Ик фотодиод схема включения: Электротехника: Фотодатчик своими руками.

Электротехника: Фотодатчик своими руками.

Инфракрасные фотодиоды используемые в телевизорах (или каких либо других управляемых приборах) для приёма сигнала могут быть применены для множества других целей. Повысив чувствительность фотодиода усилителем можно определять степень освещённости солнцем (или каким либо другим источником света в спектре которого присутствует инфракрасный свет). Для повышения чувствительности фотодиода можно применить простую схему доступную для сборки начинающему радиолюбителю. Рассмотрим эту схему:

Рисунок 1 — Фотодатчик

Транзистор VT1 усиливает ток фотодиода VD1, транзистор VT2 усиливает ток транзистора VT1.

Всё просто! Фотодиод можно достать из фотоприемника из телевизора. Фотоприемник может выглядеть так:

Остальные детали несложно достать, транзисторы КТ315 широко использовались (и используются) в разной аппаратуре. Рассмотрим детали:

Катод у фотодиода располагается справа (если фотодиод лежит как на фотографии выше), на схеме (рисунок 1) катод соединён с коллекторами транзисторов VT1 и VT2 и соединён с резистором R1. Электродвигатель пригодиться для экспериментов с фотодатчиком. Для упрощения сборки на выводы транзисторов можно нацепить куски изолятора от проводов с разными цветами, например:

зелёный — база, 

белый -коллектор,

без изолятора — эмиттер.

Далее рассмотрим сборку:

Чёрными линиями показано как соединять выводы. Моторчик служит для визуального определения работоспособности схемы (вместо него можно поставить другой подходящий прибор например миллиамперметр (это даже лучше)).

Рассмотрим собранный фотодатчик:

Такой датчик можно использовать для построения beam роботов, программируемых роботов, игрушек и много чего ещё. Рассмотрим схему с электродвигателем и батарейками:

Рисунок 2 — Схема с электродвигателем и батарейками

Электродвигатель для транзистора представляет активно-индуктивную нагрузку так как обмотки двигателя имеют индуктивность поэтому для защиты транзистора VT2 желательно поставить параллельно ему обратный диод и/или конденсатор параллельно двигателю, но схема работает и без этого.  

Схема приведенная ниже иллюстрирует как данный фотодатчик можно использовать для включения освещения в темноте и включения электродвигателя при свете от солнца или какого либо другого источника инфракрасного излучения (пульт д. у., свеча, лампа и т. д. (тепло человеческого тела и другие подобно холодные предметы не подходят из за малой длинны волны)):

Рисунок 3 — Схема включения светодиода в темноте и включения электродвигателя при свете

Данный фотодатчик можно использовать в системах дистанционного управления с нестандартными протоколами передачи данных или для управления электромагнитными реле коммутирующими мощную нагрузку и много для чего ещё.

Фотодиоды свойства схемы включения применение. Основные характеристики и параметры фотодиода. Включение фотодиода в каскад с общей базой

Фотодиод может работать в фотодиодном и гальваническом режиме.

В фотодиодном режиме p-n переход смещается обратным напряжением величина которого зависит от конкретного фотодиода от единиц до сотни вольт, чем больше смещение тем быстрее он будет работать, и больше токи через него будут течь.
Недостаток фотодиодного режима в том, что с ростом обратного тока, в последствии увеличения напряжения или освещения, увеличивается уровень шумов, а уровень полезного сигнала в целом остается постоянным, считается, что в этом режиме диод имеет меньшую постоянную времени.

Фотодиодная схема включения.

Приведенная схема включения фотодиода является универсальной и подходит для тестирования и выбора, применительно к окончательной схеме своей конструкции.
Изменяя положение подстроечного резистора, в приведенной схеме, можно протестировать и выбрать оптимальный режим работы фотодиода.

Изменяя сопротивление резистора от минимального до максимального, можно подобрать наилучший режим смещения на фотодиоде.
Вывернув резистор на минимум, замкнув подвижный контакт на землю, мы переведем схему в фотогальванический режим.
Можно попробовать работу фотодиода и в прямом смещении (он все равно будет реагировать на свет), для этого надо поменять схему включения, перевернув диод.
Сопротивление в 50 Ком, не должно дать повредить фотодиод, а по переменной составляющей оно оказывается включенным параллельно с нагрузкой (меньше 5 КОм), и полезный сигнал практически не ослабляет. Конденсатор избавляет нас от постоянной составляющей. Если мы принимаеи импульсный сигнал то от постоянной составляющей, которая меняется в зависимости от фоновой засветки, лучше избавится сразу, смысла ее усиливать нет.

Еще одна стандартная схема включения фотодиода показана на рисунке.
В данной установке для уменьшения влияния шумов и наводок в схему добавлены буферные конденсаторы в цепи питания, накопительный конденсатор С3 и интегрирующая цепочка R2С4 на выходе.

C1- электролитический конденсатор большой ёмкости С = 100 мкФ, С2 — быстрый керамический 0,1 мкФ, С3, С4 — керамические по 100 пФ, R1 — 8 кОм, R2- 5,6 кОм.

Нагрузкой для достижения максимального быстродействия должен быть или каскад с общей базой или быстродействующий операционник включенный по схеме преобразователя ток-напряжение. Эти усилители имеют минимальное входное сопротивление.
Практическая схемотехника включения фотодиода со смещением.



Практическая схемотехника включения фотодиода со смещением.

Величина R фильтра подбирается в зависимости от засвечивания фотодиода в рабочем варианте с установленной оптикой, учитывается направление по азимуту (юг,запад и т.д.) в разных направлениях разные засветки от солнца.
Ёмкость Сф=0.1мкФ ещё и замыкает цепь фотодиода по высокой частоте на землю.

Вместо Rн можно поставить дроссель, либо трансформатор, надо смотреть, не будет ли искажений или затяжек импульсов или прочих подводных камней.

Включение фотодиода в каскад с общей базой.



Схема включения фотодиода ФД 263 в каскад с общей базой.

В схеме с ОБ — база разделяет входную и выходную цепи, и практически исключает влияние выходного напряжения на вход схемы (подобно экранной сетке в пентоде) по-этому имеется возможность увеличить нагрузочное сопротивление и получить больший размах напряжения на выходе схемы без ущерба для скорости.

Принцип работы

На рис.2 представлена схема, отражающая принцип работы детекторов с обратно смещенным фотодиодом. Величина генерируемого фототока зависит от светового потока и длины волны излучения. При подключении нагрузочного сопротивления данную величину можно наблюдать с помощью осциллографа. Функция RC-фильтра заключается в подавлении высокочастотного шума источника питания.


Рис.3 Схема детектора с усилителем

При использовании схемы фотоприемников с усилителем пользователь может выбирать режим работы фотодиода (фотогальванический или фотодиодный). Каждый режим обладает своими преимуществами:

Фотогальванический режим: в фотогальваническом режиме к диоду не прикладывается напряжение, и потенциал на входе A операционного усилителя равен потенциалу в точке B. При работе в таком режиме темновой ток пренебрежимо мал.

Фотодиодный режим: в фотодиодном режиме к p-n переходу приложено напряжение обратного смещения, что уменьшает емкость перехода и увеличивает полосу пропускания. Усиление зависит от резистора обратной связи (R f). Ширина полосы пропускания детектора определяется по формуле:


Где GBP – это произведение коэффициента усиления на ширину полосы пропускания ОУ, C D – сумма емкости перехода и усилителя.

Частота модуляции

Спектральная плотность шума большинства детекторов, включая PbS, PbSe, HgCdTe (MCT) и InAsSb, имеет зависимость вида 1/f (шум уменьшается при увеличении частоты), что оказывает значительное влияние на постоянную времени в области низких частот.

Таким образом, частота модуляции (скорость изменения интенсивности) излучения оказывает влияние на чувствительность прибора. Оптимальные значения характеристик фотоприемника достигаются при частоте:

Срок службы батареи

При использовании фотодетектора, работающего от батареи, важно понимать, каков срок службы аккумулятора и как он влияет на работу детектора. Выходной ток детектора прямо пропорционален потоку падающего излучения. Большинство пользователей преобразуют этот ток в напряжение с помощью согласованной нагрузки. Величина сопротивления приблизительно равна коэффициенту усиления схемы. Для высокоскоростных детекторов, например, таких как , необходимо использовать нагрузку с сопротивлением 50 Ом для согласованности с импедансом стандартных коаксиальных кабелей. Это позволит уменьшить обратные отражения и улучшить качество выходного сигнала.

Срок службы батареи напрямую зависит от тока в детекторе. Большинство производителей батареек выражают срок службы батарейки в мА*ч (миллиампер-час). Например, если аккумулятор рассчитан на 190 мА*ч, он будет работать в течении 190 ч при потреблении тока 1.0 мА.

Пусть источник, излучение которого падает на детектор, работает на длине волны 780 нм со средней мощностью 1мВт. Чувствительность детектора на данный длине волны 0.5 А/Вт. Фототок можно рассчитать по формуле:


Таким образом срок службы батареи равен:


или 16 дней непрерывной работы. При уменьшении средней мощности падающего излучения до 10 мкВт, срок службы той же батарейки увеличится до 4 лет непрерывной работы. При использовании рекомендуемой согласованной нагрузки в 50 Ом, фототок (0.5 мА) преобразуется в напряжение:Если величина мощности падающего излучения уменьшится до 40 мкВт, то выходное напряжение станет равно 1 мВт. Для некоторых измерительных устройств, данное значение может оказаться слишком маленьким, поэтому необходимо искать компромисс между сроком службы батареи и точностью проводимых измерений.

При использовании детекторов на батарейках необходимо использовать излучение малой интенсивности, учитывая минимально необходимый уровень напряжения. Также важно помнить, что батарейка перестанет производить ток не сразу, как только приблизится к концу срока своей службы. Сначала напряжение батарейки упадет, и электрический потенциал, прикладываемый к фотодиоду уменьшится. А это в свою очередь приведет к увеличению времени отклика детектора и уменьшению ширины полосы пропускания.

Таким образом, важно убедиться, что батарейка обеспечивает достаточное напряжение для оптимальной работы детектора.

Для задач, в которых детекторы , облучаются непрерывно источником достаточно высокой мощности, или постоянная замена батарей является неприемлемой, компания

Thorlabs предлагает адаптер и источник питания. Недостатком этого варианта является шум, который добавится к выходному сигналу и может увеличить погрешность измерений.

Детекторы на основе сульфида свинца (PbS) и селенида свинца (PbSe) широко используются для регистрации излучения в диапазоне от 1000 до 4800 нм. Тогда как фотодиод генерируют ток под воздействием света, у фоторезистора при облучении изменяется величина сопротивления. Хотя PbS и PbSe детекторы можно использовать при комнатной температуре, температурные флуктуации будут оказывать воздействие на темновое сопротивление, чувствительность и быстродействие прибора.

Принцип работы

При поглощении света в фотопроводящем материале возникают избыточные носители заряда, приводящие к увеличению проводимости и уменьшению сопротивления. Изменение сопротивления приведет изменению величина измеряемого напряжения. На рис. представлена схема, отражающая принцип работы детекторов на основе фотопроводящих материалов. Следует отметить, что представленная схема не рекомендуется для применения на практике из-за присутствия низкочастотных шумов.


Механизм детектирования основан на проводимости тонкой пленки светочувствительного элемента. Сигнал на выходе детектора при отсутствии падающего излучения определяется уравнением:

Изменение напряжения на выходе ΔV OUT происходит из-за изменения сопротивления ΔR Dark , когда свет попадает на активную область датчика:

Частотная характеристика

Для детекторов зависимость чувствительности от частоты модуляции света имеет вид:


Где f c – частота модуляции, R 0 – чувствительность при частоте 0 Гц, τ r – время нарастания.

Воздействие температуры

Светочувствительный элемент PbS и PbSe детекторов представляет собой тонкую пленку на стеклянной подложке. Форма и активная область фотопроводящего элемента меняются в зависимости от условий эксплуатации, таким образом изменяя и другие характеристики. В частности, чувствительность детектора будет изменяться в зависимости от рабочей температуры.

Охлаждение детектора сместит спектральный диапазон чувствительности в область более длинных волн. Для получения оптимальных результатов рекомендуется использовать представленные детекторы в условиях контроля параметров окружающей среды.

Схема детектора на основе фотопроводящего материала с усилителем

Из-за шумовых характеристик предпочтительнее включение фоторезистора в цепь переменного тока. При включении фоторезистора в цепь постоянного тока шум, обусловленный приложенным напряжением, будет увеличиваться с ростом напряжения, таким образом, ограничивая чувствительность детектора. Для поддержания стабильности характеристик и получения высоких значений коэффициента усиления сигнала необходимо использовать предусилитель.


Согласно схеме (рис. выше), операционный усилитель (ОУ) стремится сравнять потенциалы в точках A и B с помощью контура обратной связи. Разница напряжений на входе ОУ усиливается и передается на выход. Следует отметить, что высокочастотный фильтр на входе усилителя не пропускает сигнал постоянного тока. Кроме того, нагрузочное сопротивление должно быть равно темновому сопротивлению детектора, чтобы обеспечить получение максимального сигнала. Величина напряжения источника питания (+V) должна быть такой, чтобы величина отношения сигнал/шум была оптимальной и приближалась к единице. Некоторые задачи требуют более высокого уровня напряжения, что приведет к увеличению уровня шума. Напряжение на выходе определяется по формуле:

Отношение сигнал/шум

Поскольку уровень шума детектора обратно пропорционален частоте модуляции сигнала, шум будет возрастать на малых частотах. Сигнал на выходе детектора линейно увеличивается при увеличении напряжения смещения, однако шумовые характеристики мало зависят от напряжения смещения при его низком уровне. При достижении определенного уровня напряжения смещения, шум детектора начнет линейно увеличиваться с ростом напряжения. При высоких значениях напряжения шум начнет расти экспоненциально, уменьшая отношение сигнал шум. Для обеспечения оптимального уровня сигнал/шум необходимо регулировать частоту модуляции сигнала и напряжение смещения.

Темновое сопротивление

Темновое сопротивление – это сопротивление детектора при отсутствии освещения. Следует отметить, что темновое сопротивление будет увеличиваться или уменьшается при изменении температуры. Охлаждение детектора будет снижать величину темнового сопротивления.

Обнаружительная способность (D) и удельная обнаружительная способность (D*)

Обнаружительная способность (D) — это еще одна величина, используемая для оценки эффективности фотоприемника. Обнаружительная способность характеризует чувствительность и обратно пропорциональна эквивалентной мощности шума (NEP):


Чем выше значение обнаружительной способности, тем выше чувствительность, то есть детектор способен регистрировать слабые сигналы. Обнаружительная способность зависит от длины волны падающих фотонов.

NEP детектора, а следовательно и его обнаружительная способность зависят от активной области, поэтому сравнение свойств двух детекторов является непростой задачей. Чтобы избавится от этой зависимости, используют удельную обнаружительную способность (D*), которая не зависит от площади детектора и используется для оценки эффективности фотоприемника. В уравнении ниже, А – площадь фоточувствительной области.

Двумерные позиционно-чувствительные датчики

Обзор

Двумерные позиционно-чувствительные датчики позволяют измерить положение, расстояние перемещения или углы падения пучка, а также они могут использоваться в качестве обратной связи в системах юстирования, например, для контроля положения зеркал, фокусировки микроскопа, и т.д. Детектор определяет положение светового пятна на основе пропорционального распределения фототока, который генерируется в месте падения светового луча. Существует два типа двумерных позиционно-чувствительных датчиков: с двухсторонним расположением электродов и с четырехсторонним расположением электродов.

Датчики с двухсторонним расположением электродов обладают резистивными слоями, нанесенными с обеих сторон подложки. Датчик имеет четыре вывода. Фототок распределяется на две входных и две выходных компоненты. Распределение выходных токов определяет положение координаты Y, а распределение входных –координаты X положения пучка.


Датчики с четырехсторонним расположением электродов обладают одним чувствительным резистивным слоем, расположенным с одной стороны подложки. Такие датчики значительно дешевле датчиков с двухсторонним расположением электродов. Однако линейность отклика этих датчиков падает по мере удаления пучка от центра. Это связано с расположением анодов по периметру сенсора, особенно нелинейность заметна в углах датчика, где аноды приближаются друг к другу. Компания Thorlabs использует один из вариантов датчиков с четырехсторонним расположением электродов – датчик в форме «подушечки». Модель такого датчика представлена на рисунке сверху. Аноды перемещаются в углы датчика, фигурная форма электродов обеспечивает компенсацию искажений сигнала вблизи периметра. Такая модель обладает линейностью на уровне датчиков с двухсторонним расположением электродов, но значительно меньшей стоимостью.

Принцип вычисления положения луча

PDP90A детектор от компании Thorlabs оснащен схемой для вычисления Δx, Δy и суммы сигналов по формулам:


Согласно этим формулам расстояние в единицах измерения длины можно вычислить с помощью уравнений:


где x и y – это расстояния от центра до края сенсора, Lx и Ly – характерные размеры резистивного слоя. Для PDP90A детектора Lx = Ly = 10 мм. Следует отметить, что размеры резистивного слоя не соответствуют размерам активной области датчика. Активная область обозначена на рисунке серым цветом.

Погрешность определения положения

В отличие от квадрантных датчиков, где требуется перекрытие всех четырех активных областей, представленные датчики позволяют получить информацию о нахождении пучка в любой точке детектора не зависимо от формы, размера и распределения мощности в пучке. Датчик определяет положение центра пятна света до тех пор, пока пятно находится на светочувствительной области. Если часть светового пятна покидает светочувствительную поверхность, это приведет к сдвигу центра, и измерения станут ненадежными.

К ошибкам в измерении положения пучка также может привести уровень внешней освещенности. Для уменьшения погрешностей измерения лучше проводить в темноте. Использование фокусирующей оптики и диафрагм, также позволит снизить ошибки, связанные с внешней освещенностью.

Разрешение

Разрешение позиционно-чувствительного детектора – это минимальное детектируемое смещение светового пятна на поверхности сенсора датчика. Разрешение (ΔR) зависит как от размеров резистивного слоя (L x или L y), так и от отношения сигнал/шум (S/N). Отношение сигнал/шум этой системы можно определить как отношение суммы выходных сигналов (V o) к напряжению шума (e n). Шум на выходе детектора PDP90A составляет

Где

ΔR – разрешение,

Lx – характерный размер резистивного слоя,

e n – шумовое напряжение на выходе детектора,

Vo – сумма выходных напряжений.

Для детектора PDP90A:


Для получения оптимальных результатов значение V o необходимо увеличить до 4 В, что обеспечит разрешение детектора на уровне 0.750 мкм. Для этого необходимо следить за суммарным выходным сигналом (SUM) сенсора и одновременно регулировать интенсивность падающего излучения, пока напряжение на выходе не станет равно 4 В. Напряжение более 4 В приведет к насыщению системы и, следовательно, к ошибкам в измерениях. С помощью поставляемого программного обеспечения можно легко осуществлять контроль уровня напряжения. Если суммарное напряжение выше уровня насыщения, то ползунок, отображающий уровень суммарного напряжения, станет красным. В этом случае необходимо уменьшить интенсивность излучения до уровня, при котором цвет ползунка станет зеленым. Данное значение будет соответствовать 4 В выходного напряжения.

Позиционно-чувствительный детектор на основе квадрантных фотодиодов

Сенсор такого детектора состоит из четырех идентичных квадрантных фотодиода, которые разделены зазором ~0.1 мм и вместе образуют круглую зону детектирования для определения положения падающего пучка (в формате 2D). При попадании света на сенсор фототок генерируется в каждой области (на рис. Q1, Q2, Q3 и Q4). На основе этих сигналов с помощью АЦП вычисляются разностные сигналы. Также вычисляется сумма всех четырех сигналов для нормировки. Нормированные координаты (Х, У) положения пучка определяются с помощью уравнений:



Если симметричный пучок падает в центр сенсора, то система на выходе зарегистрирует 4 одинаковых фототока, т.е. разностные сигналы будут равны 0, а нормированные координаты (X, Y) = (0, 0). Фототоки изменятся, если пучок сдвинуть относительно центра. В этом случае разностные токи не будут раны 0.

Детекторы на основе квадрантных фотодиодов очень точные и отлично подходят для систем автоюстировки. Однако необходимо следить за формой и распределением интенсивности в пучке, т.к. данный вид детекторов чувствителен к этим параметрам. Для пучков, распределение мощности в которых не является Гауссовым, центр будет определяется на основе распределения мощности (не геометрический центр пучка). Для таких пучков предпочтительнее использовать детекторы, описанные в предыдущем пункте.

Лавинные фотодиоды в режиме Гейгера обладают способностью детектировать одиночные фотоны. Чувствительность на уровне одиночных фотонов может быть достигнута за счет увеличения напряжения смещения выше напряжения пробоя (т. А на рис.4). Лавинный фотодиод будет оставаться в метастабильном состоянии, пока не поглотиться фотон, который приведет к генерации лавины (т. B). Эта лавина гасится с помощью активной схемы гашения в фотодиоде (т. C), которая понижает напряжение смещения до значений ниже напряжения пробоя (V BR).


Рис.4: Вольтамперная характеристика лавинного фотодиода в режиме Гейгера

После этого высокое значение напряжения смещения может быть восстановлено. В течении описанного процесса, которое известно как мертвое время диода, лавинный фотодиод нечувствителен к любым падающим фотонам. Когда диод находится в метастабильном состоянии, возможно спонтанное формирование лавин. Если спонтанное формирование лавин происходит хаотично, то зарегистрированный сигнал называется темновым отсчетом. Если спонтанное формирование лавин по времени коррелирует с импульсами от падающих фотонов, то такой сигнал называется послеимпульсом. Чтобы избежать регистрации послеимпульсов при проведении измерений, можно ввести дополнительное мертвое время программными средствами (с помощью ПО), что приведет к игнорированию счетчиком всех импульсов, возникших в течении этого времени.

Основные характеристики и понятия

Режим Гейгера

В этом режиме диод работает при напряжении смещения выше напряжения пробоя. Следовательно, одна электрон-дырочная пара (сгенерированная в результате поглощения фотона или тепловых флуктуаций) может вызвать лавинный процесс.

Скорость темнового счета

Это средний показатель зарегистрированных отсчетов при отсутствии падающего излучения, который определяет минимальную скорость счета, при которой зарегистрированный сигнал в основном вызван реальными фотонами. Регистрация ложных фотонов в основном связана с тепловыми флуктуациями и таким образом, ее можно избежать с помощью использования охлаждаемых детекторов

Активное гашение происходит, когда дискриминатор регистрирует возникновение лавинного тока и резко уменьшает напряжение смещения до значений ниже напряжения пробоя. При подготовке к регистрации следующего фотона напряжение смещения снова увеличивается до значений выше напряжения пробоя.

Мертвое время – это временной интервал, который необходим детектору для восстановления состояния, при котором он может регистрировать события без искажений. В течении этого времени он не видит падающих фотонов. Часть мертвого времени, связанная с активной схемой гашения, может быть определена как отношение пропущенных фотонов к падающим.

Послеимпульсы

Во время лавинного процесса некоторые заряды могут быть захвачены ловушками. При освобождении эти заряды могут привести к формированию лавины. Такие «ложные события» называют послеимпульсами (Afterpulses). Время жизни таких захваченных зарядов составляет порядка нескольких десятых микросекунды. Следовательно, возникновение послеимпульсов более вероятно непосредственно после импульса от реального фотона.

Основные модели фотодетекторов от компании Thorlabs

В таблице представлены модели фотодетекторов от компании Thorlabs. Модели, расположенные в одной и той же строке, оснащены одинаковыми светочувствительными элементами.

Диапазон рабочих длин волн

Материал

a Калиброванный фотодиод

b Корпус TO-46

Принцип работы

С момента появления первых коммерческих ФЭУ в 1940 году, этот вид детекторов остается одним из самых популярных при проведении экспериментов, в которых требуется малое время отклика и высокая чувствительность. Сегодня ФЭУ незаменимы при проведении исследований в области аналитической химии, физики элементарных частиц, астрономии, атомной и молекулярной физики, а также в медицине и контроле производственных процессов.

Фотоэлектронные умножители (ФЭУ) – это чувствительные детекторы с высоким коэффициентом усиления, выходной ток которых пропорционален падающему излучению. ФЭУ состоит из стеклянной вакуумной трубки, в которой расположены фотокатод (фотоэмиссионный материал), 8-14 динодов (вторичная эмиссия) и анод (коллектор вторичных электронов). Если фотон с достаточно высокой энергией (т.е. с энергией больше энергии связи электронов материала фотокатода) падает на фотокатод, то он поглощается и испускается электрон (фотоэффект). Поскольку на первом диноде потенциал выше, чем потенциал на катоде (между этими элементами создается разность потенциалов), то выпущенный электрон ускоряется в электрическом поле и направляется на систему динодов, где за счет вторичной (ударной) электронной эмиссии образуют нарастающую от динода к диноду электронную лавину, поступающую на анод. Как правило, каждый динод обладает потенциалом, который на 100 – 200 В выше, чем потенциал предыдущего динода. Ток анода преобразуют в напряжение, для этого нагрузку с малым сопротивлением включают в цепь между анодом и землей. ФЭУ и от компании Thorlabs используют трансимпедансный усилитель (TIA) для преобразования тока анода (нА или мкА) в напряжение (мВ или В). Модули , и не содержат трансимпедансного усилителя.

Например, если ФЭУ состоит из 8 динодов, как показано на рис. ниже и каждый электрон приводит к появлению 4 вторичных электронов, то усиление тока после системы динодов будет составлять 4 8 ≈ 66,000. В приведенном примере, каждый фотоэлектрон приводит к появлению лавины с зарядом Q = 4 8 e, которая приходит на анод. Импульс напряжения при этом равен V = Q/C = 4 8 e /C, где C – емкость анода. Если емкость равна 5 пФ, то напряжение импульса на выходе будет равно 2.1 мВ.


Спектральная чувствительность

При выборе ФЭУ необходимо обратить внимание на материал фотокатода, т.к. он определяет длинноволновую границу спектральной чувствительности. Коротковолновая граница определяется материалом окна. Сегодня изготавливают различные виды ФЭУ для работы в диапазоне от УФ до ИК, при этом используют различные материалы фотокатода, каждый из который предназначен для работы в определенном спектральном диапазоне.

Квантовая эффективность (QE) – это величина, выражаемая в %, которая характеризует способность ФЭУ преобразовывать падающие фотоны в электроны. Например, QE равно 20%. Это означает, что один из 5 фотонов, падающих на фотокатод, приведет к появлению фотоэлектронов. Для задач счета фотонов, желательно иметь ФЭУ с высоким показателем квантовой эффективности. Поскольку QE зависит от длины волны, необходимо подобрать ФЭУ, с максимальной квантовой эффективностью в интересующем спектральном диапазоне. Следует отметить, что фотокатоды для видимой области спектра, как правило, обладают QE

Вычислить квантовую эффективность ФЭУ можно по формуле:


где S – это интегральная чувствительность [А/Вт], λ – длина волны [нм].

Конфигурация ФЭУ

Доступны две основные конфигурации ФЭУ: входное окно располагается на торце или на боковой стенке вакуумной колбы. В случае, когда входное окно расположено на торце, ФЭУ оснащен полупрозрачными фотокатодами и характеризуется большой площадью активной области, пространственной однородностью, и более высокой производительностью в синей и зеленой областях спектра. Такая конфигурация предпочтительнее для применений, требующих широкой спектральной чувствительности, таких как спектроскопия. В ФЭУ с боковым окном используют непрозрачные фотокатоды, такая конфигурация чаще всего используется при работе в УФ и ИК диапазоне. Конфигурация с боковым окном дешевле, чем конфигурация с окном на торце, и часто используется для задач, требующих высокой квантовой эффективности, таких как сцинтилляционные измерения.

8-14 динодов располагают линейно или по кругу. При линейном расположении (как показано на рис.) ФЭУ обладает малым временем отклика, высоким разрешением и линейностью. Диноды располагаются по кругу в ФЭУ с боковым окном и в некоторых ФЭУ с торцевым окном, при этом система обладает компактными размерами и малым временем отклика.

Коэффициент усиления

ФЭУ – уникальны, так как способны усиливать очень слабые сигналы от фотокатода до детектируемого уровня выше шума считывания без внесения существенных помех. За усиление сигнала в ФЭУ отвечают диноды, и коэффициент усиления зависит от прилагаемого напряжения. ФЭУ может работать при напряжениях, превышающих значения, рекомендуемые производителем, обеспечивая при этом коэффициент усиления в 10-100 раз выше указанного в спецификации. При работе в таком режиме на ФЭУ не оказывается негативного влияния, если ток анода ниже предельно допустимых значений.

Темновой ток

В случае идеального ФЭУ, все сигналы, производимые фотокатодом, являются следствием попадания в трубку света. Однако, настоящие ФЭУ генерируют ток даже в отсутствии падающего излучения. Сигнал, генерируемый ФЭУ в отсутствии света, называется темновым током. Этот сигнал сильно снижает отношение сигнал/шум ФЭУ. Темновой ток главным образом обусловлен термоэлектронной эмиссией электронов из фотокатода и нескольких первых динодов, и в меньшей степени космическими лучами и радиацией. ФЭУ, разработанные для применений в красной области спектра, обладают более высокими значениями темнового тока, чем другие ФЭУ, за счет малых значений энергии связи электронов в фотокатодах, обладающих чувствительностью в красной области спектра.

