ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК НА ФОТОДИОДЕ
Опубликовано: 27.08.2018
Данная статья представляет собой обзор перспектив применения каскодного усилителя для согласования фотодиодного датчика с длинным кабелем. Задача стояла изготовить оптический датчик, подключающийся к тахометру с помощью коаксиального кабеля. Тахометр применен опытно-промышленного изготовления, поэтому его в данной статье рассматривать не будем.
Высокое качество оригинал 5 В модуль фотодиод релейный модуль оптический датчик обнаружения света
Недостатки классических подходов
Для начала вспомним как работает фотодиод: при внешнем освещении он начинает вырабатывать небольшой фототок, порядка сотни наноампер. Затем этот ток либо усиливается и передается, либо наоборот, передается и в приемнике усиливается. Первый подход требует отдельного источника питания, а это, в свою очередь, вынуждает применять трехпроводные кабели и разъемы.
Да и сам усилитель, даже будучи собранным на SMD, занимает ценное пространство пробника и, скорее всего, потребует применение печатной платы, что неудобно. Второй подход порождает иные проблемы. Подключив фотодиод к длинному кабелю, можно столкнуться при передаче с наводками и утечками, а если вход у прибора высокоомный, то и с емкостью самого кабеля, которая ограничит частотный диапазон работы. Данный способ имеет право на жизнь, если соединительная линия имеет небольшую длину и в приемном устройстве применяется приличный усилитель. В нашем же случае на такой усилитель рассчитывать не стоит. А учитывая и то, что тахометр эксплуатируется в условиях сильных электромагнитных помех, такой подход просто неприменим. Тут требуется иное решение.
Преимущества каскода
Каскод представляет из себя усилитель на паре транзисторов, включенных по схеме преобразователь напряжение-ток и ток-напряжение. Ветвь ток-ток при этом находится под неизменным напряжением, и если в разрыв ветви вставить длинный кабель, то не будет происходить перезаряд его емкости. Утечки и помехи также становятся незначительными, за счет сравнительно большого протекающего тока, что в результате позволяет применить кабель практический любой длины. Из недостатков схемы можно указать, что такой каскод требует для работы довольно высокого напряжения питания, от 9 В и выше. Можно заставить его работать и от 5 вольт, но будет это не просто и, возможно, повлечет серьезное изменение схемы.
Описание схемы
Сам пробник состоит из фотодиода, резистора нагрузки сопротивлением 1 МОм, разделительного конденсатора, резистора утечки 3.3 МОм и транзистора Т1. Фотодиод при освещении начинает выдавать ток, который протекает по резистору нагрузки, тем самым создавая на нем падение напряжения. Это напряжение уже можно подавать на затвор транзистора Т1.
После некоторых попыток подать на фотодиод смещение, было выяснено, что заметного улучшения чувствительности это не приносит, зато проблем добавляет массу, поэтому от смещения решено было отказаться. Поскольку тахометр работает исключительно по перепадам светового потока, то целесообразно сделать его устойчивым к внешней засветке. Для этого применен разделительный конденсатор,и так как оставлять висящий в воздухе по постоянному току затвор нельзя, применен резистор утечки 3.3 МОм.
Для увеличения чувствительности можно несколько увеличить сопротивление первого резистора, но не сильно, при напряжении на фотодиоде выше 0,2 В резко начинает сказываться нелинейность последнего. Но, если работа предполагается в сильном затемнении, то можно спокойно увеличивать сопротивление даже в пять раз. Разделительный конденсатор и резистор утечки представляют собой фильтр ВЧ, и его номиналы могут быть выбраны в зависимости от требуемой минимальной рабочей частоты. А при работе в статическом режиме, например, в датчике освещения, данные элементы можно вообще не устанавливать. Также следует иметь ввиду, что сопротивление резистора утечки должно быть больше резистора нагрузки.
Далее напряжение, свободное от постоянной составляющей, подается на затвор полевого транзистора Т1, который преобразует его в ток, пригодный для передачи по кабелю.
В приемной части на транзисторе Т2 собран преобразователь ток-напряжение. Стабилитрон на 3.6 В стабилизирует потенциал на базе транзистора Т2. На эмиттере Т2 и стоке Т1 будет примерно на 0,6 вольт меньше, то есть в районе 3 вольт. Нагрузкой транзистора Т2 служит резистор 1.2К*, его сопротивление зависит от напряжения питания, напряжения на стабилитроне и начального тока стока транзистора Т1. Начальный ток стока применяемого транзистора оказался 3 мА, напряжение питания 9.5 вольт.
Напряжение коллектор-база должно быть минимум 2 В, а сопротивление нагрузки (для получения максимального усиления) как можно больше. При напряжении на коллекторе в районе 6 вольт, на резисторе остается 9,5-6=3,5 вольта, что при токе 3 мА дает сопротивление чуть меньше 1,2 ком. Так как, чем больше это сопротивление, тем больше усиление каскада, то нужно стремиться его увеличить. Раз напряжение питания задано, а уменьшать напряжение на транзисторах нельзя, остается подбирать транзистор Т1 с наименьшим начальным током стока и максимальной крутизной. При этом коэффициент усиления каскада будет небольшим, примерно 1...2.
Выходной сигнал снимается с коллектора транзистора Т2. На транзисторе Т3 собран усилитель, который является частью тахометра и служит для согласования каскода с логикой схемы.
Резистор, отмеченный двумя звездочками, задает начальную точку Т3 и подбирается под конкретный транзистор по наивысшей чувствительности срабатывания.
Те, кого транзисторная схемотехника страшит или усиления в несколько раз не хватает, могут поставить операционный усилитель. В данном варианте схемы усиление определяется всего одним резистором обратной связи.
Конструкция
Пробник собран в корпусе от разъема BNC на фотодиоде ФД265А и транзисторе КП303Д. Транзистор Т2 вовсе со стертой маркировкой, но к нему не предъявляется никаких особых требований, разве что чтобы статический коэффициент передачи тока был не сильно мал, от 50 и выше. Полевой транзистор тоже можно применять любой марки нужного типа проводимости, желательно отобранный по начальному току и крутизне.
Данная схема была проверена на работу на коаксиальный кабель длиной 20 метров и не вызвала никаких нареканий. Автор материала - SecreTUseR .
Форум по фотоэлементам
Обсудить статью ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК НА ФОТОДИОДЕ