Як застосовувати фоторезистори, фотодіоди і фототранзистори

Датчики бувають абсолютно різними. Вони відрізняються за принципом дії, логіці своєї роботи і фізичних явищ і величинам на які вони здатні реагувати. Датчики світла використовуються не тільки в апаратурі автоматичного управління освітленням, вони використовуються у величезній кількості пристроїв, починаючи від блоків живлення, закінчуючи сигналізаціями і охоронними системами.

Основні види фотоелектронних приладів. Загальні відомості

Фотоприймач в загальному сенсі – це електронний прилад, який реагує на зміну світлового потоку падаючого на його чутливу частину. Вони можуть відрізнятися, як за своєю структурою, так і принципом роботи. Давайте їх розглянемо.

Фоторезистори – змінюють опір при освітленні

Фоторезистор – ФОТОПРИЛАД змінює провідність (опір) в залежності від кількості світла падаючого на його поверхню. Чим інтенсивніше освітленість чутливої ​​області, тим менше опору. Ось його схематичне зображення.

Складається він з двох металевих електродів, між якими є напівпровідниковий матеріал. Коли світловий потік потрапляє на напівпровідник, в ньому вивільняються носії заряду, це сприяє проходженню струму між металевими електродами.

Енергія світлового потоку витрачається на подолання електронами забороненої зони і їх переходу в зону провідності. Як напівпровідника у фоторезисторів використовують матеріали типу: Сульфід Кадмію, Сульфид свинцю, Гіпс Кадмію та інші. Від типу цього матеріалу залежить спектральна характеристика фоторезистора

цікаво:

Спектральна характеристика містить інформацію про те, до яких довжинах хвиль (кольором) світлового потоку найбільш чутливий фоторезистор. Для деяких екземплярів доводиться ретельно підбирати випромінювач світла відповідної довжини хвилі, для досягнення найбільшої чутливості та ефективності роботи.

Фоторезистор не призначений для точного вимірювання освітленості, а, скоріше, для визначення наявності світла, за його свідченнями можна визначити світліше або темніше стала довкілля. Вольт-амперна характеристика фоторезистора виглядає наступним чином.

На ній зображена залежність струму від напруги при різних величинах світлового потоку: Ф – темрява, а Ф3 – це яскраве світло. Вона лінійна. Ще одна важлива характеристика – це чутливість, вона вимірюється в мА (мкА) / (Лм * В). Що відображає, скільки струму протікає через резистор, при певному світловому потоці і доданому напрузі.

Темновое опір – це активний опір при повній відсутності освітлення, позначається Rт, а характеристика Rт / Rсв – це кратність зміни опору від стану фоторезистора в повній відсутності освітлення до максимально освітленому станом і мінімально можливого опору відповідно.

У фоторезисторов є істотний недолік – його гранична частота. Це величина описує максимальну частоту синусоїдального сигналу, яким ви моделюєте світловий потік, при якій чутливість знижується на 1.41 раз. У довідниках це відбивається або значенням частоти, або через постійну часу. Вона відображає швидкодію приладів, яке зазвичай займає десятки мікросекунд – 10 ^ (- 5) с. Це не дозволяє використовувати його там, де потрібно висока швидкодія.

Фотодіод – перетворює світло в електричний заряд

Фотодіод – елемент, який перетворює світло, що потрапляє на чутливу зону, в електричний заряд. Це відбувається тому що при опроміненні в p-n переході протікають різні процеси пов’язані з рухом носіїв заряду.

Якщо на фоторезистори змінювалася провідність через рух носіїв заряду в напівпровіднику, то тут відбувається утворення заряду на кордоні p-n переходу. Він може працювати в режимі фотоперетворювача і фотогенератора.

За структурою він такий же, як і звичайний діод, але на його корпусі є вікно для проходження світла. Зовні вони бувають в різних виконаннях.

Фотодіоди з чорним корпусом сприймають тільки ІК-випромінювання. Чорне покриття – це щось схоже на тонування. Фільтрує ІК-спектр, щоб виключити можливість спрацьовування на випромінювання інших спектрів.

У фотодіодів, як і у фоторезисторів є гранична частота, тільки тут вона на порядки більше і досягає 10 МГц, що дозволяє забезпечити непогану швидкодію. P-i-N фотодіоди мають більшу швидкодію – 100МГц-1 ГГц, як і діоди на підставі бар’єру Шотткі. Лавинні діоди мають граничну частоту в порядку 1-10 ГГц.

У режимі фотоперетворювача такий діод працює як ключ керований світлом, для цього його підключають в ланцюг в прямому зміщенні. Тобто, катодом до точки з більш позитивним потенціалом (до плюса), а анодом до більш негативного (до мінуса).

Коли діод не освітлюється світлом – в ланцюзі протікає тільки зворотний темновой ток Iобрт (одиниці і десятки мкА), а коли діод освітлений до нього додається фототок, який залежить тільки від ступеня освітленості (десятки мА). Чим більше світла – тим більше струм.

Фотострум Iф дорівнює:

Iф = Sінт * Ф,

де Sінт – інтегральна чутливість, Ф – світловий потік.

Типова схема включення фотодіода в режимі фотоперетворювача. Зверніть увагу на те, як він підключений – в зворотному напрямку по відношенню до джерела живлення.

Інший режим – генератор. При потраплянні світла на фотодіод на його висновках утворюється напруга, при цьому струми короткого замикання в такому режимі дорівнюють десятки ампер. Це нагадує роботу елементів сонячної батареї, але мають малу потужність.

Фототранзистори – відкриваються від кількості падаючого світла

Фототранзистор – це за своєю суттю біполярний транзистор у якого замість виведення бази є в корпусі віконце для потрапляння туди світла. Принцип роботи і причини цього ефекту аналогічні з попередніми приладами. Біполярні транзистори управляються кількістю струму що протікає через базу, а фототранзистори за аналогією управляються кількістю світла.

Іноді на УДО ще додатково зображується висновок бази. Взагалі напруги на фототранзистор подають також як і на звичайний, а другий варіант включення – з плаваючою базою, коли базовий висновок залишається незадіяним.

У схему включають фототранзистори подібним чином.

Або міняють місцями транзистор і резистор, дивлячись, що конкретно вам потрібно. При відсутності світла через транзистор протікає темновой струм, який утворюється з струму бази, який ви можете задати самі.

Задавши необхідний струм бази, ви можете виставити чутливість фототранзистора підбором його базового резистора. Таким чином, можна вловлювати навіть самий тьмяний світло.

За радянських часів радіоаматори робили фототранзистори своїми руками – робили віконце для світла, спилявши звичайному транзистору частина корпусу. Для цього відмінно підходять транзистори типу МП14-МП42.

З вольтамперної характеристики видно залежність фотоструму від освітлення, при цьому він практично не залежить від напруги колектор-емітер.

Крім біполярних фототранзисторів існують і польові. Біполярні працюють на частотах 10-100 кГц, то польові більш чутливі. Їх чутливість досягає декількох Ампер на Люмен, і більш «швидкі» – до 100 мГц. У польових транзисторів є цікава особливість, при максимальних значеннях світлового потоку напруга на затворі майже не впливає на струм стоку.

Області застосування фотоелектронних приладів

В першу чергу слід розглянути більш звичні варіанти їх застосування, наприклад автоматичне включення світла.

Схема, зображена вище – це найпростіший прилад для включення і виключення навантаження при певній освітленості. Фотодіод ФД320 При попаданні на нього світла відкривається і на R1 падає певну напругу, коли його величина достатня для відкриття транзистора VT1 – він відкривається, і відкриває ще один транзистор – VT2. Ці два транзистора – це двохкаскадний підсилювач струму, необхідний для живлення котушки реле K1.

Діод VD2 – потрібен для гасіння ЕРС-самоіндукції, яке утворюється при перемиканні котушки. На підвідний контакт реле, верхній за схемою, підключається один з проводів від навантаження (для змінного струму – фаза або нуль).

У нас є нормально замкнутий і розімкнутий контакти, вони потрібні або для вибору включається ланцюга, або для вибору включити або відключити навантаження від мережі при досягненні необхідної освітленості. Потенціометр R1 потрібен для підстроювання приладу для спрацьовування при потрібній кількості світла. Чим більше опір – тим менше світла потрібно для включення схеми.

Варіації цієї схеми використовують в більшості подібних приладів, при необхідності додаючи певний набір функцій.

Крім включення навантаження по освітленості подібні фотоприемники використовуються в різних системах контролю, наприклад на турнікетах метро часто використовують фоторезистори для визначення несанкціонованого (зайцем) перетину турнікету.

У друкарні при обриві лінії паперу світло потрапляє на фотоприймач і тим самим дає сигнал оператору про це. Випромінювач варто по одну сторону від паперу, а фотоприймач зі зворотного боку. Коли папір рветься, світло від випромінювача досягає фотоприймача.

У деяких видах сигналізації використовуються в якості датчиків входу в приміщення випромінювач і фотоприймач, при цьому, щоб випромінювання не було видно використовують ІК-прилади.

Що стосується ІК-спектра, можна згадати про приймачі телевізора, на який надходять сигнали від ІК-світлодіода в пульті дистанційного керування, коли ви перемикаєте канали. Спеціальним чином кодується інформація і телевізор розуміє, що вам потрібно.

Інформація таким чином раніше передавалася через ІК-порти мобільних телефонів. Швидкість передачі обмежена, як послідовним способом передачі, так і принципом роботи самого приладу.

У комп’ютерних мишок також використовується технологія пов’язана з фотоелектронними приладами.

Застосування для передачі сигналів в електронних схемах

Оптоелектронні прилади – це прилади які об’єднують в одному корпусі випромінювач і фотоприймач, типу описаних вище. Вони потрібні для зв’язку двох контурів електричного кола.

Це потрібно для гальванічної розв’язки, швидкої передачі сигналу, а також для з’єднання ланцюгів постійного і змінного струму, як у випадку керування симистором в ланцюзі 220 В 5 В сигналом з мікроконтролера.

Вони мають умовно-графічне позначення, яке містить інформацію про тип використовуваних всередині оптопари елементів.


Розглянемо кілька прикладів використання таких приладів.

Управління симистором за допомогою мікроконтролера

Якщо ви проектуєте тиристорний або сімісторний перетворювач ви зіткнетеся з проблемою. По-перше, якщо перехід у керуючого виведення проб’є – на пін мікроконтролера потрапить високий потенціал і останній вийде з ладу. Для цього розроблені спеціальні драйвери, з елементом, який називається оптосімістори, наприклад MOC3041.

Зворотній зв’язок з допомогою оптопари

В імпульсних стабілізованих блоках харчування необхідна зворотній зв’язок. Якщо виключити гальванічну розв’язку в цьому ланцюзі, тоді в разі виходу з ладу якихось компонентів в ланцюзі ОС, на вихідний ланцюга виникне високий потенціал і підключенні до обладнання вийде з ладу, я не кажу про те, що і вас може вдарити струмом.

У конкретному прикладі ви бачите реалізацію такої ОС з вихідний ланцюга в обмотку зворотного зв’язку (керуючу) транзистора за допомогою оптопари з порядковим позначенням U1.

висновки

Фото- і оптоелектроніка це дуже важливі розділи в електроніки, які значно поліпшили якість апаратури, її вартість і надійність. За допомогою оптопари можна виключити використання розв’язує трансформатора в таких ланцюгах, що зменшує масогабаритні показники. Крім того деякі пристрої просто неможливо реалізувати без таких елементів.

Олексій Бартош

Ссылка на основную публикацию