Термоэлектронная эмиссия зависит от температуры фотокатода и работы выхода, а значит охлаждение ФЭУ может значительно снизить темновой ток. При использовании ФЭУ с термоэлектрическим охлаждением следует избегать конденсации на входном окне, так как влага уменьшит количество света, падающего на фотокатод. Кроме того, необходимо избегать чрезмерного охлаждения, так как это может привести к негативным последствиям: уменьшение уровня сигнала или напряжения на катоде, т.к. сопротивление катодной пленки обратно пропорционально температуре.

Время Нарастания

Для экспериментов, требующих высокого временного разрешения, время нарастания должно быть коротким. Время нарастания импульса тока анода чаще всего используется в качестве характеристики быстродействия ФЭУ. В конечном счете, время нарастания импульса определяется временем распространения разных электронов. Оно отличается по нескольким причинам. Во-первых, начальные скорости вторичных электронов различаются. т.к. они выбиваются из разных по глубине мест материала динодов. Некоторые электроны вылетая обладают ненулевой начальной энергией, поэтому достигнут следующего динода за более короткое время. Время пролета электронов также будет зависеть от длины пути. В результате всех этих эффектов, время нарастания импульса анодного тока будет уменьшаться с увеличением напряжения как V -1/2 .

Другие факторы

При работе с ФЭУ следует тщательно выбирать электронику, которая будет использоваться. Даже небольшие флуктуации высокого напряжения, прилагаемого между катодом и анодом могут сильно повлиять на выходной сигнал. Кроме того, условия окружающей среды также могут влиять на работу ФЭУ. Изменения температуры и влажности, а также вибрации негативно влияют на производительность ФЭУ. Корпус ФЭУ также имеет большое значение, он не только защищает трубку от постороннего света, но и снижает влияние внешних магнитных полей. Поле с магнитной индукцией в несколько гауссов, может уменьшить коэффициент усиления. Этого можно избежать путем использования магнитного экрана из материала с высокой магнитной проницаемостью.

Основными характеристиками фотодиода являются: ВАХ, световая и спектральная.

Вольт-амперная характеристика . В общем случае (при любой полярности U) ток фотодиода описывается выражением (1). Это выражение представляет собой зависимость тока фотодиода I ф от напряжения на фотодиоде U при разных значениях потока излучения Ф, т.е. является уравнением семейства вольт-амперных характеристик фотодиода. Графики вольт-амперных характеристик приведены на рис. 1.7.

Рис. 1.7 ВАХ фотодиода.

Семейство вольт-амперных характеристик фотодиода расположено в квадрантах I, III и IV. Квадрант I – это нерабочая область для фотодиода: в этом квадранте к p-n переходу прикладывается прямое напряжение и диффузионная составляющая тока полностью подавляет фототок (I p — n >> I ф). Фотоуправление через диод становится невозможным.

Квадрант III – это фотодиодная область работы фотодиода. К p-n переходу прикладывается обратное напряжение. Следует подчеркнуть, что в рабочем диапазоне обратных напряжений фототок практически не зависит от обратного напряжения и сопротивления нагрузки. Вольт-амперная характеристика нагрузочного резистора R представляет собой прямую линию, уравнение которой имеет вид:

E обр — I ф · R = U,

где U обр – напряжение источника обратного напряжения; U – обратное напряжение на фотодиоде; I ф – фототок (ток нагрузки).

Фотодиод и нагрузочный фоторезистор соединены последовательно, т.е. через них протекает один и тот же ток I ф. Этот ток I ф можно определить по точке пересечения вольт-амперных характеристик фотодиода и нагрузочного резистора (рис 1.7 квадрант III) Таким образом, в фотодиодном режиме при заданном потоке излучения фотодиод является источником тока I ф по отношению к внешней цепи. Значение тока I ф от параметров внешней цепи (U обр, R) практически не зависит (Рис 1.7.).

Квадрант IV семейства вольт-амперных характеристик фотодиода соответствует фотогальваническому режиму работы фотодиода. Точки пересечения вольт-амперных характеристик с осью напряжения соответствуют значениям фото-ЭДС E ф или напряжениям холостого хода U хх (R н = ∞) при разных потоках Ф. У кремниевых фотодиодов фото-ЭДС 0,5-0,55 В. Точки пересечения вольт-амперных характеристик с осью токов соответствуют значениям токов короткого замыкания I кз (R н = 0). Промежуточные значения сопротивления нагрузки определяются линиями нагрузки, которые для разных значений R н выходят из начала координат под разным углом. При заданном значении тока по вольт-амперным характеристикам фотодиода можно выбрать оптимальный режим работы фотодиода в фотогальваническом режиме (Рис. 1.8). Под оптимальным режимом в данном случае понимают выбор такого сопротивления нагрузки, при котором в R н будет передаваться наибольшая электрическая мощность.

Рис.1.8. ВАХ фотодиода в фотогальваническом режиме.

Отимальному режиму соответствует для потока Ф1 линия нагрузки R 1 (площадь заштрихованногопрямоугольника с вершиной в точке А, где пересекаются линии Ф 1 и R 1 , будет наибольшей – рис.1.8). Для кремниевых фотодиодов при оптимальной нагрузке напряжение на фотодиоде U=0,35-0,4 В.

Световые (энергетические) характеристики фотодиода – это зависимость тока от светового потока I = f(Ф):

Рис. 1.9. Световая характеристика ФД.

В фотодиодном режиме энергетическая характеристика в рабочем диапазоне потоков излучений линейна.

Это говорит о том, что практически все фотоносители доходят до p-n перехода и принимают участие в образовании фототока, потери неосновных носителей на рекомбинацию не зависят от потока излучения.

В фотогальваническом режиме энергетические характеристики представляются зависимостями либо тока короткого замыкания I кз, либо фото-ЭДС E ф от потока излучения Ф. При больших потоках Ф закон изменения этих зависимостей существенно отклоняется от линейного (рис. 1.10).

Фотодиодный режим

Рис.1.10.Световые характеристики ФД

Для функции I кз = f(Ф) появление нелинейности связанно с ростом падения напряжения на объемном сопротивлении базы полупроводника. Снижение фото-ЭДС объясняется уменьшением высоты потенциального барьера при накоплении избыточного заряда электронов в n-области и дырок p-области.

Диодный режим имеет по сравнению с генераторным следующие преимущества:

· выходной ток в фотодиодном режиме не зависит от сопротивления нагрузки, в генераторном режиме максимальный входной ток может быть получен только при коротком замыкании в нагрузке.

· фотодиодный режим характеризуется высокой чувствительностью, большим динамическим диапазоном преобразования оптического излучения, высоким быстродействием (барьерная емкость p-n перехода уменьшается).

Недостатком фотодиодного режима работы является зависимость темнового тока (обратного тока p-n перехода) от температуры.

Основными параметрами являются:

· темновой ток I т.

· рабочее напряжение U раб – напряжение, прикладываемое к диоду в фотопреобразовательном режиме.

· Интегральная чувствительность K ф.

Фотодиод — это светочувствительный диод, который использует энергию света для создания напряжения. Широко используются в бытовых и промышленных автоматических системах управления, где переключателем является количество поступающего света. Например, контроль степени открытия жалюзи в системе умного дома, исходя из уровня освещенности

Когда свет попадает на фотодиод, то энергия света, попавшего на светочувствительный материал, вызывает появление напряжения, которое заставляет электроны двигаться через P-N переход . Существует два типа фотодиодов: фотоэлектрические и фотопроводящие.

Фотопроводящие диоды

Такие диоды используются для управления электрическими цепями, на которые потенциал подается извне, то есть с постороннего источника.

Например, они могут регулировать включение и выключение уличного освещения или же открывать и закрывать автоматические двери.

В типичной цепи, в которой установлен фотодиод, потенциал, подаваемый на диод, имеет смещение в обратном направлении, а его значение немного ниже пробивного напряжения диода. По такой цепи ток не идет. Когда же свет попадает на диод, то дополнительное напряжение, которое начинает двигаться через P-N переход, вызывает сужение обедненной области и создает возможность для движения тока через диод. Количество проходящего тока определяется интенсивностью светового потока, попадающего на фотодиод.

Фотоэлектрические диоды

Фотоэлектрические диоды являются единственным источником напряжения для цепи, в которой они установлены.

Одним из примеров такого фотоэлектрического диода может служить фотоэкспонометр используемый в фотографии для определения освещенности. Когда свет попадает на светочувствительный диод в фотоэкспонометре, то возникающее в результате этого напряжение приводит в действие измерительный прибор. Чем выше освещенность, тем большее напряжение возникает на диоде.

Особое место в электротехнике занимают фотодиоды, которые применяются в различных устройствах и приборах. Фотодиодом называется полупроводниковый элемент, по своим свойствам подобный простому диоду. Его обратный ток прямо зависит от интенсивности светового потока, падающего на него. Чаще всего в качестве фотодиода применяют полупроводниковые элементы с р-n переходом.

Устройство и принцип действия

Фотодиод входит в состав многих электронных устройств. Поэтому он и приобрел широкую популярность. Обычный светодиод – это диод с р-n переходом, проводимость которого зависит от падающего на него света. В темноте фотодиод обладает характеристиками обычного диода.

1 – полупроводниковый переход.
2 – положительный полюс.
3 – светочувствительный слой.
4 – отрицательный полюс.

При действии потока света на плоскость перехода фотоны поглощаются с энергией, превышающей предельную величину, поэтому в n-области образуются пары носителей заряда — фотоносители.

При смешивании фотоносителей в глубине области «n» основная часть носителей не успевает рекомбинировать и проходит до границы р-n. На переходе фотоносители делятся электрическим полем. При этом дырки переходят в область «р», а электроны не способны пройти переход, поэтому накапливаются возле границы перехода р-n, а также области «n».

Обратный ток диода при воздействии света повышается. Значение, на которое повышается обратный ток, называют фототоком.

Фотоносители в виде дырок осуществляют положительный заряд области «р», по отношению к области «n». В свою очередь электроны производят отрицательный заряд «n» области относительно «р» области. Возникшая разность потенциалов называется фотоэлектродвижущей силой, и обозначается «Е ф ». Электрический ток, возникающий в фотодиоде, является обратным, и направлен от катода к аноду. При этом его величина зависит от величины освещенности.

Режимы работы
Фотодиоды способны функционировать в следующих режимах:
  • Режим фотогенератора. Без подключения источника электричества.
  • Режим фотопреобразователя. С подключением внешнего источника питания.

В работе фотогенератора фотодиоды используются вместо источника питания, которые преобразуют солнечный свет в электрическую энергию. Такие фотогенераторы называются солнечными элементами. Они являются основными частями солнечных батарей, применяемых в различных устройствах, в том числе и на космических кораблях.

КПД солнечных батарей на основе кремния составляет 20%, у пленочных элементов этот параметр значительно больше. Важным свойством солнечных батарей является зависимость мощности выхода к весу и площади чувствительного слоя. Эти свойства достигают величин 200 Вт / кг и 1 кВт/м 2 .

При функционировании фотодиода в качестве фотопреобразователя , источник напряжения подключается в схему обратной полярностью. При этом применяются обратные графики вольт-амперной характеристики при разных освещенностях.

Напряжение и ток на нагрузке R н определяются на графике по пересечениям характеристики фотодиода и нагрузочной линии, которая соответствует резистору R н. В темноте фотодиод по своему действию равнозначен обычному диоду. Ток в режиме темноты для кремниевых диодов колеблется от 1 до 3 микроампер, для германиевых от 10 до 30 микроампер.

Виды фотодиодов

Существует несколько различных видов фотодиодов, которые имеют свои достоинства.

p i n фотодиод

В области р-n у этого диода имеется участок с большим сопротивлением и собственной проводимостью. При воздействии на него света возникают пары дырок и электронов. Электрическое поле в этой зоне имеет постоянное значение, пространственный заряд отсутствует.

Этот вспомогательный слой значительно снижает емкость запирающего слоя, и не зависит от напряжения. Это расширяет полосу рабочих частот диодов. В результате скорость резко повышается, и частота достигает 10 10 герц. Повышенное сопротивление этого слоя значительно уменьшает ток работы при отсутствии освещения. Чтобы световой поток смог проникнуть через р-слой, он не должен быть толстым.


Лавинные фотодиоды

Такой вид диодов является полупроводниками с высокой чувствительностью, которые преобразуют освещение в сигнал электрического тока с помощью фотоэффекта. Другими словами, это фотоприемники, усиливающие сигнал вследствие эффекта лавинного умножения.

1 — омические контакты 2 — антиотражающее покрытие

Лавинные фотодиоды более чувствительны, в отличие от других фотоприемников. Это дает возможность применять их для незначительных мощностей света.

В конструкции лавинных фотодиодов применяются сверхрешетки. Их суть заключается в том, что значительные различия ударной ионизации носителей приводят к падению шумов.

Другим достоинством применения аналогичных структур является локализация лавинного размножения. Это также снижает помехи. В сверхрешетке толщина слоев составляет от 100 до 500 ангстрем.

Принцип действия

При обратном напряжении, близком к величине лавинного пробоя, фототок резко усиливается за счет ударной ионизации носителей заряда. Действие заключается в том, что энергия электрона повышается от внешнего поля и может превзойти границу ионизации вещества, вследствие чего встреча этого электрона с электроном из зоны валентности приведет к появлению новой пары электрона и дырки. Носители заряда этой пары будут ускоряться полем и могут способствовать образованию новых носителей заряда.

Характеристики

Свойства таких световых диодов можно описать некоторыми зависимостями.

Вольт-амперная

Эта характеристика является зависимостью силы тока при постоянном потоке света от напряжения.

I — ток M — коэффициент умножения U — напряжение

Световая

Это свойство является зависимостью тока диода от освещения. При возрастании потока света, фототок повышается.

Спектральная

Это свойство является зависимостью тока диода от длины световой волны, и является шириной пограничной зоны.

Постоянная времени

Это время, за которое фототок диода меняется после подачи света в сравнении с установившимся значением.

Темновое сопротивление

Это значение сопротивления диода в темноте.

Инерционность
Факторы, влияющие на эту характеристику:
  • Время диффузии неравновесных носителей заряда.
  • Время прохождения по р-n переходу.
  • Период перезарядки емкости барьера р-n перехода.
Сфера применения

Фотодиоды являются основными элементами многих оптоэлектронных приборов.

Интегральные микросхемы (оптоэлектронные)

Фотодиод может иметь значительную скорость работы, но коэффициент усиления тока составляет не более единицы. Вследствие оптической связи микросхемы имеют существенные преимущества: идеальная гальваническая развязка цепей управления от мощных силовых цепей. При этом между ними сохраняется функциональная связь.

Фотоприемники с несколькими элементами

Эти устройства в виде фотодиодной матрицы, сканистора, являются новыми прогрессивными электронными устройствами. Их оптоэлектронный глаз с фотодиодом может создавать реакцию на пространственные и яркостные свойства объектов. Другими словами, он может видеть полный его зрительный образ.

Количество ячеек, чувствительных к свету, очень большое. Поэтому, кроме вопросов быстродействия и чувствительности, необходимо считывание информации. Все фотоприемники с множественными фотоэлементами являются сканирующими системами, то есть, приборами, которые позволяют анализировать исследуемое пространство последовательным поэлементным просмотром.

Фотодиоды также нашли широкое применение в оптоволоконных линиях, лазерных дальномерах. Недавно такие световые диоды стали использоваться в эмиссионно-позитронной томографии.

В настоящее время имеются образцы светочувствительных матриц, состоящих из лавинных фотодиодов. Их эффективность и область применения зависит он некоторых факторов.

Наиболее влияющими оказались такие факторы:
  • Суммарный ток утечек, образующийся путем сложения шумов и тока при отсутствии света.
  • Квантовая эффективность, определяющая долю падающих квантов, приводящих к возникновению тока и носителей заряда.

Своими руками фотодиод

В наши дни домашней системе безопасности уделяется пристальное внимание. Однако эти системы обеспечения безопасности являются очень дорогими для реализации. В данной статье мы поможем вам создать простейшую сигнализацию своими руками на ИК лучах, используя фотодиод и инфракрасный светодиод. Ранее мы уже публиковали другую охранную сигнализацию, схема которой базировалась на лазерном луче и фоторезисторе. Однако есть вероятность, что вор может увидеть лазерный луч и легко обойдет сигнализацию.


Поиск данных по Вашему запросу:

Своими руками фотодиод

Схемы, справочники, даташиты:

Прайс-листы, цены:

Обсуждения, статьи, мануалы:

Дождитесь окончания поиска во всех базах.

По завершению появится ссылка для доступа к найденным материалам. ПОСМОТРИТЕ ВИДЕО ПО ТЕМЕ: Простая схема сумеречного детектора. Сделай сам

Как сделать фотореле своими руками?


В этой схеме используется электромагнитное контактное реле. Самым простым дешёвым и доступным способом управления мощной нагрузкой является использование электромагнитного контактного реле:.

Реле показанное на фотографии выше извлечено из сломанного импортного холодильника, это реле может коммутировать подключать и отключать в данном случае нагрузку потребляющую ток не более 16А.

На корпусе этого реле написано что для катушки постоянного тока необходимо 12 В но на практике для срабатывания данного реле было достаточно 9В с блока питания для модема с выпрямителем:.

Если 9В окажется недостаточно то можно запитать схему от 12В. Если заменить резистор R1 переменным или подстроечным то можно будет регулировать чувствительность к свету. Как было упомянуто выше данный резистор можно заменить переменным или подстроечным для того чтобы можно было регулировать чувствительность схемы.

Для того чтобы транзистор VT2 не перегорел при резком его закрытии параллельно катушке реле ставится обратный диод:. Резистор R2 не обязателен но его можно поставить для ограничения тока или уменьшения его потребления. Рисунок 2 — Схема включающая нагрузку при увеличении освещения. Задачей фотореле является управление освещением, зачастую, это схема с фоточувствительным элементом, которая управляет включением освещения в темное время суток. Первая схема фотореле на фотодиоде и вполне подойдет для начинающих, так как проста в изготовлении и не содержит редких элементов.

В качестве нагрузки после ключа использован светодиод, разумеется вместо него можно применять и другую логическую схему или реле. В данной схеме фотодиод включен через стабилизатор тока, схема в таком включении дает существенную разницу при освещении и затемнении светочувствительного элемента и поэтому не требует дополнительного усилителя. При резком изменении освещения напряжениние на фотодиоде меняется от 0 до уровня напряжения питания схемы.

Эту схему вы можете без труда собрать и отрегулировать за пару часов на макетной плате. Фотодиод можно использовать почти любой марки. В данной схеме был применен ФД , но схема работает и с фототранзисторами. VD1 и VD2 можно ставить любые кремниевые диоды.

Транзисторы также можно любые маломощные. Как я уже говорил первый транзистор работает как стабилизатор тока и чем больше будет R2, тем больше чувствительность схемы, но не перестарайтесь с настройкой.

Каскад на втором транзисторе — эмиттерный повторитель , третий транзистор — обычный ключ. Предлагаем Еще одну несложную схему с минимальным количеством деталей, и высокой чувствительностью. Такая чувствительность достигается за счет включения транзисторов VT1 и VT2 как составного. В таком включении общий коэффициент усиления будет равен произведению коэффициентов составляющих транзисторов. Также за счет этого включения достигается высокое входное сопротивление, что позволяет использовать фоторезистор и другие высокоомные источники сигнала.

Схема работает очень просто- с увеличением освещенности сопротивление фоторезистора уменьшается до нескольких килоом в темноте — несколько мегаом это приводит к открыванию транзистора VT1. Коллекторный ток VT1 откроет транзистор VT2, который в свою очередь включит реле и оно своими контактами включит нагрузку. Чтобы в момент включения реле не возникала самоиндукция и маломощный сигнал фоторезистора преобразовался в достаточный для включения обмотки сигнал включен VD1.

Для регулировки чувствительности этой схемы, которая иногда может быть избыточной можно поставить в схему переменный резистор, который показан на схеме пунктиром. Питание схемы зависит от рабочего напряжения реле и может быть в пределах в. Ток обмотки при использовании указанных транзисторов не должен превышать 50 мА. Еще одна схема собрана на операционном усилителе и также не содержит большого количества деталей.

ОУ в данной схеме включен как компаратор сравнивающее устройство , а фотодиод включен в фотодиодном режиме, питание на него подано так, что он смещен в обратном направлении. Из за такого включения при снижении освещенности возрастает сопротивление светодиода, и это приводит к к тому, что уменьшается падение напряжения на резисторе R1, и соответственно падает на инвертирующем входе компаратора.

На неинвертирующем входе напряжение устанавливается с помощью R2, и является пороговым, то есть задает порог срабатывания. При уменьшении напряжения на инвертирующем входе ниже порогового на выходе компаратора появится уровень напряжения который откроет Т1 и включит реле. Для питания схемы следует использовать выпрямитель с напряжением вольт, реле выбирать с соответствующим напряжением срабатывания обмотки.

Наладка устройства заключается в установке порогового напряжения, его следует настроить таким образом, чтобы уже при наступлении сумерек происходило включение. Для настройки порога срабатывания можно использовать регулируемую лампу накаливания в затемненной комнате. Чтобы избавиться от возможного дребезга реле при срабатывании нужно параллельно катушке присоединить конденсатор на несколько сотен микрофарад. Кремниевые фотодиоды предназначены для использования в качестве приемников инфракрасного излучения в составе оптических датчиков.

Их применяют в системах фотоэлектрической автоматики, в устройствах бесконтактного измерения температуры, вычислительной и измерительной техники, программноуправляемого оборудования, работающих на длине волны излучения в пределах 0, Собственно приемником фотодиода служит его р-п переход. Под действием излучения ВАХ перехода существенно изменяется. Фоточувствительное поле фотодиода ФД разделено на 12 или 64 элементов. Это позволяет снимать выходной сигнал в шестиразрядном коде Грея.

Геометрическая форма и размеры элементов также могут быть различными. Входное окно прибора ФД З0К не имеет защитного прозрачного «стекла». Фотодиоды выпускают в герметичном металлостеклянном корпусе разной конструкции. Плюсовой вывод прибора маркируют либо точкой контрастного цвета на корпусе, либо отрезком цветной ПВХ трубки на проволочном выводе. При отсутствии меток плюсовым является более длинный вывод. Приборы работают в двух электрических режимах — с внешним смещением и без смещения.

В первом из них фотодиод обеспечивает высокую токовую монохроматическую чувствительность, во втором — высокую обнаружительную способность. Основные размеры, цоколевка и спектральные характеристики чувствительности кремниевых фотодиодов представлены на рис.

Основные технические характеристики приборов сведены в табл. Прочерки в таблице означают, что у соответствующего прибора прочеркнутые параметры по техническим условиям не нормированы. Длина волны максимума спектральной чувствительности, мкм-длина волны, соответствующая максимуму спектральной характеристики чувствительности.

Рабочее напряжение. В — постоянное напряжение, приложенное к приемнику, при котором обеспечены номинальные значения параметров при длительной работе. Темповой ток, А — ток, протекающий через приемник излучения при заданном напряжении на нем в отсутствие потока излучения.

Фототок ток фотосигнала , А — ток, протекающий через приемник при указанном напряжении на нем, обусловленный воздействием потока излучения. Порог чувствительности, Вт — среднееквадратическое значение первой гармоники действующего на приемник модулированного потока измерения с заданным спектральным распределением, при котором среднее квадратическое значение первой гармоники напряжения тока фотосигнала равно среднему квадратиче-скому значению напряжения тока шума в заданной полосе на частоте модуляции потока излучения.

Порог чувствительности в единичной частотной полосе, ВгПц или лмлГГц -порог чувствительности приемника излучения, приведенный к единичной частотной полосе усилителя. Плоский угол зрения 2в , град. В табл. Я, Смолина О. Микроэлектронные фотоприемные устройства. Постоянная времени т определяет значение верхней граничной частоты воспроизведения импульсного сигнала, модулирующего поток излучения: Fв.

Фотодиод ФД-9К рис. Приборы ФД оформлены в унифицированном металлическом корпусе рис. Фотодиоды ФД рис. Приборы некоторых типов например, ФДКП. Кремниевые фотодиоды способны работать в весьма широких пределах эксплуатационных параметров.

Значения этих параметров представлены в табл. В заключение заметим, что в процессе серийного производства приборов в техническую документацию вносят множество изменений и уточнений, касающихся электрических характеристик и эксплуатационных режимов.

Поэтому указанную выше информацию следует использовать для предварительного выбора прибора того или иного типа, после чего необходимо обратиться к техническим условиям на него. Аксененко М. Приемники оптического излучения. Аксененко М, Д. Микроэлектронные фотоприемные устройства — М.

ГОСТ Приемники излучения и устройства приемные полупроводниковые фотоэлектрические. Для автоматического освещения придомовой территории или садового участка отлично подойдет фотореле схема которого представлена на Рисунке 1.

Автор В. Коновалов из города Иркутска. Переменным резистором R3 нужно добиться низкого уровня напряжение на выходе операционного усилителя DA1 при освещении обычной лампой накаливания 40Вт на расстоянии от фотодиода метра. Также можно проверить работоспособность устройства рукой, закрывая или открывая доступ свету на фотоэлемент. При срабатывании фотореле загорается индикаторный светодиод HL1. Резистор R6 образует обратную связь для быстрого срабатывания фотореле, а также защищает от ложного срабатывания при пороговой освещенности.

Конденсатор C1 служит для устранения помех. При срабатывании фотореле открывается транзистор VT1 и ток протекает через светодиод оптрона U1. В результате чего фотосимистор открывается и открывает мощный симистр VS1.

Дежурное освещение загорается. Всё просто! Фотодиод можно достать из фотоприемника из телевизора. Фотоприемник может выглядеть так:. Остальные детали несложно достать, транзисторы КТ широко использовались и используются в разной аппаратуре. Рассмотрим детали:.


Фотореле своими руками

Один из важных компонентов автоматики в наружном освещении, наравне с детекторами движения ДД и таймерами, это фотореле или световое реле, сумеречный выключатель, фотодатчик. Предназначением этого устройства является включение наружного освещения и не только, при приходе темноты, без вмешательства человека. В этой публикации мы рассмотрим устройство фотореле и особенности его подключения, кроме того, вы узнаете, как изготовить световое реле собственными руками. В большинстве своем световое реле предназначается для включения и отключения уличного освещения в автоматическом режиме. Имеются и иные возможности использования, в частности, посредством светового реле можно отрегулировать запуск водяного насоса фонтана с утра, а остановку под вечер. Сфера использования светоуправляемых приборов чрезвычайно обширна, они позволят решать самые разные вопросы, не только сопряженные с освещением.

Нагрузив фотодиод сопротивлением 10 кОм можно расширить .. а от синего спектра до ультрафиолетового рукой подать.

Фотогенераторный режим работы фотодиода

Звучит очень просто. Но при попытке обнаружить гамма-фотон схема такого детектора уже будет не так проста. Она не станет сложной, но конструкция потребует определённых усилий, в которой многие компоненты будут иметь решающее значение. Прилагаемая здесь схема работает, как обычный счётчик Гейгера. Но, в отличие от традиционных СБМ, здесь можно замерять длительность импульсов, чтобы приблизительно определять среднюю энергию гамма-фотонов, если добавить микроконтроллер с АЦП и жк-дисплеем. При построении подобных твёрдотельных детекторов радиации первым делом следует подумать о выборе фотодиода. Важными параметрами здесь являются: площадь поверхности, ток утечки темновой ток и ёмкость.

Фототранзистор своими руками: ltr 4206e, фт 1к, arduino

А какой ик-светодиод можно использовать, чтобы этот датчик реагировал на отраженный сигнал поднесенную руку, например на расстоянии около 30см? Я думаю нужен яркий светодиод. Если не получиться то нужен светодиод ярче. Повысить чувствительность схемы можно поставив вместо фотодиода фототранзистор. Необходимо также чтобы длинна волны излучения светодиода была такой же как длинна волны при которой у фототранзистора максимальная чувствительность.

Введите электронную почту и получайте письма с новыми самоделками. Не более одного письма в день.

Схема включения фотодиода

В фотодиодном режиме p-n переход смещается обратным напряжением величина которого зависит от конкретного фотодиода от единиц до сотни вольт, чем больше смещение тем быстрее он будет работать, и больше токи через него будут течь. Недостаток фотодиодного режима в том, что с ростом обратного тока, в последствии увеличения напряжения или освещения, увеличивается уровень шумов, а уровень полезного сигнала в целом остается постоянным, считается, что в этом режиме диод имеет меньшую постоянную времени. В фотогальваническом режиме к диоду не прикладывается ни какое напряжение, он сам становится источником ЭДС с большим внутренним сопротивлением. Недостаток фотогальванического режима заключается в ослаблении полезного сигнала с ростом уровня паразитной засветки но уровень шумов не растет, остается постоянным. Приведенная схема рис.

Форум самодельщиков: где взять фотодиоды — Форум самодельщиков

By mister24rus , March 15, in Схемотехника для начинающих. Может кто-нибудь нарисовать схему если на фотодиод попадет свет, транзистор откроется и через него потечет ток, к примеру на лампу? Мы принимаем формат Sprint-Layout 6! Экспорт в Gerber из Sprint-Layout 6. Конденсаторы Panasonic. Часть 4. Полимеры — номенклатура.

Как правильно делать датчик света своими руками в домашних условиях, который по Если на улице светло, фоторезистор (фотодиод) VT1 засвечен.

В верхней, так называемой зоне проводимости ЗП , подавляющее число электронов фактически оторвано от атомов Такой пробой вызывается ударной ионизацией атомов электронами, вырванными из ковалентной связи под действием сильного Разновидностью туннельного диода является обращенный диод, у которого туннельный эффект имеет место только в обратной

Фоточувствительные приборы используются в разных отраслях электроники и радиотехники. Все больше сейчас применяется фототранзистор, у которого более простой принцип работы, нежели у фотодиодов. Фототранзистор — это полупроводниковый прибор оптоволоконного типа, который используется для управления электрическим током при помощи определенного оптического излучения. Эти устройства разработаны на базе обычного транзистора.

Подборка простых и эффективных схем.

Тема в разделе » Котлы, горелки, котельное об-е своими руками «, создана пользователем sergMinsk , Искать только в заголовках Сообщения пользователя: Имена участников разделяйте запятой. Новее чем: Искать только в этой теме Искать только в этом разделе Отображать результаты в виде тем. Быстрый поиск. Самодельный контроллер для горелки на отработке с ОК Тема в разделе » Котлы, горелки, котельное об-е своими руками «, создана пользователем sergMinsk , Регистрация:

Собрать своими руками простой счетчик Гейгера, который использует вместо СБМ ,обычный фотодиод в роли детектора излучения сможет любой радиолюбитель. Дозиметр способен фиксировать только альфа- и бета излучение. К сожалению рентгеновский диапазон он обнаружить не сможет.


Универсальный ИК-датчик » S-Led.Ru — Светодиоды и электронные схемы


Устройства на инфракрасных лучах сейчас стремительно вторгаются во все области электроники. Появилось много радиолюбительских конструкций на эту тему, чему способствует относительная доступность, в настоящее время, ИК-светодиодов и ИК-фотодиодов. Применяются ИК-датчики в охранных устройствах или устройствах автоматики, действуя на пересечение луча или на его отражение от находящегося перед датчиком предмета.

В противопожарных системах ИК-датчики реагируют на задымление (между светодиодом и фотодиодом появившийся дым уменьшает оптическую проницаемость воздуха и датчик на это реагирует).

В любом случае, простой ИК-датчик состоит из передатчика ИК-световых вспышек и их приемника. В настоящее время, наиболее просто, используя самую доступную элементную базу ИК-передатчик можно собрать по схеме, показанной на рисунке 1. Генератор прямоугольных импульсов выполнен на популярном интегральном таймере КР1006ВИ1. В некоторых схемах предлагается ИК-светодиод включать прямо на выход интегрального таймера, через токоограничительный резистор сопротивлением 40-200 Ом. На мой взгляд это не очень надежно (в чем убедился испортив две КР1006ВИ1).

Дело в том, что чтобы не вызывать перегрузку выхода КР1006ВИ1 сопротивление токоограничительного резистора не должно быть меньше 150 Ом. Но, популярные светодиоды типа АЛ 147 рассчитаны на работу со значительно большим током (обычно в пультах ДУ устанавливают резистор 1,5. 3 Ом). В результате, с резистором 150 Ом яркость света получается мала, и дальность реакции такого датчика (особенно в схемах, работающих на отражение) получается недостаточной. Поэтому, наилучший вариант, — это применение на выходе транзисторного ключа на мощном транзисторе типа КТ815 или КТ817, который обеспечит нужный ток через светодиод и недопустит перегрузки выхода микросхемы.

Частота вспышек светодиода выбрана 1000-1500 Гц, она зависит от параметров R2 / С1. Схема приемника показана на рисунке 2. ИК-световой сигнал принимается фотодиодом VD1, фототок которого усиливается и преобразуется в импульсный сигнал специализированной микросхемой ТВА2800. Импульсный сигнал частотой 1000-1500 Гц выделяется на её выводе 8. Через разделительный конденсатор С5, исключающий влияние постоянной составляющей, импульсы поступают на детектор на диодах VD2 и VD3. При наличии ИК-сигнала на конденсаторе С6 выделяется некоторое напряжение, которое поступает на базу транзистора VT1 и открывает его. Вслед за ним открывается транзистор VT2, и подает питание на обмотку реле Р1.

Таким образом, когда имеется оптическая связь между светодиодом и фотодиодом, — контакты реле Р1 притянуты. Если связь эта прерывается, — контакты размыкаются. Отрегулировать чувствительность устройства можно подбором номинала резистора R4.

В качестве реле Р1 используется реле КУЦ-1, которое раньше применялось в системах дистанционного управления телевизоров УСЦТ. Реле может быть другим. Тип реле прежде всего зависит от мощности коммутируемой нагрузки. КУЦ-1 годится если нужно управлять сетевой нагрузкой, мощностью не более 150 Вт, при условии, что ток не более 1 А. Если нужно управлять мощной низковольтной нагрузкой, то наилучший выбор — автомобильное реле, применяемое в автомобилях «ВАЗ» (типа «3747»). Такое реле, в зависимости от исполнения, может коммутировать ток до 30А, сопротивление обмотки, при этом, не менее 80 Ом. Годятся аналогичные импортные автомобильные реле. Если нужно управлять слабенькой нагрузкой подойдут реле типа РЭС-10, РЭС-22, РЭС-47 и другие аналогичные, на напряжение обмотки 10-15 В.

Следует учесть, что сопротивления резисторов R4 и R3 (рис. 2) даны для реле КУЦ-1, для других реле они могут быть другими. Нужно подбирать такие резисторы, чтобы реле надежно срабатывало, но транзистор не перегревался. И еще одно замечание по поводу реле. Некоторые реле 3747 при работе существенно нагреваются. Дело в том, что по норме автомобильное реле должно срабатывать уже при напряжении 6-8 В поэтому 12 В получается некоторый перебор. Чтобы реле не перегревалось нужно последовательно его обмотке включить резистор на 20-80 Ом (подобрать экспериментально, так чтобы и реле надежно срабатывало, и его обмотка не грелась). Транзисторы КТ315, КТ814 и КТ815 можно заменить любыми аналогами. КТ315 возможно заменить на КТ503, КТ3102, и т.д. Стабилитрон КС147А можно заменить на КС156 или на импортный на 4,5…5,6 В. Можно стабилизатор R1-VD4 (рис. 2) заменить интегральным типа 7805.

Рис. 2


Если нужно, чтобы при наличии оптической связи между светодиодом и фотодиодом реле было обесточено, но срабатывало при нарушении этой связи, выходной каскад нужно собрать по схеме, показанной на рисунке 3. Если реле имеет две группы контактов, его можно включить по триггерной схеме (рис.4), тогда, при нарушении оптической связи, даже коротком, контакты реле заблокируются в замкнутом состоянии, и вторую группу контактов можно будет непосредственно подключить к охранной сирене или звонку.

Передатчик и приемник (кроме реле) собраны на двух печатных платах из фольгированного стеклотекстолита. Расположение печатных дорожек одностороннее. Если нет светодиода АЛ 147, его можно заменить импортным или на АЛ 107, но с АЛ 107 дальность действия будет ниже. Фотодиод — любой фотодиод от систем ДУ отечественных телевизоров, например, ФД611, ФД320.

Конструкция оптического узла зависит от конкретного применения. Если система должна реагировать на отражение, конструкция оптического узла должна исключать прямое попадание света от светодиода на фотодиод (между ними непрозрачная перегородка). Если система работает на пересечение луча, светодиод и фотодиод нужно снабдить трубчатыми блендами из непрозрачного материала, нацеленными друг на друга, чтобы исключить попадания на фотодиод отраженных лучей.

Примечательно, что на сетке инфракрасных лучей был создан первый сенсорный экран. С развитием технологий, на сегодняшний день стали доступны более современные сенсорные устройства, например такие, как сенсорные моноблоки http://salepos.ru/catalog/pos_terminaly/, которые имеют компактный внешний вид и обладают высокой надежностью.

Рис. 3 и 4


Фотодиод принцип работы. Схема включения фотодиода

При воспроизведении фотографической фонограммы ис­точником сигнала является фотодиод. Он может работать в фотогальваническом или в фотодиодном режиме. Схема включения фотодиода, работающего в фотогальва­ническом режиме, на вход транзисторного усилителя пока­зана на рис. 45, а. В этом режиме фотодиод работает без источника питания. Под действием света в области n-типа разрушаются ковалентные связи, и освободившиеся элект­роны накапливаются в этой области, заряжая ее отрица­тельно, а дырки втягиваются в область р-типа, заряжая ее положительно. Таким образом, между анодом и катодом соз­дается разность потенциалов — фото-ЭДС Е ф. При постоян­ном световом потоке в режиме покоя под действием этой ЭДС в цепи фотодиода протекает постоянный ток от области р к области п через резистор нагрузки R нф. При воспроизве­дении фонограммы световой поток пульсирует, поэтому пуль­сируют фото-ЭДС и ток в цепи фотодиода. Переменная сос­тавляющая напряжения на нагрузке R нф является напря­жением входного сигнала, которое через конденсатор С с передается на базу транзистора. Переменная составляющая тока фотодиода разветвляется: часть проходит через резис­тор R нф а другая часть — через конденсатор С с и эмиттер­ный переход транзистора.

Работа фотодиода в фотогальваническом режиме исполь­зуется в передвижной звуковоспроизводящей аппаратуре типа К3ВП-I0 и К3ВП-14.

При работе фотодиода в фотодиодном режиме (рис. 45, б) на него от источника питания подается постоянное напряже­ние, которое является обратным напряжением электронно-дырочного перехода. При отсутствии светового потока через фотодиод протекает очень малый ток – это темновой ток. Под действием света резко уменьшается обратное сопротивление р — n — переходаи возрастает ток через фото­диод.

При отсутствии сигнала световой поток остается посто­янным и через фотодиод протекает постоянный ток. Он идет от плюса источника питания через сопротивление нагрузки, фотодиода R нф и фотодиод к минусу источника питания. В режиме воспроизведения записанного на фонограмме сигнала световой поток и ток фотодиода, как и в первом ре­жиме, пульсируют, и переменная составляющая тока создает на нагрузке и на входе усилителя входной сигнал.

Рис. 45 Схемы включения фотодиода: а — в фотогальваническом режиме;

б – в фотодиодном режиме

В фотодиодном режиме чувствительность фотодиода повы­шается по сравнению с фотогальваническим режимом, и вход­ ной сигнал увеличивается; внутреннее сопротивление фото­диода для переменного тока также увеличивается.

Работа фотодиода в фотодиодном режиме используется в стационарной транзисторной аппаратуре типа «Звук Т».

Фотодиоды, установленные в фотоячейках на кинопроек­торах разных постов, могут иметь разброс параметров, и частности неодинаковую чувствительность, что приводит к неодинаковой отдаче постов. Чтобы при демонстрации кинофильма не изменялась громкость звука при переходе с поста на пост, в фото­-ячейке предусматрива­ется регулирование от­дачи фотодиода. Схема регулирования (рис. 46) позволяет переменным ре­зистором R уменьшить сигнал, поступающий отданного фотодиода на вход усилителя. В верх­нем положении движка резистора R3 сопротивле­ние цепочки R1, R3, С1, включенной параллельно фотодиоду, максималь­ное, поэтому входной сиг­нал наибольший. По мере перемещения движка вниз сопротивление R3 все больше закорачивается, общее сопротивление цепочки R1, R3, Сl уменьшается, возрастает ее шунтирующее действие, и сиг­нал на входеусилителя уменьшается. Такая схема включения фотодиода типа ФДК155 применена в звуковоспроизводя­щей аппаратуре типа «Звук T2-25,50».

Линия включения фотодиода на вход усилителя должна быть экранирована, как и для других источников сигнала.

Фотодиоды, используемые в аппаратуре киноустановок, имеют чувствительность порядка 4-6 мА/лм и дают ток входного сигнала 1-2 мкА.

Рис.46 Схема регулирования от­дачи фотодиода

Вопросы для самопроверки:

1. Что называется входной цепью, и какие бывают виды схем входа?

2. Нарисовать и объяснить схемы включения звукоснимателя.

3. Нарисовать и объяснить схемы включения микрофона.

4.Почему надо экранировать входные цепи и применять симметричную схему трансформатора входа? ­

5.Почему звукосниматель включают на вход усилителя чаще всего через делитель напряжения, а для включения микрофона и магнитной головки в высококачественной аппаратуре применяют входной трансформатор?

6. Нарисовать и объяснить схемы включение фотодиода.

Фотодиод — это полупроводниковый диод, у которого ток зависит от освещенности. Обычно под этим током подразумевают обратный ток фотодиода, потому что его зависимость от освещенности выражена на порядки сильнее, чем прямого тока. В дальнейшем мы будем говорить именно про обратный ток.

В общем случае фотодиод представляет собой p-n переход, открытый для светового излучения. Под воздействием света в области p-n перехода генерируются носители заряда (электроны и дырки), которые проходят через него и вызывают напряжение на выводах фотодиода или протекание тока в замкнутой цепи.

Фотодиод, в зависимости от его материала, предназначен для регистрации светового потока в инфракрасном, оптическом и ультрафиолетовом диапазоне длин волн. Фотодиоды изготавливают из кремния, германия, арсенида галлия, арсенида галлия индия и других материалов.

Фотодиоды широко используются в системах управления, метрологии, робототехнике и других областях. Также они используются в составе других компонентов, например, оптопар, оптореле. Применительно к микроконтроллерам, фотодиоды находят применение в качестве различных датчиков — концевых датчиков, датчиков освещенности, расстояния, пульса и т.д.

На электрических схемах фотодиод обозначается как диод, с двумя направленными к нему стрелочками. Стрелки символизируют падающее на фотодиод излучение. Не путайте с обозначением светодиода, у которого стрелки направлены от него.

Буквенное обозначение фотодиода может быть VD или BL (фотоэлемент).

Фотодиод работает в двух режимах: фотодиодном и фотогальваническом (фотовольтаическом, генераторном).

В фотодиодном режиме используется источник питания, который смещает фотодиод в обратном направлении. В этом случае через фотодиод течет обратный ток, пропорциональный падающему на него световому потоку. В рабочем диапазоне напряжений (то есть до наступления пробоя), этот ток практически не зависит от приложенного обратного напряжения.

В фотогальваническом режиме фотодиод работает без внешнего источника питания. В этом режиме он может работать в качестве датчики или в качестве элемента питания (солнечной батареи), так как под воздействием света на выводах фотодиода появляется напряжение, зависящее от потока излучения и нагрузки.


Чтобы получше разобраться с режимами работы фотодиода, нужно рассмотреть его вольтамперную характеристику.


График состоит из 4 областей, так называемых квадрантов. Фотодиодному режиму соответствует работа в 3-м квадранте.

При отсутствии излучения график представляет собой обратную ветвь вольтамперной характеристики обычного полупроводникового диода. Присутствует небольшой обратный ток, который называется тепловым (темновым) током обратно смещенного p-n перехода.

При наличии светового потока, сопротивление фотодиода уменьшается и обратный ток фотодиода возрастает. Чем больше света падает, тем больший обратный ток течет через фотодиод. Зависимость обратного тока фотодиода от светового потока в этом режиме линейная.

Из графика видно, что обратный ток фотодиода слабо зависит от обратного напряжения. Посмотрите на наклон графика от нулевого напряжения до напряжения пробоя, он маленький.

Фотогальваническому режиму соответствует работа фотодиода в 4-м квадранте. И здесь можно выделить два предельных случая:

Холостой ход (хх),
— короткое замыкание (кз).

Режим близкий к холостому ходу используется для получения энергии от фотодиода. То есть для применения фотодиода в качестве солнечной батареи. Конечно, от одного фотодиода будет мало проку, да и КПД у него невысокий. Но если соединить много элементов, то такой батареей можно запитать какое-нибудь мало-потребляющее устройство.

В режиме короткого замыкания, напряжение на фотодиоде близкое к нулю, а обратный ток прямо пропорционален световому потоку. Этот режим используется для построения фотодатчиков.

В чем преимущество и недостатки фотодиодного и фотогальванического режимов работы? Фотодиодный режим обеспечивает большее быстродействие фотодиода, но в этом режиме всегда есть темновой ток. В фотогальваническом режиме темнового тока нет, но быстродействие датчиков будет ниже.

Принцип действия фотодиода

Полупроводниковый фотодиод — это полупроводниковый диод обратный ток которого зависит от освещенности.

Обычно в качестве фотодиода используют полупроводниковые диоды с р-п переходом, который смещен в обратном направлении внешним источником питания. При поглощении квантов света в р-n переходе или в прилегающих к нему областях образуются новые носители заряда. Неосновные носители заряда, возникшие в областях, прилегающих к р-п переходу на расстоянии, не превь,’ ,ающем диффузионной длины, диффундируют в р-п переход и проходя* через него под действием электрического поля. То есть обратный ток при освещении возрастает. Поглощение квантов непосредственно в р-п переходе приводит к аналогичным результатам. Величина, на которую возрастает обратный ток, называется фототоком.

Характеристики фотодиодов

Свойства фотодиода можно охарактеризовать следующими характеристиками:

Вольт-амперная характеристика фотодиода представляет собой зависимость светового тока при неизменном световом потоке и темнового тока 1 т от напряжения.

Световая характеристика фотодиода обусловлена зависимостью фототока от освещенности. При увеличении освещенности фототок возрастает.

Спектральная характеристика фотодиода — это зависимость фототока от длины волны падающего света на фотодиод. Она определяется для больших длин волн шириной запрещенной зоны, а при малых длинах волн большим показателем поглощения и увеличения влияния поверхностной рекомбинации носителей заряда с уменьшением длины волны квантов света. То есть коротковолновая граница чувствительности зависит от толщины базы и от скорости поверхностной рекомбинации. Положение максимума в спектральной характеристике фотодиода сильно зависит от степени роста коэффициента поглощения.

Постоянная времени — это время, в течение которого фото- ток фотодиода изменяется после освещения или после затемнения фотодиода в е раз (63%) по отношению к установившемуся значению.

Темновое сопротивление — сопротивление фотодиода в отсутствие освещения.

Интегральная чувствительность определяется формулой:

где 1 ф — фототок, Ф — освещенность.

Инерционность

Существует три физических фактора, влияющих на инерционность:

1. Время диффузии или дрейфа неравновесных носителей через базу т;

2. Время пролета через р-n переход т,;

3. Время перезарядки барьерной емкости р-п перехода, характеризующееся постоянной времени RC 6 ap .

Толщина р-п перехода, зависящая от обратного напряжения и концентрации примесей в базе, обычно меньше 5 мкм, а значит, т, — 0,1 не. RC 6 ap определяется барьерной емкостью р-п перехода, зависящей от напряжения и сопротивления базы фотодиода при малом сопротивлении нагрузки во внешней цепи. Величина RC 6 ap обычно составляет нескольких наносекунд.

Расчет КПД фотодиода и мощности

КПД вычисляется по формуле:

где Р осв — мощность освещенности; I — сила тока;

U — напряжение на фотодиоде.

Расчет мощности фотодиода иллюстрирует рис. 2.12 и таблица 2.1.

Рис. 2.12. Зависимость мощности фотодиода от напряжения и силы тока

Максимальная мощность фотодиода соответствует максимальной площади данного прямоугольника.

Таблица 2.1. Зависимость мощности от КПД

Мощность освещенности, мВт

Сила тока, мА

Напряжение, В

КПД, %

Применение фотодиода в олтоэлектронике

Фотодиод является составным элементом во многих сложных оптоэлектронных устройствах:

Оптоэлектронные интегральные микросхемы.

Фотодиод может обладать большим быстродействием, но его коэффициент усиления фототока не превышает единицы. Благодаря наличию оптической связи оптоэлектронные интегральные микросхемы обладают рядом существенных достоинств, а именно: почти идеальная гальваническая развязка управляющих цепей от силовых при сохранении между ними сильной функциональной связи.

Многоэлементные фотоприемники.

Эти приборы (сканистор, фотодиодная матрица с управлением на МОП-транзисторе, фоточувствительные приборы с зарядовой связью и другие) относятся к числу наиболее быстро развивающихся и прогрессирующих изделий электронной техники. Оптоэлектрический «глаз» на основе фотодиода способен реагировать не только на яркостно-временные, но и на пространственные характеристики объекта, то есть воспринимать его полный зрительный образ.

Число фоточувствительных ячеек в приборе является достаточно большим, поэтому кроме всех проблем дискретного фотоприемника (чувствительность, быстродействие, спектральная область) приходится решать и проблему считывания информации. Все многоэлементные фотоприемники представляют собой сканирующие системы, то есть устройства, позволяющие производить анализ исследуемого пространства путем последовательного его просмотра (поэлементного разложения).

Как происходит восприятие образов?

Распределение яркости объекта наблюдения превращается в оптическое изображение и фокусируется на фоточувствительную поверхность. Здесь световая энергия переходит в электрическую, причем отклик каждого элемента (ток, заряд, напряжение) пропорционален его освещенности. Яркостная картина преобразуется в электрический рельеф. Схема сканирования производит периодический последовательный опрос каждого элемента и считывание содержащейся в нем информации. Тогда на выходе устройства мы получаем последовательность видеоимпульсов, в которой закодирован воспринимаемый образ.

При создании многоэлементных фотоприемников стремятся обеспечить наилучшее выполнение ими функций преобразования и сканирования. Оптроны.

Оптроном называется такой оптоэлектронный прибор, в котором имеются источник и приемник излучения с тем или иным видом оптической связи между ними, конструктивно объединенные и помещенные в один корпус. Между управляющей цепью (ток в которой мал, порядка нескольких мА), куда включен излучатель, и исполнительной, в которой работает фотоприемник, отсутствует электрическая (гальваническая) связь, а управляющая информация передается посредством светового излучения.

Это свойство оптоэлектронной пары (а в некоторых видах оптронов присутствует по несколько не связанных друг с другом даже оптически оптопар) оказалось незаменимым в тех электронных узлах, где нужно максимально устранить влияние выходных электрических цепей на входные. У всех дискретных элементов (транзисторов, тиристоров, микросхем, являющихся коммутационными сборками, или микросхем с выходом, позволяющим коммутировать нагрузку большой мощности) управляющие и исполнительные цепи электрически связаны друг с другом. Это часто недопустимо, если коммутируется высоковольтная нагрузка. К тому же, возникающая обратная связь неминуемо приводит к появлению дополнительных помех.

Конструктивно фотоприемник обычно крепится на дне корпуса, а излучатель — в верхней части. Зазор между излучателем и фотоприемником заполнен иммерсионным материалом — чаще всего эту роль выполняет полимерный оптический клей. Этот материал исполняет роль линзы, фокусирующей излучение на чувствительный слой фотоприемника. Иммерсионный материал снаружи покрыт специальной пленкой, отражающей световые лучи внутрь, чтобы препятствовать рассеянию излучения за пределы рабочей зоны фотоприемника.

Роль излучателей в оптронах, как правило, выполняют светодиоды на основе арсенид-галлия. Светочувствительные элементы в оптопарах могут представлять собой фотодиоды (оптопары серии АОД…), фототранзисторы, фототринисторы (оптопары серии АОУ.,.) и высокоинтегрированные схемы фотореле. В диодной оптопаре, например, в качестве фотоприемного элемента используется фотодиод на основе кремния, а излучателем служит инфракрасный излучающий диод. Максимум спектральной характеристики излучения диода приходится на длину волны около 1 мкм. Диодные оптопары применяются в фотодиодном и фотогенераторном режимах.

Транзисторные оптроны (серия АОТ…) имеют некоторые преимущества относительно диодных. Коллекторным током биполярного транзистора управляют как оптически (воздействуя на светодиод), так и электрически по базовой цепи (в данном случае работа фототранзистора при отсутствии излучения управляющего светодиода оптрона практически не отличается от работы обыкновенного кремниевого транзистора). У полевого транзистора управление осуществляется через цепь затвора.

Кроме того, фототранзистор может работать в ключевом и усилительных режимах, а фотодиод — только в ключевом. Оптроны с составными-транзисторами (например, АОТ1ЮБ), имеют наибольший коэффициент усиления (как и обычный узел на составном транзисторе), могут коммутировать напряжение и ток достаточно больших величин и по данным параметрам уступают только тиристорным оптронам и оптоэлектронным реле типа КР293КП2 — КР293КП4, которые приспособлены для коммутации высоковольтных и сильноточных цепей. Сегодня в розничной продаже появились новые оптоэлектронные реле серий К449 и К294. Серия К449 позволяет коммутировать напряжение до 400 В при токе до 150 мА. Такие микросхемы в четырехвы- водном компактном корпусе DIP-4 приходят на смену маломощным электромагнитным реле и имеют по сравнению с реле массу преимуществ (бесшумность работы, надежность, долговечность, отсутствие механических контактов, широкий диапазон напряжения срабатывания). Кроме того, их доступная цена объясняется тем, что нет необходимости использовать драгметаллы (в реле ими покрываются коммутирующие контакты).

В резисторных оптронах (например, ОЭП-1) и-злучателями являются электрические минилампы накаливания, помещенные также в один корпус.

Графическим обозначениям оптронов по ГОСТу присвоен условный код — латинская буква U, после которой следует порядковый номер прибора в схеме.

В главе 3 книги описаны приборы и устройства, иллюстрирующие применение оптронов.

Применение фотоприемников

Любое оптоэлектронное устройство содержит фотоприемный блок. И в большинстве современных оптоэлектронных устройств фотодиод составляет основу фотоприемника.

В сопоставлении с другими, более сложными фотоприемниками, они обладают наибольшей стабильностью температурных характеристик и лучшими эксплуатационными свойствами.

Основной недостаток, на который обычно указывают, — отсутствие усиления. Но он достаточно условен. Почти в каждом оп- тоэлектронном устройстве фотоприемник работает на ту или иную согласующую электронную схему. И введение усилительного каскада в нее значительно проще и целесообразнее, чем придание фотоприемнику несвойственных ему функций усиления.

Высокая информационная емкость оптического канала, связанная с тем, что частота световых колебаний (около 10 15 Гц) в 10 3 …10 4 раз выше, чем в освоенном радиотехническом диапазоне. Малое значение длины волны световых колебаний обеспечивает высокую достижимую плотность записи информации в оптических запоминающих устройствах (до 10 8 бит/см 2).

Острая направленность (кучность) светового излучения, обусловленная тем, что угловая расходимость луча пропорциональна длине волны и может быть меньше одной минуты. Это позволяет концентрированно и с малыми потерями передавать электрическую энергию в любую область пространства.

Возможность двойной — временной и пространственной — модуляции светового луча. Так как источник и приемник в опто- электронике не связаны друг с другом электрически, а связь между ними осуществляется только посредством светового луча (электрически нейтральных фотонов), то они не влияют друг на друга. И поэтому в оптоэлектронном приборе поток информации передается лишь в одном направлении — от источника к приемнику. Каналы, по которым распространяется оптическое излучение, не воздействуют друг на друга и практически не чувствительны к электромагнитным помехам, что определяет их высокую помехозащищенность.

Важная особенность фотодиодов — высокое быстродействие. Они могут работать на частотах до нескольких МГц. обычно изготовляют из германия или кремния.

Фотодиод является потенциально широкополосным приемником. Этим обуславливается его повсеместное применение и популярность.

ИК спектра

Инфракрасный излучающий диод (ИК диод) представляет собой полупроводниковый диод, который при протекании через него прямого тока излучает электромагнитную энергию в инфракрасной области спектра.

В отличие от видимого человеческим глазом спектра излучения (какое, например, производит обычный светоизлучающий диод на основе фосфида галлия) ИК излучение не может быть воспринято человеческим глазом, а регистрируется с помощью специальных приборов, чувствительных к данному спектру излучения. Среди популярных фотоприемных диодов ИК спектра можно отметить фоточувствительные приборы МДК-1, ФД263-01 и подобные им.

Спектральные характеристики ИК излучающих диодов имеют выраженный максимум в интервале волн 0,87…0,96 мкм. Эффективность излучения и КПД данных приборов выше, чем у светоизлучающих диодов.

На основе ИК диодов (которые в электронных конструкциях занимают важное место передатчиков импульсов ИК спектра) конструируются волоконно-оптические линии (выгодно отличающиеся своим быстродействием и помехозащищенностью), многоплановые электронные бытовые узлы и, конечно же, электронные узлы охраны. В этом есть свое преимущество, т.к. ИК луч невидим человеческим глазом и в некоторых случаях (при условии использования нескольких разнонаправленных ИК лучей) определить визуально наличие самого охранного устройства невозможно до его перехода в режим «тревога»). Опыты работы в сфере производства и обслуживания систем охраны на основе ИК излучателей позволяют все же дать некоторую рекомендацию по определению рабочего состояния ИК излучателей.

Если близко всмотреться в излучающую поверхность ИК диода (например, АЛ147А, АЛ156А), когда на него подан сигнал управления, то можно заметить слабое красное свечение. Световой спектр этого свечения близок к цвету глаз животных альбиносов (крыс, хомяков и т.д.). В темноте ИК свечение еще более выражено. Необходимо заметить, что длительное время всматриваться в излучающий ИК световую энергию прибор нежелательно с медицинской точки зрения.

Кроме систем охраны, ИК излучающие диоды в настоящее время находят применение в брелоках сигнализации для автомобилей, различного рода беспроводных передатчиках сигналов на расстояние. Например, подключив к передатчику модулированный НЧ сигнал от усилителя, с помощью ИК приемника на некотором расстоянии (зависит от мощности излучения и рельефа местности) можно прослушивать звуковую информацию, телефонные переговоры также можно транслировать на расстояние. Этот способ сегодня менее эффективен, но все же является альтернативным вариантом домашнему радиотелефону. Самым популярным (в быту) применением ИК излучающих диодов являются пульты дистанционного управления различными бытовыми приборами.

Как может легко убедиться любой радиолюбитель, вскрыв крышку ПДУ, электронная схема этого прибора не сложна и может быть повторена без особых проблем. В радиолюбительских конструкциях, некоторые из которых описаны в третьей главе данной книги, электронные устройства с ИК излучающими и приемными приборами намного проще, чем промышленные устройства.

Параметры, определяющие статические режимы работы ИК диодов (прямое и обратное максимально допустимое напряжение, прямой ток и т.д.) сходны с параметрами фотодиодов. Основными специфическими параметрами, по которым их идентифицируют, для ИК диодов являются:

Мощность излучения — Р изл — поток излучения определенного спектрального состава, излучаемого диодом. Характеристикой диода, как источника ИК излучения, является ватт-амперная характеристика — зависимость мощности излучения в Вт (милливаттах) от прямого тока, протекающего через диод. Диаграмма направленности излучения диода показывает уменьшение мощности излучения в зависимости от угла между направлением излучения и оптической осью прибора. Современные ИК диоды различаются между имеющими остронаправленное излучение и рассеянное.

При конструировании электронных узлов следует учитывать, что дальность передачи ИК сигнала прямо зависит от угла наклона (совмещения передающей и приемной частей устройства) и мощности ИК диода. При взаимозаменах ИК диодов необходимо учитывать этот параметр мощности излучения. Некоторые справочные данные по отечественным ИК диодам приведены в табл. 2.2.

Данные по взаимозаменам зарубежных и отечественных приборов приведены в приложении. Сегодня наиболее популярными типами ИК диодов среди радиолюбителей считаются приборы модельного ряда АЛ 156 и АЛ147. Они оптимальны по универсальности применения и стоимости.

Импульсная мощность излучения — Р изл им — амплитуда потока излучения, измеряемая при заданном импульсе прямого тока через диод.

Ширина спектра излучения — интервал длин волн, в котором спектральная плотность мощности излучения составляет половину максимальной.

Максимально допустимый прямой импульсный ток 1 пр им (ИК диоды в основном используются в импульсном режиме работы).

Таблица 2.2. Излучающие диоды инфракрасного спектра

ИК диод

Мощность излучения, мВт

Длина волны, мкм

Ширина спектра, мкм

Напряжение на приборе, В

Угол излучения, град

нет данных

нет данных

Время нарастания импульса излучения t Hap изл — интервал времени, в течение которого мощность излучения диода нарастает с 10 до 100% от максимального значения.

Параметр времени спада импульса t cnM 3 J 1 аналогичен предыдущему.

Скважность — Q — отношение периода импульсных колебаний к длительности импульса.

В основе предлагаемых к повторению электронных узлов (глава 3 данной книги) лежит принцип передачи и приема модулированного ИК сигнала. Но не только в таком виде можно использовать принцип работы ИК диода. Такие оптореле могут работать и в режиме реагирования на отражение лучей (фотоприемник размещается рядом с излучателем). Этот принцип воплощен в электронные узлы, реагирующие на приближение к объединенному приемо-передающему узлу какого-либо предмета или человека, что также может служить датчиком в системах охраны.

Вариантов применения ИК диодов и устройств на их основе бесконечно много и они ограничиваются только эффективностью творческого подхода радиолюбителя.

Простейший фотодиод представляет собой обычный полупроводниковый диод, в котором обеспечивается возможность воздействия оптического излучения на р–n-переход.

В равновесном состоянии, когда поток излучения полностью отсутствует, концентрация носителей, распределение потенциала и энергетическая зонная диаграмма фотодиода полностью соответствуют обычной p-n-структуре.

При воздействии излучения в направлении, перпендикулярном плоскости p-n-перехода, в результате поглощения фотонов с энергией, большей, чем ширина запрещенной зоны, в n-области возникают электронно-дырочные пары. Эти электроны и дырки называют фотоносителями .

При диффузии фотоносителей в глубь n-области основная доля электронов и дырок не успевает рекомбинировать и доходит до границы p–n-перехода. Здесь фотоносители разделяются электрическим полем p–n-перехода, причем дырки переходят в p-область, а электроны не могут преодолеть поле перехода и скапливаются у границы p–n-перехода и n-области.

Таким образом, ток через p–n-переход обусловлен дрейфом неосновных носителей – дырок. Дрейфовый ток фотоносителей называется фототоком .

Фотоносители – дырки заряжают p-область положительно относительно n-области, а фотоносители – электроны – n-область отрицательно по отношению к p-области. Возникающая разность потенциалов называется фотоЭДС Eф. Генерируемый ток в фотодиоде – обратный, он направлен от катода к аноду, причем его величина тем больше, чем больше освещенность.

Фотодиоды могут работать в одном из двух режимов – без внешнего источника электрической энергии (режим фотогенератора) либо с внешним источником электрической энергии (режим фотопреобразователя).

Фотодиоды, работающие в режиме фотогенератора, часто применяют в качестве источников питания, преобразующих энергию солнечного излучения в электрическую. Они называются солнечными элементами и входят в состав солнечных батарей, используемых на космических кораблях.

КПД кремниевых солнечных элементов составляет около 20 %, а у пленочных солнечных элементов он может иметь значительно большее значение. Важными техническими параметрами солнечных батарей являются отношения их выходной мощности к массе и площади, занимаемой солнечной батареей. Эти параметры достигают значений 200 Вт/кг и 1 кВт/м2, соответственно.

При работе фотодиода в фотопреобразовательном режиме источник питания Е включается в цепь в запирающем направлении (рис. 1, а). Используются обратные ветви ВАХ фотодиода при различных освещенностях (рис. 1,б).

Рис. 1. Схема включения фотодиода в фотопреобразовательном режиме: а — схема включения, б — ВАХ фотодиода

Ток и напряжение на нагрузочном резисторе Rн могут быть определены графически по точкам пересечения ВАХ фотодиода и линии нагрузки, соответствующей сопротивлению резистора Rн. При отсутствии освещенности фотодиод работает в режиме обычного диода. Темновой ток у германиевых фотодиодов равен 10 — 30 мкА, у кремниевых 1 — 3 мкА.

Если в фотодиодах использовать обратимый электрический пробой, сопровождающийся лавинным умножением носителей заряда, как в полупроводниковых стабилитронах, то фототок, а следовательно, и чувствительность значительно возрастут.

Чувствительность лавинных фотодиодов может быть на несколько порядков больше, чем у обычных фотодиодов (у германиевых – в 200 – 300 раз, у кремниевых – в 104 – 106 раз).

Лавинные фотодиоды являются быстродействующими фотоэлектрическими приборами, их частотный диапазон может достигать 10 ГГц. Недостатком лавинных фотодиодов является более высокий уровень шумов по сравнению с обычными фотодиодами.

Рис. 2. Схема включения фоторезистора (а), УГО (б), энергетическая (в) и вольт-амперная (г) характеристики фоторезистора

Кроме фотодиодов, применяются фоторезисторы (рис 2), фототранзисторы и фототиристоры , в которых используется внутренний фотоэффект. Характерным недостатком их является высокая инерционность (граничная рабочая частота fгр

Конструкция фототранзистора подобна обычному транзистору, у которого в корпусе имеется окошко, через которое может освещаться база. УГО фототранзистора – транзистор с двумя стрелками, направленными к нему.

Светодиоды и фотодиоды часто используются в паре. При этом они помещаются в один корпус таким образом, чтобы светочувствительная площадка фотодиода располагалась напротив излучающей площадки светодиода. Полупроводниковые приборы, использующие пары «светодиод – фотодиод», называются (рис. 3).

Рис. 3. Оптрон: 1 – светодиод, 2 – фотодиод

Входные и выходные цепи в таких приборах оказываются электрически никак не связанными, поскольку передача сигнала осуществляется через оптическое излучение.

Потапов Л. А.

Датчики бывают совершенно разными. Они отличаются по принципу действию, логике своей работы и физическим явлениям и величинам на которые они способны реагировать. Датчики света используются не только в аппаратуре автоматического управления освещением, они используются в огромном количестве устройств, начиная от блоков питания, заканчивая сигнализациями и охранными системами.

Основные виды фотоэлектронных приборов. Общие сведения

Фотоприёмник в общем смысле — это электронный прибор, который реагирует на изменение светового потока падающего на его чувствительную часть. Они могут отличаться, как по своей структуре, так и принципу работы. Давайте их рассмотрим.

Фоторезисторы — изменяют сопротивление при освещении

Фоторезистор — фотоприбор изменяющий проводимость (сопротивление) в зависимости от количества света падающего на его поверхность. Чем интенсивнее чувствительной области, тем меньше сопротивления. Вот его схематическое изображение.

Состоит он из двух металлических электродов, между которыми присутствует полупроводниковый материал. Когда световой поток попадает на полупроводник, в нём высвобождаются носители заряда, это способствует прохождению тока между металлическими электродами.

Энергия светового потока тратится на преодоление электронами запрещенной зоны и их переходу в зону проводимости. В качестве полупроводника у фоторезисторов используют материалы типа: Сульфид Кадмия, Сульфид Свинца, Селенит Кадмия и другие. От типа этого материала зависит спектральная характеристика фоторезистора

Интересно:

Спектральная характеристика содержит информацию о том, к каким длинам волн (цвету) светового потока наиболее чувствителен фоторезистор. Для некоторых экземпляров приходится тщательно подбирать излучатель света соответствующей длины волны, для достижения наибольшей чувствительности и эффективности работы.

Фоторезистор не предназначен для точного измерения освещенности, а, скорее, для определения наличия света, по его показаниям можно определить светлее или темнее стала окружающая среда. Вольт-амперная характеристика фоторезистора выглядит следующим образом.

На ней изображена зависимость тока от напряжения при различных величинах светового потока: Ф — темнота, а Ф3 — это яркий свет. Она линейна. Еще одна важная характеристика — это чувствительность, она измеряется в мА(мкА)/(Лм*В). Что отражает, сколько тока протекает через резистор, при определенном световом потоке и приложенном напряжении.

Темновое сопротивление — это активное сопротивление при полном отсутствии освещения, обозначается Rт, а характеристика Rт/Rсв — это кратность изменения сопротивления от состояния фоторезистора в полном отсутствии освещения к максимально освещенному состоянию и минимально возможному сопротивлению соответственно.(-5) с. Это не позволяет использовать его там, где нужно высокое быстродействие.

Фотодиод — преобразует свет в электрический заряд

Фотодиод — элемент, который преобразует свет, попадающий на чувствительную зону, в электрический заряд. Это происходит потому что при облучении в p-n переходе протекают различные процессы связанные с движением носителей заряда.

Если на фоторезисторе изменялась проводимость из-за движения носителей заряда в полупроводнике, то здесь происходит образование заряда на границе p-n перехода. Он может работать в режиме фотопреобразователя и фотогенератора.

По структуре он такой же, как и обычный диод, но на его корпусе есть окно для прохождения света. Внешне они бывают в различных исполнениях.

Фотодиоды с черным корпусом воспринимают только ИК-излучение. Черное покрытие — это что-то похожее на тонировку. Фильтрует ИК-спектр, чтобы исключить возможность срабатывания на излучения других спектров.

У фотодиодов, как и у фоторезисторов есть граничная частота, только здесь она на порядки больше и достигает 10 МГц, что позволяет обеспечить неплохое быстродействие. P-i-N фотодиоды обладают большим быстродействием — 100МГц-1ГГц, как и диоды на основании барьера Шоттки. Лавинные диоды имеют граничную частоту в порядка 1-10 ГГц.

В режиме фотопреобразователя такой диод работает как ключ управляемый светом, для этого его подключают в цепь в прямом смещении. То есть, катодом к точке с более положительным потенциалом (к плюсу), а анодом к более отрицательному (к минусу).

Когда диод не освещается светом — в цепи протекает только обратный темновой ток Iобрт (единицы и десятки мкА), а когда диод освещен к нему добавляется фототок, который зависит только от степени освещенности (десятки мА). Чем больше света — тем больше ток.

Фототок Iф равен:

где Sинт — интегральная чувствительность, Ф — световой поток.

Типовая схема включения фотодиода в режиме фотопреобразователя. Обратите внимание на то, как он подключен — в обратном направлении по отношению к источнику питания.

Другой режим — генератор. При попадании света на фотодиод на его выводах образуется напряжение, при этом токи короткого замыкания в таком режиме равняются десятки ампер. Это напоминает , но имеют малую мощность.

Фототранзисторы — открываются от количества падающего света

Фототранзистор — это по своей сути у которого вместо вывода базы есть в корпусе окошко для попадания туда света. Принцип работы и причины этого эффекта аналогичны с предыдущими приборами. Биполярные транзисторы управляются количеством тока протекающего через базу, а фототранзисторы по аналогии управляются количеством света.

Иногда на УГО еще дополнительно изображается вывод базы. Вообще напряжения на фототранзистор подают также как и на обычный, а второй вариант включения — с плавающей базой, когда базовый вывод остаётся незадействованным.

В схему включают фототранзисторы подобным образом.

Или меняют местами транзистор и резистор, смотря, что конкретно вам нужно. При отсутствии света через транзистор протекает темновой ток, который образуется из тока базы, который вы можете задать сами.

Задав необходимый ток базы, вы можете выставить чувствительность фототранзистора подбором его базового резистора. Таким образом, можно улавливать даже самый тусклый свет.

В советское время радиолюбители делали фототранзисторы своими руками — делали окошко для света, спилив обычному транзистору часть корпуса. Для этого отлично подходят транзисторы типа МП14-МП42.

Из вольтамперной характеристики видна зависимость фототока от освещения, при этом он практически не зависит от напряжения коллектор-эмиттер.

Кроме биполярных фототранзисторов существуют и полевые. Биполярные работают на частотах 10-100 кГц, то полевые более чувствительны. Их чувствительность достигает нескольких Ампер на Люмен, и более «быстрые» — до 100 мГц. У полевых транзисторов есть интересная особенность, при максимальных значениях светового потока напряжение на затворе почти не влияет на ток стока.

Области применения фотоэлектронных приборов

В первую очередь следует рассмотреть более привычные варианты их применения, например автоматическое включение света.

Схема, изображенная выше — это простейший прибор для включения и выключения нагрузки при определенной освещенности. Фотодиод ФД320 При попадании на него света открывается и на R1 падает определенное напряжение, когда его величина достаточна для открытия транзистора VT1 — он открывается, и открывает еще один транзистор — VT2. Эти два транзистора — это двухкаскадный усилитель тока, необходим для запитки катушки реле K1.

Диод VD2 — нужен для гашения ЭДС-самоиндукции, которое образуется при переключениях катушки. На подводящий контакт реле, верхний по схеме, подключается один из проводов от нагрузки (для переменного тока — фаза или ноль).

У нас есть нормально замкнутый и разомкнутый контакты, они нужны либо для выбора включаемой цепи, либо для выбора включить или отключить нагрузку от сети при достижении необходимой освещенности. Потенциометр R1 нужен для подстройки прибора для срабатывания при нужном количестве света. Чем больше сопротивление — тем меньше света нужно для включения схемы.

Вариации этой схемы используют в большинстве подобных приборов, при необходимости добавляя определенный набор функций.

Кроме включения нагрузки по освещенности подобные фотоприемники используются в различных системах контроля, например на турникетах метро часто используют фоторезисторы для определения несанкционированного (зайцем) пересечения турникета.

В типографии при обрыве полосы бумаги свет попадает на фотоприемник и тем самым даёт сигнал оператору об этом. Излучатель стоит по одну сторону от бумаги, а фотоприемник с обратной стороны. Когда бумага рвётся, свет от излучателя достигает фотоприемника.

В некоторых видах сигнализации используются в качестве датчиков входа в помещение излучатель и фотоприемник, при этом, чтобы излучение не были видны используют ИК-приборы.

Касаемо ИК-спектра, нельзя упомянуть о приемнике телевизора, на который поступают сигналы от ИК-светодиода в пульте дистанционного управления, когда вы переключаете каналы. Специальным образом кодируется информация и телевизор понимает, что вам нужно.

Информация таким образом ранее передавалась через ИК-порты мобильных телефонов. Скорость передачи ограничена, как последовательным способом передачи, так и принципом работы самого прибора.

В компьютерных мышках также используется технология связанная с фотоэлектронными приборами.

Применение для передачи сигналов в электронных схемах

Оптоэлектронные приборы — это приборы которые объединяют в одном корпусе излучатель и фотоприемник, типа описанных выше. Они нужны для связи двух контуров электрической цепи.

Это нужно для гальванической развязки, быстрой передачи сигнала, а также для соединения цепей постоянного и переменного тока, как в случае управления симистором в цепи 220 В 5 В сигналом с микроконтроллера.

Они имеют условно-графическое обозначение, которое содержит информацию о типе используемых внутри оптопары элементов.

Рассмотрим пару примеров использования таких приборов.

Если вы проектируете тиристорный или симисторный преобразователь вы столкнетесь с проблемой. Во-первых, если переход у управляющего вывода пробьет — попадет высокий потенциал и последний выйдет из строя. Для этого разработаны специальные драйверы, с элементом, который называется оптосимистор, например MOC3041.

В импульсных стабилизированных блоках питания необходима обратная связь. Если исключить гальваническую развязку в этой цепи, тогда в случае выхода из строя каких-то компонентов в цепи ОС, на выходной цепи возникнет высокий потенциал и подключенная аппаратура выйдет из строя, я не говорю о том, что и вас может ударить током.

В конкретном примере вы видите реализацию такой ОС из выходной цепи в обмотку обратной связи (управляющую) транзистора с помощью оптопары с порядковым обозначением U1.

Выводы

Фото- и оптоэлектроника это очень важные разделы в электроники, которые значительно улучшили качество аппаратуры, её стоимость и надёжность. С помощью оптопары можно исключить использование развязывающего трансформатора в таких цепях, что уменьшает массогабаритные показатели. Кроме того некоторые устройства просто невозможно реализовать без таких элементов.

Рекомендуем также

Советские фотодиоды технические характеристики и схемы включения. Фотодиоды. фотодиод схема

Фотодиод может работать в фотодиодном и гальваническом режиме.

В фотодиодном режиме p-n переход смещается обратным напряжением величина которого зависит от конкретного фотодиода от единиц до сотни вольт, чем больше смещение тем быстрее он будет работать, и больше токи через него будут течь.

Недостаток фотодиодного режима в том, что с ростом обратного тока, в последствии увеличения напряжения или освещения, увеличивается уровень шумов, а уровень полезного сигнала в целом остается постоянным, считается, что в этом режиме диод имеет меньшую постоянную времени.

В фотогальваническом режиме к диоду не прикладывается ни какое напряжение, он сам становится источником ЭДС с большим внутренним сопротивлением.

Фотодиодная схема включения.

Приведенная схема (рис.1.) включения фотодиода является универсальной и подходит для тестирования и выбора, применительно к окончательной схеме своей конструкции.

Изменяя положение подстроечного резистора, в приведенной схеме, можно протестировать и выбрать оптимальный режим работы фотодиода.

Изменяя сопротивление резистора от минимального до максимального, можно подобрать наилучший режим смещения на фотодиоде.

Вывернув резистор на минимум, замкнув подвижный контакт на землю, мы переведем схему в фотогальванический режим.

Можно попробовать работу фотодиода и в прямом смещении (он все равно будет реагировать на свет), для этого надо поменять схему включения, перевернув диод.

Сопротивление в 50 Ком, не должно дать повредить фотодиод, а по переменной составляющей оно оказывается включенным параллельно с нагрузкой (меньше 5 КОм), и полезный сигнал практически не ослабляет. Конденсатор избавляет нас от постоянной составляющей. Если мы принимаеи импульсный сигнал то от постоянной составляющей, которая меняется в зависимости от фоновой засветки, лучше избавится сразу, смысла ее усиливать нет.

Еще одна стандартная схема включения фотодиода показана на рис.2.


В данной установке для уменьшения влияния шумов и наводок в схему добавлены буферные конденсаторы в цепи питания, накопительный конденсатор С3 и интегрирующая цепочка R2С4 на выходе.

C1- электролитический конденсатор большой ёмкости С = 100 мкФ, С2 — быстрый керамический 0,1 мкФ, С3, С4 — керамические по 100 пФ, R1 — 8 кОм, R2- 5,6 кОм.

Нагрузкой для достижения максимального быстродействия должен быть или каскад с общей базой (рис.3.) или быстродействующий операционник (рис.4.) включенный по схеме преобразователя ток-напряжение. Эти усилители имеют минимальное входное сопротивление.



Практическая схемотехника включения фотодиода со смещением (рис.5.).

Величина R фильтра подбирается в зависимости от засвечивания фотодиода в рабочем варианте с установленной оптикой, учитывается направление по азимуту (юг,запад и т.д.) в разных направлениях разные засветки от солнца.

Ёмкость Сф=0.1мкФ ещё и замыкает цепь фотодиода по высокой частоте на землю.

Вместо Rн можно поставить дроссель, либо трансформатор, надо смотреть, не будет ли искажений или затяжек импульсов или прочих подводных камней.

Включение фотодиода в каскад с общей базой.

Схема включения фотодиода ФД 263 в каскад с общей базой (рис.6.).

В схеме с ОБ — база разделяет входную и выходную цепи, и практически исключает влияние выходного напряжения на вход схемы (подобно экранной сетке в пентоде) по-этому имеется возможность увеличить нагрузочное сопротивление и получить больший размах напряжения на выходе схемы без ущерба для скорости.

Фотодиод активно используется в современных электронных устройствах, из названия становится понятно, что прибор из себя представляет конструкцию с применением полупроводника, так давайте рассмотрим, что такое фотодиод Фотодиод — это полупроводниковый диод, который обладает свойством односторонней проводимости при воздействия на него оптического излучения. Фотодиод представляет собой полупроводниковый кристалл, обычно с электронно — дырочным переходом (пн). Он снабжен двумя металлическими выводами и вмонтированный в пластмассовый или же в металлический корпус.

Различают два режима работы фотодиода.

1) фотодиодный — когда во внешней цепи фотодиода содержится источник постоянного тока, который создает на переходе обратное смещение и вентильный, когда такой источник отсутствует. В фотодиодном режиме фотодиод, как и фоторезистор используют для управления током. Фототок фотодиода сильным образом зависит от интенсивности падающего излучения и не зависит от напряжения смещения.

2) Вентильный режим — когда фотодиод, как и фотоэлемент, используют в качестве генератора ЭДС.

Основные параметры фотодиода — порог чувствительности, уровень шумов, область спектральной чувствительности лежит в пределах от 0,3 до 15 мкм (микрометров), инерционность — время восстановления фототока, Существуют также фотодиоды с прямой структурой.Фотодиод является составным элементом во многих опто- электронных устройствах. фотодиоды и фотоприемники широко применяются в опронных парах, приемниках излучения видео — аудио сигналов. Широко применяется для принятия сигнала с лазерных диодов в CD и DVD дисководах.

Сигнал от лазерного диода, который в себе содержит кодированную информацию, сначала попадает на фотодиод, который в данных устройствах имеет сложную конструкцию, затем после расшифровки информация поступает на центральный процессор, где после обработки превращается в аудио или видеосигнал. На таком принципе работают все современные дисководы. Так же фотодиоды применяются в различных охранных устройствах, в инфракрасных датчиках движения и присутствия. Очередной обзор для начинающего радиолюбителя подошел к концу, удачи в мире радиоэлектроники — АКА.

Теория для начинающих

Обсудить статью ФОТОДИОДЫ

radioskot.ru

описание принципа работы, схема, характеристики, способы применения

Фотодиоды – полупроводниковые элементы, обладающие светочувствительностью. Их основная функция – трансформация светового потока в электросигнал. Такие полупроводники применяются в составе различных приборов, функционирование которых базируется на использовании световых потоков.

Принцип работы фотодиодов

Основа действия фотодиодных элементов – внутренний фотоэффект. Он заключается в возникновении в полупроводнике под воздействием светового потока неравновесных электронов и дырок (т.е. атомов с пространством для электронов), которые формируют фотоэлектродвижущую силу.

  • При попадании света на p-n переход происходит поглощение световых квантов с образованием фотоносителей
  • Фотоносители, находящиеся в области n, подходят к границе, на которой они разделяются под влиянием электрополя
  • Дырки перемещаются в зону p, а электроны собираются в зоне n или около границы
  • Дырки заряжают p-область положительно, а электроны – n-зону отрицательно. Образуется разность потенциалов
  • Чем выше освещенность, тем больше обратный ток

Если полупроводник находится в темноте, то его свойства аналогичны обычному диоду. При прозванивании тестером в отсутствии освещения результаты будут аналогичны тестированию обычного диода. В прямом направлении будет присутствовать маленькое сопротивление, в обратном – стрелка останется на нуле.

Схема фотодиода

Режимы работы

Фотодиоды разделяют по режиму функционирования.

Режим фотогенератора

Осуществляется без источника электропитания. Фотогенераторы, являющиеся комплектующими солнечных батарей, иначе называют «солнечными элементами». Их функция – преобразовывать солнечную энергию в электрическую. Наиболее распространены фотогенераторы, созданные на базе кремния – дешевого, распространенного, хорошо изученного. Обладают невысокой стоимостью, но их КПД достигает всего 20%. Более прогрессивными являются пленочные элементы.

Режим фотопреобразования

Источник электропитания в схему подключается с обратной полярностью, фотодиод в данном случае служит датчиком освещенности.

Основные параметры

Свойства фотодиодов определяют следующие характеристики:

  • Вольтамперная. Определяет изменение величины светового тока в соответствии с меняющимся напряжением при стабильных потоке света и темновом токе
  • Спектральная. Характеризует влияние длины световой волны на фототок
  • Постоянная времени – это период, в ходе которого ток реагирует на увеличение затемнения или освещенности на 63% от установленного значения
  • Порог чувствительности – минимальный световой поток, на который реагирует диод
  • Темновое сопротивление – показатель, характерный для полупроводника при отсутствии света
  • Инерционность

Из чего состоит фотодиод?

Разновидности фотодиодов

P-i-n

Для этих полупроводников характерно наличие в зоне p-n перехода участка, обладающего собственной проводимостью и значительной величиной сопротивления. При попадании на этот участок светового потока появляются пары дырок и электронов. Электрополе в данной области постоянно, пространственного заряда нет. Такой вспомогательный слой расширяет диапазон рабочих частот полупроводника. По функциональному назначению p-i-n-фотодиоды разделяют на детекторные, смесительные, параметрические, ограничительные, умножительные, настроечные и другие.

Лавинные

Этот вид отличается высокой чувствительностью. Его функция – преобразование светового потока в электросигнал, усиленный с помощью эффекта лавинного умножения. Может применяться в условиях незначительного светового потока. В конструкции лавинных фотодиодов используются сверхрешетки, способствующие снижению помех при передаче сигналов.

С барьером Шоттки

Состоит из металла и полупроводника, вокруг границы соединения которых создается электрическое поле. Главным отличием от обычных фотодиодов p-i-n-типа является использование основных, а не дополнительных носителей зарядов.

С гетероструктурой

Образуется из двух полупроводников, имеющих разную ширину запрещенной зоны. Гетерогенным называют слой, находящийся между ними. Путем подбора таких полупроводников можно создать устройство, работающее в полном диапазоне длин волн. Его минусом является высокая сложность изготовления.

Области применения фотодиодов

  • Оптоэлектронные интегральные микросхемы. Полупроводники обеспечивают оптическую связь, что гарантирует эффективную гальваноразвязку силовых и руководящих цепей при поддержании функциональной связи.
  • Многоэлементные фотоприемники – сканисторы, фоточувствительные аппараты, фотодиодные матрицы. Оптоэлектрический элемент способен воспринимать не только яркостную характеристику объекта и ее изменение во времени, но и создавать полный визуальный образ.

Другие сферы использования: оптоволоконные линии, лазерные дальномеры, установки эмиссионно-позитронной томографии.

www.radioelementy.ru

Фотодиоды

Фотодиодом принято называть полупроводниковый прибор с одним p-n переходом, вольтамперная характеристика которого зависит от воздействующего на него света.

Условное графическое обозначение, структура и внешний вид фотодиода представлены на рис. 17.6.

Рис. 17.6. Фотодиод:

а — условное графическое обозначение; б – структура; в – внешний вид

Простейший фотодиод представляет собой обычный полупроводниковый диод, в котором обеспечивается возможность воздействия оптического излучения на р-n переход. В равновесном состоянии, когда поток излучения полностью отсутствует, концентрация носителœей, распределœение потенциала и энергетическая зонная диаграмма фотодиода полностью соответствуют обычному p-n переходу (см. рис. 1.3).

При воздействии излучения в направлении, перпендикулярном плоскости p-n перехода, в результате поглощения фотонов с энергией, большей, чем ширина запрещенной зоны, в n области возникают электронно-дырочные пары. Эти электроны и дырки называют фотоносителями. При диффузии фотоносителœей вглубь n области основная доля электронов и дырок не успевает рекомбинировать и доходит до границы p-n перехода. Здесь фотоносители разделяются электрическим полем p-n перехода, причем дырки переходят в p область, а электроны не могут преодолеть поле перехода, и скапливаются у границы p-n перехода и n области. Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, ток через p-n переход обусловлен дрейфом небазовых носителœей – дырок. Дрейфовый ток фотоносителœей принято называть фототоком.

Фотоносители – дырки заряжают p область положительно относительно n области, а фотоносители – электроны – n область отрицательно по отношению к p области. Возникающая разность потенциалов принято называть фото ЭДС Eф. Генерируемый ток в фотодиоде – обратный, он направлен от катода к аноду, причем его величина тем больше, чем больше освещенность.

Фотодиоды могут работать в одном из двух режимов – с внешним источником электрической энергии (режим преобразователя), либо без внешнего источника электрической энергии (режим генератора).

При работе фотодиода в режиме преобразователя на него подают обратное напряжение (рис. 17.7, а). Используются обратные ветви ВАХ фотодиода при различных уровнях освещенности Ф, Ф1, Ф2 (рис. 17.7, б).

Учитывая зависимость отуровня освещённости изменяется обратный ток фотодиода, и на резисторе нагрузки изменяется напряжение. В системах желœезнодорожной автоматики по такой схеме включён германиевый фотодатчик в приборах обнаружения нагретой буксы (германий чувствителœен к ИК лучам, а кремний – к видимому свету).

