Закрыть

Фоторезисторы и фотодиоды: Фоторезисторы, фотодиоды и фототранзисторы и как их применять

Содержание

Фоторезисторы, фотодиоды и фототранзисторы и как их применять

Фоторезисторы, фотодиоды и фототранзисторы и как их применять

Датчик — средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и (или) хранения, но не поддающейся непосредственному восприятию наблюдателем.

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 освещенность 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:

Iф=Sинт*Ф,

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 работу элементов солнечной батареи, но имеют малую мощность.

Фототранзисторы – открываются от количества падающего света

Фототранзистор – это по своей сути биполярный транзистор 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.

Управление симистором с помощью микроконтроллера

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

Обратная связь с помощью оптопары

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.

Ранее ЕлектроВести писали о фотодатчиках и их применении. 

По материалам electrik.info. 

40) Фоторезисторы. Фотодиоды. Фототранзисторы. Особенности применения. Характеристики.

Схемы включения и применение фотоэлектронных приборов

Фотоэлектронные (фотоэлектрические) приборы предназначены для преобразования световой энергии в электрическую.

Все полупроводниковые фотоэлектрические приборы основаны на внутреннем фотоэффекте - возбуждении атомов и росте концентрации свободных носителей заряда под воздействием светового излучения. При этом в полупроводнике растет проводимость, а на p-n переходах появляется ЭДС.

К фотоэлектронным приборам относятся фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы и фототиристоры.

Фоторезистор - это полупроводниковый фотоэлектрический прибор, сопротивление которого изменяется под действием светового излучения. На рис. 1 показана схема включения фоторезистора и его характеристики.

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

Фоторезисторы, как и другие фотоэлектрические приборы, характеризуются световой характеристикой, т. е. зависимостью фототока , протекающего через прибор от светового потока . Она нелинейная и это является недостатком фоторезистора. ВАХ фоторезистора линейны, а их наклон зависит от величины светового потока.

Фоторезисторы могут работать и на переменном токе. Фоторезисторы являются самыми простыми и дешевыми фотоэлектрическими приборами.

Фотодиод - это полупроводниковый фотоэлектрический прибор, основанный на внутреннем фотоэффекте, содержащий один p-n переход и имеющий два вывода.

Фотодиоды могут работать в двух режимах: без внешнего источника электроэнергии (режим фотогенератора) и с внешним источником (режим фотопреобразователя). На рис. 2, а, б показаны схемы включения.

Излучающий диод (слева) должен быть включен в прямом направлении, а фотодиод - в прямом (режим фотогенератора) или в обратном направлении (режим фотопреобразователя).

ВАХ фотодиода в темноте не отличаются от ВАХ p-n перехода (рис. 2 г), а при освещении опускается вниз. Режиму фотопреобразователя соответствуют участки в третьем квадранте, а режиму фотогенератора - в четвертом.

Фотодиоды имеют большее быстродействие, чем фоторезисторы (работоспособны при частоте 1 гГц и выше), но менее чувствительны.

С целью повышения чувствительности вместо фотодиодов применяют фототранзисторы.

Фототранзистор - фотоэлектронный прибор, имеющий трехслойную структуру, как обычный транзистор, в котором ток зависит от освещения базы. Схема включения Рис. 3. Схема включения фототранзистора показана на рис. 3. Они имеют линейную световую характеристику, а выходные ВАХ аналогичны ВАХ обычного транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, но в качестве параметра вместо тока базы выступает световой поток. Чувствительность фототранзисторов достигает 1 А/лм. Параметры фототранзисторов существенно зависят от температуры.

41.Оптоволоконные датчики

Волоконно-оптические датчики (так же часто именующиеся оптические волоконные датчики) это оптоволоконные устройства для детектирования некоторых величин, обычно температуры или механического напряжения, но иногда так же смещения, вибраций, давления, ускорения, вращения (измеряется с помощью оптических гироскопов на основе эффекте Саньяка), и концентрации химических веществ. Общий принцип таких устройств в том, что свет от лазера (чаще всего одномодового волоконного лазера) или суперлюминесцентного оптического источника передается через оптическое волокно, испытывая слабое изменение своих параметров в волокне или в одной или нескольких брэгговских решетках, и затем достигает схемы детектирования, которая оценивает эти изменения.

волокно-оптические датчики обладают следующими преимуществами:

·       Они состоят из электрически непроводящих материалов (не требуют электрических кабелей), что позволяет использовать их, например, в местах с высоким напряжением.

·       Их можно безопасно использовать во взрывоопасной среде, потому, что нет риска возникновения электрической искры, даже в случае поломки.

·       Они не подвержены электромагнитным помехам (EMI), даже вблизи разряда молнии, и сами по себе не электризуют другие устройства.

·       Их материалы могут быть химически инертны, то есть не загрязняют окружающую среду, и не подвержены коррозии.

·       Они имеют очень широкий диапазон рабочих температур (гораздо больше, чем у электронных устройств).

·       Они имеют возможность мультиплексирования; несколько датчиков в одиночной волоконной линии может быть интегрировано с одним оптическим источником (см. ниже).

работа в жестких условиях, таких как зондирование в устройствах с высоким напряжением, или в СВЧ печах. Сенсоры на основе брэгговских решеток могут также быть использованы, например, для мониторинга условий, внутри крыльев самолетов, в ветровых турбинах, мостах, больших плотинах, нефтяных скважинах, и трубопроводах.

Фотоэлектронные приборы (фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы)

Работа фотоэлектронных приборов основана на явлениях, вызываемых действием лучистой энергии. По характеру действия светового потока на фотоэлектронный прибор различают приборы с фотоэффектом: внутренним — на основе полупроводников, в которых под действием фотонов происходит генерация носителей зарядов - электронов проводимости и «дырок»; внешним, у которых под действием светового потока возникает фотоэлектронная эмиссия.

К фотоэлектронным приборам с внутренним фотоэффектом относятся фоторезисторы, фотогальванические элементы, фотодиоды, фототранзисторы и фототиристоры.

К фотоэлектронным приборам с внешним фотоэффектом относятся электровакуумные и газонаполненные фотоэлементы и фотоэлектронные умножители.

Что такое фоторезисторы?

Фоторезисторы обладают свойством изменять свою электропроводность под действием светового потока. Материалом для фоторезисторов служат селен, сернистый свинец, сернистый кадмий, сернистый висмут и другие полупроводники. Для изготовления фоторезистора на изоляционную пластину методом напыления наносят слой полупроводника, на который, в свою очередь, наносят слой металла (платины, золота) в виде двух гребенок.

Непосредственный контакт между гребенками отсутствует, в результате между зубцами гребенок оказывается слой светочувствительного полупроводника. При освещении слоя полупроводника увеличивается число электронов, переходящих в зону проводимости, увеличивается электропроводность, вследствие чего изменяется сопротивление между напыленными участками металла.

Вольт-амперные характеристики фоторезисторов линейные. На рис. 1 показаны устройство фоторезистора (вид а), схема его включения (вид б) и вольт-амперная характеристика (вид в). В условном обозначении фоторезисторов имеются буквы русского алфавита — ФС.

Рис.1. Фоторезистор

Что такое фотодиоды?

Фотодиоды — полупроводниковые приборы, в основу действия которых положено свойство электронно-дырочного перехода изменять обратное сопротивление под действием светового потока. На рис. 2 показаны устройство (вид а) и схема включения (вид б) фотодиода. Когда фотодиод не освещен, в цепи резистора R проходит обратный ток очень небольшой величины.

Рис.2. Фотодиод


При освещении фотодиода увеличивается число «дырок» в области полупроводника с электронной проводимостью. При включении напряжения эти «дырки» проходят через электронно-дырочный переход, вызывая увеличение тока в цепи нагрузки.

Фотодиоды могут работать в двух режимах: режим А характеризуется отсутствием внешнего источника напряжения, фотодиод работает как вентильный фотоэлемент; режим В характеризуется работой фотодиода с внешним источником напряжения и называется фотодиодным. При освещении фотодиода его ток возрастает за счет фототока приблизительно пропорционально освещенности.

В условном обозначении фотодиодов имеются буквы русского алфавита — ФД.

Что такое фототранзисторы?

Фототранзисторы представляют собой полупроводниковые приборы с двумя р - n - переходами. Облучению подвергается область базы. Под действием света в базовой области образуются свободные носители зарядов —электроны и «дырки». «Дырки», направляясь к коллекторному переходу, проходят в область коллектора и вызывают увеличение обратного тока Ir. Если напряжение между базой и эмиттером неизменно, то работа фототранзистора аналогична работе фотодиода. Такой фототранзистор не имеет вывода базы, но имеет повышенную чувствительность по сравнению с фотодиодом. Вывод базы в фототранзисторах используют для создания смещения, необходимого для получения линейной характеристики при измерении малых световых сигналов.

В условном обозначении фототранзисторов имеются буквы русского алфавита — ФТ.

Фотодиоды и фототранзисторы используют в качестве чувствительных элементов в системах телеконтроля, автоматических устройств, в аппаратуре считывания числового материала, фототелеграфии и т. д. Основной их недостаток — зависимость параметров от температуры.

Вентильные фотоэлементы

Вентильные фотоэлементы представляют собой полупроводниковые устройства, в которых световая энергия непосредственно преобразуется в электрическую. Они не требуют посторонних источников тока, так как сами являются ими.

Вентильный фотоэлемент состоит из металлической пластины, служащей одним электродом, со слоем полупроводника, поверх которого нанесен второй полупрозрачный электрод, чаще всего выполненный напылением слоя золота в вакууме. Запирающий слой образуется на границе полупроводникового слоя и полупрозрачного электрода.

В качестве полупроводникового материала применяют сернистые и селенистые соединения. Световая энергия, проникающая через полупрозрачный слой металла на электронно-дырочный переход, ионизирует атомы кристаллического полупроводника, создавая при этом новые пары носителей заряда— электроны и «дырки». Это приводит к образованию избытка «дырок» в слое р и избытка электронов в слое n. Разность потенциалов между слоями р и n вызывает ток, величина которого пропорциональна освещенности фотоэлемента.

Вентильные фотоэлементы применяют для изготовления солнечных батарей, непосредственно преобразующих солнечную энергию в электрическую. На судах вентильные фотоэлементы применяют в качестве датчиков в аппаратуре фотоэлектронной автоматики, в фотоэлектрических и релейных схемах. Фотоэлементы с внешним фотоэффектом на судах не применяют.

⇓ДОБАВИТЬ В ЗАКЛАДКИ⇓

⇒ВНИМАНИЕ⇐

  • Материал на блоге⇒ Весь материал предоставляется исключительно в ознакомительных целях! При распространении материала используйте пожалуйста ссылку на наш блог!
  • Ошибки⇒ Если вы обнаружили ошибки в статье, то сообщите нам через контакты или в комментариях к статье. Мы будем очень признательны!
  • Файлообменники⇒ Если Вам не удалось скачать материал по причине нерабочих ссылок или отсутствующих файлов на файлообменниках, то сообщите нам через контакты или в комментариях к статье.
  • Правообладателям⇒ Администрация блога отрицательно относится к нарушению авторских прав на www.electroengineer.ru. Поэтому, если Вы являетесь правообладателем исключительных прав на любой материал, предоставленный на ресурсе, то сообщите нам через контакты и мы моментально примем все действия для удаления Вашего материала.

⇓ОБСУДИТЬ СТАТЬЮ⇓

Основные характеристики и параметры фотодиода. Как применять фоторезисторы, фотодиоды и фототранзисторы

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.

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 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.

В электротехнике широко используются различные приборы и устройства, связанные с особенностями и физическими свойствами материалов. Среди них особое место занимают фотодиоды, принцип работы которых основан на воздействии оптического излучения. В результате, материал изменяет свои качества, что позволяет ему выполнять различные функции в электрических цепях.

Принцип действия фотодиода

Простой фотодиод является обыкновенным полупроводниковым диодом с р-п-переходом, на который оказывает действие оптическое излучение. При полном отсутствии светового потока, диод находится в состоянии равновесия и обладает обычными свойствами.

Действие излучения направлено перпендикулярно относительно плоскости, где расположен р-п-переход. Энергия, с которой поглощаются фотоны, превышает ширину запрещенной зоны, что приводит к возникновению электронно-дырочных пар. Данные пары, состоящие из электронов и дырок, получили наименование фотоносителей.

Когда фотоносители проникают внутрь п-области, электроны и дырки, в основной массе не успевают распадаться на составляющие и подходят непосредственно к границе р-п-перехода. В этом месте происходит разделение фотоносителей с помощью электрического поля. В результате, дырки попадают в р-область. Электроны же не в состоянии пройти через поле, окружающее переход, поэтому начинается их скапливание возле п-области и у границы перехода. Таким образом, прохождение тока через переход полностью зависит от движения дырок. Данный вид тока с участием фотоносителей получил название фототока.

Под воздействием фотоносителей-дырок в р-области по отношению к п-области возникает положительный заряд. Таким же образом, п-область заряжается отрицательно относительно р-области. Происходит возникновение разности потенциалов, именуемой фото-ЭДС. Ток, сгенерированный в фотодиоде, имеет обратное значение и направление от катода к аноду. Величина этого тока возрастает в зависимости от увеличения степени освещенности. Работа фотодиодов может осуществляться в двух режимах. В первом случае используется фотогенераторный режим, не предусматривающий внешний источник электроэнергии. В режиме фотопреобразователя необходимо использование внешнего источника электроэнергии.

Режим фотогенератора позволяет использовать фотодиоды как источники питания, преобразующие солнечное излучение в электрическую энергию. Они используются в качестве . Коэффициент полезного действия элементов на основе кремния составляет примерно 20%. КПД у пленочных конструкций может быть значительно выше.

В работе фотодиодом нередко используется свойство обратимого электрического пробоя. В результате, количество носителей заряда умножается лавинообразно, по аналогии с полупроводниковыми стабилитронами. Происходит значительный рост фототока и чувствительности фотодиодов. Данное значение превышает обычные параметры в сотни раз.

Частота лавинных фотодиодов достигает величины до 10 ГГц, что позволяет использовать их в качестве быстродействующих фотоэлектрических приборов. Единственным недостатком этих устройств является повышенный уровень шума. Фотодиоды очень часто используются в паре со светодиодами. Они размещаются в общем корпусе, при этом, расположение светочувствительной площадки фотодиода наиболее оптимально к излучающей светодиодной площадке. Данные приборы получили название оптронов. Электрические связи совершенно не касаются входных и выходных цепей, поскольку сигналы передаются путем оптического излучения.

Характеристики фотодиодов

Если рассматривать в целом непосредственно фотодиоды, принцип действия и другие параметры этих устройств, следует отметить то, как выходная мощность соотносится с общей массой и площадью солнечной батареи. Максимальное значение этих параметров может достигать соответственно 200 ватт на 1 кг и 1 киловатт на 1 м2.

