Точный преобразователь тока фотодиода на основе инструментального усилителя

Усилители для фотодиодов малой площади

Фотодиоды малой площади имеют очень низкую емкость, типичное значение которой не превышает 10 пФ, а в некоторых случаях даже бывает меньше 1 пФ. Низкая емкость делает их более адекватными источниками тока на повышенных частотах, чем фотодиоды большой площади. Одной из проблем проектирования усилителей фотодиодов малой площади является обеспечение низкой входной емкости, чтобы шумы напряжения были минимальными, и преобладали токовые шумы.

Рисунок 1.Трансимпедансный усилитель для фотодиода
с малой площадью кристалла.

На Рисунке 1 изображена простая схема усилителя для фотодиода малой площади, в которой используется микросхема LTC6244. Входная емкость усилителя состоит и дифференциальной и синфазной составляющих, сумма которых равна приблизительно 6 пФ. Емкость небольшого фотодиода равна 1.8 пФ, так что в схеме доминирует входная емкость усилителя. Маленький конденсатор обратной связи является реальным компонентом (серия Accu-F компании AVX), однако из-за параллельной емкости выводов ОУ реальная общая емкость обратной связи, вероятно, составляет около 0.4 пФ

Это важно, поскольку емкость конденсатора обратной связи обеспечивает устойчивость схемы и определяет ее полосу пропускания. Конкретная конструкция, показанная на схеме, имеет полосу пропускания 350 кГц при уровне выходного шума 120 мкВ с.к.з., измеренном в этой полосе частот

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

Описание

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

Принцип работы:

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

Фотодиод может работать в двух режимах:

  • фотогальванический — без внешнего напряжения
  • фотодиодный — с внешним обратным напряжением

Особенности:

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

Конструкция

Пробник собран в корпусе от разъема BNC на фотодиоде ФД265А и транзисторе КП303Д. Транзистор Т2 вовсе со стертой маркировкой, но к нему не предъявляется никаких особых требований, разве что чтобы статический  коэффициент передачи тока был не сильно мал, от 50 и выше. Полевой транзистор тоже можно применять любой марки нужного типа проводимости, желательно отобранный по начальному току и крутизне.

Данная схема была проверена на работу на коаксиальный кабель длиной 20 метров и не вызвала никаких нареканий. Автор материала — SecreTUseR.

   Обсудить статью ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК НА ФОТОДИОДЕ

Управление фотореле

Для того чтобы иметь возможность регулировать момент замыкания фотореле в зависимости от освещенности, используется два приема:

  1. В цепь фотоэлектрического элемента вводится переменный резистор, который регулирует ток через него.
  2. Используется так называемое опорное напряжение.

Первый наиболее прост, но он существенно ослабляет чувствительность прибора. Кроме того, не вполне логично сначала ослабить сигнал, а потом его усиливать для использования. Метод опорного напряжения заключается в том, что светочувствительный элемент включается по гальванической схеме. Возникший в нем ток сравнивается с опорным, текущим по независимой цепи. Для их сравнения используется компаратор.

Компаратор – это логический элемент схемы автоматики, работающий по принципу «Да – Нет». В основе его конструкции лежит операционный усилитель. Опорное напряжение вырабатывается отдельной схемой. Регулируется оно традиционным способом – реостатом.

5.3. Лавинный фотодиод. Конструкция, принцип действия, основные характеристики. Преимущества ЛФД

В лавинном фотодиоде достигается усиление первичного фототока за счет управляемого лавинного умножения числа носителей заряда. Этому способствует конструкция ЛФД. Лавинное умножение возникает в слое умножения (рисунок 5.7).

Лавинное умножение достигается за счет увеличения напряжения Есм до величины, близкой к пробойному. При этом на p — n переходе устанавливается очень сильное электрическое поле (Е > 10 5 В/см). Эта напряженность достигается в узкой области. Высокое быстродействие прибора будет достигнуто, если основная часть фотонов поглощается в слое, где существует сильное электрическое поле. Фотоны пролетают слой умножения и не успевают взаимодействовать с кристаллами. Носители зарядов образуются в слое поглощения и дрейфуют к соответствующим потенциалам. Двигаясь в сильном поле, носители приобретают большую кинетическую энергию и, отдавая часть ее другим носителям, освобождают новые носители (электроны и дырки).

Рисунок 5.7. Конструкция ЛФД

Процесс увеличения числа носителей зарядов развивается лавинообразно и характеризуется коэффициентом

(5.8)

где D — показатель, определяемый материалом фотодиода (для SiD = 1,5…9), Епроб – напряжение пробоя ЛФД.

Реальная величина усиления для кремниевых ЛФД — 50…100, для германиевых ЛФД — 2…15, для арсенидгалиевых – 10…35.

Величина фототока возрастает на коэффициент G.

(5.9)

Аналогично происходит увеличение чувствительности.

Спектральная чувствительность ЛФД сохраняет свои свойства, аналогичные p-i-n фотодиоду. Рабочей областью ЛФД на вольт-амперной характеристике будет зона, близкая к электрическому пробою.

При этом темновой ток также будет испытывать умножение. Величина темнового тока будет складываться из умножаемой и неумножаемой составляющих

(5.10).

Одной из характеристик ЛФД, определяющих динамический диапазон оптических сигналов, является линейность детектирования

(5.11)

Реальная величина динамического диапазона ЛФД может быть около 20 дБ.

Особенностью схемы включения ЛФД является регулируемый через цепь обратной связи источник напряжения смещения (рисунок 5.8).

Рисунок 5.8. Схема включения ЛФД

Главное достоинство ЛФД заключается в высоком коэффициенте усиления и быстродействии, что позволяет использовать приборы с арсенидгалиевой основой на скоростях передачи данных до 10 Гбит/с и выше.

Недостатками ЛФД принято считать высокое напряжение смещения (до 400 В) и сложность схемы управления регулируемым источником Есм.

Фотодиоды: принцип работы

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 элементов солнечной батареи. 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.

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.

Теория. Суть метода

Обратимся к первоисточнику и возьмем оттуда рисунок с моделью обратно-смещенного фотодиода.

То есть, в фотодиодном включении фотодиод можно представить как конденсатор с параллельно подключенным
источником тока. Конденсатор представляет емкость обратно-смещенного p-n перехода, она есть у всех диодов. Обычно, она вредна, но может
иметь и полезное применение, например, в варикапах. Источник тока это ток (утечки) через обратно-смещенный p-n переход. Этот ток
зависит от освещенности перехода, что нам и нужно. Стоит отметить, что в реальности емкость диода зависит от приложенного напряжения, а
обратный ток от температуры и напряжения. То есть, полная модель должна содержать и эти источники погрешности

Но нам пока это
не важно, так что обойдемся без них. Фактически, для еще большего упрощения можно заменить источник тока резистором, сопротивление
которого зависит от освещенности.

Измерение освещенности производится в два этапа. На первом этапе мы заряжаем емкость диода током существенно выше обратного тока диода
до заданного напряжения. Например, до напряжения питания схемы. На втором этапе мы измеряем время, за которое емкость диода разрядится
обратным током до заданного напряжения. Например, до уровня логического нуля. Это можно представить в виде схемы:

Резистор R1 ограничивает зарядный ток емкости диода. В данной схеме он может показаться лишним, но при реальном
использовании он нужен для ограничения тока через выводы, например, микроконтроллера. Кроме того, как станет видно дальше, он
позволяет использовать светодиод и по прямому назначению, для индикации. Под схемой измерения подразумевается, например,
цифровой вход микроконтроллера или логической схемы. Нужно отметить, что схема измерения должна быть высокоомной!
Причем очень высокоомной. Обратные токи светодиодов, даже освещенных, составляют единицы-десятки нА.

Теперь посмотрим, как можно использовать микроконтроллер. Напомню, что микроконтроллеры, обычно, имеют многофункциональные выводы.
Так вывод может быть цифровым входом, цифровым выходом, аналоговым входом, специальной функцией. Чем в данный момент является каждый
вывод определяется программой. Итак:

Пунктирной линией обозначена внутренняя схема микроконтроллера.
Первый этап изображен на рисунке слева. Вывод микроконтроллера задан как цифровой выход и переведен в состояние логической 1. Через резистор R
емкость диода заряжается практически до напряжения питания (Vdd). Сопротивление резистора выбирается исходя из безопасного значения
тока через вывод микроконтроллера. Например, сопротивления в 1кОм будет вполне достаточно. Емкости светодиодов, обычно, менее 100пФ.
Что бы емкость диода гарантированно зарядилась достаточно 1-2мкс. Второй этап изображен на рисунке справа. Вывод микроконтроллера
задается как цифровой вход. С этого момента программа в микроконтроллере начинает счет времени.
Емкость диода начинает разряжаться обратным током p-n перехода диода, на который падает свет, и током
утечки цифрового входа микроконтроллера. При условии, что ток утечки входа существенно меньше обратного тока через диод, можно считать,
что вход не влияет на процесс разряда емкости. Когда напряжение на емкости снизится ниже уровня логического нуля программа, зафиксировав
этот факт, останавливает счет времени. Полученное значение временного интервала обратно пропорционально освещенности светодиода.
То есть, чем больше освещен диод, тем выше его обратный ток и тем быстрее разрядится емкость диода. Сопротивление резистора при этом
ничтожно мало по сравнению с сопротивлением цифрового входа и не оказывает влияния на работу схемы.

Схемы включения фотодиода

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

Схема фотореле с фотодиодом

  Схема содержит минимальное количество деталей, благодаря применению операционного усилителя mA741. В данной схеме операционный усилитель включен по схеме сравнивающего устройства — компаратора. Фотодиод LED1 включен в  режиме фотодиода, — подано питание  так, что фотодиод смещен в обратном направлении.

Схема фотореле с фотодиодом

  Поэтому, в таком включении фотодиода, при снижении уровня освещенности, сопротивление светодиода Led1 увеличивается. Это приводит к уменьшению падения напряжения на резисторе R1, а следовательно и на инвертирующем входе операционного усилителя mA741.

  Порог срабатывания устанавливается при помощи переменного резистора R2 изменением напряжения на неинвертирующем входе операционного усилителя. Как только напряжение на инвертирующем операционного усилителя входе станет меньше, чем пороговое, на выходе операционного усилителя появится высокий уровень напряжения, который в свою очередь откроет транзистор T1, ток через которого включит реле K1.

 Транзистор T1 и реле K1 в этой схеме можно подобрать, исходя из параметров реле и тока коллектора.  Вместо операционного усилителя mA741 можно использовать отечественные операционные усилители К140УД7, К140УД6 или с подобными параметрами. Как источник питания для схемы подойдет любой трансформаторный блок питания. Можно использовать и бестрансформаторное, без гальванической развязки от сети питание, но в этом случае следует быть внимательным и соблюдать правила техники безопасности.

  Настройка схемы фотореле с фотодиодом сводится к установке на неинвертирующем входе операционного усилителя таким образом, чтобы включение фотореле происходило уже при наступлении сумерек. Если при срабатывании фотореле реле К1 контакты будут дребезжать, необходимо параллельно катушке реле присоединить электролитический конденсатор на несколько 100 — 470 мкФ. Контакты реле К1 должны быть подобраны по току так, что-бы обеспечили надежное включение нагрузки.

Поиск данных по Вашему запросу:

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

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

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

Недостаток фотогальванического режима заключается в ослаблении полезного сигнала с ростом уровня паразитной засветки но уровень шумов не растет, остается постоянным.

Поиск данных по Вашему запросу:

Схемы, справочники, даташиты:Обсуждения, статьи, мануалы:

Что это такое и где применяется

Фототранзистор – это полупроводниковый прибор оптоволоконного типа, который используется для управления электрическим током при помощи определенного оптического излучения. Эти устройства разработаны на базе обычного транзистора. Их современными аналогами являются фотодиоды, но фототранзисторы лучше подходят для многих современных радио и электронных приборов. По принципу действия, они напоминают также фоторезисторы.

Фото — фототранзистор

В отличие от фотодиодов, у этих полупроводников более высокая чувствительность.

Где используется фототранзистор:

  1. Охранные системы (в основном, используются ИК-фототранзисторы);
  2. Кодеры;
  3. Компьютерные логические системы управления;
  4. Фотореле;
  5. Автоматическое управление освещения (здесь также используется инфракрасный фото-полупроводник);
  6. Датчики уровня и системы подсчета данных.

Нужно отметить, что из-за диапазона Вольт гораздо чаще в подобных системах используются фотодиоды, но фототранзисторы имеют несколько существенных преимуществ:

  1. Могут производить больший ток, чем фотодиоды;
  2. Эти радиодетали сравнительно очень дешевые;
  3. Могут обеспечить мгновенный высокий ток на выходе;
  4. Главным достоинством приборов является то, что они могут обеспечить высокое напряжение, чего, к примеру, не сделают фоторезисторы.

При этом данный аналог светодиода имеет существенные недостатки, что делает фототранзистор довольно узкоспециализированной деталью:

  1. Многие полупроводниковые устройства выполнены из силикона, они не способны обрабатывать напряжение свыше 1000 вольт.
  2. Данные радиодетали очень чувствительны к перепадам напряжения в локальной электрической сети. Если диод не перегорит от скачка напряжения, то транзистор, скорее всего, не выдержит испытания;
  3. Фототранзистор не подходит для использования в лампах из-за того, что не позволяет быстро двигаться направленным заряженным частицам.

Параметры и характеристики фотодиодов

Параметры:

  • чувствительность
    отражает изменение электрического состояния на выходе фотодиода при подаче на вход единичного оптического сигнала. Количественно чувствительность измеряется отношением изменения электрической характеристики, снимаемой на выходе фотоприёмника, к световому потоку или потоку излучения, его вызвавшему.
    Si,Φv=IΦΦv{\displaystyle S_{i,{\Phi _{v}}}={\frac {I_{\Phi }}{\Phi _{v}}}}; Si,Ev=IΦEv{\displaystyle S_{i,{E_{v}}}={\frac {I_{\Phi }}{E_{v}}}} — токовая чувствительность по световому потоку
    Su,Φe=UΦΦe{\displaystyle S_{u,{\Phi _{e}}}={\frac {U_{\Phi }}{\Phi _{e}}}}; Si,Ee=UΦEe{\displaystyle S_{i,{E_{e}}}={\frac {U_{\Phi }}{E_{e}}}} — вольтаическая чувствительность по энергетическому потоку
  • шумы
    помимо полезного сигнала на выходе фотодиода появляется хаотический сигнал со случайной амплитудой и спектром — шум фотодиода. Он не позволяет регистрировать сколь угодно малые полезные сигналы. Шум фотодиода складывается из шумов полупроводникового материала и фотонного шума.

Характеристики:

  • вольт-амперная характеристика (ВАХ)

    зависимость выходного напряжения от входного тока. UΦ=f(IΦ){\displaystyle U_{\Phi }=f(I_{\Phi })}
  • спектральные характеристики
    зависимость фототока от длины волны падающего света на фотодиод. Она определяется со стороны больших длин волн шириной запрещённой зоны, при малых длинах волн большим показателем поглощения и увеличения влияния поверхностной рекомбинации носителей заряда с уменьшением длины волны квантов света. То есть коротковолновая граница чувствительности зависит от толщины базы и от скорости поверхностной рекомбинации. Положение максимума в спектральной характеристике фотодиода сильно зависит от степени роста коэффициента поглощения.
  • световые характеристики
    зависимость фототока от освещённости, соответствует прямой пропорциональности фототока от освещённости. Это обусловлено тем, что толщина базы фотодиода значительно меньше диффузионной длины неосновных носителей заряда. То есть практически все неосновные носители заряда, возникшие в базе, принимают участие в образовании фототока.
  • постоянная времени

    это время, в течение которого фототок фотодиода изменяется после освещения или после затемнения фотодиода в е раз (63 %) по отношению к установившемуся значению.
  • темновое сопротивление
    сопротивление фотодиода в отсутствие освещения.
  • инерционность

Заключение

Тесты закончены и результаты оказались вполне хорошими. То есть, способ измерения освещенности с помощью светодиода основанный
на измерении времени разряда емкости обратным током диода работает и может быть использован в любительской практике. Он проще, чем
использование усилителей и АЦП. При этом имеет ряд ограничений. Таких, как требование высокоомной схемы измерения и чувствительность к
наводкам. И довольно медленный, по крайней мере в изложенном варианте. Не применим для точных измерений. Хорошо подходит для
использования в схемах с микроконтроллерами. Требует усреднения результатов измерений и использование гистерезиса для
пороговых значений времен. А еще требует аккуратности при изготовлении печатной платы. Обязательно хорошо смывайте флюс, а готовую плату
желательно покрыть лаком для защиты от влажности и пыли, которые тоже влияют на результаты.

Все ли уже сказано? Да, почти все. Осталось лишь сказать, что в тестах не было учтено влияние порогового напряжения схем измерения.
Для PIC12F629 максимальное входное напряжение низкого уровня составляет примерно 0.8В. То есть, емкость разряжается от 5В
до 0.8В. Для использованного триггера Шмитта порог переключения при спадающем напряжении на входе составляет от 1.4 до 2.5В. То есть,
емкость разряжается до более высокого напряжения, разумеется, для этого требуется меньше времени. Для транзистора пороговое напряжение
составляет от 1 до 2.5В (и зависит от тока стока), что, в нашем случае, оказалось ниже, чем у использованного триггера Шмитта. Это и привело
к большим временам (вместе с меньшим паразитным током утечки). При этом все схемы имеют сравнимую чувствительность, хотя чувствительность микроконтроллера немного выше.

Влияние температуры на результаты не проверялось. Для любительских применений это не имеет большого значения, изменения
температуры вряд ли превысят 10oC.
Но стоит сказать, что влияние температуры на светодиод, вполне сравнимо с влиянием на обычный фотодиод в фотодиодном включении. Да, тут дополнительно будет изменяться еще и емкость диода, но это влияние уменьшается конденсатором подключенным параллельно диоду, как на
схемах в статье. Но большее влияние окажет нестабильность пороговых значений логических уровней и напряжения затвора.

Оцените статью:
Оставить комментарий
Adblock
detector