Фоторезисторы и их измерительные цепи

Фоторезисторы представляют собой однородную полупроводниковую пластину с контактами, которая при освещении уменьшает своё сопротивление в результате внутреннего фотоэффекта. Спектральные характеристики фоторезисторов представлены на рисунке 7.8 и определяются свойствами используемых полупроводниковых материалов.

Вольтамперные характеристики фоторезисторов линейны в пределах допустимых мощностей рассеяния. Световая характеристика фоторезистора линейна только при малых уровнях светового потока, практически до освещённости 200…300 лк (рис. 7.9).

При применении фоторезисторов необходим фильтр, позволяющий ограничить чувствительность датчика в области частот, близких к инфракрасному диапазону. Без такого фильтра изменения насыщения крови кислородом, которые наиболее выражены в видимой части спектра, приводят к изменению чувствительности датчика.

Рис. 7.8. Распределение спектральной чувствительности различных.

фоторезисторов.

Рис. 7.9. Чувствительность фоторезистора.

Измерительные цепи фоторезисторов строятся с использованием как постоянного, так и переменного напряжения питания. Допустимое напряжение питания определяется допустимой мощностью рассеяния исопротивлением максимально освещённого фоторезистора как U < ^/Рдоп • Р_осв. Наиболее распространённой является мостовая цепь. При выборе элементов мостовой цепи следует иметь в виду, что сопротивление фоторезистора меняется очень существенно, а измерительная цепь может внести дополнительную нелинейность. Пример измерительной цепи с операционным усилителем показан на рисунке 7.10. Выходное напряжение усилителя Н_вых = -EG_l / G₂ пропорционально отношению проводимостей фоторезисторов дифференциального преобразователя. В схеме рисунка 7.10 возможна замена одного из фоторезисторов резистором R₀, тогда Н_вых = -Е • R₀ / R_x или ?/_вых = -Е • R₂ / R₀.

Рис. 7.10. Измерительная цепь фоторезистора.

Фотометрический датчик

Фотометрический датчик часто называют люксметром, указывая тем самым, что он измеряет параметры светового излучения. Измерение параметров светового излучения является очень сложной задачей, особенно если отсутствует чёткое представление о том, что и каким образом надо измерять. Даже в самых серьёзных лабораториях иногда могут быть получены обескураживающие результаты из-за того, что при измерениях пренебрегли оформлением чёткого протокола.

Надо знать, что основной величиной в фотометрии является сила света источника излучения, измеряемая в канделах (кд). Люкс (лк), более известная единица, на самом деле является единицей измерения освещённости, а это принципиально разные величины.

Для получения освещённости в один люкс экран площадью один квадратный метр должен быть расположен на расстоянии одного метра от точечного источника излучения, однородно излучающего свет во всех направлениях (сила света составляет одну канделу). Строго говоря, экран должен иметь форму сферического сегмента площадью один квадратный метр, а не плоского квадрата со сторонами в один метр. В таком случае каждая точка экрана будет расположена на одинаковом расстоянии (1 м) от источника. Это важно, так как освещённость изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния от источника.

В указанных условиях область пространства, ограниченная прямыми, которые соединяют источник с линией, образующей периметр экрана, представляет собой «телесный угол» в один стерадиан и заключает световой поток в один люмен. Следовательно, освещённость в один люкс соответствует световому потоку в один люмен, падающему на один квадратный метр площади. Освещённый подобным образом экран будет отражать по меньшей мере часть падающего на него света. Таким образом, он обладает некоторой яркостью, выражаемой в канделах на квадратный метр — единицах, называемых нит (нт). Именно эту яркость измеряют экспонометрами в фотографии, тогда как люксметрами измеряют количество света, падающего на поверхность (например, на рабочий стол).

Связь между этими двумя величинами весьма сложна, поскольку основана на отражающих свойствах экрана и зависит от его альбедо (белизны) — величины, характеризующей способность тела отражать падающий на него световой поток, а также от угла наблюдения экрана. К примеру, в фотографии обычно предполагают, что «средний» объект отражает не более 18% падающего на него света.

В таблице 7.1. приведены некоторые величины освещённости, получаемые определённой поверхностью в различных природных условиях и используемые при калибровке фотометрического преобразователя.

Таблица 7.1

Реперные точки фотометрии.

Можно убедиться, что динамический диапазон освещённостей достаточно велик.

В таблице 7.2 приводятся соотношения между основными единицами яркости, применяемыми на практике.

Как с инженерной точки зрения, так и с точки зрения практической электроники все фотометрические измерения производятся с помощью фотоэлектрической ячейки. Однако когда из результатов этих измерений, полученных в вольтах, нужно получить величины силы света, освещённости, светового потока или яркости, надо подходить к этому с точки зрения физика.

Таблица 7.2

Соотношение между основными единицами яркости.

Один из самых простых фотометрических датчиков — это фотодиод. Если его включить как фотовольтаическую ячейку, то его ток короткого замыкания будет почти прямо пропорционален освещённости. Значит, он в полном смысле является люксметром. Но всё не так просто, поскольку следует учитывать спектральную чувствительность фотодиода.

PIN-фотодиод из монокристаллического кремния, например широко распространённый элемент BPW34, имеет максимальную чувствительность в красной и инфракрасной областях спектра. Это значит, что для применения такого типа ячейки в прецизионной фотометрии надо предусмотреть специальный сине-зелёный фильтр. Фотоэлементы на основе аморфного кремния, напротив, имеют спектральную чувствительность, очень близкую к чувствительности человеческого глаза (как общепринятого эталона). В таких случаях говорят, что датчик и человеческий глаз «фототипичны». Из подобных элементов строятся ячейки солнечных батарей, которые обычно предназначены для использования в системах электропитания малой мощности, но эти фотоэлементы также могут быть отличными фотометрическими датчиками.

Несмотря на ощутимую разницу в размерах, фотодиод BPW34 и самая маленькая из ячеек SOLEMS имеют сопоставимую чувствительность. Так, при освещённости 1000 лк BPW34 формирует ток короткого замыкания около 65 мкА, а ячейка SOLEMS 05/048/016 — около 95 мкА.

Различие заключается в том, что батарея SOLEMS состоит из пяти обычных диодов, включённых последовательно, что позволяет увеличить генерируемое ею напряжение. При коротком замыкании напряжения нет вовсе, тогда как отдаваемый ток определяется элементом батареи с наименьшей площадью (в среднем около 1,2 см²).

Отметим, однако, что фотодиод BPW34 имеет гораздо большую эффективность преобразования, так как указанные характеристики достигаются при площади чувствительного слоя всего в 7 мм².

Таким образом, применяя нестандартную схему подстройки, в нижеописанном устройстве можно использовать и фотодиод BPW34 (производства компании Siemens или Centronic), и солнечную батарею SOLEMS. Последний вариант более предпочтителен при измерениях освещённости, результат которых, выраженный в люксах, должен быть точным, a BPW34 — в случаях, когда нужен датчик очень маленьких размеров (в частности, при измерениях оптической плотности).

При условии работы с монохроматическим излучением (красный светодиод, полупроводниковый или иной лазер) люксметр позволяет определять светопередачу любого полупрозрачного объекта (фильтр, пластмассовая плёнка, определённая область на фотонегативе и т. п.). Достаточно отрегулировать измерительную цепь так, чтобы обеспечить индикацию светопередачи, равную 1,00 при прямой видимости, и тогда после размещения объекта между источником света и фотодиодом с индикатора можно считывать непосредственно показания уровня светопередачи.

Используя полученный результат, легко рассчитать оптическую плотность светового потока: она с точностью до знака равна десятичному логарифму величины светопередачи.

Принципиальная схема люксметра, приведённая на рисунке 7.11, повторяет классическое схемное решение, описанное в различных руководствах по применению операционных усилителей.

Рис. 7.11. Принципиальная схема люксметра.

Разность напряжений на входах дифференциального усилителя всегда близка к нулю, следовательно, фотодиод работает в режиме короткого замыкания. При этом входной ток усилителя также имеет очень малую величину, что определяется высоким входным сопротивлением, а ток через резистор обратной связи равен по величине току фотодиода, но противоположен по направлению.

Выходное напряжение каскада U в таком случае будет определяться как U = R? I, где R — сопротивление резистора в цепи обратной связи, а I — фототок, формируемый фотодиодом.

С учётом коэффициента усиления второго каскада, регулируемого в пределах от 1 до 11, четыре переключаемых резистора в цепи обратной связи первого каскада позволят успешно перекрыть пределы 50, 500, 5000 и 50 000 лк при выходном напряжении 5 В. Естественно, эти величины могут быть переопределены пользователем — путём изменения либо номиналов резисторов, либо коэффициента усиления второго каскада.

Заметим также, что при уровне освещённости выше 10 000 лк линейность характеристики фотодиода BPW34 производителем не гарантируется, а параметры ячейки SOLEMS не специфицируются при освещённости выше 100 000 лк. Вероятно, это уровень, соответствующий началу насыщения. Поэтому при уровнях освещённости выше 50 000 лк рекомендуется применять серый фильтр известной плотности и соответствующим образом программно корректировать результат измерений.

Рассматриваемое устройство питается от простой гальванической батареи 9 В, так как микросхема LM358 специально рассчитана на работу от однополярного источника.

На рисунке 7.12 показана топологическая схема печатной платы фотометрического датчика. По размерам плата сравнима с указанной гальванической батареей.

Рис. 7.12. Топологическая схема печатной платы фотометрического датчика.

Монтажная схема устройства представлена на рисунке 7.13, а его внешний вид с установленными элементами — на рисунке 7.14.

Рис. 7.13. Монтажная схема фотометрического датчика.

Рис. 7.14. Внешний вид фотометрического датчика.

На плате предусмотрено место для установки фотодиода BPW34. При установке необходимо соблюдать указанную полярность, которая на первый взгляд может показаться неправильной, но это ошибочное мнение. При таких размерах платы и предложенном способе монтажа батарея SOLEMS на плате разместиться не может. Если решено использовать в качестве фоточувствительного элемента эту батарею, то подключать её надо при помощи двух проводов длиной около 10 см, приклеенных специальным проводящим клеем к двум металлизированным контактам на задней стороне ячейки.

Несмотря на рекомендации производителя компонентов, категорически не советуем использовать пайку оловом!

Для подключения датчика к АЦП и к выводам гальванической батареи предусмотрена соединительная колодка, но провода можно и припаять. Блок перемычек, удобный при нечастой смене пределов, при необходимости заменяется на галетный переключатель.

Перед выполнением серьёзных измерений устройство должно быть откалибровано методом сравнения с показаниями люксметра высокого класса точности. Но есть множество интересных задач, котрые не требуют строгой калибровки, однако предполагают наличие у датчика высокой линейности преобразования, которой как раз обладает рассмотренное устройство. Сюда относятся, например, измерения оптической плотности или контраста, а также регистрация изменений освещённости за определённые промежутки времени.