Valokenno (fotodetektori, fotoresistori) — määritelmä, toiminta, käyttökohteet
Valokenno, joka tunnetaan myös nimellä fotoresistori tai LDR (Light Dependent Resistor), on elektroninen komponentti, joka muuttaa sähkönjohtavuuttaan valaistuksen mukaan. Kun valoa osuu valokennoon, sen läpi kulkeva sähkövirta yleensä kasvaa ja resistanssi laskee. Hämärässä valokennon resistanssi voi olla hyvin suuri, valossa se voi laskea kilo- tai muutamiin satoihin ohmeihin riippuen kennon tyypistä ja valon voimakkuudesta. Historiallisesti valokennoja on valmistettu myös seleeniä hyödyntäen, mutta yleisimmin käytössä ovat nykyisin muun muassa kadmium-sulfidi (CdS) -pohjaiset kennot sekä muut puolijohderakenteet.
Toimintaperiaate
Valokenno perustuu fotokonduktiviteettiin: kun siihen osuu valoa, fotonit siirtävät energiaa materiaaliin ja irrottavat elektroneja sidoksistaan, jolloin vapaat varauskantajat (elektronit ja aukot) lisääntyvät. Tämä lisää materiaalin johtavuutta ja pienentää resistanssia. Valokenno reagoi parhaiten tietylle aallonpituusalueelle (esimerkiksi CdS-kennolle tyypillinen herkkyys on lähellä näkyvän valon vihreää aluetta, noin 500–550 nm).
Ominaisuudet
- Resistanssialue: pimeässä arvo voi olla megaohmiluokkaa, kirkkaassa valossa arvo voi laskea kilo- tai satoihin ohmeihin (tyypilliset arvot riippuvat kennon tyypistä ja valmistajasta).
- Vasteaika: valokennojen vaste on yleensä hitaampi kuin fotodiodien tai fototransistorien — vasteajat ovat usein millisekunneista useisiin satoihin millisekunteihin tai sekunteihin riippuen kennosta ja valaistuksen muutoksen hitaudesta.
- Sensitiivisyys: herkkyys riippuu aallonpituudesta; monet tavalliset LDR-kennustyypit ovat herkimpiä näkyvän valon vihreälle alueelle.
- Lineaarisuus: valokennojen vaste ei ole täysin lineaarinen valon voimakkuuden suhteen, joten mittaustuloksia on usein kalibroitava tai käytettävä erillistä muunnosta.
- Lämpötilariippuvuus: resistanssi voi muuttua myös lämpötilan mukaan, mikä tulee huomioida tarkemmissa sovelluksissa.
Käyttökohteet
Valokennoja käytetään laajasti yksinkertaisissa valaistuksen mittaus- ja säätösovelluksissa, joissa tarvitaan edullista ja helppokäyttöistä valon tunnistusta:
- Katu- ja ulkovalaistuksen automaattinen kytkentä (päivä/yö-ohjaus)
- Valoisuusanturit kamerajärjestelmissä ja kuluttajalaitteissa
- Hälytys- ja turvajärjestelmät (valaistuksen muutoksen tunnistus)
- Elektroniset lelut ja opetusprojektit
- Teollisuuden yksinkertaiset valonseuranta- ja indikaatioratkaisut
Kytkentä ja käyttö
Yleinen tapa käyttää valokennoa on kytkeä se jännitejakoon (voltage divider) yhdessä kiinteän vastuksen kanssa. Jakajan keskikohta voidaan kytkeä ADC-tuloon mikro-ohjaimessa tai verrata referenssijännitteeseen komparaattorilla ohjaten releitä tai transistoreita. Esimerkki: kun valon määrä kasvaa, valokenno pienentää resistanssiaan ja jakajan jännite muuttuu, minkä kautta voidaan havaita valaistuksen muutos.
Vertailu fotodiodiin ja fototransistoriin
- Valokenno: halpa, helppo käyttää, hidas vaste, ei sovellu nopeisiin pulssimittauksiin, herkkyys näkyvälle valolle.
- Fotodiodi: nopea vaste, lineaarisempi vaste valon voimakkuuteen, vaatii usein vahvistimen tai transimpedanssivahvistimen.
- Fototransistori: herkempi kuin fotodiodi, mutta myös hitaampi kuin fotodiodi; tarjoaa vahvistuksen, mutta voi olla epäherkempi tietyissä olosuhteissa verrattuna erikoistuneisiin antureihin.
Rajoitukset ja huomiot
- Valokenno ei sovellu sovelluksiin, joissa tarvitaan hyvin nopeaa reagointia tai tarkkaa valon voimakkuuden lineaarista mittausta.
- Monet perinteiset kennot, kuten CdS-pohjaiset, sisältävät kadmiumia, joka on myrkyllinen aine; käytössä ja hävityksessä on noudatettava paikallisia ympäristö- ja turvallisuusmääräyksiä.
- Ikääntyminen ja pitkäaikainen altistus voimakkaalle valolle voivat muuttaa kennon ominaisuuksia ajan myötä.
Yhteenveto
Valokenno (fotoresistori, LDR) on yksinkertainen ja edullinen tapa tunnistaa valon muutoksia ja toteuttaa perustason valonohjausta ja -mittausta. Sen helppokäyttöisyys ja alhaiset kustannukset tekevät siitä suositun ratkaisuun monissa kuluttaja- ja teollisuussovelluksissa, mutta valinta kannattaa tehdä sovelluksen vaatimusten mukaan — erityisesti vasteajan, mittauksen tarkkuuden ja ympäristövaatimusten perusteella.
Valokenno
