2 Вопрос

Светодиод - это полупроводниковый прибор, который излучает свет при пропускании через него тока в прямом направлении. Светодиод в электрической цепи ведёт себя также как обычный диод, только прямое напряжение светодиода в зависимости от типа светодиода составляет от 1,5 до 2,5 В, то есть при прямом включении светодиода падение напряжения на нём составляет 1,5…2,5 В. Этот эффект иногда используется в стабилизаторах напряжения, когда требуется получить стабильное напряжение в диапазоне 1,5…2,5 В (см. раздел Стабилитроны).

Рабочий ток светодиода лежит обычно в диапазоне 5…20 мА, поэтому практически во всех случаях питание светодиодавыполняется через гасящий резистор. Рабочий ток указывается в справочниках. Длительное превышение рабочего тока приводит неисправности светодиода. Пример расчета гасящего резистора исхема включения светодиода найдётся здесь: Применение резисторов. Если вы знакомы с электроникой, микропроцессорами (или хотите с этими темами познакомиться), то рекомендую книгуКак стать программистом, где вы узнаете как подключить светодиоды к микропроцессору и как заставить их работать по заданной программе.

Светодиоды бывают разных цветов и типов. Они могут испускать как видимое излучение, так и инфракрасное (ИК-излучение). Инфракрасное излучение невидимо для человеческого глаза. Светодиоды в настоящее время используются очень широко, например, в различных устройствах индикации. Некоторое время назад появились сверхъяркие светодиоды, которые используются для освещения помещений вместо ламп. Такие светодиоды потребляют в десятки раз меньше электроэнергии и имеют срок службы 30000 часов и выше, что в сотни раз больше срока службы любых ламп. Правда, стоимость таких светодиодов пока высока.

Рис. 4. Светодиоды.

Фотодиод – это полупроводниковый прибор, который имеет светочувствительную поверхность. В зависимости от величины освещённости этой поверхности, меняется ток через фотодиод, если на него подано напряжение (фотодиод включается в обратном направлении, как и стабилитрон). Этот эффект используется в различных оптических датчиках. Например, пара светодиод-фотодиод используется в компьютерной мыши, подробнее см. здесь: Ремонт компьютерной мыши. Такой режим работы носит названиефотодиодный режим.

Однако фотодиод может работать и в режиме генерации электроэнергии (солнечные батареи). В этом случае напряжение на светодиод не подаётся, а наоборот, снимается. Это называетсяфотогальванический режим.

Таким образом, принцип работы фотодиода определяется выбранным режимом. В фотодиодном режиме фотодиод может работать как датчик освещённости. В фотогальваническом – как источник электроэнергии. Конечно, один фотодиод – это очень слабый источник электроэнергии. Для того чтобы получить хоть какую-то реальную энергию, нужно включить вместе десятки и сотни фотодиодов. Отсюда и внушительные размеры солнечных батарей.

Примеры внешнего вида светодиодов приведены на рис. 4. Примеры внешнего вида фотодиодов приведены на рис. 5 (по центру – ИК-фотодиод; ИК-фотодиоды обычно имеют «тонировку», чтобы исключить засветку от внешних источников). Условное графическое обозначение (УГО) светодиодов и фотодиодов изображено на рис. 6.

Рис. 5. Фотодиоды.

Рис. 6. УГО фотодиодов и светодиодов.

В былые времена, когда радиолюбителей в стране было много, а радиодеталей почему-то мало, достать светодиоды, а тем более фотодиоды заводского изготовления было крайне сложно. Поэтому электронщики-любители делали фотодиоды из обычных германиевых транзисторов серий МП38…МП42. Эти транзисторы изготавливались в металлическом корпусе. Чтобы превратить транзистор в фототранзистор, надо было осторожно спилить верхнюю часть корпуса. Тогда транзистор мог работать как фототранзистор. Конечно, это была не совсем адекватная альтернатива. Однако, как известно, на безрыбье…

Схема включения фотодиода.

   Фотодиод может работать в фотодиодном и гальваническом режиме.    В фотодиодном режиме p-n переход смещается обратным напряжением величина которого зависит от конкретного фотодиода от единиц до сотни вольт, чем больше смещение тем быстрее он будет работать, и больше токи через него будут течь. Недостаток фотодиодного режима в том, что с ростом обратного тока, в последствии увеличения напряжения или освещения, увеличивается уровень шумов, а уровень полезного сигнала в целом остается постоянным, считается, что в этом режиме диод имеет меньшую постоянную времени.    В фотогальваническом режиме к диоду не прикладывается ни какое напряжение, он сам становится источником ЭДС с большим внутренним сопротивлением. Недостаток фотогальванического режима заключается в ослаблении полезного сигнала с ростом уровня паразитной засветки но уровень шумов не растет, остается постоянным.

   Фотодиодная схема включения.

      Приведенная схема включения фотодиода является универсальной и подходит для тестирования и выбора, применительно к окончательной схеме своей конструкции. Изменяя положение подстроечного резистора, в приведенной схеме, можно протестировать и выбрать оптимальный режим работы фотодиода. Изменяя сопротивление резистора от минимального до максимального, можно подобрать наилучший режим смещения на фотодиоде. Вывернув резистор на минимум, замкнув подвижный контакт на землю, мы переведем схему в фотогальванический режим.  Можно попробовать работу фотодиода и в прямом смещении (он все равно будет реагировать на свет), для этого надо поменять схему включения, перевернув диод. Сопротивление в 50 Ком, не должно дать повредить фотодиод, а по переменной составляющей оно оказывается включенным параллельно с нагрузкой (меньше 5 КОм), и полезный сигнал практически не ослабляет. Конденсатор избавляет нас от постоянной составляющей. Если мы принимаеи импульсный сигнал то от постоянной составляющей, которая меняется в зависимости от фоновой засветки, лучше избавится сразу, смысла ее усиливать нет.

   Еще одна стандартная схема включения фотодиода показана на рисунке. В данной установке для уменьшения влияния шумов и наводок в схему добавлены буферные конденсаторы в цепи питания, накопительный конденсатор С3 и интегрирующая цепочка R2С4 на выходе. C1- электролитический конденсатор большой ёмкости С = 100 мкФ, С2 - быстрый керамический 0,1 мкФ, С3, С4 - керамические по 100 пФ, R1 - 8 кОм, R2- 5,6 кОм.

    Нагрузкой для достижения максимального быстродействия должен быть или каскад с общей базой или быстродействующий операционник включенный по схеме преобразователя ток-напряжение. Эти усилители имеют минимальное входное сопротивление.

   Практическая схемотехника включения фотодиода со смещением.

Практическая схемотехника включения фотодиода со смещением.

  Величина R фильтра подбирается в зависимости от засвечивания фотодиода в рабочем варианте с установленной оптикой, учитывается направление по азимуту (юг,запад и т.д.) в разных направлениях разные засветки от солнца. Ёмкость Сф=0.1мкФ ещё и замыкает цепь фотодиода по высокой частоте на землю. Вместо Rн можно поставить дроссель, либо трансформатор, надо смотреть, не будет ли искажений или затяжек импульсов или прочих подводных камней.

   Включение фотодиода в каскад с общей базой.

Схема включения фотодиода ФД 263 в каскад с общей базой.

   Схема с общей базой применена с целью увеличить нагрузку на фотодиод и не дать "разгуляться" напряжению на паразитной ёмкости P-N перехода, что сократит фронты импульса, а в результате можно будет принимать более короткий импульс. В схеме с ОБ - база разделяет входную и выходную цепи, и практически исключает влияние выходного напряжения на вход схемы (подобно экранной сетке в пентоде) по-этому имеется возможность увеличить нагрузочное сопротивление и получить больший размах напряжения на выходе схемы без ущерба для скорости. На рисунке приведён график зависимости входного сопротивление схемы с ОБ в зависимости от тока коллектора. Если учесть, что, чем меньше нагрузочное сопротивление на фотодиоде, тем выше скорость передачи, то из графика видно - при повышении тока коллектора, падает сопротивление нагрузки, повышается скорость без ущерба для чувствительности, но это касается входа схемы. На выходе (на коллекторе) увеличение сопротивления приводит к увеличению сигнала, но до определённого номинала, дальше паразитные ёмкости сводят на нет эффект от повышения сопротивления. Эмиттерный повторитель стоит для того, чтобы последующие каскады усиления не нагружали выход схемы с ОБ, а также уменьшить выходное сопротивление схемы, что благотворно сказывается на скорости.(все высокочастотные схемы очень "любят" низкие сопротивления, на них быстрее разряжаются паразитные ёмкости).