Fotodiody, LED, fotodiodové snímače

Fotodiody, LED, fotodiodové snímače Podkladový materiál k přednáškám A0M38OSE – Obrazové senzory ČVUT- FEL, katedra měření, © Jan Fischer, 2014 Materiál je pouze grafickým podkladem k přednášce a nenahrazuje výklad na vlastní přednášce

1 Před. 1- 2 A0M38OSE, 2014, J. Fischer, kat. měření, ČVUT FEL Praha

Náplň přednášky • • • • • • •

Polovodič, křemík jako polovodič pro senzory Přechod PN Dioda Fotodioda s přechodem PN PIN- fotodioda Vlastnosti fotodiody Zapojení fotodiody do obvodu

2 Před. 1- 2 A0M38OSE, 2014, J. Fischer, kat. měření, ČVUT FEL Praha

Polovodič Si Polovodičový materiál pro fotodiody, senzory CCD, CMOS- křemík, Si – čtyřmocný, 4 elektrony v el. obalu. atomu křemíku Intrinzický polovodičový materiál - krystalová struktura bez defektů, kovalentní vazba - silná, Intrinzický polovodič, pouze jeden prvek, čistý materiál, ideální krystalová struktury bez poruch (dislokací) krystalové struktury

Si

Si

Si

Si

Si

Si

společné valenční elektrony

Si

Si

Si

Si

Detaily viz. kniha- Vobecký, Záhlava: Elektronika

Před. 1- 2 A0M38OSE, 2014, J. Fischer, kat. měření, ČVUT FEL Praha

3

Polovodič Si Dodání tepelné energie – kmity, možnost uvolnění elektronu z elektronového obalu, vznik páru elektron - díra

Si

volný elektron

díra

Intrinzická vodivost – pouze tepelně generovanými páry elektron - díra elektron při působení vnějšího elektrického pole – pohyb ve směru el. pole. Růst intr. vodivosti s teplotou Uspořádaný pohyb elektronů – elektrický proud, Díry – též pohyb při působení vnějšího el. pole,

Si tepelná energie

Pohyblivost elektronu - trojnásobná oproti pohyblivosti díry v (Si materiálu) (důsledek – vliv na volbu šířky tranzistoru NMOS a PMOS ve struktuře CMOS (PMOS – volby 3x širší pro dosažení stejného odporu) Před. 1- 2 A0M38OSE, 2014, J. Fischer, kat. měření, ČVUT FEL Praha

4

Znázornění v pásovém modelu Elektron – buď ve valenčním nebo ve vodivostním pásu (analogie …1.kos.r.) energie buď nižší než Wv, nebo vyšší Wc. dodáním energie - přibl. 1,1 eV uvolnění elektronu z el. obalu, generace párů elektron – díra , pro Si a pokojovou teplotu je Wg přibl. 1,1 eV

Si

volný elektron W díra

volný elektron

WC díra

Wg

vodivostní pás zakázaný pás

WV

Si tepelná energie


valenční pás

5

Polovodiče pro senzory dodáním energie - přibl. 1,1 eV uvolnění el. z el. obalu, generace párů, rekombinace - zánik v rovnováze. vznik volného páru elektron - díra, za pokojové teploty - malý počet párů Působení napětí - proud- vodivost způsobují elektrony i díry vlastní (intrinzická) vodivost polovodiče, za pokojové teploty - velmi nízkávodivost, s rostoucí teplotou - vlastní vodivost roste, tepelná aktivace

intrinzický polovodič

díra

elektron


U 6

Nevlastní polovodič typu N a P Dotace prvky V nebo III skupiny , zvýšení vodivosti (5 el. v obalu, 3 el. v obalu) nevlastní vodivost, nevlastní polovodič způsobená působením příměsí Polovodič typu N (pátý elektron atomu dopantu – vázán slabě k jádru, dodání malé energie – možnost uvolnění elektronu, za pokojové teploty – atom dopantu – volný elektron) Polovodič typu P (3 elektrony v obalu, chybí jeden el. pro kovalentní vazbu, toto místo může zastoupit jiný elektron (analogie – hra s chybějící židlí). Pohyb díry volný elektron Si