Кроме того, значение имеет вольт-амперная характеристика, в которой выходное напряжение зависит от выходного тока. Значение спектральных характеристик показывает соотношение фототока и величины световых волн, падающих на фотодиод. Максимальное значение данного параметра находится в прямой зависимости от того, насколько возрастает коэффициент поглощения.

Фототок и освещенность определяют световую характеристику фотодиода. Обе величины имеют между собой прямую пропорциональную зависимость. Эта величина представляет временной отрезок, на протяжении которого происходят изменения после того как фотодиод освещен или затемнен. Показатель соотносится с установленным значением. Фотодиод также характеризуется в соответствии с сопротивлением при отсутствии освещения и другими параметрами, определяющими его работоспособность и область практического применения.

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.

У фоторезисторов есть существенный недостаток - его граничная частота.(-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.

Фотодиод. Фотодиод принцип работы

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.

ФОТОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ - электровакуумные или полупроводниковые приборы,преобразующие эл--магн. сигналы оптич. диапазона в электрические токи, напряжения или преобразующие изображения в невидимых (напр., ИК) лучах в видимые изображения. Ф. п. предназначены для преобразования, накопления, хранения, передачи и воспроизведения информации (включая информацию в виде изображения объекта). Действие Ф. п. основано на использовании фотоэффектов: внешнего (фотоэлектронной эмиссии), внутреннего (фотопроводимости) или вентильного. К Ф. п. относятся разл. фотоэлементы, фотоэлектронные умножители, фоторезисторы , фотодиоды, электронно-оптич. преобразователи, усилители яркости изображения, а также передающие электронно-лучевые трубки.

Фотоэлектронными называются приборы, преобразующие энергию оптического излучения в электрическую. В спектре длин волн оптического излучения для фотоэлектронных приборов в основном используются ультрафиолетовые излучения (диапазон длин волн λ=10-400 нм), видимое (λ=0,38-0,76 мкм) и инфракрасное (λ=0,74-1 мкм).
Работа фотоэлектронных приборов основана на явлениях внутреннего и внешнего фотоэффектов. Внутренний фотоэффект, используемый в основном в полупроводниковых фотоэлектронных приборах, заключается в том, что под действием лучистой энергии оптического излучения электроны получают дополнительную энергию для их освобождения от межатомных связей и перехода из валентной зоны в зону проводимости, в результате чего электропроводимость полупроводника существенно возрастает. При этом, согласно теории Эйнштейна, энергия световых квантов (фотонов) оптического излучения должна превышать ширину запрещенной зоны полупроводника. (36)
Следовательно, фотоэффект возможен только при воздействии на полупроводник излучения с длиной волны λ ф, меньшей некоторого граничного значения, называемого «красной границей».
(37)
где λ ф – длинноволновая граница спектральной чувствительности материала, мкм;
с – скорость света в вакууме;
– постоянная Планка;
– ширина запрещенной зоны (рис.3), ограниченная краями энергетических зон ЗП, ВЗ, в электрон-вольтах (эВ).
Следует отметить, что возможности фотоэлектронных приборов могут расширяться при воздействии энергии разнообразных источников излучения. Такими источниками могут быть как источники фотонов (солнечная энергия, гамма-излучение, рентгеновское излучение), так и источники частиц с высокой энергией (электронная пушка, бета-излучение, альфа-частицы, протоны и др.) .

Фотодиод – это двухэлектродный полупроводниковый диод, в котором в результате внутреннего фотоэффекта в p-n переходе возникает односторонняя фотопроводимость при воздействии на него оптического излучения. Конструктивно он представляет собой кристалл с p-n переходом, причём световой поток при освещении прибора направляется перпендикулярно плоскости p-n перехода (рис.36). Различают два режима работы фотодиода: фотогенераторный (или, в различных источниках – запирающий, фотогальванический, фотовольтаический, вентильный) – без внешнего источника питания, и фотодиодный (иногда фотопреобразовательный) – с внешним источником.

Рис. 36. Структура фотодиода

Принцип работы фотодиода

Структурная схема фотодиода. 1 - кристалл полупроводника; 2 - контакты; 3 - выводы; Ф - поток электромагнитного излучения; Е - источник постоянного тока; Rн - нагрузка.

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 емкостью p-n-перехода C p-n

Фотодиод может работать в двух режимах:

§ фотогальванический - без внешнего напряжения

§ фотодиодный - с внешним обратным напряжением

Особенности:

§ простота технологии изготовления и структур

§ 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 фотоприемника, к световому потоку или потоку излучения, его вызвавшему.

Si v =I ΦΦv ; Si ,Ev =I ΦEv - токовая чувствительность по световому потоку

Su e =U ΦΦe ; Si ,Ee =U ΦEe - вольтаическая чувствительность по энергетическому потоку

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. U Φ=f (I Φ)

спектральные характеристики

зависимость фототока от длины волны падающего света на фотодиод. Она определяется со стороны больших длин волн шириной запрещенной 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 освещенности, соответствует прямой пропорциональности фототока от освещенности. 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

Устройство и основные физические процессы. Упрощенная структура фотодиода приведена на рис. 6.7,а, а его условное графическое изображение – на рис. 6.7,б.

Рис. 6.7. Структура (а) и обозначение (б) фотодиода

Физические процессы, протекающие в фотодиодах, носят обратный характер по отношению к процессам, протекающим в светодиодах. Основным физическим явлением в фотодиоде является генерация пар электрон-дырка в области p-n-перехода и в прилегающих к нему областях под действием излучения.

Генерация пар электрон-дырка приводит к увеличению обратного тока диода при наличии обратного напряжения и к появлению напряжения uак между анодом и катодом при разомкнутой цепи. Причем uак>0 (дырки переходят к аноду, а электроны – к катоду под действием электрического поля p-n-перехода).

Характеристики и параметры. Фотодиоды удобно характеризовать семейством вольт-амперных характеристик, соответствующих различным световым потокам (световой поток измеряется в люменах, лм) или различным освещенностям (освещенность измеряется в люксах, лк).

Вольт-амперные характеристики (ВАХ) фотодиода представлена на рис. 6.8.

Пусть вначале световой поток равен нулю, тогда ВАХ фотодиода фактически повторяет ВАХ обычного диода. Если световой поток не равен нулю, то фотоны, проникая в область p-n–перехода, вызывают генерацию пар электрон-дырка. Под действием электрического поля p-n–перехода носители тока движутся к электродам (дырки – к электроду слоя p, электроны – к электроду слоя n). В результате между электродами возникает напряжение, которое возрастает при увеличении светового потока. При положительном напряжении анод-катод ток диода может быть отрицательным (четвертый квадрант характеристики). При этом прибор не потребляет, а вырабатывает энергию.

Рис. 6.8. Вольт-амперные характеристики фотодиода

На практике фотодиоды используют и в так называемом режиме фотогенератора (фотогальванический режим, вентильный режим), и в так называемом режиме фотопреобразователя (фотодиодный режим).

В режиме фотогенератора работают солнечные элементы, преобразующие свет в электроэнергию. В настоящее время коэффициент полезного действия солнечных элементов достигает 20 %. Пока энергия, полученная от солнечных элементов, примерно в 50 раз дороже энергии, получаемой из угля, нефти или урана.

Режим фотопреобразователя соответствует ВАХ в третьем квадранте. В этом режиме фотодиод потребляет энергию (u · i > 0) от некоторого обязательно имеющегося в цепи внешнего источника напряжения (рис. 6.9). Графический анализ этого режима выполняется при использовании линии нагрузки, как и для обычного диода. При этом характеристики обычно условно изображаются в первом квадранте (рис. 6.10).

Рис. 6.9 Рис. 6.10

Фотодиоды являются более быстродействующими приборами по сравнению с фоторезисторами. Они работают на частотах 107–1010 Гц. Фотодиод часто используют в оптопарах светодиод-фотодиод. В этом случае различные характеристики фотодиода соответствуют различным токам светодиода (который при этом создает различные световые потоки).

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.

Другие материалы по теме

Анатолий Мельник

Специалист в области радиоэлектроники и электронных компонентов. Консультант по подбору деталей в компании РадиоЭлемент.

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.

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.(-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.

Фоторезисторы, фотодиоды

СФ2–1 фоторезистор 30,00 ₽
СФ2–2 фоторезистор 40,00 ₽
СФ2–4 фоторезистор 150,00 ₽
СФ2–5 фоторезистор 300,00 ₽
СФ2–16 фоторезистор 48,00 ₽
СФ3–1 фоторезистор 20,00 ₽
GNL–3522 фотодиод 10,00 ₽
GNL–4802 фотодиод 10,00 ₽
GNL–5012 фотодиод 10,00 ₽
FYL–5013PD фотодиод 10,00 ₽
1PP75 tesla фотодиод 10,00 ₽
SP211D фотодиод 10,00 ₽
BPW34 фотодиод 430-1100нм 45,00 ₽
ФД–2 фотодиод 10,00 ₽
ФД–3 фотодиод 10,00 ₽
ФД–3А фотодиод 10,00 ₽
ФД–10га фотодиод  
ФД–10К фотодиод 80,00 ₽
ФД–11к фотодиод  
ФД–19 фотодиод 200,00 ₽
ФД–24К фотодиод 1000,00 ₽
КОФ122 = ФД-24К аналог 800,00 ₽
ФД–25К фотодиод  
ФД–26К фотодиод 30,00 ₽
ФД–256 фотодиод с линзой 200,00 ₽
ФД–263 фотодиод металл 300,00 ₽
ФД–263 фотодиод пластм. 60,00 ₽
ФД–265 фотодиод 30,00 ₽
ФД–320 фотодиод 30,00 ₽
ФДК–155 фотодиод 70,00₽
ФРД   фоторезистор 3ноги средн вывод  300,00 ₽
ФР1–3 47к фоторезистор 2000,00р
ФР1–3 68к фоторезистор 2000,00р
ФР1–3 100к фоторезистор 2000,00р
ФР1–3 150к фоторезистор 2200,00р
ФР1–3 220к фоторезистор 2200,00р
ФР1–4 фоторезистор 330,00 ₽
ФР–764 фоторезистор 100,00 ₽
ФР–765 фоторезистор 100,00 ₽
ФРС фоторезистор 200,00 ₽
ФСА–1 фоторезистор 150,00 ₽
ФСА–6 фоторезистор 150,00 ₽
ФСД–1 фоторезистор 150,00 ₽
ФСД–Г1 фоторезистор 150,00 ₽
ФСК–1 фоторезистор 150,00 ₽
ФСК–2 фоторезистор 120,00 ₽
ФСК–Г1 фоторезистор 170,00 ₽
ФСК–П1 фоторезистор 150,00 ₽
ФСК–7 фоторезистор 150,00 ₽
   
WK164 фототранзистор 6,00 ₽
ФТ–1к фототранзистор 30,00 ₽
ФТ–2к фототранзистор 30,00 ₽
ФТ–3к фототранзистор 20,00 ₽
ФТГ–4–63 фототранзистор 30,00 ₽
ФТГ–4–7 фототранзистор 30,00 ₽
GP1807А фотоприемник 20,00 ₽
GP1807В фотоприемник 20,00 ₽
ILMS5360=ТFMS5360 фотоприемник 50,00 ₽
SFh409PFA ик–фотоприемник 40,00 ₽
TSOP4836 фотоприемник 80,00 ₽
   
   
АЛ103А ик 10,00 ₽
АЛ106 ик 3,00 ₽
АЛ107 ик 3,00 ₽
АЛ108 ик 3,00 ₽
АЛ115 ик 3,00 ₽
АЛ118 ик 3,00 ₽
АЛ119 ик 60,00 ₽
АЛ124А ик 60,00 ₽
АЛ156 ик 6,00 ₽
АЛ IR513B-40 ик ф5 мм 10,00 ₽
   
   
АЛ102 15,00 ₽
АЛ310 15,00 ₽
АЛ336 15,00 ₽
   
ФОТОСЕНСОР Feron SEN25 6A 250,00 ₽
ФОТОСЕНСОР Feron SEN26 10A 300,00 ₽
ФОТОСЕНСОР Feron SEN27 25A 350,00 ₽
ФОТОСЕНСОР Feron SEN50 2,3A 600,00 ₽

Датчики окружающего света помогают LCD дисплеем реагировать на изменения яркости

Датчики окружающего света (ДОС или англ. ALS) — это фотоприемники, которые «копируют» реакцию человеческого глаза на интенсивность света в различных условиях освещения и с помощью различных материалов. Они чаще всего встречаются в промышленном освещении, бытовой электронике и автомобильных системах. Но в последнее время замечено увеличение их использования и в портативных устройствах оборудованных дисплеем, например смартфонах, что в основном связано с появлением ALS на микросхемах, значительно упростивших реализацию автоматического регулирования уровня яркости подсветки дисплея.

Помимо улучшения визуальных качеств дисплеев, применение схемных решений с
использованием датчиков окружающего света позволяет значительно улучшить и показатели
энергопотребления этих устройств. Подсветка жидкокристаллического дисплея может потреблять до 51% заряда аккумуляторной батареи в режиме ожидания входного сигнала. Одной из основных задач подбор датчиков окружающего света для LCD дисплеев с возможностью обнаружения длин волн, видимых человеческому глазу (400 – 700 нм). Существует много типов ДОС. Некоторые технологии существуют уже несколько десятилетий, а некоторые все еще находятся в стадии разработки.

Типы датчиков окружающего света

Технология ДОС включает в себя фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы и микросхемы ALS.

Фоторезисторы

Фоторезистор имеет сопротивление, которое изменяется в зависимости от интенсивности света. Соответственно он способен реагировать на свет, что чем – то похоже на человеческий глаз. В темноте сопротивление фоторезистора будет максимальным (например, 1 Мом), а при попадании на фоторезистор световых волн данное сопротивление уменьшается (например, 10 – 20 кОм при 10 лк).  Кадмий-сульфидные (CdS) фоторезисторы (рисунок ниже) были очень распространены много лет назад, но с 2006 года кадмий попал в список запрещенных материалов:

Фотодиоды

Фотодиод представляет собой полупроводниковое устройство с PN или PIN-структурой, которое преобразует свет в электрический ток. Структура PIN обеспечивает лучшие условия для поглощения световых волн:

Фотодиоды имеют малый выходной ток, который требует внешней схемы усиления, обычно работающей с обратным смещением. Свет, поглощаемый в области истощения или внутренней области, генерирует электронно-дырочные пары, большая часть которых способствует протеканию «фототока».

Величина проводимого фотодиодом тока, пропорциональна количеству света, попадающего на его чувствительную поверхность. Одной из ключевых характеристик фотодиода является его отклик на длину волны света, которая может варьироваться в зависимости от материала:

Другие типы фотодиодов имеют несколько иные режимы работы, например, лавинный диод и фотодиод Шоттки, которые могут лучше адаптироваться к потребностям схемы. Фотодиоды используются во многих приложениях, таких как световые индикаторы, мониторы пламени, сканеры штрих кодов, световые ручки и многое другое.

Фототранзисторы

Эти полупроводниковые световые датчики формируются из транзистора с гораздо более крупными основаниями и зонами коллектора, которые делают их более светочувствительными:

Небольшой обратный ток насыщения, называемый «темным током», протекает через фототранзистор даже при отсутствии света. Его значение возрастает с увеличением значения температуры, свойства, идентичного тому, которое проявляется в обычных транзисторах.

Фототранзисторы имеют более высокий выходной сигнал, чем фотодиоды. Они чувствительны к широкому диапазону длин волн от ультрафиолетового излучения (УФ) до инфракрасного излучения (ИК), включая спектр видимого излучения, находящегося между ними. Но они не могут работать при высоких напряжениях, если они сделаны из кремния. Кроме того, они имеют плохой высокочастотный отклик из-за большой емкости между коллектором и базой. Фототранзисторы используются в широком спектре приложений, таких как обнаружение объектов, проигрывание компакт-дисков, инфракрасные приемники, принтеры и ксероксы, системы ночного видения и другие устройства.

Микросхемы с датчиками окружающего света

Существуют как аналоговые, так и цифровые интегральные микросхемы – каждая из них пользуется большим спросом на рынке и постоянно дорабатывается. Также датчики с интегральными схемами работают значительно лучше приводимых выше. Например, получения необходимого выходного тока в таких системах значительно упрощено. Также они могут интегрировать значительно больше функций, что приводит к значительно меньшему количеству вспомогательных схем, а это даёт возможность экономить место на печатной плате и снижать время и расходы на проектирование готовых изделий.

Аналоговый токовый выход аналогового ALS пропорционален уровню падающего света и чувствительности спектра, подобно человеческому глазу. Затем он может быть преобразован в напряжение, используя аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и подан на микроконтроллер или непосредственно в качестве входа в интегральную схему драйвера светодиода. Цифровая интегральная схема ALS обычно имеет 16-разрядный цифровой выход I2C. Интегрированный АЦП преобразует выход фотодиода в сигнал I2C. Микросхемы ALS теперь обычно встречаются в приложениях подсветки ЖК-дисплея.

Технологии с датчиками окружающего света будут и дальше наращивать темпы развития так как количество устройств, нуждающихся в их применении, постоянно растет. Такие устройства могут включать в себя и более 10 датчиков окружающего света, в том числе и на микросхемах. В настоящее время, по мере развития технологий, стоит ожидать все большего количество интегральных микросхем, включающих в себя не только ALS но и датчики приближения, которые уже используются некоторыми разработчиками.

Датчик света

с использованием LDR, фотодиода и фототранзистора

Введение

Обнаружение света является основной потребностью для всего, например растений, животных и даже устройств. Исследователи устройств работали над методами обнаружения света и разработали устройства, обеспечивающие отличную производительность. Свет - это электромагнитное излучение с гораздо более короткой длиной волны и более высокой частотой, чем радиоволны. Это квантово-механическое явление, состоящее из дискретных частиц, называемых фотонами.

Датчик освещенности - это пассивный датчик, который используется для определения интенсивности света путем изучения энергии излучения, существующей в определенном диапазоне частот. В спектре электромагнитных волн диапазоны частот, которые используются для обнаружения с помощью датчика, находятся от инфракрасного до видимого и до ультрафиолетового.

Световые датчики преобразуют световую энергию в форме фотонов в электрическую энергию в форме электронов. Следовательно, их также называют фотодатчиками или фотодетекторами или фотоэлектрическими устройствами.

Датчики света или фотодатчики можно разделить на три типа в зависимости от физического количества, на которое они влияют. Основными классами являются фоторезисторы, фотоэлектрические и фотоэмиттеры. Фотоэмиттеры вырабатывают электричество при воздействии света. Фоторезисторы меняют свои электрические свойства при освещении. Исходя из вышеперечисленных классов, можно составить следующую классификацию устройств.

Фотоэмиссионные ячейки: Эти типы фотоустройств высвобождают свободные электроны из светочувствительных материалов при попадании фотона достаточной энергии.Обычно используемый светочувствительный материал - цезий. Энергия фотона зависит от длины волны или частоты света.

Уравнение энергии фотона:

E = hc / λ

Здесь

h - постоянная Планка (h = 6,626 * 10 -34 Дж с),

c - скорость света (c = 3 * 10 8 м / с)

λ - длина волны света.

Чем выше частота света, тем выше энергия фотона.

Фотопроводящие элементы: Эти типы фотоустройств меняют свое электрическое сопротивление при воздействии света. Распространенным типом фотопроводящего материала является сульфид кадмия (CdS), который используется в светозависимых резисторных фотоэлементах. Фотопроводимость в этих ячейках возникает в результате попадания света на полупроводниковый материал, который контролирует прохождение тока через него. Для данного приложенного напряжения, когда интенсивность света увеличивается, ток также увеличивается.

Фотоэлектрические элементы: Эти типы фотоустройств генерируют потенциал или ЭДС, пропорциональную энергии излучаемого света. Солнечные элементы являются распространенным типом фотоэлементов и используют селен в качестве фотоэлектрического материала. Они состоят из двух полупроводниковых материалов, и когда на них падает световая энергия, генерируется напряжение примерно 0,5 В.

Фотодиоды: Эти типы фотоустройств обычно являются полупроводниковыми устройствами и используют свет для управления потоком электронов или дырок через переходы.Фотодиоды и фототранзисторы - два основных устройства в этой категории. Они специально разработаны для применения в детекторах.

ВЕРНУТЬСЯ В НАЧАЛО

Светозависимый резистор (LDR)

Под воздействием световой энергии фотопроводящий датчик света изменяет свои физические свойства. Фоторезистор - это распространенный тип фотопроводящих устройств. Фоторезистор - это полупроводниковое устройство, которое использует световую энергию для управления потоком электронов и, следовательно, током в них.

Наиболее распространенным типом фотопроводящих элементов является светозависимый резистор или LDR. Как следует из названия, светозависимый резистор - это полупроводниковое устройство, которое изменяет свое электрическое сопротивление в зависимости от наличия света. Светозависимый резистор изменяет свое электрическое сопротивление с большого значения в несколько тысяч Ом в темноте до нескольких сотен Ом, когда на него падает свет, создавая электронно-дырочные пары в материале.

Наиболее распространенным материалом, используемым для изготовления светозависимого резистора, является сульфид кадмия (CdS).Другие материалы, такие как сульфид свинца (PbS), антимонид индия (InSb) или селенид свинца (PbSe), также могут использоваться в качестве полупроводниковой подложки.

Сульфид кадмия используется в фоторезисторах, чувствительных к ближнему инфракрасному и видимому свету. Причина, по которой он используется, заключается в том, что его спектральная кривая отклика очень похожа на кривую человеческого глаза. Им можно управлять с помощью простого источника света, такого как вспышка, а максимальная чувствительная длина волны материала сульфида кадмия составляет от 560 нм до 600 нм в видимом спектральном диапазоне.

Сульфид кадмия осаждается в виде рисунка резьбы на изоляторе в форме зигзагообразной линии, как показано ниже.

Причина зигзагообразной траектории состоит в том, чтобы увеличить темновое сопротивление и, следовательно, уменьшить темновой ток. Эта ячейка заключена в стекло для защиты подложки от загрязнения.

Символ фоторезистора показан ниже.

Самым популярным типом фотопроводящих элементов является фотопроводящий элемент ORP12 из сульфида кадмия.

Характеристики фотопроводящей ячейки типа ORP12 следующие: пиковая спектральная характеристика 610 нм, темновое сопротивление 10 МОм и сопротивление при освещении 100 Ом.

ВЕРНУТЬСЯ В НАЧАЛО

Сеть светозависимого резисторного делителя напряжения

Светозависимый резистор обычно подключается последовательно с резистором, через который подается одиночное напряжение постоянного тока. Подключение показано ниже.

Достоинством такого подключения является появление разных напряжений на их стыке для разной интенсивности света.Это соединение является примером сети делителя напряжения или делителя потенциала. Причина в том, что значение сопротивления светозависимого резистора R LDR будет определять величину падения напряжения на последовательном резисторе R 1 .

Ток в последовательном соединении такой же, и поскольку сопротивление светозависимого резистора изменяется из-за силы света, выходное напряжение будет определяться с использованием формулы делителя напряжения.

Выходное напряжение V OUT = V IN * (R 1 / (R LDR + R 1 )).

В отсутствие света сопротивление светозависимого резистора достигает 10 МОм. При наличии солнечного света сопротивление светозависимого резистора упадет до 100 Ом. На кривой ниже показано изменение сопротивления светозависимого резистора при разной интенсивности света.

Светочувствительный переключатель - это обычное применение светозависимого резистора. Схема светозависимого резисторного переключателя показана ниже.

Это схема датчика освещенности с релейным выходом, активированным переключателем света.Светозависимый резистор R LDR и резистор R 1 образуют сеть делителя напряжения. Когда нет света, то есть в темноте, сопротивление светозависимого резистора составляет порядка мегаом. Напряжение смещения базы равно нулю, и транзистор выключен.

По мере увеличения интенсивности света сопротивление светозависимого резистора уменьшается, а напряжение смещения увеличивается. В определенный момент, определяемый схемой делителя напряжения, напряжение смещения повышается настолько, чтобы включить транзистор.Это, в свою очередь, активирует реле, которое можно использовать для управления какой-либо другой внешней цепью.

ВЕРНУТЬСЯ В НАЧАЛО

Схема светочувствительности с использованием LDR

Чувствительность переключателя LDR довольно низкая. Чтобы повысить чувствительность светочувствительности, можно применить несколько модификаций. Постоянный резистор R1 заменен потенциометром VR1. Транзистор заменен операционным усилителем, а светозависимый резистор включен в мост Уитстона.Новая и более чувствительная схема светочувствительного элемента, использующая светозависимый резистор, показана ниже.

Резисторы LDR, VR 1 , R 1 и R 2 образуют мост Уитстона. Стороны моста LDR - VR1 и R1¬ - R2 образуют делитель потенциала с выходными напряжениями V1 и V2. Эти напряжения подключены к неинвертирующему и инвертирующему входам операционного усилителя соответственно. Операционный усилитель работает как дифференциальный усилитель, выходной сигнал которого является функцией разницы между двумя входными напряжениями V1 и V2.Он также известен как компаратор напряжения с обратной связью. Резистор обратной связи Rf используется для обеспечения требуемого усиления по напряжению.

Выход операционного усилителя подключен к реле, которое может управлять внешней цепью. Когда напряжение V1 из-за светочувствительности LDR падает ниже напряжения V2, которое действует как опорное напряжение, выход усилителя меняет свое состояние. Это вызывает активацию реле и включение нагрузки.

По мере увеличения интенсивности света выход переключается обратно, и реле выключается.

Здесь реле включается, когда интенсивность света меньше. Действие можно изменить, поменяв местами резистор обнаружения света и потенциометр. Теперь реле включается, когда уровень освещенности увеличивается и превышает уровень, установленный опорным напряжением.

ВЕРНУТЬСЯ В НАЧАЛО

Фотодиод

Фотодиод относится к классу фотоэлектрических устройств, которые в основном представляют собой светочувствительные датчики на PN переходе. Обычно они изготавливаются из полупроводниковых PN-переходов и чувствительны к видимому свету и инфракрасному свету.Когда свет падает на фотодиод, электроны и дырки разделяются и позволяют переходу проводить.

Фотодиоды сконструированы так же, как и любые другие обычные переходные диоды. Ниже показан типичный фотодиод.

Непрозрачное покрытие, используемое в сигнальных и выпрямительных диодах, отсутствует в фотодиодах. Это делает диод достаточно прозрачным, чтобы пропускать свет и влиять на проводимость перехода.

Символ фотодиода показан ниже.

ВЕРНУТЬСЯ В НАЧАЛО

Принцип работы

Фотодиод смещен против его легкого направления тока, то есть он смещен в обратном направлении, так что протекает очень низкий ток утечки. Если фотон с достаточной энергией падает на диод в месте его перехода, электрон освобождается, и, если он обладает достаточной энергией, он может пройти через энергетический барьер, вызывая протекание небольшого тока утечки. Сила тока пропорциональна освещенности перехода.

ВЕРНУТЬСЯ В НАЧАЛО

Характеристики фотодиода

Вольт-амперная характеристика фотодиода при отсутствии света аналогична характеристике обычного диода. Как и в случае с обычным диодом, при прямом смещении фотодиода происходит экспоненциальное увеличение тока. Когда он смещен в обратном направлении, появляется небольшой ток утечки, называемый током обратного насыщения, который вызывает увеличение области истощения.

Когда фотодиод используется в качестве светового датчика, для диодов германиевого типа темновой ток составляет около 10 мкА, а для диодов кремниевого типа - 1 мкА.Темновой ток - это ток, когда интенсивность света составляет 0 люкс.

ВЕРНУТЬСЯ В НАЧАЛО

Светочувствительность с помощью фотодиода

Фотодиод может работать и смещаться в двух режимах: фотоэлектрический режим и фотопроводящий режим.

В фотоэлектрическом режиме фотодиод подключен к предварительному усилителю виртуального заземления. Схема показана ниже.

Когда падают фотоны, генерируется напряжение, которое усиливается операционным усилителем.Помимо термически генерируемого тока, нет основного тока утечки, поскольку нет постоянного смещения на диоде.

Аналогичная схема, которая преобразует ток, генерируемый светом, в напряжение и усиливается операционным усилителем, показана ниже.

В этих схемах используется характеристика операционного усилителя, в которой две входные клеммы находятся под нулевым напряжением для работы диода без какого-либо смещения постоянного тока. Такая конфигурация операционного усилителя обеспечивает высокую импедансную нагрузку на фотодиод, что приводит к более широкому диапазону тока по сравнению с интенсивностью падающего света.

В режиме фотопроводимости фотодиод смещен по постоянному току, и ток, протекающий через диод, возникает из-за смещения постоянного тока, а также светочувствительность преобразуется в напряжение резистором и усиливается операционным усилителем. Такой подход расширяет область обеднения, поскольку приложенное смещение уменьшает емкость фотодиода.

Схема фотодиода в фотопроводящем режиме показана ниже.

Конденсатор используется для установки выходной полосы пропускания как 1 / (2πR F C F ), а также предотвращает колебания.Однако есть задержка RC, так как конденсатор должен заряжаться.

ВЕРНУТЬСЯ В НАЧАЛО

Фототранзистор

Помимо изготовления фотоэлементов из диодов, можно построить светочувствительный элемент на транзисторах. Образно говоря, фототранзистор представляет собой комбинацию фотодиода и транзистора усиления.

Изображение фототранзистора с фотодиодом и транзистором показано ниже.

Символ фототранзистора показан ниже.

В фототранзисторе переход коллектор-база действует как фотодиод. Переход коллектор-база смещен в обратном направлении, подвергая его воздействию источника света. Ток в этом переходе усиливается нормальным действием транзистора, и, следовательно, ток коллектора велик.

НАЗАД В начало

Принцип работы

Работа фототранзистора аналогична работе фотодиода. Дополнительные преимущества заключаются в том, что они могут обеспечивать большой ток коллектора и более чувствительны, чем фотодиоды.Токи в фототранзисторе в 50-100 раз больше, чем в фотодиоде. Подключив фотодиод между выводами коллектора и базы обычного транзистора, он может быть преобразован в фототранзистор.

ВЕРНУТЬСЯ В НАЧАЛО

Характеристики фототранзистора

Фототранзисторы в основном представляют собой NPN-транзисторы с большой базой, электрически изолированной или неподключенной. Для управления чувствительностью некоторые фототранзисторы допускают базовое соединение.Если используется соединение с базой, ток базы генерируется, когда фотоны ударяются о поверхность, и заставляет коллектор течь эмиттерным током.

Чтобы добиться обратного смещения на переходе коллектор-база, коллектор находится под более высоким потенциалом по отношению к эмиттеру. В отсутствие света протекает небольшое количество нормального тока утечки. При наличии света на выводе базы количество электронно-дырочных пар в этой области увеличивается, и возникающий ток усиливается работой транзистора.

Соотношение между силой света, током и выходным напряжением показано ниже.

ВЕРНУТЬСЯ В НАЧАЛО

Светочувствительность с использованием фототранзистора

Ниже показана простая схема, используемая для восприятия света с использованием фототранзистора.

Чувствительность фототранзистора зависит от коэффициента усиления транзистора по постоянному току. Следовательно, общая чувствительность, которая является функцией тока коллектора, может контролироваться сопротивлением между эмиттером и базой.

Для высокочувствительных приложений, таких как оптопары, используется фототранзистор Дарлингтона. Его обычно называют фото-транзистором Дарлингтона, в нем используется второй биполярный транзистор с переходом NPN. Этот второй транзистор обеспечивает дополнительное усиление.

Схема фототранзистора со вторым транзистором показана ниже.

Символ фото транзистора Дарлингтона показан ниже.

Фототранзистор Дарлингтона состоит из фототранзистора, выход эмиттера которого соединен с выводом базы второго более крупного NPN-транзистора.Фото-устройство Дарлингтона - очень чувствительный детектор, поскольку общий коэффициент усиления по току является произведением отдельных коэффициентов усиления по току.

НАЗАД В начало

ПРЕДЫДУЩИЙ - ДАТЧИКИ ТЕМПЕРАТУРЫ

ДАЛЕЕ - ИК-ДАТЧИК

Фоторезисторы - обзор | ScienceDirect Topics

NW Фотопроводники (фоторезисторы) представляют собой простейшую конфигурацию для исследования оптоэлектронных свойств NW. Обычно наночастицы рассредоточены на изолирующей подложке, а металлические электроды нанесены и нанесены узоры на обоих концах нанокристаллов.Подавая напряжение смещения на фотопроводник, можно измерить ток, протекающий через устройство в темноте и при освещении, и легко получить электрическую проводимость. Величина изменения проводимости, вызванного облучением, может быть определена количественно, на основании чего также могут быть проанализированы электронные свойства, связанные с подвижностью носителей заряда и временем жизни. Изменяя состояние облучения между включенным и выключенным, можно также достичь характеристик фотоотклика материала.

Три ключевых параметра обычно используются для оценки чувствительности фотопроводников к свету: коэффициент усиления фотопроводимости G , чувствительность R и светочувствительность S (Hu et al., 2013; Murtaza, Nie, Campbell, Bean, & Peticolas, 1996; Peng, Hu, & Fang, 2013). Коэффициент усиления G обозначает количество электронов, произведенных каждым поглощенным фотоном во внешней цепи, и часто определяется как отношение количества собранных электронов ( N el ) к количеству поглощенных фотонов ( N ф. ) в единицу времени:

(12.1) G = NelNph = ττtr = μτVl2

, где τ - время жизни фотогенерированных носителей, τ tr - время пролета носителей между двумя электродами, μ - подвижность носителей, V - приложенное смещение, а l - расстояние между двумя электродами. Чувствительность R иллюстрирует чувствительность фотопроводника к падающему свету и определяется как

(12,2) R (A / W) = IphotoPopt = η (qλhc) G

, где I photo - фототок. , P opt - мощность падающего света, η - квантовая эффективность, h - постоянная Планка, c - скорость света и λ - длина волны падающего света.Светочувствительность ( S ) определяется как:

(12,3) S = (σphoto − σdark) / σdark

, где σ photo и σ dark - проводимость при освещении и темноте, соответственно. .

Фотодиоды и другие датчики света [Analog Devices Wiki]

Джеймс Брайант

Эта статья была написана, чтобы ответить на ряд вопросов, с которыми автор столкнулся, как инженер по аналоговым приложениям, относительно характеристик фотодатчиков и схем интерфейса фотодатчиков - как для приложений переменного, так и постоянного тока.За исключением того, что все они используют фотосенсоры и схемы их интерфейса, речь идет не о цифровой фотографии, спектрофотометрии, оптической сигнализации, системах безопасности, робототехнике или любой другой системе, зависящей от фотосенсоров - это просто интерфейс от оптического сигнала к электронному. В основном тексте обсуждается принцип работы большинства фотоэлементов в не слишком требовательных приложениях - в многочисленных сносках упоминаются эффекты второго и третьего порядка, которые иногда могут быть важны, но обычно их можно проверить, а затем проигнорировать.

Для целей этой статьи свет состоит из электромагнитного излучения видимого диапазона (длины волн приблизительно 400-800 нм), ближнего инфракрасного диапазона [1] (IR-A: 800-1400 нм или, возможно, немного больше) и ближнего ультрафиолетового диапазона. [1] (УФ-A: 320-400 нм или, опять же, возможно, немного больше) области. Не все световые сенсоры реагируют на все длины волн в этом диапазоне, и при выборе одного из них важно знать, как его чувствительность зависит от длины волны.

В основном мы будем обсуждать фотодиоды, поскольку они являются самыми дешевыми датчиками света и, как правило, самыми простыми в использовании, но есть несколько других датчиков света, о которых инженеры-аналоговые инженеры должны знать.

Вакуумные фотоэлементы

Рис. 1A Фототрубка - первый фотосенсор

Первым таким датчиком была «фототрубка» или «фотоэлектрический элемент» (рис. 1A), который состоит из фоточувствительного катода в вакуумной (или, иногда, газовой) трубке, которая при освещении испускает электроны, которые движутся. к положительно смещенному аноду, позволяя течь току, который пропорционален силе света. Простые вакуумные фотоэлементы сегодня используются редко, но фотоэлементы, которые используют вторичное излучение от нескольких электродов (динодов) со ступенчатыми потенциалами (рис. 1B) для умножения каждого электрона от фотокатода на величину до 160, дБ, , являются важными фотодатчиками в ядерных системах и частицах. физика, астрономия, медицинская визуализация, сканирование кинофильмов, радиолокационные контрмеры и высококачественные сканеры изображений, известные как барабанные сканеры.Их сочетание высокого усиления, низкого уровня шума, очень быстрого отклика и большой площади светосбора в настоящее время не может сравниться с какой-либо твердотельной схемой, а фотоумножители представляют собой применение технологии электронных ламп, которая все еще находится на переднем крае ценных электронных технологий. Технология также используется в приборах ночного видения.

Рис. 1B Фотоумножитель - упрощенная схема и реальное устройство

Фоторезисторы

Другой тип светового датчика использует изменение электрического сопротивления в зависимости от освещенности некоторых материалов (наиболее распространенными являются сульфид кадмия [CdS] и селенид / сульфид кадмия [Cd 2 SeS]) для создания «фоторезисторов [2] » .До недавнего времени такие фоторезисторы были самой распространенной формой фотосенсоров, несмотря на их медленную реакцию на изменение светового потока, но комбинированное воздействие более низких цен на фотодиоды и юридических ограничений на использование кадмия из-за его токсичности [3] привело к сокращению их использования в последнее время. годы.

Рис.2 Недорогой фоторезистор CdS

Фоторезисторы по-прежнему широко используются в сочетании с переменным источником света (первоначально лампа накаливания - теперь почти всегда светодиод) в качестве изолированных переменных резисторов [4] - поскольку они являются резисторами, они не поляризованы (они могут быть подключены любым способом. ) и будет работать с переменным током.

Рис.3 Регулировка усиления фоторезистора

Фоторезисторы, в которых используются более экзотические материалы (сульфид свинца [PbS], антимонид индия [InSb] и германий, легированный медью), неоценимы и в настоящее время незаменимы в качестве фотоприемников в средней и дальней инфракрасной области.

Проводимость [5] фоторезистора пропорциональна интенсивности падающего на него света. Это означает, что ток в фоторезисторе, имеющем фиксированное напряжение на нем, пропорционален падающему свету (постоянная пропорциональности будет зависеть от длины волны и температуры устройства - подробности см. В техническом паспорте [6] устройства) .

В дополнение к их фотоустойчивости существует также очень высокая (мегом или десятки мегомов) «утечка» или «темновое сопротивление» параллельно с ним, что позволяет протекать очень небольшому току, когда устройство не освещено. В некоторых устройствах CdS это темновое сопротивление может зависеть от того, освещалось ли устройство в течение последних нескольких часов или даже дней, что делает такие фоторезисторы непригодными для очень высокоточных измерений, поскольку их утечка зависит от их недавней истории освещения.

Фотодиоды и фототранзисторы

Большая часть статьи касается фотодиодов. Полупроводниковый диод - это кристаллический кусок полупроводникового материала, содержащий p-n переход с подключениями к областям P и N - его работа обсуждается в Приложении A. Все полупроводниковые диоды в некоторой степени являются фотодиодами, но некоторые из них гораздо более чувствительны, чем другие. .

Для упрощения анализа мы можем смоделировать фотодиод как идеальный (нефоточувствительный) диод, подключенный параллельно светозависимому источнику тока.Этот источник тока является довольно линейным - ток более или менее пропорционален падающему свету в диапазоне 1000: 1 или лучше - но диапазон длин волн, к которым он чувствителен, зависит от материала, из которого изготовлен диод.

(Его обратный ток утечки слишком мал, чтобы быть очевидным.)

Идеальный диод с обратным смещением (, то есть , его анод отрицательный по отношению к катоду) действует как изолятор, но имеет небольшой температурно-зависимый ток утечки, в значительной степени не зависящий от напряжения обратного смещения [7] , которое удваивается с каждые 10 ° C повышение температуры устройства.Параллельно диоду имеется небольшая емкость, которая уменьшается с увеличением обратного смещения.

При прямом смещении (положительный анод) ток диода экспоненциально возрастает с увеличением напряжения (уравнения см. В Приложении A), но с практической точки зрения ток слишком мал, чтобы иметь значение, пока не будет достигнуто «пороговое» или «изломанное» напряжение. Это напряжение зависит от материала диода и может варьироваться от 200 мВ для кремниевых диодов Шоттки до примерно 4 В для синих светодиодов с использованием нитрида галлия - нормальные кремниевые диоды имеют порог около 700 мВ .Пороговое напряжение уменьшается с увеличением температуры устройства, а параллельная емкость диода с прямым смещением увеличивается с увеличением напряжения смещения.

Рис.5 Идеальный полупроводниковый фотодиод

Фотодиод с подсветкой содержит идеальный диод и источник тока, зависящий от света (и некоторую переменную емкость по напряжению). Фототок - это KL, где K - постоянная величина, зависящая от фотодиода и длины волны света, а L - интенсивность света (обратите внимание, что K является характеристикой конкретного фотодиода, а не k , что - постоянная Больцмана - 1.3806E-23 JK -1 ). Если фотодиод разомкнут или нагружен только с очень высоким сопротивлением, анод будет достаточно положительным, чтобы фототок протекал в диоде, а напряжение на фотодиоде будет пропорционально логарифму интенсивности света. Это поведение можно измерить, используя операционный усилитель электрометра с очень низким током смещения, такой как AD549 (I b ~ 40 фА), но фотодиоды редко используются именно таким образом.

Есть два практических режима работы фотодиода - фотопроводящий режим и фотоэлектрический режим.

Рис.6 Фотодиод в фотопроводящем режиме

Если фотодиод смещен в обратном направлении, его ток будет складываться из его утечки и фототока, а его емкость будет ниже, чем при прямом смещении, что удобно при измерении модулированного ВЧ света. Соответствующая схема предназначена для усиления этого тока. Это фотопроводящий режим работы. (Можно усилить фототок несмещенного фотодиода, введя его в суммирующий переход операционного усилителя, но его емкость немного выше в этом «режиме фотоэлектрического тока».)

Мало того, что диоды светочувствительны - большинство транзисторов, которые, в конце концов, также содержат P-N переходы, также являются светочувствительными. Полвека назад электронным экспериментаторам-любителям было хорошо известно, что если удалить черную краску со стеклянного корпуса германиевого транзистора Mullard [8] OC71, он станет светочувствительным - фактически, он будет иметь почти такие же характеристики, как и фототранзистор OCP71, который стоит в пять раз дороже! Мало кто покупал более дорогую деталь, пока в конце концов Маллард не изменил дизайн корпуса OC71, так что удаление краски по-прежнему не позволяло свету достигать структуры транзистора.

Фототранзистор - это транзистор, переход база-коллектор которого намеренно сделан более светочувствительным. Часто он не имеет подключения к внешней базе. Фототок диода протекает в цепи база-эмиттер и усиливается коэффициентом усиления транзистора по току ß. Таким образом, чувствительность фототранзистора в ß (~ 30-200) раз больше, чем у аналогичного диода. Однако времена переключения фототранзисторов с неподключенной базой медленные (типичные фототранзисторы имеют время нарастания и спада порядка 10-20 мкс, а самые быстрые - всего 500-1000 нс ).Они всегда используются в режиме фотопроводимости, описанном выше, и могут быть удобны, когда для работы реле требуется одно светочувствительное устройство. Если доступно соединение с базой, подключение резистора от базы к эмиттеру снижает светочувствительность и увеличивает порог включения, но улучшает время рассыщения и, следовательно, ускоряет выключение транзистора.

Рис.8 Фотодиод, используемый в (фотоэлектрическом) режиме напряжения

Если фотодиод зашунтирован с резистором, выбранным таким образом, чтобы при протекании максимального ожидаемого фототока [9] в нем напряжение было на 20% ниже порогового напряжения диода, схема будет иметь выходное напряжение, пропорциональное падающему свету. и выходной импеданс, равный величине резистора (зашунтированного емкостью диода).В этой фотоэлектрической конфигурации соответствующая схема управляется напряжением.

Если мы зайдем на веб-сайты основных дистрибьюторов электронных компонентов, то обнаружим, что самые дешевые фотодиоды стоят около 15 и являются чувствительными к инфракрасному (ИК) кремнию с пороговым напряжением около 700 мВ , тогда как самые дешевые светодиоды стоят менее 4. и имеют порог в 2-5 раз больше. Эти недорогие светодиоды чувствительны к видимому свету и во многих случаях столь же чувствительны, как и специализированные фотоэлементы, когда используются как таковые.Конечно, специализированные фотодиоды охарактеризованы и испытаны на соответствие спецификациям фотодиодов и, вероятно, будут иметь более быстрое время отклика, чем светодиоды, но светодиоды нетрудно охарактеризовать, их можно выбрать по определенным спектральным характеристикам и часто они могут служить двойной цели в системе. , действующий как индикатор и измеритель внешней освещенности, или как оптический передатчик и приемник. Микроконтроллер ATMega328, используемый в Arduino (и ADuC7023 от Analog Devices и многие другие их аналоговые микроконтроллеры, включая их последние [10] ADuCM320), имеет несколько портов, которые могут быть настроены как как цифровые входы / выходы, так и аналоговые с очень высоким сопротивлением входы цифрового преобразователя (АЦП).Светодиод и два резистора на таких портах позволяют одному выводу одновременно управлять индикаторной лампой и измерять внешнюю освещенность.

Светодиоды, используемые в качестве фотодиодов, нечувствительны к длинам волн, превышающих их собственную пиковую выходную длину волны. Конечно, если они заключены в цветной пластик, это повлияет на их реакцию, но светодиоды из прозрачного пластика [11] часто, но далеко не всегда (проверьте устройство, которое вы собираетесь использовать), имеют довольно широкий отклик на длины волн короче собственных [12] .Кремниевые фотодиоды более чувствительны в ближнем ИК-диапазоне до 1000 нм и менее чувствительны к видимым длинам волн [13] .

Одноцветные светодиоды представляют собой простые диоды и имеют более или менее монохроматический световой поток [14] и, конечно же, многоцветные светодиоды представляют собой просто массивы из двух или более одноцветных светодиодов. Белые светодиоды изготавливаются разными способами и довольно сложны. Большинство из них действуют как фотодиоды, но их характеристики, вероятно, также будут более сложными - это не означает, что их нельзя использовать в качестве фотодиодов, но предупреждение о том, что их спектральная чувствительность и их электронные характеристики могут нуждаться в тщательной проверке, когда делать это.Само собой разумеется, что сложные устройства, содержащие светодиоды и другие схемы [15] , не подходят для использования в качестве фотодиодов.

В Приложении B содержится краткое обсуждение методов измерения фотоэлементов, которые позволяют просто определить характеристики светодиода как фотодиода.

Лабораторная деятельность: светодиоды как датчики света

Применение фотоэлементов

В этом разделе мы обсудим интерфейс между фотосенсором и связанной с ним электроникой.На самом деле существует всего два применения фотоэлементов - измерение света и прием модулированного света.

Когда мы измеряем свет, мы можем измерять его интенсивность или просто определять, присутствует ли он. Мы видели, что фотодиоды имеют фототок, а фоторезисторы имеют проводимость, пропорциональную падающему на них свету (в этом разделе мы не будем обсуждать изменение спектральной чувствительности). Если мы измеряем фототок (в случае фоторезистора с определенным напряжением смещения), мы можем измерить падающий свет.

Для фотометрии (люксметры, экспонометры, системы управления освещением с обратной связью и т. Д.) Мы можем захотеть сделать это точно, для многих приложений с фотоэлементами нам просто нужно знать, присутствует ли свет или нет - хотя, почти всегда, «присутствует» «На самом деле означает присутствие выше некоторого низкого уровня окружающей среды. Если свет, который мы обнаруживаем, является выходом светодиода, и может присутствовать другой свет, обычно лучше модулировать выход светодиода и различать модулированный свет и фоновое освещение.Мы обсудим это позже.

В классическом фотодетекторе используется фотоэлемент (фотодиод в токовом режиме или фоторезистор), включенный последовательно с резистором R s и транзистором. Резистор выбирается таким образом, чтобы при достаточно большой интенсивности света транзистор включался или выключался.

Транзистор может быть транзистором с биполярным переходом (BJT), транзистором Дарлингтона или полевым МОП-транзистором. В прошлом BJT часто использовались как более дешевые, чем MOSFET, но теперь это не так, и лучшим выбором на самом деле является MOSFET.Его выходом может быть реле или резистор с логическим выходом, взятым со стока / коллектора, или сток / коллектор с разомкнутой цепью, предназначенный для логического соединения «проводное ИЛИ». Можно использовать устройства N-канал / NPN или P-канал / PNP, но поскольку задействованная схема одинакова для обоих, за исключением смены полярности, все примеры и расчеты в этой статье предполагают использование N-канальные / NPN устройства.

Достаточно сложно написать алгоритм для определения значения R s , поэтому оно часто определяется экспериментально (или даже регулируется потенциометром в каждой отдельной системе!). Это потому, что обычно трудно предсказать интенсивность света на фотоэлементе в данной системе, и во многих случаях также трудно определить чувствительность фотоэлемента к фактическому цвету используемого света.

Пороговое напряжение, В th , транзистора - это входное напряжение (затвор-исток или база-эмиттер), при котором его выход (сток или коллектор) начинает проводить. У разных производителей используются разные символы ( V gs (th) , V gs0 и т. Д.). Значения порогового тока для «начала проведения» будут варьироваться от устройства к устройству, но поскольку небольшие изменения входного напряжения в этой области вызывают большие изменения выходного тока, обычно не имеет большого значения для наших расчетов, какое значение порогового тока выбрано.

Биполярный транзистор включается, когда его напряжение база-эмиттер составляет около 700 мВ , биполярный транзистор Дарлингтона около 1300 мВ и малосигнальный MOSFET обычно имеет В th в диапазоне 900-2400 . мВ (RTFDS 6) Высоковольтные полевые МОП-транзисторы могут иметь более высокие значения, но не часто используются в схемах фотоэлементов.

Рис.9 Классический фотодетектор - транзистор проводит при наличии света
(на схеме показаны возможные устройства, которые можно использовать)

В общей схеме транзистор проводит в присутствии света, включая нагрузку реле или генерируя логический 0 на N-канальном / NPN стоке / коллекторе.Падение напряжения на R s должно быть равно 90 449 В th , когда в нем протекает I t (ток фотоэлемента на пороге переключения). С фотодиодом I t более или менее не зависит от его напряжения смещения, поэтому

[1]

но с фоторезистором

[2]

или же

[3]

где V s - напряжение питания, а R t - пороговое сопротивление (или G t - пороговая проводимость) фоторезистора.Это дает значение R с , определяемое уравнениями

[4]

или же

[5]

Рис. 10 Классический инвертирующий фотодетектор - транзистор проводит ток в отсутствие света
(на схеме показаны возможные устройства, которые можно использовать)

В другом устройстве (инвертирующий фотодетектор) транзистор выключен при наличии света, отключая нагрузку реле или генерируя логическую 1 на N-канальном / NPN стоке / коллекторе.В этом случае падение напряжения на R s должно быть равно ( V s - V th ), когда в нем протекает I t (ток фотоэлемента на пороге переключения). Опять же, уравнение фотодиода простое

[6]

но с фоторезистором

[7]

или же

[8]

где V s - напряжение питания, а R t - пороговое сопротивление (или G t - пороговая проводимость) фоторезистора.Это дает значение R с , определяемое уравнениями

[9]

или же

[10]

Фотодиод, работающий в фотоэлектрическом режиме, также будет действовать как фотодетектор. Его шунтирующий резистор R s выбран таким образом, что, когда в нем протекает I t , напряжение равно В th устройства, которым он управляет.

[11]

Очевидно, что материал фотодиода, выбранный для этого приложения, должен иметь пороговое напряжение проводимости, превышающее В .Обычно это означает, что используемый таким образом фотодиод не будет кремниевым устройством [16] .

Рис. 11. Фотодетектор, использующий фотодиод в фотоэлектрическом режиме
V th (фотодиод) > V th (транзистор)
(на схеме показаны возможные устройства, которые могут быть использованы - он не работает с фоторезистором.)

Если биполярное устройство - BJT или даже Darlington - используется в любой из схем на рисунках 9-11, его минимальный базовый ток при полностью включенной нагрузке не должен превышать 20% от I t .Если сопротивление нагрузки коллектора (резистор или реле) составляет R L , а напряжение питания В с , ток коллектора будет В с / R L , а минимальный базовый ток I b. (мин) , В с / ßR L , где ß - коэффициент усиления по току биполярного устройства. Так

и поэтому [12]

в противном случае базовый ток, необходимый для переключения биполярного устройства, может быть слишком большим для питания сети, образованной фотоэлементом и R s .Если нагрузка представляет собой реле и невозможно использовать реле с достаточно большим R L , биполярное устройство следует заменить на полевой МОП-транзистор. (Разумно предположить, что в наихудшем случае минимальное значение ß для простого BJT равно 30, а для слабосигнального Дарлингтона - 500.)

Проблема со всеми этими схемами заключается в том, что если значение освещенности близко к пороговому значению, транзистор действует как (довольно) линейный усилитель и производит небольшие изменения выходного сигнала в ответ на электрический или оптический шум.Если в оптической части системы наблюдается большое изменение освещенности и нет задержек, близких к пороговому, это маловероятно, но в противном случае необходима другая схема.

В простейшей схеме используется входной логический вентиль триггера Шмитта. Это логические схемы с аналоговой положительной обратной связью на их входных каскадах, так что когда входное напряжение на логическом входе увеличивается с нуля, логический выход не изменяется до тех пор, пока на входе не будет (очень грубо) около 50-60% напряжения питания, когда выход меняет свое логическое состояние.Многие логические элементы имеют линейную область, где они действуют как усилители (низкого качества), но эти устройства очень быстро переключаются из одного состояния в другое, когда входной сигнал достигает порогового значения. Если теперь входной сигнал уменьшен, выход не изменится обратно, пока входной сигнал не уменьшится примерно на 30% от напряжения питания. (Обратите внимание, что эти значения довольно широко варьируются в зависимости от типов устройств, используемого напряжения питания и даже от устройства к устройству - эти устройства имеют отличный гистерезис, но не являются точными датчиками уровня.)

Рис. 12. Фотодетекторы с гистерезисом
(На этой схеме показаны возможные конфигурации устройства ввода и дополнительный драйвер реле.)

Такие входные логические вентили Шмитта доступны с диапазонами питания от 2 В до 18 В (ни одна деталь не имеет такого широкого диапазона, но доступны детали, которые могут использоваться с любым источником питания от 3 В до 18 В ). Они доступны в традиционных пакетах DIL и SOT с 4 или 6 затворами в пакете (например, 4093 и 40106 «серии 4000») или в виде одиночных или двойных буферов или инверторов в крошечном корпусе SO-23 всего за 6 центов. в больших количествах (Toshiba TC4S584F и многие другие).

Диапазон пороговых напряжений для различных источников питания будет указан в техническом паспорте и может использоваться в уравнениях [1] [4] [5] [6] [9] [10] и [11]] для расчета подходящих значений R . с .

Эти ворота Шмитта недороги, удобны и просты в использовании, но не очень точны. Тем не менее, они достаточно точны для многих операций определения порога освещенности и, вероятно, являются идеальным выбором для большинства приложений, не связанных с измерением освещенности.Мы могли бы заменить его триггером Шмитта, построенным из дискретных компонентов, но это будет стоить дороже, потреблять больше компонентов и площади платы и почти наверняка потреблять больше энергии. Выход этих входных вентилей Шмитта представляет собой логический уровень (некоторые из них являются инверторами, некоторые - буферами - убедитесь, что вы знаете, что используете - тот, который показан на рис. 12, является неинвертирующим буфером). Если требуется срабатывание реле, запустите его с помощью полевого МОП-транзистора, подключенного к выходу Шмитта. Это также показано на рис. 12 в качестве опции.

Там, где нам нужна большая точность, необходим компаратор (или АЦП - см. Ниже). Компаратор - это устройство с двумя входами и логическим выходом [17] . Выход показывает, какой из двух входов более положительный, чем другой, поэтому, если мы подключим фотоэлемент последовательно с сопротивлением через напряжение В s и центральный отвод к одному входу компаратора и опорного напряжения ( V ref ) с другой стороны, логика довольно точно укажет, больше или меньше напряжение сигнала в схеме фотоэлемента, чем опорное напряжение.При соответствующей калибровке это позволяет нам проводить точные сравнения освещенности. Компаратор также может управляться фотодиодом, работающим в фотоэлектрическом режиме.

Компараторы иногда имеют встроенный гистерезис и почти всегда могут иметь гистерезис, добавленный простой дополнительной схемой. На рис. 13 показано, как это делается с двумя резисторами (которые можно не использовать, если гистерезис не нужен). В статьях, упомянутых в сноске [17] , более подробно обсуждаются правильные номиналы резисторов и другие вопросы, касающиеся компараторов.

Рис.13 Точный фотодетектор с использованием компаратора
(на схеме показаны возможные конфигурации, которые могут быть использованы)

Уравнения, связывающие характеристики фотоэлементов, В , ссылка и R s очень похожи на уравнения [1] - [10], за исключением того, что В, th становится опорным напряжением В, , ссылка .

Лучший способ точно измерить диапазон выходных сигналов фотоэлементов - это использовать схему аналогового интерфейса, используя операционный усилитель или управляя подходящим аналого-цифровым преобразователем (АЦП) непосредственно от фотоэлемента.

Рис.14.Цепи фотодиодов с выходным напряжением.

Выходы схем фотодиодов на рис. 14 представляют собой напряжения, пропорциональные падающему свету, которые могут быть усилены операционным усилителем или отправлены непосредственно на вход АЦП с достаточно большим Z в , чтобы он не загружал схему управления. Это.

Рис.15 Цепи фоторезистора с выходным напряжением (нелинейные)

Выходные напряжения схем фоторезисторов на рис. 15, хотя и вполне предсказуемы, не просто пропорциональны падающему свету и требуют линеаризации - это одна из причин, почему лучше использовать фотодиоды, чем фоторезисторы.

Рис.16 Упрощенная схема входа АЦП с коммутируемым конденсатором

Вход многих, если не большинства, АЦП содержит переключаемые конденсаторы, которые потребляют токи высокой частоты (ВЧ). Следовательно, на входе должен быть небольшой конденсатор для заземления в непосредственной близости от АЦП, чтобы гарантировать, что эти ВЧ-токи протекают на местную землю, а не на фотоэлемент, буферный усилитель или другое место в системе [18] .

Рис.17 Разделение аналоговых входов АЦП

Прочтите техническое описание АЦП и любые примечания по применению, чтобы обсудить подходящие значения и их влияние на производительность АЦП и системы, в которой он используется.

Лучшим интерфейсом между фотодиодом и операционным усилителем является преобразователь тока в напряжение, который также работает с фоторезистором, при условии, что напряжение смещения фоторезистора поддерживается постоянным. Это показано на рис. 18.

