Существует большое количество датчиков. У каждого их вида разная логика работы. Они реагируют на различные величины и физические явления. Световые датчики применяются во многих устройствах, включая приборы автоуправления освещением, сигнализации, системы охраны, блоки электропитания. Далее, рассмотрим один из них – это фотодиод, принцип работы которого позволяет преобразовывать свет в электрозаряд. Чтобы лучше разобраться с логикой действия этой фоторадиодетали, рассмотрим сначала более точное определение и структуру такого фотоприемника. Дочитав до конца, познакомитесь также со структурой, режимами работы и особенностями выбора фотодиодов по характеристикам.
Определение фотодиода
Для обозначения фотодиода в текстах используют аббревиатуру ФД. Эта радиодеталь представляет собой полупроводниковый элемент, являющийся все тем же диодом, пропускающий электроток исключительно в одном направлении и имеющий p-n переход. Однако для изготовления ФД используется материал, у которого меняются качества, когда на него влияет оптическое излучение. Это способствует запуску процессов по образованию электрического тока.
При отсутствии света фотодиод находится в спокойном состоянии. В этом случае у ФД такие же качества, как и у простого диода. Однако после попадания инфракрасного или ультрафиолетового излучения на чувствительную часть этот приемник начинает реагировать. В результате происходит преобразование ИК или УФ-потока в электроток.
На заметку! В схемотехнике используют различные световые датчики, у которых в названии имеется приставка «фото». Эти радиодетали необходимо различать между собой.
Реже фотодиод называют фотогальваническим приемником оптического излучения. Этот элемент с высокой светочувствительностью имеет структуру полупроводника, но в нем отсутствует внутреннее усиление.
Если кратко выражаться, то отличительную суть фотодиода можно выразить несколькими словами – фотогальванический приемник, превращающий световой поток в электроток. В то же время широко использующиеся фототранзисторы представляют собой радиодетали, в корпусе которых находится одновременно и фотоэлемент, и транзистор. На открывание последнего элемента влияет количество поступающего света. Фототранзисторы используют, чтобы по отдельности не применять фотоэлементы и транзисторы. Объединенную деталь включают в схему, когда подходят ее параметры.
Другими часто используемыми радиодеталями являются фоторезисторы. С их помощью меняется сопротивление. На этот главный параметр влияет степень освещенности.
На заметку! Перечисленные фоторадиодетали нередко используют для одинаковых целей. Однако их схемы станут различаться в зависимости от принципа действия этих элементов.
Как изображаются на чертежах различные радиодетали тоже нужно знать. Фотодиод на схеме обозначается с двумя стрелками, которые направлены к этому элементу. Такое графическое изображение является логичным. Ведь данная радиодеталь воспринимает свет.
При разработке схем нередко светодиод используется вместе с фотодиодом, чтобы активировать работу этой самой фоторадиодетали. Элементы устанавливаются напротив друг друга. После включения световой поток попадает на светодиод. В результате происходит его активация. Потом сигнал от светодиода передается исполнительной детали. Этот принцип используется в разных приемниках инфракрасных сигналов, пультах дистанционного управления, сигнализациях лазерного типа.
На основе изложенного получается, что фотодиод способен преобразовывать свет, который попадает на его высокочувствительный элемент, в электрический заряд. Этому способствуют процессы во время перемещения частиц, транспортирующих заряд. Выполняются такие действия на атомном уровне, когда облучается p-n участок. Эти процессы возникают, потому что изменяются свойства используемых материалов, из которых изготавливаются полупроводники.
Отличается фотодиод от фоторезистора тем, что последний элемент способен менять проводимость, когда транспортировщики заряда начинают двигаться. ФД же преобразовывает свет в электроток на участках, где смыкаются p-n переходы.
Структура фотодиода
У светодиода и фотодиода практически одинаковая структура. Однако у фотоэлемента имеется окошко, через которое попадает свет на его чувствительный компонент. Конструкция такой радиодетали еще состоит из следующих частей:
корпуса; отражающей полости; положительного полиса – анода; подставки-основы плоской формы; проводника из проволоки; полупроводникового перехода; линзы, через которую направляется поток света обычно под 90° относительно p-n перехода; отрицательного полюса – катода; выводной рамки; светочувствительного материала.
На заметку! Анод и катод в фотодиоде – это электроды для подключения.
Фотогальванические приемники выпускаются с разным внешним видом. Если они выполнены в черном цвете, тогда такие фотоэлементы воспринимают исключительно инфракрасное излучение. Черная радиодеталь обладает свойством, которое имеет тонировка. Благодаря покрытию черного цвета происходит фильтрация инфракрасного спектра. Поэтому фоторадиодеталь не срабатывает на излучения, источниками которых являются другие спектры.
Для изготовления фотоприемника применяют такое сырье, как полуметалл германий и соединения в виде арсениды галлия индия, кремния, арсениды галлия. От используемого материала зависит способность фотогальванической радиодетали регистрировать оптический, инфракрасный или ультрафиолетовый поток света.
Принцип действия фотодиода
Основой работы диодного фотоприемника является внутренний фотоэффект. Так, в полупроводнике возникают из-за воздействия потока света неравновесные свободные электроны и дырки. Именно они становятся причиной появления фотоэлектродвижущей силы. При этом дырки представляют собой атомы, у которых имеется свободное пространство для электронов.
Если использовать простые слова, тогда у фотополупроводника следующий принцип работы:
когда свет попадает на p-n-переход, световые кванты поглощаются с одновременным возникновением фотоносителей; в зоне n свободные электроны, являющиеся фотоносителями, устремляются к запирающему слою, где происходит их деление из-за воздействия электрического поля; дырки переходят в p-область, а свободные электроны скапливаются в n-зоне или рядом с запирающим слоем; атомы со свободным пространством для электронов выполняют положительную зарядку зоны p, а свободные электроны отрицательно заряжают область n, из-за чего возникает разность потенциалов; с усилением освещенности возрастает обратный электроток.
Когда фотополупроводник размещен в темноте, тогда он обладает такими же свойствами, как и простой диод. Если использовать тестер для прозвона во время отсутствия света, отображаемый результат на измерительном приборе будет схож с цифрами при тестировании обычного полупроводника.
На заметку! Когда прозванивание выполняется в обратном направлении, стрелка тестера не сдвигается с нуля. Если же прозвон осуществляется в прямом направлении, тогда измерительный прибор показывает небольшое сопротивление.
Видео описание
В видеоматериале рассказывается о принципе и режимах работы полупроводникового фотоприемника:
Режимы работы фотодиода
Вид и применение фотодиода зависит от режима его работы. Существует два способа функционирования фотополупроводника, когда он способствует преобразованию света в электроток:
Преобразовательный режим.
Это фотовольтаический способ работы фотодиода. В этом режиме применяется электроисточник питания, способный сместить фотополупроводник в противоположное направление. Итогом этого становится то, что через фотоприемник начинает течь обратный электроток. Он пропорционален поступающему свету на фотодиод. До того, как наступит пробой на данный электроток почти не влияет приложенное обратное напряжение.
Преобразовательный режим работы позволяет управлять различными приборами. Его используют, например, при организации освещения, которое выключается автоматически, как только восходит солнце. Если отсутствует излучение, тогда фотополупроводник становится простым диодом. В темное время суток через него свободно проходит электроток. Однако в дневное время он запирает его движение.
Генераторный режим.
Это фотогальванический способ функционирования фотополупроводника. В данном режиме работа фотоприемника осуществляется без наружного электроисточника питания. Фотогальванический способ позволяет функционировать фотодиоду как датчику. В этом режиме фотополупроводник может еще работать в качестве прибора электропитания, например, как солнечная батарея. Такая возможность появляется из-за воздействия светового потока, что приводит к появлению напряжения на выводах фотоприемника. При этом на величину данной характеристики электроцепи оказывает влияние нагрузка и излучение.
На заметку! Фотодиод в качестве небольшой солнечной батареи применяется в автономных осветительных приборах и калькуляторах. Более масштабные конструкции используются при организации систем, которые обеспечивают электрической энергией целые частные дома и другие подобные объекты.
Видео описание
В этом видеоролике рассказывается об устройстве, двух режимах работы и разновидностях фотополупроводника:
При работе в преобразовательном режиме фотодиод является ключом, который регулируется световым потоком. Для этого фотоприемник подключают в электроцепь при прямом его смещении. Другими словами, катод фотополупроводника подсоединяют к плюсу, а анод – к минусу. Когда отсутствует свет, протекает исключительно обратный электроток. Он называется темновым. Если же имеется световое излучение, тогда добавляется фотоэлектроток. Он зависит исключительно от уровня потока света. С увеличением излучения фототок становится мощнее.
Для вычисления силы фототока применяют формулу, которая имеет следующий вид:
I ф. н. = k × Ф, где:
Ф – поток света;k – интегральная чувствительность.
Когда фотоприемник работает в фотовольтаическом режиме, напряжение смещает диод в обратную сторону. Фотоэлектроток, который образуется во время освещения, представляет собой также и функцию мощности света.
Во время же фотогенераторного режима фотоприемник начинает создавать фотоэлектродвижущую силу. Проще говоря, когда излучение попадает на p-n-переход, на выходе фотодиода образуется напряжение, которое пропорционально интенсивности светового потока.
Преобразовательный способ функционирования чаще всего используется, чтобы оперативно запитать электроприборы. У фотодиодного алгоритма работы следующие преимущества:
повышенное восприятие оптического светового излучения; высокое быстродействие; широкий динамический охват.
Видео описание
С определением фотодиода и фототока, а также с основными характеристиками и простыми схемами включения фотополупроводника поможет познакомиться этот видеоматериал:
Кроме достоинств, у преобразовательного режима существует существенный минус – это возникновение шумового электротока, который протекает через подключенную нагрузку. Чтобы уменьшить уровень шума, выполняют охлаждение фотодиода до температуры примерно -10 ℃. Однако такой способ снижения звукового эффекта является затратным вариантом. По этой причине в некоторых случаях, когда требуется обеспечить бесшумную работу, выбирают гальванический режим функционирования.
На заметку! Во время фотовольтаического режима электроисточник питания подключается с обратной полярностью. В этом случае фотодиод осуществляет функцию сенсора уровня освещения.
Выбор фотодиодов по характеристикам
Спецификация фотодиодов позволяет узнать их параметры. Во время подбора фотоприемников обращают внимание на следующие характеристики таких фотополупроводников:
рабочее напряжение, В; темновой электроток, мкА; наибольшее обратное напряжение, В; площадь светочувствительной области, мм²; интегральная чувствительность, мкА/лм.
Если собирается несложная электроцепь, например, для реле света или инфракрасного приемника, тогда основные характеристики фотодиодов можно не учитывать. Лучше обратить внимание на советы профессионалов относительно выполняемой сборки и приобрести конкретный фотополупроводник.
Видео описание
Как работает фотодиод, рассказывается в этом видеоролике:
Коротко о главном
Фотодиод – полупроводниковая радиодеталь, способная пропускать электроток исключительно в одну сторону и оснащенная p-n переходом. Материал этого элемента меняет свои качества при воздействии излучения. В результате происходит образование электротока.
Состоит фотодиод из корпуса с окошком для проникновения светового потока, отражающей полости, анода, плоской основы, полупроводникового перехода, проводника из проволоки, линзы, катода, чувствительного элемента и выводной рамки.
У фотодиода принцип действия заключается в том, что при наличии света происходит поглощение фотонов. Это порождает пары из свободных электронов и дырок. При этом накопление электронов и дырок происходит по разные стороны от p-n-перехода. В итоге образуется разность потенциалов. Поэтому появляется электроток.
Работать фотоприемник может в преобразовательном или генераторном режиме. Подбор же фотодиода выполняется с учетом его основных параметров, к которым относится рабочее напряжение, размер светочувствительного участка, наибольшее обратное напряжение, темновой электроток и интегральная чувствительность.