Подключение фоторезистора к Arduino и работа с датчиком освещенности. Подключение фоторезистора к ардуино и работа с датчиком освещенности Подключение фоторезистора к ардуино нано


Датчики освещенности (освещения), построенные на базе фоторезисторов, довольно часто используются в реальных Arduino проектах. Они относительно просты, не дороги, их легко найти и купить в любом интернет-магазине.

Фоторезистор Arduino позволяет контролировать уровень освещенности и реагировать на его изменение. В этой статье мы рассмотрим, что такое фоторезистор, как работает датчик освещенности на его основе, как правильно подключить датчик в платам Arduino.

Фоторезистор, как следует из названия, имеет прямое отношение к резисторам, которые часто встречаются практически в любых электронных схемах. Основной характеристикой обычного резистора является величина его сопротивления. От него зависят напряжение и ток, с помощью резистора мы выставляем нужные режимы работы других компонентов. Как правило, значение сопротивления у резистора в одних и тех же условиях эксплуатации практически не меняется.

В отличие от обычного резистора, может менять свое сопротивление в зависимости от уровня окружающего освещения. Это означает, что в электронной схеме будут постоянно меняться параметры, в первую очередь нас интересует напряжение, падающее на фоторезисторе. Фиксируя эти изменения напряжения на аналоговых пинах Arduino, мы можем менять логику работы схемы, создавая тем самым адаптирующиеся под вешние условия устройства.

Фоторезисторы достаточно активно применяются в самых разнообразных системах. Самый распространенный вариант применения - фонари уличного освещения. Если на город опускается ночь или стало пасмурно, то огни включаются автоматически. Можно сделать из фоторезистора экономную лампочку для дома, включающуюся не по расписанию, а в зависимости от освещения. На базе датчика освещенности можно сделать даже охранную систему, которая будет срабатывать сразу после того, как закрытый шкаф или сейф открыли и осветили. Как всегда, сфера применения любых датчиков Arduino ограничена лишь нашей фантазией.

Какие фоторезисторы можно купить в интернет-магазинах

Самый популярный и доступный вариант датчика на рынке – это модели массового выпуска китайских компаний, клоны изделий производителя VT. Для начала работы с фоторезисторами вполне подойдет самый простой вариант.

Начинающему ардуинщику можно посоветовать купить готовый фотомодуль, который выглядит вот так:

На этом модуле уже есть все необходимые элементы для простого подключения фоторезистора к плате ардуино. В некоторых модулях реализована схема с компаратором и доступен цифровой выход и подстроечный резистор для управления.

Российскому радиолюбителю можно посоветовать обратить на российский датчик ФР. Встречающиеся в продаже ФР1-3, ФР1-4 и т.п. - выпускались ещё в союзовские времена. Но, несмотря на это, ФР1-3 - более точная деталь. Из этого следует и разница в цене За ФР просят не более 400 рублей. ФР1-3 будет стоить больше тысячи рублей за штуку.

Современная маркировка моделей, выпускаемых в России, довольно простая. Первые две буквы - ФотоРезистор, цифры после чёрточки обозначают номер разработки. ФР -765 - фоторезистор, разработка 765. Обычно маркируется прямо на корпусе детали

У датчика VT в схеме маркировке указаны диапазон сопротивлений. Например:

  • VT83N1 - 12-100кОм (12K - освещенный, 100K - в темноте)
  • VT93N2 - 48-500кОм (48K - освещенный, 100K - в темноте).

Иногда для уточнения информации о моделях продавец предоставляет специальный документ от производителя. Кроме параметров работы там же указывается точность детали. У всех моделей диапазон чувствительности расположен в видимой части спектра. Собирая датчик света нужно понимать, что точность срабатывания - понятие условное. Даже у моделей одного производителя, одной партии, одной закупки отличаться она может на 50% и более.

На заводе детали настраиваются на длину волны от красного до зелёного света. Большинство при этом «видит» и инфракрасное излучение. Особо точные детали могут улавливать даже ультрафиолет.

Достоинства и недостатки датчика

Основным недостатком фоторезисторов является чувствительность к спектру. В зависимости от типа падающего света сопротивление может меняется на несколько порядков. К минусам также относится низкая скорость реакции на изменение освещённости. Если свет мигает - датчик не успевает отреагировать. Если же частота изменения довольно велика - резистор вообще перестанет «видеть», что освещённость меняется.

К плюсам можно отнести простоту и доступность. Прямое изменение сопротивления в зависимости от попадающего на неё света позволяет упростить электрическую схему подключения. Сам фоторезистор очень дешев, входит в состав многочисленных наборов и конструкторов ардуино, поэтому доступен практически любому начинающему ардуинщику.

В проектах arduino фоторезистор используется как датчик освещения. Получая от него информацию, плата может включать или выключать реле, запускать двигатели, отсылать сообщения. Естественно, при этом мы должны правильно подключить датчик.

