Радиолюбительские фотоэлектронные устройства

Фотоэлектронные (оптоэлектронные) устройства (ФЭУ) широко применяются в устройствах автоматики, телемеханики, оптической связи, фотоизмерительной и другой технике. Исходя из назначения, они должны соответствовать определенным требованиям, например таким: высокая чувствительность, достаточное быстродействие, способность работы в нужной части оптического диапазона и требуемом диапазоне температуры, помехой устойчивость, простота и экономичность устройства и т. д. Выполнение заданных требований достигается соответствующим выбором светочувствительных элементов и фильтров для них, схемы усилительных каскадов исполнительных устройств и т. д.

В качестве светочувствительного элемента в ФЭУ могут быть использованы фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы, фотоэлементы, фотоумножители , оп-троны с открытым оптическим каналом и т. д.

В зависимости от типа используемого светочувствительного элемента в ФЭУ есть свои особенности, которые должны учитываться и для более полного использования возможностей светочувствительного элемента и для более рационального построения устройства.

Обычно в своих конструкциях радиолюбители используют фотодиоды и фоторезисторы.

Фотодиод — полупроводниковый прибор, являющийся приемником лучистой энергии, которая, воздействуя на фотодиод, переводит его из закрытого состояния в открытое. В зависимости от типа фотодиода максимум спектральной чувствительности может находиться в видимой области или в области инфракрасного излучения. Фотодиоды могут работать и в вентильном режиме, преобразуя световую энергию в ЭДС значением 0.5...0.7 В.

Фоторезисторы представляют собой активные полупроводниковые, резисторы, чувствительные к световому излучению в широком интервале длин волн, включая ультрафиолетовый и инфракрасный спектры. Для фоторезисторов характерно то, что они обладают высоким сопротивлением в темноте, которое при освещении резко уменьшается. Существует большое разнообразие ФЭУ, отличительную особенность которых определяет применяемый светочувствительный элемент.

В сравнении по параметрам с фотодиодами фоторезисторы отличаются высоким отношением светового тока к темновому , однако значительно уступают фотодиодам в быстродействии. Рабочее напряжение фотодиодов составляет 10...20 В, а фоторезисторов—1,3...350 В.

На практике ФЭУ выполняются, как правило, в следующих основных вариантах:

светочувствительный элемент без усилительных элементов в цепи управляющего устройства;

с использованием усилителя постоянного тока (УПТ);

с использованием порогового элемента; светочувствительный элемент в цепи генератора импульсов;

с модуляцией управляющего луча.

ФЭУ с фоторезистором или фотодиодом в цепи управляющего устройства без использования усилительных элементов отличаются простотой, но имеют низкую чувствительность и поэтому на практике применяются редко, например в устройствах автостопа, где источник света находится в непосредственной близости от фоторезистора или в автоматах включения и отключения ночного освещения, если в качестве исполнительного устройства применить тринисторы или электромагнитные реле с малым током срабатывания, а также для измерения интенсивности светового излучения при включении микроамперметра последовательно с фоторезистором. Световой ток фотодиода намного меньше светового тока фоторезистора и составляет десятки микроампер, поэтому нецелесообразно его ставить в цепи последовательно с исполнительными устройствами без усилительных элементов.

В ФЭУ с УПТ желательно использовать фоторезисторы, так как при увеличении температуры окружающей среды на 30...40°С темновой ток фотодиодов увеличивается в несколько раз, что вызывает нестабильность работы ФЭУ.

Из применяемых в настоящее время ФЭУ с УПТ можно выделить три основные группы:

Фоторезистор включен между базой транзистора первого каскада УПТ и минусом (для транзистора р-п-р структуры) или плюсом (для транзистора п-р-п структуры) источника питания.

Фоторезистор включен между базой и. эмиттером входного транзистора УПТ.

Фоторезистор включен в цепь УПТ, выполненного на интегральных микросхемах.

Однокаскадный УПТ на транзисторе, а также УПТ на составном транзисторе, являющийся разновидностью однокаскадного УПТ с более высоким коэффициентом усиления, применяют в ФЭУ первой группы, например в автоматах управления освещением, в измерительных приборах. Для ФЭУ тревожной сигнализации, в устройствах для подсчета и сортировки штучных изделий и т. п. обычно применяются двухкаскадные УПТ. Повышения чувствительности ФЭУ первой группы можно добиться не только подбором по соответствующим параметрам транзисторов (указано ниже), но и путем увеличения напряжения источника питания. Лучше для питания ФЭУ использовать два источника: один с напряжением 5...20 В для питания УПТ, а другой, с более высоким напряжением, для питания фоторезистора. Подбирая напряжение второго источника в пределах 20... 250 В, добиваются наибольшей чувствительности ФЭУ. Практические конструкции ФЭУ с УПТ первой группы приведены в Радио, 1975, № 3, с. 37 и № 10, с. 64.

ФЭУ, в которых фоторезистор включен между базой и эмиттером транзистора входного каскада УПТ, питаются от источника с меньшим напряжением, чем ФЭУ первой группы. В них не полностью используются возможности фоторезистора, поэтому ФЭУ даже с многокаскадными УПТ по чувствительности уступают ФЭУ с однокаскадными УПТ первой группы. Одно из ФЭУ с УПТ второй группы описано в Радио, 1980, № 9, с. 38.

Лучшие результаты дает применение кремниевых транзисторов.

В радиолюбительской практике используются чаще всего двухкаскадные УПТ на транзисторах, так как построение многокаскадных УПТ связано с усложнением процесса установки режимов работы транзисторов при настройке ФЭУ. Поэтому для дальнейшего повышения чувствительности можно использовать УПТ, выполненные на интегральных микросхемах (ИМС) с высоким коэффициентом усиления. Однако при этом снижается помехозащищённость ФЭУ и использовать его можно при условии неизменности освещенности помещения, в котором установлен фоторезистор.

ФЭУ выполняют на интегральных микросхемах не только для повышения их чувствительности, но и для уменьшения габаритов самих конструкций, повышения экономичности. Кроме того, в автоматических устройствах, выполненных на цифровых ИМС, легче согласовать выход ФЭУ со входом ИМС. Вариант ФЭУ, выполненного на одном элементе 2И-НЕ, описан в Радио, 1977, № 3, с. 60. По чувствительности оно эквивалентно ФЭУ с однокаскадный УПТ первой группы и ее можно улучшить, если на фоторезистор отдельно подавать большее напряжение источника питания. Следует учесть, что в данном случае логический элемент выполняет функцию не порогового элемента, а УПТ, поэтому если освещенность светочувствительного элемента резко не изменяется, то и напряжение на выходе элемента может быть в пределах 0,4...2,4 В.

Если в ФЭУ на цифровых ИМС фоторезистор необходимо вынести на несколько метров, то для повышения помехоустойчивости и улучшения согласования с проводной линией связи следует применять логические элементы с открытым коллекторным выходом (например, элементы ИМС К155ЛА7, К155ЛА8) или использовать транзисторный согласующий каскад, который будет повышать и чувствительность ФЭУ.

ФЭУ, в которых в качестве управляющих элементов используются электромагнитные реле, обладают большим гистерезисом, так как ток срабатывания реле больше тока отпускания. Поэтому включение и отключение исполнительных устройств происходит не при одинаковой освещенности фотбрезистора . Кроме того, в таких ФЭУ при включении и выключении наблюдается нечеткое срабатывание, проявляющееся в виде дребезга, особенно в случаях относительно медленного нарастания и убывания среднего уровня освещенности фоторезистора или когда уровень его освещенности имеет значительные колебания относительно среднего уровня. Чтобы избавиться от этих недостатков, нужно обеспечить не плавное, а резкое (скачкообразное) изменение силы тока, проходящего через обмотку реле, т. е. необходимо использовать для этого УПТ, обладающие пороговым эффектом (например, триггеры с эмиттерной связью).

ФЭУ без пороговых элементов чаще всего используют для фотоизмерительных приборов и в тех устройствах, где необходимо плавное изменение значения регулирующего параметра, пропорционально изменению освещенности светочувствительного элемента.

ФЭУ с использованием порогового элемента получили более широкое распространение.

Иногда для простоты в качестве порогового элемента используют стабилитрон, включая его между выходом УПТ и базой транзистора ключевого каскада, нагрузкой которого служит электромагнитное реле или другое управляющее устройство. При достижении на нагрузочном резисторе УПТ падения напряжения, превышающего напряжение пробоя стабилитрона, он открывается и подает напряжение для управления ключевым каскадом. Однако такие устройства имеют ограниченное применение, так как не для всякого ФЭУ можно подобрать стабилитрон с нужным напряжением пробоя, кроме того, следует учитывать и разброс параметров стабилитронов и невозможность плавного регулирования этого порога без усложнения устройства.

Более широкое распространение в радиолюбительской практике получили ФЭУ с использованием в качестве порогового элемента триггера Шмитта , принцип работы которого подробно рассмотрен в статье В. Крылова и В. Лапшина Триггер с эмиттерной связью, опубликованной в сборнике В помощь радиолюбителю, вып . 52. Некоторые ФЭУ с использованием триггера Шмитта описаны в Радио, 1975, № 6, с. 35 и 1977, № 12, с. 55.

В последнее время в устройствах автоматики все чаще применяют ИМС. При использовании для ФЭУ в качестве порогового элемента триггера Шмитта , на транзисторах очень трудно, даже усложняя конструкцию, получить в исходном состоянии выходное напряжение, близкое к нулю. Т. е. на. выходе триггера всегда присутствует потенциал, превышающий по значению логический 0.

Для автоматических устройств, выполняемых на ИМС, целесообразно применять ФЭУ с использованием в качестве порогового элемента триггер Шмитта в интегральном исполнении.

На рис. 1 приведена схема ФЭУ обладающего, хорошей чувствительностью. Для согласования высокого входного сопротивления фоторезистора R1 со входом триггера DD1 и для исключения влияния соединительной линии от вынесенного фоторезистора применен каскад на транзисторе VT1, выполняющий функцию УПТ и улучшающий крутизну фронта сигнала с фоторезистора. При затемненном фоторезисторе R1 на базу тран-зистора VT1 подается положительное напряжение около 0,7 В. В это время транзистор открыт, напряжение на его коллекторе (не более 0,8 В) меньше порога срабатывания триггера, поэтому на его выходе присутствует потенциал логической 1. При освещении фоторезистора его сопротивление уменьшается, напряжение на базе транзистора уменьшается до минус 0,8... 1,6 В, в результате он закрывается, напряжение на коллекторе возрастает до значения, превышающего порог срабатывания триггера и на его выходе появляется логический 0. Подбором резистора R7 при затемненном фоторезисторе устанавливают на входе триггера напряжение 0,8 В, а подстроенным резистором R3 добиваются максимальной чувствительности ФЭУ.

Если нужно чтобы при освещенном фоторезисторе на выходе триггера DD1 была логическая 1, коллектор транзистора VT1 следует подключить к выводу +5 В, его эмиттер — непосредственно к входам триггера, резисторы R5 и R6 исключить совсем, а сопротивления резисторов R4 и R7 уменьшить соответственно до 820 и 910 Ом. В этом случае с уменьшением уровня освещенности напряжение на базе транзистора увеличивается от.нуля до плюс 2. В.

Транзистор при этом открывается и напряжение на его эмиттере возрастает от 0,9 до 2 В, превышая порог срабатывания триггера, в результате на выходе триггера появляется потенциал логического 0. Порог срабатывания триггера устанавливают подбором резистора R7. Однако сопротивление этого резистора не должно быть меньше 620 Ом, иначе триггер может самовозбудиться .

Напряжение источника питания, равное 22 В (17 + 5) для фоторезистора ФСК-2, можно считать оптимальным для получения максимальной чувствительности.

Существенным недостатком триггеров с эмиттерной связью является наличие гистерезиса, т. е. напряжение отпускания всегда меньше напряжения срабатывания триггера. Величина гистерезиса триггера составляет обычно десятые доли вольта. Меры по уменьшению гистерезиса рассмотрены в статье Триггеры с эмиттерной связью, помещенной в сборнике В помощь радиолюбителю, вып . 52, но они, к сожалению, значительно усложняют устройства. В качестве порогового элемента, в ФЭУ лучше всего, пожалуй, применять не триггер Шмитта , а электронное реле В. И. Турченкова (принцип работы описан в Радио, 1974, № 1, с. 37), обладающее рядом преимуществ, в том числе и меньшим гистерезисом и получением возможности хорошего согласования со входами цифровых ИМС. Примером может служить ФЭУ, описанное в Радио, 1983, № 11, с. 48. Но в таком варианте ФЭУ применены два источника питания и не полностью использованы возможности электронного реле В. И. Турчецкова .

Порог срабатывания и отпускания электронного реле В. И. Турченкова зависит от входного тока (от внешнего источника), текущего через коллекторный переход первого транзистора, и номинала резистора в коллекторной цепи этого транзистора. Отсюда следует, что простое ФЭУ на базе электронного реле В. И. Турченкова можно создать без источника входного тока, заменив резистор в коллекторной цепи первого транзистора фоторезистором с большим темновым сопротивлением.

На рис. 2 приведена схема практически проверенного и сравнительно простого варианта ФЭУ. Оно представляет собой однокаскадный УПТ на транзисторе VT1, включенном по схеме с общей базой. Диод VD1 и усилительный каскад на транзисторе. VT2 (его эмиттерный переход является активной нагрузкой УПТ) выполняют роль цепи обратной связи между коллектором и эмиттером транзистора VT1. Изменение порога срабатывания и отпускания достигается подбором резистора R2. При-настройке его лучше заменить переменным резистором, которым устанавливают при освещенном фоторезисторе R1 на выходе ФЭУ напряжение меньше или равное 0,3 В. При освещенном фоторезисторе когда его сопротивление мало, проходящий через него ток удерживает транзистор VT2 в открытом состоянии в режиме насыщения, а выходное напряжение близко к нулю. При затемнении фоторезистора его сопротивление увеличивается, проходящий через него ток уменьшается, а следовательно, уменьшается и положительное напряжение- на базе транзистора VT2 и ток базы, вызывая уменьшение эмиттерного тока этого транзистора. В результате лавинообразного процесса транзистор VT2 закрывается. При этом выходное напряжение резко увеличивается до значения, равного половине напряжения источника питания.

Это ФЭУ имеет очень высокое выходное сопротивление, поэтому для согласования со входами цифровых ИМС и с тринисторными ключами необходимо применять эмиттерный повторитель (рис. 3). В змиттерную цепь транзистора вместо резистора R2 можно включить электромагнитное реле (например, РЭС-15), увеличив напряжение источника питания этого каскада до 16... 24 В (в зависимости от типа используемого реле).

На практике иногда применяют ФЭУ, в которых светочувствительный элемент включен в цепь положительной обратной связи генератора импульсов. В некоторых вариантах таких ФЭУ изменение уровня освещенности светочувствительного элемента вызывает самовозбуждение или срыв колебаний генератора. Причем устранение гистерезиса электромагнитного реле в этом случае значительно усложняет ФЭУ, так как оно включает в себя генератор, усилитель импульсов, выпрямитель и ключевой каскад. Поэтому подобные ФЭУ могут найти применение лишь в тех случаях, когда необходима звуковая сигнализация об изменении уровня освещенности. В других вариантах таких ФЭУ изменение уровня освещенности светочувствительного элемента изменяет частоту генерируемых колебаний. Подобные ФЭУ можно применять не только в качестве индикаторов инфракрасных, рентгеновских и гамма-лучей, интенсивности освещенности, но и в устройствах автоматической плавной регулировки.

Однако оба варианта таких ФЭУ из-за своей сложности применять не всегда целесообразно, они, кроме того, обладают очень низкой чувствительностью.

Схема более совершенного и к тому же простого ФЭУ для автоматического регулирования освещенности приведена в сборнике В помощь радиолюбителю, вып . 61. В нем фоторезистор включен в цепь УПТ, который в зависимости от уровня освещенности, увеличивая или уменьшая ток зарядки конденсатора, изменяет частоту колебаний генератора, управляющего тринис-торным каскадом для изменения напряжения на нагрузке.

Для устройств дистанционного управления и автоматов с использованием ФЭУ, работающих в режиме направленного излучения (а также в режиме прерывания луча и в режиме локатора), в которых светочувствительный элемент подвергается воздействию солнечного света и других мощных источников светового излучения, необходимо для повышения помехозащищенности применять импульсный (модулированный) световой сигнал в видимой или инфракрасной части спектра оптического диапазона волн.

Источником импульсного видимого светового сигнала может служить лампа накаливания, включенная на выходе несимметричного мультивибратора, а приемником — фоторезистор, включенный в цепь первого каскада усилителя переменного напряжения.

Для дистанционного управления и передачи звука на небольшие расстояния все чаще используют инфракрасные волны оптического диапазона (так называемые ИК-лучи ).

В устройствах дистанционного управления на ИК-лучах в качестве излучающего элемента применяют свето-диод ИК-излучения , которому свойственна меньшая инерционность по сравнению, например, с лампой накаливания. Благодаря этому излучение фотодиода эффективно модулируется по амплитуде прямоугольными импульсами с достаточно высокой частотой следования (около 10 кГц), что обеспечивает высокую чувствительность и стабильность коэффициента усиления приемника. Излучаемый светодиодом импульсный ИК-сигнал принимается фотодиодом ИК-Диапазона , продетектиро-ванный сигнал звуковой частоты поступает на усилитель переменного напряжения, усиливается и после выпрямления подается на исполнительные устройства.

Описания радиолюбительских ФЭУ на ИК-лучах опубликованы в Радио.

Для получения высокой чувствительности приемника ИК-излучения обычно используют входной каскад на полевом транзисторе. В остальных каскадах усиления целесообразно применять ИМС. Хорошие результаты дает применение операционных усилителей (ОУ) с большим коэффициентом усиления, например К140УД7. Для дальнейшего упрощения приемника ИК-излучения нужно применять ОУ К140УД8А, входные каскады которого выполнены на полевых транзисторах. Работоспособность такого приемника сохраняется даже при понижении напряжения источника питания.