Оптические датчики. Фоторезисторы в схемах на МК

March 19, 2011 by admin Комментировать »

Фоторезисторы изготавливают из полупроводниковых материалов, которые изменяют своё сопротивление в зависимости от степени освещённости. Основное их отличие от других фотоэлектрических приборов заключается в высокой стабильности параметров и линейности изменения сопротивления в достаточно широком диапазоне. Последнее свойство позволяет использовать фоторезисторы не только в цифровой автоматике, но и в аналоговой технике, например, в качестве гальванически изолированных регуляторов громкости звука.

Фоторезисторы являются относительно инерционными элементами с гораздо более низким (единицы килогерц) быстродействием по сравнению с фотодиодами и фототранзисторами. После резких перепадов освещённости, их сопротивление изменяется не скачком, а «плывёт» в течение некоторого времени. Это надо учитывать в практической работе и выдерживать для адаптации к свету небольшие паузы. Насколько «небольшие», подскажет эксперимент.

В зависимости от спектральной чувствительности фоторезисторы делятся на две большие группы: для работы в видимой и инфракрасной части спектра. Электрические схемы включения у них совпадают (Рис. 3.44, а…м). Единственное, что надо предварительно узнать по даташиту, — это максимально допустимое рабочее напряжение. В частности, на фоторезисторы СФ2-5, СФЗ-4А/Б, СФЗ-5 нельзя подавать питание больше, чем 1.3…2 В. Подавляющее же большинство фоторезисторов могут работать при напряжениях 5…50 В. Их темновое сопротивление составляет 1…200 МОм, а в освещенном состоянии — на два-три порядка меньше.

Рис. 3.44. Схемы подключения фоторезисторов к МК {начало)-.

а)        резисторы /?У, образуют делитель напряжения. При освещении фоторезистора /?Уего сопротивление уменьшается. Резистор J служит защитой на случай полного замыкания под- строечного резистора и ошибочного перевода линии МКв режим выхода с ВЫСОКИМ уровнем. Если резистор R2 постоянный, то резистор R3 можно заменить перемычкой;

б)        повышение чувствительности за счёт параллельного включения двух фоторезисторов. Конденсатор CI снижает помехи, вызванные паразитной модуляцией светового потока или импульсными скачками внешней освещённости;

в)        подключение фоторезистора /?2к МК с привязкой к общему проводу, а не к цепи питания. При освещении фоторезистора R2 напряжение на входе МК снижается;

 

 

 Рис. 3.44. Схемы подключения фоторезисторов к МК (продолжение):

г) экономичное «реле Турченкова» на германиевых транзисторах VTI, К72 разной проводимости. Резистором уста на вливают порог срабатывания;

д) фоторезистор RI определяет ток базы транзистора УТ1, поскольку он входит в верхнее плечо делителя RI, R2. Следует установить движок переменного резистора в такое положение, чтобы ток базы транзистора УТ1 не превысил норму при яркой освещённости фоторезистора;

е)  в исходном состоянии фоторезистор /?2освещён, транзистор УТ1 закрыт, светодиод НИ погашен. Когда уровень освещённости фоторезистора понизится до определённого порога (регулируется резистором R3), то транзистор открывается, светодиод загорается и на входе МК устанавливается НИЗКИЙ уровень;

ж)  регистратор коротких вспышек света или приёмник импульсно-модулированных сигналов. Транзистор VTI находится в режиме отсечки. Конденсатор С/устраняет ложные срабатывания от медленных изменений освещённости фона, например, при смене дня ночью;

з) транзистор VTI повышает чувствительность фотодатчика R2, что позволяет использовать обычную линию порта МК, а не только вход АЦП. Резистор задаёт положение рабочей точки транзистора УТ1\

и)  если оба фоторезистора R2, освещены, то на входе МК присутствует НИЗКИЙ уровень (регулируется резистором R1). Если один (любой) из фото рези сто ров будет затемнён, то суммарное «фотосопротивление» резко увеличится и на входе МК появится ВЫСОКИЙ уровень. Фоторезисторы выполняют логическую функцию «световое И»;

Рис. 3.44. Схемы подключения фоторезисторов к МК {окончание):

к) резистором R3 регулируют порог срабатывания ОУ DAI (компаратор напряжений). Сопротивление резистора R2 выбирается примерно таким же, как RI в «неактивном» состоянии. При значительном удалении фоторезистора следует экранировать его соединительные провода;

л) конденсаторы С/, С2 повышают стабильность измерений, устраняют импульсные помехи и создают небольшой гистерезис при резких колебаниях освещённости;

м) внутренний аналоговый компаратор МК используется для оценки уровня освещённости. Используется метод сравнения измеряемого напряжения с «пилой», которую вырабатывает сам МК на отрицательном выводе компаратора (линия входа временно становится выходом).

 

Фотодиоды в схемах на МК

Фотодиоды относятся к классу полупроводниковых приборов, в основе работы которых лежит внутренний фотоэффект При облучении /?—А7-перехода фотонами возникает генерация носителей тока внутри полупроводника. Изменение тока эквивалентно изменению сопротивления, что легко зафиксировать и измерить.

Фотодиоды широко применяются для регистрации световых излучений. Их достоинство, по сравнению с фоторезисторами и фототранзисторами, заключается в высоком быстродействии и хорошей чувствительности.

Различают два основных режима работы фотодиодов:

•    диодный (фотодиодный, фоторезисторный) с обратным смещением;

•     генераторный (фотогальванический, фотовольтаический) без смещения.

Диодный режим используется чаще и характеризуется широким диапазоном

изменения обратного сопротивления и хорошим быстродействием. Генераторный режим имеет следующие недостатки: большая эквивалентная ёмкость и высокая инерционность. Достоинство — малый уровень собственных шумов.

Фотодиоды выпускают фирмы: Vishay, OSRAM, Hamamatsu Photonics, «Кварц» и др. Типовые параметры: длина волны 850…950 нм, токовая чувствительность 10…80 мкА, ширина диаграммы направленности 15…65°, время нарастания/спада 2… 100 нс, рабочая температура -55…+ 100°С. Чувствительность фотодиодов снижается с повышением температуры и напряжения. Темновой ток возрастает в 2…2.5 раза на каждые 10°С, из-за чего в схему часто вводят термокомпенсацию.

На Рис. 3.45, а…ж показаны схемы непосредственного подключения фотодиодов к МК. На Рис. 3.46, а…е показаны схемы с усилителями на транзисторах. На Рис. 3.47, а…о — с усилителями на микросхемах.

 

а)        фотодиод ^L/соединяется с общим проводом, в связи с чем при его освещении напряжение на входе МК уменьщается. Резистором RI регулируется чувствительность. Конденсатор С/ устраняет помехи от паразитной модуляции светового потока;

б)       соединение фотодиода BLI с цепью питания. Нажатие переключателя SI имитирует освещенное состояние фотодиода при тестовых проверках;

в)        повыщение общей чувствительности за счёт параллельного включения нескольких фотодиодов BLI…Bin. Фотодиоды выполняют логическую функцию «световое ИЛИ»;

г) параллельное включение нескольких фотодиодов с привязкой к общему проводу;

д)        последовательное включение фотодиодов по схеме «световое И». Позволяет обнаружить момент затемнения одного из нескольких освещенных фотоприёмников на конвейере;

е)  последовательное включение нескольких фотодиодов с привязкой к общему проводу;

ж)        мостовая схема включения фотодиода BLI, обладающая повыщенной чувствительностью и гистерезисом {R6). Требуется предварительное симметрирование моста резистором R3.

 

а)  фотодиод BL1 замещает базовый резистор транзисторного усилителя;

б)  мигающий светодиод НИ служит … фотоприёмником. В исходном состоянии НИ генерирует электрические (не световые!) импульсы с частотой «мигания» около 2 Гц. При внешнем освещении генерация срывается, что и фиксирует МК через транзистор VTI\

в)  ключ на транзисторе VT1 повышает помехоустойчивость и увеличивает крутизну фронтов сигнала от фотодатчика BLL Конденсатор С/ устраняет помехи от колебаний освещённости;

г)  оптоизолированный частотный смеситель. На вход МК поступает сигнал с разностной «световой» частотой модуляции «/, -/2» от двух светодиодов HL1 (/j) и HL2{f2). Контур/1 / должен быть настроен на разностную частоту;

д)  повышение чувствительности за счёт параллельного включения двух фотодиодов ВИ, BL2. Транзистор VTI находится в отсечке и не реагирует на медленный дрейф освещённости;

е)  вместо ОУ DAI можно использовать аналоговый компаратор МК. Скорость приёма «лазерного» фотодиода — до 5 Мбит/с по оптоволоконному кабелю длиной Юм… 1 км.

 

а)  использование прецизионного усилителя DA1 (фирма Analog Devices) для обеспечения долговременной стабильности сигналов от фотодатчика BLI\

б)  нестандартное включение ИК-светодиода НИ в качестве фотоприёмника инфракрасного диапазона длин волн. Резистором регулируется усиление каскада на ОУ DAI\

в) усилитель-формирователь на «телевизионной» микросхеме DA1. Резистором регулируется чувствительность фотодатчика BLI\

г) двухполярное питание ОУ DA /. Конденсатор CI устраняет «звон» на фронтах сигнала, возникающий при резкой смене освещённости. Это стандартный приём и для других схем;

д) для уменьщения внещних помехтрансимпедансный усилитель DA 1.2(это преобразователь «ток-напряжение») охвачен обратной связью через интегратор DAI.3. Питание на ОУ подаётся от выходной линии МК. Опорное напряжение 0.5 В формирует повторитель DAL /;

 

Рис. 3.47. Схемы подключения фотодиодов к М К через усилители на микросхемах

{продолжение):

е) фотодиоды ВЦ, 5L2 должны освещаться поочерёдно, иначе их суммарное сопротивление может получиться столь низким, что сработает перегрузка по току источника питания;

ж)  конденсатор С2 устраняет «звон» при большой собственной ёмкости фотодиода ВИ\

з)  измеритель цвета на фотодиоде BL1 (фирма Advances Photonics), который имеет «колоко- лообразную» чувствительность в диапазоне 150…400 нм. Перемычкой ^S/задаётся усиление;

и) стабильные параметры фотоприёма в инфракрасном диапазоне обеспечиваются прецизионной микросхемой Z)/1/ (фирма Analog Devices), фильтром С4, R4…R6 и стабилитроном VDI.

к) связка «усилитель-детектор-формирователь» на ОУ DAI с регулировкой порога {R6)\О

 

Рис. 3.47. Схемы подключения фотодиодов к МК через усилители на микросхемах

(окончание):

л) компаратор на микросхеме DA1 обеспечивает высокую чувствительность и помехоустойчивость. Резистором J регулируется «световой» порог под конкретный тип фотодиода BL1\

м) резистором регулируется чувствительность и выставляется рабочая точка логического элемента DDI (желательно с характеристикой триггера Шмитта, например, К561ТЛ2);

н) BL1 — трёхцветный RGB-сенсор (фирма Laser Components), DAI — четырёхканальный трансимпедансный усилитель (фирма Promis Electro Optics). Один из четырёх аналоговых каналов усилителя не используется. Сигналы с выходов М К задают режимы работы и усиление DA1\ о) высокочувствительный регистратор фото- или радиационного излучения на специализированном pin-фотодиоде ВИ (подобные изготавливаются фирмой Hamamatsu Photonics). Элемент DA 1.1 выполняет функцию трансимпедансного, а DA1.2 — обычного усилителя сигналов.

Фототранзисторы в схемах на МК

Фототранзистор — это фоточувствительный полупроводниковый прибор, по структуре подобный биполярному или полевому транзистору. Разница заключается в том, что в его корпусе предусмотрено прозрачное окно, через которое световой поток попадает на кристалл. В отсутствии внешнего освещения, транзистор закрыт, ток коллектора ничтожно мал. При попадании лучей света на/?—А7-переход базы, транзистор открывается и резко возрастает его коллекторный ток.

Фототранзисторы, в отличие от фоторезисторов, обладают высоким быстродействием, а в отличие от фотодиодов — усилительными свойствами (Табл. ЗЛО).

Таблица 3,10, Сравнение параметров фотодиодов и фототранзисторов

 

Фототранзистор, в первом приближении, можно представить в виде эквивалентного фотодиода, включённого параллельно коллекторному переходу обычного транзистора. Коэффициент усиления фототока прямо пропорционален /7213. следовательно, во столько же раз чувствительность фототранзистора выше, чем у фотодиода.

Главным параметром, за которым надо следить при разработке схем на фототранзисторах, является коллекторный ток. Чтобы не превысить его норму, надо ставить в коллекторе/эмиттере достаточно большие сопротивления.

Фототранзисторы выпускают фирмы: Vishay, Kingbright, Avago Technologies и др. Типовые параметры: длина волны 550…570 или 830…930 нм, ток коллектора в освещенном состоянии 0.5… 10 мА, угол половинной чувствительности 15…60°, время нарастания/спада 2…6 мкс, рабочая температура —55…+ 100°С, проводимость п—р—п.

Существуют двух- и трёхвыводные фототранзисторы. Различаются они между собой в первую очередь отсутствием/наличием отвода от базы.

В двухвыводных фототранзисторах извне имеется доступ только к коллектору и эмиттеру. Это затрудняет стабилизацию рабочей точки и делает фотоприбор зависимым от температуры окружающей среды, особенно при слабом освещении.

Двухвыводные фототранзисторы и малогабаритные фотодиоды визуально похожи как «близнецы-братья». Выяснить, «что есть что», помогает прозвонка выводов омметром. Испытательное напряжение на его зажимах должно быть не менее 0.7 В. Если сопротивление в одном направлении значительно больше, чем в другом, значит это фотодиод. Если большое сопротивление прозванивается в двух направлениях, значит это фототранзистор (или вышедший из строя фотодиод).

Трёхвыводные фототранзисторы встречаются реже двухвыводных. Для их подключения применяют обычную транзисторную схемотехнику, а именно, стабилизируют рабочую точку при помощи делителей на резисторах, вводят обратные связи, термокомпенсацию и т.д.

На Рис. 3.48, а…е показаны схемы непосредственного подключения фототранзисторов к МК. На Рис. 3.49, а…з показаны схемы с транзисторными усилителями, на Рис. 3.50, а…г — с усилителями на микросхемах.

 

Рис. 3.48. Схемы непосредственного подключения фототранзисторов к МК:

а)  фототранзистор 5L/ включается по схеме усилителя с общим эмиттером. Допускается его работа в режиме микротоков коллектора (большое сопротивление резистора RI), но при этом ухудшается температурная стабильность. Вместо входа АЦП МК часто используют обычную цифровую линию порта с пороговой фиксацией состояния «есть свет»/«нет света»;

б)  параллельное включение фототранзисторов BL1, 5L2 увеличивает световую чувствительность. Фототранзисторы выполняют логическую функцию «ИЛИ» для сигналов от разных источников света. Конденсатор С/ снижает импульсные помехи. Запараллеленных фототранзисторов может быть больше, чем два;

в)  фотоприёмник импульсных и модулированных световых сигналов. На медленные изменения освешённости устройство не реагирует из-за разделительного конденсатора С/. Вместо резистора можно использовать внутренний «pull-up» резистор МК;

г)  фототранзистор BLI включается по схеме эмиттерного повторителя. Конденсатор С/ снижает импульсные «световые» помехи и мошные электрические наводки, которые могут «просачиваться» на вход МК, когда фототранзистор находится в закрытом состоянии;

д)  втрёхвыводном фототранзисторе BLI отвод базы используется для организации обратной связи через транзистор VTI. Фильтр RI, С1 блокирует сигналы светового потока с частотой модуляцией ниже 100 Гц (для устранения срабатывания датчика от «мерцания» ламп накаливания);

е)  конденсатор С/ и транзистор VT1 организуют «световой ФВЧ» для подавления сигналов светового потока с частотой модуляции ниже 80 Гц. Это препятствует прохождению на вход МК помех, вызванных «мерцанием» ламп накаливания сети 50 Гц.

 

а)  входной узел «светового пистолета» от игровой видеоприставки «Dendy». Фототранзистор BL1 направляется на экран телевизора. Резистором /?2 регулируют дальность приёма;

б)  полевой транзистор VTI осуществляет согласование сопротивлений RI и R2\

в) двухкаскадный усилитель на транзисторах разной проводимости КГ/, КТ’2 обеспечивает повышенную чувствительность фотодатчика ВИ\

г) улучшенный вариант фотодатчика для «светового пистолета» с авто подстрой кой под разную яркость фона. Элементы VTI, R1, R2, образуют динамический стабилизатор тока;

д)  резистором R2 побирается такое положение, чтобы транзистор VTI был открыт при отсутствии освещения фототранзистора BLL Конденсатор С1 фильтрует помехи;

е)  триггер Шмитта на полевых транзисторах VTI, КТ’2 определяет порог срабатывания фотодатчика BL1. Конденсатор С1 устраняет импульсные «световые» помехи;

ж)  диоды VD1, повышают помехоустойчивость усилителя на транзисторе VTI\0

 

з) трёхкаскадный усилитель на транзисторах КГ/… с визуальной индикацией приёма посылок от инфракрасного датчика ^L/ светодиодом HL1.

Рис. 3.50. Схемы подключения фототранзисторов к МК через усилители на микросхемах:

а)        фототранзисторный датчик BLI с интегральным компаратором DAI wc широким диапазоном регулирования параметров при помощи двух переменных резисторов R2, R3\

б)       триггер Шмитта на логической микросхеме DZ)/улучшает помехоустойчивость и увеличивает крутизну фронтов сигналов, поступающих от фоготранзистора ВИ\

в)       фототранзистор ^L/для повышения точности срабатывания подключается к внешнему интегральному компаратору DA1. Конденсатор С/ увеличивает крутизну фронтов сигналов;

г)        полосовой фильтр на микросхеме тонального декодера DA / (фирма National Semiconductor) обрабатывает им пул ьсно-модулированные световые сигналы, принимаемые фототранзистором BLI. Центральная частота фильтра определяется по формуле /^„[кГц] = 1 / (/?2[кОм]-С4[мкФ]). Полоса пропускания фильтра обратно пропорциональна ёмкости конденсатора С2. Резистором /?/устанавливается оптимальный уровень входного сигнала для DAI в диапазоне 100…200 мВ.

 

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты