Фотодиоды и фототранзисторы
Они относятся к группе полупроводниковых фотоприёмников. В фототранзисторе совмещены фотодиод и усилитель фототока. Фотодиод может работать в двух режимах: 1) фотогенератором; 2) фотодиодном режиме. В фотогенераторном режиме источник внешнего напряжения отсутствует. В фотодиодном режиме к фотодиоду приложена запирающее напряжение. При отсутствие облучения под действием этого напряжения проходят лишь небольшой темновой ток, а при освещении p-n перехода, ток увеличивается в зависимости от интенсивности освещения. Характеристики фотодиодов и фототранзисторов так же как у фоторезисторов зависят от температуры. В частности темновой ток увеличивается при увеличении температуры. Существуют следующие схемы включения фотодиодов:
В фотодиодном режиме может рассматриваться как резистор и включаться в схемы делителей (рисунок а) или мостовые измерительные цепи (рисунок б) позволяющие в известной степени уменьшить влияние темнового тока. На рисунке в показана схема работающая в фотогенераторном режиме. Благодаря тому что входное сопротивление усилителя, которое равно сопротивлению обратной связи и делённое на коэффициент сопротивления, не может превышать 10 Ом. Фотодиод работает в режиме близком к короткому замыканию и обладает достаточно линейной характеристикой.
Фотоварикапы
Принцип действия фотоварикапа основан на изменении ёмкости p-n перехода при действии потока оптического излучения. Ёмкость p-n перехода для кремниевых фотоварикапов составляет 30 пикаФарад на миллиметр квадратный.
Оптроны
Оптроны представляют собой комбинацию миниатюрного источника излучения приёмника излучения. Между элементами оптронной пары отсутствует электронная связь, а преобразование входного сигнала в выходной сигнал происходит по схеме. Электрические сигнал-оптический сигнал-электрический сигнал. Оптрон выглядит так:
Излучение светодиода 1 фокусируется отражателем 2 на поверхность фотоприёмника 3. Пространство между светодиодом и фотоприёмником залито прозрачным компаундом. Оптроны широко применяются, как элементы измерительных приборов позволяющих осуществлять гармоническую развязку электрических цепей.
Структурные схемы оптоэлектронных преобразователей
Обобщённую структурную схему оптоэлектронного преобразователя можно представить так:
1 источник излучения, 2 оптический канал, 3 приёмник излучения. Измеряемая величина X воздействует непосредственно на источник излучения изменяя параметры излучаемого потока Ф1. Или на оптический канал модулируя соответствующий параметр потока в процессе распространения излучения. Чаще всего под действием измеряемой величины меняется интенсивность лучистого потока. Например в следствие изменения температуры излучателя меняется пропускание поглощения или рассеяние оптического канала. Однако могут изменяться так же фазовый сдвиг между электромагнитными колебаниями в двух лучах, Вызываемый разностью оптического хода этих лучей. Соответственно структурные схемы оптоэлектронных преобразователей могут быть разделены на 3 группы:1) схемы измерения интенсивности излучения; 2) схемы измерения сдвига фазы и угла поворота.3) схемы измерения светового излучения и длины волны.
Преобразователи для измерения для интенсивности излучения
В этих преобразователях используются 3 алгоритма работы: 1) измерение потока Фx; 2) измерение отношения потоков Ф1/ Ф2, где в качестве одного из потоков например Ф2 обычно используется эталонный поток; 3) измерение разности потоков Ф1-Ф2, где Ф1=Фx-неизвестный поток, Ф2=ФЭ-эталонный поток.(продолжение смотреть лист 3)
В качестве примера реализации первого алгоритма работы служит экспонометр для кинокамеры схема, которого имеет следующий вид:
Световой поток Фx проходя оптическую систему 1 и диафрагму 2, отражаясь от зеркального обтюратора 3, попадает на фоторезистор 4(В). В отрезок времени, когда не происходит экспонирование плёнки 5. Исполнительным механизмом служит измерительный механизм логометра ИМ. Обмотка 6, которого подключена к источнику питания, через резистор R, а обмотка 7, через резистор 4(В). Обмотки 6 и 7 создают встречные вращающие моменты, поворачивающую рамку, соединённую с диафрагмой 2. Движение диафрагмы 2 происходит до тех пор, пока сопротивление фоторезистора 4 не станет равным сопротивлению R, которое используется для установки параметров экспозиции.
Измерительные цепи позволяющие реализовать второй и третий алгоритмы измерения были рассмотрены ранее. Однако из-за трудности подбора идентичности двух фотоприёмником используются преобразователи с одним фотоприёмником и временным разделением поступающих на него потоков. Измерительная схема третьего алгоритма имеет следующий вид:
Пучок света от источника 1 при помощи зеркал 2 разделяется на 2 потока Ф0 и Фx. Интенсивность потока Фx зависит от измеряемой величины например прозрачности объекта 3. С помощью модулятора осуществляется периодическое освещение фоторезистора ФП измеряемым потоком Фx и опорным поток Ф0. Синхронно с движением шторки 4 переключается ключ К с помощью которого на вход интегратора (ФП, конденсатор С и усилитель Ус), через фоторезистор ФП подаётся ток от положительного или отрицательного полюсов источника Е. При этом ток пропорциональный измеряемому потоку заряжает конденсатор С, а ток пропорциональный опорному потоку разряжает его. В конце второго такта модуляции на выходе интегратора устанавливается напряжение U, которое измеряется указателем Ук. Напряжение U равно:
Примером реализации второго алгоритма служит устройство для измерения диаметра провода и схема, которого имеет следующий вид:
Здесь световой поток от источника 1, делится диафрагмой 2, с помощью двух отверстий на 2 луча. Верхний луч частично перекрывается проволокой 3. Нижний луч проходит через оптический клин 6. Матовая пластина 4 рассеивает свет, что бы облучение фотоприёмника ФП было равномерным. Заслонка 7, колеблется между отверстиями диафрагмы, модулируя световой поток на входе фотоприёмника. Если интенсивности верхнего и нижнего лучей не равны, то на входе фотоприёмника появляется переменная составляющая напряжение управляющая двигателем Д. Двигатель перемещает клин 6 до уравнивания интенсивностей лучей. Выходной величиной прибора служит угол поворота двигателя, отсчитываемый по шкале 5.