Sensori di luce: principio, tipi, 5 applicazioni

Cos'è un sensore di luce?

Un sensore di luce è uno strumento fotoelettrico che converte l'energia luminosa oi fotoni (che possono variare dallo spettro infrarosso a quello ultravioletto) in un segnale elettrico (elettroni). Il sensore di luce genera un segnale elettrico in uscita avente un'energia corrispondente all'energia luminosa in ingresso. I sensori di luce sono anche definiti sensori fotografici o sensori fotoelettrici. 

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Qual è il principio dei sensori di luce?

Il principio di funzionamento del sensore di luce si basa sull'effetto fotoelettrico interno, che afferma che quando l'energia luminosa o i fotoni vengono bombardati su una superficie metallica può causare l'eccitazione e il salto degli elettroni liberi dal metallo con conseguente flusso di elettroni o corrente elettrica . La quantità di corrente prodotta dipende dall'energia del fotone (cioè lunghezza d'onda della luce). L'emissione di elettroni dalla superficie metallica avviene solo dopo che la luce raggiunge una certa frequenza di soglia che corrisponde all'energia minima richiesta dagli elettroni per rompere i legami metallici.

sensore di luce
Rappresentazione del bombardamento di fotoni con conseguente emissione di elettroni da una superficie metallica. Fonte immagine: PonorEffetto fotoelettrico in un diagramma a tinta unitaCC BY-SA 4.0

Come funziona un sensore di luce?

Il sensore di luce è costituito da un tubo fotoelettrico di altissima precisione. All'interno del tubo fotoelettrico è presente una piccola placca metallica piatta che si compone di “due tubi ad ago”. L'impatto della luce sulle estremità del tubo fotoelettrico quando viene applicata una pressione fissa inversa provoca il rilascio di elettroni o corrente elettrica. La generazione di corrente elettrica o la variazione della corrente elettrica dimostra la presenza di energia luminosa, cioè rileva la luce.

Quali sono i tipi di sensori di luce?

I sensori di luce possono essere di diversi tipi. Questi sensori possono generare energia in presenza di luce o varie altre proprietà elettriche. I tipi più comuni di sensori di luce sono celle fotovoltaiche, fotodiodi, foto-resistenze e foto-transistor.

Celle fotovoltaiche:

Le celle fotovoltaiche, come suggerisce il nome, seguono il principio dell'effetto fotovoltaico per convertire l'energia luminosa direttamente in energia elettrica. Queste cellule producono una forza elettromotrice proporzionale all'energia radiante ricevuta. Le celle al silicio a giunzione singola più popolari generano una tensione massima a circuito aperto da circa 0.5 a 0.6 Volt. Le celle solari utilizzano il selenio come materiale fotovoltaico.

Oltre a generare e immagazzinare energia elettrica, le celle fotovoltaiche fungono anche da fotorilevatori. Anche le cellule fotoconduttive e le cellule fotoemissive forniscono una funzione simile.

Celle a energia solare
Una cella solare fotovoltaica in silicio cristallino. Fonte immagine: autore sconosciuto, Celle a energia solare, contrassegnato come dominio pubblico, maggiori dettagli su Wikimedia Commons

Fotodiodi:

I sensori di luce a fotodiodi sono diodi che trasformano l'energia luminosa in un flusso di elettroni. I fotodiodi sono paragonabili ai comuni diodi a giunzione PN, ma invece di un involucro opaco, questi diodi hanno una lente trasparente per focalizzare la luce sulla giunzione PN. Questi diodi sono più sensibili alla luce con lunghezze d'onda maggiori, cioè la luce appartenente allo spettro del rosso e dell'infrarosso rispetto allo spettro visibile o ultravioletto. Il silicio e il germanio sono i materiali più comunemente usati in tali diodi. Poiché i fotodiodi sono sensibili alla luce infrarossa, offrono molte applicazioni in medicina.

