Le rôle des capteurs optiques dans les applications électroniques

Cet article décrit les principes de fonctionnement des capteurs optiques, les types de capteurs optiques, les considérations pour la sélection des capteurs optiques et les applications clés.

Les capteurs optiques sont des composants électroniques conçus pour détecter et convertir les rayons lumineux incidents en signaux électriques. Ces composants sont utiles pour mesurer l'intensité de la lumière incidente et la convertir en une forme lisible par un appareil de mesure intégré, selon le type de capteur.

Cet article décrit les principes de fonctionnement des capteurs optiques, les types de capteurs optiques, les considérations relatives à la sélection des capteurs optiques et les applications clés.

Exemple de capteur optique. Image reproduite avec l'aimable autorisation de ROHM

Applications des capteurs optiques

Les capteurs optiques sont des composants omniprésents dans les appareils et équipements électroniques utilisés dans les domaines de l'industrie, de la consommation, de la santé et de l'automobile.

Médecine et soins de santé

Avec le besoin sans précédent de détection sans contact en raison de la pandémie mondiale, des capteurs optiques ont été utilisés dans les distributeurs de désinfectant dans les établissements de santé à long terme pour assurer la conformité en matière de santé et de sécurité.

D'autres applications médicales incluent les dispositifs biomédicaux pour l'analyse de l'haleine et la surveillance de la fréquence cardiaque. L'analyse de la respiration peut être réalisée à l'aide d'un laser à diode accordable, tandis que la réflexion de la lumière vers le capteur à travers la peau peut surveiller avec précision la fréquence cardiaque humaine dans un processus connu sous le nom de photopléthysmographie. Les capteurs portables utilisent des capteurs optiques pour le suivi automatisé et manuel de l'état de santé et des signes vitaux des utilisateurs.

Industriel/Commercial

Dans les applications industrielles et commerciales, les capteurs optiques sont également utilisés pour la détection et l'automatisation de la distance et de la température dans les applications de l'industrie 4.0. Par exemple, les capteurs optiques peuvent détecter les niveaux de liquide dans les installations d'ingénierie des procédés, tels que les niveaux de pétrole dans les parcs de stockage et les raffineries d'hydrocarbures, en intégrant une LED infrarouge, un transistor lumineux et une pointe de prisme transparente.

Des capteurs optiques permettent également un contrôle automatisé en détectant la présence de composants dans les usines.

Électronique grand public

Les capteurs optiques sont également utilisés pour la détection de la lumière ambiante dans les appareils électroniques grand public tels que les smartphones, avec des avantages tels que l'allongement de la durée de vie de la batterie et l'optimisation de la luminosité de l'écran en fonction de la quantité d'éclairage dans l'environnement.

Le schéma ci-dessous (Figure 1) intègre un microcontrôleur et un circuit intégré de commande de LED équipé d'un contrôle lumineux automatique pour obtenir un courant de sortie proportionnel à la quantité de lumière ambiante et imitant la sensibilité spectrale de l'œil humain.

Figure 1. Diagramme du bloc IC du capteur de lumière ambiante. Image reproduite avec l'aimable autorisation de ROHM

Les photo-interrupteurs et les photocapteurs de type réfléchissant sont utilisés pour la détection optique dans les imprimantes et les scanners 3D pour les applications industrielles et de vente au détail. Les capteurs optiques sont également utilisés dans les équipements de surveillance des bâtiments commerciaux et résidentiels pour détecter les intrus.

Types de capteurs optiques

Les types de capteurs optiques les plus courants incluent :

• Photo-interrupteurs à transmission détectent la présence d'objets en interceptant la lumière et sont largement utilisés dans des applications telles que la détection de position et les mesures de vitesse de rotation
• Capteurs photoréfléchissants détecter le mouvement des objets en mesurant la réflexion de la lumière à travers eux
• Appareils photoconducteurs devenir conducteur d'électricité en absorbant les rayons lumineux incidents
• Photodiodes convertir la lumière incidente en courant électrique
• Phototransistors obtenir des résultats similaires à ceux des photodiodes lorsque la jonction base-collecteur est exposée à la lumière

Fonctionnement des capteurs optiques

Les technologies de détection optique nécessitent des sources lumineuses monochromatiques, compactes et fiables pour fonctionner efficacement. Les sources lumineuses courantes adaptées à l'éclairage des capteurs optiques comprennent les LED et les lasers.

Les diodes électroluminescentes (DEL) produisent de la lumière lorsque les électrons se combinent avec des trous à une jonction de semi-conducteurs dopés n et p pour faciliter la libération de photons. D'autre part, un laser est produit par l'excitation électrique d'électrons dans les atomes de certains matériaux, comme le verre ou les cristaux.

Figure 2. Schéma fonctionnel du capteur de proximité optique. Image reproduite avec l'aimable autorisation de ROHM

Cependant, différents types de capteurs optiques fonctionnent légèrement différemment.

Le courant maximal qu'un phototransistor basé sur un étage de sortie peut entraîner dans des photo-interrupteurs dépend de la quantité de lumière qu'il reçoit. Lorsque la lumière brille sur le phototransistor (c'est-à-dire, aucun objet dans l'espace), les photo-interrupteurs présentent une sortie FAIBLE.

Figure 3. Construction du photo-interrupteur. Image reproduite avec l'aimable autorisation de ROHM

A l'inverse, les photo-interrupteurs présentent une sortie ÉLEVÉE avec la présence d'un objet. Les ingénieurs peuvent exploiter les capacités des photo-interrupteurs en connectant la sortie à un microcontrôleur ou à un dispositif logique pour le contrôle optique.

Considérations relatives à la conception

Les temps de réponse, le coût, la taille et la sensibilité sont des considérations essentielles pour les ingénieurs cherchant à intégrer des capteurs optiques dans leurs conceptions.

Le temps de réponse fait référence au temps qu'il faut à un capteur optique pour répondre à la lumière incidente et est critique dans plusieurs applications. Des temps de réponse plus rapides entraînent généralement des efficacités de détection optique plus élevées. De nombreux capteurs optiques (Figure 4) intègrent des circuits de mesure du temps de réponse dans leurs conceptions pour tenir compte de leurs capacités de temps de retard, de montée et de descente.

Figure 4. Image produit du RPI-246 (à gauche) et du RPI-44C1E (à droite). Image reproduite avec l'aimable autorisation de ROHM

De même, le coût est une exigence essentielle pour la conception de capteurs optiques. De nombreux facteurs affectent le coût global de conception du capteur optique, notamment l'achat de matériel/logiciel, les tests et la recherche et le développement.

Les capteurs sont également disponibles en différentes tailles, en fonction de leurs types et de leurs applications spécifiques. Par exemple, les tailles de boîtiers d'interrupteurs photo typiques vont de 3,6 x 3,3 mm à 8 x 4,2 mm. En raison de la miniaturisation rapide, les concepteurs opteront souvent pour des capteurs optiques plus petits avec un équilibre entre hautes performances et coûts réduits.

De plus, les concepteurs privilégient les capteurs sensibles à un spectre lumineux plus large, notamment visible et infrarouge. Des sensibilités plus élevées allant jusqu'à ±40 permettent d'obtenir des mesures de détection de proximité et de lumière ambiante jusqu'à quatre fois plus rapides.

Avantages des capteurs optiques

Les capteurs optiques offrent plusieurs avantages dans diverses applications, notamment :

• Pack léger
• Immunité aux interférences électromagnétiques (EMI)
• Fiabilité
• Large plage dynamique
• Haute sensibilité

De plus, ils sont bien adaptés à la surveillance de multiples phénomènes chimiques et physiques et sont chimiquement inertes, ce qui est essentiel dans les environnements dangereux et combustibles.

De plus, à la lumière de la pandémie, le besoin de détection sans contact est à un niveau record. Les capteurs optiques peuvent être utilisés pour concevoir des solutions innovantes dans les environnements industriels et commerciaux afin de faciliter la conformité en matière de sécurité et de santé.

Solutions ROHM pour la détection optique dans les applications électroniques

ROHM est un fournisseur de solutions de capteurs optiques hautes performances. Les capteurs ROHM offrent un degré élevé de sensibilité, ce qui est essentiel dans une large gamme d'applications, par exemple, l'automatisation, la détection de mouvement, la mesure, la sécurité, la surveillance et bien d'autres.

Les solutions de détection optique comprennent des capteurs de proximité et de lumière ambiante, des photo-interrupteurs, des LED infrarouges, des photocapteurs, des photodiodes, des phototransistors, des circuits intégrés de capteurs de lumière ambiante et des détecteurs à 4 directions. Les capteurs optiques de ROHM offrent une large plage de températures de fonctionnement (-25 à +85 °C) et sont proposés dans des boîtiers à faible encombrement pour un gain de place optimal.

Pour plus d'informations sur les solutions de détection optique de ROHM, veuillez visiter le site Web.

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