Fotoelektronik qurilmalar

Fotodiodlar | Texnika va dasturlar
Fotodiod printsipi
Yarimo'tkazgichli fotodiod - bu teskari oqim yoritilishiga bog'liq bo'lgan yarimo'tkazgichli diod.
Odatda fotodiod sifatida tashqi quvvat manbai tomonidan teskari yo'nalishda bo'lgan pn birikmasi bo'lgan yarimo'tkazgichli diodlardan foydalaniladi. Yorug'lik kvantlari pn birikmasida yoki unga qo'shni joylarda yutilganda yangi zaryad tashuvchilar paydo bo'ladi. Pn birikmasiga tutash mintaqalarda diffuziya uzunligidan oshmaydigan masofada paydo bo'lgan ozchilik zaryad tashuvchilar pn birikmasiga tarqalib, u orqali elektr maydon ta'sirida * o'tishadi. Ya'ni, yoritilganida teskari oqim kuchayadi. Kvantlarning to'g'ridan-to'g'ri pn birikmasiga singishi shunga o'xshash natijalarga olib keladi. Orqaga oqim kuchayadigan miqdor fototok deb ataladi.
Fotodiod xususiyatlari
Fotodiodning xususiyatlari quyidagi xususiyatlar bilan tavsiflanishi mumkin:
Fotodiodning oqim kuchlanish xarakteristikasi doimiy yorug'lik oqimidagi yorug'lik oqimi va 1 m qorong'u oqimning voltajga bog'liqligi.
Fotodiodning yorug`lik xarakteristikasi fototokning yoritishga bog`liqligidan kelib chiqadi. Borayotgan yoritish bilan fotosurat kuchayadi.
Fotodiodning spektral xarakteristikasi fotodokning tushayotgan nurning to'lqin uzunligiga fotodiodga bog'liqligidir. U uzun to'lqin uzunliklarida tasma oralig'i bilan, qisqa to'lqinlarda esa katta yutilish koeffitsienti va yorug'lik kvantlarining pasayishi bilan zaryad tashuvchilarning sirt rekombinatsiyasi ta'sirining oshishi bilan aniqlanadi. Ya'ni qisqa to'lqin uzunlikdagi sezgirlik chegarasi taglik qalinligi va sirt rekombinatsiya tezligiga bog'liq. Maksimalning fotodiodning spektral xarakteristikasidagi o'rni yutilish koeffitsientining o'sish darajasiga juda bog'liq.
Vaqt konstantasi - fotodiod oqimi yoritilgandan keyin yoki fotodiod barqaror holat qiymatiga nisbatan e (63%) koeffitsienti bilan qoraygandan keyin o'zgaradigan vaqt.
To'q qarshilik - bu yorug'lik bo'lmaganda fotodiodning qarshiligi.
Integral sezgirlik quyidagi formula bilan aniqlanadi:
bu erda 1ph - fototok, F - yoritish.
Atalet
Qat'iylikka ta'sir qiluvchi uchta jismoniy omil mavjud:
1. muvozanatsiz tashuvchilarning diffuziya vaqti yoki t tayanch orqali siljishi vaqti;
2. pn o'tish orqali parvoz vaqti t,;
3. RC6ap vaqt doimiysi bilan tavsiflangan pn birikmasining to'siq sig'imining zaryad vaqti.
Qalinligi rn teskari voltajga va bazadagi aralashmalarning kontsentratsiyasiga qarab o'tish odatda 5 mkm dan kam bo'ladi, ya'ni m - 0,1 ns. RC6ap to'siq bilan belgilanadi hajmi rn tashqi zanjirda kam yuk qarshiligida fotodiod bazasining kuchlanishi va qarshiligiga qarab o'tish. RC6ap odatda bir necha nanosaniyadir.
Fotodiod samaradorligi va quvvatni hisoblash
Samaradorlik quyidagi formula bo'yicha hisoblanadi:

bu erda Rosv - yorug'lik kuchi; I - joriy kuch;
U - fotodioddagi kuchlanish.
Fotodiod quvvatini hisoblash shakl. 2.12 va 2.1-jadval.

Shakl: 2.12. Fotodiod quvvatining kuchlanish va oqimga bog'liqligi
Fotodiodning maksimal quvvati berilgan to'rtburchakning maksimal maydoniga to'g'ri keladi.
2.1-jadval. Quvvat samaradorlikka nisbatan

Yoritish quvvati, mVt	Joriy kuch, mA	Kuchlanish, V

Fotodiodni oltoelektronikada qo'llash
Fotodiod ko'plab murakkab optoelektronik qurilmalarda ajralmas element hisoblanadi:
Optoelektronik integral mikrosxemalar.
Fotodiod tezkor bo'lishi mumkin, ammo uning fototok kuchi birlikdan oshmaydi. Borligi uchun rahmat optik aloqa optoelektronik integral mikrosxemalar bir qator muhim afzalliklarga ega, ya'ni: ular orasidagi kuchli funktsional aloqani saqlab, elektr zanjirlaridan boshqarish pallalarini deyarli ideal galvanik izolyatsiyasi.
Ko'p elementli fotodetektorlar.
Ushbu qurilmalar (skanistor, MOS tranzistorli boshqaruvi bilan fotodiodlar majmuasi, zaryad bilan bog'langan fotosensitiv qurilmalar va boshqalar) eng tez rivojlanayotgan va progressiv elektron mahsulotlar qatoriga kiradi. Fotodiodga asoslangan optoelektrik "ko'z" nafaqat yorqinlik-vaqtinchalik, balki ob'ektning fazoviy xususiyatlariga ham javob berishga qodir, ya'ni uning to'liq ingl.
Qurilmadagi fotosensitiv hujayralar soni juda ko'p, shuning uchun diskret fotodetektorning barcha muammolaridan tashqari (sezgirlik, tezlik, spektral mintaqa) ma'lumotni o'qish muammosini hal qilish kerak. Barcha ko'p elementli fotodetektorlar - bu skanerlash tizimlari, ya'ni izlanayotgan makonni ketma-ket ko'rish (elementar parchalanish) bilan tahlil qilishga imkon beruvchi qurilmalar.
Tasvirlarni idrok etish qanday?
Kuzatuv ob'ektining yorqinligini taqsimlash optik tasvirga aylantiriladi va yorug'likka sezgir yuzaga qaratiladi. Bu erda yorug'lik energiyasi elektr energiyasiga aylanadi va har bir elementning (oqim, zaryad, kuchlanish) reaktsiyasi uning yoritilishiga mutanosibdir. Yorqinlik namunasi elektr relefiga aylanadi. Skanerlash davri har bir elementning davriy ketma-ket so'rovini o'tkazadi va tarkibidagi ma'lumotlarni o'qiydi. Keyin, qurilmaning chiqishida biz qabul qilingan tasvir kodlangan video impulslar ketma-ketligini olamiz.
Ko'p elementli fotodetektorlarni yaratishda ularning konversion va skanerlash funktsiyalarining eng yaxshi ishlashini ta'minlashga intilish. Optokupller.
Optoelektronik moslama optoelektronik moslama deb ataladi, unda ular orasida bir yoki boshqa turdagi optik bog'lanish bilan nurlanish manbai va qabul qiluvchisi mavjud bo'lib, ular tizimli ravishda birlashtirilgan va bitta korpusga joylashtirilgan. Emitent ulangan boshqaruv zanjiri (oqim kuchi kichik, bir necha mA darajadagi) va fotodetektor ishlaydigan ijro etuvchi zanjir o'rtasida elektr (galvanik) bog'liqlik mavjud emas va nazorat ma'lumotlari nurlanish nurlari yordamida uzatiladi.
Optoelektronik juftlikning bu xususiyati (va ba'zi bir optokupllarning bir nechta optik jihatdan bir-biriga bog'liq bo'lmagan optokupllari ham mavjud) elektron tugunlarda ajralmas bo'lib chiqdi, bu erda chiqadigan elektr zanjirlarining kirishiga ta'sirini iloji boricha yo'q qilish kerak edi. Barcha diskret elementlar (tranzistorlar, tiristorlar, mikrosxemalar, bu kommutatsiya majmuasi yoki yuqori quvvat yukini almashtirishga imkon beradigan chiqishi bilan mikrosxemalar), boshqarish va ijro etuvchi zanjirlar bir-biriga elektr bilan bog'langan. Agar yuqori voltajli yuk o'zgartirilsa, bu ko'pincha qabul qilinishi mumkin emas. Bundan tashqari, natijada yuzaga keladigan teskari aloqa muqarrar ravishda qo'shimcha shovqinlarni keltirib chiqaradi.
Strukturaviy ravishda, fotodetektor korpusning pastki qismida, emitent esa yuqori qismida o'rnatiladi. Emitent va fotodetektor orasidagi bo'shliq immersion material bilan to'ldiriladi - ko'pincha bu rolni polimer optik elim o'ynaydi. Ushbu material nurlanishni fotodetektorning sezgir qatlamiga qaratadigan ob'ektiv vazifasini bajaradi. Immersion material nurlanishni fotodetektorning ish maydoni tashqarisiga tarqalishini oldini olish uchun ichkariga yorug'lik nurlarini aks ettiruvchi maxsus plyonka bilan yopiladi.
Optokupllarda emitentlarning roli, qoida tariqasida, galyum arsenidli LEDlar tomonidan amalga oshiriladi. Optokupllarda fotosensitiv elementlar fotodiodlar (AOD seriyasining optokupllari ...), fototransistorlar, fototrinistorlar (AOU seriyasining optokupllari., ..) va juda integral mikrosxemalar bo'lishi mumkin. Masalan, diod optokuplda kremniyga asoslangan fotodiod fotodetektor elementi sifatida ishlatiladi va infraqizil nurlantiruvchi diod emitent bo'lib xizmat qiladi. Diyot nurlanishining spektral xarakteristikasining maksimal miqdori taxminan 1 mm to'lqin uzunligiga to'g'ri keladi. Diyot optokupllari fotodiod va fotogenerator rejimlarida qo'llaniladi.
Transistorli optokupllar (AOT seriyasi ...) diodalarga nisbatan bir qancha afzalliklarga ega. Kollektor oqimi bipolyar tranzistor ular ikkala optik (LED ustida harakat qilish orqali) va elektr zanjiri bo'ylab (bu holda, fototransistorning ishlashi optokuplning boshqaruvchi svetodiodidan nurlanish bo'lmagan holda amalda oddiy silikon tranzistorning ishlashi bilan bir xil). Dala effektli tranzistor eshik zanjiri orqali boshqariladi.
Bundan tashqari, fototransistor kalit va kuchaytiruvchi rejimlarda, fotodiod esa faqat kalitda ishlashi mumkin. Kompozit tranzistorli Optokupller (masalan, AOT1YUB), eng yuqori yutuqga ega (kompozit tranzistorda an'anaviy tugun kabi), ular kuchlanish va oqimni etarlicha katta qiymatlarga o'tkaza oladilar va ushbu parametrlarga ko'ra, faqat tiristor optokupllari va optoelektronik o'rni KR293KP2 - KR293P turlaridan kam. yuqori voltli va yuqori oqim davrlarini almashtirish uchun moslangan. Bugungi kunda chakana savdoda K449 va K294 seriyasining yangi optoelektronik o'rni paydo bo'ldi. K449 seriyali 150 mA gacha bo'lgan oqimlarda 400 V gacha bo'lgan kuchlanishni almashtirishga imkon beradi. To'rt pinli ixcham DIP-4 paketidagi bunday mikrosxemalar kam quvvatli elektromagnit o'rni o'rnini bosadi va o'rni bilan solishtirganda juda ko'p afzalliklarga ega (jim ishlash, ishonchlilik, chidamlilik, mexanik kontaktlarning kamligi, ish kuchlanishining keng diapazoni). Bundan tashqari, ularning arzon narxlari qimmatbaho metallardan foydalanishga hojat yo'qligi bilan bog'liq (o'rni, ular kommutatsiya kontaktlarini qoplaydi).
Rezistorli optokupllarda (masalan, OEP-1) i-emitrlar elektr energiyali mini-akkor lampalar bo'lib, ular bitta korpusga joylashtirilgan.
GOSTga ko'ra, optokupllarning grafik belgilariga shartli kod - lotincha U harfi, so'ngra devordagi qurilmaning seriya raqami beriladi.
Kitobning 3-bobida optokupllardan foydalanishni aks ettiruvchi qurilmalar va qurilmalar tasvirlangan.
Fotodetektorlarni qo'llash
Har qanday optoelektronik qurilmada fotodetektor birligi mavjud. Va aksariyat zamonaviy optoelektronik qurilmalarda fotodiod fotodetektorning asosini tashkil etadi.
Boshqa, murakkabroq fotodetektorlar bilan taqqoslaganda, ular harorat ko'rsatkichlarining eng barqarorligi va eng yaxshi operatsion xususiyatlariga ega.
Odatda ta'kidlangan asosiy kamchilik - bu kuchaytirishning etishmasligi. Ammo bu o'zboshimchalik bilan. Deyarli har qanday optoelektronik qurilmada fotodetektor u yoki bu mos elektron sxemada ishlaydi. Va unga kuchaytiruvchi bosqichni kiritish fotodetektorni kuchaytirish funktsiyalari uchun odatiy bo'lmaganidan ko'ra ancha oson va maqsadga muvofiqdir.
Yorug'lik tebranishlarining chastotasi (taxminan 1015 Hz) o'zlashtirilgan radiotexnik diapazonga nisbatan 103 ... 104 baravar yuqori bo'lganligi sababli optik kanalning yuqori ma'lumot hajmi. Yorug'lik tebranishlarining to'lqin uzunligining kichik qiymati optik saqlash qurilmalarida (108 bit / sm2 gacha) ma'lumotlarni yozib olishning yuqori zichligini ta'minlaydi.
Nurning burchak divergensiyasi to'lqin uzunligiga mutanosib va \u200b\u200bbir daqiqadan kam bo'lishi mumkinligi sababli yorug'lik nurlanishining keskin yo'nalishi (aniqligi). Bu sizga kontsentratsiyali va kam yo'qotish bilan elektr energiyasini kosmosning istalgan maydoniga o'tkazishga imkon beradi.
Yorug'lik nurini ikki martalik va fazoviy - modulyatsiya qilish imkoniyati. Optoelektronikadagi manba va qabul qilgich bir-biri bilan elektr bilan bog'lanmaganligi va ular orasidagi aloqa faqat yorug'lik nurlari (elektr neytral fotonlar) yordamida amalga oshirilganligi sababli ular bir-biriga ta'sir qilmaydi. Va shuning uchun optoelektronik qurilmada ma'lumot oqimi faqat bitta yo'nalishda - manbadan qabul qiluvchiga uzatiladi. Optik nurlanish tarqaladigan kanallar bir-biriga to'sqinlik qilmaydi va elektromagnit parazitga deyarli sezgir emas, bu ularning yuqori shovqin immunitetini belgilaydi.
Fotodiodlarning muhim xususiyati ularning yuqori tezligi. Ular bir necha MGts gacha bo'lgan chastotalarda ishlashlari mumkin. odatda germaniy yoki kremniydan tayyorlanadi.
Fotodiod potentsial ravishda keng polosali qabul qiluvchidir. Bu uning keng qo'llanilishini va mashhurligini tushuntiradi.
IQ spektri
Infraqizil nurlantiruvchi diod (IQ diod) bu yarimo'tkazgichli diod bo'lib, u orqali to'g'ridan-to'g'ri oqim o'tayotganda spektrning infraqizil mintaqasida elektromagnit energiya chiqaradi.
Inson ko'ziga ko'rinadigan nurlanish spektridan farqli o'laroq (masalan, galyum fosfid asosida odatdagi yorug'lik chiqaradigan diyot hosil qiladi), infraqizil nurlanishni inson ko'zi anglab eta olmaydi, lekin bu nurlanish spektriga sezgir bo'lgan maxsus qurilmalar yordamida qayd qilinadi. IQ spektrining mashhur fotodetektorli diodalari orasida MDK-1, FD263-01 va shunga o'xshash narsalarga sezgir moslamalarni ta'kidlash mumkin.
IQ chiqaradigan diodalarning spektral xarakteristikalari to'lqin uzunligi 0,87 ... 0,96 mkm oralig'ida aniq maksimalga ega. Ushbu qurilmalarning radiatsiya samaradorligi va samaradorligi yorug'lik chiqaradigan diodalarga qaraganda yuqori.
IQ diodlari asosida (elektron konstruktsiyalarda IQ spektri impulslarining transmitterlari sifatida muhim o'rin tutadi), optik tolali liniyalar (tezligi va shovqin immuniteti bilan ajralib turadi), ko'p qirrali elektron uy jihozlari va, albatta, elektron xavfsizlik bloklari ishlab chiqilgan. Buning o'ziga xos afzalligi bor, chunki IQ nurlari inson ko'ziga ko'rinmaydi va ba'zi holatlarda (bir nechta ko'p yo'nalishli IQ nurlari ishlatilishi sharti bilan) xavfsizlik moslamasining o'zi borligini "signal" rejimiga o'tguncha uni aniqlab bo'lmaydi. IQ emitrlari asosida xavfsizlik tizimlarini ishlab chiqarish va ularga xizmat ko'rsatish sohasidagi tajribalar hali ham IQ emitentlarining ish holatini aniqlash bo'yicha ba'zi tavsiyalar berishga imkon beradi.
Agar siz IQ diyotining chiqadigan yuzasiga (masalan, AL147A, AL156A) diqqat bilan qarasangiz, unga boshqaruv signali qo'llanilganda, siz zaif qizil porlashni sezasiz. Ushbu porlashning yorug'lik spektri albino hayvonlarining (kalamushlar, hamsterlar va boshqalar) ko'zlari rangiga yaqin. Zulmatda IQ porlashi yanada ravshanroq. Shuni ta'kidlash kerakki, tibbiyot nuqtai nazaridan uzoq vaqt davomida IQ yorug'lik energiyasini chiqaradigan moslamani ko'rib chiqish istalmagan.
Xavfsizlik tizimlaridan tashqari, hozirgi vaqtda IQ chiqaradigan diodlar avtoulovlar uchun signal signallari, masofa uchun turli xil simsiz signal uzatgichlarda qo'llaniladi. Masalan, modulyatsiyalangan LF signalini kuchaytirgichdan uzatuvchiga ulab, ma'lum masofadagi IQ qabul qilgich yordamida (radiatsiya kuchi va erga qarab), siz tinglashingiz mumkin tovushli ma'lumot, telefon suhbatlari masofadan turib ham efirga uzatilishi mumkin. Ushbu usul bugungi kunda samarasiz, ammo u hali ham uy radiotelefoniga muqobildir. IQ chiqaradigan diodlardan eng mashhur (kundalik hayotda) foydalanish masofadan boshqarish pultlari masofaviy boshqarish turli xil maishiy texnika.
Masofadan boshqarish pultining qopqog'ini ochib, har qanday radio havaskoriga osongina ishonch hosil qilish mumkinligi sababli, ushbu qurilmaning elektron sxemasi murakkab emas va uni muammosiz takrorlash mumkin. Ba'zi birlari ushbu kitobning uchinchi bobida tasvirlangan havaskor radio dizaynlarida IQ chiqaradigan va qabul qiluvchi qurilmalari bo'lgan elektron qurilmalar sanoat qurilmalariga qaraganda ancha sodda.
IQ diodlarining statik ish rejimlarini aniqlaydigan parametrlar (to'g'ridan-to'g'ri va teskari maksimal ruxsat etilgan kuchlanish, to'g'ridan-to'g'ri oqim va boshqalar) fotodiodlarning parametrlariga o'xshashdir. IQ diodalari uchun aniqlanadigan asosiy o'ziga xos parametrlar:
Radiatsiya quvvati - Rizl - diod tomonidan chiqarilgan ma'lum bir spektral tarkibdagi radiatsiya oqimi. IQ nurlanish manbai sifatida diyotning o'ziga xos xususiyati vatt-amper xarakteristikasidir - W (milliwatt) dagi nurlanish kuchining diyot orqali o'tadigan oqimga bog'liqligi. Diyotning nurlanish sxemasi nurlanish yo'nalishi va qurilmaning optik o'qi orasidagi burchakka qarab nurlanish quvvatining pasayishini ko'rsatadi. Zamonaviy IQ diodalari yuqori yo'naltirilgan va diffuz nurlanish o'rtasida farq qiladi.
Elektron komponentlarni loyihalashda IQ signalining uzatish diapazoni to'g'ridan-to'g'ri burilish burchagiga (qurilmaning uzatuvchi va qabul qiluvchi qismlarining hizalanishi) va IQ diodasining quvvatiga bog'liqligini yodda tutish kerak. IQ diodalarini almashtirishda ushbu radiatsiya quvvati parametrini hisobga olish kerak. Mahalliy IQ diodalari bo'yicha ba'zi ma'lumotlarga jadvalda keltirilgan. 2.2.
Chet el va mahalliy qurilmalarning almashinuvchanligi to'g'risidagi ma'lumotlar ilovada keltirilgan. Bugungi kunda radio-havaskorlar orasida eng mashhur IR diodalari AL 156 va AL147 modellari qatoriga kiradi. Ular ko'p qirrali va narx jihatidan maqbuldir.
Pulse kuchi nurlanish - Rizl im - diyot orqali old oqimning ma'lum bir pulsida o'lchangan nurlanish oqimining amplitudasi.
Radiatsiya spektrining kengligi - bu nurlanishning spektral quvvat zichligi maksimal darajaning yarmiga teng bo'lgan to'lqin uzunligi oralig'i.
Maksimal ruxsat etilgan to'g'ridan-to'g'ri impuls oqimi 1pr im (IQ diodalari asosan impulsli ish rejimida ishlatiladi).
2.2-jadval. Infraqizil nurli diodlar

	Radiatsiya quvvati, mVt	To'lqin uzunligi, mm	Spektrning kengligi, mkm	Qurilmaning kuchlanishi, V	Radiatsiya burchagi, daraja
			ma'lumotlar yo'q		ma'lumotlar yo'q

THaprad nurlanish pulsining ko'tarilish vaqti - bu diod nurlanish kuchi maksimal qiymatdan 10 dan 100% gacha ko'tariladigan vaqt oralig'i.
TcnM3J1 pulsining parchalanish vaqti parametri oldingisiga o'xshaydi.
Vazifa tsikli - Q - impulsli tebranishlar davrining impuls davomiyligiga nisbati.
Takrorlash uchun tavsiya etilgan elektron komponentlar (ushbu kitobning 3-bobi) modulyatsiyalangan IQ signalini uzatish va qabul qilish printsipiga asoslanadi. Ammo nafaqat ushbu shaklda, balki siz IQ diyotining ishlash printsipidan foydalanishingiz mumkin. Bunday opto-relelar nurlarning aks etishiga javoban ham ishlashi mumkin (fotodetektor emitent yoniga joylashtirilgan). Ushbu tamoyil ob'ekt yoki shaxsning birlashtiruvchi qabul qiluvchi-qabul qiluvchiga yaqinlashishiga javob beradigan elektron birliklarda mujassamlangan bo'lib, ular xavfsizlik tizimlarida sensor sifatida ham xizmat qilishi mumkin.
IQ diodlari va ularga asoslangan qurilmalardan foydalanishning cheksiz ko'p variantlari mavjud va ular faqat radio havaskorning ijodiy yondashuvi samaradorligi bilan cheklangan.
nauchebe.net