Используем светодиод как фотосенсор, схема усилителя для фотодиода на ОУ.

Макет схемы усилителя фотодиода на ОУ TL072

У меня уже давно копошилась идейка опробовать светодиод в качестве фотосенсора - это ведь тот же полупроводниковый диод, в котором разработчиками приложены все усилия, чтобы максимум света от p-n перехода попадало наружу, а следовательно - и в обратном направлении. А тут товарищу срочно понадобилось отчитаться по продвижению проекта фурье-спектрометра. Ему там надо усиливать и оцифровывать сигнал с фотоприёмника. Конечно, у этих физиков всегда всё очень специальное: и фотосенсор у них там на особую длину волны, и облучателем - лазер. В качестве усилителя они желали иметь только самые наиточнейшие ОУ, да ещё и в схеме с автокалибровкой нуля. Но для первого "кукареку" товарищу сгодился бы самый простенький макет фотоприёмника - чтобы было что подать на вход АЦП. Вобщем это был для меня идеальный повод опробовать разные сочетания светодиодов в купе с классической схемой усиления тока фотодиода на недорогом операционном усилителе со входами на полевых транзисторах с p-n переходом.

 

Выбор ОУ

Знакомьтесь: TL072 от TI (datasheet). Этот ОУ долгое время был исключительно популярен, на ряду с NE5532/5534, среди строителей полупроводниковой аудио-аппаратуры. Для своего времени это была действительно передовая технология, сочетавшая низкое потребление, ничтожные входные токи и завидно низкий уровень шумов с относительно невысоким уровнем искажений. Скажу честно, меня  ОУ в звуке как-то вообще не возбуждают, ну да мы сейчас не об этом. Сегодня на рынке доступны и более точные, и менее шумные, и существенно меньше искажающие микросхемы операционных усилителей. Но у всех у них есть один серьёзный недостаток по сравнению с TL072 - существенно бОльшая цена. А если внимательно рассмотреть заявленные параметры для дорогущих собратьев и сравнить с тем, на что способна легенда операционных усилителей TL072, то сразу встаёт вопрос: "а стоит ли переплачивать?"

Для сравнения возьмём пусть и не самый-самый современный, но уже весьма недешевый ОУ от тех же TI OPA129 (datasheet).

  OPA129   TL072
BIAS CURRENT:   100fA max   100pA max
OFFSET:   2mV max   3mV max
DRIFT:   10µV/°C max   18µV/°C max
NOISE:   15nV/√Hz at 10kHz   18 nV/√Hz at 1 kHz

Ну да, TL072 чуточку похуже будет... но зато он во много раз дешевле на сегодня! 🙂 Выбор сделан. Вот, собственно, схема усилителя фототока:

Усилитель фототока на ОУ

Значение R будем подбирать в зависимости от условий. Фильтры по питанию здесь, возможно, не столь необходимы, но для точных измерений и/или шумных и слабых сигналов - всегда хороши.

 

Первый блин - красный-красный

Первым делом я взял два одинаковых красных светодиода на 1.7В, повышенной яркости. Поставил их нос к носу. Излучатель запитал от своего простенького тестового генератора прямоугольных сигналов. Ток через излучатель был порядка 15мА. Сигнал получился очень слабенький. Чтобы разглядеть что-либо дельное на осциллографе пришлось срочно заземлять основание макетки и скручивать сигнальные проводки.

Красный светодиод как фотосенсор, R=4.7МОм

Значение R было равно 4.7МОм, чтобы хоть что-нибудь можно было увидеть на выходе, что в результате гарантировало очень много шума и много наводок 🙁

Такое я не мог предложить ещё не слишком опытному в электронике товарищу в качестве материала для успешного доклада.

 

Сладкая парочка

Настоящее чудо случилось, когда я заменил красный излучающий светодиод на нестерпимо яркий зелёный на 3 вольта: размах сигнала увеличился в 100 раз! Такое уже было легко усиливать и нестыдно показывать.

Потом я опробовал ещё несколько различных комбинаций светодиод-излучатель / светодиод-фотоприёмник. ИК пары как-то не впечатлили - все варианты, что были у меня в наличии оказались много хуже зелёно-красной сладкой парочки. Белые и синие светодиоды в качестве излучателей тоже явно проигрывали зелёному в сочетании с любыми из имеющихся у меня кандидатов в фотоприёмники. Зато вот оранжевый светодиод на 1.7В повышенной яркости выдал аж втрое больший сигнал, будучи освеченным тем же зелёненьким, что и в первом успешном опыте. Вот как выглядел сигнал на экране осцила, R=91КОм:

Светодиоды в оптопаре: оранжевый приёмник и зелёный излучатель

 

Разгоняемся

Далее решено было прицениться к частотным свойствам данного устройства. Под нагрузкой мой генератор выдал чуть больше 80КГц.

Светодиоды в оптопаре на 82КГц

Фронты уже заметно завалены. Видны выбросы перерегулирования от петли отрицательной обратной связи. Но всё ещё красивый сигнал, вполне годный для определённого круга приложений.

 

Рецепт успеха

Если Вам по какой-либо причине понадобилась опто-пара с открытым каналом, а готового фирменного устройства под рукой не оказалось - весьма рекомендую воспользоваться моим только что проверенным рецептом:

  • Яркий 3-х вольтовый зелёный светодиод в качестве излучателя
  • Простенький оранжевый на 1.7В светодиод в качестве фотоприёмника
  • TL071 или что-либо подобное для усилителя
  • Резистор в цепи обратной связи 1 МОм для начала, потом подбираем
  • Аккуратное экранирование и чистое питание

 

Будьте щедрыми!

Если Вам эта тема показалась интересной - буду рад комментариям, вопросам, советам.

Подумайте о своих друзьях: может, кому-нибудь из вашего круга в соц-сети эта статья поможет в написании курсовой или продвижении домашнего проекта по робото-строению? Поделитесь ссылкой прямо сейчас!

С ярким приветом 🙂

Комментарии ВКонтакте

13 thoughts on “Используем светодиод как фотосенсор, схема усилителя для фотодиода на ОУ.

  1. Очень доходчиво написано. А насчет соотношения цена/качество — абсолютно верно. Совершенно ни к чему анатомические сиденья с сервоприводом в УАЗ Патриот, чтобы переехать вброд речку. Так же вряд ли нужна пятизвездочная гостиница с конференц залом и космической связью, если используешь ее только для ночлега. Может не в тему, но почему-то зацепило.

    • Спасибо, Алексей, за похвалу 🙂
      Разумный выбор компонентов — весь опыт инженера за это «голосует». А всякие там идеалисты — пускай их в пятизвёздочных отелях ночуют.

      Кстати, по теме Вашего сайта: мы нынче в прогулках по Бельгии и Франции останавливаемся исключительно в т.н. «житах» (Gîtes de France / de Wallonie). Дешевле, чем в отелях, и _всегда_ очень душевно.

    • Людмила, так это же просто здОрово! На самом деле, пройдя весьма длинный путь в моей профессиональной карьере, могу со всей ответственностью подтвердить, что для 99% качественных, грамотных электронных разработок нужны лишь знание физики в объёме [советской] школы + море энтузиазма и любознательности. И читать, думать, читать, экспериментировать, иногда считать, и сравнивать и тестировать…
      Спасибо!

  2. С праздником всех!
    Пасха, Пасха, праздник светлый!
    Всюду радости приметы,
    Счастье светится в глазах,
    Солнце светит в небесах.
    Пенье раздаётся звонко,
    Солнца свет и смех ребенка.
    И в сердечке у меня
    Гимны светлые звенят.
    И от края и до края
    Счастье, о котором знаем.
    Пасха! Пасха! Гость небес!
    Все кричат: «Христос воскрес!»

    • Спасибо Оленька!
      Всех с Праздником!
      Тема Вашего сайта затрагивает, похоже, практически всех. Слава Богу в моей симье эта проблема не известна. Но, отправлю ссылку другу своему, надеюсь, заставит его задуматься чуть больше.

  3. Огромадное спасибо за изложенный материал, пригодилось как подсказка для дальнейшего развития и удешевления изделия (оптическая рамка — ловушка для кузнечного пресса) я применял вместо TL072 КР574УД2. Продолжайте в том же духе, очень понятный и доступный язык.

    т.к. на большинстве сайтов по радиорахитизму, присутствуют спортсмены супертяжи которые изъясняются так что даже конструкторы изделий себя чувствуют новичками.

    • Спасибо, Николай,
      над сайтом много ещё работы предстоит…

      Повеселило слово «радиорахитизм» 🙂

      Теперь Ваша очередь нас всех тут образовывать и просвещать: что за оптическая рамка, какая ловушка нужна прессу? Может расскажете народу, когда всё заработает как надо?

      кр574уд2 — в своё время, когда кроме магазина «электроника» да «тучи» не было других поставщиков компонентов и я их для чего-то использовал. Но на сегодня это уже динозавр колченогий какой-то 😉

  4. Скажите, почему не использовали фотоэлементы нужной длинны волны.
    Простой светодиод внесет больше искажений, чем тот же фотодиод.

    • Никита — это был пробный проектик, из любопытства. Удивило сочетание светодиодов и такая разница в чувствительности. Конечно если бы делал что-то серьёзное, то взял бы что-либо из специально предназначенных фоточувствительных элементов, а то и готовую оптопару…

  5. Тестировал ли кто-нибудь быстродействие таких фотодетекторов?

    Возможно ли получить таким образом детектор со временем нарастания около 100пикоСекунд?

    • Евгений, приветствую!
      Навскидку вот что попалось в сети: http://www.vishay.com/docs/81564/temd1000.pdf. Время нарастания / спада — 4 наносекунды. Всяческие фототранзисторы уже в тысячу раз медленней. Наверное не зря быстродействующие электрические изоляторы всё-же делают не на оптопарах, а на трансформаторах, емкостной связи и прочих радиоволнах.

  6. Вспомнилось, как в 80-х от нечего делать стал смотреть цифровым вольтметром сигнал от засвеченных оконным светом светодиодов.Какие-то единицы-десятки мв сменились вдруг совершенно ломовым уровнем, что-то там…600 милливольт от самого неказистого красного диода с мутной, как огуречный рассол, линзой.
    Поэтому всё написанное в статье- истина! Верю, аксакал!

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *