شرح الثنائي الحساس للضوء Photo Diode
ما هو الثنائي الحساس للضوء؟
تعريف
الثنائي الحساس للضوء، هو ثنائي يعمل على تمرير التيار الكهربائي عندما يتعرض
للضوء، ويوصل في الدارات الالكترونية بحيث يكون في حالة انحياز عكسي، ويغلّف
بأسطوانة تسمح بمرور الضوء إليه من خلال نافذة زجاجية صغيرة. والشكل التالي يَعرض
عدداً مِنَ الثنائياتِ الضوئيةِ المختلفةِ:
أنواع الثنائي الحساس للضوء
هنالك أنواع
أساسية للثنائي الضوئي والذي يعرف بالثنائي الحساس للضوء وهي:
1- الثنائي الحساس للضوء المرئي Visible Light PhotoDiode
يقوم هذا النوع من الثنائيات باستشعار الضوء
الساقط عليه والذي تستطيع العين البشرية أن تتحسسه وتراه. ويتواجد هذا النوع من
الثنائيات في الكثير من التطبيقات العملية التي سيتم ذكرها في الأسفل.
2- الثنائي الحساس للأشعة تحت الحمراء IR PhotoDiode
يستشعر هذا النوع من الثنائيات الضوئية الأشعة
تحت الحمراء الساقطة عليه كما هو الحال في البوابات الالكترونية وماكينات التصوير
والتحكم في التلفاز عن بعد وغيرها.
3- الثنائي الحساس للأشعة فوق البنفسجية UV PhotoDiode
يتم استخدام هذا النوع من الثنائيات في معظم
التطبيقات العلمية أهمها:
- استشعار كمية الأشعة فوق البنفسجية المتسربة
من طبقة الأوزون والتحذير منها UV exposure measurements.
- استشعار ألسنة اللهب قبل انبعاثها إلى مراحل
متقدمة Flame Detection.
- الحسابات المتعلقة بعلم الفضاء والنجوم
والأطياف Spectroscopy.
- طرق علاج وتصفية المياه Water
Treatment.
- التأكد من صلاحية الغذاء Food
Inspection.
ما هو رمز الثنائي الحساس للضوء في الدارات الإلكترونية؟
هنالك
العديد من الرموز التي تشير إلى الثنائي الضوئي، لكن تتشارك جميعها بوجود رمز
الثنائي مشاراً إليه سهمين متجهين من الخارج إلى الداخل كما في الرموز التالية:
كيف يعمل الثنائي الحساس للضوء؟
طريقة عمل
الثنائي الحساس للضوء مبنية على أنه يقوم بالسماح للتيار الكهربائي بالنفاذ من
خلاله لدى تعرضه للضوء. ولا تعتمد شدة التيار المارة منه على كمية الضوء الساقطة
عليه. إذ أن الثنائي الحساس للضوء عند سقوط كمية محددة من الضوء عليه يسمح للتيار
الكهربائي بالمرور من خلاله وكأنه ثنائي عادي. ومن هنا نلاحظ أن تأثر الثنائي
الحساس للضوء (حساسية الثنائي الضوئي) لمستويات الإضاءة قليلة وفي بعض الأحيان
تكاد لا تذكر. وذلك على عكس ميزة المقاومة الضوئية LDR والتي تتفاوت فيها درجة سماح مرور التيار
الكهربائي من خلالها بحسب مستوى شدة الإضاءة المتعرضة اليها.
مكونات وتركيب الثنائي الحساس للضوء؟
يتكون الثنائي الضوئي كسائر الثنائيات الأخرى
من طرفين؛ هما المهبط (كاثود) Cathode
والذي يشير إلى القطب السالب، والمصعد (أنود) Anode والذي يشير إلى القطب الموجب. إضافة لذلك القطبين، هنالك قطعة
زجاجية لاستشعار الضوء الساقط عليه وتمرير الالكترونات من المهبط إلى المصعد (وضع
الانحياز العكسي) وتكوين تيار كهربائي ليمر فيه.
كيف يتم توصيل الثنائي الحساس للضوء Photo Diode
طريقة توصيل الثنائي الحساس للضوء في الدارات
الكهربائية تقوم على ربط الثنائي الضوئي PhotoDiode بوضع الانحياز العكسي في الدارات الالكترونية مع ربط مقاومة حماية
على التوالي مع ذلك الثنائي الضوئي كما في دارة تقسيم الجهد التالية:
طريقة عمل وتوصيل دارة إنذار بوجود الضوء باستخدام الثنائي الضوئي
في الشكل التالي دارة الكترونية تقوم بتشغيل
السماعة والإنذار بوجود ضوء تم الكشف عنه بوساطة ذلك الثنائي الضوئي مستخدمة دارة
التايمر المتكاملة NE555:
استخدامات وتطبيقات الثنائي الحساس للضوء
يستعمل الثنائي الحساس للضوء في العديد من
التطبيقات
1- كاشف حساس للضوء، كالمختبرات العلمية مثل تمثيل
البناء الضوئي.
2- أجهزة الإنذار، الخزنات البيتية والبنوك.
3- يعمل الثنائي الضوئي في مجال الاتصالات ومعالجة
الإشارات عن طريق تحويل الإشارات الضوئية إلى كهربائية. وذلك نراه بوضوح في
معالجات خطوط الألياف البصرية Fiber Optics.
4 - استقبال الإشارة الضوئية المحملة بالمعلومات
والمنبعثة من مصدر ضوئي مثل الليزر وذلك نراه بوضوح في قارئة الأقراص المدمجة CD
Drivers.
5- يدخل الثنائي لحساس للضوء في صناعة مستشعرات
الحرائق الحساسة، والتي تستشعر وجود مصدر حراري عن بعد لإنذار المسؤولين عن احتمال
وجود أو نشوب حريق.
6 - تتواجد الثنائيات الضوئية في عدد كبير من
الماكينات الطبية الحديثة، والتي تسهم في إبداء رد فعل في تلك الماكينات بما يناسب
حاجة المريض أو الطبيب المشرف الذي يستخدم تلك الماكينات الطبية.
7- تدخل الثنائيات الضوئية في صناعة أجهزة التلفاز
الذكية التي تستشعر حركات الريموت كونترول عن بعد.
8 – وأخيرا، تتواجد الثنائيات الضوئية
في مستشعرات الحركة وخاصة في المتاحف وأسفل القطع التي لا يجب تحريكها، وخاصة بهدف
عدم سرقتها.
خصائص ومميزات الثنائي الحساس للضوء
1- يعمل
الثنائي الضوئي في وضع تشغيل الانحياز العكسي وعليه فإنه يستهلك مقدارا ضئيلا من
الطاقة الكهربائية بحسب نوعه (أي إذا كان مصنوعاً من الجيرمانيوم Ge أم السيليكون Si).
2- القدرة
على قراءة الموجات المربعة (Digital Waves)
أو الإشارات الرقمية (Digital Signals) على شكل نظام ثنائي 1
أو 0
،
وذلك بسبب عدم تأثر كمية مرور التيار الكهربائي عبر الثنائي الحساس للضوء بمستوى
الضوء الساقط عليها كما ذكرنا سابقاً.
3- يمتاز
الثنائي الحساس للضوء بحساسية عالية
جدا في قراءته للضوء الساقط عليه.
وهذا ما يميزه عن المقاومة الضوئية LDR.
إذ أن حساسية استجابة الثنائي الضوئي للضوء تكون ضمن علاقة خطية أكثر منها في حال
المقاومة الضوئية LDR.
أسئلة شائعة على الثنائي الضوئي:
لماذا يتم ربط الثنائي الضوئي في الدارات الالكترونية بوضع الانحياز العكسي؟
ذلك بسبب
التركيب الداخلي للثنائي الضوئي ووظيفته، فهو ثنائي، فإذا تم ربطه وتوصيله بوضع
الانحياز الأمامي سيعمل كثنائي عادي ويسمح للتيار الكهربائي بالمرور من خلاله سواء
سقط عليه ضوء أم لا. أما عند توصيله في وضع الانحياز الخلفي (أو العكسي) Backward Biased فإنه يمنع مرور التيار من خلاله ما لم يسقط
عليه ضوء يسبب في امتصاص فوتونات ذلك الضوء وتحويلها إلى الكترونات ومنها إلى تيار
كهربائي يمر من خلاله.
ما هو تيار العتمة Dark Current؟
تعريف تيار العتمة والذي يعرف باللغة
الإنجليزية على أنه Dark Current،
هو التيار المتسرب من الثنائي الحساس للضوء وذلك بسبب ربط الثنائي الضوئي بوضع
الانحياز العكسي عند غياب مصدر الضوء. ويزداد مقدار هذا التيار خاصة عند ارتفاع
درجة حرارة ذلك الثنائي الضوئي.
ما هي عيوب الثنائي الضوئي Photo Diode؟
عند امتصاص الفوتونات الضوئية من قبل الثنائي
الحساس للضوء، وتحويلها إلى الكترونات، تسهم عملية التحويل هذه في فقد بعض
المعلومات الرقمية، وتختلف كمية فقدان المعلومات تلك حسب تركيب الثنائي الحساس
للضوء (النبيطة) المستخدم. ففي حال كان الثنائي الضوئي مركب من وصلة ثنائية (ثنائي
تقليدي)؛ فإن التيار الكهربائي الجاري دوما في ذلك الثنائي الضوئي يسبب انخفاض في دقة
عملية التحويل وزيادة الفقد بسبب التشويش، حيث يتداخل التيار الكهربائي الدائم
الوجود الذي لا يحمل أي معلومة مع تيار التحويل المحمل بالمعلومات، مؤديا إلى
طغيان التيار الكهربائي الدائم على التيار المحمل بالمعلومات. من هنا، يصدر هذا التشويش
Noise الأمر الذي يهبط من كفاءة الإشارة إلى مستويات متدنية لا يمكن من
خلالها استبيان وقراءة المعلومة بشكل سليم.
يطلق على هذا التيار والمسبب للتشويش (تيار
الظلام) لأنه يجري داخل الثنائي الضوئي سواء سقط ضوء أم لم يسقط. ولحل معضلته هذا
التيار، يتم تقليص أثر تيار التشويش ذلك بإحدى الطريقتين التاليتين وهما؛ إما
تقليل التيار الداخلي أو تكبير الإشارة الساقطة.
كيف يتعرض الثنائي الحساس للضوء للتلف؟
يتلف الثنائي الحساس للضوء فقط في حال تعرضه
لفرق جهد عالي، والذي بدوره يؤدي إلى مرور تيار كهربائي عبر الثنائي الضوئي أعلى
من التيار الذي يتحمله مما يؤدي إلى تلفه.
هل هنالك أسماء أخرى للثنائي الحساس للضوء؟
في الغالب
يتم تسمية الثنائي الحساس للضوء بأسماء عديدة منها: الثنائي الضوئي، الثنائي
المستقبل للضوء وأحيانا الثنائي الكاشف للضوء.