Рис. 17.7. Работа фотодиода в режиме фотопреобразователя:

а – схема включения; б – вольтамперные характеристики

Фотодиоды, работающие в режиме генератора, используют в качестве источников питания, преобразующих энергию солнечного излучения в электрическую. Οʜᴎ называются солнечными элементами и входят в состав солнечных батарей. Выходное напряжение солнечной батареи сильно зависит от уровня освещённости. Чтобы получить стабильное напряжение в нагрузке, солнечную батарею используют совместно с аккумулятором. Схема солнечно-аккумуляторной батареи представлена на рис. 17.8.

Рис. 17.8. Принципиальная схема солнечно-аккумуляторной батареи

При максимальной освещённости солнечная батарея питает нагрузку и заряжает аккумулятор. Размещено на реф.рфВ темноте нагрузка питается только от аккумулятора, а чтобы аккумулятор не разряжался на солнечную батарею, в схеме установлен диод VD1.

КПД кремниевых солнечных элементов составляет около 20 %. Важными техническими параметрами солнечных батарей являются отношения их выходной мощности к массе и площади, занимаемой солнечной батареей. Эти параметры достигают значений 200 Вт/кг и 1 кВт/м2 соответственно.

Более подробные сведения о фотодиодах приведены в литературе .

Читайте также

  • — Фоторезисторы и фотодиоды. Устройство, принцип действия

    Лекция 14 Фоторезисторами называют полупроводниковые приборы, принцип действия которых основан на изменение сопротивления полупроводника под действием светового излучения. На рис.7.31 показано устройство фоторезистора, состоящего из диэлектрической подложки 1,… [читать подробнее].

  • — Фотодиоды

    Фотодиодами называют полупроводниковые диоды, в которых осуществляется управление величиной обратного тока с помощью света. Фотодиод устроен так, что в нем обеспечивается доступ света к — переходу. В отсутствие светового потока в фотодиоде при обратном напряжении… [читать подробнее].

  • — Фотодиоды и светодиоды

    Рис. 9. Фотодиод в режиме фотосопротивления Фотодиод в режиме фотосопротивления и его ВАХ показаны на рис. 9. К фотодиоду от источника ЭДС прикладывается обратное напряжение, поэтому его переход закрыт. Если поток равен нулю, то обратный ток через фотодиод примерно… [читать подробнее].

  • — Фотодиоды

    Фотодиод – полупроводниковый фотоэлектрический прибор с внутренним фотоэффектом, отображающим процесс преобразования световой энергии в электрическую. Внутренний фотоэффект заключается в том что под действием энергии светового излучения в области p – n – перехода… [читать подробнее].

  • — Фотодиоды

    Фотодиодом называют фотогальванический приёмник с электронно-дырочным переходом, облучение которого светом вызывает увеличение силы обратного тока. Материалом полупроводника фотодиода обычно выступает кремний, сернистое серебро, сернистый таллий или арсенид галлия…. [читать подробнее].

  • — Фотоприемные устройства. Фотоэффект. ПЗС и ФЭУ. Фотодиоды.

    Фотоприемники. В сканерах плоскостного и проекционно­го типов применяются приборы с зарядовой связью (ПЗС), а в барабанных — фотоэлектронные умножители и фотодиоды. Иногда бывает наоборот. Работа ПЗС основана на свойстве конденсаторов МОП-струк­туры (металл — оксид -… [читать подробнее].

  • — Фотодиоды

    Фотодиод имеет структуру обычного p-n- перехода. Обратный ток фотодиода зависит от уровня освещенности. Фотодиоды помещаются в металлический корпус с прозрачным окном. Условное графическое изображение фотодиода и его схема замещения приведены на рис.3.11. На рис.3.12… [читать подробнее].

  • referatwork.ru

    Фотодиоды | Техника и Программы

    Принцип действия фотодиода

    Полупроводниковый фотодиод — это полупроводниковый диод обратный ток которого зависит от освещенности.

    Обычно в качестве фотодиода используют полупроводниковые диоды с р-п переходом, который смещен в обратном направлении внешним источником питания. При поглощении квантов света в р-n переходе или в прилегающих к нему областях образуются новые носители заряда. Неосновные носители заряда, возникшие в областях, прилегающих к р-п переходу на расстоянии, не превь,’ ,ающем диффузионной длины, диффундируют в р-п переход и проходя* через него под действием электрического поля. То есть обратный ток при освещении возрастает. Поглощение квантов непосредственно в р-п переходе приводит к аналогичным результатам. Величина, на которую возрастает обратный ток, называется фототоком.

    Характеристики фотодиодов

    Свойства фотодиода можно охарактеризовать следующими характеристиками:

    Вольт-амперная характеристика фотодиода представляет собой зависимость светового тока при неизменном световом потоке и темнового тока 1т от напряжения.

    Световая характеристика фотодиода обусловлена зависимостью фототока от освещенности. При увеличении освещенности фототок возрастает.

    Спектральная характеристика фотодиода — это зависимость фототока от длины волны падающего света на фотодиод. Она определяется для больших длин волн шириной запрещенной зоны, а при малых длинах волн большим показателем поглощения и увеличения влияния поверхностной рекомбинации носителей заряда с уменьшением длины волны квантов света. То есть коротковолновая граница чувствительности зависит от толщины базы и от скорости поверхностной рекомбинации. Положение максимума в спектральной характеристике фотодиода сильно зависит от степени роста коэффициента поглощения.

    Постоянная времени — это время, в течение которого фото- ток фотодиода изменяется после освещения или после затемнения фотодиода в е раз (63%) по отношению к установившемуся значению.

    Темновое сопротивление — сопротивление фотодиода в отсутствие освещения.

    Интегральная чувствительность определяется формулой:

    где 1ф — фототок, Ф — освещенность.

    Инерционность

    Существует три физических фактора, влияющих на инерционность:

    1. Время диффузии или дрейфа неравновесных носителей через базу т;

    2. Время пролета через р-n переход т,;

    3. Время перезарядки барьерной емкости р-п перехода, характеризующееся постоянной времени RC6ap.

    Толщина р-п перехода, зависящая от обратного напряжения и концентрации примесей в базе, обычно меньше 5 мкм, а значит, т, — 0,1 не. RC6ap определяется барьерной емкостью р-п перехода, зависящей от напряжения и сопротивления базы фотодиода при малом сопротивлении нагрузки во внешней цепи. Величина RC6ap обычно составляет нескольких наносекунд.

    Расчет КПД фотодиода и мощности

    КПД вычисляется по формуле:

    где Росв — мощность освещенности; I — сила тока;

    U — напряжение на фотодиоде.

    Расчет мощности фотодиода иллюстрирует рис. 2.12 и таблица 2.1.

    Рис. 2.12. Зависимость мощности фотодиода от напряжения и силы тока

    Максимальная мощность фотодиода соответствует максимальной площади данного прямоугольника.

    Таблица 2.1. Зависимость мощности от КПД

    Мощность освещенности, мВт

    Сила тока, мА

    Напряжение, В

    Применение фотодиода в олтоэлектронике

    Фотодиод является составным элементом во многих сложных оптоэлектронных устройствах:

    Оптоэлектронные интегральные микросхемы.

    Фотодиод может обладать большим быстродействием, но его коэффициент усиления фототока не превышает единицы. Благодаря наличию оптической связи оптоэлектронные интегральные микросхемы обладают рядом существенных достоинств, а именно: почти идеальная гальваническая развязка управляющих цепей от силовых при сохранении между ними сильной функциональной связи.

    Многоэлементные фотоприемники.

    Эти приборы (сканистор, фотодиодная матрица с управлением на МОП-транзисторе, фоточувствительные приборы с зарядовой связью и другие) относятся к числу наиболее быстро развивающихся и прогрессирующих изделий электронной техники. Оптоэлектрический «глаз» на основе фотодиода способен реагировать не только на яркостно-временные, но и на пространственные характеристики объекта, то есть воспринимать его полный зрительный образ.

    Число фоточувствительных ячеек в приборе является достаточно большим, поэтому кроме всех проблем дискретного фотоприемника (чувствительность, быстродействие, спектральная область) приходится решать и проблему считывания информации. Все многоэлементные фотоприемники представляют собой сканирующие системы, то есть устройства, позволяющие производить анализ исследуемого пространства путем последовательного его просмотра (поэлементного разложения).

    Как происходит восприятие образов?

    Распределение яркости объекта наблюдения превращается в оптическое изображение и фокусируется на фоточувствительную поверхность. Здесь световая энергия переходит в электрическую, причем отклик каждого элемента (ток, заряд, напряжение) пропорционален его освещенности. Яркостная картина преобразуется в электрический рельеф. Схема сканирования производит периодический последовательный опрос каждого элемента и считывание содержащейся в нем информации. Тогда на выходе устройства мы получаем последовательность видеоимпульсов, в которой закодирован воспринимаемый образ.

    При создании многоэлементных фотоприемников стремятся обеспечить наилучшее выполнение ими функций преобразования и сканирования. Оптроны.

    Оптроном называется такой оптоэлектронный прибор, в котором имеются источник и приемник излучения с тем или иным видом оптической связи между ними, конструктивно объединенные и помещенные в один корпус. Между управляющей цепью (ток в которой мал, порядка нескольких мА), куда включен излучатель, и исполнительной, в которой работает фотоприемник, отсутствует электрическая (гальваническая) связь, а управляющая информация передается посредством светового излучения.

    Это свойство оптоэлектронной пары (а в некоторых видах оптронов присутствует по несколько не связанных друг с другом даже оптически оптопар) оказалось незаменимым в тех электронных узлах, где нужно максимально устранить влияние выходных электрических цепей на входные. У всех дискретных элементов (транзисторов, тиристоров, микросхем, являющихся коммутационными сборками, или микросхем с выходом, позволяющим коммутировать нагрузку большой мощности) управляющие и исполнительные цепи электрически связаны друг с другом. Это часто недопустимо, если коммутируется высоковольтная нагрузка. К тому же, возникающая обратная связь неминуемо приводит к появлению дополнительных помех.

    Конструктивно фотоприемник обычно крепится на дне корпуса, а излучатель — в верхней части. Зазор между излучателем и фотоприемником заполнен иммерсионным материалом — чаще всего эту роль выполняет полимерный оптический клей. Этот материал исполняет роль линзы, фокусирующей излучение на чувствительный слой фотоприемника. Иммерсионный материал снаружи покрыт специальной пленкой, отражающей световые лучи внутрь, чтобы препятствовать рассеянию излучения за пределы рабочей зоны фотоприемника.

    Роль излучателей в оптронах, как правило, выполняют светодиоды на основе арсенид-галлия. Светочувствительные элементы в оптопарах могут представлять собой фотодиоды (оптопары серии АОД…), фототранзисторы, фототринисторы (оптопары серии АОУ.,.) и высокоинтегрированные схемы фотореле. В диодной оптопаре, например, в качестве фотоприемного элемента используется фотодиод на основе кремния, а излучателем служит инфракрасный излучающий диод. Максимум спектральной характеристики излучения диода приходится на длину волны около 1 мкм. Диодные оптопары применяются в фотодиодном и фотогенераторном режимах.

    Транзисторные оптроны (серия АОТ…) имеют некоторые преимущества относительно диодных. Коллекторным током биполярного транзистора управляют как оптически (воздействуя на светодиод), так и электрически по базовой цепи (в данном случае работа фототранзистора при отсутствии излучения управляющего светодиода оптрона практически не отличается от работы обыкновенного кремниевого транзистора). У полевого транзистора управление осуществляется через цепь затвора.

    Кроме того, фототранзистор может работать в ключевом и усилительных режимах, а фотодиод — только в ключевом. Оптроны с составными-транзисторами (например, АОТ1ЮБ), имеют наибольший коэффициент усиления (как и обычный узел на составном транзисторе), могут коммутировать напряжение и ток достаточно больших величин и по данным параметрам уступают только тиристорным оптронам и оптоэлектронным реле типа КР293КП2 — КР293КП4, которые приспособлены для коммутации высоковольтных и сильноточных цепей. Сегодня в розничной продаже появились новые оптоэлектронные реле серий К449 и К294. Серия К449 позволяет коммутировать напряжение до 400 В при токе до 150 мА. Такие микросхемы в четырехвы- водном компактном корпусе DIP-4 приходят на смену маломощным электромагнитным реле и имеют по сравнению с реле массу преимуществ (бесшумность работы, надежность, долговечность, отсутствие механических контактов, широкий диапазон напряжения срабатывания). Кроме того, их доступная цена объясняется тем, что нет необходимости использовать драгметаллы (в реле ими покрываются коммутирующие контакты).

    В резисторных оптронах (например, ОЭП-1) и-злучателями являются электрические минилампы накаливания, помещенные также в один корпус.

    Графическим обозначениям оптронов по ГОСТу присвоен условный код — латинская буква U, после которой следует порядковый номер прибора в схеме.

    В главе 3 книги описаны приборы и устройства, иллюстрирующие применение оптронов.

    Применение фотоприемников

    Любое оптоэлектронное устройство содержит фотоприемный блок. И в большинстве современных оптоэлектронных устройств фотодиод составляет основу фотоприемника.

    В сопоставлении с другими, более сложными фотоприемниками, они обладают наибольшей стабильностью температурных характеристик и лучшими эксплуатационными свойствами.

    Основной недостаток, на который обычно указывают, — отсутствие усиления. Но он достаточно условен. Почти в каждом оп- тоэлектронном устройстве фотоприемник работает на ту или иную согласующую электронную схему. И введение усилительного каскада в нее значительно проще и целесообразнее, чем придание фотоприемнику несвойственных ему функций усиления.

    Высокая информационная емкость оптического канала, связанная с тем, что частота световых колебаний (около 1015 Гц) в 103…104 раз выше, чем в освоенном радиотехническом диапазоне. Малое значение длины волны световых колебаний обеспечивает высокую достижимую плотность записи информации в оптических запоминающих устройствах (до 108 бит/см2).

    Острая направленность (кучность) светового излучения, обусловленная тем, что угловая расходимость луча пропорциональна длине волны и может быть меньше одной минуты. Это позволяет концентрированно и с малыми потерями передавать электрическую энергию в любую область пространства.

    Возможность двойной — временной и пространственной — модуляции светового луча. Так как источник и приемник в опто- электронике не связаны друг с другом электрически, а связь между ними осуществляется только посредством светового луча (электрически нейтральных фотонов), то они не влияют друг на друга. И поэтому в оптоэлектронном приборе поток информации передается лишь в одном направлении — от источника к приемнику. Каналы, по которым распространяется оптическое излучение, не воздействуют друг на друга и практически не чувствительны к электромагнитным помехам, что определяет их высокую помехозащищенность.

    Важная особенность фотодиодов — высокое быстродействие. Они могут работать на частотах до нескольких МГц. обычно изготовляют из германия или кремния.

    Фотодиод является потенциально широкополосным приемником. Этим обуславливается его повсеместное применение и популярность.

    ИК спектра

    Инфракрасный излучающий диод (ИК диод) представляет собой полупроводниковый диод, который при протекании через него прямого тока излучает электромагнитную энергию в инфракрасной области спектра.

    В отличие от видимого человеческим глазом спектра излучения (какое, например, производит обычный светоизлучающий диод на основе фосфида галлия) ИК излучение не может быть воспринято человеческим глазом, а регистрируется с помощью специальных приборов, чувствительных к данному спектру излучения. Среди популярных фотоприемных диодов ИК спектра можно отметить фоточувствительные приборы МДК-1, ФД263-01 и подобные им.

    Спектральные характеристики ИК излучающих диодов имеют выраженный максимум в интервале волн 0,87…0,96 мкм. Эффективность излучения и КПД данных приборов выше, чем у светоизлучающих диодов.

    На основе ИК диодов (которые в электронных конструкциях занимают важное место передатчиков импульсов ИК спектра) конструируются волоконно-оптические линии (выгодно отличающиеся своим быстродействием и помехозащищенностью), многоплановые электронные бытовые узлы и, конечно же, электронные узлы охраны. В этом есть свое преимущество, т.к. ИК луч невидим человеческим глазом и в некоторых случаях (при условии использования нескольких разнонаправленных ИК лучей) определить визуально наличие самого охранного устройства невозможно до его перехода в режим «тревога»). Опыты работы в сфере производства и обслуживания систем охраны на основе ИК излучателей позволяют все же дать некоторую рекомендацию по определению рабочего состояния ИК излучателей.

    Если близко всмотреться в излучающую поверхность ИК диода (например, АЛ147А, АЛ156А), когда на него подан сигнал управления, то можно заметить слабое красное свечение. Световой спектр этого свечения близок к цвету глаз животных альбиносов (крыс, хомяков и т.д.). В темноте ИК свечение еще более выражено. Необходимо заметить, что длительное время всматриваться в излучающий ИК световую энергию прибор нежелательно с медицинской точки зрения.

    Кроме систем охраны, ИК излучающие диоды в настоящее время находят применение в брелоках сигнализации для автомобилей, различного рода беспроводных передатчиках сигналов на расстояние. Например, подключив к передатчику модулированный НЧ сигнал от усилителя, с помощью ИК приемника на некотором расстоянии (зависит от мощности излучения и рельефа местности) можно прослушивать звуковую информацию, телефонные переговоры также можно транслировать на расстояние. Этот способ сегодня менее эффективен, но все же является альтернативным вариантом домашнему радиотелефону. Самым популярным (в быту) применением ИК излучающих диодов являются пульты дистанционного управления различными бытовыми приборами.

    Как может легко убедиться любой радиолюбитель, вскрыв крышку ПДУ, электронная схема этого прибора не сложна и может быть повторена без особых проблем. В радиолюбительских конструкциях, некоторые из которых описаны в третьей главе данной книги, электронные устройства с ИК излучающими и приемными приборами намного проще, чем промышленные устройства.

    Параметры, определяющие статические режимы работы ИК диодов (прямое и обратное максимально допустимое напряжение, прямой ток и т.д.) сходны с параметрами фотодиодов. Основными специфическими параметрами, по которым их идентифицируют, для ИК диодов являются:

    Мощность излучения — Ризл — поток излучения определенного спектрального состава, излучаемого диодом. Характеристикой диода, как источника ИК излучения, является ватт-амперная характеристика — зависимость мощности излучения в Вт (милливаттах) от прямого тока, протекающего через диод. Диаграмма направленности излучения диода показывает уменьшение мощности излучения в зависимости от угла между направлением излучения и оптической осью прибора. Современные ИК диоды различаются между имеющими остронаправленное излучение и рассеянное.

    При конструировании электронных узлов следует учитывать, что дальность передачи ИК сигнала прямо зависит от угла наклона (совмещения передающей и приемной частей устройства) и мощности ИК диода. При взаимозаменах ИК диодов необходимо учитывать этот параметр мощности излучения. Некоторые справочные данные по отечественным ИК диодам приведены в табл. 2.2.

    Данные по взаимозаменам зарубежных и отечественных приборов приведены в приложении. Сегодня наиболее популярными типами ИК диодов среди радиолюбителей считаются приборы модельного ряда АЛ 156 и АЛ147. Они оптимальны по универсальности применения и стоимости.

    Импульсная мощность излучения — Ризл им — амплитуда потока излучения, измеряемая при заданном импульсе прямого тока через диод.

    Ширина спектра излучения — интервал длин волн, в котором спектральная плотность мощности излучения составляет половину максимальной.

    Максимально допустимый прямой импульсный ток 1пр им (ИК диоды в основном используются в импульсном режиме работы).

    Таблица 2.2. Излучающие диоды инфракрасного спектра

    Мощность излучения, мВт

    Длина волны, мкм

    Ширина спектра, мкм

    Напряжение на приборе, В

    Угол излучения, град

    нет данных

    нет данных

    Время нарастания импульса излучения tHapизл — интервал времени, в течение которого мощность излучения диода нарастает с 10 до 100% от максимального значения.

    Параметр времени спада импульса tcnM3J1 аналогичен предыдущему.

    Скважность — Q — отношение периода импульсных колебаний к длительности импульса.

    В основе предлагаемых к повторению электронных узлов (глава 3 данной книги) лежит принцип передачи и приема модулированного ИК сигнала. Но не только в таком виде можно использовать принцип работы ИК диода. Такие оптореле могут работать и в режиме реагирования на отражение лучей (фотоприемник размещается рядом с излучателем). Этот принцип воплощен в электронные узлы, реагирующие на приближение к объединенному приемо-передающему узлу какого-либо предмета или человека, что также может служить датчиком в системах охраны.

    Вариантов применения ИК диодов и устройств на их основе бесконечно много и они ограничиваются только эффективностью творческого подхода радиолюбителя.

    nauchebe.net

    Фотодиод — это… Что такое Фотодиод?

    Фотодиод ФД-10-100 активная площадь-10х10 мм² ФД1604 (активная площадь ячейки 1,2х4мм2 — 16шт) Обозначение на схемах

    Фотодио́д — приёмник оптического излучения, который преобразует попавший на его фоточувствительную область свет в электрический заряд за счёт процессов в p-n-переходе.

    Фотодиод, работа которого основана на фотовольтаическом эффекте (разделение электронов и дырок в p- и n- области, за счёт чего образуется заряд и ЭДС), называется солнечным элементом. Кроме p-n фотодиодов, существуют и p-i-n фотодиоды, в которых между слоями p- и n- находится слой нелегированного полупроводника i. p-n и p-i-n фотодиоды только преобразуют свет в электрический ток, но не усиливают его, в отличие от лавинных фотодиодов и фототранзисторов.

    Описание

    Структурная схема фотодиода. 1 — кристалл полупроводника; 2 — контакты; 3 — выводы; Φ — поток электромагнитного излучения; Е — источник постоянного тока; RH — нагрузка.

    Принцип работы:

    При воздействии квантов излучения в базе происходит генерация свободных носителей, которые устремляются к границе p-n-перехода. Ширина базы (n-область) делается такой, чтобы дырки не успевали рекомбинировать до перехода в p-область. Ток фотодиода определяется током неосновных носителей — дрейфовым током. Быстродействие фотодиода определяется скоростью разделения носителей полем p-n-перехода и ёмкостью p-n-перехода Cp-n

    Фотодиод может работать в двух режимах:

    Особенности:

    • простота технологии изготовления и структуры
    • сочетание высокой фоточувствительности и быстродействия
    • малое сопротивление базы
    • малая инерционность

    Параметры и характеристики фотодиодов

    Параметры:

    • чувствительность отражает изменение электрического состояния на выходе фотодиода при подаче на вход единичного оптического сигнала. Количественно чувствительность измеряется отношением изменения электрической характеристики, снимаемой на выходе фотоприёмника, к световому потоку или потоку излучения, его вызвавшему. ; — токовая чувствительность по световому потоку; — вольтаическая чувствительность по энергетическому потоку
    • шумы помимо полезного сигнала на выходе фотодиода появляется хаотический сигнал со случайной амплитудой и спектром — шум фотодиода. Он не позволяет регистрировать сколь угодно малые полезные сигналы. Шум фотодиода складывается из шумов полупроводникового материала и фотонного шума.

    Характеристики:

    • вольт-амперная характеристика (ВАХ) зависимость выходного напряжения от входного тока.
    • спектральные характеристики зависимость фототока от длины волны падающего света на фотодиод. Она определяется со стороны больших длин волн шириной запрещённой зоны, при малых длинах волн большим показателем поглощения и увеличения влияния поверхностной рекомбинации носителей заряда с уменьшением длины волны квантов света. То есть коротковолновая граница чувствительности зависит от толщины базы и от скорости поверхностной рекомбинации. Положение максимума в спектральной характеристике фотодиода сильно зависит от степени роста коэффициента поглощения.
    • световые характеристики зависимость фототока от освещённости, соответствует прямой пропорциональности фототока от освещённости. Это обусловлено тем, что толщина базы фотодиода значительно меньше диффузионной длины неосновных носителей заряда. То есть практически все неосновные носители заряда, возникшие в базе, принимают участие в образовании фототока.
    • постоянная времени это время, в течение которого фототок фотодиода изменяется после освещения или после затемнения фотодиода в е раз (63 %) по отношению к установившемуся значению.
    • темновое сопротивление сопротивление фотодиода в отсутствие освещения.
    • инерционность

    Классификация

    • В p-i-n структуре средняя i-область заключена между двумя областями противоположной проводимости. При достаточно большом напряжении оно пронизывает i-область, и свободные носители, появившееся за счет фотонов при облучении, ускоряются электрическим полем p-n переходов. Это дает выигрыш в быстродействии и чувствительности. Повышение быстродействия в p-i-n фотодиоде обусловлено тем, что процесс диффузии заменяется дрейфом электрических зарядов в сильном электрическом поле. Уже при Uобр≈0.1В p-i-n фотодиод имеет преимущество в быстродействии.
    Достоинства: 1) есть возможность обеспечения чувствительности в длинноволновой части спектра за счет изменения ширины i-области. 2) высокая чувствительность и быстродействие 3) малое рабочее напряжение Uраб Недостатки: сложность получения высокой чистоты i-области
    • Фотодиод Шоттки (фотодиод с барьером Шоттки) Структура металл-полупроводник. При образовании структуры часть электронов перейдет из металла в полупроводник p-типа.
    • Лавинный фотодиод
    • В структуре используется лавинный пробой. Он возникает тогда, когда энергия фотоносителей превышает энергию образования электронно-дырочных пар. Очень чувствительны. Для оценки существует коэффициент лавинного умножения: Для реализации лавинного умножения необходимо выполнить два условия: 1) Электрическое поле области пространственного заряда должно быть достаточно большим, чтобы на длине свободного пробега электрон набрал энергию, большую, чем ширина запрещённой зоны: 2) Ширина области пространственного заряда должна быть существенно больше, чем длина свободного пробега: Значение коэффициентов внутреннего усиления составляет M=10-100 в зависимости от типа фотодиодов.
    • Фотодиод с гетероструктурой Гетеропереходом называют слой, возникающий на границе двух полупроводников с разной шириной запрещённой зоны. Один слой р+ играет роль «приёмного окна». Заряды генерируются в центральной области. За счет подбора полупроводников с различной шириной запрещённой зоны можно перекрыть весь диапазон длин волн. Недостаток — сложность изготовления.

    Простейший фотодиод представляет собой обычный полупроводниковый диод, в котором обеспечивается возможность воздействия оптического излучения на р–n-переход.

    В равновесном состоянии, когда поток излучения полностью отсутствует, концентрация носителей, распределение потенциала и энергетическая зонная диаграмма фотодиода полностью соответствуют обычной p-n-структуре.

    При воздействии излучения в направлении, перпендикулярном плоскости p-n-перехода, в результате поглощения фотонов с энергией, большей, чем ширина запрещенной зоны, в n-области возникают электронно-дырочные пары. Эти электроны и дырки называют фотоносителями .

    При диффузии фотоносителей в глубь n-области основная доля электронов и дырок не успевает рекомбинировать и доходит до границы p–n-перехода. Здесь фотоносители разделяются электрическим полем p–n-перехода, причем дырки переходят в p-область, а электроны не могут преодолеть поле перехода и скапливаются у границы p–n-перехода и n-области.

    Таким образом, ток через p–n-переход обусловлен дрейфом неосновных носителей – дырок. Дрейфовый ток фотоносителей называется фототоком .

    Фотоносители – дырки заряжают p-область положительно относительно n-области, а фотоносители – электроны – n-область отрицательно по отношению к p-области. Возникающая разность потенциалов называется фотоЭДС Eф. Генерируемый ток в фотодиоде – обратный, он направлен от катода к аноду, причем его величина тем больше, чем больше освещенность.

    Фотодиоды могут работать в одном из двух режимов – без внешнего источника электрической энергии (режим фотогенератора) либо с внешним источником электрической энергии (режим фотопреобразователя).

    Фотодиоды, работающие в режиме фотогенератора, часто применяют в качестве источников питания, преобразующих энергию солнечного излучения в электрическую. Они называются солнечными элементами и входят в состав солнечных батарей, используемых на космических кораблях.

    КПД кремниевых солнечных элементов составляет около 20 %, а у пленочных солнечных элементов он может иметь значительно большее значение. Важными техническими параметрами солнечных батарей являются отношения их выходной мощности к массе и площади, занимаемой солнечной батареей. Эти параметры достигают значений 200 Вт/кг и 1 кВт/м2, соответственно.

    При работе фотодиода в фотопреобразовательном режиме источник питания Е включается в цепь в запирающем направлении (рис. 1, а). Используются обратные ветви ВАХ фотодиода при различных освещенностях (рис. 1,б).

    Рис. 1. Схема включения фотодиода в фотопреобразовательном режиме: а — схема включения, б — ВАХ фотодиода

    Ток и напряжение на нагрузочном резисторе Rн могут быть определены графически по точкам пересечения ВАХ фотодиода и линии нагрузки, соответствующей сопротивлению резистора Rн. При отсутствии освещенности фотодиод работает в режиме обычного диода. Темновой ток у германиевых фотодиодов равен 10 — 30 мкА, у кремниевых 1 — 3 мкА.

    Если в фотодиодах использовать обратимый электрический пробой, сопровождающийся лавинным умножением носителей заряда, как в полупроводниковых стабилитронах, то фототок, а следовательно, и чувствительность значительно возрастут.

    Чувствительность лавинных фотодиодов может быть на несколько порядков больше, чем у обычных фотодиодов (у германиевых – в 200 – 300 раз, у кремниевых – в 104 – 106 раз).

    Лавинные фотодиоды являются быстродействующими фотоэлектрическими приборами, их частотный диапазон может достигать 10 ГГц. Недостатком лавинных фотодиодов является более высокий уровень шумов по сравнению с обычными фотодиодами.

    Рис. 2. Схема включения фоторезистора (а), УГО (б), энергетическая (в) и вольт-амперная (г) характеристики фоторезистора

    Кроме фотодиодов, применяются фоторезисторы (рис 2), фототранзисторы и фототиристоры , в которых используется внутренний фотоэффект. Характерным недостатком их является высокая инерционность (граничная рабочая частота fгр

    Конструкция фототранзистора подобна обычному транзистору, у которого в корпусе имеется окошко, через которое может освещаться база. УГО фототранзистора – транзистор с двумя стрелками, направленными к нему.

    Светодиоды и фотодиоды часто используются в паре. При этом они помещаются в один корпус таким образом, чтобы светочувствительная площадка фотодиода располагалась напротив излучающей площадки светодиода. Полупроводниковые приборы, использующие пары «светодиод – фотодиод», называются (рис. 3).

    Рис. 3. Оптрон: 1 – светодиод, 2 – фотодиод

    Входные и выходные цепи в таких приборах оказываются электрически никак не связанными, поскольку передача сигнала осуществляется через оптическое излучение.

    Потапов Л. А.

    Простой фотодиод представляет собой обычный полупроводниковый диод, в котором обеспечивается возможность воздействия оптического излучения на р–n-переход.

    В сбалансированном состоянии, когда поток излучения стопроцентно отсутствует, концентрация носителей, рассредотачивание потенциала и энергетическая зонная диаграмма фотодиода стопроцентно соответствуют обыкновенной p-n-структуре.

    При воздействии излучения в направлении, перпендикулярном плоскости p-n-перехода, в итоге поглощения фотонов с энергией, большей, чем ширина нелегальной зоны, в n-области появляются электронно-дырочные пары. Эти электроны и дырки именуют фотоносителями .

    При диффузии фотоносителей в глубь n-области основная толика электронов и дырок не успевает рекомбинировать и доходит до границы p–n-перехода. Тут фотоносители делятся электронным полем p–n-перехода, при этом дырки перебегают в p-область, а электроны не могут преодолеть поле перехода и накапливаются у границы p–n-перехода и n-области.

    Таким образом, ток через p–n-переход обоснован дрейфом неосновных носителей – дырок. Дрейфовый ток фотоносителей именуется фототоком .

    Фотоносители – дырки заряжают p-область положительно относительно n-области, а фотоносители – электроны – n-область негативно по отношению к p-области. Возникающая разность потенциалов именуется фотоЭДС Eф. Генерируемый ток в фотодиоде – оборотный, он ориентирован от катода к аноду, при этом его величина тем больше, чем больше освещенность.

    Фотодиоды могут работать в одном из 2-ух режимов – без наружного источника электронной энергии (режим фотогенератора) или с наружным источником электронной энергии (режим фотопреобразователя).

    Фотодиоды, работающие в режиме фотогенератора, нередко используют в качестве источников питания, модифицирующих энергию солнечного излучения в электронную. Они именуются солнечными элементами и входят в состав солнечных батарей, применяемых на космических кораблях и спутниках.

    КПД кремниевых солнечных частей составляет около 20 %, а у пленочных солнечных частей он может иметь существенно большее значение. Необходимыми техническими параметрами солнечных батарей являются дела их выходной мощности к массе и площади, занимаемой солнечной батареей. Эти характеристики добиваются значений 200 Вт/кг и 1 кВт/м2, соответственно.

    При работе фотодиода в фотопреобразовательном режиме источник питания Е врубается в цепь в запирающем направлении (рис. 1, а). Употребляются оборотные ветки ВАХ фотодиода при разных освещенностях (рис. 1,б).

    Рис. 1. Схема включения фотодиода в фотопреобразовательном режиме: а — схема включения, б — ВАХ фотодиода.

    Ток и напряжение на нагрузочном резисторе Rн могут быть определены графически по точкам скрещения ВАХ фотодиода и полосы нагрузки, соответственной сопротивлению резистора Rн. При отсутствии освещенности фотодиод работает в режиме обычного диода. Темновой ток у германиевых фотодиодов равен 10 — 30 мкА, у кремниевых 1 — 3 мкА.

    Если в фотодиодах использовать обратимый электронный пробой, сопровождающийся лавинным умножением носителей заряда, как в полупроводниковых стабилитронах, то фототок, а как следует, и чувствительность существенно вырастут.

    Чувствительность лавинных фотодиодов может быть на несколько порядков больше, чем у обычных фотодиодов (у германиевых – в 200 – 300 раз, у кремниевых – в 104 – 106 раз).

    Лавинные фотодиоды являются быстродействующими фотоэлектрическими устройствами, их частотный спектр может достигать 10 ГГц. Недочетом лавинных фотодиодов является более высочайший уровень шумов по сопоставлению с обыкновенными фотодиодами.

    Рис. 2. Схема включения фоторезистора (а), УГО (б), энергетическая (в) и вольт-амперная (г) свойства фоторезистора.

    Не считая фотодиодов, используются фоторезисторы (рис 2), фототранзисторы и фототиристоры, в которых используется внутренний фотоэффект. Соответствующим недостатком их является высочайшая инерционность (граничная рабочая частота fгр

    Конструкция фототранзистора подобна обыкновенному транзистору, у которого в корпусе имеется окошко, через которое может освещаться база. УГО фототранзистора – транзистор с 2-мя стрелками, направленными к нему.

    Светодиоды и фотодиоды нередко употребляются в паре. При всем этом они помещаются в один корпус таким образом, чтоб светочувствительная площадка фотодиода размещалась напротив излучающей площадки светодиода. Полупроводниковые приборы, использующие пары «светодиод – фотодиод», именуются оптронами (рис. 3).

    Рис. 3. Оптрон: 1 – светодиод, 2 – фотодиод

    Входные и выходные цепи в таких устройствах оказываются электрически никак не связанными, так как передача сигнала осуществляется через оптическое излучение.

    Принцип действия фотодиода

    Полупроводниковый фотодиод — это полупроводниковый диод обратный ток которого зависит от освещенности.

    Обычно в качестве фотодиода используют полупроводниковые диоды с р-п переходом, который смещен в обратном направлении внешним источником питания. При поглощении квантов света в р-n переходе или в прилегающих к нему областях образуются новые носители заряда. Неосновные носители заряда, возникшие в областях, прилегающих к р-п переходу на расстоянии, не превь,’ ,ающем диффузионной длины, диффундируют в р-п переход и проходя* через него под действием электрического поля. То есть обратный ток при освещении возрастает. Поглощение квантов непосредственно в р-п переходе приводит к аналогичным результатам. Величина, на которую возрастает обратный ток, называется фототоком.

    Характеристики фотодиодов

    Свойства фотодиода можно охарактеризовать следующими характеристиками:

    Вольт-амперная характеристика фотодиода представляет собой зависимость светового тока при неизменном световом потоке и темнового тока 1т от напряжения.

    Световая характеристика фотодиода обусловлена зависимостью фототока от освещенности. При увеличении освещенности фототок возрастает.

    Спектральная характеристика фотодиода — это зависимость фототока от длины волны падающего света на фотодиод. Она определяется для больших длин волн шириной запрещенной зоны, а при малых длинах волн большим показателем поглощения и увеличения влияния поверхностной рекомбинации носителей заряда с уменьшением длины волны квантов света. То есть коротковолновая граница чувствительности зависит от толщины базы и от скорости поверхностной рекомбинации. Положение максимума в спектральной характеристике фотодиода сильно зависит от степени роста коэффициента поглощения.

    Постоянная времени — это время, в течение которого фото- ток фотодиода изменяется после освещения или после затемнения фотодиода в е раз (63%) по отношению к установившемуся значению.

    Темновое сопротивление — сопротивление фотодиода в отсутствие освещения.

    Интегральная чувствительность определяется формулой:

    где 1ф — фототок, Ф — освещенность.

    Инерционность

    Существует три физических фактора, влияющих на инерционность:

    1. Время диффузии или дрейфа неравновесных носителей через базу т;

    2. Время пролета через р-n переход т,;

    3. Время перезарядки барьерной емкости р-п перехода, характеризующееся постоянной времени RC6ap.

    Толщина р-п перехода, зависящая от обратного напряжения и концентрации примесей в базе, обычно меньше 5 мкм, а значит, т, — 0,1 не. RC6ap определяется барьерной емкостью р-п перехода, зависящей от напряжения и сопротивления базы фотодиода при малом сопротивлении нагрузки во внешней цепи. Величина RC6ap обычно составляет нескольких наносекунд.

    Расчет КПД фотодиода и мощности

    КПД вычисляется по формуле:

    где Росв — мощность освещенности; I — сила тока;

    U — напряжение на фотодиоде.

    Расчет мощности фотодиода иллюстрирует рис. 2.12 и таблица 2.1.

    Рис. 2.12. Зависимость мощности фотодиода от напряжения и силы тока

    Максимальная мощность фотодиода соответствует максимальной площади данного прямоугольника.

    Таблица 2.1. Зависимость мощности от КПД

    Мощность освещенности, мВт

    Сила тока, мА

    Напряжение, В

    Применение фотодиода в олтоэлектронике

    Фотодиод является составным элементом во многих сложных оптоэлектронных устройствах:

    Оптоэлектронные интегральные микросхемы.

    Фотодиод может обладать большим быстродействием, но его коэффициент усиления фототока не превышает единицы. Благодаря наличию оптической связи оптоэлектронные интегральные микросхемы обладают рядом существенных достоинств, а именно: почти идеальная гальваническая развязка управляющих цепей от силовых при сохранении между ними сильной функциональной связи.

    Многоэлементные фотоприемники.

    Эти приборы (сканистор, фотодиодная матрица с управлением на МОП-транзисторе, фоточувствительные приборы с зарядовой связью и другие) относятся к числу наиболее быстро развивающихся и прогрессирующих изделий электронной техники. Оптоэлектрический «глаз» на основе фотодиода способен реагировать не только на яркостно-временные, но и на пространственные характеристики объекта, то есть воспринимать его полный зрительный образ.

    Число фоточувствительных ячеек в приборе является достаточно большим, поэтому кроме всех проблем дискретного фотоприемника (чувствительность, быстродействие, спектральная область) приходится решать и проблему считывания информации. Все многоэлементные фотоприемники представляют собой сканирующие системы, то есть устройства, позволяющие производить анализ исследуемого пространства путем последовательного его просмотра (поэлементного разложения).

    Как происходит восприятие образов?

    Распределение яркости объекта наблюдения превращается в оптическое изображение и фокусируется на фоточувствительную поверхность. Здесь световая энергия переходит в электрическую, причем отклик каждого элемента (ток, заряд, напряжение) пропорционален его освещенности. Яркостная картина преобразуется в электрический рельеф. Схема сканирования производит периодический последовательный опрос каждого элемента и считывание содержащейся в нем информации. Тогда на выходе устройства мы получаем последовательность видеоимпульсов, в которой закодирован воспринимаемый образ.

    При создании многоэлементных фотоприемников стремятся обеспечить наилучшее выполнение ими функций преобразования и сканирования. Оптроны.

    Оптроном называется такой оптоэлектронный прибор, в котором имеются источник и приемник излучения с тем или иным видом оптической связи между ними, конструктивно объединенные и помещенные в один корпус. Между управляющей цепью (ток в которой мал, порядка нескольких мА), куда включен излучатель, и исполнительной, в которой работает фотоприемник, отсутствует электрическая (гальваническая) связь, а управляющая информация передается посредством светового излучения.

    Это свойство оптоэлектронной пары (а в некоторых видах оптронов присутствует по несколько не связанных друг с другом даже оптически оптопар) оказалось незаменимым в тех электронных узлах, где нужно максимально устранить влияние выходных электрических цепей на входные. У всех дискретных элементов (транзисторов, тиристоров, микросхем, являющихся коммутационными сборками, или микросхем с выходом, позволяющим коммутировать нагрузку большой мощности) управляющие и исполнительные цепи электрически связаны друг с другом. Это часто недопустимо, если коммутируется высоковольтная нагрузка. К тому же, возникающая обратная связь неминуемо приводит к появлению дополнительных помех.

    Конструктивно фотоприемник обычно крепится на дне корпуса, а излучатель — в верхней части. Зазор между излучателем и фотоприемником заполнен иммерсионным материалом — чаще всего эту роль выполняет полимерный оптический клей. Этот материал исполняет роль линзы, фокусирующей излучение на чувствительный слой фотоприемника. Иммерсионный материал снаружи покрыт специальной пленкой, отражающей световые лучи внутрь, чтобы препятствовать рассеянию излучения за пределы рабочей зоны фотоприемника.

    Роль излучателей в оптронах, как правило, выполняют светодиоды на основе арсенид-галлия. Светочувствительные элементы в оптопарах могут представлять собой фотодиоды (оптопары серии АОД…), фототранзисторы, фототринисторы (оптопары серии АОУ.,.) и высокоинтегрированные схемы фотореле. В диодной оптопаре, например, в качестве фотоприемного элемента используется фотодиод на основе кремния, а излучателем служит инфракрасный излучающий диод. Максимум спектральной характеристики излучения диода приходится на длину волны около 1 мкм. Диодные оптопары применяются в фотодиодном и фотогенераторном режимах.

    Транзисторные оптроны (серия АОТ…) имеют некоторые преимущества относительно диодных. Коллекторным током биполярного транзистора управляют как оптически (воздействуя на светодиод), так и электрически по базовой цепи (в данном случае работа фототранзистора при отсутствии излучения управляющего светодиода оптрона практически не отличается от работы обыкновенного кремниевого транзистора). У полевого транзистора управление осуществляется через цепь затвора.

    Кроме того, фототранзистор может работать в ключевом и усилительных режимах, а фотодиод — только в ключевом. Оптроны с составными-транзисторами (например, АОТ1ЮБ), имеют наибольший коэффициент усиления (как и обычный узел на составном транзисторе), могут коммутировать напряжение и ток достаточно больших величин и по данным параметрам уступают только тиристорным оптронам и оптоэлектронным реле типа КР293КП2 — КР293КП4, которые приспособлены для коммутации высоковольтных и сильноточных цепей. Сегодня в розничной продаже появились новые оптоэлектронные реле серий К449 и К294. Серия К449 позволяет коммутировать напряжение до 400 В при токе до 150 мА. Такие микросхемы в четырехвы- водном компактном корпусе DIP-4 приходят на смену маломощным электромагнитным реле и имеют по сравнению с реле массу преимуществ (бесшумность работы, надежность, долговечность, отсутствие механических контактов, широкий диапазон напряжения срабатывания). Кроме того, их доступная цена объясняется тем, что нет необходимости использовать драгметаллы (в реле ими покрываются коммутирующие контакты).

    В резисторных оптронах (например, ОЭП-1) и-злучателями являются электрические минилампы накаливания, помещенные также в один корпус.

    Графическим обозначениям оптронов по ГОСТу присвоен условный код — латинская буква U, после которой следует порядковый номер прибора в схеме.

    В главе 3 книги описаны приборы и устройства, иллюстрирующие применение оптронов.

    2 Вопрос

    Светодиод — это полупроводниковый прибор, который излучает свет при пропускании через него тока в прямом направлении. Светодиод в электрической цепи ведёт себя также как обычный диод, только прямое напряжение светодиода в зависимости от типа светодиода составляет от 1,5 до 2,5 В, то есть при прямом включении светодиода падение напряжения на нём составляет 1,5…2,5 В. Этот эффект иногда используется в стабилизаторах напряжения, когда требуется получить стабильное напряжение в диапазоне 1,5…2,5 В (см. раздел Стабилитроны).

    Рабочий ток светодиода лежит обычно в диапазоне 5…20 мА, поэтому практически во всех случаях питание светодиодавыполняется через гасящий резистор. Рабочий ток указывается в справочниках. Длительное превышение рабочего тока приводит неисправности светодиода. Пример расчета гасящего резистора исхема включения светодиода найдётся здесь: Применение резисторов. Если вы знакомы с электроникой, микропроцессорами (или хотите с этими темами познакомиться), то рекомендую книгуКак стать программистом, где вы узнаете как подключить светодиоды к микропроцессору и как заставить их работать по заданной программе.

    Светодиоды бывают разных цветов и типов. Они могут испускать как видимое излучение, так и инфракрасное (ИК-излучение). Инфракрасное излучение невидимо для человеческого глаза. Светодиоды в настоящее время используются очень широко, например, в различных устройствах индикации. Некоторое время назад появились сверхъяркие светодиоды, которые используются для освещения помещений вместо ламп. Такие светодиоды потребляют в десятки раз меньше электроэнергии и имеют срок службы 30000 часов и выше, что в сотни раз больше срока службы любых ламп. Правда, стоимость таких светодиодов пока высока.

    Рис. 4. Светодиоды.

    Фотодиод – это полупроводниковый прибор, который имеет светочувствительную поверхность. В зависимости от величины освещённости этой поверхности, меняется ток через фотодиод, если на него подано напряжение (фотодиод включается в обратном направлении, как и стабилитрон). Этот эффект используется в различных оптических датчиках. Например, пара светодиод-фотодиод используется в компьютерной мыши, подробнее см. здесь: Ремонт компьютерной мыши. Такой режим работы носит названиефотодиодный режим.

    Однако фотодиод может работать и в режиме генерации электроэнергии (солнечные батареи). В этом случае напряжение на светодиод не подаётся, а наоборот, снимается. Это называетсяфотогальванический режим.

    Таким образом, принцип работы фотодиода определяется выбранным режимом. В фотодиодном режиме фотодиод может работать как датчик освещённости. В фотогальваническом – как источник электроэнергии. Конечно, один фотодиод – это очень слабый источник электроэнергии. Для того чтобы получить хоть какую-то реальную энергию, нужно включить вместе десятки и сотни фотодиодов. Отсюда и внушительные размеры солнечных батарей.

    Примеры внешнего вида светодиодов приведены на рис. 4. Примеры внешнего вида фотодиодов приведены на рис. 5 (по центру – ИК-фотодиод; ИК-фотодиоды обычно имеют «тонировку», чтобы исключить засветку от внешних источников). Условное графическое обозначение (УГО) светодиодов и фотодиодов изображено на рис. 6.

    Рис. 5. Фотодиоды.

    Рис. 6. УГО фотодиодов и светодиодов.

    В былые времена, когда радиолюбителей в стране было много, а радиодеталей почему-то мало, достать светодиоды, а тем более фотодиоды заводского изготовления было крайне сложно. Поэтому электронщики-любители делали фотодиоды из обычных германиевых транзисторов серий МП38…МП42. Эти транзисторы изготавливались в металлическом корпусе. Чтобы превратить транзистор в фототранзистор, надо было осторожно спилить верхнюю часть корпуса. Тогда транзистор мог работать как фототранзистор. Конечно, это была не совсем адекватная альтернатива. Однако, как известно, на безрыбье…

    Схема включения фотодиода.

       Фотодиод может работать в фотодиодном и гальваническом режиме.    В фотодиодном режиме p-n переход смещается обратным напряжением величина которого зависит от конкретного фотодиода от единиц до сотни вольт, чем больше смещение тем быстрее он будет работать, и больше токи через него будут течь. Недостаток фотодиодного режима в том, что с ростом обратного тока, в последствии увеличения напряжения или освещения, увеличивается уровень шумов, а уровень полезного сигнала в целом остается постоянным, считается, что в этом режиме диод имеет меньшую постоянную времени.    В фотогальваническом режиме к диоду не прикладывается ни какое напряжение, он сам становится источником ЭДС с большим внутренним сопротивлением. Недостаток фотогальванического режима заключается в ослаблении полезного сигнала с ростом уровня паразитной засветки но уровень шумов не растет, остается постоянным.

       Фотодиодная схема включения.

          Приведенная схема включения фотодиода является универсальной и подходит для тестирования и выбора, применительно к окончательной схеме своей конструкции. Изменяя положение подстроечного резистора, в приведенной схеме, можно протестировать и выбрать оптимальный режим работы фотодиода. Изменяя сопротивление резистора от минимального до максимального, можно подобрать наилучший режим смещения на фотодиоде. Вывернув резистор на минимум, замкнув подвижный контакт на землю, мы переведем схему в фотогальванический режим.  Можно попробовать работу фотодиода и в прямом смещении (он все равно будет реагировать на свет), для этого надо поменять схему включения, перевернув диод. Сопротивление в 50 Ком, не должно дать повредить фотодиод, а по переменной составляющей оно оказывается включенным параллельно с нагрузкой (меньше 5 КОм), и полезный сигнал практически не ослабляет. Конденсатор избавляет нас от постоянной составляющей. Если мы принимаеи импульсный сигнал то от постоянной составляющей, которая меняется в зависимости от фоновой засветки, лучше избавится сразу, смысла ее усиливать нет.

       Еще одна стандартная схема включения фотодиода показана на рисунке. В данной установке для уменьшения влияния шумов и наводок в схему добавлены буферные конденсаторы в цепи питания, накопительный конденсатор С3 и интегрирующая цепочка R2С4 на выходе. C1- электролитический конденсатор большой ёмкости С = 100 мкФ, С2 — быстрый керамический 0,1 мкФ, С3, С4 — керамические по 100 пФ, R1 — 8 кОм, R2- 5,6 кОм.

        Нагрузкой для достижения максимального быстродействия должен быть или каскад с общей базой или быстродействующий операционник включенный по схеме преобразователя ток-напряжение. Эти усилители имеют минимальное входное сопротивление.

       Практическая схемотехника включения фотодиода со смещением.

    Практическая схемотехника включения фотодиода со смещением.

      Величина R фильтра подбирается в зависимости от засвечивания фотодиода в рабочем варианте с установленной оптикой, учитывается направление по азимуту (юг,запад и т.д.) в разных направлениях разные засветки от солнца. Ёмкость Сф=0.1мкФ ещё и замыкает цепь фотодиода по высокой частоте на землю. Вместо Rн можно поставить дроссель, либо трансформатор, надо смотреть, не будет ли искажений или затяжек импульсов или прочих подводных камней.

       Включение фотодиода в каскад с общей базой.

    Схема включения фотодиода ФД 263 в каскад с общей базой.

       Схема с общей базой применена с целью увеличить нагрузку на фотодиод и не дать «разгуляться» напряжению на паразитной ёмкости P-N перехода, что сократит фронты импульса, а в результате можно будет принимать более короткий импульс. В схеме с ОБ — база разделяет входную и выходную цепи, и практически исключает влияние выходного напряжения на вход схемы (подобно экранной сетке в пентоде) по-этому имеется возможность увеличить нагрузочное сопротивление и получить больший размах напряжения на выходе схемы без ущерба для скорости. На рисунке приведён график зависимости входного сопротивление схемы с ОБ в зависимости от тока коллектора. Если учесть, что, чем меньше нагрузочное сопротивление на фотодиоде, тем выше скорость передачи, то из графика видно — при повышении тока коллектора, падает сопротивление нагрузки, повышается скорость без ущерба для чувствительности, но это касается входа схемы. На выходе (на коллекторе) увеличение сопротивления приводит к увеличению сигнала, но до определённого номинала, дальше паразитные ёмкости сводят на нет эффект от повышения сопротивления. Эмиттерный повторитель стоит для того, чтобы последующие каскады усиления не нагружали выход схемы с ОБ, а также уменьшить выходное сопротивление схемы, что благотворно сказывается на скорости.(все высокочастотные схемы очень «любят» низкие сопротивления, на них быстрее разряжаются паразитные ёмкости).

    Оптопереключатели

    • Изучив этот раздел, вы должны уметь:
    • Распознавание переключателей с оптоуправлением.
    • Опишите применение типичных оптических переключателей:
    • • Щелевые оптические переключатели.
    • • Светоотражающие оптические переключатели.
    • Разработка простых схем с использованием оптических переключателей:

    Рис.5.4.1 Щелевой оптический переключатель (a)


    и датчик отражающих объектов (b)

    На рис. 5.4.1 показаны два типичных оптических переключателя. Пример (а) представляет собой щелевой переключатель, в котором луч инфракрасного света от светодиода освещает фототранзистор, заставляя его проводить. Когда объект перемещается в щель между светодиодом и фототранзистором, свет прерывается, и фототранзистор выключается. Переключатели с оптической активацией обычно работают в режиме насыщения, чтобы обеспечить определенные сигналы включения и выключения.

    Другим распространенным применением переключателей с прорезями является наличие вращающегося диска с прорезями или отверстиями по его краю, чтобы вращаться в пределах светового пути переключателя, тем самым создавая серию импульсов включения / выключения, которые можно использовать для индикации (и электронного управления). ) скорость вращающегося диска.

    В датчике отражающих объектов, показанном на рис. 5.4.1(b), инфракрасный светодиод и фототранзистор установлены рядом на узком конце переключателя. Здесь луч инфракрасного света излучается светодиодом под углом, и если на расстоянии от 3 до 4 мм от датчика разместить какой-либо отражающий материал, луч света от светодиода отражается обратно на фототранзистор, заставляя его проводить и производить выходной сигнал. ток.Такое расположение часто используется в качестве датчика приближения.

    Фототранзистор в датчиках приближения также работает в «режиме насыщения», когда фототранзистор либо выключен (не пропуская ток), либо включен (полностью насыщен, пропуская максимальный ток) под действием отраженного инфракрасного света.

    Пример оптического переключателя с прорезью

    Рис. 5.4.3 Щелевой оптический переключатель


    Цепь

    Простой пример щелевого оптического переключателя показан на рис. 5.4.2, с его принципиальной схемой на рис. 5.4.3. Когда такой объект, как билет или небольшой выступ, являющийся частью какой-либо механической системы, помещается в слот датчика, луч инфракрасного света от светодиода к фототранзистору блокируется, выключая фототранзистор. Его эмиттерный вывод, который находился под высоким напряжением около 4,8 В, поскольку фототранзистор был в состоянии насыщения и, следовательно, имел большую проводимость, отключается, и напряжение эмиттера падает до низкого значения около 0,8 В.

    Это отключает 2N3904, из-за чего его эмиттер падает примерно до 0.3В. Это видно как логический 0 на выводе 1 IC2 (вход одного из 6 инверторов Шмитта в IC), а его выход на выводе 2 меняется на логическую 1, зажигая зеленый светодиод 5V. Удаление объекта из щелевого переключателя позволяет инфракрасному свету достигать основания фототранзистора, заставляя его проводить и снова насыщаться, напряжение на эмиттере которого теперь составляет около 5 В. Это включает 2N3904, вызывая появление логической 1 (напряжение более 2 В) на его эмиттере и на входе инвертора Шмитта.Это включает красный светодиод и выключает зеленый светодиод.

     

    Рис. 5.4.2 Щелевой оптический переключатель в работе

    Рис. 5.4.2 Щелевой оптопереключатель, обнаруживающий билет

    Интерфейс Opto Slotd Switch

    Входной светодиод щелевого переключателя OPB370, выбранного для этой демонстрации, имеет максимальный номинальный ток 50 мА, а в техническом описании OPB370 показано, что при 20 мА прямое напряжение светодиода будет около 1,3 В.Чтобы обеспечить достаточно яркое освещение от светодиода, он управляется через R1 с ПЧ около 37 мА.

    Целью этой конструкции является управление одним входом инверторного затвора HCT Schmitt, который в конечном итоге будет отвечать за выход, который будет иметь очень быстрое время нарастания и спада и стандартные параметры напряжения и тока HCT.

    Как видно из таблицы 5.4.1, вентиль Шмитта HCT распознает напряжение выше 2,0 В (VIH) как логическую 1, а низкое напряжение (VIL) ниже 0.8Vas логический 0. Выходной ток 2N3904 также должен быть достаточным для управления входом инвертора HCT, и будет достаточно всего от 1 мкА до 4 мА.

    Резистор

    R1 в схеме является токоограничивающим резистором для входного светодиода и выбран здесь для обеспечения тока около 37 мА через инфракрасный входной светодиод. Также обратите внимание, что используемые здесь дополнительные светодиоды на 5 В (D1 и D2) имеют внутренний резистор ограничения тока, но также можно использовать «обычный» светодиод с соответствующим внешним резистором ограничения тока.

    Хотя фототранзисторные оптопары производят во много раз больше тока, чем фотодиодные типы, выходной сигнал фототранзистора все еще очень мал и поэтому дополнительно усиливается 2N3904. Кроме того, инвертор 7414 Schmitt обеспечивает дополнительное согласование, чтобы сделать время нарастания и спада выходного сигнала очень быстрым, а уровни напряжения и тока идеальными для управления цифровыми схемами HCT. Напряжения, показанные на рис. 5.4.4, были взяты из примера рабочего макета, показанного на рис.5.4.2.

    Рис. 5.4.4 Цепь оптического датчика приближения

    Датчик отражающего объекта (приближения)

    Эти оптические датчики работают аналогично щелевым оптическим датчикам, но полагаются на инфракрасный свет, отраженный от объекта (например, листа бумаги в принтере), расположенного на расстоянии от 2 до 8 мм от датчика, для получения выходного сигнала. Ток, создаваемый датчиком, даже меньше, чем выходные токи щелевого переключателя, и поэтому его также необходимо усиливать транзисторным буферным каскадом, чтобы он был полезен, как показано на рис.5.4.4.

    Инвертор Шмитта также добавлен к выходу для обеспечения быстрых изменений логического уровня при обнаружении отражающего объекта в пределах диапазона обнаружения. Чтобы избежать ошибок считывания, эти датчики лучше всего работают при низком уровне окружающего освещения, когда фототранзистор воспринимает только свет, отраженный от инфракрасного светодиода.

    Также обратите внимание, что в обеих этих схемах переключения используется только один источник питания, поскольку электрическая изоляция между входом и выходом обычно менее важна.На вход этих датчиков поступает свет, а не какое-то электрическое свойство. Выход представляет собой логику HCT, что делает его подходящим для ввода во многие компьютерные приложения или логические схемы. Типичные значения напряжения показаны на рис. 5.4.4, а значения тока — в таблице 5.4.2

    Работа цепи датчика приближения

    Рис. 5.4.5 Оптодатчик приближения


    Макет макетной платы

    R1 — это токоограничивающий резистор для инфракрасного светодиода, который устанавливает ток светодиода (I F ) примерно на уровне 20 мА.Создаваемый инфракрасный свет отражается от объекта (в тестах использовалась обычная белая бумага для принтера) и в диапазоне обнаружения от 2 мм до 8 мм создает ток через R2 примерно до 64 мкА, падающий почти до нуля при отсутствии объекта. (и низкий уровень окружающего освещения).

    Этого тока достаточно для включения транзистора буферного усилителя 2N3904, и напряжение на его коллекторе падает с почти Vcc до почти 0V.

    Эти изменения зависят от количества света, отраженного в датчике, поэтому они могут изменяться не быстро и могут иметь переменную амплитуду, однако инвертор Шмитта обеспечивает очень быстрый переход от низкого уровня к высокому или от высокого к низкому в любой момент, когда коллектор напряжение транзистора 2N3904 превышает пороговые значения инвертора.

    Если требуется только один датчик, использование только 1 из 6 инверторов в ИС 7414 может показаться расточительным. Схема будет работать без инвертора 7414, но переключение гораздо менее четкое, а выходной сигнал высокий без присутствия отражающего объекта и низкий, когда происходит отражение.

    В целях тестирования использовался красный светодиод 5 В (с внутренним токоограничивающим резистором), чтобы четко отображать работу схемы. Однако это можно опустить, если цепь используется в качестве входа для другой цепи, так как это значительно уменьшит требуемый ток питания, как показано в таблице 5.4.2.

    Исходная тестовая схема показана на рис. 5.4.5. Обратите внимание, что обычно невидимый инфракрасный красный светодиод отображается как видимый (фиолетовый) свет на цифровой камере. Также обратите внимание, что поскольку используется только инвертор, подключенный между контактами 5 и 6 IC, все пять других неиспользуемых входов на 7414 IC подключены к 0 В, чтобы предотвратить введение в схему чрезмерного шума.

    Детектор приближения в работе

    Детектор приближения в работе

    К началу страницы

    Использование инфракрасного фототранзистора в электрооптике

    Ключевые выводы

    • Фототранзисторы — это один из вариантов обнаружения света и преобразования его в электрический ток.

    • Эти устройства работают как обычные транзисторы, но затвор/база активируются поступающими фотонами.

    • Для создания фототранзисторов можно использовать различные материалы и устройства различных архитектур, и эти устройства могут быть включены в несколько электрооптических систем.

    Инфракрасные фототранзисторы и другие компоненты инфракрасных детекторов могут использоваться в системах визуализации и в качестве детекторов в ряде других систем.

    Инфракрасные электрооптические системы нуждаются в источниках и детекторах для правильной работы, и каждый из них должен быть добавлен в цепь определенным образом, чтобы максимизировать передачу энергии в цепь и из нее. Общие светочувствительные элементы для использования в качестве детекторов включают фотодиоды и фототранзисторы. Инфракрасные фототранзисторы во многом такие же, как и их родственники, чувствительные к видимому свету, и их часто сравнивают с инфракрасными фотодиодами.

    Эти компоненты нуждаются в некоторой вспомогательной схеме для реализации в более крупной системе, но это позволяет разработчику настраивать выходную электрическую мощность.Поскольку инфракрасные фототранзисторы обеспечивают широкополосное поглощение и квантовую эффективность, их можно интегрировать в компактный датчик изображения (например, датчик изображения CMOS) в широком диапазоне длин волн.

    Вот что вам нужно знать о разработке с использованием инфракрасных фототранзисторов и о том, как они интегрируются в компактные чувствительные элементы.

    Что такое инфракрасный фототранзистор?

    Проще говоря, инфракрасный фототранзистор — это тип оптического переключателя, в котором устройство выдает ток в ответ на некоторый входной свет.На самом деле все готовые фототранзисторы, построенные из общедоступных полупроводников, являются инфракрасными фототранзисторами. Другие материалы с широкой запрещенной зоной (оксиды металлов или полимеры) можно использовать для создания фототранзистора, чувствительного только к видимому или УФ-свету, но эти устройства и материалы не получили широкого коммерческого использования.

    В качестве стандартного материала для полупроводниковых устройств Si обычно используется для изготовления инфракрасных фототранзисторов. Полоса оптического поглощения в Si простирается от ~ 1100 нм (1.1 эВ) до длин волн УФ в условиях окружающей среды. Чтобы ограничить поглощение инфракрасными или видимыми длинами волн, на фототранзистор обычно наносят поглощающую пленку для фильтрации нежелательных длин волн. Это позволяет фототранзистору общего назначения работать исключительно в инфракрасном диапазоне длин волн, видимом диапазоне длин волн или в узком диапазоне длин волн. На изображении ниже показана структура типичного фотодиода NPN с поглощающей пленкой.

    Структура инфракрасного фототранзистора с поглощающей пленкой.

    Высококачественная поглощающая пленка обычно используется для настройки оптического отклика. В сочетании с естественным краем поглощения полупроводниковой пластины только длины волн между краем поглощения полупроводника и краем поглощения фильтра будут поглощаться и преобразовываться в электрический ток. Эта характеристика, как и многие другие, отличает фототранзисторы от фотодиодов.

    Инфракрасный фототранзистор и фотодиод

    Фотодиоды часто сравнивают с фототранзисторами, и не зря.Они могут быть добавлены в схему для выполнения аналогичных функций, но они работают по-разному и обеспечивают различные преимущества. В таблице ниже показано краткое сравнение инфракрасных фототранзисторов и фотодиодов.

     

    Фототранзистор

    Фотодиод

    Функция

    Преобразование фотонов в ток со встроенным усилением

    Преобразование фотонов в ток с внешним усилением

    Клеммы

    2 электрические клеммы и 1 оптическая клемма

    2 электрические клеммы

    Режимы работы

    Линейный режим или режим насыщения

    Фотоэлектрические или фотопроводящие режимы

    Характеристики насыщения

    Настраивается с помощью нагрузочного резистора и напряжения коллектор-эмиттер (исток-сток)

    Перестраивается с помощью нагрузочного резистора и напряжения обратного смещения

    Конструкция устройства

    Транзистор NPN или PNP (биполярный) или МОП-транзистор

    PN или PIN-диод

    Чувствительность

    Высокая (50-100-кратная чувствительность фотодиода)

    Низкий

    Материалы

    То же, что фотодиод

    Полупроводники группы IV и III-V, HgCdTe

    Просматривая приведенную выше таблицу, мы видим, что основные различия между этими компонентами заключаются в том, как реализовано усиление, как устройства настраиваются на разные режимы работы и как устроено каждое устройство.Помимо этих моментов, устройства обеспечивают практически одинаковую функциональность. Различные материалы обеспечивают чувствительность в разных диапазонах длин волн. В сочетании с поглощающей пленкой, как показано в структуре устройства выше, эти материалы позволяют легко настраивать чувствительность, а внешняя схема обеспечивает легкую настройку электрического отклика.

    Линии нагрузки

    Каждый из этих компонентов требует, чтобы некоторые вспомогательные схемы были приведены в линейный диапазон отклика.Это позволяет установить диапазон измерения путем настройки уровня насыщения в устройстве. Чтобы визуализировать этот эффект, необходимо построить линию нагрузки для схемы фотодиода или схемы фототранзистора. Линия нагрузки позволяет легко увидеть, когда уровень входной мощности вызывает насыщение устройства для данной входной мощности.

    Линии нагрузки для фотодиода и фототранзистора показаны ниже. Эти линии нагрузки соответствуют входному фототоку для конфигурации с общим коллектором (CC) или общим эмиттером (CE).Эти две конфигурации соответствуют своим аналогам схемы электрических транзисторов, за исключением того, что базовая область остается плавающей. При воздействии света устройство активируется и обеспечивает выходной ток, который можно определить по линии нагрузки устройства.

    Линии нагрузки фотодиодов и фототранзисторов.

    Интеграция в датчики изображения

    Как и фотодиоды, фототранзистор можно интегрировать в одномерную или двумерную матрицу, что полезно в ряде приложений.Массив двумерных фототранзисторов представляет собой датчик CMOS, в котором используются фототранзисторы MOS. Чтобы формировать изображения, детектор должен быть соединен с некоторыми оптическими и механическими компонентами, которые помогут направить и сфокусировать свет на датчике. Обратите внимание, что фототранзистор — это не то же самое, что ПЗС-матрица; оба типа датчиков обеспечивают определенные преимущества в различных приложениях для обработки изображений.

    Если вы строите систему, в которой будет использоваться фототранзистор для обработки изображений или датчиков, вам потребуется настроить устройство, чтобы обеспечить желаемый диапазон измерения, отрегулировав линию нагрузки.Это делается с помощью имитации постоянного тока путем подачи некоторого постоянного тока на область базы/затвора фототранзистора. Затем вы можете построить серию линий нагрузки для различных значений нагрузочного резистора, что позволит вам настроить диапазон измерения. Для приложений переключения вам понадобится быстрое насыщение (низкий диапазон измерения) при низком входном фототоке, в то время как для приложений обработки изображений и измерений требуется большой диапазон измерений без насыщения.

    транзисторов — ИК-детектор с двумя индикаторными светодиодами

    У меня есть базовые знания в области электроники, но я никогда не собираю ничего, кроме простых одноэлементных логических плат.Я знаю, как работают транзисторы, резисторы и светодиоды, но у меня возникли проблемы с определением правильных характеристик каждого из них. Здесь, дома, я пытаюсь построить простой ИК-детектор с двумя индикаторными светодиодами, он должен закрывать один из красных или зеленых, если объект находится внутри ИК-детектора.

    Вот принципиальная схема прилагается. ИК-светодиод (D3) соединен с фотодиодом (PD2), сигнал с фотодиода поступает на базу транзистора (B139_2), который должен открыться и позволить красному светодиоду закрыться, тот же сигнал поступает на базу второго транзистора (BD139_3) и закрывает его (обратное с помощью понижающего резистора) приводит к выключению зеленого светодиода.И мудрый стих открывать красным и закрывать зеленым.

    Как найти правильные значения для транзистора (модели) и резистора, чтобы схема работала?

    Фотодиод BL-L3522PD, работающий на 5В, дает на выходе 0,35В при крышке, тогда мне нужно найти подходящий транзистор, который открывается на 0,35В. И я думаю, следует учитывать все внутренние сопротивления всех элементов, таких как светодиоды и транзисторы. Я полагаю, что транзистор должен быть MOSFET, потому что я не использую ток для управления транзистором, а только напряжение.

    Вторая попытка .

    Почти работает. Если я подключу 5 В к базе BC547, светодиоды (зеленый / красный) переключатся нормально. Но по какой-то причине, если я подключу PD2 к базе BC547, он одновременно загорится зеленым и красным светодиодом. Все тот же вопрос: как найти правильные транзисторы (а не угадывать или гуглить похожие схемы) и как получить правильные номиналы резисторов. (Я уже взорвал один транзистор, так что берегитесь, он действительно взорвался, ох!)

    РЕДАКТИРОВАТЬ: D3 идет с резистором 220 Ом. замена PD1 на L-7113P3C заставляет эту схему работать.Проверьте ссылку на YouTube ниже.

    Третья попытка .

    С использованием фототранзистора L-7113P3C. Использование двух транзисторов BC547 в паре для переключения красного и зеленого светодиодов.

    Фототранзистор

    или фотодиод: какой детектор лучше?

    Фототранзистор или фотодиод: какой детектор лучше?

    З. М. Петерсон • 21 января 2020 г.

    Вашей следующей оптической системе для точных измерений интенсивности потребуется детектор определенного типа.Фотодиоды и фототранзисторы являются обычным выбором для этих приложений, хотя они обеспечивают разные типы реакции на падающий свет.

    Если вам необходимо провести измерения интенсивности, фототранзистор или фотодиод — отличный выбор в качестве оптического детектора. Выбор между фототранзистором и фотодиодом зависит от конкретного приложения, но в некоторых отношениях они взаимозаменяемы. Вот что вам нужно знать о выборе фотодиода или фототранзистора в качестве детектора для вашего следующего оптического продукта.

    Работа фототранзистора и фотодиода

    Все фототранзисторы и фотодиоды выполняют одну и ту же функцию: они принимают входящий свет и преобразуют его в электричество. Это происходит благодаря тому же явлению, что и в фотогальванических элементах: поступающие фотоны возбуждают носители заряда до более высокого энергетического уровня, и носители заряда могут быть извлечены в компонент/цепь нагрузки. Фототранзисторы и фотодиоды являются аналогами обычных транзисторов и диодов.

    Конструкции этих устройств аналогичны их электрическим аналогам с точки зрения легирования. Фотодиоды имеют структуру, аналогичную обычному диоду, где в устройстве используется p-n, p-i-n или аналогичный профиль легирования. Фототранзистор обычно изготавливается как биполярный транзистор NPN или PNP или как полевой транзистор. Встроенное в материал напряжение используется для извлечения носителей заряда, как в обычном диоде или транзисторе.

    Материалы для фототранзисторов и фотодиодов

    Оба элемента схемы предназначены для работы в диапазоне длин волн, и этот диапазон возможных рабочих длин волн может быть довольно широким в обычных полупроводниковых материалах.Фототранзисторный или фотодиодный датчик будет иметь спектр чувствительности, который зависит от спектра поглощения материалов, используемых для изготовления устройства. Спектр поглощения этих материалов обычно модифицируют с помощью стандартных процессов легирования. Некоторые распространенные материалы и их полезные длины волн:

    • Материалы группы IV (Si и Ge): Si обычно используется для ближнего ИК-диапазона (длины волн MMF) и видимого света. Si имеет непрямую ширину запрещенной зоны 1,1 эВ, поэтому край поглощения составляет ~ 1100 нм.Пересыщенное легирование может быть одним из методов увеличения поглощения кремниевых фотодиодов до длин волн SMF. Ge дороже, чем Si, но он чувствителен до 1600 нм благодаря более узкой прямой запрещенной зоне. Ge-устройства имеют более низкое сопротивление шунта, чем другие материалы фотодиодов/фототранзисторов, что приводит к большему тепловому шуму в выходном токе. Следовательно, использование с длинами волн SMF менее желательно.
    • Материалы III-V (InGaAs, GaAs, GaAlAs и InAs): InGaAs — это распространенный материал для фототранзисторов и фотодиодов, чувствительный до ~2600 нм.Чувствительность и низкая емкость перехода (<1 нФ) делают фотодиоды InGaAs стандартным выбором для детекторов с высокой скоростью передачи данных в оптоволоконных линиях SMF (1310 и 1550 нм). Нестехиометрический In(1-x)GaxAs обычно используется для настраиваемого фотонного отклика, когда увеличение содержания Ga в тройном сплаве увеличивает ширину запрещенной зоны. Поглощение в GaAlAs также варьируется от 1,42 эВ (GaAs) до 2,16 эВ (AlAs) в зависимости от стехиометрии. Наконец, InAs следует использовать, когда вашей системе требуется чувствительность к глубоким длинам волн ИК-диапазона (~ 3800 нм).
    • Материалы II-VI: Этот класс материалов включает кандидатов для будущих электронно-фотонных интегральных схем (EPIC), и исследования в этой области очень активны, и еще неизвестно, станут ли материалы II-VI широко коммерциализированы и используется в серийно выпускаемых схемах EPIC.

    Сравнение фототранзисторов и фотодиодов

    Эти два элемента схемы по-разному вводятся в реальную схему.Их также можно интегрировать в матричные детекторы (например, КМОП-детекторы или ПЗС-матрицы), где необходимые элементы схемы реализованы на кристалле. Если вы работаете с настраиваемой системой, в которой используются дискретные компоненты, вам потребуется использовать определенные схемы для работы с каждым типом детектора.

    Схемы фототранзисторов

    Фототранзистор можно подключить к общему коллектору, общему эмиттеру или другой стандартной конфигурации транзистора для отбора тока.Когда на устройство не падает свет, они работают так же, как и любой другой транзистор (как устройство с 3 выводами). Как только свет падает на устройство, он поглощается основанием. Это эквивалентно увеличению базового тока в устройстве. Из-за этого фототранзистор может работать как 2-выводное устройство (т. Е. С плавающим соединением базы). При работе в качестве устройства с 3 выводами выходной ток можно модулировать, регулируя базовое напряжение (для устройств NPN или PNP) или напряжение затвора (для устройств с полевыми транзисторами).

    Схемы фототранзисторов NPN

    При работе в качестве устройства с 3 клеммами выходной ток, наблюдаемый при нагрузке, можно модулировать, регулируя входной базовый ток. Это означает, что устройство действует как переключатель со встроенным порогом. Когда падающий свет достаточно интенсивен, а ток, посылаемый от источника к базе, достаточно велик, напряжение база-эмиттер изменяется, и ток может легко проходить через устройство.Однако это можно подавить, снизив общий ток базы, что требует регулировки внешнего смещения на базе. Такое поведение при переключении делает фототранзисторы полезными в ряде приложений, требующих измерения состояния ВКЛ или ВЫКЛ, а не конкретного измерения интенсивности.

    Схемы фотодиодов

    Фотодиод в реальной схеме может работать в фотогальваническом режиме (при работе с прямым смещением) или в режиме фотодиода (при работе с обратным смещением). Фотодиоды работают с обратным смещением, поскольку это обеспечивает линейную характеристику, а диапазон чувствительности может быть довольно большим.Выходной ток может быть направлен непосредственно на нагрузку или на схему усилителя. Если вы хотите преобразовать вход обратно в поток прямоугольных импульсов, просто отправьте выход усилителя на компаратор.

    Также доступны лавинные фотодиоды

    , которые всегда предназначены для работы со смещением, очень близким к обратному напряжению пробоя. Как только свет падает на устройство, количество фотогенерируемых носителей умножается на внешнее смещение, поскольку напряжение устройства выходит за пределы напряжения пробоя.Это дает усиление во время освещения. Эти фотодиоды предназначены для работы при пробое и полезны для обнаружения слабых оптических сигналов.

    Фотодиод вместе с усилителем и аналого-цифровым преобразователем (АЦП) также может использоваться для приема цифровых данных, закодированных в амплитудно-модулированных или ШИМ оптических импульсах. В случае ШИМ вам нужно будет учитывать пропускную способность вашего фотодиода и усилителя, поскольку это ограничивает максимальную скорость передачи данных. Фотодиоды имеют время отклика, которое связано с их конечной емкостью.Максимальная частота отклика обычно принимается как частота излома для цифрового импульса с определенным временем нарастания, которое равно 0,35/(время отклика).

    Схема фотодиода с операционным усилителем.

    Моделирование и построение грузовой марки

    В обоих типах устройств вы можете имитировать вход света в устройство, просто добавив источник тока к базовой клемме (в случае фототранзистора) или к верхней стороне устройства (в случае фотодиода).Это позволяет легко использовать эти устройства в моделировании цепей и исследовать их вместе с другими компонентами. Вы также должны имитировать согласование импедансов в своих схемах, особенно при работе с быстрыми импульсами данных. Согласование импеданса имеет решающее значение для обеспечения максимальной передачи мощности в приемник.

    Важным моментом при проектировании схемы фототранзистора или фотодиода является определение линии нагрузки. Это говорит вам о диапазоне интенсивностей входного света, который будет давать линейный выходной сигнал.Точно так же он расскажет вам, как изменяется линейный диапазон в зависимости от импеданса нагрузки. Для фототранзистора линия нагрузки будет выглядеть так же, как и для обычного транзистора. Для фотодиода линия нагрузки сильно отличается и выглядит как линия нагрузки, которую рисуют для солнечного элемента.

     

    Линии нагрузки для фотодиода (слева) и фототранзистора (справа).

     

    Эти графики могут быть получены путем моделирования или измерены для различных импедансов нагрузки и значений смещения.Если вы хотите, чтобы ваш фототранзистор работал как оптический переключатель, его нужно запустить в области насыщения. Это приведет к насыщению выходного тока при попадании света на устройство. Напротив, фотодиод не насыщается, хотя он будет демонстрировать нелинейный отклик, когда интенсивность падающего света станет достаточно высокой.

     

    Если вам нужна фирма, предоставляющая услуги по проектированию печатных плат с большим опытом проектирования оптических систем, не ищите ничего, кроме NWES.Мы поможем вам выбрать фототранзистор или фотодиод для вашей оптической системы и спроектируем электронику, необходимую для ее поддержки. От LIDAR до чувствительных спектральных измерений, у нас есть большой опыт в ряде областей применения. Мы также занимаемся цифровым маркетингом и можем помочь вам продвигать ваш новый продукт и взаимодействовать с вашей целевой аудиторией. Свяжитесь с NWES сегодня для консультации.

     



    Готовы начать свой следующий дизайн-проект?




    ir%20photodiode%20Техническое описание датчика и примечания по применению

    Недоступно

    Резюме: нет абстрактного текста
    Текст: Нет доступного текста файла


    Оригинал
    PDF МИЛ-СТД-202, 30 апреля 99 г.
    2002 — МИЛ-С-15305

    Резюме: нет абстрактного текста
    Текст: Нет доступного текста файла


    Оригинал
    PDF МИЛ-СТД-202, 02 ноября 2001 г. МИЛ-С-15305
    2014 — Недоступно

    Резюме: нет абстрактного текста
    Текст: Нет доступного текста файла


    Оригинал
    PDF МИЛ-СТД-202, 2002/95/ЕС.2002/95/ЕС 2011/65/ЕС. JS709A 02 окт 12
    2012 — IR2 вишай

    Аннотация: ir436
    Текст: Нет доступного текста файла


    Оригинал
    PDF МИЛ-СТД-202, 2002/95/ЕС 2011/65/ЕС 2002/95/ЕС. 2002/95/ЕС 2011/65/ЕС. 12 марта 2012 г. IR2 вишай ир436
    2004 — Недоступно

    Резюме: нет абстрактного текста
    Текст: Нет доступного текста файла


    Оригинал
    PDF МИЛ-СТД-202, 18 октября 2004 г.
    2013 – недоступно

    Резюме: нет абстрактного текста
    Текст: Нет доступного текста файла


    Оригинал
    PDF МИЛ-СТД-202, 2002/95/ЕС.2002/95/ЕС 2011/65/ЕС. JS709A 02 окт 12
    ИР08Х

    Резюме: IR06HD4C10U-P2 ic ir 2103 2101s 2104S Плавный пуск двигателя переменного тока IC 2113s 2106S 2108a IR08HD4C10U-P2
    Текст: Нет доступного текста файла


    Оригинал
    PDF 2171С 21716S 2172С 21726S 2117С 2118С 2122С 2127С 2128С ИР2130 IR08H ИР06ХД4С10У-П2 ик ир 2103 2101с 2104С ИС плавного пуска двигателя переменного тока 2113с 2106С 2108а IR08HD4C10U-P2
    1999 — Дейл ИР-4

    Аннотация: ИР-4
    Текст: Нет доступного текста файла


    Оригинал
    PDF МИЛ-СТД-202, 30 апреля 99 г. Дейл ИР-4 ИР-4
    2012 — Q-метр

    Резюме: нет абстрактного текста
    Текст: Нет доступного текста файла


    Оригинал
    PDF МИЛ-СТД-202, 11 марта 2011 г. Q-метр
    CIR030

    Реферат: 030YM 030cfz CIR020R CIR00R
    Текст: Нет доступного текста файла


    OCR-сканирование
    PDF -00/020/030/038/ТБ CIR030/CIR 038/СИРТБ 030FP 030AFP 030CFFP 030CFZFP 030FFP 030GFP 030G2FP CIR030 030YM 030cfz CIR020R CIR00R
    Недоступно

    Резюме: нет абстрактного текста
    Текст: Нет доступного текста файла


    OCR-сканирование
    PDF МИЛ-СТД-202, 02 ноября 2001 г.
    1999 — IRF540 дополнительный

    Резюме: IRFZ44N комплементарный std2n52 TOSHIBA IRFZ44A техническое описание STP2NA60 SSH6N80 rfp60n06 ste38na50 IRF630 комплементарный IRF3205 IR
    Текст: Нет доступного текста файла


    Оригинал
    PDF RFP6N50 RFD16N03LSM РФП15Н05Л RFP50N05 RFP15N05 RFP50N05L РФД14Н05Л RFD14N05LSM РФД14Н05СМ РФП14Н05Л IRF540 дополнительный IRFZ44N дополнительный std2n52 Техническое описание TOSHIBA IRFZ44A СТП2НА60 СШ6Н80 рфп60н06 сте38на50 IRF630 дополнительный IRF3205 ИК
    2009 — 0038 и

    Резюме: нет абстрактного текста
    Текст: Нет доступного текста файла


    Оригинал
    PDF 2002/95/ЕС МИЛ-СТД-202, 18 июля 2008 г. 0038 ир
    3055e

    Реферат: SI9959 4P05 si9943 SI9945 TP5N s42d 25n05l 2406M 69COM
    Текст: Нет доступного текста файла


    OCR-сканирование
    PDF Si9400 9400D 9405D 9407DY 9430D 9435D 3055Е Si9959 9959D Si9940D 4P05 си9943 SI9945 ТП5Н с42д 25н05л 2406М 69COM
    2006 — Недоступно

    Резюме: нет абстрактного текста
    Текст: Нет доступного текста файла


    Оригинал
    PDF МИЛ-СТД-202, 08 апр. 05
    21531С

    Аннотация: приложение ir 2153 IR 2153 2104S 2101S 2153S IR53HD420-P2 2184S 2109-4 2113s
    Текст: Нет доступного текста файла


    Оригинал
    PDF 2117С 2118С 2101С 2102С 2106С 2181С 2110С ИР21571 ИР21571С ИР2159 21531S приложение ir 2153 ИК 2153 2104С 2153S ИР53ХД420-П2 2184S 2109-4 2113с
    Ф9222

    Резюме: IRF9220 f 9222 l ir 9621 f9223 IRF9222 F9222 L F9222 T IRFP9220 IRFP9620
    Текст: Нет доступного текста файла


    OCR-сканирование
    PDF ИРФ9620/9621 IRFP9220/9221 ИРФ9220/9221 F9620/ИК IRF9220 IRF9621 /IRFP9221 IRF9221 F9622/ИК IRF9222 F9222 ф 9222 л ир 9621 ф9223 F9222 л F9222 Т IRFP9220 IRFP9620
    1999 — SSH6N80

    Реферат: RFP60n06 IRF3205 IR BUK417-500AE SFP70N03 BUZ91A 2SK2717 STMicroelectronics BUZ22 IXFh23N50
    Текст: Нет доступного текста файла


    Оригинал
    PDF БУЗ10 БУЗ11 БУЗ11А БУЗ71 БУЗ71А БУЗ72А БУЗ80А IRF520 IRF530 IRF540 СШ6Н80 рфп60н06 IRF3205 ИК БУК417-500АЭ SFP70N03 БУЗ91А 2SK2717 STMicroelectronics БУЗ22 IXFh23N50
    ИР2Е01

    Резюме: LR4087 LZ8420M IR2C36 LI3160 LZ9GG13 SM8206 LZ2423A LR39901 LZ9GG13M
    Текст: Нет доступного текста файла


    OCR-сканирование
    PDF IR3Y21 Lh2532 Lh2536 Lh2548 Lh2549 2555 левов Lh2556 Lh2559 Lh2560 Lh2562 IR2E01 LR4087 LZ8420M IR2C36 ЛИ3160 LZ9GG13 СМ8206 LZ2423A LR39901 LZ9GG13M
    Недоступно

    Резюме: нет абстрактного текста
    Текст: Нет доступного текста файла


    OCR-сканирование
    PDF
    Недоступно

    Резюме: нет абстрактного текста
    Текст: Нет доступного текста файла


    OCR-сканирование
    PDF МИЛ-СТД-202, 30 апреля 99 г.
    2005 — маркировка r4b диода

    Реферат: МАРКИРОВКА Р5С Р5Д СОТ-23 р5а сот 23 Р4А сот-23 Р2С маркировка МАРКИРОВКА Ркд маркировка Р5б маркировка Р4д МАРКИРОВКА 01С
    Текст: Нет доступного текста файла


    Оригинал
    PDF LM4040 LM4040 ОТ-23 ЛМ4040-2 ЛМ4040-10 ЦСП-9-111С2) ЦСП-9-111С2) маркировка диода r4b МАРКИРОВКА R5C Р5Д СОТ-23 р5а сот 23 Р4А сот-23 Маркировка R2C МАРКИРОВКА маркировка R5b маркировка R4d МАРКИРОВКА 01С
    2008 — Недоступно

    Резюме: нет абстрактного текста
    Текст: Нет доступного текста файла


    Оригинал
    PDF МИЛ-СТД-202, 18 июля 2008 г.
    2005 г. — недоступно

    Резюме: нет абстрактного текста
    Текст: Нет доступного текста файла


    Оригинал
    PDF МИЛ-СТД-202, 08 апр. 05
    12N60FI

    Реферат: K791 a4n50e 2N60E k2n50 2SK1118 перекрестная ссылка p3n90 TP3055EL p3n60 P6N60
    Текст: Нет доступного текста файла


    OCR-сканирование
    PDF 2СК1021 2SK1023 2SK1081 2SK1082 2СК1117 2СК1118 2SK1119 2СК1120 2SK1154 2SK1156 12Н60ФИ К791 а4н50е 2Н60Э k2n50 2SK1118 перекрестная ссылка p3n90 TP3055EL p3n60 П6Н60

    Светочувствительные цепи | Журнал Nuts & Volts


    LDR ОСНОВНЫЕ

    Электронные оптосенсоры — это устройства, которые изменяют свои электрические характеристики в присутствии видимого или невидимого света.Наиболее известными устройствами этих типов являются LDR (светозависимый резистор), фотодиод, фототранзистор и детектор PIR (пассивный инфракрасный).

    Работа LDR

    основана на том факте, что проводящее сопротивление пленки сульфида кадмия (CdS) зависит от интенсивности света, падающего на лицевую сторону пленки. Это сопротивление очень высокое в темных условиях и низкое в ярких условиях.

    РИСУНОК 1. Символ LDR (a) и базовая структура (b) .

    На рис. 1 показаны условное обозначение схемы и базовая конструкция фоторезистора, которая состоит из пары контактов из металлической пленки, разделенных змеевидной дорожкой из светочувствительной пленки сульфида кадмия, которая предназначена для обеспечения максимально возможной площади контакта с две металлические пленки. Структура размещена в прозрачном корпусе из пластика или смолы, чтобы обеспечить свободный доступ к внешнему свету.

    РИСУНОК 2. Типичная кривая характеристик LDR с диаметром лицевой стороны 10 мм.

    Практичные LDR доступны в различных размерах и стилях упаковки, самый популярный размер имеет диаметр лицевой стороны около 10 мм. На рис. 2 показана типичная кривая характеристик такого устройства, которое имеет сопротивление около 900 Ом при освещенности 100 люкс (характерно для хорошо освещенного помещения) или около 30 Ом при освещенности 8000 люкс (характерно для яркого помещения). Солнечный свет). Сопротивление возрастает до нескольких МОм в темных условиях.

    LDR

    — это чувствительные, недорогие и легкодоступные устройства с возможностями управления мощностью и напряжением, аналогичными обычным резисторам.Их единственный существенный недостаток заключается в том, что они довольно медленно действуют, реагируя на внезапные изменения уровня освещенности в течение десятков или сотен миллисекунд.

    Полезные приложения LDR включают световые и темные переключатели и сигналы тревоги, а На рисунках 3 от до 9 показаны некоторые практические схемы этих типов; каждая из этих схем будет работать практически с любым LDR с диаметром лицевой стороны в диапазоне от 3 мм до 12 мм.

    LDR ВЫКЛЮЧАТЕЛИ СВЕТА

    На рисунках с 3 по 5 показаны некоторые практические схемы светового переключателя с релейным выходом на основе LDR. На рис. 3 показана простая схема без фиксации, предназначенная для срабатывания при попадании света в обычно темную область, например внутрь сейфа, шкафа и т. д.

    РИСУНОК 3. Простой релейный выключатель без фиксации, активируемый светом.

    Здесь R1-LDR и R2 образуют делитель потенциала, который управляет смещением базы Q1. В темных условиях сопротивление LDR очень велико, поэтому к Q1 применяется незначительное смещение базы, а Q1 и RLA выключены. Когда на лицевую сторону LDR падает значительное количество света, сопротивление LDR падает до достаточно низкого значения и базовое смещение подается на Q1, который, таким образом, включает и активирует контакты реле RLA/1, которые можно использовать для управления внешними устройствами. схема.Реле может быть любого типа на 12 В с сопротивлением катушки 180 Ом или выше.

    Простая схема Рис. 3 имеет довольно низкую чувствительность, не имеет возможности регулировки чувствительности, а ее точки срабатывания света изменяются в зависимости от напряжения питания схемы и температуры окружающей среды. На рис. 4 показана очень чувствительная прецизионная схема, активируемая светом, не имеющая ни одного из этих недостатков.

    Здесь LDR-RV1 и R1-R2 соединены в виде моста Уитстона, а операционный усилитель и Q1-RLA действуют как чувствительный переключатель, определяющий баланс.Точка баланса моста совершенно не зависит от изменений напряжения питания и температуры, и на нее влияют только изменения относительных значений компонентов моста.

    РИСУНОК 4. Прецизионный светочувствительный релейный переключатель.

    В Рисунок 4 LDR и RV1 образуют одно плечо моста, а R1-R2 образуют другое плечо. Эти плечи действуют как делители потенциала: плечо R1-R2 подает фиксированное напряжение половинного питания на неинвертирующий вход операционного усилителя, а делитель LDR-RV1 подает переменное напряжение, зависящее от освещенности, на инвертирующий вывод. операционного усилителя.

    При использовании RV1 настраивается таким образом, что напряжение LDR-RV1 поднимается немного выше напряжения R1-R2 по мере того, как интенсивность света повышается до желаемого уровня срабатывания, и при этом условии выход операционного усилителя переключается на отрицательное насыщение и управляет реле включено через Q1 и смещающие резисторы R3-R4.

    Когда интенсивность света падает ниже этого уровня, выход операционного усилителя переключается на положительное насыщение, и при этом условии транзистор Q1 и реле размыкаются.

    Схема Рис. 4 очень чувствительна и может обнаруживать изменения уровня освещенности, которые настолько малы, что не видны человеческому глазу.Схема может быть модифицирована для работы в качестве точного переключателя, активируемого в темноте, либо путем перестановки инвертирующих и неинвертирующих входных клемм операционного усилителя, либо путем перестановки RV1 и LDR.

    РИСУНОК 5. Прецизионный переключатель, активируемый в темноте, с гистерезисом.

    На рис. 5 показана схема, использующая последний вариант; эта схема также показывает, как через резистор обратной связи R5 в схему можно добавить небольшой гистерезис, так что реле включается, когда уровень освещенности падает до определенного значения, но не выключается снова до тех пор, пока интенсивность света существенно не возрастет. сумма выше этого значения.Величина гистерезиса обратно пропорциональна значению R5 и равна нулю, когда R5 разомкнут.

    A СИГНАЛИЗАЦИЯ НА ВЫХОДЕ ЗВОНКА LDR

    Рисунок 3 От до 5 Активируемые светом схемы LDR имеют релейные выходы, которые можно использовать для управления внешними схемами практически любого типа. Однако в некоторых приложениях, активируемых светом, цепи должны действовать как звуковые сигнализаторы с выходом звонка или звука сирены, и этот тип действия может быть получен без использования реле.

    РИСУНОК 6. Прецизионный световой сигнал тревоги.

    На рис. 6 показана практичная схема «выход тревожного звонка», которая дает прямой выход на тревожный звонок, который должен быть самопрерывающегося типа и потреблять рабочий ток менее 2 А. Напряжение питания схемы должно быть на 1,5–2 В выше номинального рабочего значения звонка.

    В схеме на рис. 6 используется мост Уитстона (LDR-RV1-R1-R2) и детектор баланса на операционных усилителях для обеспечения точного считывания/переключения (как описано в базовой схеме на рис. 4 ), но ее выход управляет сигнальным звонком через недорогой SCR; базовая схема может быть преобразована в сигнализацию, активируемую в темное время суток, путем простого перестановки RV1 и LDR; При необходимости можно добавить гистерезис.

    Обратите внимание на схему , рис. 6, что, несмотря на то, что тиристор является самоблокирующимся устройством, тот факт, что звонок относится к типу самопрерывающегося типа, гарантирует, что тиристор автоматически размыкается во время срабатывания звонка (и ток анода тиристора падает до нуля на каждой фазе самопрерывания). Следовательно, сигнальный звонок снова автоматически выключается, когда уровень освещенности падает ниже уровня срабатывания.

    СИРЕНА-ВЫХОД LDR ТРЕВОГИ

    На рисунках 7 от до 9 показаны способы использования CMOS 4001B с четырьмя входами NOR вентиля IC в качестве основы для различных световых сигналов тревоги «звук сирены», которые генерируют звуковые сигналы в громкоговорителях.

    РИСУНОК 7. Световая сигнализация с импульсно-тональным выходом.

    Схема Рисунок 7 представляет собой схему световой сигнализации, которая генерирует маломощный (до 520 мВт) импульсный тональный сигнал частотой 800 Гц в динамике, когда входная мощность света превышает предварительно установленное пороговое значение.

    Здесь IC1c и IC1d подключены как нестабильный мультивибратор с частотой 800 Гц, который может подавать тональные сигналы в динамик через Q1 и стробируется только тогда, когда на выходе IC1b низкий уровень, а IC1a-IC1b подключены как нестабильный мультивибратор с частотой 6 Гц, который стробируется. только тогда, когда его контакт затвора 1 (который соединен с делителем потенциала LDR-RV1) находится в низком уровне.

    Схема Рисунок 7 действует следующим образом. В темных условиях напряжение на переходе LDR-RV1 высокое, поэтому обе нестабильности отключены, и в динамике не генерируется сигнал. В «легких» условиях напряжение перехода LDR-RV1 низкое, поэтому активируется нестабильность 6 Гц, которая, в свою очередь, включает и выключает нестабильность 800 Гц с частотой 6 Гц, тем самым генерируя импульсный тональный сигнал в динамике через Q1. .

    Точная точка переключения или затвора ИС 4001B определяется значением порогового напряжения ИС, и это процентное значение напряжения питания: номинальное значение составляет 50 %, но может варьироваться от 30 % до 70 % между отдельные ИС.На практике точка переключения каждой отдельной микросхемы 4001B очень стабильна, а схема на рис. 7 дает очень чувствительный сигнал тревоги, активируемый «светом».

    РИСУНОК 8. Световая сигнализация с самофиксацией и монотонным выходным сигналом.

    На рис. 8 показана схема самоблокирующегося светового сигнализатора с монотонным выходным сигналом 800 Гц. В этом случае IC1c-IC1d снова подключаются как стробируемый нестабильный мультивибратор 800 Гц, а IC1a-IC1b подключаются как бистабильный мультивибратор с выходным сигналом, который (в темных условиях) обычно высок, таким образом стробируя нестабильный 800 Гц, отключается.

    Однако в условиях яркого освещения соединение LDR-RV1 переходит в высокий уровень и фиксирует бистабильный сигнал в его альтернативном «выходном низком уровне», тем самым активируя нестабильность 800 Гц и генерируя монотонный сигнал тревоги; после фиксации схема остается в этом состоянии «включено» до тех пор, пока не вернутся темные условия и одновременно не будет сброшен бистабильный сигнал через S1.

    РИСУНОК 9. Прецизионный световой импульсно-тональный сигнал тревоги с гистерезисом.

    Обратите внимание, что работу цепей Рисунок 7 и 8 можно поменять местами, просто поменяв местами положения LDR-RV1.Уровни чувствительности этих двух основных схем достаточны для большинства практических целей, но при необходимости могут быть повышены (и повышена стабильность уровня запуска) путем включения компаратора напряжения на операционном усилителе (базового рис. 4 или 5 тип ) между светочувствительным делителем потенциала LDR-RV1 и выводом затвора КМОП-генератора, как показано на схеме рис. 9 ; резистор R3 управляет гистерезисом цепи, и его можно убрать, если гистерезис не нужен.

    Схемы Рисунок 7 9 Схемы генерируют довольно скромные значения выходной акустической мощности, при этом мощность, подводимая к 64-омному громкоговорителю, достигает максимального значения 520 мВт при использовании источника питания 12 В. Доступная выходная мощность, однако, может быть легко увеличена путем подачи выходного сигнала схемы на громкоговорители рупорного типа с низким импедансом через простые усилители мощности.

    ФОТОДИОДЫ

    LDR на сульфиде кадмия (CdS) являются чувствительными, но медленно действующими устройствами.Они идеально подходят для использования в медленно действующих приложениях для измерения уровня освещенности с прямой связью, но не подходят для использования в качестве оптических датчиков в приложениях со средней и высокой скоростью. Идеальными оптическими датчиками для использования в последних приложениях являются кремниевый фотодиод и кремниевый фототранзистор.

    РИСУНОК 10. Схема диода с обратным смещением.

    В самом грубом виде фотодиод представляет собой обычный кремниевый диод без непрозрачного (не пропускающего свет) покрытия.Если обычный кремниевый диод включен в цепь обратного смещения (рис. 10 ), то через диод протекает незначительный ток, а на резисторе R1 возникает нулевое напряжение.

    Если сейчас удалить непрозрачное покрытие диода (чтобы обнажить полупроводниковый переход диода) и затем подвергнуть этот переход воздействию видимого света в той же цепи, диод будет пропускать значительный обратный ток и, таким образом, генерировать выходное напряжение на резисторе R1.

    Величина обратного тока и выходного напряжения прямо пропорциональны интенсивности источника света, поэтому диод действительно светочувствителен.

    РИСУНОК 11. Обозначение фотодиода (a) и альтернативные способы ( (b) и (c) ) использования фотодиода в качестве преобразователя света в напряжение.

    Все кремниевые переходы светочувствительны, и обычный фотодиод можно — для большинства практических целей — рассматривать как обычный диод, помещенный в корпус, который позволяет внешнему свету легко достигать его светочувствительного полупроводникового перехода. На рис. 11(a) показан стандартный символ фотодиода.

    При использовании фотодиод имеет обратное смещение, и выходное напряжение снимается с последовательно соединенного нагрузочного резистора; этот резистор может быть подключен между диодом и землей, как в рис. 11(b) , или между диодом и положительной линией питания, как в рис. 11(c) .

    В действительности физическая форма pn-перехода обычного кремниевого диода такова, что устройство демонстрирует довольно низкую оптическую чувствительность; все практические фотодиоды используют специальные типы конструкции перехода, чтобы максимизировать их эффективную светочувствительность.Большинство фотодиодов бывают одного или другого из двух основных типов: это либо «простые» фотодиоды, либо PIN-фотодиоды. Рисунок 12 иллюстрирует некоторые основные моменты по этим предметам.

    РИСУНОК 12. Символ и основная конструкция (a) — обычный кремниевый переходной диод, (b) — простой фотодиод и (c) — PIN-фотодиод.

    Обычные диоды с кремниевым переходом используют базовую форму конструкции, показанную (в символической форме) на рис. сплавлены непосредственно вместе, образуя соединение устройства; относительно высокая непрозрачность материалов pn-перехода делает переход довольно плохой фоточувствительностью.

    В простом фотодиоде светочувствительность значительно увеличивается за счет использования очень тонкого (и, следовательно, очень прозрачного) слоя материала на стороне р-типа перехода, как показано на рис. 12(b) ; внешний свет может подаваться через встроенную линзу или окно на опточувствительный переход pn
    через этот тонкий слой материала p-типа.

    Простой Рисунок 12(b) Фотодиоды типа имеют минимальное время включения/выключения около 1 мкс и, таким образом, могут использоваться при максимальной импульсной или коммутируемой рабочей частоте около 300 кГц.

    Основной причиной такого относительно длительного времени переключения является высокая емкость, возникающая в переходе устройства между материалами p- и n-типа. Эта проблема значительно уменьшена в PIN-фотодиодах, в которых очень тонкий слой собственного («I») или «нелегированного» кремниевого материала помещен на стыке между материалами p- и n-типа, как показано на рис. 12( c) , что значительно снижает значение емкости p-n-перехода.

    Современные фотодиоды PIN-типа имеют типичное минимальное время включения/выключения около 10 нс и, таким образом, могут использоваться при максимальных рабочих частотах в режиме переключения около 30 МГц, что достаточно для подавляющего большинства практических оптоэлектронных приложений (в тех случаях, когда даже требуется оптическое зондирование с более высокой частотой переключения, могут использоваться специальные сверхвысокочастотные фотодиоды лавинного типа).

    РИСУНОК 13. Типичные кривые спектрального отклика (a) человеческого глаза и (b) общего назначения и (c) ИК фотодиодов.

    Фотодиоды могут быть спроектированы так, чтобы реагировать либо на видимый свет, либо на инфракрасный свет. Человеческий глаз имеет тип кривой спектрального отклика, показанный на кривой «а» на рис. 13 . Он имеет максимальную чувствительность к зеленому цвету с длиной волны около 550 нм, но имеет низкую чувствительность к фиолетовому (400 нм) на одном конце спектра и к темно-красному (700 нм) на другом.

    Фотодиоды общего назначения для видимого света имеют типичные спектральные характеристики, подобные показанным на кривой «b» на рисунке 13 , а фотодиоды инфракрасного (ИК) типа имеют тип отклика, показанный на кривой «с».

    ФОТОТРАНЗИСТОРЫ

    Обычные кремниевые транзисторы состоят из сэндвича npn или pnp и, таким образом, содержат пару фоточувствительных переходов. Некоторые типы доступны в форме фототранзистора и используют стандартный символ, показанный на рис. 14(a) .

    РИСУНОК 14. Символ фототранзистора (a) и альтернативные варианты (b) (d) использования фототранзистора.

    На рисунках 14(b) 14(d) показаны три основных способа использования фототранзистора; в каждом случае переход база-коллектор эффективно смещен в обратном направлении и, таким образом, действует как фотодиод.

    В (b) база заземлена, а транзистор работает как простой фотодиод.В (c) и (d) клемма базы разомкнута, и фотогенерируемые токи эффективно поступают непосредственно в базу и, благодаря нормальному действию транзистора, генерируют сильно усиленный ток между коллектором и эмиттером, который создает выходное напряжение на последовательно включенном резисторе R1.

    Чувствительность фототранзистора обычно в сто раз выше, чем у фотодиода, но его полезная максимальная рабочая частота (обычно несколько сотен кГц) пропорционально ниже, чем у фотодиода.

    Большинство фототранзисторов изготавливаются в двухвыводной форме, при этом снаружи доступны только коллектор и эмиттер устройства; трехконтактные типы могут использоваться в любой из основных конфигураций, показанных на рис. 14 . Некоторые фототранзисторы выполнены в форме Дарлингтона с очень высоким коэффициентом усиления.

    Обратите внимание на схемы фотодиода и фототранзистора Рисунок 11 и 14 , что на практике значение нагрузки R1 обычно выбирается на компромиссной основе, поскольку чувствительность схемы увеличивается, но полезная рабочая полоса пропускания уменьшается с увеличением значения R1. .Кроме того, во многих приложениях значение R1 необходимо выбирать так, чтобы светочувствительное устройство находилось в его линейной рабочей области.

    СХЕМЫ ИК ПРЕДУСИЛИТЕЛЯ

    Фотодиоды или фототранзисторы часто используются в качестве чувствительных элементов на приемной стороне световых сигнализаторов, систем дистанционного управления или волоконно-оптических кабельных систем. В таких приложениях сила сигнала, достигающего фотодатчика, может значительно различаться по силе, и датчик может подвергаться сильному шуму в виде нежелательных сигналов видимого или инфракрасного света и т. д.

    Чтобы свести к минимуму эти проблемы, системы обычно работают в ИК-диапазоне, а выходной сигнал оптосенсора передается в схему обработки через малошумящий предварительный усилитель с широким динамическим рабочим диапазоном. На рисунках 15 и 16 показаны типичные примеры таких схем с использованием фотодиодных датчиков.

    РИСУНОК 15. Селективный ИК-предусилитель, предназначенный для работы на частоте 30 кГц.

    Схема Рисунок 15 предназначена для обнаружения ИК-оптического сигнала, который переключается с частотой 30 кГц.Фотодиод D1 улавливает ИК-сигнал и подает его в настроенную цепь L1-C1-C2 с частотой 30 кГц, которая слегка демпфируется резистором R1. Результирующий малошумящий выход настроенной схемы с выбранной частотой снимается с перехода C1-C2, а затем усиливается транзистором Q1.

    РИСУНОК 16. Селективный предусилитель 20 кГц для использования в приложениях ИК-излучения.

    На рис. 16 показана схема избирательного предварительного усилителя 20 кГц для использования в системе ИК-световой сигнализации, в которой сигнал тревоги срабатывает при обрыве луча.Здесь два ИК-фотодиода соединены параллельно (так что сигналы луча теряются только тогда, когда сигналы обоих диодов отключены) и имеют общий нагрузочный резистор 100 кОм (R1). R1 шунтируется C1 для подавления нежелательных высокочастотных сигналов, а его выход через C2 подается на инвертирующий усилитель x100 на операционном усилителе, который подавляет нежелательные низкочастотные сигналы.

    СИСТЕМЫ ОБНАРУЖЕНИЯ ДВИЖЕНИЯ

    Световые ИК-сигнализаторы представляют собой активные ИК-устройства, реагирующие на искусственно созданный источник ИК-излучения.С другой стороны, пассивные ИК-сигнализаторы (PIR) реагируют на естественное ИК-излучение, такое как тепловая ИК-энергия, излучаемая человеческим телом, и широко используются в современных системах безопасности.

    РИСУНОК 17. Базовая схема использования ИК-детектора .

    Большинство ИК-систем безопасности предназначены для включения сигнализации или прожектора, открытия двери или активации какого-либо другого механизма, когда человек или другое крупное теплокровное животное перемещается в пределах диапазона чувствительности блока ИК-детектора, и используют пироэлектрический ИК-детектор типа , показанного на рис. 17 , в качестве основного ИК-чувствительного элемента.

    Базовый Рисунок 17 Пироэлектрический ИК-детектор использует специальные керамические элементы, которые генерируют электрические заряды при изменении температуры или неравномерном нагреве.

    Современные пироэлектрические ИК-детекторы, такие как популярные типы PIS201S и E600STO, содержат два небольших последовательно соединенных керамических элемента с противоположной полярностью, с их комбинированным выходным буфером через исток-повторитель на JFET, а входные ИК-сигналы фокусируются на керамические элементы с помощью простой фильтрующей линзы, как показано на базовой схеме использования ИК-детектора . Рисунок 17 .

    Здесь важно отметить, что конечное выходное напряжение детектора пропорционально разнице между выходными напряжениями двух керамических элементов.

    Основное действие ИК-детектора Рисунок 17 ПИК-детектор заключается в том, что, когда человеческое тело находится в поле зрения пироэлектрических элементов, часть излучаемой этим телом ИК-энергии падает на поверхности элементов и преобразуется в небольшие, но обнаруживаемые изменения температуры поверхности и соответствующие изменения выходного напряжения каждого элемента.

    Если человеческое тело (или другой источник ИК-излучения) неподвижно перед линзой детектора в этом состоянии, два элемента генерируют одинаковые выходные напряжения, и конечная «разность» выходного сигнала устройства, таким образом, равна нулю, но если тело движется в то время как перед объективом два элемента генерируют разные выходные напряжения, а блок создает различное выходное напряжение.

    Таким образом, когда блок PIR подключается, как показано в схеме основного использования Рис. использоваться для включения сигнализации или другого механизма при обнаружении движения человеческого тела.

    На практике пироэлектрические ИК-детекторы только что описанного типа имеют — из-за небольшого размера (обычно около 20 мм 2 ) и простой конструкции собирающей ИК-объектив детектора — максимальную полезную дальность обнаружения примерно один метр. Однако в современных коммерческих ИК-детекторах безопасности этот диапазон обычно увеличивается как минимум до 10 метров с помощью большой (около 2000 мм 2 ) многогранной внешней пластиковой линзы, собирающей/фокусирующей ИК-излучение, которая поле на несколько параллельных полос и фокусирует их на двух сенсорных областях блока PIR.

    РИСУНОК 18. Типичная ИК-диаграмма обнаружения коммерческого «детектора проникновения», предназначенного для обычных бытовых применений.

    На рис. 18 показана типичная схема обнаружения ИК-излучения коммерческого «детектора проникновения», предназначенного для защиты комнаты нормального размера в бытовых условиях. В этом примере устройство закреплено на стене на высоте семи футов и направлено вниз под небольшим углом, а многогранная пластиковая линза разбивает поле зрения на большое количество вертикальных и горизонтальных сегментов.

    Любой человек, проходящий через один сегмент, активирует один триггерный сигнал в датчике PIR; Таким образом, человек, перемещающийся по всему полю зрения, производит многочисленные сигналы запуска, но стационарный источник ИК-излучения не производит сигналов.

    Большинство детекторов вторжения этого типа включают в себя схему «подсчета событий», которая будет генерировать активирующий сигнал тревоги выходной сигнал только в том случае, если в течение нескольких секунд будет обнаружено три или более триггерных сигнала, что сводит к минимуму вероятность ложного срабатывания из-за внезапных изменений температуры автоматическим включением охранных огней с переключением по времени и т. д.

    Рисунок . Рисунок 18. Рисунок 18. Рисунок 18. Рисунок 18. Рисунок 18. Датчик PIR с генерируемым линзой датчиком типа обычно используется для защиты отдельных комнат в бытовых системах охранной сигнализации.

    Альтернативные линзы предлагают различные диапазоны и диаграммы покрытия для различных специальных типов применения; среди них тип «домашнего животного», в котором вертикальный пролет поля ограничен от 2,5 до 6,6 футов над уровнем земли, чтобы избежать активации домашними животными, обеспечивая при этом хорошую чувствительность к нормальным людям, и тип «коридор», в котором поле горизонтальный пролет ограничен примерно 20 градусами, чтобы обеспечить дальнее покрытие (обычно около 30 метров) узких коридоров и проходов.

    Обратите внимание, что, поскольку высококачественные коммерческие устройства безопасности PIR этого базового типа широко доступны по сравнительно низкой цене, нецелесообразно (по эстетическим и экономическим соображениям) пытаться создавать аналогичные устройства на основе DIY. НВ

    Разница между фотодиодом и фототранзистором (со сравнительной таблицей)

    Одно из основных различий между фотодиодом и фототранзистором заключается в том, что в фотодиоде используется диод с PN-переходом, который преобразует энергию света в электрический ток, тогда как в фототранзисторе используется обычный транзистор (транзистор NPN) для преобразования света в ток.Некоторые другие различия между фотодиодом и фототранзистором показаны на сравнительной таблице.

    И фотодиод, и фототранзистор работают по принципу внутреннего фотоэффекта. В фотодиоде используется обычный диод с PN-переходом, который имеет два вывода, а именно катод и анод. А в фототранзисторе используется обычный транзистор. Единственная разница между транзистором и фототранзистором заключается в том, что у фототранзистора нет базы. Базовая сторона фототранзистора улавливает свет от источника.

    Содержание: Фотодиод против фототранзистора

    1. Сравнительная таблица
    2. Определение
    3. Основные отличия
    4. Заключение

    Сравнительная таблица

    Основание для сравнения Фотодиод Фототранзистор
    Определение Это тип диода с PN-переходом, который генерирует электрический ток, когда на его поверхность падает свет или фотон. Тип транзистора, преобразующего световую энергию в электрическую
    Символ
    Генерирует Ток Ток и напряжение
    Реакция выхода Быстро Медленно
    Чувствительность Меньше Больше
    Смещение Как прямое, так и обратное смещение. Прямое смещение (эмиттер более отрицателен по сравнению с коллектором. )
    Применение Для выработки солнечной энергии, для обнаружения ультрафиолетовых или инфракрасных лучей, для измерения света и т. д. Детектор дыма, проигрыватели компакт-дисков, приемник невидимого света, в лазере и т. д.

    Определение фотодиода

    Фотодиод представляет собой тип полупроводникового диода, который преобразует свет в электрический ток.Этот тип диода также называют фотодетектором или датчиком освещенности. Он работает как при обратном, так и при прямом смещении. Небольшой ток утечки течет в обратном направлении, даже если на него не падает свет. Ток в диоде прямо пропорционален интенсивности поглощаемого им света.

    Фотодиод используется в коммутационных цепях и в электронных устройствах, таких как датчики дыма, проигрыватели компакт-дисков, люксметр и т. д. Принципиальная схема фотодиода показана на рисунке ниже.Стрелка показывает положительный вывод фотодиода, а основание показывает отрицательный вывод диода.

    Работа фотодиода зависит от интенсивности попадания на него света. Свет, падающий на диод, уменьшает ширину его области обеднения, и, следовательно, электроны и дырка начинают двигаться по этой области. Электрон движется к катоду, а дырка движется к аноду. Из-за этого движения в нем индуцируется ток.


    Определение фототранзистора

    Фототранзистор представляет собой полупроводниковое устройство с двумя или тремя выводами, которое преобразует световую энергию в электрический ток или напряжение.Это транзистор специальной конструкции, который имеет светочувствительную базовую область. Когда свет падает на базу NPN-транзистора, возникает базовый ток. Величина тока зависит от интенсивности падающего на него света. Фототранзистор усиливает входной свет, а выходной ток получается с коллектора транзистора.

    Условное обозначение фототранзистора показано на рисунке ниже. Стрелка показывает световую энергию, падающую на их базовую поверхность.

    Фототранзистор заключен в непрозрачный контейнер, так что световые частицы или фотоны легко достигаются на их поверхности. Область коллектора фототранзистора больше по сравнению с обычным транзистором, потому что он состоит из тяжелого диффузного полупроводникового материала.

    Когда основание фототранзистора поглощает свет, они высвобождают электронно-дырочные пары. Из-за этой пары дырок обедненный слой диода уменьшается, и электрон начинает двигаться от эмиттера к области коллектора.Для небольшого количества световой энергии транзистор усиливает большой ток коллектора.


    Ключевые различия между фотодиодом и фототранзистором

    1. Фотодиод представляет собой полупроводниковое устройство, преобразующее энергию света в электрический ток. Принимая во внимание, что фототранзистор использует транзистор для преобразования энергии света в электрический ток.
    2. Фототранзистор вырабатывает ток, тогда как фотодиод вырабатывает как напряжение, так и ток.
    3. Отклик фотодиода намного быстрее фототранзистора.
    4. Фотодиод менее чувствителен по сравнению с фототранзистором, поскольку фототранзистор производит большой выходной ток.
    5. Фотодиод работает как при прямом, так и при обратном смещении, тогда как фототранзистор работает при прямом смещении. Эмиттер фототранзистора отрицателен по сравнению с областью коллектора.
    6. Фотодиод используется в солнечной электростанции, в люксметре и т.д.тогда как фототранзистор используется для обнаружения света.

    Заключение

    Фотодиод и фотодиод преобразуют световую энергию в электрическую.

    0 comments on “Ик фотодиод схема включения: Электротехника: Фотодатчик своими руками.

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован.