W pierwszej części artykułu, dostępnej tutaj https://www.elektroda.pl/rtvforum/topic2903163.html przeczytać można było o fizycznej konstrukcji oraz zasadach działania używanych w elektronice detektorów światła. W drugiej części, poniżej, autor pisze dokładniej o aplikacjach elementów światłoczułych w systemach elektronicznych.
Aplikacja fotokomórki
W tej sekcji artykułu omówimy w jaki sposób konstruować interfejs pomiędzy fotosensorem a związanymi z nim układami elektronicznymi. Zasadniczo istnieją dwa rodzaje aplikacji fotokomórek - pomiar intensywności światła oraz odbiór światła zmodulowanego.
Jeśli dokonujemy pomiaru światła dokonywać możemy, mówiąc szczegółowo, pomiaru jego intensywności lub po prostu detekować jego obecność. Zaprezentowano już, w poprzedniej części, iż fotodiody wykazują fotoprąd, a fotorezystory charakteryzują się konduktancja proporcjonalną do natężenia światła padającego na ten element (w tym artykule nie skupimy się na czułości spektralnej żadnego z tych elementów). Jeśli mierzyć będziemy fotoprąd diody, lub prąd płynący przez spolaryzowanym stałym napięciem fotoopornik, możemy dokonać pomiaru światła padającego na element światłoczuły.
W fotometrii (to jest w urządzeniach takich jak luksomierze, mierniki ekspozycji i systemy kontroli oświetlenia, działające w zamkniętej pętli sterowania) chcielibyśmy możliwie precyzyjnie mierzyć intensywność padającego światła. Z kolei w wielu innych aplikacjach elementów światłoczułych chcielibyśmy po prostu stwierdzać obecność światła, jakkolwiek 'obecność' nie jest w pełni odpowiednim słowem, gdyż zazwyczaj zależy nam na stwierdzeniu obecności dodatkowego światła, powyżej pewnego poziomu tła. Jeśli światło, które chcemy detekować, pochodzi, na przykład, z diody elektroluminescencyjnej (LED) i w systemie obecne są inne źródła światła, rozsądnym jest modulowanie światła diody LED, co pozwoli na rozróżnienie czy obserwowane światło pochodzi z tła czy modulowanego źródła. Te kwestie jednakże omówione zostaną później.
Klasyczny fotodetektor wykorzystuje fotocelę (jako taką użyć można fotodiody pracujące w modzie prądowym lub fotorezystora) w szeregu z opornikiem o rezystancji Rs i tranzystorem. Opór rezystora dobiera się tak, aby płynący prąd był dostatecznie duży aby mógł przełączać wybrany przez nas tranzystor.
Jako tranzystor wybrać można zwykły tranzystor bipolarny (BJT), tranzystory w układzie Darlingtona lub tranzystor polowy, na przykład MOSFET. W przeszłości tranzystory BJT były najpopularniejszym wyborem w takiej aplikacji, z uwagi na ich niską cenę, jednakże aktualnie nie jest to już relewantne z uwagi na ceny tranzystorów polowych, co czyni je najlepszym wyborem do tej aplikacji. Wyjściem układu może być przekaźnik lub opornik z wyjściem cyfrowym, podłączonym z drenu/kolektora lub układ otwartego drenu/kolektora, który dodatkowo pozwala wzbogacić układ o funkcję bramki OR. W układzie można korzystać tak i z tranzystorów z kanałem N/typu NPN jak i z kanałem P/typu PNP, jednakże z uwagi iż dla obu układów sposób obliczania ich jest taki sam, z dokładnością do odwrócenia polaryzacji, wszystkie przykłady wyliczono dla tranzystorów z kanałem N/typu NPN.
Trudno jest stworzyć algorytm pozwalający na dobór wartości oporu rezystora Rs, który najczęściej dobierany jest eksperymentalnie (lub nawet strojony potencjometrem w każdym układzie). Spowodowane jest to faktem iż trudno przewidzieć natężenie światła obecne na fotoelemencie w danym systemie, a także trudno ocenić jaki kolor będzie miało to światło, a ma to wpływ na płynący prąd z uwagi na krzywą czułości spektralnej elementu.
Próg napięcia - Vth - tranzystora, to napięcie wejściowe (bramka-źródło lub baza-emiter) przy której wyjście tranzystora (dren lub kolektor) zaczyna przewodzić. Różni producenci układów używają różnych oznaczeń na tern parametr (Vgs(th), Vgs0 etc). Wartości progu prądu, dla początku przewodzenia, zależne są od układu, jednakże z uwagi na fakt iż niewielkie zmiany napięcia wejściowego w tym regionie, powodują duże zmiany prądu wyjściowego, więc nie istotny jest progowy prąd tranzystora.
Tranzystor bipolarny zaczyna przewodzić przy napięciu baza-emiter równym około 700 mV. Tranzystory BJT w układzie Darlingtona przewodzą przy napięciu około 1300 mV, a tranzystory polowe dla niskich mocy charakteryzują się Vth w zakresie od 900 do 2400 mV. Wysokonapięciowe MOSFETy charakteryzują się wyższą wartością napięcia progowego, jednakże rzadko kiedy stosuje się je w systemach detekcji światła.
Popularna aplikacja układu, pokazana powyżej, wykorzystuje tranzystor, który przewodzi w obecności światła i załącza przekaźnik sterujący obciążeniem lub też daje logiczne zero na wyjściu drenu/kolektora tranzystora z kanałem N/typu NPN. Spadek napięcia na oporniku Rs musi być równy Vth gdy It (prąd fotokomórki podczas przełączania, płynie przez ten opornik. Z fotodiodą It jest, mniej-więcej, niezależne od napięcia polaryzacji diody, zatem:
Jednakże z fotoopornikiem:
lub
Gdzie Vs to napięcie zasilania, Rt jest progowym oporem (a Gt progową konduktancją) fotoopornika. Pozwala to na wyznaczenie wartości Rs, korzystając z równania:
lub
W innej architekturze układu (detektor odwracający) tranzystor zostaje wyłączony gdy pojawia się światło w układzie, wyłączając przekaźnik lub też generując stan logiczny 1 na wyjściu z drena/kolektora tranzystora (z kanałem N lub typu NPN. W tym przypadku spadek napięcia na oporniku Rs musi być równy (Vs - Vth) gdy prąd It (prąd fotokomórki przy progu wyłączania) płynie przez opornik Rs. Równanie dla fotodiody jest całkiem proste:
A dla fotoopornika:
lub
Gdzie Vs to napięcie zasilania, a Rt (lub Gt) jest progowym oporem (lub konduktancją) fotoopornika. Pozwala to na wyznaczenie wartości rezystancji opornika Rs korzystając z wzoru:
lub
Fotodioda pracująca w trybie fotowoltaicznym także pracować może jako fotodetektor. Równoległy opornik o rezystancji Rs, dobrany zostaje wtedy w taki sposób, aby spadek napięcia na nim wynosił Vth gdy płynie przezeń prąd It, czyli:
Oczywiście fotodioda, wykorzystana w takim układzie, musi wykonana być z materiały który charakteryzuje się progiem przewodzenia wyższym niż Vth. Oznacza to iż, zazwyczaj, jeśli chcemy wykorzystać w tej aplikacji fotodiodą nie będzie to dioda oparta o krzem. Fotodioda krzemowa charakteryzuje się napięciem progowym około 700 mV, co oznacza iż może ona sterować jedynie tranzystor MOSFET o wyjątkowo niskim progu działania lub też układ z wejściem Schmitta o niskim napięciu zasilania.
Jeśli w którymkolwiek z powyższych układów zastosujemy tranzystor BJT lub nawet tranzystory w układzie Darlingtona ich minimalny prąd bazy, w czasie gdy obciążenie jest w pełni włączone, nie powinien przekraczać 20% prądu It. Jeśli obciążenie kolektora tranzystora (opornik lub przekaźnik) równe będzie RL, a napięcie zasilania Vs a minimalny prąd bazy (Ib(min)) równy będzie Vs/βRm gdzie β to wzmocnienie prądowe tranzystora zatem:
W innym wypadku prąd bazy, wymagany do przełączenia tranzystora, może być zbyt duży dla układu sformowanego z fotoelementu i opornika Rs. Jeśli prąd, potrzebny do przełączania przekaźnika jest zbyt duży, tranzystor bipolarny powinien być zamieniony tranzystorem MOSFET. Dla obliczeń warto przyjść β=30 dla tranzystora BJT i β=500 dla układu Darlingtona. Są to najmniejsze typowe wartości dla tego typu elementów.
Problemem z tego typu układami jest fakt iż jeśli wartość natężenia oświetlenia jest bliska progu tranzystor zachowuje się jako niemalże liniowy wzmacniacz i zmiana na wyjściu jest niewielka, w porównaniu do poziomu szumu (elektrycznego i świetlnego). Jeśli część optyczna układu generuje duże zmiany i nie występują żadne opóźnienia, blisko progu, nie powinno to być problemem, jednakże jeśli tak jest potrzebna jest inna topologia układu.
Najprostszy układ tego typu wykorzystuje bramkę logiczną z wejściem Schmitta. Są to układy logiczne z analogowym dodatnim sprzężeniem zwrotnym w stopniu wejściowym, w których wzrastające od zera na wejściu napięcie nie powoduje zmiany stanu logicznego na wyjściu do momentu gdy napięcie przekroczy około 50..60% napięcia zasilającego. Wiele bramek cyfrowych charakteryzuje się występowaniem liniowego obszaru wejścia w którym działają one jako kiepskiej jakości wzmacniacz, jednakże układy te przełączają bardzo szybko z jednego stanu do drugiego przy dojściu do wartości progowej. W przypadku wejścia typu Schmitta, bramka nie zmienia swojej wartości wyjściowej do momentu w którym napięcie na wejściu spadnie do około 30% napięcia zasilania. Warto oczywiście pamiętać iż te wartości są przybliżone i zależą mocno od producenta, konkretnego układu i wartości napięcia zasilającego wykorzystanego w układzie. A nawet przy stałych powyższych wartościach, pomimo idealnej histerezy, nie są one precyzyjnymi układami do pomiaru wartości napięcia.
Bramki z wejściem Schmitta dostępne są na szeroki zakres napięć zasilania od 2 V do 18 V (oczywiście żaden pojedynczy układ nie ma takiego zakresu napięć, po prostu istnieją różne układy zapełniające ten zakres). Dostępne są w klasycznych obudowach DIP i SOT z czterema lub sześcioma bramkami w jednej obudowie (na przykład układy z serii 4000 - 4093 i 40106). Występują także pojedyncze bufory w obudowach SOT-23, kosztującej nawet 6 centów - na przykład układ TC4S584F produkowany przez Toshibę i wiele innych.
Zakres napięć progowych dla różnych napięć zasilania umieszczony jest w karcie katalogowej każdego układu scalonego i może być wykorzystany w obliczeniach korzystając z równań [1] [4] [5] [6] [9] [10] oraz [11], w celi wyznaczania wartości rezystancji opornika Rs.
Przerzutniki Schmitta są tanim i wygodnym układem do stosowania w tych aplikacjach, jednakże nie są zbyt dokładnie. Są oczywiście dostatecznie precyzyjne aby stosować je w wielu aplikacjach gdzie istotny jest tylko próg natężenia oświetlenia i są doskonałym wyborem w układach które nie mierzą ilościowo światła. Można je też zastąpić przerzutnikiem Schmitta zbudowanym z elementów dyskretnych, jednakże takie rozwiązanie jest droższe i zużywa więcej miejsca na płytce z uwagi na potrzebną ilość elementów (i najpewniej pobiera więcej prądu). Wyjście z typowych elementów z wejściem Schmitta jest wyjściem cyfrowym (zależnie od zastosowanego elementu - część z nich to bufory, część inwertery - trzeba wiedzieć z jakiego się korzysta). Jeśli sterować chcemy z niego np. przekaźnikiem warto wykorzystać za bramką tranzystor MOSFET, podłączony do wyjścia logicznego.
Gdy potrzebna jest większa dokładność konieczne staje się użycie komparatora (lub przetwornika analogowo-cyfrowego - patrz niżej). Komparator to układ elektroniczny z dwoma wejściami analogowymi i jednym wyjściem cyfrowym. Możliwe jest zastąpienie go wzmacniaczem operacyjnym, jednakże wiąże się to z szeregiem problemów, omówionych gdzie indziej. Wyjście komparatora informuje które z wejść ma większe napięcie (jest bardziej dodatnie), zatem podłączenie wyjścia z fotoelementu z opornikiem, spolaryzowanych napięciem Vs do jednego wejścia komparatora i napięcia odniesienia (Vref) do drugiego wejścia pozwala na całkiem precyzyjne kontrolowanie progu zadziałania systemu. Dokonanie odpowiedniej kalibracji układu pozwala na całkiem precyzyjne sterowanie systemem. Komparatorem można także sterować z pomocą fotodiody pracującej w trybie fotowoltaicznym.
Niektóre komparatory mają wbudowane w siebie układu histerezy, do reszty z nich można całkiem prosto dodać taką funkcję. Poniższy układ prezentuje jak to zrobić z pomocą dwóch oporników. Wyznaczanie wartości tych elementów opisane zostało dokładnie w literaturze.
Równania opisujące działanie systemu są podobne jak dla prostego układu z tranzystorem (równania [1] - [10]) z tym że Vth zastąpione zostaje napięciem odniesienia Vref.
Najprecyzyjniejszym sposobem pomiaru wyjścia jest wykorzystanie przetwornika analogowo-cyfrowego (ADC), dodatkowo jako bufor wykorzystać można wzmacniacz operacyjny pomiędzy interfejsem analogowym a wejściem ADC.
Wartością wyjściową z układu opartego o fotodiodę jest napięcie proporcjonalne to natężenia padającego światła. Napięcie to może być wzmocnione z wykorzystaniem wzmacniacza operacyjnego lub bezpośrednio podane na wejście analogowe przetwornika ADC, pod warunkiem iż przetwornik ten charakteryzuje się odpowiednio dużą impedancją wejściową, która nie spowoduje nadmiernego obciążenia układu analogowego.
Napięcie wyjściowe z układu z fotorezystorem daje się dobrze opisać, jednakże nie jest w pełni proporcjonalne do padającego światła i wymaga linearyzacji, co jest dodatkowym argumentem za stosowaniem fotodiod zamiast fotorezystorów.
Wejście wielu, jeśli nie większości, przetworników ADC zawiera przełączany kondensator który pobiera szybkozmienny prąd. Oznacza to iż na wejściu przetwornika konieczne jest umieszczenie niewielkie pojemności łączącej go z masą, tak aby prądy te płynęły do masy a nie do fotodetektora, bufora czy gdzie indziej w systemie.
Warto zaznajomić się z kartą katalogową wykorzystanego układu ADC, aby określić odpowiednie parametry pracy układu. Najlepszym interfejsem pomiędzy fotodiodą a przetwornikiem jest wzmacniacz operacyjny pracujący jako konwerter prąd-napięcie. Rozwiązanie to działa także z fotoopornikiem, zakładając iż napięcie polaryzacji jest stałe. Poniżej zaprezentowano schemat takiego układu.
Prąd z fotokomórki wpływa do wejścia sumującego wzmacniacza operacyjnego na wejściu odwracającym. Ujemne sprzężenie zwrotne stara się zapewnić takie same napięcia na wejściu nieodwracającym, zatem napięcie wyjściowe na oporniku Rfb powoduje iż prąd wejściowy jest taki sam jak prąd z fotoelementu. Oczywiście układ taki wymaga wzmacniacza operacyjnego o prądzie polaryzacji znacznie mniejszym niż prąd pochodzący z elementu światłoczułego, dlatego że zazwyczaj układy takie wykorzystują op-ampy z wejściem opartym o tranzystory polowe.
Jeśli jesteśmy zainteresowani pomiarem zmiennego fotoprądu, bez sygnału stałego, lub też zmiennego natężenia fotoprądu z uwagi na wahania tła, istnieją dwie możliwości. Pierwszą z nich jest ograniczenie wzmocnienia bufora, poprzez zmniejszenie Rfb tak, aby wzmacniacz nie był przesterowany dla wartości AC + DC sygnału, a następnie składowa zmienna podawana jest dalej przez kondensator do kolejnego wzmacniacza, zwiększającego jej amplitudę do poziomu wymaganego w danej aplikacji.
Możemy także podłączyć fotokomórkę szeregowo z elementem o odpowiednim indukcyjności, który uziemi prąd stały z sygnału. Składowa zmienna sygnału podawana jest następnie na wejście wzmacniacza. Jeśli pasmo sygnału jest wąskie, do cewki można podłączyć dodatkowo kondensator, formując układ LC, o odpowiedniej dobroci Q. Dzięki temu powstanie filtr o wąskim pasmie i wysokim wzmocnieniu sygnału o pożądanej częstotliwości. Taki układ musi być podłączony do wzmacniacza napięciowego o wysokiej impedancji, aby nie zmniejszyć dobroci filtra. Wzmacniacz ten nie powinien sterować obciążeniem indukcyjnym, gdyż może spowodować to niestabilne działanie układu.
Jeśli w układzie zastosowano tylko indukcyjność, jako wysoką impedancję AC i niską DC, można uniknąć zmiany impedancji systemu w funkcji częstotliwości korzystając z układu konwertera prąd-napięcie dla sygnału AC, zamiast z zwykłego wzmacniacza napięciowego. Efektywnie zwiera to cewkę przy sygnałach zmiennych.
Cewki w tej aplikacji dobrane muszą zostać w taki sposób, aby, przy największym płynącym w układzie fotoprądzie, nie ulegały one wysyceniu. Nie powinno to następować przy typowych wartościach sygnałów w systemie, jednakże warto sprawdzić to na etapie projektu.
Fotodetektory wykorzystujące modulowane źródło sygnału, o których wspominano na początku artykułu, mogą wykrywać modulację korzystając z powyższych układów lub z detektora częstotliwości. Istnieje szereg detektorów tonu oraz mnóstwo algorytmów detekcji tonów w zdigitalizowanym sygnale, jednakże najprostszym wyjściem jest zastosowanie układu NE567, obecnego na rynku już od 40 lat.
Wartości C1 i C2 w powyższym schemacie zależą od częstotliwości detekowanego sygnału. Detale odnośnie sposobu działania układu 567 poznać można czytając jego kartę katalogową, jednakże dla większości sygnałów zmiennych o amplitudzie nie mniejszej niż 200 mVrms, i częstotliwości F kondensator C1 odpowiada za częstotliwość, a C2 za szerokość pasma. Równania opisujące zależności pomiędzy częstotliwością F i szerokością pasma BW a pojemnościami tych elementów wyglądają następująco:
Gdzie BW wyznaczane jest jako procent z F.
Istnieje niezliczona ilość innych aplikacji sensorów światła, jednakże w tym artykule ograniczono się tylko do powyższych w celu omówienia ich charakterystyk, bez wgłębiania się w detale systemów w których się je stosuje.
Źródło:
http://www.edn.com/design/analog/4433880/1/Photodiodes-and-other-Light-Sensors--Part-2
Aplikacja fotokomórki
W tej sekcji artykułu omówimy w jaki sposób konstruować interfejs pomiędzy fotosensorem a związanymi z nim układami elektronicznymi. Zasadniczo istnieją dwa rodzaje aplikacji fotokomórek - pomiar intensywności światła oraz odbiór światła zmodulowanego.
Jeśli dokonujemy pomiaru światła dokonywać możemy, mówiąc szczegółowo, pomiaru jego intensywności lub po prostu detekować jego obecność. Zaprezentowano już, w poprzedniej części, iż fotodiody wykazują fotoprąd, a fotorezystory charakteryzują się konduktancja proporcjonalną do natężenia światła padającego na ten element (w tym artykule nie skupimy się na czułości spektralnej żadnego z tych elementów). Jeśli mierzyć będziemy fotoprąd diody, lub prąd płynący przez spolaryzowanym stałym napięciem fotoopornik, możemy dokonać pomiaru światła padającego na element światłoczuły.
W fotometrii (to jest w urządzeniach takich jak luksomierze, mierniki ekspozycji i systemy kontroli oświetlenia, działające w zamkniętej pętli sterowania) chcielibyśmy możliwie precyzyjnie mierzyć intensywność padającego światła. Z kolei w wielu innych aplikacjach elementów światłoczułych chcielibyśmy po prostu stwierdzać obecność światła, jakkolwiek 'obecność' nie jest w pełni odpowiednim słowem, gdyż zazwyczaj zależy nam na stwierdzeniu obecności dodatkowego światła, powyżej pewnego poziomu tła. Jeśli światło, które chcemy detekować, pochodzi, na przykład, z diody elektroluminescencyjnej (LED) i w systemie obecne są inne źródła światła, rozsądnym jest modulowanie światła diody LED, co pozwoli na rozróżnienie czy obserwowane światło pochodzi z tła czy modulowanego źródła. Te kwestie jednakże omówione zostaną później.
Klasyczny fotodetektor wykorzystuje fotocelę (jako taką użyć można fotodiody pracujące w modzie prądowym lub fotorezystora) w szeregu z opornikiem o rezystancji Rs i tranzystorem. Opór rezystora dobiera się tak, aby płynący prąd był dostatecznie duży aby mógł przełączać wybrany przez nas tranzystor.
Jako tranzystor wybrać można zwykły tranzystor bipolarny (BJT), tranzystory w układzie Darlingtona lub tranzystor polowy, na przykład MOSFET. W przeszłości tranzystory BJT były najpopularniejszym wyborem w takiej aplikacji, z uwagi na ich niską cenę, jednakże aktualnie nie jest to już relewantne z uwagi na ceny tranzystorów polowych, co czyni je najlepszym wyborem do tej aplikacji. Wyjściem układu może być przekaźnik lub opornik z wyjściem cyfrowym, podłączonym z drenu/kolektora lub układ otwartego drenu/kolektora, który dodatkowo pozwala wzbogacić układ o funkcję bramki OR. W układzie można korzystać tak i z tranzystorów z kanałem N/typu NPN jak i z kanałem P/typu PNP, jednakże z uwagi iż dla obu układów sposób obliczania ich jest taki sam, z dokładnością do odwrócenia polaryzacji, wszystkie przykłady wyliczono dla tranzystorów z kanałem N/typu NPN.
Trudno jest stworzyć algorytm pozwalający na dobór wartości oporu rezystora Rs, który najczęściej dobierany jest eksperymentalnie (lub nawet strojony potencjometrem w każdym układzie). Spowodowane jest to faktem iż trudno przewidzieć natężenie światła obecne na fotoelemencie w danym systemie, a także trudno ocenić jaki kolor będzie miało to światło, a ma to wpływ na płynący prąd z uwagi na krzywą czułości spektralnej elementu.
Próg napięcia - Vth - tranzystora, to napięcie wejściowe (bramka-źródło lub baza-emiter) przy której wyjście tranzystora (dren lub kolektor) zaczyna przewodzić. Różni producenci układów używają różnych oznaczeń na tern parametr (Vgs(th), Vgs0 etc). Wartości progu prądu, dla początku przewodzenia, zależne są od układu, jednakże z uwagi na fakt iż niewielkie zmiany napięcia wejściowego w tym regionie, powodują duże zmiany prądu wyjściowego, więc nie istotny jest progowy prąd tranzystora.
Tranzystor bipolarny zaczyna przewodzić przy napięciu baza-emiter równym około 700 mV. Tranzystory BJT w układzie Darlingtona przewodzą przy napięciu około 1300 mV, a tranzystory polowe dla niskich mocy charakteryzują się Vth w zakresie od 900 do 2400 mV. Wysokonapięciowe MOSFETy charakteryzują się wyższą wartością napięcia progowego, jednakże rzadko kiedy stosuje się je w systemach detekcji światła.
Popularna aplikacja układu, pokazana powyżej, wykorzystuje tranzystor, który przewodzi w obecności światła i załącza przekaźnik sterujący obciążeniem lub też daje logiczne zero na wyjściu drenu/kolektora tranzystora z kanałem N/typu NPN. Spadek napięcia na oporniku Rs musi być równy Vth gdy It (prąd fotokomórki podczas przełączania, płynie przez ten opornik. Z fotodiodą It jest, mniej-więcej, niezależne od napięcia polaryzacji diody, zatem:
Rs = Vth/It [1]
Jednakże z fotoopornikiem:
It = (Vs-Vth)/Rt [2]
lub
It = (Vs-Vth)Gt [3]
Gdzie Vs to napięcie zasilania, Rt jest progowym oporem (a Gt progową konduktancją) fotoopornika. Pozwala to na wyznaczenie wartości Rs, korzystając z równania:
Rs = VthRt/(Vs-Vth) [4]
lub
Rs = Vth/Gt(Vs-Vth) [5]
W innej architekturze układu (detektor odwracający) tranzystor zostaje wyłączony gdy pojawia się światło w układzie, wyłączając przekaźnik lub też generując stan logiczny 1 na wyjściu z drena/kolektora tranzystora (z kanałem N lub typu NPN. W tym przypadku spadek napięcia na oporniku Rs musi być równy (Vs - Vth) gdy prąd It (prąd fotokomórki przy progu wyłączania) płynie przez opornik Rs. Równanie dla fotodiody jest całkiem proste:
Rs = (Vs-Vth)/It [6]
A dla fotoopornika:
It = Vth/Rt [7]
lub
It = VthGt [8]
Gdzie Vs to napięcie zasilania, a Rt (lub Gt) jest progowym oporem (lub konduktancją) fotoopornika. Pozwala to na wyznaczenie wartości rezystancji opornika Rs korzystając z wzoru:
Rs = (Vs-Vth)Rt/Vth [9]
lub
Rs = (Vs-Vth)/GtVth [10]
Fotodioda pracująca w trybie fotowoltaicznym także pracować może jako fotodetektor. Równoległy opornik o rezystancji Rs, dobrany zostaje wtedy w taki sposób, aby spadek napięcia na nim wynosił Vth gdy płynie przezeń prąd It, czyli:
Rs = Vth/It [11]
Oczywiście fotodioda, wykorzystana w takim układzie, musi wykonana być z materiały który charakteryzuje się progiem przewodzenia wyższym niż Vth. Oznacza to iż, zazwyczaj, jeśli chcemy wykorzystać w tej aplikacji fotodiodą nie będzie to dioda oparta o krzem. Fotodioda krzemowa charakteryzuje się napięciem progowym około 700 mV, co oznacza iż może ona sterować jedynie tranzystor MOSFET o wyjątkowo niskim progu działania lub też układ z wejściem Schmitta o niskim napięciu zasilania.
Jeśli w którymkolwiek z powyższych układów zastosujemy tranzystor BJT lub nawet tranzystory w układzie Darlingtona ich minimalny prąd bazy, w czasie gdy obciążenie jest w pełni włączone, nie powinien przekraczać 20% prądu It. Jeśli obciążenie kolektora tranzystora (opornik lub przekaźnik) równe będzie RL, a napięcie zasilania Vs a minimalny prąd bazy (Ib(min)) równy będzie Vs/βRm gdzie β to wzmocnienie prądowe tranzystora zatem:
It ≥ 5Vs/βRL zatem RL ≥ 5Vs/βIt [12]
W innym wypadku prąd bazy, wymagany do przełączenia tranzystora, może być zbyt duży dla układu sformowanego z fotoelementu i opornika Rs. Jeśli prąd, potrzebny do przełączania przekaźnika jest zbyt duży, tranzystor bipolarny powinien być zamieniony tranzystorem MOSFET. Dla obliczeń warto przyjść β=30 dla tranzystora BJT i β=500 dla układu Darlingtona. Są to najmniejsze typowe wartości dla tego typu elementów.
Problemem z tego typu układami jest fakt iż jeśli wartość natężenia oświetlenia jest bliska progu tranzystor zachowuje się jako niemalże liniowy wzmacniacz i zmiana na wyjściu jest niewielka, w porównaniu do poziomu szumu (elektrycznego i świetlnego). Jeśli część optyczna układu generuje duże zmiany i nie występują żadne opóźnienia, blisko progu, nie powinno to być problemem, jednakże jeśli tak jest potrzebna jest inna topologia układu.
Najprostszy układ tego typu wykorzystuje bramkę logiczną z wejściem Schmitta. Są to układy logiczne z analogowym dodatnim sprzężeniem zwrotnym w stopniu wejściowym, w których wzrastające od zera na wejściu napięcie nie powoduje zmiany stanu logicznego na wyjściu do momentu gdy napięcie przekroczy około 50..60% napięcia zasilającego. Wiele bramek cyfrowych charakteryzuje się występowaniem liniowego obszaru wejścia w którym działają one jako kiepskiej jakości wzmacniacz, jednakże układy te przełączają bardzo szybko z jednego stanu do drugiego przy dojściu do wartości progowej. W przypadku wejścia typu Schmitta, bramka nie zmienia swojej wartości wyjściowej do momentu w którym napięcie na wejściu spadnie do około 30% napięcia zasilania. Warto oczywiście pamiętać iż te wartości są przybliżone i zależą mocno od producenta, konkretnego układu i wartości napięcia zasilającego wykorzystanego w układzie. A nawet przy stałych powyższych wartościach, pomimo idealnej histerezy, nie są one precyzyjnymi układami do pomiaru wartości napięcia.
Bramki z wejściem Schmitta dostępne są na szeroki zakres napięć zasilania od 2 V do 18 V (oczywiście żaden pojedynczy układ nie ma takiego zakresu napięć, po prostu istnieją różne układy zapełniające ten zakres). Dostępne są w klasycznych obudowach DIP i SOT z czterema lub sześcioma bramkami w jednej obudowie (na przykład układy z serii 4000 - 4093 i 40106). Występują także pojedyncze bufory w obudowach SOT-23, kosztującej nawet 6 centów - na przykład układ TC4S584F produkowany przez Toshibę i wiele innych.
Zakres napięć progowych dla różnych napięć zasilania umieszczony jest w karcie katalogowej każdego układu scalonego i może być wykorzystany w obliczeniach korzystając z równań [1] [4] [5] [6] [9] [10] oraz [11], w celi wyznaczania wartości rezystancji opornika Rs.
Przerzutniki Schmitta są tanim i wygodnym układem do stosowania w tych aplikacjach, jednakże nie są zbyt dokładnie. Są oczywiście dostatecznie precyzyjne aby stosować je w wielu aplikacjach gdzie istotny jest tylko próg natężenia oświetlenia i są doskonałym wyborem w układach które nie mierzą ilościowo światła. Można je też zastąpić przerzutnikiem Schmitta zbudowanym z elementów dyskretnych, jednakże takie rozwiązanie jest droższe i zużywa więcej miejsca na płytce z uwagi na potrzebną ilość elementów (i najpewniej pobiera więcej prądu). Wyjście z typowych elementów z wejściem Schmitta jest wyjściem cyfrowym (zależnie od zastosowanego elementu - część z nich to bufory, część inwertery - trzeba wiedzieć z jakiego się korzysta). Jeśli sterować chcemy z niego np. przekaźnikiem warto wykorzystać za bramką tranzystor MOSFET, podłączony do wyjścia logicznego.
Gdy potrzebna jest większa dokładność konieczne staje się użycie komparatora (lub przetwornika analogowo-cyfrowego - patrz niżej). Komparator to układ elektroniczny z dwoma wejściami analogowymi i jednym wyjściem cyfrowym. Możliwe jest zastąpienie go wzmacniaczem operacyjnym, jednakże wiąże się to z szeregiem problemów, omówionych gdzie indziej. Wyjście komparatora informuje które z wejść ma większe napięcie (jest bardziej dodatnie), zatem podłączenie wyjścia z fotoelementu z opornikiem, spolaryzowanych napięciem Vs do jednego wejścia komparatora i napięcia odniesienia (Vref) do drugiego wejścia pozwala na całkiem precyzyjne kontrolowanie progu zadziałania systemu. Dokonanie odpowiedniej kalibracji układu pozwala na całkiem precyzyjne sterowanie systemem. Komparatorem można także sterować z pomocą fotodiody pracującej w trybie fotowoltaicznym.
Niektóre komparatory mają wbudowane w siebie układu histerezy, do reszty z nich można całkiem prosto dodać taką funkcję. Poniższy układ prezentuje jak to zrobić z pomocą dwóch oporników. Wyznaczanie wartości tych elementów opisane zostało dokładnie w literaturze.
Równania opisujące działanie systemu są podobne jak dla prostego układu z tranzystorem (równania [1] - [10]) z tym że Vth zastąpione zostaje napięciem odniesienia Vref.
Najprecyzyjniejszym sposobem pomiaru wyjścia jest wykorzystanie przetwornika analogowo-cyfrowego (ADC), dodatkowo jako bufor wykorzystać można wzmacniacz operacyjny pomiędzy interfejsem analogowym a wejściem ADC.
Wartością wyjściową z układu opartego o fotodiodę jest napięcie proporcjonalne to natężenia padającego światła. Napięcie to może być wzmocnione z wykorzystaniem wzmacniacza operacyjnego lub bezpośrednio podane na wejście analogowe przetwornika ADC, pod warunkiem iż przetwornik ten charakteryzuje się odpowiednio dużą impedancją wejściową, która nie spowoduje nadmiernego obciążenia układu analogowego.
Napięcie wyjściowe z układu z fotorezystorem daje się dobrze opisać, jednakże nie jest w pełni proporcjonalne do padającego światła i wymaga linearyzacji, co jest dodatkowym argumentem za stosowaniem fotodiod zamiast fotorezystorów.
Wejście wielu, jeśli nie większości, przetworników ADC zawiera przełączany kondensator który pobiera szybkozmienny prąd. Oznacza to iż na wejściu przetwornika konieczne jest umieszczenie niewielkie pojemności łączącej go z masą, tak aby prądy te płynęły do masy a nie do fotodetektora, bufora czy gdzie indziej w systemie.
Warto zaznajomić się z kartą katalogową wykorzystanego układu ADC, aby określić odpowiednie parametry pracy układu. Najlepszym interfejsem pomiędzy fotodiodą a przetwornikiem jest wzmacniacz operacyjny pracujący jako konwerter prąd-napięcie. Rozwiązanie to działa także z fotoopornikiem, zakładając iż napięcie polaryzacji jest stałe. Poniżej zaprezentowano schemat takiego układu.
Prąd z fotokomórki wpływa do wejścia sumującego wzmacniacza operacyjnego na wejściu odwracającym. Ujemne sprzężenie zwrotne stara się zapewnić takie same napięcia na wejściu nieodwracającym, zatem napięcie wyjściowe na oporniku Rfb powoduje iż prąd wejściowy jest taki sam jak prąd z fotoelementu. Oczywiście układ taki wymaga wzmacniacza operacyjnego o prądzie polaryzacji znacznie mniejszym niż prąd pochodzący z elementu światłoczułego, dlatego że zazwyczaj układy takie wykorzystują op-ampy z wejściem opartym o tranzystory polowe.
Jeśli jesteśmy zainteresowani pomiarem zmiennego fotoprądu, bez sygnału stałego, lub też zmiennego natężenia fotoprądu z uwagi na wahania tła, istnieją dwie możliwości. Pierwszą z nich jest ograniczenie wzmocnienia bufora, poprzez zmniejszenie Rfb tak, aby wzmacniacz nie był przesterowany dla wartości AC + DC sygnału, a następnie składowa zmienna podawana jest dalej przez kondensator do kolejnego wzmacniacza, zwiększającego jej amplitudę do poziomu wymaganego w danej aplikacji.
Możemy także podłączyć fotokomórkę szeregowo z elementem o odpowiednim indukcyjności, który uziemi prąd stały z sygnału. Składowa zmienna sygnału podawana jest następnie na wejście wzmacniacza. Jeśli pasmo sygnału jest wąskie, do cewki można podłączyć dodatkowo kondensator, formując układ LC, o odpowiedniej dobroci Q. Dzięki temu powstanie filtr o wąskim pasmie i wysokim wzmocnieniu sygnału o pożądanej częstotliwości. Taki układ musi być podłączony do wzmacniacza napięciowego o wysokiej impedancji, aby nie zmniejszyć dobroci filtra. Wzmacniacz ten nie powinien sterować obciążeniem indukcyjnym, gdyż może spowodować to niestabilne działanie układu.
Jeśli w układzie zastosowano tylko indukcyjność, jako wysoką impedancję AC i niską DC, można uniknąć zmiany impedancji systemu w funkcji częstotliwości korzystając z układu konwertera prąd-napięcie dla sygnału AC, zamiast z zwykłego wzmacniacza napięciowego. Efektywnie zwiera to cewkę przy sygnałach zmiennych.
Cewki w tej aplikacji dobrane muszą zostać w taki sposób, aby, przy największym płynącym w układzie fotoprądzie, nie ulegały one wysyceniu. Nie powinno to następować przy typowych wartościach sygnałów w systemie, jednakże warto sprawdzić to na etapie projektu.
Fotodetektory wykorzystujące modulowane źródło sygnału, o których wspominano na początku artykułu, mogą wykrywać modulację korzystając z powyższych układów lub z detektora częstotliwości. Istnieje szereg detektorów tonu oraz mnóstwo algorytmów detekcji tonów w zdigitalizowanym sygnale, jednakże najprostszym wyjściem jest zastosowanie układu NE567, obecnego na rynku już od 40 lat.
Wartości C1 i C2 w powyższym schemacie zależą od częstotliwości detekowanego sygnału. Detale odnośnie sposobu działania układu 567 poznać można czytając jego kartę katalogową, jednakże dla większości sygnałów zmiennych o amplitudzie nie mniejszej niż 200 mVrms, i częstotliwości F kondensator C1 odpowiada za częstotliwość, a C2 za szerokość pasma. Równania opisujące zależności pomiędzy częstotliwością F i szerokością pasma BW a pojemnościami tych elementów wyglądają następująco:
Gdzie BW wyznaczane jest jako procent z F.
Istnieje niezliczona ilość innych aplikacji sensorów światła, jednakże w tym artykule ograniczono się tylko do powyższych w celu omówienia ich charakterystyk, bez wgłębiania się w detale systemów w których się je stosuje.
Źródło:
http://www.edn.com/design/analog/4433880/1/Photodiodes-and-other-Light-Sensors--Part-2
Cool? Ranking DIY