Si

As

Si

Si


díra

B

Si

Si

Si

a)

Si

b)

7

Nevlastní polovodič typu N Zvýšení vodivosti polovodiče - zvýšení počtu volných nosičů náboje polovodič typu N, příměsi ze skupiny V (5- mocné, 5 el. v obalu) Dopant - donor - dárce- poskytuje elektron Přidání příměsí - difuzí, iontovou implantací,… 4 el. vázané ve struktuře pevně, pátý el. vázán slabě, dodání malé ionizační energie (řádu desítek meV) na uvolnění elektronu Za pokojové teploty - všechny atomy donorů - ionizovány Elektronová vodivost materiálu, nevlastní polovodič typu N Polovodič N - majoritní nosiče - elektrony, minoritní nosiče díry Polovodič N je navenek ale stále elektricky neutrální počet kladně a záporně nabitých částic je shodný Pokud elektron opustí atom donoru - ionizovaný atom donoru - představuje místo kladného „fixovaného“ náboje Vyšší koncentrace volných elektronů- vyšší vodivost Velmi vysoká koncentrace dopantů, degenerovaný polovodič N+


8

Nevlastní polovodič typu P Polovodič typu P, příměsi - ze skupiny III (3- mocné, 3 el. v obalu) Dopant - akceptor - příjemce, může přijmout elektron - příjemce není úplná kovalentní vazba, chybí pro ni elektron Elektron se může přijmout z vedlejšího atomu Si, zde pak chybí elektron ve vazbě- díra se posune, tato díra se takto může pohybovat dále Děrová vodivost, materiál typu P Pohyblivost díry je 1/3 oproti pohyblivosti elektronu - vodivost materiálu typu P je 1/3 oproti typu N při stejné koncentraci volných nosičů polovodič P - majoritní nosiče - díry, minoritní nosiče - elektrony Polovodič P je ale stále elektricky neutrální, počet kladně a záporně nabitých částic je opět shodný Pohyb díry - Ionizovaný atom akceptoru - představuje místo záporného „fixovaného“ náboje Velmi vysoká koncentrace dopantů akceptorů - degener. polovodič P+


9

W

W volný elektron

WC

W DI

vodivostní pás

D Wg

WV

vodivostní pás WC

úroveň donorových příměsí

Wg

zakázaný pás

WV

valenční pás a)

zakázaný pás

W AI

A

úroveň akceptorových příměsí

díra

valenční pás

b)

Příměs a) prvků z 5. sloupce (např. arzén), b) prvků ze 3. sloupce ( např. bór) WDi, WAI řádově desítky meV ) např. 50 meV za pokojové teploty, všechny atomy příměsi jsou ionizované,


10

Přechod PN Polovodiče P a N na sobě vodivost typu P metalurgický přechod

metalurgický přechod vodivost typu N

elektrony díry

různý způsob vytvoření přechodu PN, (difůzí, iontovou implantací vytvoření oblasti s opačným druhem vodivosti na podložce - substrátu


11

Přechod PN Difůze elektronů z oblasti N do oblasti P, děr z P do N, rekombinace (difúzní délka - střední dráha nosiče, než rekombinuje ) Vznik chuzené oblasti - bez volných nosičů - elektronů, nebo děr, oblast prostorového náboje (OPN) vyprázdněná oblast, (depletion region) - oblast PN přechodu Po „odešlých“ děrách a elektronech zůstávají ionizované atomy donorů a akceptorů, představují místa „fixovaných“ záporných a kladných nábojů, elektrická dvouvrstva PN přechod - uspořádání i P+ na N, nebo N+ na P čím vyšší koncentrace dopantů - tím kratší dif. délka, menší OPN

difuze el. a děr P

ochuzená oblast N

P

N

elektrická dvouvrstva Před. 1- 2 A0M38OSE, 2014, J. Fischer, kat. měření, ČVUT FEL Praha

12

Pásový model přechodu PN Difúze elektronů a děr, OPN

OPN

W

WC

vodivostní pás

WF

WV

valenční pás P oblast

difuze el. a děr P

N oblast

ochuzená oblast N

P

N


13

Vytvoření OPN v oblasti přechodu PN

elektrická dvouvrstva difundující díry difundující elektrony P

N

P Q

OPN

N E x

Jaká je velikost OPN, kde je umístěna, jak závisí na koncentraci dopantů?


14

Fotodioda s přechodem PN Dopad fotonu s dostatečnou energiípředání energie, uvolnění elektronu z obalu, vznik páru elektron – díra. P+

antireflexní vrstva

Wg křemíku při pokoj. teplotě 1,12 eV N

kontakt izolační vrstva OPN

N+ kontakt

hc Wg ≤ W f = hν = λ 1,24 λ≤ Wg

[ µm, eV]

[J ]

hc Wg ≤ W f = λe

[eV]

absorpční hrana , max. vlnová délka záření, které může být absorbováno, pro křemík přibl. λmax = 1,1 um !


15

Fotodioda a její OPN tenká, silně dotovaná oblast P+ , OPN především v oblasti N Záření průchod tenkou oblastí P+ Místo absorpce fotonu – v závislosti na vlnové délce křemík Si- činitel absorpce klesá s rostoucí vlnovou délkou, nad absorpční hranou - . (λ λmax = 1,1 um) je Si pro záření propustný P+

Q

N

OPN

λ2 λ3 P+ λ1

E N

x a)


OPN

b)

16

Planárně difusní fotodiody – např. sustrát N, difuse Bor Ohmický kontakt na substrát N, nadifundování oblasti N+, není možné přímé kontaktování polovodiče kovem (kov – polovodič – tvoří Schottkyho diodu Přední metaliazce hliník, zadní metalizace chrom, zlato, (viz fotodioda- měřič výkonu) Intenzita záření – klesá exponenciálně hloubka vniku záření – pokles intenzity záření na hodnotu 1/e = 1, 2,718 činitel absorpce velký pro malé λ klesá s rostoucí λ záření pro λ = 400 nm, se 99,9 % záření absorbuje na dráze 1,28 um.


17

OPN - Fotodioda nakrátko W WC

Ldif-P+

hν WF

WV OPN

P+

Ldif-NN

OPN – Fotodioda s předpětím v závěrném směru, zvětšení OPN, snížení kapacity

W

WC

Ldif-P+

WV hν P+


OPN

Ldif-N N

18

Dioda a fotodioda s přechodem PN - shrnutí Dioda s přechodem PN, Si materiál, napětí v předním směru, 0,6 až 0,7 V Zapojení diody v propustném směru – nutnost překonat působení elektrického pole – pole elektrické dvouvrstvy v oblasti přechodu PN. Průchod děr (elektronů) do oblasti přechodu PN a následně do P( resp. N) Osvětlená fotodioda naprázdno – (generátor) kladné (+) napětí na P Napětí na přechodu PN v závěrném směru – působením vnějšího el. pole – zvětšení OPN Elektrické náhradní schéma – ochuzená oblast – OPN ( jako izolant) ostatní části oblastí P a N (vně OPN) – „jako elektrody kondenzátoru“ Růst napětí v záv. směru – zvětšení OPN (využívá se u varikapu- dioda – náhrada kondenzátoru s proměnnou kapacitou) Podobné působení u diody- fotodiody, PIN fotodiody, přiložení napětí v závěrném směru snížení kapacity. Závěrný proud Si diody s přechodem PN, roste s teplotou, způsoben tepelnou generací párů elektron – díra, působení volných el. v oblasti P – působení el. pole – posun k oblasti přechodu, analogicky působení děr v oblasti N, problém klidového proud logiky CMOS,… (Tím také způsobeno omezení velikosti doby expozice obrazových senzorů) Před. 1- 2 A0M38OSE, 2014, J. Fischer, kat. měření, ČVUT FEL Praha

19

PIN fotodioda Pro zvětšení OPN – PIN (polovodič P, intrinzický pol. I, polovodič N) intrinzická vrstva - prak. realizace - jako velmi slabě dotovaná oblast N…. difuzní délka díry v N- ??, velikost OPN Uspořádání P+, I ( slabě dotovaná N) Důsledky pro rychlost odezvy na opt. impuls ? místo absorpce fotonů modrého , červeného a infračerveného záření ? změna vlastností PIN fotodiody s rostoucím předpětím v závěrném směru ? Velkoplošné PIN fotodiody modré hν PSD - fotodiody infračervené záření P+

záření

kontakt izolant OPN

I N+


kontakt

20

VA charakteristiky fotodiody Soustava V – A charakteristik, posun s rostoucí Ee záření (zjednodušená konstrukce – parametrický posun ve směru I, ve zjednodušeném ideálním případě – i1(u) –I2(u) = konst výklad . proud v závěrném směru, příčina, závislost, důsledky jak změna citlivosti s rostoucím přiloženým napětím v závěrném směru ? změna spektrál. char citlivosti v infračervené oblasti, vysvětlení I

I

URP

U a

Ee

c

U

b


21

Zapojení fotodiody do obvodu Fotodioda – provoz ve 4. kvadrantu fotodioda provoz ve 3. kvadrantu výklad: výhody a nevýhody zapojení, ?? citlivost, kapacita, rychlost, proudy za tmy

+

-

IZ

IZ

URP

RZ UP

RZ


22

Příklad – PIN fotodioda BPW34 Pin fotodioda BPW34, firma Osram a další dostupná , cena 10 Kč +


23

Příklad – PIN fotodioda BPW34 Standardní „bílé“ světlo A teplotní zdroj žárovka odpovídající teplota zářiče T = 2856

citlivost A/W kvantová účinnost


24

Příklad – PIN fotodioda BPW34 .


25

Příklad –PIN fotodioda BPW34 Napětí naprázdno, proud nakrátko – při závěrném předpětí UR = 5V


26

Příklad – PIN fotodioda BPW34 Závislost kapacity na na napětí ( v závěrném směru) Směrová charakteristika citlivosti pokles signálu na ½, úhel? pokles plochy - průmět do roviny kolmé ke směru dopadu paprsků Sprum= S cos α) pozn. cos 600 = 0,5 navíc - působení zapouzdření fotodiody,…


27

Fototranzistor Dioda přechod (dioda) báze – kolektor působí jako fotodioda absorpce záření v oblasti OPN přechodu báze – kolektor, fotoproud, jeho zesílení tranzistorem, zesilovací činitel, h21E, dále – viz zesilovací stupeň s tranzistorem možná zapojení SE (společný emitor), SK (společný kolektor) – viz materiály ke cvičením u fototranzistoru s vyvedenou bází- možnost využití samotné fotodiody fototranzistor, podstatně pomalejší než fotodioda PIN, spínací časy 10- ky až 100us (podle zapojení) fototranzistory- relativně levné, pro méně náročné aplikace, menší linearita přev. char. záření – proud oproti fotodiodám dle materiálů firmy Vishay


28

Náhradní schéma fototranzistoru Parazitní kapacita CCB přechodu kolektor - báze (Millerova kapacita) V zapojení SE (společný emitor - s rezistorem v kolektoru) je působení kapacity CCB větší – násobení proudovým zesilovacím činitelem tranzistoru efekt jako h21E . CCB V zapojení SK - společný kolektor (s rezistorem v emitoru) se méně uplatní působení parazitních kapacit

+ 5V FT RE


U2

RC FT

+ 5V

U2

29

Příklad – fotoranzistor PT204 – 6C PT204-6C fototranzistor, firma Everlight mezní parametry UEC0 max = 5 V – pozor na přepólování, hrozí průraz přechodu BE (např. při případném pokusu o použití antiparalelně zapojených fototranzistorů pro ovládání střídaného proudu)


30

Příklad – fotoranzistor PT204 - 6C Klidový proud – ICE0, doba náběžné a spádové hrany,

Různá citlivost – působení různého zesil. činitele h21E, třídění G, H, J, K Před. 1- 2 A0M38OSE, 2014, J. Fischer, kat. měření, ČVUT FEL Praha

31

Příklad – fotoranzistor PT204-6C Omezení linearity přev. char. záření – proud podobně, jako nelinearita přev. char. ICE = f (IB) u tranzistoru zde ICE nahrazen intenzitou ozáření Ee


32

Příklad – fototranzistor BPY 62 BPY 62 – použit v úloze „reflexní snímač“ BPY-62 má vyvedenu bázi – jsou uvedeny charakteristiky vlastního tranzistoru fotoproud – IPCE zavisí na zesílení fototranzistoru, třídění do skupin ě, 3, 4,..


33

Příklad – NPN fotoranzistor BPY 62 Spektrální charakteristika citlivosti – max. citlivost v blízké infra oblasti – 900 nm Směrová charakteristika citlivosti, poloviční úhel – 8 stupňů (pokles citliv. na ½) (viz. úloha –měření vyzařovacích char.) Úzký tvar charakteristiky – ovlivněn použitím čočky


34

LED LED Light Emitting Diode světlo - emitující dioda PN přechod, působení vnějšího napětí injektáž nosičů do oblasti přechodu PN, získání energie, rekombinace, uvolnění energie (ve formě fononu – teplo), fotonu - záření

OPN

W

WC

vodivostní pás

WF

WV

valenční pás P oblast

N oblast

ochuzená oblast P

N

P

N


35

LED LED Light Emitting Diode světlo - emitující dioda IRED Infrared Emitting Diode dioda emitující infračervené záření (nepřesně - „infra LED“) Polovodičový přechod PN, injektáž nosičů do oblasti přechodu PN, rekombinace, vyzáření části energie ve formě optického záření U LED elektron v oblasti P, ve vodivostním pásu - vyšší energie (díra se pohybuje ve valenčním pásu) při rekombinaci – elektron - díra - uvolnění energie ve formě fononu (tepelného záření) nebo fotonu (optického záření) u LED snahou, aby co nejvíce rekombinací generovalo fotony LED – spontánní emise, okamžiky rekombinace jednotlivých párů elektrondíra a vzniku jednotlivých fotonů nejsou na sobě závislé, náhodný okamžik jednotlivých dějů generace fotonu (vysvětlení – analogie--..)


36

LED Materiály Ga (Gálium), GaAs Galium Arsenid,…stálý vývoj, GaN,… LED nejsou na bázi křemíku Monochromatické LED, λmax, λ dominantní, šířka spektra pro pokles na 1/2 LED pro osvětlovače, pozor svítivost – zářivost, (λ = 630 nm, λ = 660 nm ) Svítivost LED v kandelách Cd (v ose), pozor – směrová charakteristika Vyzařovací charakteristika – úhlový údaj – pokles svítivost (zářivosti ) na 1/2 Bílé LED ( jednočipové), generace záření o kratší vlnové délce (modré), převod luminoforem na širší spektrum, analogie – luminofor v zářivce, spektrum ? Světelná účinnost záření LED, poměr světelného toku vůči zářivému toku, nevyjadřuje nic ohledně účinnosti vlastní generace světla ale pouze o způsobu vnímání světla okem, křivka V-lamda LED - parametry – vlnová délka záření, tvar vyzařovací charakteristiky, svítivost v ose – maximum v Cd (v kandelách), někdy též celkový světelný tok (lm) IRED – infračerveně zářící, celkový zářivý tok W, tvar vyzařovací charakteristiky, někdy táž zářivost W/sr ( w na steradián) – (pojmy -viz minulé před.) Maximální stálý proud, max. impulsní proud (střída) statické, impulsní buzení LED, IRED – výklad, Před. 1- 2 A0M38OSE, 2014, J. Fischer, kat. měření, ČVUT FEL Praha

37

Laser Light amplification by stimulated emission v prostředí - nosiče energie v nižším energetické stavu – „nevybuzené“ ve vyšším energetickém stavu „vybuzené“ přechod na nižší energetický stav, vyzáření energie ve formě fotonu vygenerované fotony spouštějí další generaci fotonů – zesílení stimulovaná emise zesílení světla stimulovanou emisí „synchronizace“ – „ generace ve fázi“, koherentní záření analogie – nabuzení, rezonátor, …..uvolnění LED spontánní emise LASER stimulovaná emise


38

LED Pouzdro LED – opticky difusní materiál – rozptýlení světla, „širší“ vyzařovací charakteristika


39

LED Pouzdro- materiál opticky čirý („průhledné“) – vyzařovací charakteristika je určena geometrií – pouzdro, poloha čipu Tvar čelní plochy LED – kulová plocha „čočka“, rovinná, kónická

Pouzdro- materiál opticky čirý („průhledné“)


40

LED – čiré pouzdro Vyzařovací charakteristiky čiré LED - ovlivněna tvarem čelní čočkové plochy a polohou čipu vzhledem k čelní ploše Rovná čelní plocha LED – lom od kolmice – viz před. zákon lomu. přechod záření z opticky hustějšího do řidšího prostředí Umístěním čipu vzhledem k čelní ploše LED lze při (volbou pouzdření) ovlivnit směrovou vyzařovací charakteristiku


41

LED – vyzařovací charakteristiky Příklad čirá červená LED Ledtech LT1871-81, průměr 5 mm LED - obecně – nízké závěrné napětí (hrozí průraz)


42

LED – charakteristické parametry Výklad svítivost Iv , vlnová délka pro max. vyzařování, dominantní vlnová délka Svítivost- růst lineárně s proudem


43

LED Srovnání spektrálních vyzařovacích charakteristik - jednočipová bílá LED, a barevné LED vzhledem k spektrální charakteristice V(λ λ) - citlivosti lidského oka - (materiál firmy Osram)


44

LED Jednočipová bílá LED a barevné LED (materiál firmy Osram)


45

LED Jednočipová bílá LED, a barevné LED (materiál firmy Osram)


46

LED Příklady LED v pouzdrech pro povrchovou montáž - SMT


47

Polovodičový laser Light amplification by stimulated emission v prostředí s inverzní populací – počet vybuzených nosičů je větší než počet nevybuzených Stimulovaná emise, procházející (a absorbovaný) foton v oblasti přechodu PN spustí další –násobnou generaci záření, která je s ním synchronní. Polovodičový laser – laserová dioda Fabry Perrotův rezonátor, zrcadlo a polopropustné zrcadlo – laděný obvod –– tenké vrstvy, opak funkce antireflexní vrstvy (viz. přednáška – konstruktivní interference, Polovodičový laser přechod z oblasti spontánní do stimulované emise při prahovém proudu. Laserová dioda – blízké bodovému zdroji záření ( z hlediska rozměrů – ne však směrovosti) rozměry zářící oblasti 1x 3 um (malé lasery) Laserová dioda – prahový proud, Přechod ze spontánní do stimulovaná emise. Dáno plošnou hustotou proudu přechodem PN, (velikost přechodu určuje abs. velikost I)


48

Laserová dioda Hranově emitující dioda, vlnovod, Fabry- Perrotův rezonátor určen stěnami čipu (boční pohled) –

čelní pohled – (záření vystupuje z nákresny) rozměr aktivní zářící oblasti – um z hlediska rozměrů – blízké bodovému zdroji


49

Laserová dioda - uspořádání .


50

Polovodičový laser – směrové charakteristiky Laserová dioda – sama nemá úzký svazek světla, LD - sama svazek s divergencí cca 15 x 30 – 40 stupňů !!! Oblast PN přechodu – rovina Stimulovaná emise – zúžení vyzařovací charakteristiky v rovině přechodu na 10 – 20 stupňů Úzkého svazku – nerozbíhavého – telecentrického – svazku se dosahuje kolimační optikou (bude dále u optiky) – viz laserové ukazovátko. ? koherenční délka záření, rozlišení – laserové ukazovátko a skutečný laser


51

Laserová dioda - astigmatismus Vyzařovací charakteristika pro obě rovina – není společný střed (výchozí) bod (laserová dioda sama – neposkytuje úzký svazek záření, to se realizuje až optikou)


52

Laserová dioda Oblast spontánní emise Oblast stimulované emise – nad kolenem Monitorovací fotodioda – PD, snímání záření (malé části) laserové diody, regulace (externí regulátor proudu LD pro dosažení konst. výkonu – zář. toku)


53

Snímače s fotodiodami Jednoduché snímače typu optická závora , IRED ( infra dioda) + fototranzistor vyhodnocení přítomnosti clonky


54

Reflexní snímače Kombinace infra dioda, fototranzistor, možná funkce i bez modulace (zanedbatelné rušivé okolní světlo) pro vyhodnocení přítomnosti objektu s posunem v podélném směru ( ve směru osy vyzařován IRD,,) a vyhodnocení ve směru příčném

Závislost signálu na vzdálenosti objektu


55

Reflexní snímače Použití reflexních snímačů pro vyhodnocení polohy objektu v příčném směru („černo – bílé“ rozhraní) snímání tmavé (světlé) značky na rotujícím kotouči pro bezdotykové snímání otáček


56

Optoelektrické snímače pro průmyslové použití Reflexní snímače a optické závory (viz laboratorní cvičení VBM) snímače s difuzním odrazem, snímače s odrazkou ( funkce obdobná optické závoře), polarizační filtry, odrazka – otočení roviny polarizace záření o 90 stupňů

optické závory snímače s optickými vlákny – funkce reflexního snímače a závory


57

Uspořádání obvodů průmyslového reflexního snímače Průmyslové reflexní snímače – nutnost potlačit působení okolního rušivého záření, optický filtrace ( filtr pře přijímačem) , impulsní modulace záření, krátké optické impulsy, trvání několika mikroskund, Nastavení snímače - prahovací úroveň, (viz. úloha lab. cvičení)


58

Reflexní snímač s odrazkou Polarizační filtry, odrazka – koutové odrážeče ( viz. lab. cvičení) funkce a použití odrazky Otázka – lze využít odrazku i pro snímač s difúzním odrazem? Typické použití ve funkci optické závory, kdy je elektronika snímače pouze na jedné straně. Výhodné i pro detekci přítomnosti transparentních objektů (skleněné lahve) – dvojnásobný průchod záření detekovaným objektem)


59

Snímač s procházejícím světlem Snímač s procházejícím světlem (zářením) optická závora nutné nastavení osy vysílače a přijímače, příp. překrytí kužele vyzařovací charakteristiky vysílače s kuželem směrové charakteristiky citlivosti přijímače ( viz. lab. úloha – směrové charakteristiky vysílačů a přijímačů opt. záření). Aktivní oblast - pracovní oblast – určena průměrem vysílaného svazku a velikostí fotocitlivé části přijímače (viz. lab. úloha – optická závora - určení nejmenšího rozměru detekovatelného objektu), pro detekci malých objektů – nutná malá apertura vysílače a přijímače Nastavení směru vysílače, přijímače - viz. směrové charakteristiky zdrojů a detektorů opt. záření. (zářiř musí ozářit přijímač, přijímač musí „vidět“ vysílač)


60

Jednoduché snímače s procházejícím světlem – urč. příčného rozměru Bodový zdroj záření – laserová dioda, kolimační optika – telecentrický svazek paprsků na výstupu (cca 20 mm) kolimační optika před přijímačem – fotodioda, stupeň zaclonění svazku – určení velikosti objektu! (svazku na 20 mm) přijímač s fotodiodou vysílač s laserovou diodou

Přesnější měřiče průměru místo fotodiody používají řádkový senzor CCD, příp. i další optiku) Před. 1- 2 A0M38OSE, 2014, J. Fischer, kat. měření, ČVUT FEL Praha

61

Snímače rozměru s rovnoběžným svazkem paprsků Laserový zdroj, kolimační optika, řádková snímač s optikou nebo i bez optiky.


62

Snímače s optickými vlákny Koncovka reflexního snímače se dvěma opt. vlákny ( symetrické, uživatel si volí vysílací a přijímací vlákno Obvykle plastová opt. vlákna se skokovou změnou indexu lomu („step index“) (Pozn. plastová opt. vlákna – použití také v automobilu – pro přenos dat)


63

Snímače s optickými vlákny Reflexní snímač s opt. vlákny se dvěma oddělenými vlákny možnost doplnění kolimačních čoček pro úpravu charakteristiky- viz. lab cvičení – snímač s potlačením signálu pozadí Nastavením polohy kolimační čočky vzhledem k čelu optického vlákna – změna vyzařovací charakteristiky – viz. lab. cvičení


64

Snímače s optickými vlákny Výklad, reflexní – snímač, difuzní odraz, snímač s potlačením pozadí – využití čoček na vlákně, optická vláknová závora viz. úloha lab. cvičení


65

Snímače s optickými vlákny Příklady reflexních snímačů a opt. závor s opt. vlákny


66

Optoelektrické snímače – zesilovače pro snímače s opt. vlákny Moderní snímače s opt. vlákny (reflexní snímače, závory) mikroporcesorové řízení, konfigurace chování tlačítky na panelu, příp. terminálem, optická komunkace při nastavování, Binární výstupy typu NPN, PNP


67

Výstupy optoelektrických snímačů (závory a reflexní) Výstupy snímačů pro spolupráci s PLC (Programmable Logic Controller)

výstupy typu NPN, PNP obdobně výstupy snímačů ultrazvukových, indukčních,….


68

Nasazení snímačů v technologické lince - průchod .


69

Nasazení snímačů v technologické lince – odraz .


70

Triangulační snímač Snímače s potlačením signálu pozadí – s diferenciální fotodiodou, využití triangulačního principu


71

Triangulační snímač pro měření vzdálenosti Triangulační snímač s PSD, CCD pro určení vzdálenosti změna vzdálenosti objektu – posun polohy optické stopy promítané na povrch senzoru ( PSD, CCD) Jednoduché triangulační snímače pro robotiku – IRED + PSD ( příklad GP2Y0A21YK0F) Precizní snímače, polovodičová laserová dioda ( infra nebo viditelná oblast) velmi malá měřicí stopa – pod 0, 1 mm.

PSD

ia obr1 obr2

poloha 1

poloha 2

ib

IRED


72

Triangulační snímač pro měření vzdálenosti .


73

Triangulační snímač pro měření vzdálenosti Varianty snímačů s obrazovými senzory CMOS , měření tvaru, profil


74

Fotodiody s barevnými filtry Senzor barvy - tři snímače (lineární převodní charakteristika – fotodiody) s předřazenými optickými filtry před fotodiodami ( R, G, B složky)

Jsou dostupné i senzory s barevnými filtry umístěnými přímo na čipu fotodiod RGB filtry, Zvláštní fotodiody – filtr upravující charakteristiku citlivosti podle V(λ λ) – charakteristika citlivosti lidského oka, pro měření osvětlení,…


75

Fotodiody, LED, fotodiodové snímače

Recommend Documents