Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
PLC Fatek
Proszę, dodaj wyjątek www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Fotodiody i inne detektory światła - część 1

ghost666 25 Wrz 2014 15:47 6840 0
  • Witam, w imieniu autora artykułu Jamesa Bryanta, w dwuczęściowym artykule poświęconym detektorom światła. Z autorem artykułu mieliśmy już do czynienia w artykule z serii Rzadko Zadawanych Pytań - tutaj, gdzie tłumaczył on iż dioda LED (a w zasadzie każda dioda) to także fotodioda. W tej, pierwszej, części artykułu skupimy się na przeglądzie elementów światłoczułych stosowanych w elektronice. W drugiej części, autor skupi się na aplikacjach poszczególnego rodzaju elementów.

    Wstęp

    Artykuł ten powstał jako odpowiedź na szereg pytań zadawanych autorowi, będącemu inżynierem aplikacji analogowych. Większość z nich skupiała się na własnościach poszczególnych elementów światłoczułych i sposobowi ich podłączania do układów elektronicznych - tak dla sygnałów stałych (DC) i zmiennych (AC). We wszystkich przypadkach omówionych poniżej traktujemy tylko o samych sensorach i sposobach ich łączenia z układami elektronicznymi. Jakkolwiek wykorzystuje się elementy fotoczułe w tych aplikacjach sam artykuł nie będzie traktował o fotografii cyfrowej, spektrofotometrii, sygnalizacji i komunikacji optycznej, systemach zabezpieczenia, robotyce etc etc. W głównej części artykułu skupimy się na omówieniu jak działają podstawowe elementy światłoczułe stosowane w elektronice w typowych aplikacjach. Tu i ówdzie wspominane będą efekty wyższych rzędów, które czasami mogą być istotne, jednakże zazwyczaj wystarczy zaznajomić się z ich opisami i ignorować je w naszych aplikacjach.

    Na potrzeby tego artykułu uprośćmy iż światło jest promieniowaniem elektromagnetycznym w jednym z trzech zakresów - widzialnym (długości fali równe od 400 nm do 800 nm), bliskiej podczerwieni, czyli IR-A (od 800 nm do 1400 nm lub nawet odrobinę więcej) i bliskiemu nadfioletowi, czyli UV-A (od 320 nm do 400 nm). Nie wszystkie elementy odpowiadać będą na wszystkie długości fali i jest istotne aby być świadomym tego podczas wyboru sensora, jako że czułość poszczególnych elementów zmienia się wraz z zmianą długości padającej fali.

    W większości skupimy się na fotodiodach, jako że są to najtańsze elementy światłoczułe, które są niezmiernie łatwe w aplikacji, jednakże jest także kilka innych rodzajów elementów o których istnieniu wiedzieć powinien inżynier elektronik.

    Fotocela próżniowa

    Pierwszym sensorem światła, była komórka fotoelektryczna, pokazana na poniższej ilustracji. Ta lampa próżniowa składa się z fotoczułej katody umieszczonej w próżni (lub bardzo rozrzedzonym gazie), która, gdy jest oświetlona, emituje elektrony poruszające się następnie do dodatnio spolaryzowanej anody, co pozwala na przepływ przez układ prądu proporcjonalnego do intensywności padającego światła.

    Fotodiody i inne detektory światła - część 1






    Proste fotokomórki są aktualnie bardzo rzadko wykorzystywane, jednakże ich wersja rozwojowa - fotopowielacze - są nadal kluczowe w aplikacjach na polach takich jak fizyka atomowa i molekularna, astronomia, obrazowanie medyczne itp. Fotopowielacz, pokazany na ilustracji poniżej, zawiera w sobie dodatkowe elektrody - dynody - o wzrastającym potencjalne, co powoduje zwiększanie ilości fotoelektronów z fotokatody. Wzmocnienie takiego układu wynosić może nawet 160 dB. Ich parametry, łączące w sobie wysokie wzmocnienie, niski poziom szumu, szybką odpowiedź impulsową i znaczną powierzchnię aktywną, sprawiają iż żadne półprzewodnikowe układy nie są w stanie im dorównać, co stawia fotopowielacze w awangardzie układów elektronicznych stosowanych w wielu zaawansowanych układach. Technika ta stosowana jest także w wzmacniaczach obrazu w noktowizorach.

    Fotodiody i inne detektory światła - część 1


    Fotorezystor

    Drugim, patrząc historycznie, typem sensora jest element wykorzystujący zmianę oporu przez niektóre materiały podczas ich oświetlania. Klasycznymi materiałami, wykorzystywanymi do niedawna, był siarczek kadmu (CdS) oraz selenek kadmu (Cd2SeS), jednakże ogranicza się ich wykorzystanie z uwagi na toksyczność kadmu. Były one stosowane w wielu aplikacjach, pomimo ich powolnej zmiany oporu pod wpływem oświetlania. Dopiero zmiany w prawie i zmniejszenie się cen fotodiod sprawiło iż przestały być tak popularne.

    Fotodiody i inne detektory światła - część 1


    Jednakże pomimo tego fotorezystory nadal stosowane są często w elektronice. Jedną z popularnych ich aplikacji jest wykorzystanie źródła światła o zmiennej intensywności - żarówki, lub coraz częściej diody LED - wraz z fotoopornikiem do stworzenia izolowanego galwanicznie opornika o zmiennym oporze. Dodatkowym plusem tego elementu jest fakt iż, jako że opornik nie ma polaryzacji, element ten doskonale współpracuje w systemach z prądem zmiennym, jak pokazano na poniższym schemacie.

    Fotodiody i inne detektory światła - część 1


    Fotooporniki wykorzystujące bardziej egzotyczne materiały, takie jak siarczek ołowiu (PbS), antymon indu (InSb) czy domieszkowany miedzią german, są nieocenionymi i niezastąpionymi detektorami pracującymi w średniej i dalekiej podczerwieni.

    Konduktancja v fotoopornika jest proporcjonalna do intensywności padającego nań światła. Oznacza to iż prąd w takim oporniku, do którego przyłożono stałe napięcie, jest wprost proporcjonalny do intensywności padającego światła. Oczywiście współczynnik proporcjonalności zależny jest od długości fali padającego światła i temperatury rezystora (doczytać należy detale w jego karcie katalogowej).

    Dodatkowo, oprócz swojej fotorezystancji, rezystory te charakteryzują się pewnym oporem ciemnym, będącym rzędu megaomów czy nawet dziesiątek megaomów, będącym połączonym do fotoopornika równolegle oporem. Oznacza to iż przez opornik w ciemności nadal płynąć będzie pewien niewielki prąd. W niektórych układach opartych o CdS opór ciemny zależny jest też od oświetlenia układu w ciągu kilku ostatnich godzin czy nawet dni, co czyni element taki nieprzydatnym do precyzyjnych pomiarów, gdyż ich wynik zależny jest od tego co działo się z elementem fotoczułym przez ostatnie dni.

    Fotodioda i fototranzystor

    Większa część tego artykułu poświęcona jest fotodiodom. Półprzewodnikowa dioda jest fragmentem kryształu półprzewodnika, zawierająca w sobie złącze P-N, czyli rejon w którym styka się obszar domieszkowany P i obszar domieszkowany N. Zasada działania diod półprzewodnikowych omówiona jest szeroko w literaturze i nie ma sensu kolejny raz ją powtarzać. Pamiętać trzeba jedynie iż każda dioda półprzewodnikowa jest także fotodiodą.

    Na potrzeby tego artykułu przyjmijmy uproszczoną analizę fotodiody jako idealnej diody nieczułej na światło, połączonej równolegle z źródłem prądowym, którego prąd jest kontrolowany intensywnością padającego światła. Zależność prądu od intensywności światła jest liniowa w szerokim zakresie, 1000:1 lub więcej, ale zakres długości fali światła ma znaczny wpływ na jej działanie i zależny jest od materiału z jakiego wykonano konkretną diodę.

    Fotodiody i inne detektory światła - część 1


    Dioda idealna, spolaryzowana zaporowo (to jest gdy anoda jest ujemna względem katody) działa jak izolator, jednakże charakteryzuje ją pewien niewielki, zależny od temperatury upływ prądu. Zasadniczo prąd upływu niezależny jest od przyłożonego prądu, ale w pewnych modelach spotyka się równolegle z diodą dołączony opornik o wysokiej rezystancji, co wprowadza do prądu upływu realnego urządzenia czynnik zależny od przyłożonego napięcia. Prąd upływu, w funkcji temperatury, podwaja się co 10°C. Dodatkowo w modelu konieczna jest niewielka, równoległa pojemność. Wartość tej pojemności zmniejsza się wraz ze wzrostem napięcia polaryzacji diody.

    Gdy dioda spolaryzowana jest odwrotnie, to jest w kierunku przewodnictwa, prąd wzrasta wykładniczo wraz z napięciem. Jednakże z praktycznego punktu widzenia zauważyć trzeba iż płynący prąd jest bardzo niewielki do pewnego napięcia polaryzacji, widocznego jako 'kolanko' na wykresie I-V diody. Napięcie to zależne jest od konstrukcji diody i materiału z jakiego ją zrobiono. Wynosić może od nawet 200 mV dla diod Schottkiego do aż 4 V przy diodach LED wykonanych z azotku galu. Typowe diody krzemowe kolanko krzywej mają przy około 700 mV. Próg napięcia zmniejsza się wraz z temperaturą elementu. Pojemność w modelu, przy polaryzacji w kierunku przewodzenia, zwiększa się wraz z zwiększaniem się napięcia polaryzującego element.

    Fotodiody i inne detektory światła - część 1


    Oświetlona fotodioda zawiera w sobie idealną diodę i źródło prądowe (oraz pewną pojemność, zależną od przyłożonego napięcia). Niech fotoprąd równa się K*L, gdzie K to stała zależna od konkretnej fotodiody i długości fali padającego światła a L to intensywność światła. Jeśli dioda będzie rozwarta lub obciążona jedynie dużą rezystancją wtedy anoda będzie na tyle dodatnia aby popłynął fotoprąd, a napięcie na tym elemencie będzie proporcjonalne do logarytmu z intensywności padającego światła. Aby zmierzyć ten potencjał konieczne jest wykorzystanie wzmacniacza operacyjnego z bardzo niskim prądem polaryzacji wejść. Doskonałym przykładem tutaj jest AD549, do polaryzacji wejść którego potrzeba zaledwie 40 fA. Jednakże bardzo rzadko aplikuje się diody w takiej topologii.

    Istnieją dwa tryby w jakich działać może fotodioda w układzie - fotoprzewodzenia i fotowoltaicznym. Poniżej pokazano schemat z diodą wykorzystaną w trybie fotoprzewodzenia.

    Fotodiody i inne detektory światła - część 1


    Jeśli fotodioda spolaryzowana jest zaporowo prąd przez nią płynący będzie sumą prądu upływu i fotoprądu. W takim przypadku pojemność diody będzie mniejsza niż w czasie gdy jest spolaryzowana w kierunku przewodzenia. To bardzo przyjemna własność, gdyż pozwala na pomiar światła o dużej częstotliwości modulacji. Układy elektroniczne towarzyszące diodzie mają za zadanie wzmocnić fotoprąd przez nią płynący. Jest to tak zwany tryb fotoprzewodzenia.

    Nie tylko diody są czułe na światło. Większość tranzystorów, jako że też zawiera w sobie złącze P-N, jest czuła na światło. Pół wieku temu, znany amator elektronik odkrył iż jeśli weźmiemy germanowy tranzystor firmy Mullard - OC71 i zeskrobiemy z niego farbę otrzymamy fototranzystor. Dodatkowo o parametrach dziwnie zbliżonych do pić razy droższego elementu OCP71. Po tym odkryciu mało kto kupował droższy element, tak więc firma zmieniła obudowę OC71, uniemożliwiając już wykorzystanie go jako fototranzystora.

    Fotodiody i inne detektory światła - część 1


    Fototranzystor (pokazany schematycznie na rysunku powyżej) to tranzystor którego złącze baza-kolektor jest światłoczułe. Bardzo często układ taki nie ma wyprowadzonej bazy. Fotoprąd diody w układzie płynie w układzie baza-emiter i jwzt wzmocniony przez tranzystor o współczynnik wzmocnienia prądowego β. Czułość fototranzystora jest zatem β (~30..200) razy większa niż czułość porównywalnej fotodiody. Z drugiej strony, przy nie podłączonej do niczego bazie, czasy reakcji są znacznie większe niż dla fotodiody, zazwyczaj czasy narastania i opadania wynoszą od 10 µs do 20 µs, a najlepsze elementy osiągają czasy od 500 ns do 1000 ns. Fototranzystory wykorzystywane są zawsze w trybie fotoprzewodnictwa i mogą być bardzo praktyczne gdy chcemy wykorzystać je na przykład do sterowania przekaźnikiem. Jeśli układ ma wyprowadzoną bazę to podłączenie jej przez opornik do emitera poprawia czas załączania kosztem czułości elementu.

    Fotodiody i inne detektory światła - część 1


    Jeśli fotodioda zwarta jest poprzez opornik, dobrany tak aby maksymalny spodziewany (lub optymalny) fotoprąd płynął przy napięciu 20% niższym niż próg napięcia (kolanko na charakterystyce I-V) diody, wtedy układ będzie charakteryzował się napięciem wyjściowym proporcjonalnym do padającego światła, a impedancja wyjściowa równa będzie wartości rezystancji zastosowanego opornika. W takiej konfiguracji, nazywanej fotowoltaiczną, dalsze układy mają za zadanie wzmacniać napięcie na oporniku.

    Zastosowanie diod LED jako fotodiod

    Jeśli zajrzymy na stronę internetową dowolnego dystrybutora elementów elektronicznych, zauważymy, iż najtańsze fotodiody kosztują około 15 centów i działają w podczerwieni. Są to krzemowe diody z progiem napięcia równym około 700 mV. Z kolei najtańsze diody LED kosztują poniżej 4 centów i charakteryzują się 2..5 krotnie większym progiem napięcia. Diody LED, czułe są na światło widzialne i w wielu wypadkach są równie czułe na światło co dedykowane fotodiody. Oczywiście elementy sprzedawane jako fotodiody są w pełni charakteryzowane i testowane przez producenta przed sprzedażą i najpewniej są też znacznie szybsze od LEDów, jednakże nie jest to trudne scharakteryzować element samodzielnie. Dodatkową zaletą korzystania z diod LED jako fotodetektorów jest fakt iż są one czułe tylko na część widma i dodatkowo mogą służyć dwóm celom - jako wskaźnik informacyjny i jako czujnik światła.

    Mikrokontroler ATMega328, wykorzystywany w Arduino, podobnie jak wszystkie inne mikrokontolery, np. ADuC7023 lub ADuCM320 firmy Analog Devices posiadają pewne porty, które mogą być cyfrowymi wyjściami GPIO lub wejściami do konwertera analogowo-cyfrowego. LED wraz z dwoma opornikami na tym wejściu mogą z powodzeniem pełnić rolę indykatora i czujnika światłą otoczenia.

    Diody LED, wykorzystywane jako fotodiody, są nieczułe na światło o długości fali większej niż ta emitowana przed diodę podczas pracy. Oczywiście, jeśli elementy te zamknięte są dodatkowo w kolorowych obudowach, ma to wpływ na pasmo czułości, jednakże bardzo często dostępne są diody w przeźroczystych obudowach. Fakt że obudowy są przeźroczyste nie oznacza oczywiście iż transmitują one dowolne światło - mogą blokować ultrafiolet lub podczerwień. Elementy te są dosyć czułe na światło o krótszych falach niż to emitowane, z kolei fotodiody krzemowe nie są tak czułe w pasmie widzialnym jak są w bliskiej podczerwieni. Widoczne jest to w eksperymencie porównującym czułość krzemowej diody na światło słoneczne i światło z żarówki. W przypadku klasycznej diody 1N4148, w szklanej obudowie, oświetlenie słoneczne generuje fotoprąd równy około 10 nA, z kolei 60 W żarówka w odległości 30 cm ponad 30 nA, dodatkowo fotoprąd modulowany jest (2 nArms) sygnałem 100 Hz, pochodzącym z sieci energetycznej zasilającej żarówkę.

    Diody LED są zwykłymi diodami półprzewodnikowymi, których emisja jest w uproszczeniu monochromatyczna (widmo jest wąskie o kształcie zbliżonym do krzywej Gaussa). Wielokolorowe diody - w tym i białe - są złożone z kilku monochromatycznych, dających w sumie konkretną barwę. Oczywiście, jeśli chodzi o białe diody, jest także kilka innych sposobów ich produkcji. Podsumowując - możliwe jest wykorzystanie diod LED jako elementów czułych na światło, jednakże trzeba robić to ostrożnie i najlepiej po charakteryzacji optoelektronicznej takiego elementu. W poniższym dodatku opisano w jaki sposób przeprowadzić można taką charakteryzację.

    Techniki pomiarowe - dodatek

    Podstawową zasadą w pomiarze charakterystyk fotodiody jest wystawianie jej na znane źródło światła o różnych długościach fali i pomiar płynącego fotoprądu. Pozwala to na wykreślenie krzywej czułości w funkcji długości fali. Łatwo to zrobić, mając dostęp do spektrometru, pozwalającego nam na otrzymanie monochromatycznego światła o zadanej długości fali, jednakże bez tego wyposażenia dosyć ciężko zdobyć źródło światła o kontrolowanej długości fali.

    Jednakże niektóre elementy światłoczułe są dosyć dobrze scharakteryzowane i można porównywać ich widmo do nieznanych elementów przy tym samym źródle światła. Tanio i łatwo nabyć można zestaw diod LED o rozmaitych kolorach emisji w zakresie od UV do IR, a część z producentów tych elementów podaje dane dotyczące charakterystyki widmowej emisji. W ten sposób, wykorzystując dobrze znany fotodetektor możemy scharakteryzować nowy nieznany element korzystając z kilku diod LED, których maksima emisji rozłożone są w zakresie który nas interesuje. Pozwala nam to na łatwe zrealizowanie pomiaru charakterystyki czułości diody LED jako fotodiody.

    Jeśli testowany element i dioda LED są w obudowach o średnicy 5 mm to eksperyment przeprowadza się bardzo łatwo. Wystarczy wykonać z kawałka czarnego tworzywa (ebonit, ABS, wkłókno węglowe - cokolwiek ciemnego) przejściówkę pozwalającą na połączenie elementów czołami. Wystarczy wetknąć elementy i dokonać pomiarów. Jeśli elementy mają różną średnicę wtedy musimy wykonać, z tego samego materiału co powyżej, analogiczną przejściówkę zachowując tylko współosiowość obu elementów. Na poniższej ilustracji pokazano jak wyglądają tego typu elementy.

    Fotodiody i inne detektory światła - część 1


    Oprócz pomiarów zależności spektralnych można także dokonać pomiaru prądu upływu, progu napięcia i jeśli do możliwe częstotliwości przełączania. Wszystko to da się dokonać z wykorzystaniem multimetra, generatora impulsów, diody LED o której wiemy iż jest szybka oraz oscyloskopu na pasmo 100 MHz lub więcej. Same procedury pomiarowe są zasadniczo znane i analogiczne do tych używanych w pomiarach normalnych, dedykowanych fotodiod.

    Źródło:

    http://edn.com/design/analog/4433627/Photodiodes-and-other-Light-Sensors--Part-1


    Fajne!
  • ambtechnic