A0M38OSE Obrazové senzory, laboratoř videometrie, katedra měření , ČVUT - FEL, Praha
Použití fotodiod a fototranzistorů, měření zvlnění osvětlení 1) S využitím fotodiody SP106 napojené v přípravku na převodník proud - napětí s rezistorem 10 kOhmů osciloskopem vyhodnoťte a zakreslete časový průběh svítivosti žárovky a světlem zářivky. Jaká je frekvence zvlnění? Určete činitel zvlnění Kz jako poměr: Kz = (Eemax - Eemin)/( Eemax + Eemin) = (Umax - Umin)/(Umax + Umin) Zaznamenejte časový průběh svítivosti LED „žárovky“ a LED bateriové svítilny. 2) Zachyťte optický přechodový děj při zapnutí a vypnutí napájení žárovky, určete časovou konstantu. Jak a z které části přechodového děje ji je možno určit? 3) Jak je možno ze znalosti časové konstanty systému (předpoklad systému 1. řádu) odhadnout a vypočíst zvlnění svítivosti pro různé frekvence napájecího napětí? Ověřte výpočtem a porovnejte očekávaní vypočtené zvlnění (určené na základě znalosti časové konstanty) a skutečně změřené zvlnění. 4) Demonstrujte použití fotodiody SP106 pro zachycení optických impulsních signálů z IRED v dálkovém ovladači. Využijte SP106, převodník proud - napětí s OZ s rezistorem 1 kOhm ve zpětné vazbě OZ. Ovladač se musí přiložit blízko k fotodiodě. Zvolte vhodný režim spouštění osciloskopu a volbu vysvětlete a zdůvodněte ( pozor – jak volba režimu normal nebo – auto). 5) Sestavte jednoduchý měřicí obvod s PIN fotodiodou BPW34 pro vyhodnocení zvlnění svítivosti žárovky s využitím osciloskopu. Navrhněte zapojení bez předpětí a zapojení s předpětím a porovnejte jejich dynamické vlastnosti při snímání optických impulsů vysílaných optoelektronickým reflexním snímačem Omron. Jaká jsou kriteria pro volby velikosti snímacího rezistoru v obvodu fotodiody pro lineární aplikaci (měřicí - kde je lineární závislost mezi vstupní a výstupní veličinou). 6) Sestavte na nepájivém prototypovém poli měřicí obvod s fototranzistorem PT-204 6C a pomocí něj vyhodnoťte činitel zvlnění časového průběhu osvětlení v laboratoři (při zapnutém stropním zářivkovém osvětlení). Využijte osciloskop a v jednodušším případě pouze multimetr. Posuďte, zda lze fototranzistor využít pro snímání krátkých optických impulsů vysílaných optoelektronickým reflexním snímačem Omron. 7) Sestavte jednoduchou optickou závoru tvořenou červenou LED a fotoranzistorem PT-204. Funkci závory ověřte staticky pomocí multimetru, dynamicky pomocí osciloskopu. Zaznamenejte průběh signálu při opakovaném přerušování světelných paprsků (např. pohybujícím se prstem ( pozor - zvolit režim spouštění osciloskopu - normal). Popište metodu volby velikosti snímacího rezistoru v obvodu fototranzistoru pro případ lineární aplikace – snímání zvlnění osvětlení a binární aplikace – závora. Porovnejte dynamické vlastnosti fotodiody a fototranzistoru. Volitelná část: 8) Sestavte obvod s fotodiodou a tranzistorem BC546 pro zesílení signálu. Ověřte funkci obvodu při snímání osvětlení (žárovkový, zářivkový zdroj) a snímání optických impulsů 9) Navrhněte úpravu obvodu doplněním rezistoru mezi elektrodami B a E tranzistoru, čímž se funkce obvodu změní (ověřte změnu chování použitím např. rezistoru o odporu 91 kOhmů) a vysvětlete. Uveďte, pro jaké oblasti aplikací by toto zapojení bylo použitelné. Pozn.: Případ lineární aplikace fotodiody je např. vyhodnocení velikosti okolního osvětlení pro následnou regulaci jasu LCD zobrazovače v mobilním (mobilní telefon, fotoparát) nebo
1
A0M38OSE Obrazové senzory, laboratoř videometrie, katedra měření , ČVUT - FEL, Praha palubním (např.automobil) zařízení, řízení zábleskového zařízení pro fotoaparáty podle aktuální scény,..). Poznámky a vysvětlení možných zapojení pro měření. Zapojení fotodiody s převodníkem proud – napětí s operačním zesilovačem dle obr. 1. Vstupní odpor převodníku proud - napětí je nulový, fotodioda proto pracuje v režimu „nakrátko“. Pro měření přechodového děje (při vypnutí žárovky) pomocí osciloskopu po nastavení správné spouštěcí úrovně je nutno zvolit režim „trigger“ „auto“ – dle demonstrace funkce osciloskopu na úvodním cvičení. Ze známé časové konstanty se určí přenos soustavy pro požadovanou frekvenci střídavého napájení žárovky. Předpokládá se vstup zvlnění 100 procent, následně se určí kolik procent bude zvlnění na výstupu soustavy. RZ Eemax
I1
100 %
Eestř.
Ee
FD
U2 t
Obr. 1 Zapojení fotodiody s převodníkem - proud napětí s OZ Pro porovnání výsledků laboratorních měření se vychází z předpokladu, že 100 procent představuje stav, kdy by žárovka měla nulovou časovou konstantu (vlákno by nemělo tepelnou setrvačnost) a v každé periodě zvlnění by jednou zcela zhasla a také by v každé periodě nabyla svého maxima svitu. Protože se v případě zvlnění jedná o střídavý (přibližně) sinusový signál, leží střední hodnota uprostřed mezi oběma extrémy. V diagramu v obr. 1 jsou zachyceny odpovídají veličiny – průběh intenzity ozáření Ee snímací fotodiody.
FD RZ
U2
Obr. 2 Zapojení fotodiody s malým zatěžovacím odporem - bez předpětí Zapojení fotodiody bez předpětím dle obr. 2 je s malým zatěžovacím odporem RZ, který se z hlediska fotodiody jeví téměř jako zkrat. (Vnitřní odpor RV náhradního zdroje napětí musí být podstatně větší, než zatěžovací odpor RZ.) Určení parametrů obvodu a velikosti RV – dle Theveninova teoremu podle napětí naprázdno a proudu nakrátko.) Určete přibližnou velikost náhradního vnitřního odporu RV při daném osvětlení fotodiody BPW34 v laboratoři.) Rezistor RZ současně slouží jako převodník proud – napětí. Fotodioda pracuje v generátorovém režimu – jako aktivní zdroj. Volba velikosti RZ je dána tím, aby na něm bylo malé napětí (řádu max. desítek mV), čímž se zajistí, že fotodioda bude pracovat jako v režimu nakrátko.
2
A0M38OSE Obrazové senzory, laboratoř videometrie, katedra měření , ČVUT - FEL, Praha
+5V FD
RZ
U2
Obr. 3 Zapojení fotodiody s předpětím v závěrném směru V zapojení fotodiody se závěrným předpětím dle obr. 3, rezistor RZ slouží opět jako převodník proud - napětí. Volba velikosti odporu RZ však oproti předchozímu případu není kritická. Na odporu může být úbytek napětí i v řádu stovek milivolnů. Při velkém odporu se však zhoršuje dynamiky díky rostoucí časové konstantě soustavy tvořené parazitní kapacitou fotodiody CFD a odporem RZ. Pro jednoduché určení činitele zvlnění osvětleni při měření v zapojení dle obr. 3 lze využít i pouze číslicový multimetr. Multimetrem se bude měřit stejnosměrná (přepínač DC) a střídavá složka (přepínač AC) napětí U2. Pro polohu AC se multimetr vyhodnocuje pouze střídavou složku a indikuje jeho efektivní hodnotu napětí. Předpokládá se sinusový průběh napětí s činitelem tvaru 1,11. Pozn. :Činitel tvaru udává poměr mezi efektivní a aritmetickou střední hodnotou napětí. Pro střídavý obdélníkový signál je činitel tvaru roven 1, pro sinusový průběh je 1,11, pro střídavé průběhy s krátkými impulsy je ještě větší.). Kvalitní multimetry měří tzv. True RMS - tedy skutečnou efektivní hodnotu za pomoci speciálních převodníků. Jednoduché číslicové multimetry v poloze AC obvykle měří aritmetickou střední hodnotu usměrněné střídavé složky napětí a zobrazují tomu odpovídající efektivní hodnotu. Za předpokladu sinusového průběhu se určí rozkmit špička- špička zhruba jako 3 násobek efektivní hodnoty (přesněji 2x sqr 2). Pro hrubý odhad zvlnění časového průběhu osvětlení však postačuje předpoklad sinusového průběhu. +5V T1
FD RE
Cb
U2
Obr. 4 Zapojení fotodiody s předpětím s tranzistorovým zesilovačem proudu Zapojení fotodiody s předpětím v závěrném směru se zesilovačem proudu s tranzistorem BC546, který pracuje v zapojení se společným kolektorem, je na obr. 4. Rezistor RE slouží jako převodník proud - napětí. Volba velikosti RE je tak, aby na něm bylo malé napětí, např. menší než 1 V. Odpor RE může být i nulový. Zapojení vykazuje nižší linearitu a dynamiku, než předchozí zapojení bez tranzistoru. V obvodu je použit blokovací kondenzátor Cb, který slouží pro zajištění konstantního napájecího napětí i při krátkých impulsech proudu.
3
A0M38OSE Obrazové senzory, laboratoř videometrie, katedra měření , ČVUT - FEL, Praha
Ifot FD R1 IR1
RK
T1
U2
+5V Cb
Obr. 5 Zapojení fotodiody s předpětím s tranzistorovým zesilovačem s prahováním Zapojení fotodiody s tranzistorovým zesilovačem dle obr. 5 má nastaveno prahování pomocí rezistoru R1. Volbou odporu R1 se nastavuje velikost fotoproudu (a tím i prahové osvětlení fotodiody), nad kterým obvod teprve začne reagovat změnou napětí U2 . Bez osvětlení a při nulovém fotoproudu Ifot tranzistor T1 nevede a napětí U2 je rovné napájecímu napětí. Při své malé velikosti proud Ifot protéká pouze rezistorem R1 a tvoří tak proud IR1. Při dosažení přibližné velikosti proudu fotodiody v hodnotě Ifot = 0,6 /R1 se začne otvírat přechod BE tranzistoru T1 typu BC546, začne jím protékat proud IBE. To způsobí růst velikost proudu ICE (dle známého vztahu ICE = h21E .IBE). Pro případ R1 blížícího se nekonečnu se toto zapojení svým chování podobá předchozímu zapojení, avšak s inverzní funkcí tak, že s rostoucím osvětlením fotodiody klesá přibližně lineárně velikost napětí U2. Tranzistor T1 pracuje v zapojení se společným emitorem (SE), proto působením parazitní kapacity CBE vykazuje horší dynamiku než v zapojení se společným kolektorem, jako je na obr. 4. Působení parazitní kapacity CBE se zvětšuje zesílením tranzistorového stupně pracujícího v zapojení se společným emitorem (Millerova kapacita).
+ 5V FT RE
U2
Obr. 6 Základní zapojení fototranzistoru, jeho ideové uspořádání a náhradní schéma Základní zapojení fototranzistoru PT- 204 - 6C, který pracuje v zapojení se společným kolektorem (SC) je na obr. 6. PT204 6C je NPN křemíkový fototranzistor umístěný v čirém pouzdře o průměru 3 mm se dvěma vývody. Kolektor je označen ploškou na pouzdře. Mezní paramentry UCE0= 30 V, ICmax= 20mA, průrazné napětí UEC = 5V (min) – při nesprávně pólovaném fototranzistoru (na kolektoru záporné napětí), toto průrazné napětí je dáno především průrazným napětím záporně polarizovaného přechodu emitor – báze. Fototranzistor poskytuje proud přibližně 1 až 2 mA při intenzitě ozáření Ee= 1 mW/cm2. (Pro velmi hrubý a řádový odhad to je při žárovkovém osvětlení 1 klx. Zde se projevuje problém současného využití radiometrických a fotometrických jednotek. Fotometrické jednotky zohledňují pouze viditelnou složku záření do vlnových délek do 780 nm, zatímco žárovka vyzařuje i v infračervené oblasti nad 780 nm, kde je současně fototranzistor navíc nejcitlivější.) Srovnání náhradního schématu fototranzistoru z obr. 6 se zapojením z obr. 4 je vidět jasná podoba. Dioda přechodu kolektor - báze působí jako závěrně polarizovaná fotodioda, jejíž proud je zesílen vlastním fototranzistorem. (U fototranzistorů, které mají vyveden kontakt
4
A0M38OSE Obrazové senzory, laboratoř videometrie, katedra měření , ČVUT - FEL, Praha elektrody - báze, je možno vyhodnocovat samostatný signál fotodiody tvořené přechodem kolektor – báze.) Působení parazitní kapacity CBE se zde nezvyšuje (na rozdíl od zapojení SE), protože napětí na kolektoru je konstatntní. Rezistor RE slouží jako převodník proud - napětí. Volba velikosti RE – tak, aby na něm bylo malé napětí, např. menší než 1 V a tak na fototranzistoru zůstane dostatečné napětí, aby pracoval v lineární oblasti. RE může být i nulový. Pozn.: Pro velmi jednoduchá ma improvizovaná měření , např. pouze pro zjištění, zda infra diod IRED vyzařuje, lze fototranzistor zapojit k číslicovému multimetu v režimu měření odporu (kolektor na kladnou svorku). Multimetr pak velkým změřeným odporem indikuje malou intenzitu ozáření fototranzistoru, menším odporem indikuje zvětšující se intenzitu ozáření.
Ifot
+5V
RK
FT R1 IR1
T1
Cb
U2
Obr. 7 zapojení fototranzistoru se zesilovacím stupněm s prahováním. Zapojení pro jednoduché prahové snímání osvětlení s fototranzistorem je na obr. 7. Výstup může být navázán na logický vstup mikropočítače. Velikostí R1 se nastavuje práh minimálního osvětlení, při kterém snímač reaguje.
+5V
RP
RP
FT
RK
+5V
FT
a)
LED
RE
U2
U2
LED b)
Obr.8 Základní zapojení optické závory a) zapojení fototranz. SC, b) zapojení fototranz. SE Uspořádání jednoduché optické závory tvořené LED a fototranzistorem je na obr. 8. Napětí na dané červené LED je přibližně 2 V, proud se volí v řádu jednotek mA. V zapojení dle obr. 8 a) se odpor RE se volí tak, aby proud fotoranzistoru vyvolaný okolním osvětlení (při zacloněné LED) vyvolal pouze zanedbatelnou velikost napětí U2 = 0. V zapojení dle obr. 8 b) je při zacloněné LED je napětí U2 rovno napájecímu napětí, při odcloněné LED a vhodně zvoleném Rp je tranzistor sepnut a velikost U2 je dána saturačním napětím fotoranzistoru.
5
A0M38OSE Obrazové senzory, laboratoř videometrie, katedra měření , ČVUT - FEL, Praha Použité součástky: Tranzistor BC546, fotodioda BPW34, fototranzistor PT-204 6C
BC546 Obr.9 rozložení vývodů BC546, závislost ICE na UBE., stat. převodní charakteristika
Obr. 10 Pin fotodioda BPW34, (anoda se vyznačuje lesklým kovovým kontaktem na čipu)
Obr.11 Proud BPW34 v závislosti na osvětlení, záv. par. kapacity BPW34 na záv. předpětí
k e Obr. 12 Fotoranzistor PT204-6C - rozložení vývodů a jeho statické charakteristiky Poznámka- určení vývodů měřením číslicovým multimetrem: Fotoranzistor - použitím Ohmetru, na svorka „+“ na kolektor svorka „0“ na emitor, pak při rostoucím osvětlení klesá hodnota odporu indikovaná Ohmetrem. Fotodioda - měření předního napětí diody, svorka „+“ na anodu, svorka „0“ na katodu, pak multimetr indikuje 0,6 V. Případně též měření „odporu“ Ohmetrem, svorka „+“ na anodu, svorka „0“ na katodu, pak Ohmetr obvykle indikuje menší hodnotu odporu.
6