Fotodio
Fotodiodi superiore (germanio), tre inferiori (silicio). Fonte immagine: http://Ulfbastel (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Fotodio.jpg), „Fotodio“, https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/legalcode

Foto-resistenze:

Le foto-resistenze sono anche note come resistori dipendenti dalla luce o LDR. Le foto-resistenze sono dispositivi che variano la sua resistenza in base alla quantità di energia luminosa che riceve. Minore è l'intensità della luce, maggiore è la resistenza. Questo perché più luce (intensità) garantisce più flusso di elettroni e quindi minore è la resistenza. Le celle al solfuro di cadmio (un materiale semiconduttore ad alta resistenza) che è sensibile alla luce infrarossa, sono utilizzate principalmente nelle foto-resistenze. A volte vengono utilizzati anche materiali come l'antimonuro di indio (InSb), il seleniuro di piombo (PbSe) e il solfuro di piombo (PbS). Le foto-resistenze impiegano un tempo considerevolmente più lungo (di circa pochi secondi) per rispondere alla luce esposta.

Foto-transistor:

I fototransistor possono essere indicati come fotodiodi con amplificazione. I foto-transistor hanno una giunzione PN collettore-base polarizzata inversa che è esposta alla sorgente di energia luminosa radiante. I fototransistor sono molto più sensibili (da circa 50 a 100 volte) rispetto ai fotodiodi a causa dell'amplificazione. I foto-transistor hanno transistor NPN bipolari con la regione di base elettricamente scollegata. Qui, l'energia della luce radiante è focalizzata sulla giunzione di base da una lente trasparente. I fototransistor sono ampiamente utilizzati nei telefoni cellulari e nelle automobili.

FototransistorSimbolo
Un simbolo di fototransistor NPN. fonte immagine: me stesso, FototransistorSimboloCC BY 3.0

Quali sono le applicazioni di un sensore di luce?

Nel corso degli anni, i sensori di luce sono stati utilizzati per una varietà di applicazioni come:

Celle solari:

Le celle fotovoltaiche sono comunemente utilizzate come celle solari per la generazione di elettricità. Nel corso degli anni, poiché l'utilizzo di fonti energetiche rinnovabili è diventato molto popolare, le celle solari svolgono un ruolo estremamente importante. Con l'invenzione delle celle solari, è stato possibile fornire energia elettrica a luoghi remoti.

Elettronica di consumo:

I sensori di luce vengono utilizzati per eseguire un'ampia gamma di funzioni in smartphone e tablet. I sensori di movimento e i sensori di luminosità automatica presenti negli smartphone utilizzano rilevatori di luce come i fototransistor. I dispositivi di controllo remoto che funzionano alla luce infrarossa utilizzano anche fotodiodi per svolgere le sue funzioni.

Vetture:

Sensori di luce o rilevatori di luce vengono utilizzati nelle automobili per rilevare la luce ambientale circostante. Questi rilevatori accendono automaticamente le luci dell'auto quando fa buio. Al giorno d'oggi, i rilevatori di luce vengono utilizzati anche per garantire una guida e un parcheggio sicuri in diversi modelli di auto.

Dispositivi di sicurezza:

I sensori di luce sono comunemente utilizzati per l'elaborazione dei carichi di spedizione al fine di garantire se le scatole sono adeguatamente sigillate o meno. Diversi tipi di sensori di movimento utilizzano anche rilevatori di luce che rilevano la variazione nell'esposizione della luce. I fotodiodi vengono utilizzati anche nei rilevatori di fumo presenti in uffici, aeroporti, treni, ecc.

Dispositivi agricoli:

Con lo sviluppo della tecnologia, i sensori di luce hanno contribuito anche al campo dell'agricoltura. Questi sensori rilevano la quantità di luce ambientale circostante per attivare il sistema di irrigazione a pioggia. I sensori di luce attivano gli irrigatori solo quando l'intensità della luce solare è inferiore per garantire un'adeguata idratazione delle colture.

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