Схема подключения датчика освещенности к Arduino довольна проста. Если мы используем фоторезистор, то в схеме подключения датчик реализован как делитель напряжения. Одно плечо меняется от уровня освещённости, второе - подаёт напряжение на аналоговый вход. В микросхеме контроллера это напряжение преобразуется в цифровые данные через АЦП. Т.к. сопротивление датчика при попадании на него света уменьшается, то и значение падающего на нем напряжения будет уменьшаться.

В зависимости от того, в каком плече делителя мы поставили фоторезистор, на аналоговый вход будет подаваться или повышенное или уменьшенное напряжение. В том случае, если одна нога фоторезистора подключена к земле, то максимальное значение напряжения будет соответствовать темноте (сопротивление фоторезистора максимальное, почти все напряжение падает на нем), а минимальное – хорошему освещению (сопротивление близко к нулю, напряжение минимальное). Если мы подключим плечо фоторезистора к питанию, то поведение будет противоположным.

Сам монтаж платы не должен вызывать трудностей. Так как фоторезистор не имеет полярности, подключить можно любой стороной, к плате его можно припаять, подсоединить проводами с помощью монтажной платы или использовать обычные клипсы (крокодилы) для соединения. Источником питания в схеме является сам ардуино. Фоторезистор подсоединяется одной ногой к земле, другая подключается к АЦП платы (в нашем примере - АО). К этой же ноге подключаем резистор 10 кОм. Естественно, подключать фоторезистор можно не только на аналоговый пин A0, но и на любой другой.

Несколько слов относительно дополнительного резистора на 10 К. У него в нашей схеме две функции: ограничивать ток в цепи и формировать нужное напряжение в схеме с делителем. Ограничение тока нужно в ситуации, когда полностью освещенный фоторезистор резко уменьшает свое сопротивление. А формирование напряжения - для предсказуемых значений на аналоговом порту. На самом деле для нормальной работы с нашими фоторезисторами хватит и сопротивления 1К.

Меняя значение резистора мы можем «сдвигать» уровень чувствительности в «темную» и «светлую» сторону. Так, 10 К даст быстрое переключение наступления света. В случае 1К датчик света будет более точно определять высокий уровень освещенности.

Если вы используете готовый модуль датчика света, то подключение будет еще более простым. Соединяем выход модуля VCC с разъемом 5В на плате, GND – c землей. Оставшиеся выводы соединяем с разъемами ардуино.

Если на плате представлен цифровой выход, то отправляем его на цифровые пины. Если аналоговый – то на аналоговые. В первом случае мы получим сигнал срабатывания – превышения уровня освещенности (порог срабатывания может быть настроен с помощью резистора подстройки). С аналоговых же пинов мы сможем получать величину напряжения, пропорциональную реальному уровню освещенности.

Мы подключили схему с фоторезистором к ардуино, убедились, что все сделали правильно. Теперь осталось запрограммировать контроллер.

Написать скетч для датчика освещенности довольно просто. Нам нужно только снять текущее значение напряжения с того аналогового пина, к которому подключен датчик. Делается это с помощью известной нам всем функции analogRead(). Затем мы можем выполнять какие-то действия, в зависимости от уровня освещенности.

Давайте напишем скетч для датчика освещенности, включающего или выключающего светодиод, подключенный по следующей схеме.

Алгоритм работы следующий:

  • Определяем уровень сигнала с аналогового пина.
  • Сравниваем уровень с пороговым значением. Максимально значение будет соответствовать темноте, минимальное – максимальной освещенности. Пороговое значение выберем равное 300.
  • Если уровень меньше порогового – темно, нужно включать светодиод.
  • Иначе – выключаем светодиод.

#define PIN_LED 13 #define PIN_PHOTO_SENSOR A0 void setup() { Serial.begin(9600); pinMode(PIN_LED, OUTPUT); } void loop() { int val = analogRead(PIN_PHOTO_SENSOR); Serial.println(val); if (val < 300) { digitalWrite(PIN_LED, LOW); } else { digitalWrite(PIN_LED, HIGH); } }

#define PIN_LED 13

#define PIN_PHOTO_SENSOR A0

void setup () {

Serial . begin (9600 ) ;

void loop () {

Serial . println (val ) ;

if (val < 300 ) {

digitalWrite (PIN_LED , LOW ) ;

} else {

digitalWrite (PIN_LED , HIGH ) ;

Прикрывая фоторезистор (руками или светонепроницаемым предметом), можем наблюдать включение и выключение светодиода. Изменяя в коде пороговый параметр, можем заставлять включать/выключать лампочку при разном уровне освещения.

При монтаже постарайтесь расположить фоторезистор и светодиод максимально далеко друг от друга, чтобы на датчик освещенности попадало меньше света от яркого светодиода.

Датчик освещенности и плавное изменение яркости подсветки

Можно модифицировать проект так, чтобы в зависимости от уровня освещенности менялась яркость светодиода. В алгоритм мы добавим следующие изменения:

  • Яркость лампочки будем менять через ШИМ, посылая с помощью analogWrite() на пин со светодиодом значения от 0 до 255.
  • Для преобразования цифрового значения уровня освещения от датчика освещенности (от 0 до 1023) в диапазон ШИМ яркости светодиода (от 0 до 255) будем использовать функцию map().

Пример скетча:

#define PIN_LED 10 #define PIN_PHOTO_SENSOR A0 void setup() { Serial.begin(9600); pinMode(PIN_LED, OUTPUT); } void loop() { int val = analogRead(PIN_PHOTO_SENSOR); Serial.println(val); int ledPower = map(val, 0, 1023, 0, 255); // Преобразуем полученное значение в уровень PWM-сигнала. Чем меньше значение освещенности, тем меньше мощности мы должны подавать на светодиод через ШИМ. analogWrite(PIN_LED, ledPower); // Меняем яркость }

#define PIN_LED 10

#define PIN_PHOTO_SENSOR A0

void setup () {

Serial . begin (9600 ) ;

pinMode (PIN_LED , OUTPUT ) ;

void loop () {

int val = analogRead (PIN_PHOTO_SENSOR ) ;

Serial . println (val ) ;

int ledPower = map (val , 0 , 1023 , 0 , 255 ) ; // Преобразуем полученное значение в уровень PWM-сигнала. Чем меньше значение освещенности, тем меньше мощности мы должны подавать на светодиод через ШИМ.

analogWrite (PIN_LED , ledPower ) ; // Меняем яркость

В случае другого способа подключения, при котором сигнал с аналогового порта пропорционален степени освещенности, надо будет дополнительно «обратить» значение, вычитая его из максимального:

int val = 1023 – analogRead(PIN_PHOTO_RESISTOR);

  1. Фототорезистор: http://ali.ski/5GDvP7
  2. Диоды и резисторы: http://fas.st/KK7DwjyF
  3. Макетная плата: http://ali.ski/rq8wz8
  4. Arduino uno: http://ali.ski/gC_mOa

В этом уроке мы подключим к Arduino фоторезистор. который будет управлять встроенным светодиодом.

Фоторезистор: Сопротивление фоторезисторов уменьшается под воздействием света и увеличивается в темноте. Фоторезисторы просты в использовании, но достаточно медленно реагируют на изменение уровня освещенности и имеют весьма низку. точность. Как правило, сопротивление фоторезисторов может варьироваться от 50 Ом при дневном освещении до более чем 10 МОм в темноте.

Сам фоторезистор мы будем подключать к земле через резистор в 10 кОМ и эту же ножку будем подключать к аналоговому пину Ардуино A0, вторую ножку фоторезистора будем подключать к 5 вольтам ардуино. Все это наглядно в приведено в схеме вначале статьи.

После правильного подключения фоторезистора к ардуино, нужно скопировать код приведенный ниже, вставить его в программу Arduino ide и загрузить весь этот программный код в ардуино.

Int PhotosensorPin = A0; //Указываем пин к которому подклюен Фоторезистор unsigned int sensorValue = 0; //Объявляем переменную для хранения значений. void setup() { pinMode(13, OUTPUT); Serial.begin(9600); } void loop() { sensorValue = analogRead(PhotosensorPin); //Считываем значения с фоторезистора if(sensorValue<700) digitalWrite(13, HIGH); //Включаем else digitalWrite(13, LOW); // Выключаем Serial.print(sensorValue, DEC); //Вывод данных с фоторезистора (0-1024) Serial.println(""); delay(500); }

После загрузки программного кода в ардуино, необходимо открыть монитор порта.

Теперь, если свет падает на фоторезистор, и встроенный светодиод выключен, заслоните фоторезистор рукой, и вы увидите, что в определенный момент светодиод включится! Так же можно посмотреть изменения значения с фоторезистора в мониторе порта.

Демонстрацию работы фоторезистора можно посмотреть в видео ниже.

Видео:

Фоторезистор
ИМХО вымирающий вид. Последний раз я его видел еще в детстве. Обычно представляет собой такой металический кругляк со стеклянным окошком, в котором видна этакая . При освещении его сопротивление падает, правда незначительно, раза в три четыре.

Фототранзистор
Последнее время я на них натыкаюсь постоянно, неиссякаемый источник фототранзисторов — пятидюймовые дисководы. Последний раз я, по цене грязи, надыбал на радио барахолке штук 5 платок от дисковертов, там светотранзисторы стоят напротив дырок контроля записи и вращения дискеты. Еще сдвоенный фототранзистор (а может и фотодиод, как повезет) стоит в обычной шариковой мышке.
Выглядит как обычный светодиод, только корпус прозрачный. Впрочем, светодиоды тоже такие же бывают так что перепутать кто из них кто раз плюнуть. Но это не беда, партизан легко вычисляется обычным мультиметром. Достаточно включить омметр между его эмитером и коллектором (базы у него нет) и посветить на него, как его сопротивление рухнет просто катастрофически — с десятков килоом до считанных ом. Тот который у меня в детекторе вращения шестерен в роботе меняет свое сопротивление с 100кОм до 30 Ом. Работает фототранзистор подобно обычному — держит ток, но в качестве управляющего воздействия тут не ток базы, а световой поток.

Фотодиод
Внешне ничем не отличается от фототранзистора или обычного светодиода в прозрачном корпусе. Также порой встречаются древние фотодиоды в металлических корпусах. Обычно это совковые девайсы, марки ФД-чето там. Такой металлический цилиндрик с окошком в торце и торчащими из задницы проводками.

В отличии от фототранзистора, может работать в двух разных режимах. В фотогальваническом и фотодиодном.
В первом, фотогальваническом, варианте фотодиод ведет себя как солнечная батарейка, то есть посветил на него — на выводах возникло слабенькое напряжение. Его можно усилить и применить =). Но куда проще работать в фотодиодном режиме. Тут мы подаем на фотодиод обратное напряжение. Поскольку он хоть и фото, но диод, то в обратную сторону напряжение не пойдет, а значит его сопротивление будет близко к обрыву, а вот если его засветить, то диод начнет очень сильно подтравливать и сопротивление его будет резко падать. Причем резко, на пару порядков, как у фототранзистора.

Спектр
Кроме типа прибора у него еще есть рабочий спектр. Например, фотодетектор заточенный на инфракрасный спектр (а их большинство) практически не реагирует на свет зеленого или синего светодиода. Плохо реагирует на лампу дневного света, но хорошо реагирует на лампу накаливания и красный светодиод, а уж про инфракрасный и говорить нечего. Так что не удивляйся если у тебя фотодатчик плохо реагирует на свет, возможно ты со спектром ошибся.

Подключение
Теперь пора показать как это подключить к микроконтроллеру. С фоторезистором все понятно, тут заморочек нет никаких — берешь и подцепляешь как по схеме.
С фотодиодом и фототранзистором сложней. Надо определить где у него анод/катод или эмитер/коллектор. Делается это просто. Берешь мультиметр, ставишь его в режим прозвонки диодов и цепляешься на свой датчик. Мультиметр в этом режиме показывает падение напряжения на диоде/транзисторе, а падение напряжения тут в основном зависит от его сопротивления U=I*R. Берешь и засвечиваешь датчик, следя за показаниями. Если число резко уменьшилось, значит ты угадал и красный провод у тебя на катоде/коллекторе, а черный на аноде/эмитторе. Если не изменилось, поменяй выводы местами. Если не помогло, то либо детектор дохлый, либо ты пытаешься добиться реакции от светодиода (кстати, светодиоды тоже могут служить детекторами света, но там не все так просто. Впрочем, когда будет время я покажу вам это технологическое извращение).

Теперь о работе схемы, тут все элементарно. В затемненном состоянии фотодиод не пропускает ток в обратном направлении, фототранзистор тоже закрыт, а у фоторезистора сопротивление весьма высоко. Сопротивление входа близко к бесконечности, а значит на входе будет полное напряжение питания aka логическая единица. Стоит теперь засветить диод/транзистор/резистор как сопротивление резко падает, а вывод оказывается посажен наглухо на землю, ну или весьма близко к земле. Во всяком случае сопротивление будет куда ниже 10кОмного резистора, а значит напряжение резко пропадет и будет где то на уровне логического нуля. В AVR и PIC можно даже резистор не ставить, вполне хватит внутренней подтяжки. Так что DDRx=0 PORTx=1 и будет вам счастье. Ну а обратывать это как обычную кнопку. Единственная сложность может возникнуть с фоторезистором — у него не настолько резко падает сопротивление, поэтому до нуля может и не дотянуть. Но тут можно поиграть величиной подтягивающего резистора и сделать так, чтобы изменения сопротивления хватало на переход через логический уровень.

Если надо именно измерять освещенность, а не тупо ловить светло/темно, то тогда надо будет подцеплять все на АЦП и подтягивающий резистор делать переменным, для подстройки параметров.

Есть еще продвинутый тип фотодатчиков — TSOP там встроенный детектор частоты и усилитель, но о нем я напишу чуть попозже.

З.Ы.
У меня тут некоторые запарки, поэтому сайт будет сильно тупить с обновлением, думаю это до конца месяца. Дальше надеюсь вернуться в прежний ритм.

Фоторезистор представляет из себя полупроводниковый радиоэлемент, который меняет свое сопротивление в зависимости от освещения. Для видимого света (солнечный свет или свет от осветительных ламп) используют сульфид или селенид кадмия. Есть также фоторезисторы, которые регистрируют инфракрасное излучение. Их делают из германия с некоторыми примесями других веществ. Свойство менять свое сопротивление под воздействием света очень широко используется в электронике.

Внешний вид и обозначение на схеме

В основном фоторезисторы выглядят вот так



На схемах могут обозначаться так

или так

Как работает фоторезистор

Давайте рассмотрим одного из представителя семейства фоторезисторов


На нем, как и во всех фотоэлементах, есть окошко, с помощью которого он “ловит” свет.



Главным параметром фоторезистора является его темновое сопротивление. Темновое сопротивление фоторезистора - это его сопротивление при полном отсутствии падения света на него. Судя по справочнику, темновое сопротивление нашего подопечного 15х10 8 Ом или словами - 1,5 ГОм. Можно даже сказать - полнейший обрыв. Так ли это? Давайте глянем. Для этого я использую свою записную книжку и прячу там фоторезистор:


Даже в диапазоне 200 МОм мультиметр показал единичку. Это означает, что сопротивление фоторезистора далеко за 200 МОм.

Убираем нашего подопытного из книжки и включаем в комнате свет. Результат сразу же на лицо:


106,7 КОм.

Теперь включаю свою настольную лампу. В комнате стало еще светлее. Смотрим на показания мультиметра:


76,2 КОм.

Подношу фоторезистор вплотную к настольной лампе:


18,6 КОм

Делаем вывод: чем больше поток света попадает на фоторезистор, тем меньше его сопротивление.

Фоторезисторы изготавливают из полупроводниковых материалов, которые изменяют своё сопротивление в зависимости от степени освещённости. Основное их отличие от других фотоэлектрических приборов заключается в высокой стабильности параметров и линейности изменения сопротивления в достаточно широком диапазоне. Последнее свойство позволяет использовать фоторезисторы не только в цифровой автоматике, но и в аналоговой технике, например, в качестве гальванически изолированных регуляторов громкости звука.

Фоторезисторы являются относительно инерционными элементами с гораздо более низким (единицы килогерц) быстродействием по сравнению с фотодиодами и фототранзисторами. После резких перепадов освещённости, их сопротивление изменяется не скачком, а «плывёт» в течение некоторого времени. Это надо учитывать в практической работе и выдерживать для адаптации к свету небольшие паузы. Насколько «небольшие», подскажет эксперимент.

В зависимости от спектральной чувствительности фоторезисторы делятся на две большие группы: для работы в видимой и инфракрасной части спектра. Электрические схемы включения у них совпадают (Рис. 3.44, а…м). Единственное, что надо предварительно узнать по даташиту, - это максимально допустимое рабочее напряжение. В частности, на фоторезисторы СФ2-5, СФЗ-4А/Б, СФЗ-5 нельзя подавать питание больше, чем 1.3…2 В. Подавляющее же большинство фоторезисторов могут работать при напряжениях 5…50 В. Их темновое сопротивление составляет 1…200 МОм, а в освещенном состоянии - на два-три порядка меньше.

Рис. 3.44. Схемы подключения фоторезисторов к МК {начало)-.

а) резисторы /?У, образуют делитель напряжения. При освещении фоторезистора /?Уего сопротивление уменьшается. Резистор J служит защитой на случай полного замыкания под- строечного резистора и ошибочного перевода линии МКв режим выхода с ВЫСОКИМ уровнем. Если резистор R2 постоянный, то резистор R3 можно заменить перемычкой;

в) подключение фоторезистора /?2к МК с привязкой к общему проводу, а не к цепи питания. При освещении фоторезистора R2 напряжение на входе МК снижается;

Рис. 3.44. Схемы подключения фоторезисторов к МК (продолжение):

г) экономичное «реле Турченкова» на германиевых транзисторах VTI, К72 разной проводимости. Резистором уста на вливают порог срабатывания;

д) фоторезистор RI определяет ток базы транзистора УТ1, поскольку он входит в верхнее плечо делителя RI, R2. Следует установить движок переменного резистора в такое положение, чтобы ток базы транзистора УТ1 не превысил норму при яркой освещённости фоторезистора;

е) в исходном состоянии фоторезистор /?2освещён, транзистор УТ1 закрыт, светодиод НИ погашен. Когда уровень освещённости фоторезистора понизится до определённого порога (регулируется резистором R3), то транзистор открывается, светодиод загорается и на входе МК устанавливается НИЗКИЙ уровень;

ж) регистратор коротких вспышек света или приёмник импульсно-модулированных сигналов. Транзистор VTI находится в режиме отсечки. Конденсатор С/устраняет ложные срабатывания от медленных изменений освещённости фона, например, при смене дня ночью;

з) транзистор VTI повышает чувствительность фотодатчика R2, что позволяет использовать обычную линию порта МК, а не только вход АЦП. Резистор задаёт положение рабочей точки транзистора УТ1\

и) если оба фоторезистора R2, освещены, то на входе МК присутствует НИЗКИЙ уровень (регулируется резистором R1). Если один (любой) из фото рези сто ров будет затемнён, то суммарное «фотосопротивление» резко увеличится и на входе МК появится ВЫСОКИЙ уровень. Фоторезисторы выполняют логическую функцию «световое И»;

Рис. 3.44. Схемы подключения фоторезисторов к МК {окончание):

к) резистором R3 регулируют порог срабатывания ОУ DAI (компаратор напряжений). Сопротивление резистора R2 выбирается примерно таким же, как RI в «неактивном» состоянии. При значительном удалении фоторезистора следует экранировать его соединительные провода;

л) конденсаторы С/, С2 повышают стабильность измерений, устраняют импульсные помехи и создают небольшой гистерезис при резких колебаниях освещённости;

м) внутренний аналоговый компаратор МК используется для оценки уровня освещённости. Используется метод сравнения измеряемого напряжения с «пилой», которую вырабатывает сам МК на отрицательном выводе компаратора (линия входа временно становится выходом).

Фотодиоды в схемах на МК

Фотодиоды относятся к классу полупроводниковых приборов, в основе работы которых лежит внутренний фотоэффект При облучении /?-А7-перехода фотонами возникает генерация носителей тока внутри полупроводника. Изменение тока эквивалентно изменению сопротивления, что легко зафиксировать и измерить.

Фотодиоды широко применяются для регистрации световых излучений. Их достоинство, по сравнению с фоторезисторами и фототранзисторами, заключается в высоком быстродействии и хорошей чувствительности.

Различают два основных режима работы фотодиодов:

Диодный (фотодиодный, фоторезисторный) с обратным смещением;

Генераторный (фотогальванический, фотовольтаический) без смещения.

Диодный режим используется чаще и характеризуется широким диапазоном

изменения обратного сопротивления и хорошим быстродействием. Генераторный режим имеет следующие недостатки: большая эквивалентная ёмкость и высокая инерционность. Достоинство - малый уровень собственных шумов.

Фотодиоды выпускают фирмы: Vishay, OSRAM, Hamamatsu Photonics, «Кварц» и др. Типовые параметры: длина волны 850…950 нм, токовая чувствительность 10…80 мкА, ширина диаграммы направленности 15…65°, время нарастания/спада 2… 100 нс, рабочая температура -55…+ 100°С. Чувствительность фотодиодов снижается с повышением температуры и напряжения. Темновой ток возрастает в 2…2.5 раза на каждые 10°С, из-за чего в схему часто вводят термокомпенсацию.

На Рис. 3.45, а…ж показаны схемы непосредственного подключения фотодиодов к МК. На Рис. 3.46, а…е показаны схемы с усилителями на транзисторах. На Рис. 3.47, а…о - с усилителями на микросхемах.

б) соединение фотодиода BLI с цепью питания. Нажатие переключателя SI имитирует освещенное состояние фотодиода при тестовых проверках;

в) повыщение общей чувствительности за счёт параллельного включения нескольких фотодиодов BLI…Bin. Фотодиоды выполняют логическую функцию «световое ИЛИ»;

г) параллельное включение нескольких фотодиодов с привязкой к общему проводу;

д) последовательное включение фотодиодов по схеме «световое И». Позволяет обнаружить момент затемнения одного из нескольких освещенных фотоприёмников на конвейере;

е) последовательное включение нескольких фотодиодов с привязкой к общему проводу;

ж) мостовая схема включения фотодиода BLI, обладающая повыщенной чувствительностью и гистерезисом {R6). Требуется предварительное симметрирование моста резистором R3.

а) фотодиод BL1 замещает базовый резистор транзисторного усилителя;

б) мигающий светодиод НИ служит … фотоприёмником. В исходном состоянии НИ генерирует электрические (не световые!) импульсы с частотой «мигания» около 2 Гц. При внешнем освещении генерация срывается, что и фиксирует МК через транзистор VTI\

в) ключ на транзисторе VT1 повышает помехоустойчивость и увеличивает крутизну фронтов сигнала от фотодатчика BLL Конденсатор С/ устраняет помехи от колебаний освещённости;

г) оптоизолированный частотный смеситель. На вход МК поступает сигнал с разностной «световой» частотой модуляции «/, -/2» от двух светодиодов HL1 (/j) и HL2{f2). Контур/1 / должен быть настроен на разностную частоту;

д) повышение чувствительности за счёт параллельного включения двух фотодиодов ВИ, BL2. Транзистор VTI находится в отсечке и не реагирует на медленный дрейф освещённости;

е) вместо ОУ DAI можно использовать аналоговый компаратор МК. Скорость приёма «лазерного» фотодиода - до 5 Мбит/с по оптоволоконному кабелю длиной Юм… 1 км.

а) использование прецизионного усилителя DA1 (фирма Analog Devices) для обеспечения долговременной стабильности сигналов от фотодатчика BLI\

б) нестандартное включение ИК-светодиода НИ в качестве фотоприёмника инфракрасного диапазона длин волн. Резистором регулируется усиление каскада на ОУ DAI\

в) усилитель-формирователь на «телевизионной» микросхеме DA1. Резистором регулируется чувствительность фотодатчика BLI\

г) двухполярное питание ОУ DA /. Конденсатор CI устраняет «звон» на фронтах сигнала, возникающий при резкой смене освещённости. Это стандартный приём и для других схем;

д) для уменьщения внещних помехтрансимпедансный усилитель DA 1.2(это преобразователь «ток-напряжение») охвачен обратной связью через интегратор DAI.3. Питание на ОУ подаётся от выходной линии МК. Опорное напряжение 0.5 В формирует повторитель DAL /;

Рис. 3.47. Схемы подключения фотодиодов к М К через усилители на микросхемах

{продолжение):

е) фотодиоды ВЦ, 5L2 должны освещаться поочерёдно, иначе их суммарное сопротивление может получиться столь низким, что сработает перегрузка по току источника питания;

ж) конденсатор С2 устраняет «звон» при большой собственной ёмкости фотодиода ВИ\

з) измеритель цвета на фотодиоде BL1 (фирма Advances Photonics), который имеет «колоко- лообразную» чувствительность в диапазоне 150…400 нм. Перемычкой ^S/задаётся усиление;

и) стабильные параметры фотоприёма в инфракрасном диапазоне обеспечиваются прецизионной микросхемой Z)/1/ (фирма Analog Devices), фильтром С4, R4…R6 и стабилитроном VDI.

к) связка «усилитель-детектор-формирователь» на ОУ DAI с регулировкой порога {R6)\О

Рис. 3.47. Схемы подключения фотодиодов к МК через усилители на микросхемах

(окончание):

л) компаратор на микросхеме DA1 обеспечивает высокую чувствительность и помехоустойчивость. Резистором J регулируется «световой» порог под конкретный тип фотодиода BL1\

м) резистором регулируется чувствительность и выставляется рабочая точка логического элемента DDI (желательно с характеристикой триггера Шмитта, например, К561ТЛ2);

н) BL1 - трёхцветный RGB-сенсор (фирма Laser Components), DAI - четырёхканальный трансимпедансный усилитель (фирма Promis Electro Optics). Один из четырёх аналоговых каналов усилителя не используется. Сигналы с выходов М К задают режимы работы и усиление DA1\ о) высокочувствительный регистратор фото- или радиационного излучения на специализированном pin-фотодиоде ВИ (подобные изготавливаются фирмой Hamamatsu Photonics). Элемент DA 1.1 выполняет функцию трансимпедансного, а DA1.2 - обычного усилителя сигналов.

Фототранзисторы в схемах на МК

Фототранзистор - это фоточувствительный полупроводниковый прибор, по структуре подобный биполярному или полевому транзистору. Разница заключается в том, что в его корпусе предусмотрено прозрачное окно, через которое световой поток попадает на кристалл. В отсутствии внешнего освещения, транзистор закрыт, ток коллектора ничтожно мал. При попадании лучей света на/?-А7-переход базы, транзистор открывается и резко возрастает его коллекторный ток.

Фототранзисторы, в отличие от фоторезисторов, обладают высоким быстродействием, а в отличие от фотодиодов - усилительными свойствами (Табл. ЗЛО).

Фототранзистор, в первом приближении, можно представить в виде эквивалентного фотодиода, включённого параллельно коллекторному переходу обычного транзистора. Коэффициент усиления фототока прямо пропорционален /7213. следовательно, во столько же раз чувствительность фототранзистора выше, чем у фотодиода.

Главным параметром, за которым надо следить при разработке схем на фототранзисторах, является коллекторный ток. Чтобы не превысить его норму, надо ставить в коллекторе/эмиттере достаточно большие сопротивления.

Фототранзисторы выпускают фирмы: Vishay, Kingbright, Avago Technologies и др. Типовые параметры: длина волны 550…570 или 830…930 нм, ток коллектора в освещенном состоянии 0.5… 10 мА, угол половинной чувствительности 15…60°, время нарастания/спада 2…6 мкс, рабочая температура -55…+ 100°С, проводимость п-р-п.

Существуют двух- и трёхвыводные фототранзисторы. Различаются они между собой в первую очередь отсутствием/наличием отвода от базы.

В двухвыводных фототранзисторах извне имеется доступ только к коллектору и эмиттеру. Это затрудняет стабилизацию рабочей точки и делает фотоприбор зависимым от температуры окружающей среды, особенно при слабом освещении.

Двухвыводные фототранзисторы и малогабаритные фотодиоды визуально похожи как «близнецы-братья». Выяснить, «что есть что», помогает прозвонка выводов омметром. Испытательное напряжение на его зажимах должно быть не менее 0.7 В. Если сопротивление в одном направлении значительно больше, чем в другом, значит это фотодиод. Если большое сопротивление прозванивается в двух направлениях, значит это фототранзистор (или вышедший из строя фотодиод).

Трёхвыводные фототранзисторы встречаются реже двухвыводных. Для их подключения применяют обычную транзисторную схемотехнику, а именно, стабилизируют рабочую точку при помощи делителей на резисторах, вводят обратные связи, термокомпенсацию и т.д.

На Рис. 3.48, а…е показаны схемы непосредственного подключения фототранзисторов к МК. На Рис. 3.49, а…з показаны схемы с транзисторными усилителями, на Рис. 3.50, а…г - с усилителями на микросхемах.

Рис. 3.48. Схемы непосредственного подключения фототранзисторов к МК:

а) фототранзистор 5L/ включается по схеме усилителя с общим эмиттером. Допускается его работа в режиме микротоков коллектора (большое сопротивление резистора RI), но при этом ухудшается температурная стабильность. Вместо входа АЦП МК часто используют обычную цифровую линию порта с пороговой фиксацией состояния «есть свет»/«нет света»;

б) параллельное включение фототранзисторов BL1, 5L2 увеличивает световую чувствительность. Фототранзисторы выполняют логическую функцию «ИЛИ» для сигналов от разных источников света. Конденсатор С/ снижает импульсные помехи. Запараллеленных фототранзисторов может быть больше, чем два;

в) фотоприёмник импульсных и модулированных световых сигналов. На медленные изменения освешённости устройство не реагирует из-за разделительного конденсатора С/. Вместо резистора можно использовать внутренний «pull-up» резистор МК;

г) фототранзистор BLI включается по схеме эмиттерного повторителя. Конденсатор С/ снижает импульсные «световые» помехи и мошные электрические наводки, которые могут «просачиваться» на вход МК, когда фототранзистор находится в закрытом состоянии;

д) втрёхвыводном фототранзисторе BLI отвод базы используется для организации обратной связи через транзистор VTI. Фильтр RI, С1 блокирует сигналы светового потока с частотой модуляцией ниже 100 Гц (для устранения срабатывания датчика от «мерцания» ламп накаливания);

е) конденсатор С/ и транзистор VT1 организуют «световой ФВЧ» для подавления сигналов светового потока с частотой модуляции ниже 80 Гц. Это препятствует прохождению на вход МК помех, вызванных «мерцанием» ламп накаливания сети 50 Гц.

а) входной узел «светового пистолета» от игровой видеоприставки «Dendy». Фототранзистор BL1 направляется на экран телевизора. Резистором /?2 регулируют дальность приёма;

б) полевой транзистор VTI осуществляет согласование сопротивлений RI и R2\

в) двухкаскадный усилитель на транзисторах разной проводимости КГ/, КТ’2 обеспечивает повышенную чувствительность фотодатчика ВИ\

г) улучшенный вариант фотодатчика для «светового пистолета» с авто подстрой кой под разную яркость фона. Элементы VTI, R1, R2, образуют динамический стабилизатор тока;

д) резистором R2 побирается такое положение, чтобы транзистор VTI был открыт при отсутствии освещения фототранзистора BLL Конденсатор С1 фильтрует помехи;

е) триггер Шмитта на полевых транзисторах VTI, КТ’2 определяет порог срабатывания фотодатчика BL1. Конденсатор С1 устраняет импульсные «световые» помехи;

ж) диоды VD1, повышают помехоустойчивость усилителя на транзисторе VTI\0

з) трёхкаскадный усилитель на транзисторах КГ/… с визуальной индикацией приёма посылок от инфракрасного датчика ^L/ светодиодом HL1.

Рис. 3.50. Схемы подключения фототранзисторов к МК через усилители на микросхемах:

а) фототранзисторный датчик BLI с интегральным компаратором DAI wc широким диапазоном регулирования параметров при помощи двух переменных резисторов R2, R3\

б) триггер Шмитта на логической микросхеме DZ)/улучшает помехоустойчивость и увеличивает крутизну фронтов сигналов, поступающих от фоготранзистора ВИ\

в) фототранзистор ^L/для повышения точности срабатывания подключается к внешнему интегральному компаратору DA1. Конденсатор С/ увеличивает крутизну фронтов сигналов;

г) полосовой фильтр на микросхеме тонального декодера DA / (фирма National Semiconductor) обрабатывает им пул ьсно-модулированные световые сигналы, принимаемые фототранзистором BLI. Центральная частота фильтра определяется по формуле /^„[кГц] = 1 / (/?2[кОм]-С4[мкФ]). Полоса пропускания фильтра обратно пропорциональна ёмкости конденсатора С2. Резистором /?/устанавливается оптимальный уровень входного сигнала для DAI в диапазоне 100…200 мВ.