج هذه الخلايا قوة دافعة كهربائية تتناسب مع الطاقة المشعة المتلقاة. تولد خلايا السيليكون أحادية الوصلة الأكثر شيوعًا جهدًا أقصى للدائرة المفتوحة يبلغ 0.5 إلى 0.6 فولت. تستخدم الخلايا الشمسية السيلينيوم كمادة كهروضوئية.

بصرف النظر عن توليد الطاقة الكهربائية وتخزينها ، تعمل الخلايا الكهروضوئية أيضًا ككاشفات ضوئية. توفر الخلايا الموصلة للصور والخلايا الباعثة للضوء أيضًا وظيفة مماثلة.

خلية شمسية بلورية من السيليكون. مصدر الصورة: مؤلف غير معروف ، الخلايا الشمسية، تم تمييزه كملك عام ، مزيد من التفاصيل حول ويكيميديا ​​كومنز

الثنائيات الضوئية:

مستشعرات ضوء الثنائي الضوئي عبارة عن صمامات ثنائية تقوم بتحويل الطاقة الضوئية إلى تدفق للإلكترونات. الثنائيات الضوئية قابلة للمقارنة مع الثنائيات الشائعة للوصلات PN ، ولكن بدلاً من الغلاف المعتم ، تحتوي هذه الثنائيات على عدسة شفافة لتركيز الضوء على تقاطع PN. هذه الثنائيات أكثر حساسية تجاه الضوء ذات الأطوال الموجية الأطول ، أي الضوء الذي ينتمي إلى الطيف الأحمر والأشعة تحت الحمراء من الطيف المرئي أو فوق البنفسجي. السليكون والجرمانيوم هما أكثر المواد استخدامًا في مثل هذه الثنائيات. نظرًا لأن الثنائيات الضوئية حساسة لضوء الأشعة تحت الحمراء ، فإنها توفر الكثير من التطبيقات في الطب.

الثنائيات الضوئية العلوية (الجرمانيوم) ، الثلاثة السفلية (السيليكون). مصدر الصورة: http://Ulfbastel (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Fotodio.jpg), „Fotodio“, https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/legalcode

المقاومات الضوئية:

تُعرف المقاومات الضوئية أيضًا باسم المقاومات المعتمدة على الضوء أو LDR. المقاومات الضوئية هي أجهزة تختلف مقاومتها بناءً على كمية الطاقة الضوئية التي تتلقاها. كلما انخفضت شدة الضوء ، زادت المقاومة. وذلك لأن المزيد من الضوء (الشدة) يضمن تدفقًا أكبر للإلكترونات وبالتالي تكون المقاومة أقل. تستخدم خلايا كبريتيد الكادميوم (مادة شبه موصلة عالية المقاومة) حساسة تجاه ضوء الأشعة تحت الحمراء ، في الغالب في المقاومات الضوئية. في بعض الأحيان ، يتم أيضًا استخدام مواد مثل أنتيمونيد الإنديوم (InSb) وسيلينيد الرصاص (PbSe) وكبريتيد الرصاص (PbS). تستغرق مقاومات الصور وقتًا أطول بكثير (حوالي بضع ثوانٍ) للاستجابة للضوء المكشوف.

صور الترانزستورات:

يمكن الإشارة إلى الترانزستورات الضوئية على أنها ثنائيات ضوئية ذات تضخيم. تحتوي الترانزستورات الضوئية على تقاطع PN ذو قاعدة تجميع عكسية منحازة والتي تتعرض لمصدر طاقة الضوء المشع. تعتبر الترانزستورات الضوئية أكثر حساسية (حوالي 50 إلى 100 مرة) مقارنة بالديودات الضوئية بسبب التضخيم. تحتوي الترانزستورات الضوئية على ترانزستورات NPN ثنائية القطب مع منطقة القاعدة غير متصلة كهربائيًا. هنا ، تتركز طاقة الضوء المشع على تقاطع القاعدة بواسطة عدسة شفافة. تستخدم الترانزستورات الضوئية على نطاق واسع في الهواتف المحمولة والسيارات.

رمز الترانزستور الضوئي NPN. مصدر الصورة: نفسي ، الترانزستور الضوئيCC BY 3.0

ما هي تطبيقات حساس الضوء؟

على مر السنين ، تم استخدام مستشعرات الضوء لمجموعة متنوعة من التطبيقات مثل:

الخلايا الشمسية:

تستخدم الخلايا الكهروضوئية بشكل شائع كخلايا شمسية لتوليد الكهرباء. على مر السنين ، مع انتشار استخدام مصادر الطاقة المتجددة بشكل كبير ، تلعب الخلايا الشمسية دورًا مهمًا للغاية. مع اختراع الخلايا الشمسية ، أصبح من الممكن توفير الطاقة الكهربائية للأماكن النائية.

مستهلكى الكترونيات:

تستخدم مستشعرات الضوء لأداء مجموعة واسعة من الوظائف في الهواتف الذكية والأجهزة اللوحية. تستخدم مستشعرات الحركة ومستشعرات السطوع التلقائي الموجودة في الهواتف الذكية أجهزة كشف الضوء مثل ترانزستورات الصور. تستخدم أجهزة التحكم عن بعد التي تعمل في ضوء الأشعة تحت الحمراء أيضًا صمامات ثنائية ضوئية لإجراء وظائفها.

السيارات:

تستخدم مستشعرات الضوء أو أجهزة الكشف عن الضوء في السيارات لاكتشاف الضوء المحيط. تقوم هذه الكاشفات تلقائيًا بتشغيل مصابيح السيارة عندما يحل الظلام. في الوقت الحاضر ، تُستخدم أجهزة الكشف عن الضوء أيضًا لضمان القيادة الآمنة ومواقف السيارات في العديد من طرازات السيارات.

الأجهزة الأمنية:

تستخدم مستشعرات الضوء بشكل شائع لمعالجة شحنات الشحن من أجل ضمان ما إذا كانت الصناديق محكمة الإغلاق أم لا. تستخدم عدة أنواع من مستشعرات الحركة أيضًا أجهزة كشف الضوء التي تستشعر الاختلاف في التعرض للضوء. تُستخدم الثنائيات الضوئية أيضًا في أجهزة الكشف عن الدخان الموجودة في المكاتب والمطارات والقطارات وما إلى ذلك.

الأجهزة الزراعية:

مع التطور التكنولوجي ، ساهمت أجهزة استشعار الضوء في مجال الزراعة أيضًا. تكتشف هذه المستشعرات كمية الضوء المحيط لتفعيل نظام الري بالرش. تعمل مستشعرات الضوء على تنشيط الرشاشات فقط عندما تكون شدة ضوء الشمس أقل لضمان الترطيب الكافي للمحاصيل.

لمعرفة المزيد عن الطاقة الضوئية قم بزيارة https://lambdageeks.com/light-energy-light-energy-examples-and-uses/

سانشاري تشاكرابورتي

أنا متعلم شغوف ، مستثمر حاليًا في مجال البصريات التطبيقية والضوئيات. أنا أيضًا عضو نشط في SPIE (الجمعية الدولية للبصريات والضوئيات) و OSI (الجمعية البصرية في الهند). تهدف مقالاتي إلى تسليط الضوء على موضوعات البحث العلمي عالية الجودة بطريقة بسيطة ولكنها غنية بالمعلومات. العلم يتطور منذ زمن سحيق. لذا ، أحاول أن أستفيد من التطور وأقدمه للقراء. دعنا نتواصل من خلال https://www.linkedin.com/in/sanchari-chakraborty-7b33b416a/

آخر المقالات