Фотодиодами называют обычные полупроводниковые диоды, но преобразовывающие свет в электричество. Это те же солнечные батареи, а также элементы, реагирующие на освещенность в разнообразных реле, датчиках, микросхемах, а особенно в оптоволоконных системах, оборудовании с привязкой к свету (УФ, ИК), его интенсивности. В этих же сферах используются светодиоды, фототранзисторы, фоторезисторы, но их и чертежи для них следует отличать. Опишем, что такое фотодиод, как функционирует, типы, его составляющие, как включается в сборках и на платах приборов, а также опишем схемы с данными радиодеталями.
Понятие фотодиода
Фотодиод, ФД — это полупроводниковая деталь, тот же диод, как и он пропускает ток в одну сторону, с p-n (p-i-n) переходом, но из материала, который меняет свои качества при влиянии оптического излучения, инициируя процессы, создающие электроток.
Если свет полностью отсутствует, не падает на такую радиодеталь, то она в спокойном состоянии, в равновесии, имеет качества аналогичные простому диоду.
Если же на чувствительный участок попадает УФ или ИК-излучение, то элемент начинает реагировать, преобразовывать этот поток в электричество.
Надо отличать разные радиодетали с приставкой «фото»:
- рассматриваемый нами фотодиод. Кратко выразить суть «фото» или «опто», «гальванического» (такие названия применяют реже) диода, которая сразу же отличит его, можно одним предложением: деталь преобразует свет в ток;
- фототранзисторы. «Два в одном», это объединенные одним корпусом фотоэлемент и транзистор, который открывается от количества подаваемого света. То есть, если на рассмотренных ниже нами схемах эти элементы разнесены, то в данном случае они в одной опрессовке. Вместо связки отдельных указанных деталей можно применить такую цельную запчасть, если она подходит по параметрам;
- фоторезисторы. Меняют сопротивление (тут это ключевой параметр) в зависимости от уровня освещенности.
Как видим, «фото» радиодетали можно применять для очень схожих, в некоторых случаях аналогичных целей (например, датчики, реле), но схемы будут разными с учетом отличий принципа работы каждого типа.
Обозначение на схемах разных элементов надо также знать. Фотодетектор имеет две стрелки, направленные к нему, и в такой графике есть логика: изделие воспринимает излучение.
Светодиод часто сотрудничает в схемах с фотодиодом. Первый инициирует сработку второго: его ставят напротив, и когда включают, поток света падает на первый элемент, активизирует его, а тот подает сигнал исполнительному узлу. Такой принцип применен для пультов ДУ, разнообразных приемников ИК-сигналов, а также для оптических (лазерных) сигнализаций, активируемых, если злоумышленником пересекается световой поток.
Итак, фотоэлемент преобразует свет, попадающий на его чувствительный сегмент, в электрозаряд. Такой процесс происходит, из-за возникновения особых процессов при движении частичек-транспортировщиков заряда на атомном уровне при облучении p-n зоны. Данное явление обуславливается изменениями свойств применяемых материалов (полупроводников).
Если на фоторезисторах меняется именно проводимость при движении транспортировщиков заряда, то на фотодиодах появляется ток на сегментах смыкания p-n переходов — в этом их отличие.
Структура
Обычный светодиод имеет такую же структуру, как и «фото», но у последнего есть окошечко, чтобы свет попадал на воспринимающую его часть.
Фотодиод схема структуры:
Фотопроводящий и фотоэлектрический режимы работы фотодиодов
В данной статье мы рассмотрим преимущества двух типов реализации схем на фотодиодах.
Когда следует использовать фотоэлектрический и фотопроводящий режимы при установке фотодиодов в электрические схемы? В данной статье мы обсудим подробности этих режимов и варианты проектов, связанных с ними.
Это третья часть нашей серии «Введение в фотодиоды», в которой исследуются технические подробности работы этих устройств, которые в различной форме реагируют на высокочастотное электромагнитное излучение:
Принципы работы фотодиодов
Постараемся максимально понятно, простыми словами, описать принцип работы, свойства фотодиода, как он функционирует, как движутся электрочастички и взаимодействуют с p-n участками:
- На рисунке внизу полупроводник: слева p-вариант, справа n. На первом — количество «дырок» (они же — положительно заряженные электроны) избыточное, на втором — чрезмерное число свободных электронов.
- Возникает диффузия — дырки проникают на сегмент n, электроны — на p. Оставшиеся частички проходят, образуя запирающий слой, препятствующий перемещению первых и вторых.
- Если подается напряжение: слева «+», справа «−», то потечет ток, поскольку запирающая прослойка будет преодолеваться. При подаче напряжения наоборот данный слой станет большим, значение тока будет очень мало, приблизится или сравняется с нулем.
- Светочувствительная локация у фотоэлемента — n. Если данный сегмент затемнен, то его поведение аналогично обычному диоду. Когда туда попадает свет или электромагнитные волны, то электроны выбиваются из внешних слоев атомов. Их число и дырок (вместе это фотоносители) увеличивается, частички диффундируют в разные стороны (к контактам детали — аноду, катоду). На p-n переходе происходит пропускание дырок, но электроны задерживаются. Появляется разность потенциалов, электрический ток.
Так выглядит диод в спокойном состоянии:
Более сложное объяснение:
- Излучение направлено перпендикулярно к локации p-n. Энергия, при которой вбираются фотоны становится больше ширины запрещенной зоны, происходит образование электронно-дырочных пар — фотоносителей;
- При проникновении фототранспортировщиков на n-область, большинство их (не все) не успевают распасться на составляющие и оказываются близко к границе p-n области, там разделяются электрополем;
- При описанном процессе дырки оказываются на p-сегменте, электроны же не могут проникнуть через поле, обволакивающее переход, поэтом скапливаются около n- области и у края перехода.
- Частички двигаются каждая к своему электроду, таким образом, возникает ток, его течение через переход полностью зависимо от движения дырок, такой его вариант (в котором участвуют фотоносители) называется током дрейфа или фототоком.
Предельно кратко выразить как фотодиодом вырабатывается ток можно так. Следствием концентрации дырок, электронов на p и n локациях соответственно является образование разности потенциалов. Это же явление — электродвижущая сила, создающая обратный ток, катод⇒анод, а во внешней цепи будет наоборот. Это и есть солнечная (гелио) электрическая панель (батарея).
Режимы фотодиодов
Применение, разновидности фотодиода имеют свои нюансы в зависимости от режима, для которого он используется.
Есть два основных режима по методу использования процесса преобразования излучения в ток:
- фотогальванический (генераторный) — это те же солнечные батареи. Маленькие используются для калькуляторов, автономных светильников и подобного. Большие — для автономных систем обеспечения электричеством домов, машин и прочего. Это источники питания;
- фотодиодный (преобразовательный). С внешним обратным напряжением. Для управления разными приборами. Например, для освещения с автовыключением после восхода солнца. При отсутствии излучения элемент являет собой обычный диод, пропускает ток, но днем запирает ход.
В режиме преобразователя деталь выполняет роль ключа, регулируемого светом, для чего ее подсоединяют на цепь в прямом смещении — катодом к «+», анодом к «−». В темноте там только обратный, темновой, ток (Iобрт, единицы и десятки мкА). При свете к таковому приплюсовывается фототок, зависящий только от интенсивности излучения (десятки мкА), чем сильнее излучение, тем он мощнее.
Фототок исчисляется по формуле: Iф=Sинт×Ф. Где первая составляющая — это интегральная чувствительность, вторая — световой поток.
Как отличаются два режима фотодиодов
При преобразовательном режиме происходит смещение диода в обратном направлении напряжением. Фототок, появляющийся при освещенности, — это одновременно и функция мощности светового потока. При генераторном — деталь создает фотоЭДС. Иными словами, при попадании излучения на p-n переход на выходе элемента появляется напряжение пропорциональное интенсивности потока.
Фотодиодный (преобразовательный) алгоритм работы чаще применяется для оперативного запитывания приборов. Его достоинства: быстродействие выше, большая чувствительность к оптическому излучению, динамический диапазон шире. Но есть значительный недостаток — возникает шумовой ток, текущий через нагрузку. Звуковые эффекты уменьшают охлаждением детали до −10° C, но это затратно. Иногда из-за этого при потребности отсутствии шума отдают предпочтение гальваническому (фотовольтаическому) алгоритму работы
При использовании преобразовательного алгоритма источник питания подсоединяется с обратной полярностью, тут назначение фотодетектора — выполнение роли сенсора освещенности.
Принцип работы фотодиода, схема и устройство фотодиода
Что такое фотодиод? Это полупроводник, создающий электрический ток, под воздействием света.
Схема работы фотодиода
Чтобы понять работу фотодиода, разберемся сначала в работе диода. Диод – полупроводник, который пропускает ток в одном направлении.
Диод в состоянии покоя
Слева на рисунке полупроводник р-типа, справа n-типа, иными словами слева избыток «дырок» (положительно заряженных атомов), справа избыток свободных электронов. В результате диффузии дырки попадают в n-область, а электроны в p-область. На границе областей часть дырок и электронов рекомбинируют. Оставшиеся проходят, создавая запирающий слой, который препятствует перемещению дырок и электронов.
Если подать напряжение: слева — плюс, справа – минус, потечет ток, так как запирающий слой будет преодолен. Если напряжение подать наоборот, то запирающий слой увеличится, ток будет равен нулю, или будет очень мал.
У фотодиода светочувствительная n-область. Если он затемнен, то ведет себя, как обычный диод. Свет – электромагнитные волны – попадая в n-область фотодиода, выбивает электроны с внешних оболочек атомов. Появляется множество дырок и электронов (фотоносителей), которые диффундируют во все стороны. Р-n-переход пропускает дырки, но задерживает электроны. Возникает электрический ток.
Характеристики фотодиодов для выбора
Параметры фотодиода можно найти в их спецификации в сети. Рассмотрим, по каким позициям подбираются детали. Следует сказать, что для несложных целей (реле освещенности, ИК-приемник) указанные ниже характеристики можно не брать во внимание, достаточно купить рекомендованное изделие для конкретной сборки.
Вольтамперные качества, определяющие изменения значений светового потока согласно меняющемуся напряжению при стабильном потоке излучения и темновом токе. Ниже стандартная диаграмма ВАХ фотодиода.
Спектральные качества (чувствительность). Отображают как протяженность волны света, угол падения лучей меняют характеристики фототока на разных полупроводниках.
Чувствительность может измеряться при разных параметрах света:
Световая или энергетическая характеристика. Объяснена на рисунке ниже:
Временная постоянная. Период, за который происходит реагирование тока на увеличение/уменьшение затемнения, освещенности на 63 % от установленной величины.
Нижний предел чувствительности. Минимум интенсивности света для возникновения реакции фотодиода.
Темновое сопротивление. Характеризует состояние полупроводника при отсутствии света, это вольт-амперная характеристика при отсутствии излучения.
Инерционность:
Указанные выше основные характеристики используют для подбора фотодиодов к параметрам нагрузки:
Определение оптрон (оптопара)
Оптрон — полупроводниковый прибор, содержащий источник излучения и приемник излучения, объединенные в одном корпусе и связанные между собой оптически, электрически или одновременно обеими связями. Очень широко распространены оптроны, у которых в качестве приемника излучения используются фоторезистор, фотодиод, фототранзистор и фототиристор.
В резисторных оптронах выходное сопротивление при изменении режима входной цепи может изменяться в 107 … 108раз. Кроме того, вольт-амперная характеристика фоторезистора отличается высокой линейностью и симметричностью, что и обусловливает широкую применимость резисторных оптопар в аналоговых устройствах. Недостатком резисторных оптронов является низкое быстродействие — 0,01 … 1 с.
Васильев Дмитрий Петрович
Профессор электротехники СПбГПУ
Задать вопрос
В цепях передачи цифровых информационных сигналов применяются главным образом диодные и транзисторные оптроны, а для оптической коммутации высоковольтных сильноточных цепей — тиристорные оптроны. Быстродействие тиристорных и транзисторных оптронов характеризуется временем переключения, которое часто лежит в диапазоне 5…50 мкс. Для некоторых оптронов это время меньше.
Рассмотрим несколько подробнее оптопару светодиод-фотодиод. Дадим условное графическое обозначение этой оптопары (рис. 1.131, а).
Напомним, что излучающий диод (слева) должен быть включен в прямом направлении, а фотодиод — в прямом (режим фотогенератора) или в обратном направлении (режим фотопреобразователя).
Воспользуемся общепринятым выбором условно-положительных направлений для токов и напряжений диодов оптопары (рис. 1.131,6).
Изобразим зависимость тока iвых от тока iвx при u вых = 0 для оптопары АОД107А (рис. 1.132).
Указанная оптопара предназначена для работы как в фотогенераторном, так и в фотопреобразовательном режиме.
Варианты, типы фотодетекторов
Инфракрасный фотодиод выполнен в черном корпусе, реагирует только на ИК-излучение. Темный цвет линзы — это подобие фильтрующей тонировки, чтобы не срабатывать на иные спектры.
У фотодетекторов есть диапазон частот, тут она больше на порядки, до 10 МГц (намного выше, чем у фоторезисторов), что обеспечивает отличное быстродействие. У вариантов p-i-n и с барьером Шоттки эта цифра 100 МГц–1ГГц, у лавинных — 1–10 ГГц.
Типы фотодиодов по принципу работы, по вариантам комбинации, размещения слоев, материалов рассмотрим ниже.
Фотодиод p-i-n
Элементы типа p-i-n широко распространены для волоконно-оптических систем связи — они преобразуют свет в электросигналы, преобразовывающиеся затем в информацию (видео, звуковая и прочие)
Прослойки p и n изготовляют с применением легирования: в материал полупроводника добавляют усиливающие его примеси. Если в обозначении такой детали есть +, то это свидетельствует о повышенном содержании добавок.
Средний сегмент — часть «i» — это проводник «n», но слаболегированный. Если на него подается обратное напряжение, то там образуется обедненная локация (дырок/электронов становится меньше).
Сопротивление на i-сегменте растет, намного превышает таковое на р+ и n+. Итог указанного процесса: электрополе сосредотачивается в i-области, фотон, поглощаемый там, создает пару: электрон/дырка. Мощное поле на i-участке мгновенно распределяет их на электроды: дырку поглощает катод, электрон — анод. Так создается электроток.
Эффективность p-i-n фотодиодов чрезвычайно высокая, так как их частота может достигать 1010 Гц, что гарантирует передачу за 1 секунду терабайтов данных. У таких деталей i-участок намного шире, чем p+ и n+ для того, чтобы фотоны осваивались бы больше именно на этом сегменте.
Лавинные
В волоконно-оптических технологиях кроме p-i-n типов рассматриваемых деталей используются особые виды — лавинные фотодетекторы (ЛФД), их отличие — дополнительный p-участок.
Из-за укрепляющих добавок более высокое сопротивление у p-слоя, соответственно, наибольшее понижение напряжения на нем. Фотон, оказываясь в светосенситивном i-сегменте, вырывает оттуда электрон, устремляющийся к аноду, дырка идет к катоду.
Электрон на своем маршруте оказывается на локации большого напряжения p-слоя, тут он резко ускоряется, что позволяет выбивать с оболочек атомы p-участков иные такие же частицы. Затем новообразовавшиеся свободные electron делают то же — выбивают из валентных сегментов дополнительные их аналоги. Явление растет лавинообразно.
На изображении визуализировано резкий всплеск движущей электросилы на p-слое. Ток первичный, появившийся в i-слое, растет лавиной на p-участке. Повышение достигает несколько сотен раз, но если оно слишком большое, то создает шумы, увеличивающиеся быстрее импульса. Оптимальное значение коэффициента 30–100.
С барьером Шоттки
В данном типе элементов создается несколько пленок, то есть особая структура, позволяющая избегнуть инжекции неосновных носителей. Такие детали используют движение только основных транспортировщиков. Плюс в том, что нет медленных процессов, подпадающих под влияние явлений накопления, рассасывания второстепенных носителей на базе диода. Плюсы: инерционность, сроки перезарядки ничтожные, первая обусловлена только временем прохода носителей через области пространственного заряда.
Указанные выше способности позволяют применять оптодиоды при СВЧ модуляциях излучений.
Гетероструктурные
Собираются из 2 полупроводников с разным размером запрещенного сегмента, гетерогенным именуют участок между ними. Особым подбором материалов создают устройство, охватывающее (воспринимающее) полную протяженность волн. Минус такого изделия — затратность изготовления.
Проверка фотодиода мультиметром
Рассмотрим, как проверить мультиметром фотодетекторы. Тестером замеряют значения сопротивления (обратного и прямого) в процессе освещения/затемнения диода. Мультиметр (или омметр) переводят на отметку 200 кОм.
Иногда встречается характерный дефект — хаотическое изменение тока («ползучесть»). Для обнаружения неполадки собирают простую схему (смотреть рисунок ниже) и замеряют величину обратного тока на протяжении нескольких минут. Если ток неизменный, то деталь рабочая. Проверять можно запчасть на плате, но возможны погрешности, поэтому всегда рекомендована выпайка.
Схемы с фотодиодами, где используются и примеры сборок
Фотодиоды применяются:
- для достаточно узкой специфической сферы — для волоконно-оптических систем передачи данных (ВОСП, ВОЛС). С этой областью сталкиваются не так часто даже электронщики. Именно тут особо актуальные рассмотренные нами вкратце характеристики (ВАХ, чувствительность и прочее) для расчета фотодиодных конструкций.
- солнечные батареи. Такие изделия подключаются по обычным схемам по инструкции данной продукции;
- оптопары, оптроны, реагирующие на свет сигнализации, разнообразные реле, автоматика, датчики, а также приемники ИК-излучения (пульты ДУ, подобные приборы управления).
Основы схем с фотодиодами
Схема включения для каждого из двух режимов имеет отличия. Ниже типовой чертеж подсоединения устройства как преобразователя. Обратим внимание: подключен с обратным направлением относительно источника питания.
Как генератор. При поступлении света на выводах появляется напряжение, токи короткого замыкания в данном режиме равны десяткам ампер, что напоминает работу гелиобатарей, но тут мощность небольшая.
Важное замечание по схемам реле: подстроечник нужен для регулировки чувствительности, а без резистора в коллекторной линии оптопара может перегореть.
Схема простого фотодиодного реле
Сборка с фотодетектором 320 (очень популярная спецификация). Как и другую такую деталь, его можно протестировать мультиметром, узнать, где анод/катод. При этом значения тестера разняться, если диод затемнять.
Если фотодиод работает как датчик, реле, элемент ДУ, а это большинство бытовых приборов, то он включается в обратном направлении: катод к «+», анод — к «−». («фоторезисторное» подсоединение). В затененности обратное сопр. элемента очень высокое, при большем излучении оно понижается. Такую особенность применяют для управления оснащением.
На рис. выше простое реле:
- VD1 — фотодиод и к нему R1 — переменник. Сопр. первого уменьшается с понижением интенсивности света;
- VT1 — транзистор. Напряжение на его базе растет, если подсветить, и он в определенной точке периода подачи света откроется, это же случится с VT2;
- на обмотку расцепителя K1 после указанных выше процессов поступит ток — узел переключится. Если поместить деталь в тень, то на VT1 понизится напряжение, произойдет запирание транзисторов, контакты разомкнутся, реле деактивируется.
R1 является подстроечником, им настраивается сенситивность фотореле, чтобы была активация только от фонарика. Такое реле можно применять как простую систему ДУ, а подсветка будет работать как пульт.
Составляющие схемы простые и доступные:
- фотоэлемент 320. Можно также взять другие модели: 263. Перед установкой проверяют где анод/катод. Применяют мультиметр процедура аналогичная как для простых диодов. А также не лишним будет убедиться в реакции диода на свет;
- транзисторы КТ3102 и 814;
- э/м реле WJ118-1С. Можно взять другое, но рекомендовано, чтобы обмотка была от 200 Om и для 10 — 15V.
Как работать со схемой. После сборки подвиньте ручку переменника R1, чтобы установилось макс. сопр. Поместите плату вдали от прямого света. При сборке надо не перепутать полярность. Подсоедините питание (также надо соблюсти предыдущую рекомендацию). На реле не должно быть сработки, щелчка. Если это произошло, поверните селектор R1, чтобы оно выключилось. Теперь, фонариком можно поэкспериментировать: освещать и наблюдать, как будет происходить включение реле.
Схема дистанционного выключателя
Выше отображен переключатель, управляемый маленьким фонариком, лазером. Использовано 2 фотодиода: для вкл. надо его направить на VD2, для выкл. — на VD1. Сенситивность настраивается переменниками R1 и 2. На микросхему D1 (K561ЛА7) установили RS-триггер для вкл./выкл. реле.
При подсвечивании VD2, его сопр. понижается, а напряжение на вх. D1.2 вырастет до степени логической единицы. На вых. D1.2 возникнет 0, триггер на D1.3 — D1.4 перейдет на состояние, когда на вых. D1.4 будет логическая единица. Она же и отопрет VT1, ток потечет на реле. При отсутствии освещенности триггер так и остается, расцепитель будет активирован.
Все работающие подобные сборки фотореле имеют схожий алгоритм. Для выключения надо осветить VD1: изменится реакция триггера, на вых. D1.3 будет 0. Ключ VT1 запрется, реле деактивируется и так останется при исчезновении света. Итак: для сработки надо посветить на VD2, для выкл. — на VD1. Зазор между диодами — 5 см, чего достаточно для контроля лазерным указателем.
Наладка состоит только из выставления чувствительности фотоэлементов подстроечниками R1 и 2. Такой переключатель надо размещать так, чтобы не было значительных перепадов интенсивности излучения, прямых лучей на линзах. Фонарики действуют с 2–3 м. Для лазерных указателей ночью при настройке макс. чувствительности — 20–30 м, днем эта цифра будет меньшей, так как выставляется меньшая сенситивность
В рассматриваемом примере реле и диоды аналогичны как в чертеже из предыдущего раздела. Микроконтроллеры: К561ЛА7 или 1561ЛА7, 176ЛА7. Выводы КТ815 располагаются как у КТ814.
Еще чертежи фотореле
Чертеж сборки и подключения фотореле для уличного освещения, прибор срабатывает при отсутствии света:
В сборке ниже можно применить вместо фоторезистора фотодиод:
Простое фотореле для включения света при наступлении темной поры суток:
Робот, убегающий от света
Робот из корпуса компьютерной мышки, уезжающий в затененные локации:
Управляется робот фонариком:
Электронная мышеловка на фотодиодах
Элементы:
- любой ИК-фотодиод;
- электромагнит. Можно взять из б/у бытовых приборов или сделать катушку самому (инструкции есть в избытке в сети);
- КТ 3107 (транзистор) обеспечивает гальваническому диоду чувствительность;
- КТ818 ставим, потому что электромагнит достаточно мощная нагрузка (для нашей ситуации его пол ампера это много);
- резистор. Без него схема будет реагировать даже на простой свет.
Процесс изготовления: собираем корпус, диоды (фото и свето) напротив друг друга, дальше от входа (при пересечении потока света будет сработка), чтобы между ними могла пройти мышь. Над входом магнит с решетчатой дверкой. В схеме также есть источник питания — «крона» 9 В. Использован стандартный принцип: светодиод подает на фотодиод излучение, который воспринимает свет и дает сигнал на электромагнит, закрывающий вход мышеловки.
Схемы с фотодиодами на Arduino
Есть также множество сборок разнообразных реле, ИК-приемников на базе микроконтроллера Arduino.
Приемник ИК-сигнала:
Простые пульты управления:
