Open Library - открытая библиотека учебной информации. Схема включения фотодиода

принцип работы, схемы и т.д.

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

Схема фотодиодаОбратите внимание на основы электричества и на приборы электроники.

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

Фотопроводящие диоды

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

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

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

Фотоэлектрические диоды

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

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

kipiavp.ru

Схема фотореле с фотодиодом

Подробности Категория: Светотехника

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.

Добавить комментарий

radiofanatic.ru

Схемы включения фотодиодов

Электроника Схемы включения фотодиодов
просмотров - 372

Различают несколько режимов работы фотодиодов. Один из них – фотовольтаический (режим измерения фото-ЭДС), обозначенный на рис. 6.4 слева рабочим участком 1. Наклон этого участка определяется большим внутренним сопротивлением прибора или схемы, измеряющей напряжение на фотодиоде. Поскольку сопротивление очень велико, то через фотодиод в этом режиме протекает совсем незначительный ток. Каждому значению светового потока соответствует свое измеренное напряжение .

Намного чаще в фотодиодных сенсорах света используют электронную схему, показанную на рис. 6.4. Одним из преимуществ такой схемы является то, что в ней напряжение на фотодиоде почти не меняется, благодаря чему сводятся к минимуму потери на перезарядку входной емкости. С помощью операционного усилителя и резистора обратной связи фототок превращается в выходное напряжение со значительным усилением мощности. Рабочий участок фотодиода в таком режиме, который называют "фотоэлектрическим", представлен слева на рис. 6.1 отрезком 2. Наклон его определяется номиналом резистора обратной связи . Ёмкость обратной связи вводят в схему (рис. 6.4) для компенсации сдвига фаз и коррекции частотной характеристики сенсора].

Рис. 6.4. Схема включения фотодиода в фотоэлектрическом режиме

В случае если требуется максимальное быстродействие, то фотодиод используют в режиме фотопроводимости, в котором на него подается большое обратное напряжение смещения. Это приводит к значительному расширению обедненной зоны возле -области и к уменьшению собственной емкости фотодиода. При этом нужно помнить, что при этом возрастают и темновой ток, и собственный дробовой шум фотодиода. Типичная схема включения фотодиода в таком режиме показана на рис. 6.4.

Рис. 6.5. Схема включения фотодиода в режиме фотопроводимости

Соответствующий рабочий участок представлен слева на рис. 6.1 отрезком 3, наклон которого, как и в предыдущей схеме, определяется номиналом резистора обратной связи . В случае если данный номинал не слишком велик, то напряжение на фотодиоде меняется мало. Фотосенсор, собранный по такой схеме, может работать на частотах в сотни мегагерц.

Микроэлектронная технология позволила формировать на небольших кристаллах кремния фотодиоды вместе с интегральными схемами усиления фототока, обеспечивая не только высокое быстродействие, но и весьма высокую чувствительность.

Устройство слежения за движущимся источником света / Хабр

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

Светодиоды и фотодиоды

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 светодиода выполняется через гасящий резистор. Рабочий ток указывается в справочниках. Длительное превышение рабочего тока приводит неисправности светодиода. Пример расчета гасящего резистора и схема включения светодиода найдётся здесь: Применение резисторов. Если вы знакомы с электроникой, микропроцессорами (или хотите с этими темами познакомиться), то рекомендую книгу Как 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 название фотодиодный режим.

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

tz-5133.narod.ru

Схемы включения фотодиода

Механика Схемы включения фотодиода
просмотров - 382

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. Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, 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, в связи с этим пульсируют фото-ЭДС и ток в цепи фотодиода. Переменная составляющая напряжения на нагрузке Rнфявляется напряжением входного сигнала, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ 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, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ является обратным напряжением электронно-дырочного перехода. При отсутствии светового потока через фотодиод протекает очень малый ток - ϶ᴛᴏ 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, в связи с этим 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 принято называть входной цепью, и какие бывают виды схем входа?

2. Нарисовать и объяснить схемы включения звукоснимателя.

3. Нарисовать и объяснить схемы включения микрофона.

4.Почему нужно 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.

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.

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

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.