Рис.18 Схема преобразователя ток-напряжение от фотоэлемента

Ток от фотоэлемента течет в суммирующий переход на инвертирующем входе операционного усилителя. Отрицательная обратная связь поддерживает одинаковое напряжение на инвертирующем и неинвертирующем входах, поэтому выходное напряжение на R fb заставляет ток в нем быть равным току фотоэлемента.Очевидно, что для этой схемы требуется операционный усилитель с током смещения, намного меньшим, чем фототок, поэтому в таких схемах обычно используются операционные усилители с полевым транзистором.

Если мы хотим измерить фототок переменного тока, но не интересуемся постоянным током или случайным изменением фототока из-за окружающего света, есть два возможных метода. Самый простой - ограничить усиление усилителя на рис. 18, уменьшив R fb , чтобы усилитель не был перегружен максимально возможным фототоком AC + DC, с которым, как ожидается, может столкнуться система.Затем переменная составляющая сигнала емкостно связана со вторым усилителем с коэффициентом усиления, достаточным для данного приложения.

Или мы можем подключить фотоэлемент последовательно с подходящей катушкой индуктивности, которая заземлит постоянную составляющую его сигнала. Затем мы подключаем сигнал переменного тока к усилителю. Если полоса пропускания сигнала мала, индуктор можно зашунтировать с помощью конденсатора, чтобы создать параллельную LC-цепь с подходящей добротностью, чтобы получить узкую полосу пропускания и высокое внутриполосное усиление. Если используется настроенная схема, она должна управлять усилителем напряжения с высоким входным сопротивлением, чтобы не ухудшать добротность.Этот усилитель не должен управлять индуктивной нагрузкой, иначе взаимодействие нагрузки и емкости обратной связи («Миллера») может вызвать нестабильность.

Рис.19.Нагрузка фотоэлементов с настроенной узкой схемой и усилителем переменного тока.

Если ненастроенная катушка индуктивности используется в качестве простого импеданса с высоким переменным током / низким постоянным током, изменения импеданса с частотой можно избежать, используя преобразователь переменного тока в напряжение (трансимпедансный усилитель), а не усилитель напряжения. Это эффективно замыкает катушку индуктивности на переменном токе (поэтому она не работает с настроенной схемой), поскольку переменный ток от фотоэлемента течет к виртуальной земле инвертирующего входа усилителя.

Рис.20 Индуктивная нагрузка фотоэлемента с преобразователем переменного тока в напряжение

Катушки индуктивности для приложений, показанных на рисунках 19 и 20, должны быть выбраны так, чтобы они могли выдерживать максимальный ожидаемый фототок без насыщения - это маловероятно, но не следует упускать из виду.

Фотодетекторы, использующие источник модулированного сигнала, о котором я упоминал ранее в этой статье, могут обнаруживать модуляцию, используя одну из вышеупомянутых схем усилителя и своего рода частотный детектор.Если сигнал оцифрован, доступно множество программного обеспечения для обнаружения тонального сигнала, но простая микросхема NE567 PLL , впервые произведенная почти сорок лет назад компанией Signetics и все еще доступная от ряда производителей (префиксы меняются, но 567 постоянный). это все, что нужно для этого приложения.

Рис.21 Тональный детектор для систем с модулированным лучом, использующий 567 PLL

Значения C1 и C2 на приведенной выше диаграмме зависят от обнаруживаемой частоты тона.Для получения более подробной информации обратитесь к листу данных 567, но при входном переменном токе = 200 мВ среднеквадратичное значение частота тона F определяется параметром C1, а ширина полосы обнаружения - параметром C2. Уравнения следующие:

[13]

[14]

(BW рассчитывается как процент от F.)

Существует бесчисленное множество других применений фотосенсоров, но эта статья предназначена только для обсуждения их характеристик и способов их использования, а не для рассмотрения систем, в которых они используются.

Джеймс Брайант
Калшот - Англия
август 2014 г.

Вернуться к предыдущей главе

Перейти к следующей главе

Вернуться к содержанию

ПРИЛОЖЕНИЕ A - Полупроводниковые диоды

В полупроводниковом P-N-переходе подвижные электроны (электроны зоны проводимости) из N-области диффундируют в P-область и «рекомбинируют» с дырками там, в результате чего область вокруг перехода обедняется носителями заряда и, по сути, изолятором.Этот процесс ограничен, поскольку положительные ионы-доноры в области N (оставленные диффундирующими электронами) и отрицательные ионы-акцепторы в области P (образующиеся при заполнении дырок) создают электрическое поле в зоне обеднения, которое предотвращает дальнейшее распространение электронов. диффузия. При комнатной температуре потенциал, вызванный этим механизмом, составляет примерно 700 мВ для простых кремниевых переходов, 300 мВ для германиевых диодов, 200 мВ для кремниевых диодов Шоттки и между 1.8 V (ИК и красный) и 4 V (синий и УФ) для светодиодов разных цветов.

Если отрицательное внешнее напряжение смещения (часто называемое обратным смещением , ) приложено к области P, оно усиливает зону истощения, которая остается изолятором, но положительное напряжение смещения ( прямое смещение ) позволяет продолжаться рекомбинации и течет ток. на стыке. Уравнение [19] , связывающее этот ток ( I ) с напряжением смещения ( В ), имеет следующий вид:

[15]

где I s - «ток шкалы» или «ток насыщения обратного смещения», k - постоянная Больцмана (1.3806E-23 JK -1 ), T - абсолютная температура, q - заряд электрона (-1,602E-19 C).

это не единственный член в уравнении, который зависит от температуры - ток шкалы, I s , также удваивается при повышении температуры на 10 ° C.

При отрицательном (обратном) смещении (, т.е. - V положительный, а заряд электрона отрицательный, поэтому показатель степени большой и отрицательный) экспоненциальный член очень мал и.Однако обратный ток большинства диодов на самом деле намного больше, чем ток шкалы из-за производственных дефектов в PN-переходе, поэтому уравнение не очень точное для реальных диодов и обратного смещения - тем не менее, полный обратный ток обычно ведет себя примерно так же как ток шкалы в том смысле, что он практически постоянен с напряжением смещения и удваивается при повышении температуры на 10 ° C. (Конечно, если обратное смещение приближается к напряжению пробоя диода или превышает его, его поведение становится намного более сложным - мы не будем обсуждать такое поведение в этой статье.)

Поскольку показатель степени намного больше единицы, уравнение для прямого тока можно упростить до

[16]

Таким образом, прямой ток экспоненциально связан с прямым напряжением - довольно небольшие изменения напряжения вызывают большие изменения тока. На практике это означает, что падение напряжения на обычном небольшом диоде или светодиоде при рабочих токах от 50 мкА до 20 мА будет увеличиваться с увеличением тока, но останется достаточно близким к потенциалу в зоне истощения, как упоминалось выше, i.е. 700 мВ для простых кремниевых переходов, 300 мВ для германиевых диодов, 200 мВ для кремниевых диодов Шоттки и между 1,8 В (ИК и красный) и 4 В (синий и УФ) для светодиодов разных цветов. При больших токах, конечно, омическое сопротивление полупроводника и его соединений увеличивает ожидаемое для данного тока напряжение выше, чем предсказывается уравнением.

ПРИЛОЖЕНИЕ B - Измерительные фотодиоды

Основной принцип измерения характеристик фотодиода состоит в том, чтобы подвергнуть его воздействию известной интенсивности света на нескольких разных длинах волн, измерить фототок на каждой длине волны и построить кривую отклика.Это легко сделать, если у вас есть доступ к дорогостоящему спектрофотометру, но в противном случае получить точно настраиваемый источник света довольно сложно.

Но некоторые фотоэлементы достаточно хорошо охарактеризованы, и можно сравнить реакцию неизвестного фотоэлемента с реакцией хорошо охарактеризованного фотоэлемента на те же источники света. Получить высокоинтенсивные светодиоды различных цветов от УФ до ИК - дешево и легко, и в технических паспортах некоторых производителей очень хорошо описаны спектры их светодиодов.Если мы получим хорошо охарактеризованный (с точки зрения спектрального изменения чувствительности, не обязательно абсолютной чувствительности) фотоэлемент, охватывающий интересующий нас диапазон длин волн, и выберем шесть или семь 5-миллиметровых светодиодов с пиковыми длинами волн, разумно равномерно распределенными в этом диапазоне, может провести довольно хороший спектральный анализ и анализ чувствительности характеристик неизвестного фотодиода, сравнив его отклик с откликом фотодиода с известными характеристиками в стандартных условиях.

Если калибровочный и проверенный фотоэлементы находятся в 5-миллиметровой упаковке, это легко сделать: просверлите 5-миллиметровое отверстие в небольшом куске черного дерева, черного АБС, блока из углеродного волокна или другого темного материала.Вставьте по очереди светодиоды с одного конца и фотоэлементы с другого и сравните. Если ваш тестируемый фотодиод имеет другой диаметр, попробуйте найти калибровочный фотодиод того же диаметра и просверлите отверстие подходящего диаметра глубиной 10 мм в коаксиальное отверстие для светодиода глубиной 10 мм и 5 мм.

Рис.22 Испытательные стенды для использования светодиодов для измерений фотоэлементов

Помимо измерения спектральной чувствительности может оказаться целесообразным измерить ток утечки, пороговое напряжение и, возможно, скорость переключения.Все это можно сделать с помощью цифрового вольтметра среднего диапазона, генератора быстрых импульсов, светодиода с быстрым временем переключения и осциллографа с частотой 100 МГц. Процедуры оставлены в качестве упражнения для студента.

[1] Международная комиссия по освещению (CIE) рекомендует разделить инфракрасное и ультрафиолетовое излучение на следующие шесть диапазонов:
Инфракрасный
• IR-A: 700 нм - 1400 нм (215 ТГц - 430 ТГц)
• ИК -B: 1400 нм - 3000 нм (100 ТГц - 215 ТГц)
• IR-C: 3000 нм - 1 мм (300 ГГц - 100 ТГц)
Ультрафиолетовый
• УФ-A: 315 нм - 400 нм (750 ТГц - 950 ТГц)
(Подразделяется на УФ-A1 (315–340 нм) и УФ-A2 (340–400 нм)
• УФ-B: 280– 315 нм (950–1070 ТГц)
• УФ-C: 100 нм - 280 нм (1070 ТГц - 3000 ТГц)

[2] Характеристики фоторезисторов подробно обсуждаются на веб-сайте Selco Products по адресу
http: // www.selcoproducts.com/pdfs/CdS-Photocells%20Catalog.pdf

[3] Существует ряд фотоэлементов CdS и Cd2SeS, совместимых с ROHS, но многие старые типы не соответствуют требованиям.

[4] Такое же устройство когда-то использовалось и для цифровых изоляторов, но сегодня они почти всегда используют фотодиоды или фототранзисторы.

[5] Электропроводность проводника - это легкость, с которой электрический ток проходит через этот проводник. (Обычная) обратная величина - это его сопротивление - сопротивление прохождению электрического тока.Официальная единица измерения проводимости в системе СИ - Сименс (S), но старое название «mho» и символ (Ʊ) все еще довольно широко используются, потому что старый символ с меньшей вероятностью будет перепутан с символом на секунду (ы) . Единицей измерения сопротивления является ом (Ом). Соотношения между напряжением ( В, ), током (I), сопротивлением (R) и проводимостью (G) следующие: -

[6] Прочтите Friendly Data Sheet (RTFDS). RAQ по этой теме можно найти по адресу
http://www.analog.com/static/imported-files/rarely_asked_questions/RAQ_caveat.pdf
и более длительные обсуждения на
http://www.analog.com/static/imported-files/rarely_asked_questions/moreInfo_raq_datasheet.html
http://www.analog.com/static/imported-files/rarely_asked_mpestions/moreInfo_raq_raq_. html
http://www.analog.com/static/imported-files/rarely_asked_questions/moreInfo_raq_opampbiasCurrents.html
http://www.analog.com/static/imported-files/rarely_asked_questions/moreInfo_raq_dcS

[7] Иногда параллельно с источниками тока имеется очень высокое сопротивление, так что происходит небольшое изменение утечки в зависимости от приложенного напряжения, но этот эффект обычно незначителен.

[8] Mullard была компанией, производящей термоэмиссионные клапаны («трубки») в Англии в 1920-х годах. Она стала частью Philips в 1927 году, но продолжала использовать торговую марку Mullard для своих клапанов и (с 1950-х годов) полупроводников до 1980-х годов.

[9] Или, при некоторых обстоятельствах, максимально желаемый - , то есть , максимально возможный свет иногда (довольно часто) может быть больше, чем нам нужно для измерения, поэтому проводимость диода при высоких уровнях освещенности не важна.

[10] Август 2014 г.

[11] Пластик, который кажется прозрачным для глаза, не может пропускать волны за пределами видимого спектра (УФ или ИК).Если это имеет значение для вашего приложения, прочтите лист данных (или, при необходимости, проведите простой эксперимент или два), чтобы узнать, так ли это.

[12] Я провел несколько онлайн-исследований по этому поводу и получил противоречивые «факты». Кажется, нет никаких сомнений в том, что некоторые светодиоды имеют довольно широкую спектральную чувствительность в качестве фотодиода, а другие чувствительны в довольно узком диапазоне (не по Гауссу - есть довольно резкий переход на более низких частотах (более длинная длина волны) и более постепенный спад при длина волны уменьшается).Я подозреваю, что современные светодиоды высокой интенсивности имеют более широкую полосу пропускания, но имеют лишь несколько домашних измерений, подтверждающих эту гипотезу.

Я намерен провести больше измерений и изменю эту сноску, когда сделаю это. Пожалуйста, напишите мне [A], если вы устали ждать, или, [B], если у вас есть хорошие измерения спектральной характеристики одного или нескольких типов светодиодов.

[13] В RAQ 45 «Стеклянные диоды могут видеть свет и шум» упоминается светочувствительность небольших стеклянных кремниевых диодов, таких как 1N914 / 1N4148.При ярком солнечном свете они имеют фототок порядка 10 нА, но при освещении ближайшей (30 см / 1 фут) лампой накаливания мощностью 60 Вт фототок составляет около 30 нА, а примерно 2 нА среднеквадратичное значение 100 Гц рябь на нем, тем самым демонстрируя их большую чувствительность в ближнем инфракрасном диапазоне - и примерно 100 Гц модуляцию света лампы накаливания мощностью 60 Вт.

[14] Выходной спектр простого светодиода представляет собой не одну узкую линию, как спектральные линии в газовом разряде, а довольно широкую (но все же относительно узкую - ширину полосы в несколько процентов от пика) полосу длин волн с гауссовым распределением вокруг номинальная пиковая длина волны.

[15] Простой интегральный последовательный резистор в светодиодах не влияет на его использование в качестве фотодиода, в отличие от большинства других встроенных схем. Сюда входят ограничители тока с активными устройствами, диодные мосты, встроенные диммеры и мигалки.

[16] Кремниевый фотодиод с порогом 700, мВ, , используемый таким образом, может управлять МОП-транзистором с исключительно низким порогом или входным затвором Шмитта, используя очень низкое напряжение питания.

[17] Характеристики компаратора обсуждаются в статье, прилагаемой к RAQ 11 «Компараторы и операционные усилители - могут они никогда не встретиться» (или хороший совет от г.Punch) «
http://www.analog.com/en/all-operational-amplifiers-op-amps/operational-amplifiers-op-amps/product/raq_jbryant_comparators_opamps_may_issue11/resources/faq.html?display=popup.
Статья находится по адресу
http://www.analog.com/static/imported-files/rarely_asked_questions/op-AmpsAsComparatorsv1.ppt.
Можно использовать операционный усилитель в качестве компаратора, но есть проблемы, которые также обсуждаются в этой статье. Несмотря на то, что он написан для обсуждения конкретной проблемы приложения, это полезная краткая справочная информация о свойствах и использовании компараторов.

[18] Считайте RAQ 22 на входах АЦП.
http://www.analog.com/static/imported-files/rarely_asked_questions/RAQ_highfrequency.pdf

[19] Это уравнение часто записывается относительно смещения в области N, и в этом случае полярность V меняется на противоположную, и уравнение принимает вид

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 в сравнительной таблице.

И фотодиод, и фототранзистор работают по принципу внутреннего фотоэлектрического эффекта. 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 состоит в том, что у фототранзистора нет клеммы базы. Базовая сторона фототранзистора улавливает свет от источника.

Содержимое: фотодиод против фототранзистора

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

Сравнительная таблица

Основа для сравнения Фотодиод Фототранзистор
Определение Это тип диода с PN-переходом, который генерирует электрический ток, когда свет или фотон падает на их поверхность. Это тип транзистора, который преобразует световую энергию в электрическую.
Символ
Генерирует Ток Ток и напряжение
Отклик на выходе Быстро Медленно
Чувствительность Меньше Больше
Смещение Как прямое, так и обратное смещение. Прямое смещение (эмиттер более отрицательный по сравнению с коллектором.)
Использует 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 - это полупроводниковый диод, который преобразует свет в электрический ток.Этот тип диода еще называют фотодетектором или датчиком света. Он работает как с обратным, так и с прямым смещением. Небольшой ток утечки течет в обратном направлении, даже если на него не падает свет. Сила тока в диоде прямо пропорциональна интенсивности поглощаемого им света.

Фотодиод используется в коммутационной цепи, а также в электронных устройствах, таких как детектор дыма, проигрыватели компакт-дисков, в люксметре и т. Д. Принципиальная схема фотодиода показана на рисунке ниже.Стрелка показывает положительный вывод фотодиода, а база показывает отрицательный вывод диода.

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


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 со светочувствительной базой. Когда свет падает на базу NPN-транзистора, возникает ток базы. Величина тока зависит от силы падающего на него света. Фототранзистор усиливает входной свет, а выходной ток получается от коллектора транзистора.

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

Фототранзистор заключен внутри непрозрачного контейнера, так что световые частицы или фотоны легко достигаются на их поверхности. Коллекторная область фототранзистора велика по сравнению с обычным транзистором, потому что она сделана из тяжелого диффузного полупроводникового материала.

Когда база фототранзистора поглощает свет, они высвобождают электронно-дырочные пары. Из-за этой пары дырок обедненный слой диода уменьшается, и электрон начинает перемещаться от эмиттера в область коллектора.При небольшом количестве световой энергии транзистор усиливает большой ток коллектора.


Ключевые различия между фотодиодом и фототранзистором

  1. Фотодиод - это полупроводниковое устройство, которое преобразует энергию света в электрический ток. В то время как фототранзистор использует транзистор для преобразования световой энергии в электрический ток.
  2. Фототранзистор генерирует ток, тогда как фотодиод вырабатывает как напряжение, так и ток.
  3. Реакция фотодиода намного быстрее, чем у фототранзистора.
  4. Фотодиод менее чувствителен по сравнению с фототранзистором, поскольку фототранзистор производит большой выходной ток.
  5. Фотодиод работает как в прямом, так и в обратном смещении, тогда как фототранзистор работает в прямом смещении. Эмиттер фототранзистора является отрицательным по сравнению с областью коллектора.
  6. Фотодиод используется в солнечной электростанции, в люксметре и т. Д.тогда как фототранзистор используется для обнаружения света.

Заключение

И фотодиод, и фотодиод преобразуют световую энергию в электрическую. Но фототранзистор более чувствителен по сравнению с фотодиодом из-за использования транзистора. Транзистор усиливает базовый ток, который возникает из-за поглощения света, и, следовательно, большой выходной ток получается через вывод коллектора. Временной отклик фотодиода намного быстрее, чем у фототранзистора, и, следовательно, он используется в цепи, где колебания имеет место.

Датчики света - LDR, фотодиод, фототранзистор, солнечные элементы

Датчики света или фотосенсоры, которые предназначены для измерения интенсивности света, являются одними из наиболее часто используемых датчиков в электронных приложениях. Интенсивность света - одна из семи основных физических величин. Измерение силы света полезно во многих бытовых, промышленных и охранных приложениях.

Что такое датчик освещенности?
Световой датчик - это фотоэлектрическое устройство, преобразующее световую энергию в электрическую.Эти датчики сконструированы так, чтобы быть чувствительными к видимому, инфракрасному или ультрафиолетовому свету, что означает, что они чувствительны к узкой полосе электромагнитного спектра.

Датчики света изготовлены из отборных материалов, которые вырабатывают электричество при воздействии на определенную часть спектра. Количество электричества пропорционально интенсивности падающего света.

Единицы силы света
Сила света - одна из семи основных физических величин.Его единица «СИ» - кандела. Одна кандела - это сила света в заданном направлении источника, который излучает монохроматический зеленый свет 540 × 1012 герц и имеет силу излучения 1/683 Вт на стерадиан в том же направлении.

Candela часто используется для обозначения интенсивности искусственного освещения. Другие единицы включают люмен и люкс. Люмен - это единица светового потока, которая измеряет общее количество света, излучаемого источником. Он определяется как количество света, излучаемого в секунду под телесным углом в один стерадиан от однородного источника в одну канделу.Люмен часто используется для обозначения яркости источников света.

В то время как люмен - это единица, используемая для выражения общего количества света от источника, люкс - это общее количество света от источника, падающего на определенную площадь поверхности. Один люкс равен одному люмену падающего света на квадратный метр.

Типы датчиков света
Датчики света в основном пассивные устройства. Они делятся на два класса:

.

1. Вырабатывает электричество при воздействии света (т.е.е., фотоэмиссионные и фотоэлектрические устройства)
2. Проводит электричество при воздействии света (т.е. фотопроводящие / фоторезистивные и фотопереходные устройства)

Один из лучших примеров фотоэлектрического устройства - фотоэлемент. Фототрубка - это фотоэмиссионное устройство. Светозависимый резистор - это фотопроводящее / фоторезистивное устройство. Фотодиод и фототранзистор - популярные устройства на основе фотоперехода. Однако важно отметить различия между этими механизмами.

Фотоэмиссионные устройства изготовлены из светочувствительных материалов, таких как цезий, который генерирует свободные электроны при воздействии фотонов. Эти устройства генерируют ток при воздействии света. Чем выше частота падающего света, тем больше энергия падающих фотонов и тем выше количество генерируемого электрического тока.

В фотоэлектрических устройствах разница между двумя полупроводниковыми материалами возникает в ответ на энергию падающего света. Из-за этих разностей потенциалов ток течет между двумя полупроводниковыми слоями.

Фотопроводящие устройства изготовлены из полупроводниковых материалов, проводимость которых изменяется в зависимости от воздействия света. Из-за энергии, поглощаемой падающим светом, генерируется больше свободных электронов, и проводимость таких материалов увеличивается. Наиболее распространенным фотопроводящим материалом, используемым в ячейках LDR, является сульфид кадмия.

Устройства с фотопереходом изготавливаются из типичных полупроводниковых материалов, таких как кремний или германий. Они работают как обычные диоды или транзисторы, за исключением того, что их PN-переход подвергается воздействию света и проводит под действием света.Отклик фотодиода или фототранзистора настраивается на определенный диапазон электромагнитного спектра.

LDR
Светозависимый резистор (LDR) или фоторезистор состоит из светочувствительного полупроводника, проводимость которого изменяется при воздействии света.

Сопротивление материала составляет несколько тысяч Ом или мегаом в темноте и падает до нескольких сотен Ом при освещении. Полупроводниковый материал часто укладывают зигзагообразным узором на керамическую подложку для повышения устойчивости к темноте.

Полупроводниковые материалы, обычно используемые для создания фоторезисторов, - это сульфид свинца (PbS), антимонид индия (InSb), селенид свинца (PbSe) и сульфид кадмия (CdS).

Сульфид кадмия - наиболее распространенный материал, используемый при строительстве LDR. Это недорогой полупроводник с кривой отклика, близкой к кривой человеческого глаза. Пиковая длина волны чувствительности сульфида кадмия составляет от 560 нм до 600 нм.

Обычно LDR используется для обнаружения света или темноты.Он может быть включен в сеть делителя напряжения с транзисторной схемой или микроконтроллером / микропроцессором. Его также можно подключить к мосту Уитстона со схемой операционного усилителя.

Фотодиоды
Фотодиод - это фотопереход. Это обычный диод, чье PN-переход освещается светом через прозрачный корпус или прозрачную линзу. Эти диоды имеют те же вольт-амперные характеристики, что и любые другие переходные диоды. Но они имеют более высокую проводимость, чем обычные диоды, потому что их спай открыт для воздействия света.

Фотодиоды соединены по схеме обратного смещения, которая проводит обратный ток утечки в темноте. Когда на фотодиод попадает свет, обратный ток утечки увеличивается в несколько раз.

Ток обратной утечки кремниевого диода в темноте составляет 1 мкА. У германиевого диода - 10 мкА. При воздействии света обратный ток утечки может достигать 300 мкА. Чем выше интенсивность падающего света, тем выше обратный ток утечки.

LDR или фоторезисторы имеют длительное время отклика. Им может потребоваться несколько секунд, чтобы изменить проводимость после воздействия света. Фотодиоды, с другой стороны, имеют мгновенный отклик.

Хотя LDR настроен на видимый спектр света, фотодиоды чувствительны как к видимому, так и к инфракрасному свету. Самым большим недостатком фотодиодов является то, что их обратный ток утечки по-прежнему находится в диапазоне микроампер - даже при попадании света. Поэтому для обнаружения света им требуется схема операционного усилителя.

Фотодиоды имеют время отклика в наносекундах. Они используются в сложных приложениях, включая камеры, устройства формирования изображений и сканирования, устройства чтения компакт-дисков и DVD-дисков, оптоволоконную связь, обнаружение движения и датчики позиционирования.

Фототранзисторы
Фототранзисторы похожи на фотодиоды, за исключением того, что они обеспечивают усиление тока. Обычно они конструируются с использованием обычных NPN-транзисторов с их PN-переходом коллектор-база, освещаемым через прозрачный корпус или прозрачную линзу.За счет усиления тока их выходной ток в 50-100 раз больше, чем у фотодиодов. Базовая область электрически изолирована или имеет контроль чувствительности.

Поскольку фототранзистор уже обеспечивает усиление тока, в отличие от фотодиода, и не требует для своей работы внешнего усилителя. Фототранзистор - это просто типичный транзистор с базой-коллектором, освещенным светом.

Фототранзисторы NPN соединены в цепь с их базой-коллектором в конфигурации обратного смещения.В темноте есть небольшая утечка тока от эмиттера. Под действием света ток базы увеличивается и усиливается транзистором. Чувствительность фототранзистора зависит от коэффициента усиления транзистора по постоянному току. Выходным током можно управлять с помощью сопротивления между базой и эмиттером фототранзистора.

Для приложений с более высокой чувствительностью, таких как оптопары, используются фототранзисторы Дарлингтона. В транзисторах Фотодарлингтона два фототранзистора типа NPN соединены как пара Дарлингтона.Усиление выходного тока является продуктом усиления тока двух фототранзисторов. Транзисторы Фотодарлингтона имеют более длительное время отклика по сравнению с фототранзисторами, но обладают более высокой чувствительностью.

Фототранзисторы обычно используются в качестве оптических переключателей, оптических изоляторов или инфракрасных фильтров, а также в ИК-пультах дистанционного управления и оптоволоконной связи.

Солнечные элементы
Солнечные элементы или фотоэлектрические элементы не являются датчиками. Они в основном используются для выработки солнечной энергии и состоят из монокристаллических кремниевых PN переходов, аналогичных фотодиодов, но с более широкой кривой отклика.

В отличие от фотодиодов, подключенных по схеме обратного смещения, солнечные элементы подключаются по схеме прямого смещения, как и обычные диоды. Эти элементы разработаны так, чтобы быть чувствительными к солнечному свету, а не к узкому диапазону электромагнитного спектра. При воздействии солнечного излучения элемент создает разность потенциалов 0,58 В.

Обычно несколько солнечных элементов соединяются последовательно в панели для вывода большего напряжения. Это постоянное напряжение может управлять резистивной нагрузкой или преобразовываться в переменный ток для передачи.

Применение датчиков света
LDR, фотодиоды и фототранзисторы обычно используются в качестве датчиков света в различных приложениях. Примеры включают: регулировку яркости в мобильных устройствах, автоматическое освещение, автоматический полив, оптическую изоляцию, оптоволоконную связь, обнаружение движения, ИК-пульты дистанционного управления, определение положения, оптические данные и оптическое отображение.

Датчики света также используются для систем безопасности и домашней автоматизации. Например, они часто используются при транспортировке грузов, чтобы определить, когда открывался контейнер, чтобы отследить потерянные товары.Некоторые датчики света также используются для обнаружения движения во многих приложениях для обеспечения безопасности умного дома.

Фотодиод

- Основные сведения о схеме фоторезистора

Технические характеристики этого устройства не очень ясны. В некоторых местах он заявляет, что он заменяет датчик CdS (т. Е. Резистор, сопротивление которого изменяется в зависимости от интенсивности света), а в других точках он кажется фотодиодом (т. Е. Полупроводниковым устройством, которое создает небольшой ток при освещении свет). Некоторые детали в таблице данных предполагают, что это фотодиод (а не фоторезистор), но я включу оба устройства в свой ответ.

Фотодиод (фотопроводящий режим)

Если это устройство на самом деле является фотодиодом, вы можете использовать очень похожую схему, но принцип работы (и некоторые математические вычисления) другой.

Фотодиод при обратном смещении действует аналогично обычному диоду, что означает, что он блокирует большую часть тока и небольшую «утечку» тока. По закону Ома выходное напряжение равно току утечки, умноженному на резистор (обозначенный R на схеме в вашем вопросе). Это означает, что выходное напряжение будет небольшим, даже если устройство находится в полной темноте.

