Какой фотоприбор может использоваться как источник электроэнергии

Особенности импульсного и постоянного света

Успех любой фотосессии на 80% зависит от качества света, который использует фотограф. При помощи хорошего света можно создавать настоящие шедевры. Далекий лес и поле в мягких и нежных лучах заката или яркий солнечный день в городском парке, женский портрет в неярких тонах или мужской с интенсивным освещением. Каждый профессионал должен уметь работать со всеми видами освещения, и первое, что должен сделать начинающий фотограф после приобретения фотоаппарата – это выбрать качественные источники света, которые будут универсальными в отношении всех требований, предъявляемых к освещению. Попробуем разобраться в том, какими преимуществами и недостатками обладают импульсные и постоянные источники света.

Постоянные источники света

Дневное освещение или излучение от светодиодов на вашем фонарике – это постоянные источники света. Они предоставляют освещение в любой момент, который будет удобен фотографу, достаточно лишь включить устройство. У таких приборов есть свои особенности, которые следует учитывать при съемке.

К преимуществам постоянных источников света можно отнести:

• Возможность более качественного создания экспозиции перед самой съемкой. Фотограф самостоятельно перемещает свет, чтобы создать все необходимые оттенки на снимке;
• Экономия времени. При использовании управляемого постоянного света можно создать экспозицию и запечатлеть ее одним-двумя снимками для получения шедевра;
• Можно не ограничивать выдержку. Вы можете использовать как длинную, так и короткую выдержку фотоаппарата, так как освещение имеет статичный характер;
• Не нужно каждый раз перед съемкой менять программы фотоаппарата. Один раз приспособившись к условиям освещения, можно создавать почти неограниченное количество снимков одинакового качества.

Однако недостатки также имеют место быть. Искусственные постоянные источники света потребляют больше электроэнергии, чем импульсные, а также выделяют значительно больше тепла, создавая дискомфорт в закрытом помещении. Если вы используете естественный постоянный источник света – будьте готовы к постепенным изменениям его характеристик. Сумерки и яркое солнце – совершенно различные режимы, которые требуют разного подхода к съемке. На качество снимков будет сильно влиять облачная погода, когда солнце то появляется из-за туч, то скрывается за ними. Иногда для фотосессии вам придется ждать особенных погодных условий (яркое солнце, туман, дождь, сумерки, ночь). Это условия, которые не создаются по вашему желанию.

Импульсные источники света

Такое освещение может быть только искусственным. Чтобы понять, что значит импульсный источник света, достаточно представить себе вспышку фотоаппарата.

Преимущества импульсных источников света:

• Мобильность. Такие источники света бывают встроенными в фотоаппарат, накамерными, а также внешними, работающими при помощи синхронизатора (например, студийный свет). Такое разнообразие вариантов значит, что вы будете всегда иметь с собой освещение, подходящее под ситуацию;
• Регулировка. Вы можете задать все необходимые характеристики в любой удобный для вас момент;
• Искусственные импульсные источники света потребляют меньше электроэнергии, чем постоянные аналоги. Закрытое помещение нагревается значительно медленнее.

К недостаткам импульсных источников света можно отнести ограничение по выдержке. Нельзя выставить выдержку короче, чем время синхронизации фотоаппарата со вспышкой (как правило, не короче 1/200). Приходится делать несколько снимков для того, чтобы приспособиться к экспозиции, так как теневой рисунок не видно. Такие источники света не всегда срабатывают, а это значит, что из-за ошибки техники вы можете потерять удачный кадр.

Телефон: +7 (931) 200-62-92 Почта: Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

Адрес учебной студии: Промышленная улица, дом 5

© 2014-2021 Все права защищены, Павел Проскурня

Как применять фоторезисторы, фотодиоды и фототранзисторы

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.

Содержание статьи

• Фоторезисторы – изменяют сопротивление при освещении
• Фотодиод – преобразует свет в электрический заряд
• Фототранзисторы – открываются от количества падающего света
• Области применения фотоэлектронных приборов
• Применение для передачи сигналов в электронных схемах
• Управление симистором с помощью микроконтроллера
• Обратная связь с помощью оптопары

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 освещенность 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 работу элементов солнечной батареи, но имеют малую мощность.

Фототранзисторы – открываются от количества падающего света

Фототранзистор – это по своей сути биполярный транзистор 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.

Управление симистором с помощью микроконтроллера

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

Обратная связь с помощью оптопары

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.

• Простейшие бестрансформаторные импульсные преобразователи напряжения
• Схемотехника блоков питания для светодиодных лент и не только
• Подключение и программирование Ардуино для начинающих

Надеюсь, что эта статья была для вас полезной. Смотрите также другие статьи в категории Электрическая энергия в быту и на производстве » Практическая электроника

Подписывайтесь на канал в Telegram про электронику для профессионалов и любителей: Практическая электроника на каждый день

Поделитесь этой статьей с друзьями:

Какой фотоприбор может использоваться как источник электроэнергии

ИНН: 5007094208, Erid: 2VtzqwsMZcm, ООО «РК — РЕГИОН»
—!> Реклама / ООО «Циклон»/ ИНН: 7708820123 / erid: 2VtzqxRduHc
—!>

Проектирование, монтаж, наладка, сервис
Загрузка. Пожалуйста, подождите.

Сообщение сайта

(Сообщение закроется через 2 секунды)

Раздел об использование геотермальной энергии, энергии солнца, ветра, и т.п. в инженерных системах зданий

Атмосферное электричество., преобразование атмосферных разрядов в водород

Папа Карло

Просмотр профиля

13.9.2016, 20:30

Группа: New
Сообщений: 13
Регистрация: 13.9.2016
Из: Москва
Пользователь №: 304941

Как подключится к небесному электричеству ?

Молнии рождаются почти во всех частях света, однако они имеют свои излюбленные места. Наблюдения с метеорологических спутников показывает, что молнии, в основном, возникают над сушей, хотя она и составляет только четвертую часть поверхности Земли. Чемпионом по количеству молний среди климатически зон являются тропики. Очень большое количество молний способны также производить некоторые среднеширотные бури. Самым грозовым местом на Земле считается город Тороро в Уганде, где в году 251 грозовой день. Очень много молний в аномальной зоне на Медведицкой гряде в Поволжье.

При наличии двух составляющих — электрический разряд и вода для электролиза водорода

далее все по учебнику .. способ разделения кислорода и водорода при электролизе заключается в том, что между электродами ставится перегородка — диафрагма, которая является непроницаемой для пузырьков газа, но хорошо пропускает электрический ток. Диафрагма разделяет двумя стенками сосуда, создавая тем самым изолированные друг от друга катодные и анодные пространства.

Водород из всех катодных и кислород из всех анодных пространств поступают в сборные трубы. Оттуда по трубопроводам каждый газ направляется в отдельное помещение. Водород экологический газ (при горении вода )

Водород легче сохранять чем просто заряжать аккумулятор от молнии.

Это конечно не бытовая установка но перспективнее чем добыча угля

coverart

Просмотр профиля

13.9.2016, 21:10

Группа: Участники форума
Сообщений: 1271
Регистрация: 24.1.2008
Из: Екатеринбург
Пользователь №: 14772

Масштабно мыслите!
Приготовил попкорн.

Папа Карло

Просмотр профиля

13.9.2016, 22:23

Группа: New
Сообщений: 13
Регистрация: 13.9.2016
Из: Москва
Пользователь №: 304941

Атмосферное электричество это не только молнии но свечение в ионосфере (северное сияние), электрический потенциал между слоями атмосферы и поверхностью земли очень значительный. Еще более красиво звучит что источником магнитного поля Земли служит солнечный ветер )

KGP1

Просмотр профиля

16.9.2016, 15:49

Группа: Участники форума
Сообщений: 1973
Регистрация: 27.1.2010
Из: г.Владимир
Пользователь №: 45233

Цитата(Папа Карло @ 13.9.2016, 20:30)

Как подключится к небесному электричеству ?

При наличии двух составляющих — электрический разряд и вода для электролиза водорода

далее все по учебнику ..

А на практике между этими составляющими «дистанция огромного размера». Пробовали когда-нибудь заниматься электролизом? Скорее всего нет. Электролиз в указанном Вами случае однозначно тупиковый вариант.

Папа Карло

Просмотр профиля

16.9.2016, 16:28

Группа: New
Сообщений: 13
Регистрация: 13.9.2016
Из: Москва
Пользователь №: 304941

я когда первый цифровой фотоаппарат увидел сразу понял что фотопленка лучше и ошибался. Еще пару веков назад алюминий был дороже золота ), прогресс идет, появляются новые материалы — есть уже мембраны которые могут пропускать молекулы кислорода из воды. Энергетическая независимость это не проблемы с техникой а политическая задача.

18.9.2016, 14:53
Цитата(Папа Карло @ 16.9.2016, 16:28)

я когда первый цифровой фотоаппарат увидел сразу понял что фотопленка лучше и ошибался. Еще пару веков назад алюминий был дороже золота ), прогресс идет, появляются новые материалы — есть уже мембраны которые могут пропускать молекулы кислорода из воды. Энергетическая независимость это не проблемы с техникой а политическая задача.

Ну, если отключить политическую составляющую, но подключить конструктив в виде хотя бы возможностей современных дирижаблей, способных не только перемещаться но и планировать подобно воздушным змеям, не попадая в «воздушные ножницы» и собирая при этом не разовый разряд. Ведь перед разрядом разность потенциалов накапливается.
То, продолжайте

Папа Карло

Просмотр профиля

18.9.2016, 16:32

Группа: New
Сообщений: 13
Регистрация: 13.9.2016
Из: Москва
Пользователь №: 304941

Водород это только один из вариантов сохранения энергии атмосферного электричества. Его использование немногим отличается от использования природного газа. Но на водороде уже летают самолеты. Сам электролиз воды можно встретить в каждой второй ювелирной мастерской/ иногда паяют и бензином.

Тем странам где молнии в достатке можно будет экспортировать водород или электроэнергию с водородных электростанций. А иным странам можно использовать оборудования для съема эл. потенциала с верхних слоёв атмосферы. Земная атмосфера представляет собой исключительно хороший диэлектрик, расположенный между двумя проводниками — поверхностью земли снизу и верхними слоями атмосферы, включая ионосферу, сверху . Эти слои являются пассивными компонентами глобальной электрической цепи. Между отрицательно заряженной поверхностью земли и положительно заряженной верхней атмосферой поддерживается постоянная разность потенциалов величиной около 300 000 В. В соответствии с идеей, впервые высказанной Вильсоном в 20-е годы, принято считать, что этот «ионосферный потенциал» является результатом заряда, получаемого от гроз, которые создают глобальную электрическую «батарею».

Конечно ни о каких бытовых установках в зданиях сейчас не могу говорить определенно, но если беспроводная передача электричества станет реальностью то иметь каждому «молниеприёмник» нет необходимости.

Современная политика опирается на углеводороды и до их истощения не будет значительных изменений. Использование энергии ветра и солнца можно сравнить с движением хиппи — они старались быть независимыми.

Электронный учебно-методический комплекс по ТМ и О ЦВОСП

Принцип действия, основные характеристики.

Для p — i — n фотодиода характерно наличие i -слоя (слаболегированного полупроводника n -типа) между слоями р + (база) и n + (коллектор) (+ означает сильное легирование).

Также i -слой называют обедненным слоем. Фотоны вводятся в детектор через окно, имеющее тонкий слой просветляющего покрытия (толщина около λ /4) с показателем преломления, согласующим разные среды – стекловолокно (n=1,46) и полупроводник (n=3,5).

На такой диод подается обратное смещение (- U см), т.е. напряжение плюсом к n -переходу, минусом к p -переходу.

Сильное легирование крайних слоев делает их проводящими, и максимальное значение электрического тока создается в i -слое. Но поскольку нет свободных носителей в i -слое, нет и электрического тока, так излучения на i -слой, в нем образуется свободные электронно-дырочные пары. Эти пары под действием электрического поля быстро разделяются и двигаются в противоположных направлениях к своим электродам.

Таким образом, создается фототок (ток дрейфа).

где Q — заряд электрона;

N e – число электронов

Однако не все фотоны вызывают образование пар «электрон — дырка». По этой причине вводится понятие квантовой эффективности. Квантовая эффективность q (безразмерная величина) определяется как:

где N ф — количество фотонов, падающих за единицу времени на приемник;

Ne — количество рожденных в результате этого свободных электронов (или электронно-дырочных пар).

Квантовая эффективность для p-i-n фотодиодов не может быть больше (100%).

Величина фототока определяется:

Учитывая, что число фотонов зависит от мощности излучения

где Е ф = h∙v, а λ = C/v, то величина фототока может быть представлена:

где Р и — полная оптическая мощность излучения на длине волны λ, падающего на фоточувствительную площадку (Вт);

е — заряд электрона (1.6∙ Кл);

h — постоянная Планка, эВˑс (см. выше);

С — скорость света в пустоте (воздухе), (С = 3∙ м/с);

η — квантовая эффективность.

Эффективным является взаимодействие излучения только с i — слоем, так как при попадании фотонов в р+ — и n + — слои возникает диффузионный ток, который имеет большую инерционность и ухудшает быстродействие. Поэтому при изготовлении фотодиодов стремятся делать р+ — и n + — слои как можно тоньше, а обедненную область достаточно большой протяженности, чтобы она полностью поглощала весь падающий свет. На рисунке 1.21 показана структура, включение и распределение потенциала p-i-n фотодиода.

Существует несколько типов фотодетекторов, которые могут быть использованы в качестве приемников света в ВОСП. Однако только два из них наиболее привлекательны для широкополосных ВОСП. Это кремниевые p-i-n фотодиоды и InGaAs * p-i-n фотодиоды. Кремниевые фотодиоды могут использоваться в приложениях, работающих в диапазоне коротких длин волн (850 нм), тогда как фотодиоды типа InGaAs — в приложениях, работающих в диапазонах длинных волн 1310 и 1550 нм.

Рисунок 1.21. Структура, включение и распределение потенциала p-i-n фотодиода

При выборе фотодетектора для ВОЛС сравнение их производится по ряду характеристик:

Квантовая эффективность фотодиода η является мерой среднего числа электронов, освобожденных каждым падающим фотоном.

При работе в идеальных условиях отражения, кристаллической структуры и внутреннего сопротивления, оптимально спроектированные высококачественные кремниевые фотодиоды способны достичь квантовой эффективности порядка 80%. Квантовая эффективность в 100% — недостижима.

Кривые квантовой эффективности в зависимости от длины волны для различных материалов приведены на рисунке1.22.

Чувствительность отклика наиболее важный параметр при работе с фотодиодными детекторами. Чувствительность отклика выражается в A/Вт (токовая чувствительность) или в В/Вт (вольтовая чувствительность) и иногда называется просто чувствительностью или интегральной чувствительностью.

Рисунок 1.22. Зависимость квантовой эффективности от длины волны для различных материалов

Чувствительность отклика является отношением среднеквадратического (СКВ) значения выходного тока или напряжения фотодетектора к среднеквадратическому (СКВ) значению электрической мощности, т.е.:

где I ф — фототок, а Р и — полная оптическая мощность излучения на длине волны λ, падающего на фоточувствительную площадку.

Для фотодиода чувствительность отклика S связана с длиной волны светового потока А и квантовой эффективностью q, той частью падающих фотонов, которые производят пары электрон — дырка. Следовательно,

где λ — длина волны излучения, нм;

η — квантовая эффективность.

Чувствительность отклика может быть также связана с зарядом электрона следующим выражением:

где η — квантовая эффективность;

е — заряд электрона (1,6*1019 Кл);

h — постоянная Планка, эВ-с (см. выше);

ν — частота излучения в Гц.

Типичное значение токовой чувствительности для p-i-n фотодиодов в их рабочих диапазонах составляет 0,5. 0,8 А/Вт.

Спектральная характеристика отражает зависимость чувствительности фотоприемника от длины волны воздействующего монохроматического излучения S = f(λ). Эта характеристика определяет спектральную область применения фотоприемника.

Рисунок 1.23. Спектральные характеристики германиевого (1) и кремниевого (2)фотодиодов.

Область спектральной чувствительности зависит от того, из какого материала изготовлен фотодиод. Типичные спектральные характеристики фотодиодов показаны на рисунке 1.23.

Зависимость спектральной чувствительности от длины волны является сложной. Эта зависимость имеет максимум при некоторой длине волны (λ 0), причем спад в области длинных волн связан с зависимостью квантового выхода η (λ) от длины волны, а в области коротких длин волн — с зависимостью коэффициента межзонного поглощения а(λ) от длины волны. Коэффициент поглощения растет и большая часть излучения поглощается в приповерхностном слое базы и меньшая часть генерированных светом носителей доходит до р-n перехода. То есть, положение коротковолновой границы фоточувствительности зависит от ширины базы и скорости поверхностной рекомбинации. Обе зависимости имеют красную границу, поскольку при энергии квантов hv меньше ширины запрещенной зоны Eg межзонное поглощение света не происходит.

Темновой ток I т (А) протекает при обратном смещении через нагрузку в отсутствии падающего на фотодиод излучения. Его величина зависит от материала полупроводника, температуры окружающей среды, конструкции фотоприемника. Максимальные значения этот ток имеет в фотодиодах, изготовленных из германия, и составляет от долей до единиц миллиампера.

Вольт — амперная характеристика фотодиода . Вольт — амперная характеристика отражает зависимость тока I, проходящего в цепи фотоприемника, от напряжения U на нем при заданном потоке излучения

Световой (общий) ток представляет собой сумму токов:

где I Т —ток в отсутствие освещения; I ф — фототок.

На рисунке 1.24 показаны схемы включения фотодиода с резистором R н .

Рисунок 1.24. Схемы включения фотодиода с резистором R н :

а) схема включения ФД в фотодиодном режиме,

б) схема включения ФД в фотогальваническом режиме

На рисунке 1.25 представлено семейство вольт – амперных характеристик р- i — n фотод иода. Величина U np – напряжение электрического пробоя фотодиода.

Вольт — амперные характеристики фотодиода в квадранте I соответствуют включению в прямом направлении.

Если открыть ФД, то через него потечет прямой ток (ток диффузии), значительно превышающий фототок. Фотоуправление током через диод становится невозможным (квадрант I — это нерабочая область для фотодиода).

Квадрант II отражает работу в фотогальваническом режиме. По оси напряжения можно определить фото — ЭДС (U хх ) при различной интенсивности принимаемого светового потока Ф и при R н =∞. Точки пересечения вольт — амперных характеристик с осью токов соответствуют значениям фототоков короткого замыкания I к.з. (R н = 0). Промежуточные значения сопротивления нагрузки определяются линиями нагрузки, которые для разных значений R выходят из начат координат под разным углом. При заданном значении тока по вольт — амперной характеристике можно выбрать оптимальный режим работы фотодиода фотогальваническом режиме. Под оптимальным режимом в данном случае понимают выбор такого сопротивления нагрузки, при котором в R н будет передаваться наибольшая электрическая мощность.

Рисунок 1.25. Семейство вольт — амперных характеристик p-i-n фотодиода

Если открыть ФД, то через него потечет прямой ток (ток диффузии), значительно превышающий фототок. Фотоуправление током через диод становится невозможным (квадрант I — это нерабочая область для фотодиода).

Квадрант II отражает работу в фотогальваническом режиме. По оси напряжения можно определить фото — ЭДС (U хх ) при различной интенсивности принимаемого светового потока Ф и при R н =∞. Точки пересечения вольт — амперных характеристик с осью токов соответствуют значениям фототоков короткого замыкания I к.з. (R н = 0). Промежуточные значения сопротивления нагрузки определяются линиями нагрузки, которые для разных значений R выходят из начат координат под разным углом. При заданном значении тока по вольт — амперной характеристике можно выбрать оптимальный режим работы фотодиода фотогальваническом режиме. Под оптимальным режимом в данном случае понимают выбор такого сопротивления нагрузки, при котором в R н будет передаваться наибольшая электрическая мощность.

Квадрант III характеризует включение прибора в фотодиодном режиме (к р- n переходу прикладывается обратное напряжение). В рабочем диапазоне обратны напряжений фототок практически не зависит от обратного напряжения сопротивления нагрузки.

Вольт — амперная характеристика нагрузочного резистора R H представляет собой прямую линию.

Так как фотодиод и нагрузочный резистор соединены последовательно (см. рис 24а), то через них протекает один ток 1 н . Этот ток можно определить по точке пересечения вольт — амперной характеристики фотодиода и нагрузочной прямой резистора (квадрант III ). Таким образом, в фотодиодном режиме при заданном потоке излучения фотодиод является источником тока по отношению к внешней цепи. Значение тока I н от параметров внешней цепи ( U CM , R H ) практически не зависит.

Энергетическая (световая) характеристика отображает зависимость фотоотклика прибора от интенсивности возбуждающего потока излучения (ампер — ваттная I = f (Ф), вольт — ваттная U = f (Ф), люкс — амперная). Энергетической характеристикой называют также зависимость интегральной или спектральной чувствительности приемника от интенсивности потока излучения. Энергетическая характеристика ФД в фотодиодном режиме линейна в широких пределах.

Частотные характеристики описывают зависимость чувствительности от частоты модуляции излучения или длительности импульсов и характеризуют инерционность прибора. На рисунке 1.26 представлена частотная характеристика фотодиода.

Рисунок 1.26. Частотная характеристика фотодиода

Фотодиоды — малоинерционные фотоприемники. Инерционность их зависит от емкости р-п — перехода, условий разделения электронно-дырочных пар и сопротивления нагрузки. В оптических линиях связи требуются фотоприборы с высоким быстродействием (несколько наносекунд и менее). К фотоприборам, обладающим малой инерционностью, относятся p — i — n фотодиоды и лавинные фотодиоды.

Быстродействие фотодиода зависит от времени нарастания фототока при воздействии на фотодиод импульса оптической мощности (Рис.1.27).

Время нарастания t rise (спада t fall ) — это самая важная динамическая характеристика фотоприемника. Она определяется как время, необходимое выходному сигналу, чтобы возрасти от уровня 0,1 до 0,9 (упасть от 0,9 до 0,1) от установившегося максимального значения при условии, что на вход подаются строго прямоугольные импульсы света большой длительности. Эти времена зависят от геометрии фотодиода, материала, напряженности электрического поля в слаболегированной области, температуры. Максимальная из двух величин (обычно t rise ) берется в качестве характеристики времени отклика фотоприемника. С увеличением частоты модуляции входных оптических импульсов максимальное значение фототека уменьшается. Предельная частота определяется как частота модуляции, при которой токовая чувствительность составляет 0,707 от значения токовой чувствительности при низких частотах модуляции (см. рис 1.26).

Рисунок 1.27. Характеристика быстродействия р- i — n ФД

Если внутренние задержки прямо не влияют на полосу пропускания или скорость передачи, то времена нарастания и слада главным образом определяют полосу пропускания. Различные фотоприемники могут очень сильно отличаться по быстродействию. Наиболее быстрыми являются p — i — n фотодиоды.

Величина быстродействия фотодиода определяется временем дрейфа носителей через i — область. Поэтому для увеличения быстродействия желательно уменьшить толщину i — слоя для электрического тока и сохранять толщину для светового потока. Это реализовано в конструкции фотодиода в форме «мезы» — горы, которая представлена на рисунке 1.28.

Рисунок 1.28 Конструкция p-i-n фотодиода, выполненного в форме «мезы»

— Максимально допустимое обратное напряжение U обр.макс.доп — это напряжение, превышение которого может привести к пробою фотоприемника и его разрушению, Наряду с этим значением или вместо него изготовители фотоприемников могут указывать просто обратное рабочее напряжение Если выбрать меньшее значение рабочего напряжения, то будет ограничена область линейной характеристики фотоприемника. Диапазон возможных рабочих напряжений типичных р- i — n фотодиодов U раб = 1…30 В.

— Шумы p — i — n фотодиода. При анализе шумовых свойств ФД, т. е. при необходимости найти отношение сигнал-шум или определить чувствительность, ограниченную только фотоприемником, обычно требуется учитывать три вида шумовых токов: 1) шумо­вой ток, возникающий при детектировании светового потока (дробовый шум); 2) шумовой ток, обусловленный случайным тепловым движением электронов в нагрузочном сопротивлении и в последующих электронных цепях; 3) шумовой ток самого ФД, основная составляющая которого обусловлена темповым током. Т.е. ток фотодиода состоит из трех составляющих:

I фд = I ф + I фон + I т ,

где I ф — ток, обусловленный детектированием сигнала,

I фон – ток, обусловленный попаданием на фотодетектор постороннего (фонового) оптического излучения;

I т — темповой ток.

Если уменьшить тепловой шум нагрузочного сопротивления изменением эффективной температуры сопротивления, а принципиально неустранимый дробовый шум считать малым, то пороговую чувствительность ФД будет определять тем новой ток. С этой точки зрения для реализации максимальной пороговой чувствительности необходимо выбирать ФД с минимальными темновыми токами. Величина темнового тока зависит от свойств материала ФД, температуры, площади р-п — перехода, конструктивных особенностей и т. д.

— Электрическая схема включения фотодиода приведена на рисунке 1.29.

Рисунок 1.29. Схема включения p-i-n фотодиода

В схеме включения разделительная емкость Ср позволяет устранить высокое напряжение смещения U см (до 30 В) со входа малошумящего усилителя.

— Динамический диапазон линейности (в децибелах) характеризует область значений светового потока Ф (от Ф min до Ф max ), в которой энергетическая (световая) характеристика является линейной:

∆ = 10 lg ∙(Ф ma х /Ф min ).

Динамический диапазон входных оптических мощностей для схемы фотодиода с усилителем может достигать∆ p-i-n — 60 дБ.

Достоинства и недостатки p-i-n фотодиода

К достоинствам p-i-n фотодиодов относятся следующие:

· высокая фоточувствительность (для λ = 0,9мкм, S max = 0,7 A/Вт) и высокое быстродействие

· высокая фоточувствительность в длинноволновой части спектра (обусловлена широкой i — областью);

· малая барьерная емкость;

· высокая эффективность при малых обратных напряжениях.

К недостаткам p- i -n фотодиодов относятся:

· малая фото — ЭДС (≤ 0,35 — 0,45 В);

· повышенные токи утечки;

· p-i-n диоды не совместимы с ИС.

Оглавление

• Главная
• Электронные документы
• Структура рабочей программы по части ВОСП очного/заочного отделения
• Самостоятельная работа
• Библиография
• ВВЕДЕНИЕ
• ГЛАВА 1. ОСНОВЫ ПОСТРОЕНИЯ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ
• 1.1 Принцип построения ВОСП. Активные компоненты ВОСП
• 1.2 Источники оптического излучения
• 1.2.1. Светоизлучающие диоды, СИД
• 1.2.2 Лазеры. Конструкции, принцип действия, основные
• Лабораторная работа №7
• Лабораторная работа № 9
• Тест»Источники оптического излучения»
• 1.2.3 Передающие оптические модули
• 1.3 Модуляция и демодуляция оптической несущей
• 1.4 Фотоприемники оптических систем передачи
• 1.4.1 Фотодетекторы. Виды ФД. Требования к фотодетекторам
• 1.4.2 Фотодиоды конструкции p-i-n
• 1.4.3 Конструкция, принцип действия ЛФД (APD)
• Лабораторная работа № 8
• Тест » Фотоприемники»
• 1.4.4 Приемные оптические модули
• 1.5 Пассивные компоненты ВОСП
• Практическая работа № 3
• Тест» Пассивные компоненты»
• 1.6 Линейны коды ВОСП
• 1.6.1 Особенности построения линейных кодов ВОСП.
• 1.6.2 Требования к линейным кодам ВОСП.
• 1.6.3 Классификация линейных кодов ВОСП.
• Практическая работа № 4
• ГЛАВА 2.ОБОРУДОВАНИЕ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ ПЕРЕДАЧ
• 2.1 Оборудование линейного тракта системы ИКМ-120-4/5
• 2.2. Оборудование XDM производства компании ECI Telecom
• 2.2.1 Характеристика выбранного оборудования
• 2.2.2 Характеристика полки XDM-500 и входящих в нее плат.
• 2.3 Выбор оптического интерфейса. Сменные модули XDM-500
• ГЛАВА 3. ТЕХНОЛОГИЯ ОПТИЧЕСКОГО МУЛЬТИПЛЕКСИРОВАНИЯ WDM
• 3.1. Эволюция ВОСП.
• 3.2 Многоволновое уплотнение оптических несущих (WDM).Классификация WDM систем
• 3.3. Канально-частотный план. Преимущества и недостатки систем передачи WDM
• 4. ОБОРУДОВАНИЕ ВОСП DWDM.
• 4.1. Назначение, область применения. Компоненты систем передачи DWDM
• 4.2 Компоненты системы DWDM
• 4.3. Многоволновые оптические интерфейсы.
• 5. МОНТАЖ, ЭКСПЛУАТАЦИЯ И ОБСЛУЖИВАНИЕ СИСТЕМ.
• 5.1. Тестируемые компоненты WDM. Оптические источники и приемники тестирования
• 5.1.1Оптические источники для тестирования
• 5.1.2 Приемники для тестирования
• 5.2.Основные контролируемые параметры компонентов системWDM, их тестирование
• 5.3 Инсталляция систем WDM.
• 5.3.1 Тесты на сетевую совместимость
• 5.3.2 Тесты при пуско-наладочных работах и вводе в эксплуатацию
• 5.3.3 Тесты при техническом обслуживании и мониторинге
• 5.3.4 Тесты на совместимость с оборудованием других производителей
• 5.3.5 Тесты на целостность внутренних соединений сети
• 5.4 Ввод систем WDM в эксплуатацию
• 5.4.1 Передатчики
• 5.4.2 Приемники
• 5.4.3 Оптические усилители
• 5.4.4 Мультиплексоры и демультиплексоры
• 5.4.5 Тестирование системы в целом
• 5.4.6 Обработка сообщений о неисправностях
• 5.5 Техническое обслуживание систем WDM.
• 5.6 Мониторинг системы WDM
• Тест » Технология оптического мультиплексирования WDM»