Как сделать фотодиод из светодиода
Обновлено: 06.07.2024
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.
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…
Недавно на каком-то сайте (может даже на этом) я прочитал удивительную вещь: оказывается, светодиод можно использовать как фотодиод, если включить его в обратной полярности! Проверить было очень легко - мультиметр показывал, что сопротивление действительно падает, если на светодиод посветить. Что ж, прекрасно. С фотодиодами или фоторезисторами пока работать не доводилось - честно говоря, понятия не имею, какие покупать, но руки-то чешутся! Возникало море идей, от попытки "поймать" частоту мерцания ламп накаливания и проверить, заметно ли меньше мерцают галогенки, до передачи аудиосигнала, а то и цифровых данных, по лазерному каналу. Первое, кстати, я в тот же вечер реализовал на Ардуино, заодно попрактиковавшись строить графики сигналов в EasyPlot, а до последнего руки так и не дошли (пока). Зато есть нечто промежуточное: давно хотел попрактиковаться с операционными усилителями, и вообще с аналоговыми сигналами, и новый осциллограф потестить. Значит, будем "ловить" мерцание лампочек, и усиливать его.
После вечера-другого мучений, на свет родилась следующая схема:
Печатной платы, кстати, не будет - схема имеет исключительно образовательную ценность, до смешного проста, и так и просит о какой-нибудь доработке, полосовом фильтре, например. Поэтому собирать её рекомендую на макетной плате (которая по-английски называется breadboard). Экономит кучу времени, помимо прочего.
Выглядит это всё вот так:
Теперь о работе схемы. Напряжение с делителя 10МОм/светодиод (примерно 2В из 9) подаётся на операционный усилитель, включенный в качестве повторителя. При этом напряжение на выходе в точности равно напряжению на входе, но выходное сопротивление уже не десяток мегаом, а равно таковому у операционного усилителя (десятки - сотни Ом). Без этого номиналы всех остальных резисторов пришлось бы подбирать так, чтобы они не нарушали работу схемы, а теперь об этом можно не думать. Можно было бы и по-другому сделать, конечно, но речь не об этом.
Следующая стадия - уже усилитель, коэффициент усиления которого определяется величиной отрицательной обратной связи. R5 и R7 эту обратную связь и образуют. Только в отличие от классической схемы, рисуемой в учебниках,
Здесь R7 идёт не на землю, а на делитель напряжения на двух резисторах, выдающих примерно 4,5В. Таким образом выходной сигнал будет колебаться не около нуля (что приведёт к "обрезанию" всего, что ниже нуля. то есть примерно нижней половины колебаний - из-за того, что ОУ при однополярном включении не может выдавать отрицательного напряжения), а около половины напряжения питания. Такое же напряжение (постоянное) будет поддерживаться резистором R4 на неинвертирующем ("плюсовом") входе. В итоге постоянное напряжение на обоих входах ОУ равно - это важно! Но на неинвертирующий вход подаётся сигнал, который и будет усиливаться, при номиналах указанных на рисунке - примерно в 60 раз. Теперь это уже можно посмотреть на любом осциллографе, или померять мультиметром амплитуду переменного напряжения. Но гораздо интереснее подключить сюда наушники или колонки. Через разделяющий конденсатор, конечно.
У схемы есть одно приятное свойство - номиналы здесь совершенно несущественны! Можно брать практически любые, какие есть, но поддерживая хотя бы примерно их соотношение между собой. Кстати, самое сложное (если это слово вообще здесь уместно) - подобрать подходящий светодиод. Они, как оказалось, отличаются по параметрам: красный сильно шумел, а ультрафиолетовый вообще отказывался реагировать на свет. Можно поэспериментировать, и с номиналами тоже.
Как должно быть видно на видео, в итоге можно услышать свет настольной лампы - это гул частотой 100Гц. ЭСЛ-ка "шумит" сильнее, чем галогенка из-за встроенного генератора высокой частоты. Но сильнее всего шумел китайский светодиодный фонарик, включенный в половинную мощность (есть у него такой режим). Эта самая половинная мощность реализуется с помощью ШИМ, простыми словами - за счёт мерцания с частотой порядка килогерца. Вот так, после того, как узнаешь - совершенно очевидно, а до этого сам бы не догадался, как это реализовано.
Обычно светозависимые резисторы ( LDR)s) и фотодиоды используются в качестве датчиков освещенности для активации или деактивации цепей в зависимости от наличия или отсутствия света. Но обычный прозрачный светодиод также можно использовать вместо LDR или фотодиода. Вот простая схема, которая использует прозрачный красный светодиод в качестве датчика освещенности, который включает белый светодиод, когда красный светодиод гаснет. Обычные прозрачные светодиоды функционируют как излучатели света и детекторы света. Они обнаруживают узкую полосу длин волн света и их прямое смещение pn-перехода, генерируя напряжение около 1 В с минутным током 0,030 мА при воздействии яркого солнечного света. Таким образом, светодиод также может быть использован в качестве датчика освещенности, как фотодиод. Светодиоды обнаруживают гораздо более узкую полосу света, имеющую пиковую чувствительность на длине волны, немного меньшей, чем длина волны, которую они излучают. Например,
Схема и работа
Принципиальная схема светодиода в качестве датчика освещенности показана на рис. 1. Он построен на основе операционного усилителя CA3140 (IC1), транзисторов BC547 (T1) и BC337 (T2).
Рис. 1: Принципиальная схема светодиода в качестве датчика освещенности. Схема использует CA3140 с высоким коэффициентом усиления для усиления слабого тока, генерируемого светодиодом в присутствии солнечного света. CA3140 — это высокопроизводительный операционный усилитель BIMOS с частотой 4,5 МГц, имеющий входы MOSFET и биполярный выход. Защищенные затвором МОП-транзисторы во входной цепи обеспечивают очень высокий входной импеданс, обычно около 1,5 тОм. Для этого требуется очень низкий входной ток (до 10 пикоампер), чтобы изменить свое выходное состояние. Таким образом, даже без внешнего смещения, IC1 работает хорошо. В данном случае прозрачный светодиод 1 и его малый ток будут смещать IC1 при воздействии света. В схеме прозрачный красный светодиод 1 соединен в режиме обратного смещения с резистором смещения R1. IC1 подключен как простой преобразователь тока в напряжение. Это трансимпедансный усилитель с резистором R2 для установки обратной связи по току. Поэтому, когда солнечный свет падает на LED1, он генерирует минутный обратный ток, который удерживает напряжение на инвертирующем входе IC1 немного выше. Это поддерживает низкий уровень IC1. В результате T1 и T2 остаются выключенными, чтобы выключить белый светодиод2. Когда LED1 горит, обратный ток прекращается, и внезапно IC1 переключает свой выход в высокое состояние. Это включает T1, а затем T2. Белый светодиод2, подключенный к коллектору Т2, включается.
Сборка и тестирование
Схема односторонней печатной платы фактического размера для схемы показана на рис. 2, а компоновка ее компонентов на рис. 3. Соберите схему на плате и поместите в подходящую коробку. Рис. 2: Расположение печатной платы фактического размера светодиода в виде цепи датчика освещенности. Рис. 3: Компонентное расположение печатной платы.
Загрузите PDF-файлы для печатных плат и компонентов: нажмите здесь
Датчик освещенности LED1 должен быть высоким, ярким, прозрачным 5мм красным светодиодом. Прозрачные зеленые и белые светодиоды также хорошо работают, но красные светодиоды показывают большую чувствительность к окружающему свету. Свет от белого LED2 не должен падать на красный датчик LED1. Вместо белого светодиода можно использовать реле для включения нагрузки переменного тока, чтобы схема функционировала как автоматический ночник. Схема работает от 9В батареи.
Как применять фоторезисторы, фотодиоды и фототранзисторы
Датчики бывают совершенно разными. Они отличаются по принципу действию, логике своей работы и физическим явлениям и величинам на которые они способны реагировать. Датчики света используются не только в аппаратуре автоматического управления освещением, они используются в огромном количестве устройств, начиная от блоков питания, заканчивая сигнализациями и охранными системами.
Содержание статьи
Основные виды фотоэлектронных приборов. Общие сведения
Фотоприёмник в общем смысле – это электронный прибор, который реагирует на изменение светового потока падающего на его чувствительную часть. Они могут отличаться, как по своей структуре, так и принципу работы. Давайте их рассмотрим.
Фоторезисторы – изменяют сопротивление при освещении
Фоторезистор – фотоприбор изменяющий проводимость (сопротивление) в зависимости от количества света падающего на его поверхность. Чем интенсивнее освещенность чувствительной области, тем меньше сопротивления. Вот его схематическое изображение.
Состоит он из двух металлических электродов, между которыми присутствует полупроводниковый материал. Когда световой поток попадает на полупроводник, в нём высвобождаются носители заряда, это способствует прохождению тока между металлическими электродами.
Энергия светового потока тратится на преодоление электронами запрещенной зоны и их переходу в зону проводимости. В качестве полупроводника у фоторезисторов используют материалы типа: Сульфид Кадмия, Сульфид Свинца, Селенит Кадмия и другие. От типа этого материала зависит спектральная характеристика фоторезистора
Интересно:
Спектральная характеристика содержит информацию о том, к каким длинам волн (цвету) светового потока наиболее чувствителен фоторезистор. Для некоторых экземпляров приходится тщательно подбирать излучатель света соответствующей длины волны, для достижения наибольшей чувствительности и эффективности работы.
Фоторезистор не предназначен для точного измерения освещенности, а, скорее, для определения наличия света, по его показаниям можно определить светлее или темнее стала окружающая среда. Вольт-амперная характеристика фоторезистора выглядит следующим образом.
На ней изображена зависимость тока от напряжения при различных величинах светового потока: Ф – темнота, а Ф3 – это яркий свет. Она линейна. Еще одна важная характеристика – это чувствительность, она измеряется в мА(мкА)/(Лм*В). Что отражает, сколько тока протекает через резистор, при определенном световом потоке и приложенном напряжении.
Темновое сопротивление – это активное сопротивление при полном отсутствии освещения, обозначается Rт, а характеристика Rт/Rсв – это кратность изменения сопротивления от состояния фоторезистора в полном отсутствии освещения к максимально освещенному состоянию и минимально возможному сопротивлению соответственно.
У фоторезисторов есть существенный недостаток – его граничная частота. Это величина описывает максимальную частоту синусоидального сигнала, которым вы моделируете световой поток, при которой чувствительность снижается на 1.41 раз. В справочниках это отражается либо значением частоты, либо через постоянную времени. Она отражает быстродействие приборов, которое обычно занимает десятки микросекунд – 10^(-5) с. Это не позволяет использовать его там, где нужно высокое быстродействие.
Фотодиод – преобразует свет в электрический заряд
Фотодиод – элемент, который преобразует свет, попадающий на чувствительную зону, в электрический заряд. Это происходит потому что при облучении в p-n переходе протекают различные процессы связанные с движением носителей заряда.
Если на фоторезисторе изменялась проводимость из-за движения носителей заряда в полупроводнике, то здесь происходит образование заряда на границе p-n перехода. Он может работать в режиме фотопреобразователя и фотогенератора.
По структуре он такой же, как и обычный диод, но на его корпусе есть окно для прохождения света. Внешне они бывают в различных исполнениях.
Фотодиоды с черным корпусом воспринимают только ИК-излучение. Черное покрытие – это что-то похожее на тонировку. Фильтрует ИК-спектр, чтобы исключить возможность срабатывания на излучения других спектров.
У фотодиодов, как и у фоторезисторов есть граничная частота, только здесь она на порядки больше и достигает 10 МГц, что позволяет обеспечить неплохое быстродействие. P-i-N фотодиоды обладают большим быстродействием – 100МГц-1ГГц, как и диоды на основании барьера Шоттки. Лавинные диоды имеют граничную частоту в порядка 1-10 ГГц.
В режиме фотопреобразователя такой диод работает как ключ управляемый светом, для этого его подключают в цепь в прямом смещении. То есть, катодом к точке с более положительным потенциалом (к плюсу), а анодом к более отрицательному (к минусу).
Когда диод не освещается светом – в цепи протекает только обратный темновой ток Iобрт (единицы и десятки мкА), а когда диод освещен к нему добавляется фототок, который зависит только от степени освещенности (десятки мА). Чем больше света – тем больше ток.
Фототок Iф равен:
где Sинт – интегральная чувствительность, Ф – световой поток.
Типовая схема включения фотодиода в режиме фотопреобразователя. Обратите внимание на то, как он подключен – в обратном направлении по отношению к источнику питания.
Другой режим – генератор. При попадании света на фотодиод на его выводах образуется напряжение, при этом токи короткого замыкания в таком режиме равняются десятки ампер. Это напоминает работу элементов солнечной батареи, но имеют малую мощность.
Фототранзисторы – открываются от количества падающего света
Фототранзистор – это по своей сути биполярный транзистор у которого вместо вывода базы есть в корпусе окошко для попадания туда света. Принцип работы и причины этого эффекта аналогичны с предыдущими приборами. Биполярные транзисторы управляются количеством тока протекающего через базу, а фототранзисторы по аналогии управляются количеством света.
Иногда на УГО еще дополнительно изображается вывод базы. Вообще напряжения на фототранзистор подают также как и на обычный, а второй вариант включения – с плавающей базой, когда базовый вывод остаётся незадействованным.
В схему включают фототранзисторы подобным образом.
Или меняют местами транзистор и резистор, смотря, что конкретно вам нужно. При отсутствии света через транзистор протекает темновой ток, который образуется из тока базы, который вы можете задать сами.
Задав необходимый ток базы, вы можете выставить чувствительность фототранзистора подбором его базового резистора. Таким образом, можно улавливать даже самый тусклый свет.
В советское время радиолюбители делали фототранзисторы своими руками – делали окошко для света, спилив обычному транзистору часть корпуса. Для этого отлично подходят транзисторы типа МП14-МП42.
Из вольтамперной характеристики видна зависимость фототока от освещения, при этом он практически не зависит от напряжения коллектор-эмиттер.
Области применения фотоэлектронных приборов
В первую очередь следует рассмотреть более привычные варианты их применения, например автоматическое включение света.
Схема, изображенная выше – это простейший прибор для включения и выключения нагрузки при определенной освещенности. Фотодиод ФД320 При попадании на него света открывается и на R1 падает определенное напряжение, когда его величина достаточна для открытия транзистора VT1 – он открывается, и открывает еще один транзистор – VT2. Эти два транзистора – это двухкаскадный усилитель тока, необходим для запитки катушки реле K1.
Диод VD2 – нужен для гашения ЭДС-самоиндукции, которое образуется при переключениях катушки. На подводящий контакт реле, верхний по схеме, подключается один из проводов от нагрузки (для переменного тока – фаза или ноль).
У нас есть нормально замкнутый и разомкнутый контакты, они нужны либо для выбора включаемой цепи, либо для выбора включить или отключить нагрузку от сети при достижении необходимой освещенности. Потенциометр R1 нужен для подстройки прибора для срабатывания при нужном количестве света. Чем больше сопротивление – тем меньше света нужно для включения схемы.
Вариации этой схемы используют в большинстве подобных приборов, при необходимости добавляя определенный набор функций.
Кроме включения нагрузки по освещенности подобные фотоприемники используются в различных системах контроля, например на турникетах метро часто используют фоторезисторы для определения несанкционированного (зайцем) пересечения турникета.
В типографии при обрыве полосы бумаги свет попадает на фотоприемник и тем самым даёт сигнал оператору об этом. Излучатель стоит по одну сторону от бумаги, а фотоприемник с обратной стороны. Когда бумага рвётся, свет от излучателя достигает фотоприемника.
В некоторых видах сигнализации используются в качестве датчиков входа в помещение излучатель и фотоприемник, при этом, чтобы излучение не были видны используют ИК-приборы.
Касаемо ИК-спектра, нельзя упомянуть о приемнике телевизора, на который поступают сигналы от ИК-светодиода в пульте дистанционного управления, когда вы переключаете каналы. Специальным образом кодируется информация и телевизор понимает, что вам нужно.
Информация таким образом ранее передавалась через ИК-порты мобильных телефонов. Скорость передачи ограничена, как последовательным способом передачи, так и принципом работы самого прибора.
В компьютерных мышках также используется технология связанная с фотоэлектронными приборами.
Применение для передачи сигналов в электронных схемах
Оптоэлектронные приборы – это приборы которые объединяют в одном корпусе излучатель и фотоприемник, типа описанных выше. Они нужны для связи двух контуров электрической цепи.
Это нужно для гальванической развязки, быстрой передачи сигнала, а также для соединения цепей постоянного и переменного тока, как в случае управления симистором в цепи 220 В 5 В сигналом с микроконтроллера.
Они имеют условно-графическое обозначение, которое содержит информацию о типе используемых внутри оптопары элементов.
Рассмотрим пару примеров использования таких приборов.
Управление симистором с помощью микроконтроллера
Если вы проектируете тиристорный или симисторный преобразователь вы столкнетесь с проблемой. Во-первых, если переход у управляющего вывода пробьет – на пин микроконтроллера попадет высокий потенциал и последний выйдет из строя. Для этого разработаны специальные драйверы, с элементом, который называется оптосимистор, например MOC3041.
Обратная связь с помощью оптопары
В импульсных стабилизированных блоках питания необходима обратная связь. Если исключить гальваническую развязку в этой цепи, тогда в случае выхода из строя каких-то компонентов в цепи ОС, на выходной цепи возникнет высокий потенциал и подключенная аппаратура выйдет из строя, я не говорю о том, что и вас может ударить током.
В конкретном примере вы видите реализацию такой ОС из выходной цепи в обмотку обратной связи (управляющую) транзистора с помощью оптопары с порядковым обозначением U1.
Выводы
Фото- и оптоэлектроника это очень важные разделы в электроники, которые значительно улучшили качество аппаратуры, её стоимость и надёжность. С помощью оптопары можно исключить использование развязывающего трансформатора в таких цепях, что уменьшает массогабаритные показатели. Кроме того некоторые устройства просто невозможно реализовать без таких элементов.
Читайте также: