Как проверить фотодиод: Как проверить диод мультиметром: полная инструкция

Как проверить ИК-приёмник?

Проверка приёмника инфракрасного сигнала

Как известно, ИК-приёмник представляет собой специализированную микросхему. Это осложняет его проверку. Но, несмотря на это проверить ИК-приёмник можно. Для этого понадобятся кое-какие приспособления. А именно:

• Блок питания. Желательно, чтобы блок питания был стабилизированный с выходным напряжением 5 вольт. Можно с успехом использовать самодельный блок питания с регулируемым выходным напряжением.

• Цифровой мультиметр. Подойдёт любой цифровой мультиметр с возможностью измерения постоянного напряжения.

• Любой исправный пульт дистанционного управления (ДУ).

Перед тем как начать проверку ИК-модуля необходимо определить цоколёвку его выводов. Если этого не сделать, то можно «спалить» ИК-модуль. Если к вам в руки попал неизвестный ИК-приёмник, то не стоит торопиться с его подключением. Для начала нужно внимательно осмотреть его со всех сторон и найти его маркировку. Далее по маркировке находим даташит на данную модель ИК-приёмника на сайте

alldatasheet.com или через поиск Гугла. О том, как это сделать читайте здесь. Как правило, в даташите есть рисунок с указанием цоколёвки. Разобраться по нему легко.

Для модели приёмника TSOP31236, на котором и будут проводиться испытания, цоколёвка имеет следующий вид.

Вывод под номером 1 — это вывод общего провода (GND). К этому выводу подключается минусовой провод блока питания. Вывод под номером 2 — это плюсовой вывод (Vs). К нему подключается плюсовой провод блока питания. Вывод под номером 3 — это выход сигнала приёмника (OUT).

Если необходимое оборудование подготовлено, а цоколёвка выводов ИК-приёмника определена, то собираем проверочную схему. Собирать проверочную схему лучше на беспаечной макетной плате. Это займёт пару минут. Если беспаечной макетной платы нет, то придётся спаять проверочную схему навесным монтажом.

Итак, собираем или паяем проверочную схему. Плюсовой вывод от блока питания (+5 V) подключаем к плюсовому выводу ИК-модуля (Vs), минус – к минусовому выводу ИК-приёмника (GND). А третий вывод ИК-приёмника (OUT) подключаем к плюсовому (красному) щупу мультиметра. Минусовой (чёрный) щуп мультиметра подключаем к общему проводу (GND) проверочной схемы. Мультиметр переключаем в режим измерения постоянного напряжения (DC) на предел 20 V.

Методика проверки.

Тем, кто уже узнал, что такое ИК-приёмник известно, что пока на ИК-приёмник не попадает излучение от пульта ДУ, на его выходе присутствует напряжение практически равное напряжению его питания. То есть 5 вольт. Оно не измениться до тех пор, пока на чувствительный фотодиод приёмника не начнут попадать «пачки» инфракрасных импульсов от пульта ДУ. На фото видно, что на выходе (OUT) ИК-приёмника 5,03 вольт.

Суть проверки заключается в том, чтобы проверить изменение напряжения на выходе ИК-модуля при попадании на него инфракрасного излучения от любого пульта ДУ.

Как только на фотодиод ИК-приёмника начнут падать пачки инфракрасных импульсов от пульта ДУ, то напряжение на его выходе будет падать. В теории оно должно падать практически до нуля, но поскольку мультиметр не успевает среагировать на изменение напряжения, то он будет показывать падение напряжения на несколько сотен милливольт. Напомним, что сигнал пульта ДУ имеет форму пачек импульсов. Именно поэтому рядовой мультиметр и не успевает отразить на дисплее столь быстрые изменения напряжения на выходе модуля.

Жмём на любую кнопку пульта ДУ и не отпускаем. При этом будет видно, как на дисплее мультиметра значение напряжения упадёт с 5,03 вольт до 4,57. Напряжение на выходе уменьшилось на 460 милливольт (mV).

Если отпустить кнопку пульта ДУ, то на дисплее значение напряжения вновь восстановиться до 5 вольт.

Как видим, приёмник инфракрасного сигнала исправно реагирует на сигнал с пульта ДУ. Значит ИК-модуль исправен. Аналогичным образом можно проверить и другие приёмники инфракрасного сигнала в модульном исполнении.

Думаю, понятно, что если ИК-приёмник не реагирует на сигналы с пульта ДУ и на его выходе напряжение не меняется ни на милливольт, то с большой степенью вероятности можно утверждать о том, что ИК-приёмник неисправен. На практике проводилась проверка ИК-приёмника HS0038 взятого из цветного телевизора, который сгорел во время грозы. Так вот, при проверке ИК-приёмника оказалось, что на его выходе отсутствует напряжение даже в «ждущем» режиме, а ток потребления равен 0. ИК-модуль оказался сгоревшим (скорее всего из-за превышения напряжения питания более 6 вольт).

Среди инфракрасных приёмников серии TSOP и аналогичных есть так называемые низковольтные экземпляры. В своей маркировке они имеют цифру 3. Представителем такого низковольтного ИК-модуля является TSOP

31236. Данный ИК-приёмник работает уже при напряжении питания 3 вольта.

Если проверяется низковольтный экземпляр ИК-приёмника (например, такой как TSOP31236), то на ИК-модуль можно подать напряжение питания как в 3 вольта, так и в 5 вольт. Методика проверки такого ИК-приёмника аналогична описанной.

При проверке приёмников инфракрасного сигнала стоит помнить, что любой из них имеет в своём составе фильтр. Фильтр этот настроен на определённую частоту, обычно лежащую в диапазоне 30-40 килогерц. Но на практике в руки может попасть и ИК-модуль с частотой настройки фильтра и 56, и 455 килогерц (мало ли ). Так вот, инфракрасный сигнал от рядового пульта такой приёмник может быть и будет принимать, но на выходе сигнала не будет. Почему? Потому что пульт ДУ будет излучать сигнал промодулированный частотой, например, 36 килогерц, а приёмник настроен на приём сигнала, промодулированный частотой в 455 килогерц. Понятно, что в таком случае сигнал просто не пройдёт через фильтр.

Для широко распространённых ИК-приёмников серии TSOP и аналогов частота настройки фильтра обычно составляет 36; 36,7 и 38 килогерц. Они хорошо принимают сигнал практически от любого пульта ДУ, взятого от бытовой электроники. И даже если частота фильтра не совсем совпадает с частотой модуляции сигнала от пульта ДУ, сигнал будет приниматься. Иногда для этого требуется всего лишь ближе поднести пульт к ИК-приёмнику.

Главная &raquo Радиоэлектроника для начинающих &raquo Текущая страница

Также Вам будет интересно узнать:

 

Диоды и фотодиоды | Техника и Программы

Любой стрелочный (аналоговый) омметр позволяет проверить прохождение тока через диод (или фотодиод) в прямом направлении — когда «+» тестера приложен к аноду диода. Обратное включение исправного диода эквивалентно разрыву цепи.

Цифровым прибором в режиме омметра проверить переход не удастся. Поэтому у большинства современных цифровых муль- тиметров есть специальный режим проверки р-п-переходов (на переключателе режимов он отмечен знаком диода). Такие переходы есть не только у диодов, но и фотодиодов, светодиодов, а также транзисторов. В этом режиме «цифровик» работает как источник стабильного тока величиной 1 мА (такой ток проходит через контролируемую цепь) — что совершенно безопасно. При подключенном контролируемом элементе прибор показывает напряжение на открытом р-п-переходе в милливольтах: для германиевых 200…300 мВ, а для кремниевых 550…700 мВ. Измеренное значение может быть не более 2000 мВ.

Высоковольтные диодные столбы таким способом проверить не удастся, так как они состоят из многих последовательно включенных диодов. Суммарное падение напряжения на переходах может составлять десятки вольт. Для их контроля потребуется источник питания с напряжением большим, чем падение напряжения на переходах, рис. 6.5 (обычно достаточно от источника 30…40 В).

Рис. 6.5. Схема подключениядля проверки высоковольтных диодов

Для фотодиода простая проверка р-п-перехода тестером не позволяет выявить такой довольно редкий дефект, как потеря фоточувствительности (бывает вызвано старением). Убедиться в работоспособности такого элемента можно путем засветки его мощной лампой (60…100 Вт) с расстояния 10…20 см и измерения на выводах напряжения фотоЭДС цифровым вольтметром, которое сравниваем с заведомо исправным фотодиодом.

Рис. 6.7. Схема подключения для проверки любого стабилитрона (a) и стабистора (б) к источнику напряжения

а)                     б)

Максимальный ток стабилизации можно узнать по справочнику — его превышать нельзя. Большинство распространенных стабилитронов имеют номинальный ток стабилизации 1,..30 мА, но начинают стабилизировать напряжение уже при минимальном токе в 0,5… I мА.

Удобнее всего проверятьстабилитроны, если у вас есть источник стабилизированною тока — нужно всего 1… 10 мА. При 1 мА

Стабилитроны и стабисторы

Как вы знаете, стабилитрон — это тот же диод, но с более точной (нормированной) обратной характеристикой. Большинство из них и проверяются какдиоды. Но не все исправные стабилитроны удастся прозвонитьтестером (мультиметром). Например, симметричные и прецизионные имеют особенности внутреннего строения, показанные на рис. 6.6, не позволяющие это сделать. Для их проверки потребуется источник напряжения, уровень которого превышает напряжение стабилизации хотя бы на 1/3. К источнику стабилитрон подключается через добавочный токоограничивающий резистор (Ro) с номиналом 1…2 кОм, рис. 6.7.

Рис. 6.6. Внутреннее строение стабилитронов: а — обычный, б — прецизионный, в — симметричный

можно проверять практически любой стабилитрон. В этом случае стабилитрон или стабистор подключается прямо к источнику тока (добавочный резистор не ставится) — на исправном элементе будет номинальное напряжение стабилизации, которое лучше измерять цифровым вольтметром.

Источник: Радиолюбителям: полезные схемы. Книга 6. — M / СОЛОН-Пресс, 2005. 240 с.

Схема устройств на фотодиоде » Паятель.Ру

Фотодиоды применяются в различных устройствах автоматики, в системах дистанционного управления. Возьмем, например, фотодиод ФД320 (такие фотодиоды можно купить в магазинах, торгующих деталями для телевизоров). Как и любой диод его можно проверить при помощи мультиметра, — можно определить его анод и катод. Но, заметьте, как будут меняться показания мультиметра, если перемещать фотодиод, подключенный к мультиметру из света в тень и обратно, или посветить на его линзу (или светочувствительную поверхность) лампой.

В большинстве схем, в том числе, и в схемах дистанционного управления фотодиоды включают в обратном направлении, — катодом к плюсу, а анодом к минусу. Это называется фоторезисторным включением. В темноте обратное сопротивление фотодиода очень велико, а при освещении оно уменьшается Это можно использовать для управления чем-то в зависимости от силы света.

На рисунке 1 показана схема очень простого фотореле. Фотодиод VD1 вместе с переменным резистором R1 образует делитель напряжения. Причем, сопротивление фотодиода уменьшается пропорционально силе света. Значит, напряжение на базе транзистора VT1 будет расти, если на фотодиод посветить, например, карманным фонариком.

В определенный момент транзистор VT1 откроется, а за ним откроется и VT2. А это приведет к подаче тока на обмотку реле К1, — контакты реле переключатся. Если источник света выключить (или накрыть чем-то фотодиод), напряжение на базе VT1 упадет, и транзисторы закроются, а реле выключится.

Резистор R1 переменный, чтобы с его помощью можно было регулировать чувствительность фотореле например, так чтобы фотореле не реагировало на обычный комнатный свет, но уверенного переключалось, если на фотодиод посветить фонариком или лазерной указкой.

Таким фотореле можно пользоваться и как простой системой дистанционного управления, а карманный фонарик или лазерная указка будут играть роль пульта управления

Рис.2
В схеме очень немного деталей. На рисунке 2 схематически показан внешний вид и расположение выводов фотодиода ФД320, транзисторов КТ3102, КТ814, и электромагнитного реле типа WJ118-1C.

Фотодиод ФД320 с пластмассовой линзой — корпусом. Вместо него можно использовать другой фотодиод, например, ФД263 или ФД320 без линзы. В любом случае, перед монтажом желательно проверить, где анод, а где катод фотодиода при помощи мультиметра (как проверяют обычные диоды), а так же убедиться в его реакции на свет.

Реле то же может быть другим, но желательно чтобы его обмотка имела сопротивление не ниже 200 Оm и была рассчитана напряжение 10-15V. На рисунке 2 реле показано, как бы, повернутым выводами к вам, так же изображен и транзистор КТ3102Е, а фотодиод повернут к вам линзой.

Собрав схему (рис. 1) поверните ручку переменного резистора R1 так, чтобы было максимальное сопротивление (вниз, по схеме) Расположите схемку так. чтобы на фотодиод не попадал прямой свет из окна или от настольной лампы Собирая схему не перепутайте полярность подключения фотодиода. Подключите питание (не перепутайте полярность). Реле не должно щелкнуть. Если щелкнуло, поверните ручку R1 так. чтобы реле выключилось

А теперь, вооружившись карманным фонариком или лазерной указкой, переходите к экспериментам. При освещении линзы фотодиода (или светочувствительной поверхности) реле должно включаться.

Рис.3
На рисунке 3 показана схема дистанционного выключателя, которым можно управлять с помощью карманного фонарика или лазерной указки. Здесь два фотодиода.

Чтобы включить реле нужно посветить на VD2, а чтобы выключить — на VD1. Чувствительность включающего и выключающего фотодиодов можно настроить подстроенными резисторами R2 и R1.

На микросхеме D1 (К561ЛА7) сделан RS-триггер, от состояния которого зависит включено реле или выключено. Если посветить на VD2, его сопротивление уменьшится, а напряжение на входах D1.2 увеличится до уровня логической единицы. На выходе D1.2 появится ноль, и триггер на элементах D1.3-D1.4 переключится в такое состояние, когда на выходе D1.4 логическая единица. Эта единица откроет ключ на VT1, а он подаст ток на обмотку реле. После выключения света триггер останется в таком положении, и реле будет включено.

Чтобы выключить реле нужно посветить на VD1. Это изменит состояние триггера и на выходе D1 3 будет ноль. Ключ на VT1 закроется, а реле выключится. В таком состоянии схема останется и после выключения источника света.

Таким образом, — нужно включить реле, светите на VD2, нужно выключить, — на VD1. Практически все детали расположены на печатной плате из фольгированного стеклотекстолита дорожки только с одной стороны.

Расстояние между фотодиодами около 5 см, этого достаточно для управления с помощью небольшого карманного фонарика или лазерной указки.

Настройка

Налаживание, если все детали исправны и нет ошибок в монтаже, сводится только к установке чувствительности фотодиодов подстроечными резисторами R1 и R2.

Работая с выключателем нужно его располагать так, чтобы на линзы или рабочие поверхности фотодиодов не попадал прямой свет из окна или от настольной лампы.

При управлении фонариком дальность будет около 2-3 метров, а если пользоваться лазерной указкой, ночью, и настроить фотодиоды на максимальную чувствительность, можно получить дальность в 20-30 метров. Днем такую дальность получить невозможно, — влияет солнечный свет и приходится устанавливать чувствительность ниже.

Реле и фотодиоды, — такие же, как в схеме на рисунке 1. Микросхему К561ЛА7 можно заменить на К1561ЛА7, К176ЛА7. Расположение выводов КТ815 такое же. как у КТ814.

Как определить, насколько чувствителен фотодиод?

Как определить, насколько чувствителен фотодиод?

В техническом описании вашего устройства есть кривая, которая говорит вам именно это:

В сочетании с линией в таблице характеристик, которая показывает, что чувствительность составляет 0,55 А / Вт при 850 нм, это дает вам чувствительность на любой длине волны, которую вы используете.

(Примечание: в области оптической связи мы бы назвали это кривой чувствительности , а не кривой чувствительности . Для нас чувствительность — это мера минимального обнаруживаемого сигнала)

если у кого-то есть хорошие идеи для фотодиодов ближнего инфракрасного диапазона (800-850 нм), которые являются чрезвычайно чувствительными, поэтому имеют большой диапазон от небольшого количества света, что мне и нужно.

Стандартные штыревые фотодиоды не могут давать более одной пары носителей на поглощенный фотон, поэтому вы не найдете ни одного с существенно более сильным откликом, чем этот.

Если вы работаете на одной конкретной длине волны, вы можете найти или заказать ее с антибликовым (AR) покрытием для этой длины волны и получить почти 25% улучшение чувствительности (на основе спецификации квантовой эффективности 80%). для этого устройства). Это увеличит стоимость.

Некоторые другие решения:

Как уже говорили другие, вы можете использовать лавинный фотодиод (APD), который имеет внутренний процесс усиления тока для эффективного повышения чувствительности выше 1 пары несущих на фотон. Однако это требует очень тщательно контролируемого смещения высокого напряжения, что увеличит стоимость вашей системы.

Или, если ваша проблема заключается в фокусировке светового луча на небольшую область устройства, вы можете использовать устройство большего размера (которое будет медленнее и будет дороже).

Наконец, решение, которое еще не было предложено в другом ответе: вы можете быть уверены, что ваш источник света выбран в соответствии с длиной волны пиковой чувствительности вашего O / E.

Еще один комментарий: страница Mouser, на которую вы ссылаетесь, называет это фототранзистором , но таблица данных Osram просто называет его фотодиодом, и его чувствительность типична для фотодиодов, а не фототранзисторов. Другой способ получить внутреннее усиление в устройстве — использовать реальный фототранзистор. Я не использую эти устройства регулярно, но я ожидаю, что они могут быть относительно медленными по сравнению с обычными фотодиодами.

Как проверить светодиод мультиметром — прозвонка тестером и другие способы

Светодиоды (СД) широко применяются в электротехнике. Используются в промышленном и бытовом освещении, а также в качестве индикаторов и подсветки. Они значительно надежней других источников света, но также могут становиться неработоспособными.

У вас может возникнуть вопрос – как проверить светодиодную лампочку? Существует ряд методов, позволяющих проверить рабочее состояние СД. Остановимся на них более подробно.

Проверка мультиметром

Каждый светодиод обладает своими техническими характеристиками. К ним относится мощность, значение светового потока, величина тока и напряжения. В инструкции изготовителя обязательно указано напряжение, которое зависит от материала и цвета. Например, значение данного параметра у красных СД равняется 1,5–2 В, у зеленых – 1,9–4 В, белых – приблизительно 3–3,5 В. Эти значения возможно проверить при помощи прибора мультиметра.

Мультиметр

Чтобы испытать работоспособность светодиода мультиметром, необходимо сделать следующее:

• Переключить тумблер прибора в режим проверки диода;
• Подсоединить контактную часть мультиметра к светодиоду;
• Проверяйте полярность СД. Контактная часть красного цвета присоединяется к аноду, а черная – к катоду. Если подключение правильное – LED засветится. Если неправильное – значения показаний прибора не изменятся.

Чтобы зафиксировать свечение СД, необходимо уменьшить освещение до минимума. Если такая возможность отсутствует, придерживайтесь значения показаний мультиметра. Оно составит показание, отличное от 1.

Проверить светодиод мультиметром можно еще проще. Для этого необходимо прозванивать СД. В приборе имеется опция проверки транзисторов. Для секции PNP катод вставьте в отверстие С, а анод в Е. Наглядное изображение приведено на рисунке ниже.

Как проверить светодиод мультиметром

Как проверить подручными материалами?

Также можно испытать исправность СД, применив led-tester, в способе работы которого используется принцип подачи питания на светодиод батарейки крона или нескольких пальчиковых, имеющих параллельное соединение.

Ненужное зарядное устройство может послужить вам для проверки неисправности LED. Для создания такого тестера для проверки светодиодов вам придется отсечь штекер подсоединения к телефону и зачистить контакт. Используя красный провод в качестве плюса, подключите его к аноду, а черный (минус) подсоедините к катоду. В случае достаточного напряжения светодиод загорится.

Для испытания более мощных диодов вам может послужить обычный фонарик, точнее, его зарядное устройство. С его помощью можно проверить исправность светодиодных ламп или светодиодную ленту.

Проверка исправности СД в фонаре

Для этого нужно разукомплектовать фонарь, отсоединив плату со светодиодами. Используем tester, снабженный щупами, которые подсоединены к разъему PNP. Необходимость в выпаивании LED с платы отсутствует, поскольку для проверки светодиодных ламп достаточно прикоснуться щупом непосредственно к микросхеме. Единственное, что нужно учитывать – полярность.

Неисправный СД можно вычислить с помощью замера сопротивления в схеме. Если прозвонка дала нулевое значение этого параметра в параллельном подключении LED, можно сделать вывод, что как минимум один из СД поврежден. Затем можно использовать любой из приведенных нами способов по проверке.

Как самостоятельно сконструировать щуп?

Когда возникла необходимость срочно проверить светодиод тестером, а укомплектованного прибора нет под рукой, можно изготовить его самостоятельно. Для этого необходимо несколько игл и луженый провод диаметром 0,2 мм. Его можно изъять из многожильного кабеля. Плотно обматываем вокруг иглы провод и запаиваем. Рекомендуем воспользоваться никелированной иглой. В этом случае паять будет проще.

Инфракрасные СД

Наверняка у каждого человека в квартире имеется как минимум один пульт дистанционного управления. Рано или поздно приходит день, когда пульт перестает выполнять свои функции (передача сигнала в фотоприемник). После проверки батареек наиболее вероятной причиной повреждения может стать неисправный светодиод.

Протестировать инфракрасный LED можно следующим образом. Поверните дистанционный пульт СД в сторону фотоаппарата. Для этого подойдет любой гаджет с фотокамерой. Инфракрасное излучение невозможно увидеть, но при использовании этих устройств ситуация в корне поменяется. В случае работоспособности светодиода на экране появится кратковременное свечение фиолетового оттенка.

Свечение инфракрасного светодиода

Еще один тестер светодиодов, главным элементом которого является инфракрасный фотодиод – осциллограф. При попадании инфракрасного излучения на поверхность фотоэлемента на его выходе создается напряжение. Для проверки СД его необходимо подсоединить к открытому входу осциллографа. Затем следует направлять его излучение на чувствительную зону фотодиода.

Работоспособный LED покажет импульсы на мониторе осциллографа.

Тематические статьи по фотонике

Детекторы от компании Thorlabs Фотодиоды Принцип работы Фотодиод – быстродействующее линейное устройство, которое обладает высокой квантовой эффективностью, и генерирует фототок, когда свет поглощается в обедненной области полупроводникового перехода. На рис. 1 представлена эквивалентная схема, отражающая принцип работы фотодиода. Рис.1 Эквивалентная схема фотодиода Уровень выходного тока фотодиода определяется по формуле:  Основные понятия Чувствительность фотодиода определяется как отношение генерируемого фототока (IPD) к мощности (P) падающего излучения на заданной длине волны. Режимы работы (Фотодиодный и Фотогальванический) Фотодиоды могут работать в двух режимах: фотогальваническом (без внещнего источника эдс) и фотодиодном (с подачей на p- n- переход обратного смещения от внешнего источника эдс). Выбор режима работы зависит от требований к быстродействию и допустимого значения темнового тока (ток обратно смещенного p-n перехода) Фотодиодный режим В фотодиодном режиме используется источник питания, который смещает фотодиод в обратном направлении (фотодетекторы DET серии от компании Thorlabs). При этом через фотодиод течет обратный ток, пропорциональный падающей мощности излучения. Приложение напряжения обратного смещения расширяет обедненный слой, что приводит к уменьшению емкости перехода и обеспечивает линейность отклика. Работа в фотодиодном режиме характеризуется большими значениями темнового тока. Его величина зависит от материала полупроводника. Фотогальванический режим В фотогальваническом режиме фотодиод работает без внешнего источника питания (напряжение обратного смещения отсутствует). Принцип действия фотодиода в этом режиме основан на фотогальваническом эффекте. В таком режиме он может работать в качестве датчика или в качестве элемента питания (солнечной батареи). В фотогальваническом режиме темнового тока принимает минимальные значения. Темновой ток Темновой ток – это ток утечки, который растет при увеличении напряжения обратного смещения. При работе в фотодиодном режиме наблюдаются более высокие значения темнового тока, которые зависят от температуры окружающей среды. При увеличении температуры на 10 °C величина темнового тока увеличивается примерно в 2 раза, а шунтирующее сопротивление удваивается при увеличении температуры на 6 °C. Чем выше напряжение смещения, тем меньше емкость перехода, но тем больше величина темнового тока. Темновой ток также зависит от материала полупроводника и размера активной области. Например, у кремниевых фотодиодов значения темнового тока значительно ниже, чем у германиевых. В таблице ниже представлены различные полупроводниковые материалы и их относительные значения темнового тока, чувствительности, быстродействия и стоимости. Материал Темновой ток Быстродействие Спектральный диапазон Стоимость Кремний (Si) Низкий Высокое Видимый – Ближний ИК Низкая Германий (Ge) Высокий Низкое Ближний ИК Низкая Фосфид галлия (GaP) Низкий Высокое УФ — Видимый Средняя Арсенид галлия-индия (InGaAs) Низкий Высокое Ближний ИК Средняя Антимонид арсенида индия (InAsSb) Высокий Низкое Ближний – Средний ИК Высокая Кадмий-ртуть-теллур (MCT, HgCdTe) Высокий Низкое Ближний – Средний ИК Высокая Емкость перехода Емкость перехода (Cj) является важной характеристикой фотодиода и имеет большое влияние на быстродействие и ширину полосы пропускания фотоприемника. Следует отметить, что емкость p-n перехода зависит от его площади и ширины (она тем больше, чем больше площадь перехода). Приложение напряжения обратного смещения приводит к увеличению ширины обедненного слоя, и таким образом к уменьшению емкости и росту быстродействия. Ширина полосы пропускания и отклик Нагрузочное сопротивление (RLOAD) и емкость перехода влияют на частотную характеристику фотодетектора. Ширину полосы пропускания (fBW) и время нарастания (tr) можно оценить по формулам: Эквивалентная мощность шума (NEP) Эквивалентная мощность шума (NEP) это среднеквадратическое значение генерируемого напряжения, когда отношение сигнал/шум равно единице. Данная величина характеризует способность детектора регистрировать слабые световые сигналы. Эквивалентная мощность шума возрастает при увеличении площади активной области и определяется по формуле: , где S/N – отношение сигнал/шум, Δf — ширина шумовой полосы частот, Incident Energy – энергия светового потока (единицы измерения Вт/см2). Согласованное нагрузочное сопротивление Нагрузочное сопротивление используется для преобразования генерируемого фототока в напряжение (VOUT): В зависимости от типа фотодиода сопротивление нагрузки может повлиять на скорость отклика. Для обеспечения оптимальной ширины полосы пропускания компания Thorlabs рекомендует использовать коаксиальный кабель (50 Ом) с терминатором на 50 Ом. Это минимизирует паразитные затухающие колебания благодаря согласованной нагрузке. Если ширина полосы пропускания не важна, то выходное напряжение можно увеличить путем увеличения нагрузки (RLOAD). При несогласованной нагрузке длина коаксиального кабеля может иметь большое влияние на отклик фотодетектора, поэтому рекомендуется использовать короткий кабель. Шунтирующее сопротивление Шунтирующее сопротивление – это сопротивление несмещенного перехода. Идеальный фотодиод будет иметь бесконечное шунтирующее сопротивление, но реальные приборы имеют сопротивление порядка 10 Ом – 1000 МОм, значение которого зависит от материала фотодиода. Например, InGaAs детекторы обладают шунтирующим сопротивлением порядка 10 МОм, тогда как сопротивление Ge детектора составляет несколько кОм. Это может существенно повлиять на уровень шума, но для большинства приложений высокое сопротивление оказывает незначительное влияние и им можно пренебречь. Последовательное сопротивление Последовательное сопротивление определяется сопротивлением полупроводникового материала. Оно пренебрежимо мало, и его влиянием в большинстве случаев можно пренебречь. Последовательное сопротивление возникает благодаря контактам и проводным соединениям фотодиода. В основном оно используется для определения линейности фотодиода при нулевом смещении. Стандартные схемы детекторов Рис.2 Схема детекторов с обратно смещенным диодом (детекторы DET серии) На рис.2 представлена схема, отражающая принцип работы детекторов DET серии с обратно смещенным фотодиодом. Величина генерируемого фототока зависит от светового потока и длины волны излучения. При подключении нагрузочного сопротивления данную величину можно наблюдать с помощью осциллографа. Функция RC-фильтра заключается в подавлении высокочастотного шума источника питания. Рис.3 Схема детектора с усилителем При использовании схемы фотоприемников с усилителем пользователь может выбирать режим работы фотодиода (фотогальванический или фотодиодный). Каждый режим обладает своими преимуществами: — Фотогальванический режим: в фотогальваническом режиме к диоду не прикладывается напряжение, и потенциал на входе A операционного усилителя равен потенциалу в точке B. При работе в таком режиме темновой ток пренебрежимо мал. — Фотодиодный режим: в фотодиодном режиме к p-n переходу приложено напряжение обратного смещения, что уменьшает емкость перехода и увеличивает полосу пропускания. Усиление зависит от резистора обратной связи (Rf). Ширина полосы пропускания детектора определяется по формуле: , где GBP – это произведение коэффициента усиления на ширину полосы пропускания ОУ, CD – сумма емкости перехода и усилителя. Частота модуляции Спектральная плотность шума большинства детекторов, включая PbS, PbSe, HgCdTe (MCT) и InAsSb, имеет зависимость вида 1/f (шум уменьшается при увеличении частоты), что оказывает значительное влияние на постоянную времени в области низких частот. Таким образом, частота модуляции (скорость изменения интенсивности) излучения оказывает влияние на чувствительность прибора. Оптимальные значения характеристик фотоприемника достигаются при частоте:   Срок службы батареи При использовании фотодетектора, работающего от батареи, важно понимать, каков срок службы аккумулятора и как он влияет на работу детектора. Выходной ток детектора прямо пропорционален потоку падающего излучения. Большинство пользователей преобразуют этот ток в напряжение с помощью согласованной нагрузки. Величина сопротивления приблизительно равна коэффициенту усиления схемы. Для высокоскоростных детекторов, например, таких как DET08, необходимо использовать нагрузку с сопротивлением 50 Ом для согласованности с импедансом стандартных коаксиальных кабелей. Это позволит уменьшить обратные отражения и улучшить качество выходного сигнала. Срок службы батареи напрямую зависит от тока в детекторе. Большинство производителей батареек выражают срок службы батарейки в мА*ч (миллиампер-час). Например, если аккумулятор рассчитан на 190 мА*ч, он будет работать в течении 190 ч при потреблении тока 1. 0 мА. Пусть источник, излучение которого падает на детектор, работает на длине волны 780 нм со средней мощностью 1мВт. Чувствительность детектора на данный длине волны 0.5 А/Вт. Фототок можно рассчитать по формуле: Таким образом срок службы батареи равен: или 16 дней непрерывной работы. При уменьшении средней мощности падающего излучения до 10 мкВт, срок службы той же батарейки увеличится до 4 лет непрерывной работы. При использовании рекомендуемой согласованной нагрузки в 50 Ом, фототок (0.5 мА) преобразуется в напряжение:Если величина мощности падающего излучения уменьшится до 40 мкВт, то выходное напряжение станет равно 1 мВт. Для некоторых измерительных устройств, данное значение может оказаться слишком маленьким, поэтому необходимо искать компромисс между сроком службы батареи и точностью проводимых измерений. При использовании детекторов на батарейках необходимо использовать излучение малой интенсивности, учитывая минимально необходимый уровень напряжения. Также важно помнить, что батарейка перестанет производить ток не сразу, как только приблизится к концу срока своей службы. Сначала напряжение батарейки упадет, и электрический потенциал, прикладываемый к фотодиоду уменьшится. А это в свою очередь приведет к увеличению времени отклика детектора и уменьшению ширины полосы пропускания. Таким образом, важно убедиться, что батарейка обеспечивает достаточное напряжение для оптимальной работы детектора. Для задач, в которых детекторы DET серии, облучаются непрерывно источником достаточно высокой мощности, или постоянная замена батарей является неприемлемой, компания Thorlabs предлагает адаптер DET1B и источник питания. Недостатком этого варианта является шум, который добавится к выходному сигналу и может увеличить погрешность измерений. PbS и PbSe детекторы Детекторы на основе сульфида свинца (PbS) и селенида свинца (PbSe) широко используются для регистрации излучения в диапазоне от 1000 до 4800 нм. Тогда как фотодиод генерируют ток под воздействием света, у фоторезистора при облучении изменяется величина сопротивления. Хотя PbS и PbSe детекторы можно использовать при комнатной температуре, температурные флуктуации будут оказывать воздействие на темновое сопротивление, чувствительность и быстродействие прибора. Принцип работы При поглощении света в фотопроводящем материале возникают избыточные носители заряда, приводящие к увеличению проводимости и уменьшению сопротивления. Изменение сопротивления приведет изменению величина измеряемого напряжения. На рис. представлена схема, отражающая принцип работы детекторов на основе фотопроводящих материалов. Следует отметить, что представленная схема не рекомендуется для применения на практике из-за присутствия низкочастотных шумов. Механизм детектирования основан на проводимости тонкой пленки светочувствительного элемента. Сигнал на выходе детектора при отсутствии падающего излучения определяется уравнением: Изменение напряжения на выходе ΔVOUT происходит из-за изменения сопротивления ΔRDark, когда свет попадает на активную область датчика: Частотная характеристика Для детекторов зависимость чувствительности от частоты модуляции света имеет вид: , где fc – частота модуляции, R0 – чувствительность при частоте 0 Гц, τr– время нарастания. Воздействие температуры Светочувствительный элемент PbS и PbSe детекторов представляет собой тонкую пленку на стеклянной подложке. Форма и активная область фотопроводящего элемента меняются в зависимости от условий эксплуатации, таким образом изменяя и другие характеристики. В частности, чувствительность детектора будет изменяться в зависимости от рабочей температуры. Охлаждение детектора сместит спектральный диапазон чувствительности в область более длинных волн. Для получения оптимальных результатов рекомендуется использовать представленные детекторы в условиях контроля параметров окружающей среды. Схема детектора на основе фотопроводящего материала с усилителем Из-за шумовых характеристик предпочтительнее включение фоторезистора в цепь переменного тока. При включении фоторезистора в цепь постоянного тока шум, обусловленный приложенным напряжением, будет увеличиваться с ростом напряжения, таким образом, ограничивая чувствительность детектора. Для поддержания стабильности характеристик и получения высоких значений коэффициента усиления сигнала необходимо использовать предусилитель. Согласно схеме (рис. выше), операционный усилитель (ОУ) стремится сравнять потенциалы в точках A и B с помощью контура обратной связи. Разница напряжений на входе ОУ усиливается и передается на выход. Следует отметить, что высокочастотный фильтр на входе усилителя не пропускает сигнал постоянного тока. Кроме того, нагрузочное сопротивление должно быть равно темновому сопротивлению детектора, чтобы обеспечить получение максимального сигнала. Величина напряжения источника питания (+V) должна быть такой, чтобы величина отношения сигнал/шум была оптимальной и приближалась к единице. Некоторые задачи требуют более высокого уровня напряжения, что приведет к увеличению уровня шума. Напряжение на выходе определяется по формуле: Отношение сигнал/шум Поскольку уровень шума детектора обратно пропорционален частоте модуляции сигнала, шум будет возрастать на малых частотах. Сигнал на выходе детектора линейно увеличивается при увеличении напряжения смещения, однако шумовые характеристики мало зависят от напряжения смещения при его низком уровне. При достижении определенного уровня напряжения смещения, шум детектора начнет линейно увеличиваться с ростом напряжения. При высоких значениях напряжения шум начнет расти экспоненциально, уменьшая отношение сигнал шум. Для обеспечения оптимального уровня сигнал/шум необходимо регулировать частоту модуляции сигнала и напряжение смещения. Темновое сопротивление Темновое сопротивление – это сопротивление детектора при отсутствии освещения. Следует отметить, что темновое сопротивление будет увеличиваться или уменьшается при изменении температуры. Охлаждение детектора будет снижать величину темнового сопротивления. Обнаружительная способность (D) и удельная обнаружительная способность (D*) Обнаружительная способность (D) — это еще одна величина, используемая для оценки эффективности фотоприемника. Обнаружительная способность характеризует чувствительность и обратно пропорциональна эквивалентной мощности шума (NEP): Чем выше значение обнаружительной способности, тем выше чувствительность, то есть детектор способен регистрировать слабые сигналы. Обнаружительная способность зависит от длины волны падающих фотонов. NEP детектора, а следовательно и его обнаружительная способность зависят от активной области, поэтому сравнение свойств двух детекторов является непростой задачей. Чтобы избавится от этой зависимости, используют удельную обнаружительную способность (D*), которая не зависит от площади детектора и используется для оценки эффективности фотоприемника. В уравнении ниже, А – площадь фоточувствительной области.  Позиционно-чувствительные детекторы Двумерные позиционно-чувствительные датчики Обзор Двумерные позиционно-чувствительные датчики позволяют измерить положение, расстояние перемещения или углы падения пучка, а также они могут использоваться в качестве обратной связи в системах юстирования, например, для контроля положения зеркал, фокусировки микроскопа, и т. д. Детектор определяет положение светового пятна на основе пропорционального распределения фототока, который генерируется в месте падения светового луча. Существует два типа двумерных позиционно-чувствительных датчиков: с двухсторонним расположением электродов и с четырехсторонним расположением электродов. Датчики с двухсторонним расположением электродов обладают резистивными слоями, нанесенными с обеих сторон подложки. Датчик имеет четыре вывода. Фототок распределяется на две входных и две выходных компоненты. Распределение выходных токов определяет положение координаты Y, а распределение входных –координаты X положения пучка. Датчики с четырехсторонним расположением электродов обладают одним чувствительным резистивным слоем, расположенным с одной стороны подложки. Такие датчики значительно дешевле датчиков с двухсторонним расположением электродов. Однако линейность отклика этих датчиков падает по мере удаления пучка от центра. Это связано с расположением анодов по периметру сенсора, особенно нелинейность заметна в углах датчика, где аноды приближаются друг к другу. Компания Thorlabs использует один из вариантов датчиков с четырехсторонним расположением электродов – датчик в форме «подушечки». Модель такого датчика представлена на рисунке сверху. Аноды перемещаются в углы датчика, фигурная форма электродов обеспечивает компенсацию искажений сигнала вблизи периметра. Такая модель обладает линейностью на уровне датчиков с двухсторонним расположением электродов, но значительно меньшей стоимостью. Принцип вычисления положения луча PDP90A детектор от компании Thorlabs оснащен схемой для вычисления Δx, Δy и суммы сигналов по формулам: Согласно этим формулам расстояние в единицах измерения длины можно вычислить с помощью уравнений: где x и y – это расстояния от центра до края сенсора, Lx и Ly – характерные размеры резистивного слоя. Для PDP90A детектора Lx = Ly = 10 мм. Следует отметить, что размеры резистивного слоя не соответствуют размерам активной области датчика. Активная область обозначена на рисунке серым цветом. Погрешность определения положения В отличие от квадрантных датчиков, где требуется перекрытие всех четырех активных областей, представленные датчики позволяют получить информацию о нахождении пучка в любой точке детектора не зависимо от формы, размера и распределения мощности в пучке. Датчик определяет положение центра пятна света до тех пор, пока пятно находится на светочувствительной области. Если часть светового пятна покидает светочувствительную поверхность, это приведет к сдвигу центра, и измерения станут ненадежными. К ошибкам в измерении положения пучка также может привести уровень внешней освещенности. Для уменьшения погрешностей измерения лучше проводить в темноте. Использование фокусирующей оптики и диафрагм, также позволит снизить ошибки, связанные с внешней освещенностью. Разрешение Разрешение позиционно-чувствительного детектора – это минимальное детектируемое смещение светового пятна на поверхности сенсора датчика. Разрешение (ΔR) зависит как от размеров резистивного слоя (Lx или Ly), так и от отношения сигнал/шум (S/N). Отношение сигнал/шум этой системы можно определить как отношение суммы выходных сигналов (Vo) к напряжению шума (en). Шум на выходе детектора PDP90A составляет <2 мВ (двойная амплитуда сигнала) или 300 мкВ (среднеквадратичное значение).  , где ΔR – разрешение, Lx – характерный размер резистивного слоя, en – шумовое напряжение на выходе детектора, Vo – сумма выходных напряжений. Для детектора PDP90A: Для получения оптимальных результатов значение Voнеобходимо увеличить до 4 В, что обеспечит разрешение детектора на уровне 0. 750 мкм. Для этого необходимо следить за суммарным выходным сигналом (SUM) сенсора и одновременно регулировать интенсивность падающего излучения, пока напряжение на выходе не станет равно 4 В. Напряжение более 4 В приведет к насыщению системы и, следовательно, к ошибкам в измерениях. С помощью поставляемого программного обеспечения можно легко осуществлять контроль уровня напряжения. Если суммарное напряжение выше уровня насыщения, то ползунок, отображающий уровень суммарного напряжения, станет красным. В этом случае необходимо уменьшить интенсивность излучения до уровня, при котором цвет ползунка станет зеленым. Данное значение будет соответствовать 4 В выходного напряжения. Позиционно-чувствительный детектор на основе квадрантных фотодиодов Сенсор такого детектора состоит из четырех идентичных квадрантных фотодиода, которые разделены зазором ~0.1 мм и вместе образуют круглую зону детектирования для определения положения падающего пучка (в формате 2D). При попадании света на сенсор фототок генерируется в каждой области (на рис. Q1, Q2, Q3 и Q4). На основе этих сигналов с помощью АЦП вычисляются разностные сигналы. Также вычисляется сумма всех четырех сигналов для нормировки. Нормированные координаты (Х, У) положения пучка определяются с помощью уравнений: Если симметричный пучок падает в центр сенсора, то система на выходе зарегистрирует 4 одинаковых фототока, т.е. разностные сигналы будут равны 0, а нормированные координаты (X, Y) = (0, 0). Фототоки изменятся, если пучок сдвинуть относительно центра. В этом случае разностные токи не будут раны 0. Детекторы на основе квадрантных фотодиодов очень точные и отлично подходят для систем автоюстировки. Однако необходимо следить за формой и распределением интенсивности в пучке, т.к. данный вид детекторов чувствителен к этим параметрам. Для пучков, распределение мощности в которых не является Гауссовым, центр будет определяется на основе распределения мощности (не геометрический центр пучка). Для таких пучков предпочтительнее использовать детекторы, описанные в предыдущем пункте. Счетчики одиночных фотонов Лавинные фотодиоды в режиме Гейгера обладают способностью детектировать одиночные фотоны. Чувствительность на уровне одиночных фотонов может быть достигнута за счет увеличения напряжения смещения выше напряжения пробоя (т. А на рис.4). Лавинный фотодиод будет оставаться в метастабильном состоянии, пока не поглотиться фотон, который приведет к генерации лавины (т. B). Эта лавина гасится с помощью активной схемы гашения в фотодиоде (т. C), которая понижает напряжение смещения до значений ниже напряжения пробоя (VBR). Рис.4: Вольтамперная характеристика лавинного фотодиода в режиме Гейгера После этого высокое значение напряжения смещения может быть восстановлено. В течении описанного процесса, которое известно как мертвое время диода, лавинный фотодиод нечувствителен к любым падающим фотонам. Когда диод находится в метастабильном состоянии, возможно спонтанное формирование лавин. Если спонтанное формирование лавин происходит хаотично, то зарегистрированный сигнал называется темновым отсчетом. Если спонтанное формирование лавин по времени коррелирует с импульсами от падающих фотонов, то такой сигнал называется послеимпульсом. Чтобы избежать регистрации послеимпульсов при проведении измерений, можно ввести дополнительное мертвое время программными средствами (с помощью ПО), что приведет к игнорированию счетчиком всех импульсов, возникших в течении этого времени. Основные характеристики и понятия Режим Гейгера В этом режиме диод работает при напряжении смещения выше напряжения пробоя. Следовательно, одна электрон-дырочная пара (сгенерированная в результате поглощения фотона или тепловых флуктуаций) может вызвать лавинный процесс. Скорость темнового счета Это средний показатель зарегистрированных отсчетов при отсутствии падающего излучения, который определяет минимальную скорость счета, при которой зарегистрированный сигнал в основном вызван реальными фотонами. Регистрация ложных фотонов в основном связана с тепловыми флуктуациями и таким образом, ее можно избежать с помощью использования охлаждаемых детекторов Активное гашение происходит, когда дискриминатор регистрирует возникновение лавинного тока и резко уменьшает напряжение смещения до значений ниже напряжения пробоя. При подготовке к регистрации следующего фотона напряжение смещения снова увеличивается до значений выше напряжения пробоя. Мертвое время – это временной интервал, который необходим детектору для восстановления состояния, при котором он может регистрировать события без искажений. В течении этого времени он не видит падающих фотонов. Часть мертвого времени, связанная с активной схемой гашения, может быть определена как отношение пропущенных фотонов к падающим. Послеимпульсы Во время лавинного процесса некоторые заряды могут быть захвачены ловушками. При освобождении эти заряды могут привести к формированию лавины. Такие «ложные события» называют послеимпульсами (Afterpulses). Время жизни таких захваченных зарядов составляет порядка нескольких десятых микросекунды. Следовательно, возникновение послеимпульсов более вероятно непосредственно после импульса от реального фотона. Основные модели фотодетекторов от компании Thorlabs В таблице представлены модели фотодетекторов от компании Thorlabs. Модели, расположенные в одной и той же строке, оснащены одинаковыми светочувствительными элементами. Примечания: aКалиброванный фотодиод bКорпус TO-46 cКорпус TO-46 + разъем FC/PC ФЭУ Принцип работы С момента появления первых коммерческих ФЭУ в 1940 году, этот вид детекторов остается одним из самых популярных при проведении экспериментов, в которых требуется малое время отклика и высокая чувствительность. Сегодня ФЭУ незаменимы при проведении исследований в области аналитической химии, физики элементарных частиц, астрономии, атомной и молекулярной физики, а также в медицине и контроле производственных процессов. Фотоэлектронные умножители (ФЭУ) – это чувствительные детекторы с высоким коэффициентом усиления, выходной ток которых пропорционален падающему излучению. ФЭУ состоит из стеклянной вакуумной трубки, в которой расположены фотокатод (фотоэмиссионный материал), 8-14 динодов (вторичная эмиссия) и анод (коллектор вторичных электронов). Если фотон с достаточно высокой энергией (т.е. с энергией больше энергии связи электронов материала фотокатода) падает на фотокатод, то он поглощается и испускается электрон (фотоэффект). Поскольку на первом диноде потенциал выше, чем потенциал на катоде (между этими элементами создается разность потенциалов), то выпущенный электрон ускоряется в электрическом поле и направляется на систему динодов, где за счет вторичной (ударной) электронной эмиссии образуют нарастающую от динода к диноду электронную лавину, поступающую на анод. Как правило, каждый динод обладает потенциалом, который на 100 – 200 В выше, чем потенциал предыдущего динода. Ток анода преобразуют в напряжение, для этого нагрузку с малым сопротивлением включают в цепь между анодом и землей. ФЭУ PMM01 и PMM02 от компании Thorlabs используют трансимпедансный усилитель (TIA) для преобразования тока анода (нА или мкА) в напряжение (мВ или В). Модули PMTSS, PMTSS2, и PMTSS2-SCM не содержат трансимпедансного усилителя. Например, если ФЭУ состоит из 8 динодов, как показано на рис. ниже и каждый электрон приводит к появлению 4 вторичных электронов, то усиление тока после системы динодов будет составлять 48 ≈ 66,000. В приведенном примере, каждый фотоэлектрон приводит к появлению лавины с зарядом Q = 48e, которая приходит на анод. Импульс напряжения при этом равен V = Q/C = 48e /C, где C – емкость анода. Если емкость равна 5 пФ, то напряжение импульса на выходе будет равно 2.1 мВ. Спектральная чувствительность При выборе ФЭУ необходимо обратить внимание на материал фотокатода, т.к. он определяет длинноволновую границу спектральной чувствительности. Коротковолновая граница определяется материалом окна. Сегодня изготавливают различные виды ФЭУ для работы в диапазоне от УФ до ИК, при этом используют различные материалы фотокатода, каждый из который предназначен для работы в определенном спектральном диапазоне. Квантовая эффективность (QE) – это величина, выражаемая в %, которая характеризует способность ФЭУ преобразовывать падающие фотоны в электроны. Например, QE равно 20%. Это означает, что один из 5 фотонов, падающих на фотокатод, приведет к появлению фотоэлектронов. Для задач счета фотонов, желательно иметь ФЭУ с высоким показателем квантовой эффективности. Поскольку QE зависит от длины волны, необходимо подобрать ФЭУ, с максимальной квантовой эффективностью в интересующем спектральном диапазоне. Следует отметить, что фотокатоды для видимой области спектра, как правило, обладают QE <30%. Вычислить квантовую эффективность ФЭУ можно по формуле: где S – это интегральная чувствительность [А/Вт], λ – длина волны [нм]. Конфигурация ФЭУ Доступны две основные конфигурации ФЭУ: входное окно располагается на торце или на боковой стенке вакуумной колбы. В случае, когда входное окно расположено на торце, ФЭУ оснащен полупрозрачными фотокатодами и характеризуется большой площадью активной области, пространственной однородностью, и более высокой производительностью в синей и зеленой областях спектра. Такая конфигурация предпочтительнее для применений, требующих широкой спектральной чувствительности, таких как спектроскопия. В ФЭУ с боковым окном используют непрозрачные фотокатоды, такая конфигурация чаще всего используется при работе в УФ и ИК диапазоне. Конфигурация с боковым окном дешевле, чем конфигурация с окном на торце, и часто используется для задач, требующих высокой квантовой эффективности, таких как сцинтилляционные измерения. 8-14 динодов располагают линейно или по кругу. При линейном расположении (как показано на рис.) ФЭУ обладает малым временем отклика, высоким разрешением и линейностью. Диноды располагаются по кругу в ФЭУ с боковым окном и в некоторых ФЭУ с торцевым окном, при этом система обладает компактными размерами и малым временем отклика. Коэффициент усиления ФЭУ – уникальны, так как способны усиливать очень слабые сигналы от фотокатода до детектируемого уровня выше шума считывания без внесения существенных помех. За усиление сигнала в ФЭУ отвечают диноды, и коэффициент усиления зависит от прилагаемого напряжения. ФЭУ может работать при напряжениях, превышающих значения, рекомендуемые производителем, обеспечивая при этом коэффициент усиления в 10-100 раз выше указанного в спецификации. При работе в таком режиме на ФЭУ не оказывается негативного влияния, если ток анода ниже предельно допустимых значений. Темновой ток В случае идеального ФЭУ, все сигналы, производимые фотокатодом, являются следствием попадания в трубку света. Однако, настоящие ФЭУ генерируют ток даже в отсутствии падающего излучения. Сигнал, генерируемый ФЭУ в отсутствии света, называется темновым током. Этот сигнал сильно снижает отношение сигнал/шум ФЭУ. Темновой ток главным образом обусловлен термоэлектронной эмиссией электронов из фотокатода и нескольких первых динодов, и в меньшей степени космическими лучами и радиацией. ФЭУ, разработанные для применений в красной области спектра, обладают более высокими значениями темнового тока, чем другие ФЭУ, за счет малых значений энергии связи электронов в фотокатодах, обладающих чувствительностью в красной области спектра. Термоэлектронная эмиссия зависит от температуры фотокатода и работы выхода, а значит охлаждение ФЭУ может значительно снизить темновой ток. При использовании ФЭУ с термоэлектрическим охлаждением следует избегать конденсации на входном окне, так как влага уменьшит количество света, падающего на фотокатод. Кроме того, необходимо избегать чрезмерного охлаждения, так как это может привести к негативным последствиям: уменьшение уровня сигнала или напряжения на катоде, т.к. сопротивление катодной пленки обратно пропорционально температуре. Время Нарастания Для экспериментов, требующих высокого временного разрешения, время нарастания должно быть коротким. Время нарастания импульса тока анода чаще всего используется в качестве характеристики быстродействия ФЭУ. В конечном счете, время нарастания импульса определяется временем распространения разных электронов. Оно отличается по нескольким причинам. Во-первых, начальные скорости вторичных электронов различаются. т.к. они выбиваются из разных по глубине мест материала динодов. Некоторые электроны вылетая обладают ненулевой начальной энергией, поэтому достигнут следующего динода за более короткое время. Время пролета электронов также будет зависеть от длины пути. В результате всех этих эффектов, время нарастания импульса анодного тока будет уменьшаться с увеличением напряжения как V-1/2. Другие факторы При работе с ФЭУ следует тщательно выбирать электронику, которая будет использоваться. Даже небольшие флуктуации высокого напряжения, прилагаемого между катодом и анодом могут сильно повлиять на выходной сигнал. Кроме того, условия окружающей среды также могут влиять на работу ФЭУ. Изменения температуры и влажности, а также вибрации негативно влияют на производительность ФЭУ. Корпус ФЭУ также имеет большое значение, он не только защищает трубку от постороннего света, но и снижает влияние внешних магнитных полей. Поле с магнитной индукцией в несколько гауссов, может уменьшить коэффициент усиления. Этого можно избежать путем использования магнитного экрана из материала с высокой магнитной проницаемостью.

Фотодатчики и их применение — Каталог статей — Каталог статей

Какие бывают фотодатчики

В различных электронных устройствах, устройствах домашней и промышленной автоматики, различных радиолюбительских конструкциях фотодатчики используются очень широко. Кто хоть раз разбирал старую компьютерную мышь, как ее называли «комовскую», еще с шариком внутри, наверняка видел колесики с прорезями, крутящиеся в щели фотодатчиков.

Подобные фотодатчики называются фотопрерывателями – прерывают поток света. С одной стороны такого датчика находится источник – светодиод, как правило, инфракрасный (ИК), с другой фототранзистор (если быть точнее, то два фототранзистора, в некоторых моделях фотодиода, чтобы определить еще и направление вращения). При вращении колесика с прорезями на выходе фотодатчика получаются электрические импульсы, что является информацией об угловом положении этого самого колесика. Такие устройства называются энкодерами. Причем энкодер может быть просто контактным, вспомните колесико у современной мышки!

Фотопрерыватели используются не только в «мышках» а и в других устройствах, например, датчиках частоты вращения какого-либо механизма. В этом случае применяется одинарный фотодатчик, ведь направление вращения определять не требуется.

Если из каких-то соображений, чаще всего для ремонта, залезть в другие устройства электронной техники, то фотодатчики можно обнаружить в принтерах, сканерах и копирах, в приводах CD дисководов, в DVD плеерах, кассетных видеомагнитофонах, видеокамерах и в другой аппаратуре.

Так какие же бывают фотодатчики, и что они из себя представляют? Просто посмотрим, не вникая в физику полупроводников, не разбираясь в формулах и не произнося непонятных слов (рекомбинация, рассасывание неосновных носителей), что называется «на пальцах», как эти фотодатчики работают.

Рисунок 1. Фотопрерыватель

Фоторезистор

С ним все понятно. Как обычный постоянный резистор имеет омическое сопротивление, направление подключения в схеме роли не играет. Только в отличие от постоянного резистора меняет сопротивление под воздействием света: при освещенности оно уменьшается в несколько раз. Количество этих «раз» зависит от модели фоторезистора, в первую очередь от его темнового сопротивления.

Конструктивно фоторезисторы представляют собой металлический корпус со стеклянным окошком, сквозь которое видна сероватого цвета пластинка с зигзагообразной дорожкой. Более поздние модели выполнялись в пластмассовом корпусе с прозрачным верхом.

Быстродействие фоторезисторов невелико, поэтому работать они могут лишь на очень низких частотах. Поэтому в новых разработках они почти не применяются. Но случается, что в процессе ремонта старой техники с ними встретиться придется.

Чтобы проверить исправность фоторезистора достаточно проверить его сопротивление с помощью мультиметра. При отсутствии освещения сопротивление должно быть большим, к примеру, у фоторезистора СФ3-1 темновое сопротивление по справочным данным 30МОм. Если его осветить, то сопротивление упадет до нескольких КОм. Внешний вид фоторезистора показан на рисунке 2.

Рисунок 2. Фоторезистор СФ3-1

Фотодиоды

Очень похожи на обычный выпрямительный диод, если бы не свойство реагировать на свет. Если его «прозванивать» тестером, лучше несовременным стрелочным, то при отсутствии освещения результаты будут те же, как в случае измерения обычного диода: в прямом направлении прибор покажет маленькое сопротивление, а в обратном стрелка прибора почти не сдвинется с места.

Говорят, что диод включен в обратном направлении (этот момент следует запомнить), поэтому ток через него не идет. Но, если в таком включении фотодиод засветить лампочкой, то стрелка резко устремится к нулевой отметке. Такой режим работы фотодиода называется фотодиодным.

Еще у фотодиода есть фотогальванический режим работы: при попадании на него света он, как солнечная батарея, вырабатывает слабенькое напряжение, которое, если усилить, можно использовать в качестве полезного сигнала. Но, чаще фотодиод используется в фотодиодном режиме.

Фотодиоды старой конструкции по внешнему виду представляют металлический цилиндрик с двумя выводами. С другой стороны находится стеклянная линза. Современные фотодиоды имеют корпус просто из прозрачной пластмассы, в точности такой же как и светодиоды.

Рис. 2. Фотодиоды

Фототранзисторы

По внешнему виду бывают просто неотличимы от светодиодов, тот же корпус из прозрачной пластмассы или цилиндрик со стекляшкой в торце, а из него два вывода — коллектор и эмиттер. Базовый вывод фототранзистору вроде как не нужен, ведь входным сигналом для него является световой поток.

Хотя, некоторые фототранзисторы вывод базы все же имеют, что позволяет кроме света управлять транзистором еще и электрическим способом. Такое можно встретить у некоторых транзисторных оптронов, например АОТ128 и импортных 4N35, — по сути функциональных аналогов. Между базой и эмиттером фототранзистора включают резистор, чтоб несколько прикрыть фототранзистор, как показано на рисунке 4.

Рисунок 3. Фототранзистор

У нашего оптрона обычно «вешают» 10 — 100КОм, а вот у импортного «аналога» около 1МОм. Если поставить даже 100КОм, то он работать не будет, транзистор просто наглухо закрыт.

Как проверить фототранзистор

Фототранзистор достаточно просто проверить тестером, даже если у него нет вывода базы. При подключении омметра в любой полярности сопротивление участка коллектор – эмиттер достаточно большое, поскольку транзистор закрыт. Когда на линзу попадет свет достаточной интенсивности и спектра, то омметр покажет маленькое сопротивление – транзистор открылся, если, конечно, удалось угадать полярность подключения тестера. По сути дела такое поведение напоминает обычный транзистор, только тот открывается электрическим сигналом, а этот световым потоком. Кроме интенсивности светового потока немалую роль играет его спектральный состав.

Спектр света

Обычно фотодатчики настроены на определенную длину волны светового излучения. Если это излучение инфракрасного диапазона, то такой датчик плохо реагирует на синий и зеленый светодиоды, достаточно хорошо на красный, лампу накаливания и само собой на инфракрасный. Также нехорошо воспринимает свет от люминесцентных ламп. Поэтому причиной плохой работы фотодатчика может быть просто неподходящий спектр источника света.

Выше было написано, как прозвонить фотодиод и фототранзистор. Тут следует обратить внимание на такую вроде бы мелочь, как тип измерительного прибора. У современного цифрового мультиметра в режиме прозвонки полупроводников плюс находится там же, где и при измерении постоянного напряжения, т.е. на красном проводе.

Результатом измерения будет падение напряжения в милливольтах на p-n переходе в прямом направлении. Как правило, это цифры в пределах 500 — 600, что зависит не только от типа полупроводникового прибора, но еще и от температуры. При увеличении температуры эта цифра уменьшается на 2 на каждый градус Цельсия, что обусловлено температурным коэффициентом сопротивления ТКС.

При пользовании стрелочным тестером надо помнить, что в режиме измерения сопротивлений плюсовой вывод находится на «минусе» в режиме измерения напряжений. При таких проверках освещать фотодатчики лучше лампой накаливания с близкого расстояния.

Сопряжение фотодатчика с микроконтроллером

В последнее время многие радиолюбители увлеклись конструированием роботов. Чаще всего это что-то такое на вид примитивное, вроде коробки с батарейками на колесиках, но жутко умное: все слышит, видит, препятствия объезжает. Вот видит он все как раз за счет фототранзистров или фотодиодов, а может даже и фоторезисторов.

Тут все происходит очень просто. Если это фоторезистор, достаточно подключить его, как указано на схеме, а в случае с фототранзистором или фотодиодом, чтобы не перепутать полярность предварительно «прозвонить» их, как было рассказано выше. Особенно полезно эту операцию проделать, если детали не новые, убедиться в их пригодности. Подключение разных фотодатчиков к микроконтроллеру показано на рисунке 4.

Рисунок 4. Схемы подключения фотодатчиков к микроконтроллеру

Измерение освещенности

Фотодиоды и фототранзисторы имеют малую чувствительность, высокую нелинейность и весьма узкий спектр. Основное применение этих фотоприборов – работа в ключевом режиме: включено – выключено. Поэтому создание измерителей освещенности на них достаточно проблематично, хотя раньше во всех аналоговых измерителях освещенности применялись именно эти фотодатчики.

Но к счастью нанотехнология на месте не стоит, а идет вперед семимильными шагами. Для измерения освещенности «там у них» создали специализированную микросхему TSL230R, представляющую собой программируемый преобразователь освещенность – частота.

Внешне устройство представляет собой микросхему в корпусе DIP8 из прозрачной пластмассы. Все сигналы входные и выходные по уровню совместимы с TTL — CMOS логикой, что позволяет легко сопрягать преобразователь с любым микроконтроллером.

С помощью внешних сигналов можно изменять чувствительность фотодиода и шкалу выходного сигнала соответственно 1, 10, 100 и 2, 10, и 100 раз. Зависимость частоты выходного сигнала от освещенности линейная, в пределах от долей герца до 1МГц. Настройки шкалы и чувствительности выполняются подачей логических уровней всего на 4 входа.

Микросхема может вводиться в режим микро потребления (5мкА) для чего есть отдельный вывод, хотя и в рабочем режиме не особенно прожорлива. При напряжении питания 2,7…5,5В потребляемый ток не более 2мА. Для работы микросхемы не требуется никакой внешней обвязки, разве что блокировочный конденсатор по питанию.

По сути, достаточно подключить к микросхеме частотомер и получать показания освещенности, ну, видимо, в каких-то УЕ. В случае же применения микроконтроллера ориентируясь на частоту выходного сигнала можно управлять освещенностью в помещении, или просто по принципу «включить – выключить».

TSL230R не единственный измеритель освещенности. Еще более совершенными являются датчики фирмы Maxim MAX44007-MAX44009. Габариты их меньше, чем у TSL230R, энергопотребление таково, как у других датчиков в спящем режиме. Основное назначение таких датчиков освещенности – применение в приборах с батарейным питанием.

Фотодатчики управляют освещением

Одной из задач, выполняемых при помощи фотодатчиков, является управление освещением. Такие схемы называются фотореле, чаще всего это простое включение освещения в темное время суток. С этой целью радиолюбителями было разработано немало схем, некоторые из которых мы рассмотрим в следующей статье.

Отсутствует

Код 404 страница не найдена. К сожалению, страница отсутствует или перемещена. Ниже приведены основные подразделы этого сайта. Главная страница общей электроники Мой канал YouTube Electronics Проекты микроконтроллеров Arduino Raspberry Pi и Linux Возвращение к регистрам порта Arduino Digispark ATtiny85 с расширителем GPIO MCP23016 Программа безопасной сборки H-Bridge Построить управление двигателем с H-мостом без фейерверков MOSFET H-мост для Arduino 2 Гистерезис компаратора и триггеры Шмитта Учебное пособие по теории компараторов Принципы работы и использования фотодиодных схем Оптопары MOSFET реле постоянного тока с фотоэлектрическими драйверами Подключение твердотельных реле Crydom MOSFET Учебное пособие по схемам операционного усилителя с фотодиодом Входные цепи оптопары для ПЛК h21L1, 6N137A, FED8183, TLP2662 Оптопары с цифровым выходом Цепи постоянного тока с LM334 LM334 Цепи CCS с термисторами, фотоэлементами LM317 Цепи источника постоянного тока TA8050P Управление двигателем с Н-мостом Оптическая развязка органов управления двигателем с Н-образным мостом Управление двигателем с Н-мостом на всех NPN-транзисторах Базовые симисторы и тиристоры Твердотельные реле переменного тока с симисторами Светоактивированный кремниевый управляемый выпрямитель (LASCR) Базовые схемы транзисторных драйверов для микроконтроллеров ULN2003A Транзисторная матрица Дарлингтона с примерами схем Учебное пособие по использованию силовых транзисторов Дарлингтона TIP120 и TIP125 Управление силовыми транзисторами 2N3055-MJ2955 с транзисторами Дарлингтона Что такое биполярные транзисторные переключатели Учебное пособие по переключению N-канального силового полевого МОП-транзистора Учебное пособие по переключателю P-Channel Power MOSFET Создание транзисторного управления двигателем с H-мостом Управление двигателем с Н-мостом и силовыми МОП-транзисторами Другие примеры цепей с двутавровым мостом силового полевого МОП-транзистора Создание мощного транзисторного управления двигателем с H-мостом Теория и работа конденсаторов Построить вакуумную трубку 12AV6 AM-радио Катушки для высокоселективного кристаллического радио Добавление двухтактного выходного каскада к усилителю звука Lm386 Исправление источника питания Основные силовые трансформаторы Схема транзисторно-стабилитронного стабилизатора Уловки и подсказки для регуляторов напряжения серии LM78XX Биполярные источники питания Создайте регулируемый источник питания 0-34 В с Lm317 Использование датчиков Холла с переменным током Использование переключателей и датчиков на эффекте Холла Использование ратиометрических датчиков на эффекте Холла Использование датчиков Холла с Arduino-ATMEGA168 Простой преобразователь от 12-14 В постоянного тока до 120 В переменного тока Глядя на схемы оконного компаратора Автоматическое открытие и закрытие окна теплицы La4224 Усилитель звука мощностью 1 Вт Управление двигателем H-Bridge с силовыми МОП-транзисторами Обновлено Обновлено в сентябре 2017 г . : Веб-мастер Раскрытие Бристоль, Юго-Западная Вирджиния Наука и технологии 2017 Обновления и удаления веб-сайта Электроника для хобби Конституция США Христианство 101 Религиозные темы Электронная почта »Главная » Электронное письмо »Пожертвовать » Преступление »Электроника для хобби » Защита окружающей среды »Расизм »Религия »Бристоль VA / TN »Архив 1 »Архив 2 »Архив 3 »Архив 4 »Архив 5 » Архив 6 »Архив 7 »Архив 8 »Архив 9 Веб-сайт Авторские права Льюис Лофлин, Все права защищены.

Фотодиод — обзор | Темы ScienceDirect

8.2.3 Источники и детекторы инфракрасного света

На протяжении десятилетий фотодиод был лучшим выбором для световых детекторов, но в последнее время растет интерес к использованию преобразователей света в напряжение или света в частоту. . При использовании фотодиода прилагаются значительные усилия для его защиты от шума, и его выход является аналоговым. Оптические преобразователи, такие как преобразователи света в напряжение и света в частоту, устраняют необходимость в дополнительном экранировании и, кроме того, имеют цифровые выходы и, следовательно, могут напрямую взаимодействовать с блоками микроконтроллеров.Преобразователи света в напряжение и света в частоту в настоящее время используются в пульсоксиметрических системах и персональных мониторах сердечного ритма.

Оптические преобразователи света в напряжение, такие как TSL257 и TSL267 от AMS (AMS TSL257, 2014; AMS TSL267, 2014), обнаруживают свет с высокой светочувствительностью (1,68 мВ / (мкВт / см ² ) @ ) λ _p = 645 нм и 0,45 В / (мкВт / см ² ) @ λ _p = 940 нм соответственно) и представляют собой малошумящие оптические детекторы, сочетающие в себе фотодиод и транс- Импедансный усилитель на единой монолитной КМОП интегральной схеме. Он может выполнять измерения с разрешением 16 бит, малой мощностью рассеивания, очень быстро реагирует (время нарастания выходного сигнала 160 мкс), а его выходное напряжение прямо пропорционально интенсивности света, поступающего на фотодиод.

Преобразователь света в частоту TSL235R (AMS 235, 2014) объединяет кремниевый фотодиод и преобразователь тока в частоту на единой монолитной интегральной схеме КМОП. Это привлекательный выбор в качестве фотодетектора, поскольку его выход является цифровым, а не аналоговым, и он также может выполнять измерения с разрешением 16 бит.Выходное напряжение представляет собой прямоугольную волну (рабочий цикл 50%), частота которой прямо пропорциональна интенсивности света, поступающего на фотодиод. Это устройство имеет температурную компенсацию в диапазоне от ультрафиолета до видимого света от 320 до 700 нм и реагирует в диапазоне света от 320 до 1050 нм.

В продаже имеются медицинские комплекты для разработки, которые предоставляют платформы разработки, специально разработанные для поддержки полных медицинских приложений, таких как монитор ЭКГ, стетоскоп и пульсоксиметр.Платформа обычно включает аналоговую интерфейсную плату, цифровую обработку сигналов (DSP) и программное обеспечение для обработки и отображения данных. Одним из примеров является медицинский комплект разработчика TMS320C5515 DSP от Texas Instrument (Texas Instrument TMS320C5515, 2010).

Распиновка фотодиода, характеристики, использование и техническое описание

Фотодиод

Фотодиод

Распиновка фотодиода

нажмите на картинку для увеличения

Идентификация и конфигурация контактов:

Номер:	Имя контакта	Идентификационный номер	Описание
1	Анод	Более длинный провод	Это положительный (+) вывод ИК-диода. Но при использовании инверсно подключен к земле
2	Катод	Более короткий провод	Это отрицательный (заземляющий) вывод ИК-диода. Но при использовании обратно подключается к напряжению питания

Технические характеристики фотодиода

:

• Чувствительность к длине волны (λP): 940 нм
• Напряжение холостого хода: 0.39 В
• Напряжение обратного пробоя: 32В
• Обратный световой ток: 40 мкА
• Обратный темновой ток: 5нА
• Время нарастания / Время падения: 45/45 нс
• Угол обзора: 80 градусов
• Упаковка: 5 мм

Примечание. Чтобы узнать, почему эти параметры важны, читайте дальше. Также техническое описание фотодиода можно найти внизу страницы

.

Альтернативные датчики света:

ИК-приемники (TSOP), фототранзистор, LDR, фотоэлементы, солнечные панели

Где использовать фотодиоды:

Фотодиоды, как следует из названия, это просто еще один тип диодов.Эти диоды также имеют анод и катод, как и обычные светодиоды. Но, в отличие от светодиодов, они не излучают свет. Вместо этого, когда они обнаруживают свет, они пропускают через него некоторый ток. Величина тока, протекающего через фотодиод, прямо пропорциональна количеству света, регистрируемого фотодиодом.

Благодаря этому свойству фотодиода он справедливо используется в ситуациях, когда необходимо обнаруживать свет. Он также обычно используется с ИК-передатчиком (ИК-светодиод) для формирования ИК-пары и используется в таких приложениях, как обнаружение объектов, счетчик, кодировщик и многое другое.Поэтому, если вы ищете пару для использования с ИК-светодиодом или просто пытаетесь обнаружить свет для своего проекта, этот фотодиод может быть для вас правильным выбором.

Как использовать фотодиод:

Когда дело доходит до с использованием фотодиода , важно помнить, что фотодиод всегда должен подключаться с обратной полярностью . То есть анод будет подключен к земле, а катод будет подключен к напряжению питания.При таком подключении (как показано на схеме ниже) фотодиод начнет проводить ток в зависимости от воспринимаемого им света. Максимальный ток, который может протекать в условиях полной освещенности, составляет 40 мкА. Даже когда фотодиод находится в темноте, он потребляет ток, равный 5 нА.

Обычно в качестве делителя потенциала используется фотодиод. Я использовал резистор 10 кОм, чтобы сформировать делитель, как показано ниже.

Когда свет падает на фотодиод, как было сказано ранее, через него проходит ток.Этот ток вызовет падение напряжения на фотодиоде, а также на резисторе 10 кОм, поскольку они образуют делитель напряжения. Затем это выходное напряжение можно использовать для прогнозирования света, считывая напряжение через микроконтроллер или используя операционные усилители в режиме компаратора. Есть также много других схем, в которых можно использовать фотодиод. Это было объяснено из-за его простоты, так что попробуйте свои собственные забавные схемы

.

Заявки:

• Используется для обнаружения света и его интенсивности
• Используется с ИК-светодиодом для обнаружения объектов, подсчета, кодировщика и др.
• Используется для следящего за линией и робота, избегающего объекта.
• Может также использоваться для обнаружения пожара при правильной настройке
• Различать день и ночь
• Управление автоматическим освещением (уличный фонарь или автомобильный свет)

2D модель фотодиода (5 мм):

RP Photonics Encyclopedia — фотодетекторы, фотодиоды, фототранзисторы, пироэлектрические фотодетекторы, матрица, измеритель мощности, шум

Энциклопедия> буква P> фотодетекторы

можно найти в Руководстве покупателя RP Photonics.Среди них:

Найдите более подробную информацию о поставщиках в конце этой статьи энциклопедии или посетите наш

Вас еще нет в списке? Получите свою запись!

Определение: устройства, используемые для обнаружения света

Альтернативный термин: детекторы света

Более общий термин: детекторы света

Более конкретные термины: инфракрасные детекторы, позиционно-чувствительные детекторы, фотодиоды, фототранзисторы, фотодетекторы металл-полупроводник-металл, согласованные по скорости фотодетекторы, фотоумножители, пироэлектрические детекторы, фотопроводящие детекторы, фотоэмиссионные детекторы, солнечные слепые фотодетекторы

Противоположные термины: тепловые извещатели

Немецкий: Photodetektoren, Lichtdetektoren

Категории: фотонные устройства, обнаружение и определение характеристик света, оптоэлектроника

Как цитировать статью; предложить дополнительную литературу

Автор: Dr. Rüdiger Paschotta

Фотодетекторы — это устройства, используемые для обнаружения света — в большинстве случаев оптической силы. Более конкретно, фотодетекторы обычно понимаются как детекторы фотонов, которые в некотором роде используют фотовозбуждение электрических носителей; тепловые извещатели не входят в этот термин и не рассматриваются в этой статье.

Фотодетекторы

обычно выдают электронный выходной сигнал — например, напряжение или электрический ток, который пропорционален падающей оптической мощности.Таким образом, они относятся к области оптоэлектроники.

Типы фотоприемников

Поскольку требования к приложениям (см. Ниже) значительно различаются, существует множество типов фотодетекторов, которые могут быть подходящими в конкретном случае:

• Фотодиоды — это полупроводниковые устройства с p-n-переходом или p-i-n структурой (i = собственный материал) (→ p-i-n фотодиоды ), где свет поглощается в обедненной области и генерирует фототок. .Такие устройства могут быть очень компактными, быстрыми, очень линейными и демонстрировать высокую квантовую эффективность (т. Е. Генерировать почти один электрон на падающий фотон) и широкий динамический диапазон при условии, что они работают в сочетании с подходящей электроникой. Особенно чувствительным типом являются лавинные фотодиоды , которые иногда используются даже для счета фотонов.
• Фотодетекторы металл – полупроводник – металл (МПМ) содержат два контакта Шоттки вместо p – n перехода.Они потенциально быстрее, чем фотодиоды, с полосой пропускания до сотен гигагерц.
• Фототранзисторы похожи на фотодиоды, но используют внутреннее усиление фототока. Они используются реже, чем фотодиоды.
• Фотопроводящие детекторы также основаны на определенных полупроводниках, например сульфид кадмия (CdS). Они дешевле фотодиодов, но довольно медленные, не очень чувствительные и демонстрируют нелинейный отклик. С другой стороны, они могут реагировать на длинноволновый инфракрасный свет.
• Фототрубки — это вакуумные трубки или газонаполненные трубки, в которых используется фотоэлектрический эффект (→ фотоэмиссионные детекторы ).
• Фотоумножители — это особый вид фотоламп, основанный на электронных лампах. Они могут демонстрировать сочетание чрезвычайно высокой чувствительности (даже для счета фотонов) с высокой скоростью и большой активной площадью. Некоторые из них основаны на многоканальных пластинах; они могут быть значительно более компактными, чем традиционные фотоумножители.
• Исследования проводятся по новым фотодетекторам на основе углеродных нанотрубок (УНТ) и графена, которые могут обеспечивать очень широкий диапазон длин волн и очень быстрый отклик. Исследуются способы интеграции таких устройств в оптоэлектронные микросхемы.

Все эти устройства основаны на внутреннем или внешнем фотоэлектрическом эффекте; фотоэмиссионные детекторы относятся к последней категории.

Различные типы фотодетекторов могут быть интегрированы в такие устройства, как измерители мощности и мониторы оптической мощности.Другие могут быть выполнены в виде больших двумерных массивов, например для приложений обработки изображений. Их можно назвать решетками фокальной плоскости . Например, есть датчики CCD и CMOS, которые используются в основном в фотоаппаратах.

См. Также статью о детекторах терагерцового диапазона.

Важные свойства фотоприемников

В зависимости от области применения фотодетектор должен удовлетворять различным требованиям:

• Он должен быть чувствительным в некоторой заданной спектральной области (диапазоне длин оптических волн).В некоторых случаях чувствительность должна быть постоянной или, по крайней мере, хорошо определенной в пределах некоторого диапазона длин волн. Также может быть важно иметь нулевой отклик в другом диапазоне длин волн; Примером являются солнцезащитные фотодетекторы , чувствительные только к коротковолновому ультрафиолетовому свету, но не к солнечному свету.
• Детектор должен подходить для определенного диапазона оптических мощностей. Максимальная обнаруженная мощность может быть ограничена, например, из-за повреждений или нелинейного отклика, тогда как минимальная мощность обычно определяется шумом.Величина динамического диапазона (обычно определяемая как отношение максимальной и минимальной обнаруживаемой мощности, например, в децибелах) часто является наиболее важной. Некоторые детекторы (например, фотодиоды) могут демонстрировать высокую линейность в динамическом диапазоне более 70 дБ.
• В некоторых случаях важна не только высокая чувствительность, но и высокая квантовая эффективность, поскольку в противном случае вводится дополнительный квантовый шум. Это применимо, например, к обнаружению сжатых состояний света, а также влияет на вероятность обнаружения фотонов однофотонными детекторами.
• Активная область детектора может быть важной, например, при работе с сильно расходящимися лучами лазерных диодов. Для источников света с очень высокой и / или непостоянной расходимостью луча вряд ли возможно получить весь свет на активной области. Затем можно использовать интегрирующую сферу (с соответствующей калибровкой) для измерения полной мощности.
• Ширина полосы обнаружения может начинаться с 0 Гц или некоторой конечной частоты (для детекторов, связанных по переменному току) и заканчиваться на некоторой максимальной частоте, которая может быть ограничена внутренними процессами (например,грамм. скорость электрических носителей в полупроводниковом материале) или задействованной электроникой (например, введением некоторых постоянных времени RC). Некоторые резонансные детекторы работают только в узком частотном диапазоне и могут быть подходящими, например, для обнаружения блокировки.
• Некоторые детекторы (например, пироэлектрические детекторы) подходят только для регистрации импульсов, а не для непрерывного света.
• Для обнаружения импульсов (возможно, на уровне нескольких фотонов) точность синхронизации может представлять интерес. Некоторые детекторы имеют определенное «мертвое время» после обнаружения импульса, когда они нечувствительны.
• Детекторы разных типов требуют более или менее сложной электроники. Штрафы с точки зрения размера и стоимости могут привести, например, от требования подачи высокого напряжения или обнаружения очень малых напряжений.
• В частности, некоторые детекторы среднего инфракрасного диапазона необходимо охлаждать до довольно низких температур. Это делает их использование в различных обстоятельствах непрактичным.
• Для некоторых приложений требуются одномерные или двухмерные матрицы фотоприемников — чаще всего в виде матриц фотодиодов.Для детекторных матриц вступают в игру некоторые другие аспекты, такие как кросс-пиксельная интерференция и методы считывания.
• Наконец, для многих приложений важны размер, надежность и стоимость.

Различные типы детекторов, перечисленные выше, очень сильно различаются по многим из этих свойств. В типичных сценариях применения некоторые требования полностью исключают использование определенных типов детекторов и быстро приводят к довольно ограниченному выбору. Также обратите внимание, что есть некоторые типичные компромиссы.Например, часто бывает трудно совместить высокую полосу обнаружения с высокой чувствительностью.

Применение фотоприемников

Фотоприемники

имеют очень широкий спектр применения. Некоторые примеры:

• В радиометрии и фотометрии они могут использоваться для измерения таких свойств, как оптическая мощность, световой поток, оптическая интенсивность и энергетическая освещенность, в сочетании с дополнительными средствами также для таких свойств, как яркость.
• Они используются для измерения оптической силы e.грамм. в спектрометрах, световых барьерах, оптических устройствах хранения данных, автокорреляторах, профилометрах пучка, флуоресцентных микроскопах, интерферометрах и различных типах оптических датчиков.
• Особо чувствительные фотодетекторы необходимы для лазерных дальномеров, лидаров, экспериментов по квантовой оптике и приборов ночного видения.
• Особенно быстрые фотодетекторы используются для оптоволоконной связи, метрологии оптических частот и для определения характеристик импульсных лазеров или лазерного шума.
• В качестве матриц фокальной плоскости используются в основном двумерные матрицы, содержащие множество идентичных фотодетекторов, в основном для приложений получения изображений. Например, большинство камер содержат такие устройства, как датчики изображения.

Вопросы и комментарии пользователей

Здесь вы можете оставлять вопросы и комментарии. Если они будут приняты автором, они появятся над этим абзацем вместе с ответом автора. Автор принимает решение о приеме на основании определенных критериев.По сути, вопрос должен представлять достаточно широкий интерес.

Пожалуйста, не вводите здесь личные данные; в противном случае мы бы скоро удалили его. (См. Также нашу декларацию о конфиденциальности.) Если вы хотите получить личный отзыв или консультацию от автора, пожалуйста, свяжитесь с ним, например по электронной почте.

Отправляя информацию, вы даете свое согласие на возможную публикацию ваших материалов на нашем веб-сайте в соответствии с нашими правилами. (Если вы позже отзовете свое согласие, мы удалим эти данные.) Поскольку ваши материалы сначала рассматриваются автором, они могут быть опубликованы с некоторой задержкой.

См. Также: фотоэффект, фотоэмиссионные детекторы, фототок, фотодиоды, p – i – n фотодиоды, лавинные фотодиоды, фототранзисторы, фотоприемники металл – полупроводник – металл, согласованные по скорости фотодетекторы, фотолаборы, фотоумножители, оптические фотодиодные матрицы, оптические измерители мощности мониторы мощности, счет фотонов, характеристики шума, мощность, эквивалентная шуму, чувствительность, тепловые детекторы, терагерцовые детекторы, солнечные слепые фотодетекторы
и другие статьи в категориях фотонные устройства, обнаружение и определение характеристик света, оптоэлектроника

Если вам понравилась эта страница, поделитесь ссылкой со своими друзьями и коллегами, e. грамм. через соцсети: Эти кнопки обмена реализованы с учетом конфиденциальности!

Код для ссылок на других сайтах

Если вы хотите разместить ссылку на эту статью на каком-либо другом ресурсе (например, на своем веб-сайте, в социальных сетях, дискуссионном форуме, Википедии), вы можете получить здесь требуемый код.

HTML-ссылка на эту статью:

   
 Статья о фотоприемниках  
 в  
 Энциклопедия фотоники RP   

С изображением для предварительного просмотра (см. Рамку чуть выше):

   
  alt = "article">   

Для Википедии, например в разделе «== Внешние ссылки ==»:

  * [https://www.rp-photonics.com/photodetectors.html 
, статья «Фотодетекторы» в энциклопедии RP Photonics]  

Принцип работы фотодиода

| Оптоэлектронные компоненты | Светодиоды, Лазерные Диоды и Детекторы

Кремниевый фотодиод — это твердотельное устройство, преобразующее падающий свет в электрический ток.Он состоит из неглубокого диффузного p-n-перехода, обычно имеющего конфигурацию p-on-n, хотя доступны устройства «P-типа» (n-on-p) для повышения чувствительности в области 1 мкм. Современные кремниевые фотодиоды обычно изготавливаются методами планарной диффузии или ионной имплантации.

В плоской диффузионной конфигурации p-on-n, показанной на рисунке, край перехода выходит на верхнюю поверхность кремниевого кристалла, где он пассивирован термически выращенным оксидным слоем.

ОСНОВНАЯ ФИЗИКА ФОТОДИОДОВ

p-n-переход и обедненная область имеют большое значение для работы фотодиода. Эти фотодиодные области создаются, когда легирующая примесь p-типа с акцептором

примесей (избыточных дырок), контактирует с кремнием n-типа, легированным донорными примесями (избыточными электронами). Дырки и электроны, каждая из которых испытывает более низкий потенциал на противоположной стороне перехода, начинают течь через переход в свои соответствующие области с более низким потенциалом.Это движение заряда создает область истощения, которая имеет электрическое поле, противоположное низкопотенциальному полю и равное ему, и, следовательно, больше не течет ток.

Когда фотоны с энергией более 1,1 эВ (запрещенная зона кремния) падают на устройство, они поглощаются и образуются электронно-дырочные пары. Глубина поглощения фотонов зависит от их энергии; чем ниже энергия фотонов, тем глубже они поглощаются. Пары электрон-дырка расходятся, и когда неосновные носители достигают перехода, их уносит электрическое поле.Если две стороны электрически соединены, через соединение протекает внешний ток. Если созданные неосновные носители этой области рекомбинируют с объемными носителями этой области до достижения поля перехода, носители теряются и внешний ток не протекает.

Эквивалентная схема фотодиода показана на рисунке ниже. При освещении фотодиод ведет себя как источник тока. При работе без смещения этот ток распределяется между внутренним шунтирующим сопротивлением и внешним нагрузочным резистором.В этом режиме возникает напряжение, которое создает прямое смещение, что снижает его способность оставаться источником постоянного тока. При работе со смещением обратного напряжения фотодиод становится идеальным источником тока.

Сопротивление серии

I D	=	Темновой ток, А
I S	=	Ток светового сигнала (I S = RP O)
R	=	Чувствительность фотодиода на длине волны излучения, А / Вт
П О	=	Мощность света, падающая на активную область фотодиода, Вт
R SH	=	Сопротивление шунта, Ом
I * N	=	Шумовой ток, А (действующее значение)
С	=	Емкость перехода, Фарады
R S	=	, Ом
правый левый	=	Сопротивление нагрузки, Ом

Кремниевые фотодиоды обычно чувствительны к свету в спектральном диапазоне от примерно 200 нм (ближний УФ) до примерно 1100 нм (ближний ИК).Чувствительность фотодатчика (R) измеряется в Амперах (A) фототока, генерируемого на ватт (Вт) мощности падающего света. Фактические уровни освещенности в большинстве приложений обычно колеблются от пиковатт до милливатт, которые генерируют фототоки от пикоампера до миллиампер. Чувствительность в амперах / ватт варьируется в зависимости от длины волны падающего света с пиковыми значениями от 0,4 до 0,7 А / Вт. Отклик кремниевого фотодиода хорошо согласован с источниками света, излучающими от УФ до ближнего инфракрасного спектра, такими как гелий-неоновые лазеры; Светодиоды и лазерные диоды на основе GaAlAs и GaAs; и Nd: YAG-лазеры.Выберите детектор из серии IR, Blue / Visible или UV, чтобы получить кривую спектрального отклика, наилучшим образом соответствующую спектральной освещенности вашего источника света.

Отклик кремниевого фотодиода обычно линейен в пределах нескольких десятых процента от минимально обнаруживаемой мощности падающего света до нескольких милливатт. Линейность отклика улучшается с увеличением приложенного обратного смещения и уменьшением эффективного сопротивления нагрузки.

При нагревании кремниевого фотодиода его спектральная кривая отклика (включая пик) смещается в сторону более длинных волн.И наоборот, охлаждение сдвигает отклик в сторону более коротких волн. Следующие значения типичны для температурной зависимости чувствительности для разных диапазонов длин волн: —

УФ до 500 нм: от -0,1% / ° C до -2% / ° C

от 500 до 700 нм: ~ 0% / ° C

~ 900 нм: 0,1% / ° C

1064 нм: от 0,75% / ° C до 0,9% / ° C

РЕЖИМЫ РАБОТЫ

Кремниевый фотодиод может работать в фотоэлектрическом режиме или в фотоэлектрическом режиме .В фотоэлектрическом режиме фотодиод несмещен; в то время как для режима фотопроводимости применяется внешнее обратное смещение. Выбор режима зависит от требований к скорости работы приложения и допустимого темнового тока. В фотоэлектрическом режиме темновой ток минимален. Фотодиоды демонстрируют самую быструю скорость переключения при работе в фотопроводящем режиме.

Фотодиоды и операционные усилители могут быть соединены таким образом, чтобы фотодиод работал в режиме тока короткого замыкания.Операционный усилитель работает как простой преобразователь тока в напряжение.

Определение фотодиода Merriam-Webster

фото · к · ди · од | \ ˌFō-tō-ˈdī-ˌōd \ : фотоэлектрическое полупроводниковое устройство для обнаружения и часто измерения лучистой энергии (например, света).

Как подключить инфракрасный фотодиодный датчик в цепь

В этом посте мы узнаем, как правильно подключить инфракрасный фотодиод в цепи, такие как цепь датчика приближения.Объяснение представлено в виде обсуждения между мной и одним из преданных читателей этого блога NVD.

Вот обсуждение, в котором объясняется, как подключить фотодиод в электронную схему.

Проверка подключения ИК-фотодиода в цепи

Вопрос : Подскажите, пожалуйста, работает ли следующая схема или нет. Я думаю, что на выходе микросхемы 5В. Я хочу, чтобы выход был подключен к реле на 12 В, а не к зуммеру. Можете ли вы сказать, какие изменения я должен внести в схему..

Анализ схемы

Ответ:

(+) — анод, а (-) — катод фотодиода. Другими словами, штифт, связанный с более широкой пластиной внутри фотодиода, будет катодом, а штифт, связанный с более тонкой пластиной внутри фотодиода, будет анодом

• , если он установлен правильно, он должен работать .. Однако диаграмма выше имеет много ошибок и никогда не будет работать. Конфигурация ИК-фотодиода с операционным усилителем потребует некоторых изменений.
• Для настройки реле вы можете использовать BC547 / релейный каскад на выходе операционного усилителя, холодное сопротивление базового резистора составляет 10 кОм.
• Для получения подробной информации о каскаде драйвера реле вы можете обратиться к следующей статье: https: / /homemade-circuits.com/2012/01/how-to-make-relay-driver-stage-in.html

Вопрос:

Хорошо, есть ли положительные и отрицательные клеммы для ИК-приемника и передатчика, такие как светодиод . Я новичок в этом, поэтому спрашиваю

Полярность для ИК-фотодиодов в передатчиках

• , как и любой другой диод, ИК-фотодиоды также имеют полярность и должны быть подключены соответственно.

Вопрос:

В схему подключен фотодиод прямого смещения. это неправильно? Пожалуйста, проверьте, сэр.

Принципиальная схема

Полярность ИК-фото для приемника

• Полярность ИК-фотодиода передатчика правильная … Неправильная полярность приемника , для приемника необходимо инвертировать, как показано ниже.

Вопрос:

Сэр, сначала я забыл подключить вывод 3 микросхемы к резистору приемника, затем я подал питание 12 В, поэтому светится только светодиод.После этого я подключил контакт 3 к резистору и дал 9В. Теперь светодиод загорается, когда я поворачиваю переменный резистор в одну сторону. Светодиод не загорается, когда впереди появляется препятствие.

Может ли сгореть ИК-фотодиод

Я подключил все правильно, но он не работает, есть вероятность сгорания микросхемы или фотодиода при подключении к источнику питания 12 В. У вас есть электрическая схема ИК-датчика приближения.

Пожалуйста, помогите мне, сэр.

Ответ

• Фотодиод никогда не сгорит, пока он подключен последовательно с резистором.

Итак, почему фотодиод приемника не отвечает

Ответ:

На схеме выше фотодиод, подключенный к операционному усилителю, никогда не сможет запустить операционный усилитель в ответ на полученный инфракрасный сигнал. Почему?

Правильный способ подключения фотодиода к операционному усилителю

Напряжение, генерируемое фотодиодом приемника в ответ на сигналы с фотодиода передатчика, вряд ли составит милливольт , может быть, всего пару милливольт.

Хотя операционные усилители могут быть чувствительны к обнаружению даже до пары милливольт, резистор 10 кОм между контактом № 3 и землей мгновенно аннулирует крошечный сигнал милливольт, что делает невозможным его обнаружение операционным усилителем.

Следовательно, мы можем предположить, что именно резистор 10 кОм не позволяет операционному усилителю обнаруживать выходной сигнал фотодиода.

На следующей схеме показано, как правильно подключить фотодиод к операционному усилителю, чтобы он эффективно реагировал на сигналы от любого источника ИК-фотодиодного передатчика:

На приведенной выше схеме мы видим, что более ранний резистор 10 кОм на неинвертирующем выводе Операционного усилителя заменен конденсатором малой емкости, и теперь это позволяет операционному усилителю реагировать на сигналы, генерируемые фотодиодами Rx, Tx.

Фактически, операционный усилитель все равно будет реагировать без конденсатора, однако никогда не рекомендуется оставлять входы операционного усилителя плавающими, пока он запитан, поэтому заземленный конденсатор гарантирует, что соответствующий вход операционного усилителя никогда не останется плавающим и подвержен риску паразитные сигналы.

Вы можете подумать, что конденсатор можно заменить резистором высокого номинала, порядка многих мегомов, извините, что это тоже может не помочь, что снова запретит операционному усилителю воспринимать сигналы с фотодиода и, в конечном итоге, низкий уровень. Значение конденсатора приводит к тому, что это правильный выбор.

Подключение фотодиода для активации реле

Показанный выше фотодиодный детектор на базе операционного усилителя может быть дополнительно модернизирован для запуска ступени реле путем интеграции ступени драйвера реле, как показано на следующей диаграмме:

Обратная связь от г-на Нормана Келли (один из заядлых читателей этого блога):

Привет, Swagatam,

Я искал схему, чтобы предупредить меня, когда кто-то входит в мой двор и на переднюю палубу.

Доставщики оставляют вещи на передней палубе и не звонят в дверной звонок, поэтому я не знаю, что мои пакеты находятся на палубе.Также ночью я хотел бы знать, не входит ли кто-нибудь в мой двор.

Я разработал схему с PIR и беспроводным TX / RX для воспроизведения сообщения в моем доме. Все работает, но ложных срабатываний много и жену это сводит с ума.

Я предполагаю, что радиочастотные сигналы запускают PIR. Я попытался разделить их на несколько дюймов, и это помогло, но этого оказалось недостаточно. Итак, я решил посмотреть на ИК-порт, чтобы обнаружить человека, открывающего ворота во двор, а затем передающего по беспроводной сети этот триггер.Я хотел сделать инфракрасный луч, но для этого требуется больше компонентов, которых у меня сейчас нет.