광 검출 회로(Light Detection Circuits): 빛 레벨 측정 입문 가이드

광 센서

빛의 존재와 부재를 감지하는 프로젝트를 구축하고 싶으신가요? 그렇다면 광 검출 회로가 필요합니다. 흥미롭게도 이는 초보자 친화적인 쉬운 프로젝트입니다. 또한 이 장치는 환경의 빛 강도를 쉽게 감지할 수 있습니다. 게다가 광 검출 회로를 제어 회로로 사용할 수도 있습니다. 하지만 가장 적합한 광 검출기를 선택해야 할 때 작업이 혼란스러워집니다.

좋은 소식은: 이 기사는 광 검출 회로 구축에 대해 알아야 할 모든 것을 다룹니다. 계속 읽어보세요.

광 검출 회로(Light Detector Circuit)란 무엇인가?

광 센서

광 검출기 또는 센서 회로는 빛 강도를 감지할 수 있는 장치입니다. 또한 측정된 빛의 강도를 나타내는 출력 신호를 생성합니다.

광 센서는 빛의 모든 스펙트럼에 존재하는 복사 에너지를 측정할 수 있습니다. 또한 다음 범위의 다양한 빛 주파수를 측정합니다:

• 적외선
• 가시광선
• 자외선

적외선 광 센서

출처: Pixabay

광 검출기는 빛 에너지(가시적이든 아니든)를 전기 출력 신호로 변환합니다. 따라서 광 센서를 '광전 소자(photoelectric devices)'라고도 부를 수 있습니다.

더 나아가?

광 센서 회로의 전기 출력을 다른 회로 제어에 사용하는 것이 가능합니다. 하지만 전구, 선풍기, 가로등 같은 전기 부하 회로나 기기가 있어야 합니다.

광 센서의 종류

광 검출 회로를 구축하기 전에 이상적인 광 센서를 아는 것이 중요합니다. 광전 소자에는 두 가지 주요 범주가 있습니다. 첫 번째는 빛을 감지할 때 전기를 생성합니다. 두 번째는 일부 전기적 특성을 변경할 수 있습니다.

따라서 다음과 같은 종류의 광 센서가 있습니다:

광방출 셀(Photo-Emissive Cells)

이 광전 소자는 세슘 같은 광감지 물질에서 자유 전자를 생성합니다. 광방출 셀은 충분한 에너지를 가진 양성자가 충돌할 때만 전자를 생성합니다.

또한 양성자가 가진 에너지 레벨은 빛 강도에 따라 달라집니다. 따라서 전력이 높을수록 양성자가 빛을 전기 에너지로 더 많이 변환합니다.

광전지(Photo-Voltaic Cells)

광전지 센서는 수신한 빛 에너지와 같은 전기 에너지를 생성할 수 있습니다.

또한 두 반도체 물질이 결합하여 빛 에너지를 수신하고 약 0.5V를 생성할 수 있습니다. 셀레늄(Selenium)은 대부분의 태양 전지에서 작동하는 쉽게 구할 수 있는 광전지입니다.

광접합 소자(Photo-Junction Devices)

포토다이오드(photodiodes)나 포토트랜지스터(phototransistors)가 광접합 소자의 대표적인 예입니다. 이 장치들은 빛 강도를 이용해 PN 접합을 가로질러 정공과 전자의 흐름을 제어합니다.

광접합 소자의 설계는 빛 감지와 침투 애플리케이션에 가장 적합합니다. 또한 이 장치들은 입사광의 파장에만 반응합니다.

광전도 셀(Photo-conductive Cells)

광전도 셀을 가진 광 센서는 전기를 생성하지 않습니다. 대신 빛 에너지를 수신할 때 물리적 특성을 변경합니다.

또한 포토레지스터(photoresistor)는 광전도 센서의 일반적인 유형입니다. 빛 강도 변화에 따라 전기 저항을 변경합니다. 즉, 포토레지스터는 빛 에너지를 이용해 전자 흐름과 전자를 통한 전류 흐름을 제어할 수 있습니다.

광의존 저항(LDR)은 또 다른 일반적으로 사용되는 광전도 센서입니다. LDR은 빛이 있을 때 전기 저항을 수천 옴에서 수백 옴으로 변경할 수 있습니다.

광의존 저항(LDR)

광 검출 회로 작동 원리

LDR 센서에 입사광이 있으면 낮은 저항을 가집니다. 따라서 회로에 연결된 부하가 장치를 활성화할 만큼 충분한 전력을 얻지 못합니다(즉, 꺼진 상태 유지).

어두우면 LDR의 저항이 전류가 회로를 흐르기에 충분한 레벨로 증가합니다. 결과적으로 트랜지스터가 활성화됩니다. 이는 부하를 시작하기에 충분한 전력을 공급하는 데 도움이 됩니다.

흥미롭게도 광 검출기의 작동 방식을 역전시킬 수 있습니다. 즉, 조명이 있을 때 부하를 켜고 없을 때 끄도록 할 수 있습니다. 광 검출기의 작동 방식 선택은 애플리케이션 유형에 따라 다릅니다.

광 검출 회로 프로젝트

이 섹션에서는 두 가지 유형의 광 검출 회로 구축 방법을 배웁니다. 첫 번째는 LDR과 오퍼앰프(OP-Amp)를 사용하는 광 검출기입니다. 두 번째는 LDR과 트랜지스터를 사용하는 광 검출기입니다.

LDR과 오퍼앰프를 사용한 광 검출기

오퍼앰프(OP-Amp)

LDR의 핵심 특징은 빛 강도에 따라 저항이 변한다는 것입니다. 따라서 이 특징은 빛을 감지하고 LED를 켜는 이 프로젝트에서 유용합니다.

또한 회로가 비교기 모드의 오퍼앰프와 결합되면 전압을 비교하여 높거나 낮은 출력을 생성하는 데 도움이 됩니다. 이 회로에 필요한 구성 요소는 다음과 같습니다:

• LDR
• 연결 와이어
• LM358 오퍼앰프 IC
• 10KΩ 저항
• 백색 LED
• 9V 전원 공급 장치
• 10KΩ 포텐쇼미터
• 220Ω 저항
• 브레드보드

회로도

회로도

구축 방법

먼저 10KΩ 포텐쇼미터의 와이퍼 단자를 오퍼앰프의 반전 단자에 연결합니다. 그런 다음 LDR과 10KΩ 저항 사이에 연결 접합을 만듭니다. 결과적으로 출력을 오퍼앰프에 공급하는 전위 분배기가 생성됩니다.

또한 백색 LED와 220Ω 저항 사이에 연결을 만듭니다. 그런 다음 9V 전원 공급 장치를 회로에 연결하고 작동하는지 테스트합니다.

LDR에 빛을 비추면 저항이 감소해야 합니다. 그러면 반전 전압이 비반전 전압보다 높아져 LED가 꺼진 상태를 유지합니다.

LDR에 입사광이 없으면 더 높은 저항을 가집니다. 결과적으로 반전 전압이 비반전 전압보다 낮아집니다. 따라서 오퍼앰프의 출력이 증가하여 LED가 켜집니다.

LDR과 트랜지스터를 사용한 광 검출 회로

BC547C 트랜지스터

이전 회로를 구축할 오퍼앰프가 없다면 트랜지스터를 대신 사용할 수 있습니다. 여기서 단일 트랜지스터가 광 검출 작업을 수행합니다.

더 보장된 출력 전류를 위해 달링턴 쌍(Darlington pair)을 사용할 수 있습니다. 하지만 대부분의 경우 단일 트랜지스터로 충분합니다. 이 회로에 필요한 구성 요소는 다음과 같습니다:

• BC547 NPN 트랜지스터
• 연결 와이어
• 백색 LED
• 9V 전원 공급 장치
• 10k옴 저항
• 470옴 저항
• 브레드보드

회로도

회로도

구축 방법

먼저 LDR을 브레드보드에 연결하고 트랜지스터의 베이스를 LDR 핀 중 하나에 연결합니다.

그런 다음 브레드보드 반대편의 평행 핀에 LED를 연결합니다. 다음으로 470옴 저항을 LED의 양극(+ve)과 브레드보드의 양극 레일에 고정합니다.

10k 저항을 트랜지스터의 베이스와 브레드보드의 음극 레일(-ve)에 연결합니다. 다음으로 브레드보드의 음극 레일과 트랜지스터의 이미터 사이에 점퍼를 연결합니다.

마지막으로 9V 전원 공급 장치(바람직하게는 9V 배터리)를 브레드보드에 연결하고 회로를 테스트합니다.

작동 원리

이 프로젝트는 완전한 빛, 중간 빛, 빛 없음 세 가지 조건으로 작동합니다.

완전한 빛 조건에서 LDR에 밝은 조명이 비추면 저항이 감소하여 LED가 희미하게 빛납니다. 중간 빛 조건에서는 LDR의 중간 수준 저항으로 인해 중간 밝기로 빛납니다.

또한 빛 없음 조건에서는 LDR의 저항이 증가합니다. 따라서 LED가 밝게 빛납니다. 또한 트랜지스터 베이스에 연결된 저항을 조정하여 LED 밝기를 조절할 수 있습니다.

광 검출 회로: 광 센서 회로의 응용 분야

광 센서는 보안 경보 시스템, 가로등 고감도 절전 장치, 가정 조명 제어 시스템, 태양광 고속도로 조명 시스템(주간 자동 소등) 등 다양한 응용 분야에서 작동합니다.

보안 경보 시스템

기타 응용 분야로는 가전제품 및 조명 시스템 자동 스위칭, 찬장 및 옷장 조명 시스템이 있습니다.

광 검출 회로: 일몰에서 일출까지 조명 스위치(Sunset to Sunrise Lighting Switch)

STS 조명 스위치는 LDR의 입사광을 기반으로 부하를 제어하기 위해 광 센서 회로를 사용합니다. STS 조명 스위치는 여기에 나열된 다른 응용 분야 및 프로젝트와 다르게 작동합니다. 트랜지스터나 오퍼앰프 대신 STS 조명 스위치는 비안정 모드(bistable mode)의 555 타이머 IC를 사용합니다.

LDR을 조명하면 555 타이머 IC에 출력을 보내고, 이는 트라이액(TRIAC)을 사용하여 부하를 제어합니다. 그러면 센서가 일몰 시 기어를 활성화하고 일출 시 시작합니다.

마무리

광 센서 회로는 기초 전자공학에서 다재다능하고 쉬운 프로젝트입니다. 다양한 LDR 작동 방식을 광범위하게 논의했고 실행에 필요한 구성 요소를 보여드렸습니다. 따라서 바로 프로젝트에 도전해 볼 수 있습니다.

흥미롭게도 LDR을 오퍼앰프, 트랜지스터, 555 타이머 IC와 함께 사용할 수 있습니다.

가로등

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