Фоторезисторы изготавливают из полупроводниковых материалов, которые изменяют своё сопротивление в зависимости от степени освещённости. Основное их отличие от других фотоэлектрических приборов заключается в высокой стабильности параметров и линейности изменения сопротивления в достаточно широком диапазоне. Последнее свойство позволяет использовать фоторезисторы не только в цифровой автоматике, но и в аналоговой технике, например, в качестве гальванически изолированных регуляторов громкости звука.

Фоторезисторы являются относительно инерционными элементами с гораздо более низким (единицы килогерц) быстродействием по сравнению с фотодиодами и фототранзисторами. После резких перепадов освещённости, их сопротивление изменяется не скачком, а «плывёт» в течение некоторого времени. Это надо учитывать в практической работе и выдерживать для адаптации к свету небольшие паузы. Насколько «небольшие», подскажет эксперимент.

В зависимости от спектральной чувствительности фоторезисторы делятся на две большие группы: для работы в видимой и инфракрасной части спектра. Электрические схемы включения у них совпадают (Рис. 3.44, а…м). Единственное, что надо предварительно узнать по даташиту, - это максимально допустимое рабочее напряжение. В частности, на фоторезисторы СФ2-5, СФЗ-4А/Б, СФЗ-5 нельзя подавать питание больше, чем 1.3…2 В. Подавляющее же большинство фоторезисторов могут работать при напряжениях 5…50 В. Их темновое сопротивление составляет 1…200 МОм, а в освещенном состоянии - на два-три порядка меньше.

Рис. 3.44. Схемы подключения фоторезисторов к МК {начало)-.

а) резисторы /?У, образуют делитель напряжения. При освещении фоторезистора /?Уего сопротивление уменьшается. Резистор J служит защитой на случай полного замыкания под- строечного резистора и ошибочного перевода линии МКв режим выхода с ВЫСОКИМ уровнем. Если резистор R2 постоянный, то резистор R3 можно заменить перемычкой;

в) подключение фоторезистора /?2к МК с привязкой к общему проводу, а не к цепи питания. При освещении фоторезистора R2 напряжение на входе МК снижается;

Рис. 3.44. Схемы подключения фоторезисторов к МК (продолжение):

г) экономичное «реле Турченкова» на германиевых транзисторах VTI, К72 разной проводимости. Резистором уста на вливают порог срабатывания;

д) фоторезистор RI определяет ток базы транзистора УТ1, поскольку он входит в верхнее плечо делителя RI, R2. Следует установить движок переменного резистора в такое положение, чтобы ток базы транзистора УТ1 не превысил норму при яркой освещённости фоторезистора;

е) в исходном состоянии фоторезистор /?2освещён, транзистор УТ1 закрыт, светодиод НИ погашен. Когда уровень освещённости фоторезистора понизится до определённого порога (регулируется резистором R3), то транзистор открывается, светодиод загорается и на входе МК устанавливается НИЗКИЙ уровень;

ж) регистратор коротких вспышек света или приёмник импульсно-модулированных сигналов. Транзистор VTI находится в режиме отсечки. Конденсатор С/устраняет ложные срабатывания от медленных изменений освещённости фона, например, при смене дня ночью;

з) транзистор VTI повышает чувствительность фотодатчика R2, что позволяет использовать обычную линию порта МК, а не только вход АЦП. Резистор задаёт положение рабочей точки транзистора УТ1\

и) если оба фоторезистора R2, освещены, то на входе МК присутствует НИЗКИЙ уровень (регулируется резистором R1). Если один (любой) из фото рези сто ров будет затемнён, то суммарное «фотосопротивление» резко увеличится и на входе МК появится ВЫСОКИЙ уровень. Фоторезисторы выполняют логическую функцию «световое И»;

Рис. 3.44. Схемы подключения фоторезисторов к МК {окончание):

к) резистором R3 регулируют порог срабатывания ОУ DAI (компаратор напряжений). Сопротивление резистора R2 выбирается примерно таким же, как RI в «неактивном» состоянии. При значительном удалении фоторезистора следует экранировать его соединительные провода;

л) конденсаторы С/, С2 повышают стабильность измерений, устраняют импульсные помехи и создают небольшой гистерезис при резких колебаниях освещённости;

м) внутренний аналоговый компаратор МК используется для оценки уровня освещённости. Используется метод сравнения измеряемого напряжения с «пилой», которую вырабатывает сам МК на отрицательном выводе компаратора (линия входа временно становится выходом).

Фотодиоды в схемах на МК

Фотодиоды относятся к классу полупроводниковых приборов, в основе работы которых лежит внутренний фотоэффект При облучении /?-А7-перехода фотонами возникает генерация носителей тока внутри полупроводника. Изменение тока эквивалентно изменению сопротивления, что легко зафиксировать и измерить.

Фотодиоды широко применяются для регистрации световых излучений. Их достоинство, по сравнению с фоторезисторами и фототранзисторами, заключается в высоком быстродействии и хорошей чувствительности.

Различают два основных режима работы фотодиодов:

Диодный (фотодиодный, фоторезисторный) с обратным смещением;

Генераторный (фотогальванический, фотовольтаический) без смещения.

Диодный режим используется чаще и характеризуется широким диапазоном

изменения обратного сопротивления и хорошим быстродействием. Генераторный режим имеет следующие недостатки: большая эквивалентная ёмкость и высокая инерционность. Достоинство - малый уровень собственных шумов.

Фотодиоды выпускают фирмы: Vishay, OSRAM, Hamamatsu Photonics, «Кварц» и др. Типовые параметры: длина волны 850…950 нм, токовая чувствительность 10…80 мкА, ширина диаграммы направленности 15…65°, время нарастания/спада 2… 100 нс, рабочая температура -55…+ 100°С. Чувствительность фотодиодов снижается с повышением температуры и напряжения. Темновой ток возрастает в 2…2.5 раза на каждые 10°С, из-за чего в схему часто вводят термокомпенсацию.

На Рис. 3.45, а…ж показаны схемы непосредственного подключения фотодиодов к МК. На Рис. 3.46, а…е показаны схемы с усилителями на транзисторах. На Рис. 3.47, а…о - с усилителями на микросхемах.

б) соединение фотодиода BLI с цепью питания. Нажатие переключателя SI имитирует освещенное состояние фотодиода при тестовых проверках;

в) повыщение общей чувствительности за счёт параллельного включения нескольких фотодиодов BLI…Bin. Фотодиоды выполняют логическую функцию «световое ИЛИ»;

г) параллельное включение нескольких фотодиодов с привязкой к общему проводу;

д) последовательное включение фотодиодов по схеме «световое И». Позволяет обнаружить момент затемнения одного из нескольких освещенных фотоприёмников на конвейере;

е) последовательное включение нескольких фотодиодов с привязкой к общему проводу;

ж) мостовая схема включения фотодиода BLI, обладающая повыщенной чувствительностью и гистерезисом {R6). Требуется предварительное симметрирование моста резистором R3.

а) фотодиод BL1 замещает базовый резистор транзисторного усилителя;

б) мигающий светодиод НИ служит … фотоприёмником. В исходном состоянии НИ генерирует электрические (не световые!) импульсы с частотой «мигания» около 2 Гц. При внешнем освещении генерация срывается, что и фиксирует МК через транзистор VTI\

в) ключ на транзисторе VT1 повышает помехоустойчивость и увеличивает крутизну фронтов сигнала от фотодатчика BLL Конденсатор С/ устраняет помехи от колебаний освещённости;

г) оптоизолированный частотный смеситель. На вход МК поступает сигнал с разностной «световой» частотой модуляции «/, -/2» от двух светодиодов HL1 (/j) и HL2{f2). Контур/1 / должен быть настроен на разностную частоту;

д) повышение чувствительности за счёт параллельного включения двух фотодиодов ВИ, BL2. Транзистор VTI находится в отсечке и не реагирует на медленный дрейф освещённости;

е) вместо ОУ DAI можно использовать аналоговый компаратор МК. Скорость приёма «лазерного» фотодиода - до 5 Мбит/с по оптоволоконному кабелю длиной Юм… 1 км.

а) использование прецизионного усилителя DA1 (фирма Analog Devices) для обеспечения долговременной стабильности сигналов от фотодатчика BLI\

б) нестандартное включение ИК-светодиода НИ в качестве фотоприёмника инфракрасного диапазона длин волн. Резистором регулируется усиление каскада на ОУ DAI\

в) усилитель-формирователь на «телевизионной» микросхеме DA1. Резистором регулируется чувствительность фотодатчика BLI\

г) двухполярное питание ОУ DA /. Конденсатор CI устраняет «звон» на фронтах сигнала, возникающий при резкой смене освещённости. Это стандартный приём и для других схем;

д) для уменьщения внещних помехтрансимпедансный усилитель DA 1.2(это преобразователь «ток-напряжение») охвачен обратной связью через интегратор DAI.3. Питание на ОУ подаётся от выходной линии МК. Опорное напряжение 0.5 В формирует повторитель DAL /;

Рис. 3.47. Схемы подключения фотодиодов к М К через усилители на микросхемах

{продолжение):

е) фотодиоды ВЦ, 5L2 должны освещаться поочерёдно, иначе их суммарное сопротивление может получиться столь низким, что сработает перегрузка по току источника питания;

ж) конденсатор С2 устраняет «звон» при большой собственной ёмкости фотодиода ВИ\

з) измеритель цвета на фотодиоде BL1 (фирма Advances Photonics), который имеет «колоко- лообразную» чувствительность в диапазоне 150…400 нм. Перемычкой ^S/задаётся усиление;

и) стабильные параметры фотоприёма в инфракрасном диапазоне обеспечиваются прецизионной микросхемой Z)/1/ (фирма Analog Devices), фильтром С4, R4…R6 и стабилитроном VDI.

к) связка «усилитель-детектор-формирователь» на ОУ DAI с регулировкой порога {R6)\О

Рис. 3.47. Схемы подключения фотодиодов к МК через усилители на микросхемах

(окончание):

л) компаратор на микросхеме DA1 обеспечивает высокую чувствительность и помехоустойчивость. Резистором J регулируется «световой» порог под конкретный тип фотодиода BL1\

м) резистором регулируется чувствительность и выставляется рабочая точка логического элемента DDI (желательно с характеристикой триггера Шмитта, например, К561ТЛ2);

н) BL1 - трёхцветный RGB-сенсор (фирма Laser Components), DAI - четырёхканальный трансимпедансный усилитель (фирма Promis Electro Optics). Один из четырёх аналоговых каналов усилителя не используется. Сигналы с выходов М К задают режимы работы и усиление DA1\ о) высокочувствительный регистратор фото- или радиационного излучения на специализированном pin-фотодиоде ВИ (подобные изготавливаются фирмой Hamamatsu Photonics). Элемент DA 1.1 выполняет функцию трансимпедансного, а DA1.2 - обычного усилителя сигналов.

Фототранзисторы в схемах на МК

Фототранзистор - это фоточувствительный полупроводниковый прибор, по структуре подобный биполярному или полевому транзистору. Разница заключается в том, что в его корпусе предусмотрено прозрачное окно, через которое световой поток попадает на кристалл. В отсутствии внешнего освещения, транзистор закрыт, ток коллектора ничтожно мал. При попадании лучей света на/?-А7-переход базы, транзистор открывается и резко возрастает его коллекторный ток.

Фототранзисторы, в отличие от фоторезисторов, обладают высоким быстродействием, а в отличие от фотодиодов - усилительными свойствами (Табл. ЗЛО).

Фототранзистор, в первом приближении, можно представить в виде эквивалентного фотодиода, включённого параллельно коллекторному переходу обычного транзистора. Коэффициент усиления фототока прямо пропорционален /7213. следовательно, во столько же раз чувствительность фототранзистора выше, чем у фотодиода.

Главным параметром, за которым надо следить при разработке схем на фототранзисторах, является коллекторный ток. Чтобы не превысить его норму, надо ставить в коллекторе/эмиттере достаточно большие сопротивления.

Фототранзисторы выпускают фирмы: Vishay, Kingbright, Avago Technologies и др. Типовые параметры: длина волны 550…570 или 830…930 нм, ток коллектора в освещенном состоянии 0.5… 10 мА, угол половинной чувствительности 15…60°, время нарастания/спада 2…6 мкс, рабочая температура -55…+ 100°С, проводимость п-р-п.

Существуют двух- и трёхвыводные фототранзисторы. Различаются они между собой в первую очередь отсутствием/наличием отвода от базы.

В двухвыводных фототранзисторах извне имеется доступ только к коллектору и эмиттеру. Это затрудняет стабилизацию рабочей точки и делает фотоприбор зависимым от температуры окружающей среды, особенно при слабом освещении.

Двухвыводные фототранзисторы и малогабаритные фотодиоды визуально похожи как «близнецы-братья». Выяснить, «что есть что», помогает прозвонка выводов омметром. Испытательное напряжение на его зажимах должно быть не менее 0.7 В. Если сопротивление в одном направлении значительно больше, чем в другом, значит это фотодиод. Если большое сопротивление прозванивается в двух направлениях, значит это фототранзистор (или вышедший из строя фотодиод).

Трёхвыводные фототранзисторы встречаются реже двухвыводных. Для их подключения применяют обычную транзисторную схемотехнику, а именно, стабилизируют рабочую точку при помощи делителей на резисторах, вводят обратные связи, термокомпенсацию и т.д.

На Рис. 3.48, а…е показаны схемы непосредственного подключения фототранзисторов к МК. На Рис. 3.49, а…з показаны схемы с транзисторными усилителями, на Рис. 3.50, а…г - с усилителями на микросхемах.

Рис. 3.48. Схемы непосредственного подключения фототранзисторов к МК:

а) фототранзистор 5L/ включается по схеме усилителя с общим эмиттером. Допускается его работа в режиме микротоков коллектора (большое сопротивление резистора RI), но при этом ухудшается температурная стабильность. Вместо входа АЦП МК часто используют обычную цифровую линию порта с пороговой фиксацией состояния «есть свет»/«нет света»;

б) параллельное включение фототранзисторов BL1, 5L2 увеличивает световую чувствительность. Фототранзисторы выполняют логическую функцию «ИЛИ» для сигналов от разных источников света. Конденсатор С/ снижает импульсные помехи. Запараллеленных фототранзисторов может быть больше, чем два;

в) фотоприёмник импульсных и модулированных световых сигналов. На медленные изменения освешённости устройство не реагирует из-за разделительного конденсатора С/. Вместо резистора можно использовать внутренний «pull-up» резистор МК;

г) фототранзистор BLI включается по схеме эмиттерного повторителя. Конденсатор С/ снижает импульсные «световые» помехи и мошные электрические наводки, которые могут «просачиваться» на вход МК, когда фототранзистор находится в закрытом состоянии;

д) втрёхвыводном фототранзисторе BLI отвод базы используется для организации обратной связи через транзистор VTI. Фильтр RI, С1 блокирует сигналы светового потока с частотой модуляцией ниже 100 Гц (для устранения срабатывания датчика от «мерцания» ламп накаливания);

е) конденсатор С/ и транзистор VT1 организуют «световой ФВЧ» для подавления сигналов светового потока с частотой модуляции ниже 80 Гц. Это препятствует прохождению на вход МК помех, вызванных «мерцанием» ламп накаливания сети 50 Гц.

а) входной узел «светового пистолета» от игровой видеоприставки «Dendy». Фототранзистор BL1 направляется на экран телевизора. Резистором /?2 регулируют дальность приёма;

б) полевой транзистор VTI осуществляет согласование сопротивлений RI и R2\

в) двухкаскадный усилитель на транзисторах разной проводимости КГ/, КТ’2 обеспечивает повышенную чувствительность фотодатчика ВИ\

г) улучшенный вариант фотодатчика для «светового пистолета» с авто подстрой кой под разную яркость фона. Элементы VTI, R1, R2, образуют динамический стабилизатор тока;

д) резистором R2 побирается такое положение, чтобы транзистор VTI был открыт при отсутствии освещения фототранзистора BLL Конденсатор С1 фильтрует помехи;

е) триггер Шмитта на полевых транзисторах VTI, КТ’2 определяет порог срабатывания фотодатчика BL1. Конденсатор С1 устраняет импульсные «световые» помехи;

ж) диоды VD1, повышают помехоустойчивость усилителя на транзисторе VTI\0

з) трёхкаскадный усилитель на транзисторах КГ/… с визуальной индикацией приёма посылок от инфракрасного датчика ^L/ светодиодом HL1.

Рис. 3.50. Схемы подключения фототранзисторов к МК через усилители на микросхемах:

а) фототранзисторный датчик BLI с интегральным компаратором DAI wc широким диапазоном регулирования параметров при помощи двух переменных резисторов R2, R3\

б) триггер Шмитта на логической микросхеме DZ)/улучшает помехоустойчивость и увеличивает крутизну фронтов сигналов, поступающих от фоготранзистора ВИ\

в) фототранзистор ^L/для повышения точности срабатывания подключается к внешнему интегральному компаратору DA1. Конденсатор С/ увеличивает крутизну фронтов сигналов;

г) полосовой фильтр на микросхеме тонального декодера DA / (фирма National Semiconductor) обрабатывает им пул ьсно-модулированные световые сигналы, принимаемые фототранзистором BLI. Центральная частота фильтра определяется по формуле /^„[кГц] = 1 / (/?2[кОм]-С4[мкФ]). Полоса пропускания фильтра обратно пропорциональна ёмкости конденсатора С2. Резистором /?/устанавливается оптимальный уровень входного сигнала для DAI в диапазоне 100…200 мВ.

Датчики бывают совершенно разными. Они отличаются по принципу действию, логике своей работы и физическим явлениям и величинам на которые они способны реагировать. Датчики света используются не только в аппаратуре автоматического управления освещением, они используются в огромном количестве устройств, начиная от блоков питания, заканчивая сигнализациями и охранными системами.

Основные виды фотоэлектронных приборов. Общие сведения

Фотоприёмник в общем смысле - это электронный прибор, который реагирует на изменение светового потока падающего на его чувствительную часть. Они могут отличаться, как по своей структуре, так и принципу работы. Давайте их рассмотрим.

Фоторезисторы - изменяют сопротивление при освещении

Фоторезистор - фотоприбор изменяющий проводимость (сопротивление) в зависимости от количества света падающего на его поверхность. Чем интенсивнее чувствительной области, тем меньше сопротивления. Вот его схематическое изображение.

Состоит он из двух металлических электродов, между которыми присутствует полупроводниковый материал. Когда световой поток попадает на полупроводник, в нём высвобождаются носители заряда, это способствует прохождению тока между металлическими электродами.

Энергия светового потока тратится на преодоление электронами запрещенной зоны и их переходу в зону проводимости. В качестве полупроводника у фоторезисторов используют материалы типа: Сульфид Кадмия, Сульфид Свинца, Селенит Кадмия и другие. От типа этого материала зависит спектральная характеристика фоторезистора

Интересно:

Спектральная характеристика содержит информацию о том, к каким длинам волн (цвету) светового потока наиболее чувствителен фоторезистор. Для некоторых экземпляров приходится тщательно подбирать излучатель света соответствующей длины волны, для достижения наибольшей чувствительности и эффективности работы.

Фоторезистор не предназначен для точного измерения освещенности, а, скорее, для определения наличия света, по его показаниям можно определить светлее или темнее стала окружающая среда. Вольт-амперная характеристика фоторезистора выглядит следующим образом.

На ней изображена зависимость тока от напряжения при различных величинах светового потока: Ф - темнота, а Ф3 - это яркий свет. Она линейна. Еще одна важная характеристика - это чувствительность, она измеряется в мА(мкА)/(Лм*В). Что отражает, сколько тока протекает через резистор, при определенном световом потоке и приложенном напряжении.

Темновое сопротивление - это активное сопротивление при полном отсутствии освещения, обозначается Rт, а характеристика Rт/Rсв - это кратность изменения сопротивления от состояния фоторезистора в полном отсутствии освещения к максимально освещенному состоянию и минимально возможному сопротивлению соответственно.

У фоторезисторов есть существенный недостаток - его граничная частота. Это величина описывает максимальную частоту синусоидального сигнала, которым вы моделируете световой поток, при которой чувствительность снижается на 1.41 раз. В справочниках это отражается либо значением частоты, либо через постоянную времени. Она отражает быстродействие приборов, которое обычно занимает десятки микросекунд - 10^(-5) с. Это не позволяет использовать его там, где нужно высокое быстродействие.

Фотодиод - преобразует свет в электрический заряд

Фотодиод - элемент, который преобразует свет, попадающий на чувствительную зону, в электрический заряд. Это происходит потому что при облучении в p-n переходе протекают различные процессы связанные с движением носителей заряда.

Если на фоторезисторе изменялась проводимость из-за движения носителей заряда в полупроводнике, то здесь происходит образование заряда на границе p-n перехода. Он может работать в режиме фотопреобразователя и фотогенератора.

По структуре он такой же, как и обычный диод, но на его корпусе есть окно для прохождения света. Внешне они бывают в различных исполнениях.

Фотодиоды с черным корпусом воспринимают только ИК-излучение. Черное покрытие - это что-то похожее на тонировку. Фильтрует ИК-спектр, чтобы исключить возможность срабатывания на излучения других спектров.

У фотодиодов, как и у фоторезисторов есть граничная частота, только здесь она на порядки больше и достигает 10 МГц, что позволяет обеспечить неплохое быстродействие. P-i-N фотодиоды обладают большим быстродействием - 100МГц-1ГГц, как и диоды на основании барьера Шоттки. Лавинные диоды имеют граничную частоту в порядка 1-10 ГГц.

В режиме фотопреобразователя такой диод работает как ключ управляемый светом, для этого его подключают в цепь в прямом смещении. То есть, катодом к точке с более положительным потенциалом (к плюсу), а анодом к более отрицательному (к минусу).

Когда диод не освещается светом - в цепи протекает только обратный темновой ток Iобрт (единицы и десятки мкА), а когда диод освещен к нему добавляется фототок, который зависит только от степени освещенности (десятки мА). Чем больше света - тем больше ток.

Фототок Iф равен:

где Sинт - интегральная чувствительность, Ф - световой поток.

Типовая схема включения фотодиода в режиме фотопреобразователя. Обратите внимание на то, как он подключен - в обратном направлении по отношению к источнику питания.

Другой режим - генератор. При попадании света на фотодиод на его выводах образуется напряжение, при этом токи короткого замыкания в таком режиме равняются десятки ампер. Это напоминает , но имеют малую мощность.

Фототранзисторы - открываются от количества падающего света

Фототранзистор - это по своей сути у которого вместо вывода базы есть в корпусе окошко для попадания туда света. Принцип работы и причины этого эффекта аналогичны с предыдущими приборами. Биполярные транзисторы управляются количеством тока протекающего через базу, а фототранзисторы по аналогии управляются количеством света.

Иногда на УГО еще дополнительно изображается вывод базы. Вообще напряжения на фототранзистор подают также как и на обычный, а второй вариант включения - с плавающей базой, когда базовый вывод остаётся незадействованным.

В схему включают фототранзисторы подобным образом.

Или меняют местами транзистор и резистор, смотря, что конкретно вам нужно. При отсутствии света через транзистор протекает темновой ток, который образуется из тока базы, который вы можете задать сами.

Задав необходимый ток базы, вы можете выставить чувствительность фототранзистора подбором его базового резистора. Таким образом, можно улавливать даже самый тусклый свет.

В советское время радиолюбители делали фототранзисторы своими руками - делали окошко для света, спилив обычному транзистору часть корпуса. Для этого отлично подходят транзисторы типа МП14-МП42.

Из вольтамперной характеристики видна зависимость фототока от освещения, при этом он практически не зависит от напряжения коллектор-эмиттер.

Кроме биполярных фототранзисторов существуют и полевые. Биполярные работают на частотах 10-100 кГц, то полевые более чувствительны. Их чувствительность достигает нескольких Ампер на Люмен, и более «быстрые» - до 100 мГц. У полевых транзисторов есть интересная особенность, при максимальных значениях светового потока напряжение на затворе почти не влияет на ток стока.

Области применения фотоэлектронных приборов

В первую очередь следует рассмотреть более привычные варианты их применения, например автоматическое включение света.

Схема, изображенная выше - это простейший прибор для включения и выключения нагрузки при определенной освещенности. Фотодиод ФД320 При попадании на него света открывается и на R1 падает определенное напряжение, когда его величина достаточна для открытия транзистора VT1 - он открывается, и открывает еще один транзистор - VT2. Эти два транзистора - это двухкаскадный усилитель тока, необходим для запитки катушки реле K1.

Диод VD2 - нужен для гашения ЭДС-самоиндукции, которое образуется при переключениях катушки. На подводящий контакт реле, верхний по схеме, подключается один из проводов от нагрузки (для переменного тока - фаза или ноль).

У нас есть нормально замкнутый и разомкнутый контакты, они нужны либо для выбора включаемой цепи, либо для выбора включить или отключить нагрузку от сети при достижении необходимой освещенности. Потенциометр R1 нужен для подстройки прибора для срабатывания при нужном количестве света. Чем больше сопротивление - тем меньше света нужно для включения схемы.

Вариации этой схемы используют в большинстве подобных приборов, при необходимости добавляя определенный набор функций.

Кроме включения нагрузки по освещенности подобные фотоприемники используются в различных системах контроля, например на турникетах метро часто используют фоторезисторы для определения несанкционированного (зайцем) пересечения турникета.

В типографии при обрыве полосы бумаги свет попадает на фотоприемник и тем самым даёт сигнал оператору об этом. Излучатель стоит по одну сторону от бумаги, а фотоприемник с обратной стороны. Когда бумага рвётся, свет от излучателя достигает фотоприемника.

В некоторых видах сигнализации используются в качестве датчиков входа в помещение излучатель и фотоприемник, при этом, чтобы излучение не были видны используют ИК-приборы.

Касаемо ИК-спектра, нельзя упомянуть о приемнике телевизора, на который поступают сигналы от ИК-светодиода в пульте дистанционного управления, когда вы переключаете каналы. Специальным образом кодируется информация и телевизор понимает, что вам нужно.

Информация таким образом ранее передавалась через ИК-порты мобильных телефонов. Скорость передачи ограничена, как последовательным способом передачи, так и принципом работы самого прибора.

В компьютерных мышках также используется технология связанная с фотоэлектронными приборами.

Применение для передачи сигналов в электронных схемах

Оптоэлектронные приборы - это приборы которые объединяют в одном корпусе излучатель и фотоприемник, типа описанных выше. Они нужны для связи двух контуров электрической цепи.

Это нужно для гальванической развязки, быстрой передачи сигнала, а также для соединения цепей постоянного и переменного тока, как в случае управления симистором в цепи 220 В 5 В сигналом с микроконтроллера.

Они имеют условно-графическое обозначение, которое содержит информацию о типе используемых внутри оптопары элементов.

Рассмотрим пару примеров использования таких приборов.

Если вы проектируете тиристорный или симисторный преобразователь вы столкнетесь с проблемой. Во-первых, если переход у управляющего вывода пробьет - попадет высокий потенциал и последний выйдет из строя. Для этого разработаны специальные драйверы, с элементом, который называется оптосимистор, например MOC3041.

В импульсных стабилизированных блоках питания необходима обратная связь. Если исключить гальваническую развязку в этой цепи, тогда в случае выхода из строя каких-то компонентов в цепи ОС, на выходной цепи возникнет высокий потенциал и подключенная аппаратура выйдет из строя, я не говорю о том, что и вас может ударить током.

В конкретном примере вы видите реализацию такой ОС из выходной цепи в обмотку обратной связи (управляющую) транзистора с помощью оптопары с порядковым обозначением U1.

Выводы

Фото- и оптоэлектроника это очень важные разделы в электроники, которые значительно улучшили качество аппаратуры, её стоимость и надёжность. С помощью оптопары можно исключить использование развязывающего трансформатора в таких цепях, что уменьшает массогабаритные показатели. Кроме того некоторые устройства просто невозможно реализовать без таких элементов.

Новые статьи

● Проект 13: Фоторезистор. Обрабатываем освещённость, зажигая или гася светодиоды

В этом эксперименте мы познакомимся с аналоговым датчиком для измерения освещенности - фоторезистором (рис. 13.1).

Необходимые компоненты:

Распространённое использование фоторезистора - измерение освещённости. В темноте его сопротивление довольно велико. Когда на фоторезистор попадает свет, сопротивление падает пропорционально освещенности. Схема подключения фоторезистора к Arduino показана на рис. 13.2. Для измерения освещённости необходимо собрать делитель напряжения, в котором верхнее плечо будет представлено фоторезистором, нижнее - обычным резистором достаточно большого номинала. Будем использовать резистор 10 кОм. Среднее плечо делителя подключаем к аналоговому входу A0 Arduino.

Рис. 13.2. Схема подключения фоторезистора к Arduino

Напишем скетч чтения аналоговых данных и отправки их в последовательный порт. Содержимое скетча показано в листинге 13.1.

Int light; // переменная для хранения данных фоторезистора void setup () { Serial.begin(9600 ); } void loop () { light = analogRead(0 ); Serial.println(light); delay(100 ); }
Порядок подключения:

1. Подключаем фоторезистор по схеме на рис. 13.2.
2. Загружаем в плату Arduino скетч из листинга 13.1.
3. Регулируем рукой освещенность фоторезистора и наблюдаем вывод в последовательный порт изменяющихся значений, запоминаем показания при полной освещенности помещения и при полном перекрывании светового потока.

Теперь создадим индикатор освещенности с помощью светодиодного ряда из 8 светодиодов. Количество горящих светодиодов пропорционально текущей освещенности. Собираем светодиоды по схеме на рис. 13.3, используя ограничительные резисторы номиналом 220 Ом.

Рис. 13.3. Схема подключения фоторезистора и светодиодов к Arduino

Содержимое скетча для отображения текущей освещенности на линейке светодиодов показано в листинге 13.2.

// Контакт подключения светодиодов const int leds={3 ,4 ,5 ,6 ,7 ,8 ,9 ,10 }; const int LIGHT=A0; // Контакт A0 для входа фоторезистора const int MIN_LIGHT=200 ; // Нижний порог освещенности const int MAX_LIGHT=900 ; // верхний порог освещенности // Переменная для хранения данных фоторезистора int val = 0 ; void setup () { // Сконфигурировать контакты светодиодов как выход for (int i=0 ;i<8 ;i++) pinMode(leds[i],OUTPUT); } void loop () { val = analogRead(LIGHT); // Чтение показаний фоторезистора // Применение функции map() val = map (val, MIN_LIGHT, MAX_LIGHT, 8 , 0 ); // ограничиваем, чтобы не превысило границ val = constrain(val, 0 , 8 ); // зажечь кол-во светодиодов, пропорциональное освещенности, // остальные потушить for (int i=1 ;i<9 ;i++) { if (i>=val) // зажечь светодиоды digitalWrite(leds,HIGH); else // потушить светодиоды digitalWrite(leds,LOW); } delay(1000 ); // пауза перед следующим измерением }
Порядок подключения:

1. Подключаем фоторезистор и светодиоды по схеме на рис. 13.3.
2. Загружаем в плату Arduino скетч из листинга 13.2.
3. Регулируем рукой освещенность фоторезистора и по количеству горящих светодиодов определяем текущий уровень освещенности (рис. 13.3).

Нижний и верхний пределы освещенности мы берем из запомненных значений при проведении эксперимента по предыдущему скетчу (листинг 13.1). Промежуточное значение освещенности мы масштабируем на 8 значений (8 светодиодов) и зажигаем количество светодиодов пропорциональное значению между нижней и верхней границами.

Листинги программ

Фоторезистор представляет из себя полупроводниковый радиоэлемент, который меняет свое сопротивление в зависимости от освещения. Для видимого света (солнечный свет или свет от осветительных ламп) используют сульфид или селенид кадмия. Есть также фоторезисторы, которые регистрируют инфракрасное излучение. Их делают из германия с некоторыми примесями других веществ. Свойство менять свое сопротивление под воздействием света очень широко используется в электронике.

Внешний вид и обозначение на схеме

В основном фоторезисторы выглядят вот так

На схемах могут обозначаться так

или так

Как работает фоторезистор

Давайте рассмотрим одного из представителя семейства фоторезисторов

На нем, как и во всех фотоэлементах, есть окошко, с помощью которого он “ловит” свет.

Главным параметром фоторезистора является его темновое сопротивление. Темновое сопротивление фоторезистора - это его сопротивление при полном отсутствии падения света на него. Судя по справочнику, темновое сопротивление нашего подопечного 15х10 8 Ом или словами - 1,5 ГОм. Можно даже сказать - полнейший обрыв. Так ли это? Давайте глянем. Для этого я использую свою записную книжку и прячу там фоторезистор:

Даже в диапазоне 200 МОм мультиметр показал единичку. Это означает, что сопротивление фоторезистора далеко за 200 МОм.

Убираем нашего подопытного из книжки и включаем в комнате свет. Результат сразу же на лицо:

106,7 КОм.

Теперь включаю свою настольную лампу. В комнате стало еще светлее. Смотрим на показания мультиметра:

76,2 КОм.

Подношу фоторезистор вплотную к настольной лампе:

18,6 КОм

Делаем вывод: чем больше поток света попадает на фоторезистор, тем меньше его сопротивление.

Датчик света — это прибор, который позволяет нашему устройству оценивать уровень освещенности. Для чего нужен такой датчик? Например, для системы уличного освещения, чтобы включать лампы только тогда, когда на город спускается ночь. Еще одно применение датчиков света — это детектирование препятствия роботом, путешествующем по лабиринту. Либо детектирование линии роботом следопытом (LineFollower). Но в этих двух случаях, в паре с датчиком света используют специальный источник света. Мы же начнем с простого примера, и подключим к микроконтроллеру Ардуино Уно один из самых распространенных датчиков — фоторезистор. Как долнжо быть понятно из названия, фоторезистор — это резистор, который меняет свое сопротивление в зависимости от падающего на него света. Выглядит этот радиоэлемент так: Различаются фоторезисторы по диапазону сопротивления. Например:

• VT83N1 — 12-100кОм;
• VT93N2 — 48-500кОм.

Это значит, что в темноте сопротивления фоторезистора равно 12кОм, а при определенной тестовой засветке — 100кОм. Конкретно в случае этих светодиодов, тестовая засветка имела параметры: освещенность -10 Люкс, и цветовая теплота — 2856К. Кроме фоторезистора, в датчиках света часто используют фотодиод и фототранзистор. Оба выглядят как типичные светодиоды:

1. Подключение

Для того, чтобы подключить наш фоторезистор к Ардуино Уно, необходимо будет вспомнить . Ведь на выходе цепи фоторезистора мы получим некое напряжение, в диапазоне от 0 до 5 Вольт, которое нам потребуется превратить во вполне себе конкретное число, с которым уже будет работать программа микроконтроллера. Держа в уме, что в Ардуино Уно есть 6 аналоговых входов на ногах A0-A5, подключаем фоторезистор по следующей схеме:

Внешний вид макета

Смотрите что получилось. Мы просто напросто построили обычный делитель напряжения, верхнее плечо которого будет меняться в зависимости от уровня света, падающего на фоторезистор. Снимаемое с нижнего плеча напряжение, мы подаем на аналоговый вход, который преобразует его в число от 0 до 1024.

2. Программа

Подключив фоторезистор по нехитрой схеме, начинаем писать программу. Первое что мы сделаем, это выведем необработанный сигнал с аналогового входа в последовательный порт, для того чтобы просто понять, как меняется значение на входе A0. Соответствующая программа имеет вид: const int pinPhoto = A0; int raw = 0; void setup() { Serial.begin(9600); pinMode(pinPhoto, INPUT); } void loop() { raw = analogRead(pinPhoto); Serial.println(raw); delay(200); } Запустив эту программу у нас в хакспейсе, мы получили следующие значения с датчика:
А теперь прикроем датчик рукой:
Видно, что значение сильно меняется. От 830 при прямом попадании света, до 500 в случае затенения (появление преграды на пути света). Зная такое поведение, мы можем численно определить порог срабатывания. Пусть он будет равен, скажем, 600. Не ровно 500, потому что мы хотим обезопасить себя от случайного срабатывания. Вдруг над датчиком пролетит муха — он слегка затенится, и покажет 530. Наконец, добавим в программу некое действие, которое будет совершаться если уровень освещенности станет ниже заданного порога. Самое простое, что мы можем сделать — это зажигать на Ардуино штатный светодиод #13. Получается такая вот программа: const int pinPhoto = A0; const int led = 13; int raw = 0; void setup() { pinMode(pinPhoto, INPUT); pinMode(led, OUTPUT); } void loop() { raw = analogRead(pinPhoto); if(raw < 600) digitalWrite(led, HIGH); else digitalWrite(led, LOW); delay(200); } Накрываем датчик рукой (или выключаем свет в комнате) — светодиод зажигается. Убираем руку — гаснет. Работает, однако. А теперь представьте, что вы зажигаете не светодиод, а подаете сигнал на реле, которое включает лампу в подъезде вашего дома. Получаеся готовый прибор для экономии электроэнергии. Или ставите такой датчик на робота, и он при наступлении ночи ложится спать вместе с вами 🙂 В общем, как говорил профессор Фарнсворт, у датчика света тысяча и одно применение!