Из-за физических характеристик устройства, когда свет попадает в устройство, пропускается больший ток. 1 . Дополнительный ток вызывает повышение выходного напряжения, опять же из-за закона Ома.

Фототранзистор действует аналогично снаружи при правильном смещении (т.е. он допускает небольшой ток утечки, а затем гораздо больший при освещении), но принцип работы включает в себя несколько иную физику устройства.

Фотодиод (фотоэлектрический режим)

Фотодиод также может работать как крошечная солнечная панель - он не имеет обратного смещения напряжения.Это предотвращает появление фонового шума током утечки, но также делает ток меньше и труднее обнаруживать. Для работы такой настройки необходима специальная схема, в которой используется микросхема усилителя.

По причинам, не обсуждаемым здесь, эта схема также работает медленнее. Вы, вероятно, не будете использовать его, если у вас нет специального приложения, которое этого требует. Кроме того, имеющийся у вас датчик может не подходить для этого режима, поскольку на сайте производителя упоминается «Встроенный CMOS-усилитель микросигналов» , возможно, , встроенный в устройство.Любопытно, что в даташите об этом не упоминается.

1 Когда диод смещен в обратном направлении, образуется область, известная как область обеднения. Эта область содержит мало электронов и несколько дырок, что означает, что току трудно течь. Свет может создавать новые пары электронов и дырок, которые сразу же создают ток.

Элемент CdS / фоторезистор

Если мы рассмотрим это устройство как замену фоторезистора из CdS (сульфида кадмия) в схеме, которую вы показываете, мы получим делитель напряжения.Я собираюсь представить это сначала, потому что это простейшее и справедливое предположение для некоторых случаев.

смоделировать эту схему - Схема создана с помощью CircuitLab

Предположим, что выход подключен к аналоговому выводу Arduino, что означает, что он практически не потребляет ток. Тогда ток от батареи определяется выражением \ $ \ frac {5 \, \ text {V}} {R_1 + R_2} \ $, потому что резисторы включены последовательно. По закону Ома выходное напряжение:

$$ 5 \, \ text {V} + \ frac {R_2} {R_1 + R_2} $$

Как видите, это напряжение зависит от значения R1, которое меняется в зависимости от освещения.

Светозависимый резистор LDR, Фоторезистор »Электроника

Светозависимые резисторы, LDR или фоторезисторы - это электронные компоненты, которые используются для обнаружения света и изменения работы схемы в зависимости от уровней освещенности.


Resistor Tutorial:

Обзор резисторов Углеродный состав Карбоновая пленка Металлооксидная пленка Металлическая пленка Проволочная обмотка SMD резистор MELF резистор Переменные резисторы Светозависимый резистор Термистор Варистор Цветовые коды резисторов Маркировка и коды SMD резисторов Характеристики резистора Где и как купить резисторы Стандартные номиналы резисторов и серия E


Светозависимые резисторы, LDR или фоторезисторы часто используются в конструкциях электронных схем, где необходимо определять наличие или уровень света.

Эти электронные компоненты могут быть описаны под разными названиями, от светозависимого резистора, LDR, фоторезистора или даже фотоэлемента, фотоэлемента или фотопроводника.

Хотя также могут использоваться другие электронные компоненты, такие как фотодиоды или фототранзисторы, LDR или фоторезисторы особенно удобны для использования во многих конструкциях электронных схем. Они обеспечивают большое изменение сопротивления при изменении уровня освещенности.

Ввиду их низкой стоимости, простоты изготовления и простоты использования LDR использовались в самых разных приложениях.Когда-то LDR использовались в фотографических люксметрах, и даже сейчас они все еще используются в различных приложениях, где необходимо определять уровни освещенности.

Светозависимые резисторы широко доступны: - они обычно хранятся на складах дистрибьюторов электронных компонентов, и с учетом того, как сегодня работает цепочка поставок электронной промышленности, это нормальный способ их получения. Крупные и мелкие дистрибьюторы электронных компонентов обычно имеют хороший выбор.

Типичный светозависимый резистор с выводами

Что такое светозависимый резистор, LDR или фоторезистор

Фоторезистор или светозависимый резистор - это электронный компонент, чувствительный к свету. Когда на него падает свет, сопротивление меняется. Значения сопротивления LDR могут на много порядков изменять значение сопротивления, уменьшающееся с увеличением уровня освещенности.

Нередко значения сопротивления LDR или фоторезистора составляют несколько мегом в темноте, а затем падают до нескольких сотен ом при ярком свете.При таком большом разбросе сопротивления LDR просты в использовании, и существует множество доступных схем LDR. Чувствительность светозависимых резисторов или фоторезисторов также зависит от длины волны падающего света.

LDR

изготавливаются из полупроводниковых материалов, что обеспечивает им светочувствительные свойства. Можно использовать многие материалы, но одним из популярных материалов для этих фоторезисторов является сульфид кадмия, CdS, хотя использование этих элементов в настоящее время ограничено в Европе из-за экологических проблем, связанных с использованием кадмия.

Аналогичным образом ограничивается кадмий CdSe. Другие материалы, которые можно использовать, включают сульфид свинца, PbS и антимонид индия, InSb.

Хотя для этих фоторезисторов используется полупроводниковый материал, они являются чисто пассивными устройствами, поскольку не имеют PN-перехода, что отделяет их от других фотоприемников, таких как фотодиоды и фототранзисторы.

Обозначение LDR / фоторезистора

Символ LDR, используемый в электронных схемах, основан на символе цепи резистора, но показывает свет в виде сияющих на нем стрелок.Таким образом, он следует тому же соглашению, которое используется для обозначений схем фотодиода и фототранзистора, где стрелки используются для обозначения света, падающего на эти компоненты.

Обозначения схемы фоторезистора / светозависимого резистора

Обозначения схемы светозависимого резистора / фоторезистора показаны как для символа резистора нового типа, то есть прямоугольной рамки, так и для старых символов схем резистора зигзагообразной линией.

Как работает LDR

Относительно легко понять основы работы LDR, не углубляясь в сложные объяснения.Прежде всего необходимо понять, что электрический ток состоит из движения электронов внутри материала.

Хорошие проводники имеют большое количество свободных электронов, которые могут дрейфовать в заданном направлении под действием разности потенциалов. Изоляторы с высоким сопротивлением имеют очень мало свободных электронов, поэтому их трудно заставить двигаться и, следовательно, течь ток.

LDR или фоторезистор - это любой полупроводниковый материал с высоким сопротивлением.Он имеет высокое сопротивление, потому что очень мало электронов, которые свободны и могут двигаться - подавляющее большинство электронов заблокировано в кристаллической решетке и не может двигаться. Следовательно, в этом состоянии наблюдается высокое сопротивление LDR.

Когда свет падает на полупроводник, световые фотоны поглощаются решеткой полупроводника, и часть их энергии передается электронам. Это дает некоторым из них достаточно энергии, чтобы вырваться из кристаллической решетки и проводить электричество.Это приводит к снижению сопротивления полупроводника и, следовательно, общего сопротивления LDR.

Процесс прогрессивный, и чем больше света попадает на полупроводник LDR, тем больше электронов высвобождается, чтобы проводить электричество, и сопротивление падает.

Фоторезистор / структура LDR

Конструктивно фоторезистор представляет собой светочувствительный резистор с горизонтальным корпусом, на который падает свет.

Базовый формат фоторезистора показан ниже:

Структура фоторезистора

Активная полупроводниковая область обычно наносится на полуизолирующую подложку, а активная область обычно слегка легирована.

Во многих устройствах с дискретными фоторезисторами используется встречно-штыревой рисунок для увеличения площади фоторезистора, подвергающейся воздействию света. Рисунок вырезан в металлизации на поверхности активной области, и это пропускает свет. Две металлические поверхности действуют как два контакта резистора. Эта область должна быть относительно большой, потому что сопротивление контакта с активной областью необходимо минимизировать.

Структура фоторезистора с встречно-штыревым рисунком для увеличения площади экспонирования.

Этот тип структуры широко используется для многих небольших фоторезисторов или светозависимых резисторов, которые можно увидеть. Межпальцевой узор довольно узнаваем.

Материалы, используемые для фоторезистов, являются полупроводниками и включают такие материалы, как CdSe, CdS, CdTe, InSb, InP, PbS, PbSe, Ge, Is, GaAs. Каждый материал имеет разные свойства с точки зрения длины волны чувствительности и т. Д.

В связи с экологической опасностью использования кадмия, этот материал не используется в продуктах в Европе.

Типы фоторезисторов

Светозависимые резисторы, LDR или фоторезисторы делятся на один из двух типов или категорий:

  • Собственные фоторезисторы: Собственные фоторезисторы используют нелегированные полупроводниковые материалы, включая кремний или германий. Фотоны, падающие на LDR, возбуждают электроны, перемещая их из валентной зоны в зону проводимости. В результате эти электроны могут свободно проводить электричество. Чем больше света попадает на устройство, тем больше выделяется электронов и тем выше уровень проводимости, а это приводит к более низкому уровню сопротивления.
  • Внешние фоторезисторы: Внешние фоторезисторы изготавливаются из полупроводниковых материалов, легированных примесями. Эти примеси или легирующие примеси создают новую энергетическую зону над существующей валентной зоной. В результате электронам требуется меньше энергии для передачи в зону проводимости из-за меньшей ширины запрещенной зоны.

Независимо от типа светозависимого резистора или фоторезистора, оба типа демонстрируют увеличение проводимости или падение сопротивления с увеличением уровня падающего света.

Частотная зависимость ЛДР

Показано, что чувствительность фоторезисторов зависит от длины волны света, падающего на чувствительную область устройства. Эффект очень заметен, и было обнаружено, что если длина волны выходит за пределы заданного диапазона, то заметного эффекта нет.

Устройства, изготовленные из разных материалов, по-разному реагируют на свет с разной длиной волны, а это означает, что разные электронные компоненты могут использоваться для разных приложений.

Также обнаружено, что внешние фоторезисты имеют тенденцию быть более чувствительными к свету с большей длиной волны и могут использоваться для инфракрасного излучения. Однако при работе с инфракрасным излучением следует проявлять осторожность, чтобы избежать перегрева, вызванного, но отталкивающим эффектом излучения.

Задержка фоторезистора / светозависимого резистора

Одним из важных аспектов, связанных с фоторезисторами или светозависимыми резисторами, является задержка или время, необходимое электронному компоненту для реакции на любые изменения.Этот аспект может быть особенно важным для схемотехники.

Требуется заметное количество времени от любых изменений уровня освещенности, прежде чем LDR / фоторезистор достигнет своего окончательного значения для нового уровня света, и по этой причине LDR / фоторезистор не является хорошим выбором там, где есть достаточно быстро меняющиеся значения света. Однако, когда световые изменения происходят в течение определенного периода времени, их более чем достаточно.

Скорость изменения сопротивления называется скоростью восстановления сопротивления.LDR / фоторезистор обычно реагирует в течение нескольких десятков миллисекунд, когда свет включается после полной темноты, но когда свет убирается, может потребоваться секунда или около того, чтобы сопротивление достигло своего конечного уровня.

Именно по этой причине одна из спецификаций, обычно приводимых в технических описаниях электронных компонентов для фоторезисторов, - это темновое сопротивление через заданное время, обычно в секундах. Часто цитируются два значения: одно для одной секунды, а другое для пяти секунд.Они дали указание на задержку резистора.

Применение фоторезисторов

Фоторезисторы

находят применение во многих различных приложениях и могут использоваться во многих различных конструкциях электронных схем. Они имеют очень простую конструкцию и являются недорогими и прочными устройствами. Они широко используются во многих различных элементах электронного оборудования и схемотехнике, включая фотографические люксметры, пожарную или дымовую сигнализацию, а также охранную сигнализацию, а также находят применение в качестве средств управления освещением для уличных фонарей.

Внешние фоторезисторы

обеспечивают чувствительность для более длинных волн, и в результате они популярны в различных конструкциях электронных схем в качестве фотоприемников информационного красного. Фоторезисторы также могут использоваться для обнаружения ядерной радиации.

Характеристики светозависимого резистора

Существует несколько спецификаций, которые важны для светозависимых резисторов, LDR / фоторезисторов при рассмотрении их использования в любой конструкции электронных схем.

Эти технические характеристики фоторезистора включают:


Основные технические характеристики LDR / фоторезистора
Параметр Детали
Макс.рассеиваемая мощность Это максимальная мощность, которую устройство способно рассеять в заданном диапазоне температур.Снижение номинальных характеристик может применяться выше определенной температуры.
Максимальное рабочее напряжение В частности, поскольку устройство является полупроводниковым, необходимо соблюдать максимальное рабочее напряжение. Обычно это 0 люкс, то есть темнота.
Пиковая длина волны В этой спецификации фоторезистора указана длина волны максимальной чувствительности. В некоторых случаях могут быть представлены кривые для общего отклика. Длина волны указана в нм
Сопротивление при освещении Сопротивление при освещении - это ключевая характеристика, ключевой параметр для любого фоторезистора.Часто минимальное и максимальное сопротивление дается при определенных условиях освещения, часто 10 люкс. Минимальная и максимальная валюта может быть указана из-за вероятного разброса. Состояние «полностью включено» может также возникать при сильном освещении, например, при сильном освещении. 100 люкс.
Темное сопротивление Для фоторезистора будут указаны значения темнового сопротивления. Они могут быть указаны по истечении заданного времени, потому что требуется время, чтобы сопротивление снизилось по мере рекомбинации носителей заряда - фоторезисторы отличаются медленным временем отклика.

Типичный светозависимый резистор, технические характеристики LDR / фоторезистора могут быть:


Пример технических характеристик фоторезистора
Параметр Примеры рисунков
Макс.рассеиваемая мощность 200 мВт
Максимальное напряжение при 0 люкс 200 В
Пиковая длина волны 600 нм
Мин.сопротивление при 10 люкс 1,8 кОм
Макс. сопротивление при 10 люкс 4,5 кОм
Тип. сопротивление при 100 люкс 0,7 кОм
Темное сопротивление через 1 сек 0,03 МОм
Темное сопротивление через 5 секунд 0,25 МОм

LDR - это очень полезные электронные компоненты, которые можно использовать для различных светочувствительных приложений и связанных с ними конструкций электронных схем.Поскольку сопротивление LDR изменяется в таком широком диапазоне, они особенно полезны, и существует множество схем LDR, выходящих за рамки показанных здесь. Чтобы использовать эти электронные компоненты, необходимо кое-что знать о том, как работает LDR, что было объяснено выше.

Другие электронные компоненты: Резисторы
Конденсаторы Индукторы Кристаллы кварца Диоды Транзистор Фототранзистор Полевой транзистор Типы памяти Тиристор Разъемы ВЧ разъемы Клапаны / трубки Аккумуляторы Переключатели Реле
Вернуться в меню «Компоненты».

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *