Фотодиод светодиод подключение к rs 232 – Фотодатчик. Часть 1 | Электроника для всех

Фотодатчик. Часть 1 | Электроника для всех

Наверняка многим захочется присобачить к AVR фотодетектор, чтобы отслеживать хотя бы наличие или отсутствие света. Это полезно как для роботостроителей, так и для тех кто делает всякую автоматику. Итак, кратко опишу какие бывают фотодетекторы.

Фоторезистор
ИМХО вымирающий вид. Последний раз я его видел еще в детстве. Обычно представляет собой такой металический кругляк со стеклянным окошком, в котором видна этакая сероватая зигзагообразная дорожка. При освещении его сопротивление падает, правда незначительно, раза в три четыре.

Фототранзистор
Последнее время я на них натыкаюсь постоянно, неиссякаемый источник фототранзисторов — пятидюймовые дисководы. Последний раз я, по цене грязи, надыбал на радио барахолке штук 5 платок от дисковертов, там светотранзисторы стоят напротив дырок контроля записи и вращения дискеты. Еще сдвоенный фототранзистор (а может и фотодиод, как повезет) стоит в обычной шариковой мышке.

Выглядит как обычный светодиод, только корпус прозрачный. Впрочем, светодиоды тоже такие же бывают так что перепутать кто из них кто раз плюнуть. Но это не беда, партизан легко вычисляется обычным мультиметром. Достаточно включить омметр между его эмитером и коллектором (базы у него нет) и посветить на него, как его сопротивление рухнет просто катастрофически — с десятков килоом до считанных ом. Тот который у меня в детекторе вращения шестерен в роботе меняет свое сопротивление с 100кОм до 30 Ом. Работает фототранзистор подобно обычному — держит ток, но в качестве управляющего воздействия тут не ток базы, а световой поток.

Фотодиод
Внешне ничем не отличается от фототранзистора или обычного светодиода в прозрачном корпусе. Также порой встречаются древние фотодиоды в металлических корпусах. Обычно это совковые девайсы, марки ФД-чето там. Такой металлический цилиндрик с окошком в торце и торчащими из задницы проводками.

В отличии от фототранзистора, может работать в двух разных режимах. В фотогальваническом и фотодиодном.
В первом, фотогальваническом, варианте фотодиод ведет себя как солнечная батарейка, то есть посветил на него — на выводах возникло слабенькое напряжение. Его можно усилить и применить =). Но куда проще работать в фотодиодном режиме. Тут мы подаем на фотодиод обратное напряжение. Поскольку он хоть и фото, но диод, то в обратную сторону напряжение не пойдет, а значит его сопротивление будет близко к обрыву, а вот если его засветить, то диод начнет очень сильно подтравливать и сопротивление его будет резко падать. Причем резко, на пару порядков, как у фототранзистора.

Спектр
Кроме типа прибора у него еще есть рабочий спектр. Например, фотодетектор заточенный на инфракрасный спектр (а их большинство) практически не реагирует на свет зеленого или синего светодиода. Плохо реагирует на лампу дневного света, но хорошо реагирует на лампу накаливания и красный светодиод, а уж про инфракрасный и говорить нечего. Так что не удивляйся если у тебя фотодатчик плохо реагирует на свет, возможно ты со спектром ошибся.

Подключение
Теперь пора показать как это подключить к микроконтроллеру. С фоторезистором все понятно, тут заморочек нет никаких — берешь и подцепляешь как по схеме.
С фотодиодом и фототранзистором сложней. Надо определить где у него анод/катод или эмитер/коллектор. Делается это просто. Берешь мультиметр, ставишь его в режим прозвонки диодов и цепляешься на свой датчик. Мультиметр в этом режиме показывает падение напряжения на диоде/транзисторе, а падение напряжения тут в основном зависит от его сопротивления U=I*R. Берешь и засвечиваешь датчик, следя за показаниями. Если число резко уменьшилось, значит ты угадал и красный провод у тебя на катоде/коллекторе, а черный на аноде/эмитторе. Если не изменилось, поменяй выводы местами. Если не помогло, то либо детектор дохлый, либо ты пытаешься добиться реакции от светодиода (кстати, светодиоды тоже могут служить детекторами света, но там не все так просто. Впрочем, когда будет время я покажу вам это технологическое извращение).

Теперь о работе схемы, тут все элементарно. В затемненном состоянии фотодиод не пропускает ток в обратном направлении, фототранзистор тоже закрыт, а у фоторезистора сопротивление весьма высоко. Сопротивление входа близко к бесконечности, а значит на входе будет полное напряжение питания aka логическая единица. Стоит теперь засветить диод/транзистор/резистор как сопротивление резко падает, а вывод оказывается посажен наглухо на землю, ну или весьма близко к земле. Во всяком случае сопротивление будет куда ниже 10кОмного резистора, а значит напряжение резко пропадет и будет где то на уровне логического нуля. В AVR и PIC можно даже резистор не ставить, вполне хватит внутренней подтяжки. Так что DDRx=0 PORTx=1 и будет вам счастье. Ну а обратывать это как обычную кнопку. Единственная сложность может возникнуть с фоторезистором — у него не настолько резко падает сопротивление, поэтому до нуля может и не дотянуть. Но тут можно поиграть величиной подтягивающего резистора и сделать так, чтобы изменения сопротивления хватало на переход через логический уровень.

Если надо именно измерять освещенность, а не тупо ловить светло/темно, то тогда надо будет подцеплять все на АЦП и подтягивающий резистор делать переменным, для подстройки параметров.

Есть еще продвинутый тип фотодатчиков — TSOP там встроенный детектор частоты и усилитель, но о нем я напишу чуть попозже.

Фотодатчик. Часть 2. Модуляция

З.Ы.
У меня тут некоторые запарки, поэтому сайт будет сильно тупить с обновлением, думаю это до конца месяца. Дальше надеюсь вернуться в прежний ритм.

easyelectronics.ru

Устройство слежения за движущимся источником света / Habr

Сегодня я решил написать об одном интересном проекте, которым занимался в свободное от учебы время.

Суть устройства проста — есть матрица фотодиодов (в данном случае 4, но можно и больше) которая регистрирует свет от какого-то источника, который может перемещаться. Естественно, количество света, падающее на каждый фотодиод в отдельности различно.

Устройство должно определять расположение в пространстве источника света, который перемещается.Это основная цель. То есть необходимо программно решать задачу многомерной корреляции между вектором интенсивностей и вектором местоположения источника света.

Общая схема показана на рисунке выше. В нашем случае всего 4 фотодиода. Сигнал с фотодиодов усиливается и поступает в микроконтроллер ATMega16. Микроконтроллер формирует пакет с данными и отправляет его с частотой 1 Гц по USART(COM порт). Со стороны компьютера работает программа, написанная на Lazarus (FreePascal), которая считывает с порта данные, и проводит анализ с помощью свободной нейросетевой библиотеки, затем выдает результат о местоположении источника света.

Это было краткое описание, а теперь детали.

1) Подключение фотодиодов

Здесь приведена простая схема подключения фотодиода к операционному усилителю, схема конвертера малого тока в напряжение, можно найти в любой книге по схемотехнике.

Падающий свет вызывает фототок, схема линейна (до насыщения), в отличии от схемы со смещением. Ток почти не течет в инвертирующий вход, и поэтому напряжение на выходе определяется как U=I*R1.

Очень хорошая статья про фотодиоды и усилители написана сотрудником Texas Instruments Philip C. D. HOBBS«Усилители для фотодиодов на операционных усилителях». Рекомендую всем заинтересованным.

Мной использовались высокоскоростные PIN фотодиоды, BPW34. У них не очень большой угол обзора — что было под рукой, то и использовал. Здесь подойдут почти любые фотодиоды, дело вкуса.

Красной строки требует операционный усилитель AD820. Усилитель на полевых транзисторах (FET) обладает преимуществом перед биполярными низким током утечки, поэтому в схемах-конвертерах ток-напряжение это очень важно. Также усилитель имеет Rail-to-Rail выход, то есть размах выходного напряжение может приближаться очень близко в шинам питания.

Рекомендую использовать после выхода усилителя ФНЧ (фильтр низких частот), и выбрать нужную частоту среза, чтобы было меньше шума.

2) Микроконтроллер ATMEGA16

Как я уже писал выше микроконтроллер нужен для того, чтобы оцифровывать сигналы и передавать их в порт ПК.
Здесь используется древнейший MAX232ACPE конвертер для COM порта. Сейчас я пользуюсь контроллерами с аппаратным USB, но год назад, мне схема с MAX232 казалась ну очень крутой, и я сильно радовался, когда, наконец, разобрался с ней.
Тем, у кого нет платы с COM портами придется либо собрать самому на FT232RL или купить конвертер USB-USART, которых сейчас навалом в интернетах.

Первым делом нужно организовать стабильное питание для микроконтроллера (МК). По питанию нужно всегда ставить как можно ближе к ножкам МК керамический конденсатор емкостью 0,1 uF. На рисунке между VCC и GND.

Затем нужно позаботится о тактовом сигнале.

Здесь стоит кварцевый резонатор на 8MHz (поверьте, когда я начинал, тоже думал что это так мало). Для увеличения стабильности ставят как показано на схеме пикофарадные конденсаторы. Для каждой частоты нужен свой номинал, подробности нужно смотреть в даташите (datasheet), официальном паспорте-документации на каждую ИС (интегральную схему).

Для того, чтобы МК работал без случайных сбросов, необходимо подключить через подтягивающий резистор Vcc к RESET.

Аналоговые входы PA0..7 являются портами, куда мы подаем сигналы с усилителей.
В качестве опорного напряжения для АЦП возьмем Vcc, вот так совсем не хитро.

Порты RX, TX служат для отправки и получения данных.
TTL логика и логика RS232 сильно различаются, и не могут работать напрямую, поэтому мы используем конвертер, схема подключения показана слева. Все конденсаторы, приведенные в схеме подключения конвертера керамические, и имеют номинал 0.1 uF.

3) Среда разработки и используемые библиотеки

Этот проект я делал на Lazarus IDE, компилятор FreePascal, в процессе написания мной было использовано несколько компонентов и библиотек.

• Библиотека для работы с COM-портом CportLib
• Известная библиотека FANN

Для работы с нейросетями я выбрал свободную библиотеку FANN. Думаю, что большинство знают как работают нейросетевые алгоритмы, но на всякий случай повторюсь на моем примере.

Здесь нейросеть должна вначале обучиться с учителем.

Смысл обучения состоит в том, что сеть должна подстраивать коэффициенты матриц слоев таким образом, чтобы минимизировать разницу между выходным вектором и обучающим вектором.

Каждая задача уникальна в каком-то смысле, и поэтому нет теории, которая бы говорила какого количества нейронов достаточно, чтобы решиться задачу, какую передаточную функцию следует использовать и так далее.

На этом все,
в следующий раз, как найду время — напишу продолжение в котором будут освящены такие части как:

• Получение данных от МК
• Обучение нейросети
• Анализ данных с помощью нейросети

Следующая часть будет полностью программной.

habr.com

Как проверить инфракрасный свето- и фотодиод, мощная доработка тестера ut61e

Как известно, одним из лучших, если не лучшим тестером в категории до 50 баксов является uni-t ut61e. Однако, у него есть несколько недостатков, которые можно и нужно исправлять, о чём я и расскажу в этом обзоре.

Недостатков у данного тестера три: отсутствие автоотключения, отсутствие измерения температуры и отсутствие подсветки. С температурой придётся, к сожалению, смириться. Подсветку я лично не считаю чем-то необходимым, особенно в случае использования «кроны» и «классической» реализации, когда подсветка загорается на 15-30-60с. А вот задействовать автоотключение — не только можно но и нужно, потому что забыть включенный прибор и утром обнаружить полностью севшую батарейку — чертовски неприятно.

Перейдём к диодам. Тут особо писать нечего — диоды как диоды. В пакете 50 штук совершенно стандартных ИК светодиодов диаметром 3мм в прозрачном корпусе, и 50 штук 3мм фотодиодов в черном корпусе, что должно отфильтровать видимый спектр. На деле фонарик вполне засвечивает и открывает фотодиод даже через это чёрное стекло. Длину излучаемой волны измерить нечем, но в темноте светодиод я не разглядел, а в фотоаппарат — вполне.

На этом обзор диодов можно считать завершенным 😉

Переходим к доработке мультиметра. Доработка будет состоять из нескольких этапов: доработка ИК порта, доработка мультиметра в части автоотключения, и бонусом — установка внешнего источника опорного напряжения. Последнее, к сожалению, актуально только для приборов старых ревизий, где на плате предусмотрено место для внешнего ИОНа и обвязки.

Часть первая, ИК порт. Идея взята тут.

Во-первых — для чего переделывается порт? Для того, чтобы обеспечить И автоотключение, И передачу данных — мало ли когда оно понадобится?

Берём комплектный шнурок и разбираем его:

Берём светодиод

Загибаем ему ноги как у уже запаянного фотодиода, и запаиваем на место. Полярность на плате подписана.

Кроме светодиода запаиваем резистор на 10кОм

Всё, можно собирать. Я заклеил суперклеем.

Теперь переходим к мультиметру. Идея переделки заключается в том, чтобы не только отпаять и приподнять 111 ножку чипа, отвечающую за автоотключение, но и подключить к ней фотодиод или фототранзистор для управления от порта.

Для начала изготовим платку для фотодиода и резистора. Я просто из обрезка одностороннего стеклотекстолита вырезал и пропилил надфилем в двух местах.

Теперь замеряемся куда и как ставить нашу плату:

Как видим, расстояние между диодами должно быть 16.5мм, а высота диода над платой — 10мм. Изгибаем, запаиваем, клеим на плату на «китайские сопли» (термопистолет), или тонкий двухсторонний скотч:

Ищем точки подключения:

… и выводим провод на противоположную сторону платы через штатное отверстие. Провод нужен тоненький, чтобы пролез в отверстие и изоляция не повредилась нигде:

Поднимаем ногу микросхемы, и подпаиваем к ней провод, закрепляя тем же термоклеем. Кстати, плату с диодом и провода тоже нужно прицепить термоклеем, чтобы не развалилось всё это. Я этот момент не сфотографировал, к сожалению.

Хочется сделать так:

Но так делать НЕЛЬЗЯ — там расстояние до дисплея минимальное. Поэтому делаем так:

Обратите внимание, что анод (+) фотодиода подключается к V-, то есть включение «обратное», «стабилитронное» 😉

Всё, можно собирать и проверять. Как видим, значок передачи данных погас, а значок автоотключения загорелся:

Подключаем к компьютеру.

Нажимаем COM-connect:

Ура, всё работает.

Ну и бонусом — установка нового ИОНа LT1790ACS6-1.25 (я брал сразу три штуки, вышло не так дорого за один. возможно есть и более дешевые варианты). Тут я хочу повториться что данная доработка актуальна только для старых приборов, там на плате предусмотрены места установки данного ИОНа и обвязки. В новых ревизиях платы их установка не предусмотрена, соответственно, придётся вешать на соплях, ну и в этом случае разумно поискать что-то подешевле и без обвязки. Типа того что установлено в an8008, например.

Зачем это нужно? У внешней опорки LT1790 температурный коэффициент 10-25ppm (в зависимости от варианта), а у встроенной в es51922 — вроде как аж 75ppm (идея взята здесь).

К сожалению, маркировка микросхемы никак не зависит от типа этой микросхемы, то есть узнать реальную точность, температурный коэффициент и температурный диапазон — нельзя. таким образом может оказаться что китаец впаривает более дешевый чип под видом более дорогого — но доказать это невозможно без применения высокоточного оборудования.

Схема подключения такова:

Вместе с установкой ИОНа весьма желательно заменить также резисторы делителя, то есть R16 и многооборотный подстроечник — таким образом, чтобы подстроечник имел минимальное сопротивление. В этом случае он будет оказывать минимальное же влияние и обеспечивать комфортную регулировку. Штатный подстроечник имеет сопротивление аж 2кОм что явно многовато. рекомендуется установка подстроечника 50-100 Ом. Купить можно например тут. Я пока поставил первый попавшийся на 500 Ом, что всяко лучше штатного, а потом посмотрю что делать дальше. Сразу хочу сказать, что настройка стала заметно плавнее, последний разряд это пара оборотов подстроечника.

Итак, переделка:

Нужно запаять резисторы R52 и R53 размера 0603 и номиналом 10кОм и конденсатор С50 емкостью 10мкФ (размер 0805, наверно можно попытаться и 1206 воткнуть), а также перенести резистор R15 на позицию R51. Ну и запаять собственно сам ИОН. После этого подключаем внешний источник образцового напряжения (см в конце обзора) и калибруем по постоянному напряжению.

Если честно, данная переделка особо ничего не даёт, это просто такая «прикольная фишка» типа «прокачай свой мультиметр» 😉

А вот внедрение свето- и фото- диодов и допиливание автоотключения — это совершенно однозначно та самая операция, которая должна проводиться сразу же после приобретения тестера.

Теперь о подсветке. Если кому-то прям не спится без подсветки в тестере — то самый простой способ это поместить внутрь модуль на TTP223, типа такого, подключить его после выключателя питания и стабилизатора и переключить в режим «кнопка с фиксацией». 8мА он должен по выходу держать, а больше как-бы и не нужно для подсветки. Ну либо по выходу модуля поставить еще и транзистор, который позволит получить любой нужный ток.

На этом всё, дорабатывайте свои ut61e и наслаждайтесь удобством!

mysku.ru

USB RS-232

Предлагаю схему преобразователя интерфейса RS232 в RS485, устройство пассивное – не требует питания, имеет полудуплексный режим работы, розетку DB9 для интерфейса RS-232, вилку DB9 для интерфейса RS-485, 2-х проводной интерфейс RS-485, автопереключение скорости передачи вплоть до 115200 бод на расстояние 1200м, так-же в линию интерфейса RS-485 возможно подключение до 32-х устройств. Принципиальная схема преобразователя интерфейса показана на рисунке.    Раньше, все периферийные устройства подключались к компьютеру через последовательный – COM и параллельный – LPT порты. Но постепенно эти порты исчезают из стандартной конфигурации ПК и периферийных устройств. Их вытесняет универсальная шина – USB. Но не всё так радужно – протокол обмена данными по USB сложен и реализовать его до недавнего времени было не под силу не только радиолюбителям, но и многим специалистам. Сегодня благодаря новейшим разработкам появилась возможность преобразовать USB в “виртуальный” последовательный или параллельный порт, обмен данными с которым ведут привычными хорошо известными методами.  Для обмена данными между устройствами по последовательным линиям связи разработан ряд интерфейсов последовательной асинхронной передачи данных. Широко распространены интерфейсы RS-232, RS-422, RS-485, CL, USB. В большинстве случаев среди устройств с обменом данными по последовательным линиям связи, присутствует компьютер, являющийся главным по отношению к внешним и периферийным устройствам, и для этого оснащен, как правило, последовательными COM-портами (интерфейс RS-232), а также шинами USB. Для подключения к компьютеру устройств с другими интерфейсами отличными от RS-232 и USB, необходимо применять перобразователи сигналов данных последовательных интерфейсов.    Предлагаемый преобразователь интерфейса USB-RS232 предназначен в первую очередь для работы с многофункциональным программатором. С его помощью, не внося никаких изменений ни в схему, ни в программное обеспечение, можно подключить программатор к компьютеру через USB, а не через COM порт. Но область применения этого преобразователя намного шире – через него можно подключить по шине USB модем, сканер, различную измерительную аппаратуру, т.е. фактически любое устройство, ранее использовавшее интерфейс RS-232. Причем пользователю не требуется никаких знаний об устройстве и работе USB. Преобразователь интерфейса смонтирован на двухсторонней печатной плате. Резисторы распаиваются навесным монтажом.     Форум по компьютерам    Обсудить статью USB RS-232 ВЕНТИЛЯЦИЯ ПРИ ПАЙКЕ      Готовое решение для очистки воздуха при пайке печатных плат и других радиомонтажных работах.

radioskot.ru

2 Вопрос

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

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

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

Рис. 4. Светодиоды.

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

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

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

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

Рис. 5. Фотодиоды.

Рис. 6. УГО фотодиодов и светодиодов.

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

Схема включения фотодиода.

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

   Фотодиодная схема включения.

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

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

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

   Практическая схемотехника включения фотодиода со смещением.

Практическая схемотехника включения фотодиода со смещением.

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

   Включение фотодиода в каскад с общей базой.

Схема включения фотодиода ФД 263 в каскад с общей базой.

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

studfile.net

Фотодиод – chipenable.ru

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.

Продолжение следует.

chipenable.ru

31. Фотодиоды и светодиоды. Структуры и схемы подключений

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

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

При воздействии квантовизлучения 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.Токфотодиода определяется током неосновных носителей — дрейфовым током. Быстродействие фотодиода определяется скоростью разделения носителей полем p-n-перехода и ёмкостью 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

Светодио́д или светоизлучающий диод — полупроводниковый прибор, излучающий некогерентный свет при пропускании через него электрического тока. Излучаемый свет лежит в узком диапазоне спектра, его цветовые характеристики зависят от химического состава использованного в нем полупроводника.

Как и в любом полупроводниковом диоде, в светодиоде имеетсяp-n переход. При пропускании электрического тока в прямом направлении, носители заряда —электроныидырки— рекомбинируют с излучениемфотонов(из-за перехода электронов с одного энергетического уровня на другой).

По сравнению с другими электрическими источниками света (преобразователями электроэнергии в электромагнитное излучение видимого диапазона), светодиоды имеют следующие отличия:

-Высокий КПД. Современные светодиоды уступают по этому параметру только люминесцентной лампе с холодным катодом (CCFL).

-Высокая механическая прочность, вибростойкость (отсутствие спирали и иных чувствительных составляющих).

-Длительный срок службы. Но и он не бесконечен – при длительной работе и/или плохом охлаждении происходит “отравление” кристалла и постепенное падение яркости.

-Специфический спектральный состав излучения. Спектр довольно узкий. Для нужд индикации и передачи данных это – достоинство, но для освещения это недостаток. Более узкий спектр имеет только лазер.

-Малая инерционность.

-Малый угол излучения – также может быть как достоинством, так и недостатком.

-Низкая стоимость.

-Безопасность – не требуются высокие напряжения.

-Нечувствительность к низким и очень низким температурам. Однако, высокие температуры противопоказаны светодиоду, как и любым полупроводникам.

-Отсутствие ядовитых составляющих (ртутьи др.) и, следовательно, лёгкость утилизации.

studfile.net