Скачать предварительный усилитель с фотодиода. Исследование принципов взаимодействия усилителя и фотодиода. преобразование тока фотодиода в напряжение. Борьба с помехами, вызванными внешними воздействиями

Cтраница 1

Усилитель фототоков питается постоянным током с непосредственной гальванической связью между каскадами; для него необходим незаземленный источник опорного напряжения на 9 в. Для этого собран выпрямитель, который питается от обмотки трансформатора Tpl. Все цепи выпрямителя имеют хорошую изоляцию относительно земли и экранировку от остальных узлов схемы. Напряжение, подаваемое на ЭПС-134, стабилизируется кремниевым стабилитроном Д-809, стабильность которого выше батарей КБС-Л-05, применяемых в ОФ-4. Rs регулируются в соответствии с режимом стабилитрона.  

Усилители фототоков по типу применяемых усилительных элементов подразделяются на тиратронные, ламповые, полупроводниковые и магнитные. Наибольшее практическое применение получили ламповые усилители, так как они обладают стабильными характеристиками и обеспечивают четкую работу фотореле в самых жестких эксплуатационных условиях.  

Особенности усилителя фототоков: наличие вибрационного преобразователя постоянного фототока в сигнал переменного тока частотой 400 гц; применение входного трансформатора, вторичная обмотка которого вместе с конденсатором С9 образует резонансный контур, настроенный на частоту 400 гц, для выделения синусоидальной составляющей сигнала; применение трехкаскадного усилителя, собранного на сопротивлениях по двухтактной схеме на пальчиковых лампах 6Н2П; применение выходного трансформатора Тр3, напряжение со вторичной обмотки которого подается на управляющую обмотку двигателя ДИД-05.  

В качестве усилителей фототоков наиболее широкое применение получили электронные усилители, так как они обладают стабильными характеристиками и обеспечивают четкую работу фотореле в самых жестких эксплуатационных условиях.  

В качестве усилителей фототоков наиболее широкое практическое применение получили электронные усилители, так как они обладают стабильными характеристиками и обеспечивают четкую работу фотореле в самых жестких эксплуатационных условиях.  

Применение в рассмотренной схеме усилителя фототоков полностью устраняет указанный недостаток. В других вариантах описанного фотореле все элементы его, кроме реле Р, сохраняются, а вместо последнего подключается ] усилитель. Таким образом можно повысить мощность исполнительного реле, сохранив все остальные параметры фотореле.  

Фототранзисторы выполняют роль фотодиода и усилителя фототока. Конструктивно и по принципу действия фототранзистор аналогичен плоскостному биполярному транзистору.  

Фототранзистор совмещает функции фотодиода и усилителя фототока. При освещении области в ней образуются электронно-дырочные пары, которые диффундируют к эмиттеру и коллектору, увеличивая ток последнего.  

Каждый фотодиод и относящийся к нему усилитель фототока (на рис. 341 б - УФ 1 и УФ2) управляет только своим электродвигателем. Между фотодиодами установлена светонепроницаемая перегородка, позволяющая освещать фотодиоды раздельно.  

Ремевиый коэффициент усиления; б - усилитель фототока; в - источник тока; г - смеще - е Дифференциального усилителя, обеспечивающее нулевой температурный дрейф коэффициента вых еНИЯ; - детектор положительных пиковых значений; е - детектор отрицательных пико - Гкг, 2Иачении; ж - - схема управления током; з - высоковольтная схема для плавающей нагрузки щийффициент Усиления равен 22 для обоих ОУ: С / Э5В, С / - 35В); и - - быстродействую-ила логарнфмический преобразователь; к - логарифмический преобразователь с температур он компенсацией.  

ФОТОЭЛЕКТРОННЫЙ УМНОЖИТЕЛЬ (ФЭУ), усилитель слабых фототоков, действие к-рого основано на вторичной электронной эмиссии.  

Фотореле состоит из фотоэлемента Ф, усилителя фототока, в качестве которого используют вакуумный триод Т, и электромагнитного реле ЭМР, включенного в анодную цепь триода.  

Устройство слежения за движущимся источником света

• DIY или Сделай сам

Сегодня я решил написать об одном интересном проекте, которым занимался в свободное от учебы время.

Суть устройства проста - есть матрица фотодиодов (в данном случае 4, но можно и больше) которая регистрирует свет от какого-то источника, который может перемещаться. Естественно, количество света, падающее на каждый фотодиод в отдельности различно.

Устройство должно определять расположение в пространстве источника света, который перемещается.Это основная цель. То есть необходимо программно решать задачу многомерной корреляции между вектором интенсивностей и вектором местоположения источника света.

Общая схема показана на рисунке выше. В нашем случае всего 4 фотодиода. Сигнал с фотодиодов усиливается и поступает в микроконтроллер ATMega16. Микроконтроллер формирует пакет с данными и отправляет его с частотой 1 Гц по USART(COM порт). Со стороны компьютера работает программа, написанная на Lazarus (FreePascal), которая считывает с порта данные, и проводит анализ с помощью свободной нейросетевой библиотеки, затем выдает результат о местоположении источника света.

Это было краткое описание, а теперь детали.

1) Подключение фотодиодов

Здесь приведена простая схема подключения фотодиода к операционному усилителю, схема конвертера малого тока в напряжение, можно найти в любой книге по схемотехнике.

Падающий свет вызывает фототок, схема линейна (до насыщения), в отличии от схемы со смещением. Ток почти не течет в инвертирующий вход, и поэтому напряжение на выходе определяется как U=I*R1.

Очень хорошая статья про фотодиоды и усилители написана сотрудником Texas Instruments Philip C. D. HOBBS«Усилители для фотодиодов на операционных усилителях». Рекомендую всем заинтересованным.

Мной использовались высокоскоростные PIN фотодиоды, BPW34. У них не очень большой угол обзора - что было под рукой, то и использовал. Здесь подойдут почти любые фотодиоды, дело вкуса.

Красной строки требует операционный усилитель AD820. Усилитель на полевых транзисторах (FET) обладает преимуществом перед биполярными низким током утечки, поэтому в схемах-конвертерах ток-напряжение это очень важно. Также усилитель имеет Rail-to-Rail выход, то есть размах выходного напряжение может приближаться очень близко в шинам питания.
Рекомендую использовать после выхода усилителя ФНЧ (фильтр низких частот), и выбрать нужную частоту среза, чтобы было меньше шума.

2) Микроконтроллер ATMEGA16

Как я уже писал выше микроконтроллер нужен для того, чтобы оцифровывать сигналы и передавать их в порт ПК.
Здесь используется древнейший MAX232ACPE конвертер для COM порта. Сейчас я пользуюсь контроллерами с аппаратным USB, но год назад, мне схема с MAX232 казалась ну очень крутой, и я сильно радовался, когда, наконец, разобрался с ней.
Тем, у кого нет платы с COM портами придется либо собрать самому на FT232RL или купить конвертер USB-USART, которых сейчас навалом в интернетах.

Первым делом нужно организовать стабильное питание для микроконтроллера (МК). По питанию нужно всегда ставить как можно ближе к ножкам МК керамический конденсатор емкостью 0,1 uF. На рисунке между VCC и GND.

Затем нужно позаботится о тактовом сигнале.

Здесь стоит кварцевый резонатор на 8MHz (поверьте, когда я начинал, тоже думал что это так мало). Для увеличения стабильности ставят как показано на схеме пикофарадные конденсаторы. Для каждой частоты нужен свой номинал, подробности нужно смотреть в даташите (datasheet), официальном паспорте-документации на каждую ИС (интегральную схему).

Для того, чтобы МК работал без случайных сбросов, необходимо подключить через подтягивающий резистор Vcc к RESET.

Аналоговые входы PA0..7 являются портами, куда мы подаем сигналы с усилителей.
В качестве опорного напряжения для АЦП возьмем Vcc, вот так совсем не хитро.

Порты RX, TX служат для отправки и получения данных.
TTL логика и логика RS232 сильно различаются, и не могут работать напрямую, поэтому мы используем конвертер, схема подключения показана слева. Все конденсаторы, приведенные в схеме подключения конвертера керамические, и имеют номинал 0.1 uF.

3) Среда разработки и используемые библиотеки

Этот проект я делал на Lazarus IDE, компилятор FreePascal, в процессе написания мной было использовано несколько компонентов и библиотек.

• Библиотека для работы с COM-портом CportLib
• Известная библиотека FANN

Для работы с нейросетями я выбрал свободную библиотеку FANN. Думаю, что большинство знают как работают нейросетевые алгоритмы, но на всякий случай повторюсь на моем примере.

Здесь нейросеть должна вначале обучиться с учителем.

Смысл обучения состоит в том, что сеть должна подстраивать коэффициенты матриц слоев таким образом, чтобы минимизировать разницу между выходным вектором и обучающим вектором.

Каждая задача уникальна в каком-то смысле, и поэтому нет теории, которая бы говорила какого количества нейронов достаточно, чтобы решиться задачу, какую передаточную функцию следует использовать и так далее.

На этом все,
в следующий раз, как найду время - напишу продолжение в котором будут освящены такие части как:

• Получение данных от МК
• Обучение нейросети
• Анализ данных с помощью нейросети

Сигнал фотоприемника, собранного по схеме на рис.10, обычно требует преобразования для последующей обработки и регистрации.

Причина состоит в том, что сигнал формируется на сопротивлении и зависит от его величины. Но если говорить о последующей работе с ним, то рост сопротивления удаляет нас от эквивалентной схемы источника напряжения. Последний должен иметь как можно меньшее сопротивление.

Сам фотодиод представляет собой источник тока, но тоже не идеальный. Эквивалентная схема должна содержать наряду с ним параллельно сопротивление, величина которого будет зависеть от мощности регистрируемого излучения.

Выйти из этой ситуации позволяет схема, показанная на рис. 11. Это базовая схема, обычно предлагаемая для фотоприемника. Она построена на основе операционного усилителя и опирается на его свойства. При этом надо иметь ввиду, что входное сопротивление используемых для этих целей микросхем должно быть очень велики. Их входные токи составляют пико и даже фемтоамперы.

Поскольку положительный вход микросхемы соединен с землей (0 В), то и на отрицательном входе будет поддерживаться 0 В. Из-за большого входного сопротивления микросхемы сумма токов в узле, связанном с отрицательным входом микросхемы будет равна 0. Поэтому выходное напряжение U микросхемы будет выражаться формулой

U = I Ф · R ОС,

где R ОС – сопротивление обратной связи.

Рис.11. Схема фотоприемника с отрицательным смещение на фотодиоде. Операционный усилитель AD8615 .

Частотные свойства фотоприемника определяются постоянной времени τ = R ОС · C. В состав конденсатора следует включить не только емкость диода, но и монтажа.

Стоит обратить внимание на то, что многие микросхемы работают и по входу и по выходу, как rail-to-rail, то есть в диапазоне входных и выходных напряжений от одного питания до другого. Кроме того, они часто ориентированы на работу с пониженным, батарейным питанием, что создает дополнительные удобства и для работы, и для защиты от помех.

Если говорить о представленном схемотехническом решении в целом, то речь по сути идет о преобразовании сопротивления. Специально разработанные микросхемы решающие данную задачу получили название трансимпедансных усилителей.

Другая, часто встречающаяся схема для преобразования тока фотодиода в напряжение, приведена на рис.12. В этом случае на фотодиоде поддерживается напряжение равное 0 В. Так как темновой ток при этом компенсируется диффузным, он не влияет на регистрируемый сигнал, и наблюдается только фототок. Таким образом, данное решение позволяет устранить влияние на выходное напряжение темнового тока. Однако, как и прежде, частотные свойства фотоприемника, построенного по этой схеме, будут существенно хуже, чем у схемы на рис.11 .

Рис.12. Схема фотоприемника с нулевым напряжением на фотодиоде AD8541 .

4.4. Шумовые свойства фотоприемников на основе фотодиодов

Поскольку фотодиод является датчиком излучения, он и определяет исходный уровень шумов в системе регистрации.

Ток на выходе фотодиода I Ф складывается из трех составляющих.

I Ф = I ФОН + I ДЕТ + I Т,

где I ФОН – ток фонового сигнала, I ДЕТ – детектируемого ток, I Т – темновой ток.

Пренебрегая фоновой засветкой, имеем только две составляющие тока. Фундаментальным источником шумов, связанным с током, является дробовый шум (i ДР) 2 .

Его величина может быть оценена из соотношения

(i ДР) 2 = 2 · e · I · Δf,

где e - заряд электрона, I - ток, Δf - полоса приема.

Таким образом, в случае малого сигнала роль шумов темнового тока становится определяющей в определении чувствительности схемы.

Если ток протекает через активную нагрузку фотодиода величиной R L , к дробовому току добавляется тепловой шум

(U Т) 2 = 4 · k · T · R L · Δf,

где k - постоянная Больцмана, T- температура Кельвина.

Наконец, надо иметь в виду, что шумы последующих за фотодиодом устройств могут быть выше шумов фотодиода, например, шум трансимпедансного усилителя, преобразующего токовый сигнал в сигнал напряжения .

Изобретение относится к устройству усилителей для фотоприемников, а именно к устройству усилителя фотодиода дымового пожарного извещателя. Технический результат: компенсация сигнала помехи на выводах фотодиода, что в результате повышает помехозащищенность дымового пожарного извещателя и снижает его стоимость за счет отказа от экранирования. Усилитель (фиг.1) содержит дифференциальный усилитель (ДУ) (2) с источником напряжения питания (1), снабженным формирователем потенциала (ФП) (3), лежащего в интервале потенциалов напряжения источника питания, при этом выводы фотодиода (4) подключены к входам ДУ (2). Введены первый и второй резисторы (Р) (5, 6), первый вход ДУ (2) соединен с ФП (3) через первый Р (5), а второй вход ДУ (2) соединен с ФП (3) через второй Р (6), причем первый и второй Р (5, 6) имеют равные значения сопротивления. Для работы в импульсном режиме (фиг.2) выводы фотодиода (4) подключены к входам ДУ (2) через конденсаторы (7) равной величины, а фотодиод (4) шунтирован резистором (8). 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Рисунки к патенту РФ 2410833

Изобретение относится к устройству усилителей для фотоприемников, в частности к устройству усилителя фотодиода дымового пожарного извещателя.

Известна схема усилителя фотодиода дымового пожарного извещателя, включающая линейный транзисторный усилитель с источником напряжения питания, в которой фотодиод включен между плюсом источника питания и входом линейного транзисторного усилителя (см. www.unitest.ru, Руководство по эксплуатации пожарного дымового извещателя ИП 212-49АМ).

Недостатком известной схемы является ее недостаточная помехозащищенность и зависимость коэффициента усиления от напряжения питания усилителя. Это требует экранирования усилителя и фотодиода, стабилизации питания усилителя, что удорожает конструкцию.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату к заявленной схеме является схема усилителя фотодиода дымового пожарного извещателя, включающая дифференциальный усилитель с источником напряжения питания, снабженным формирователем потенциала, лежащего в интервале потенциалов источника напряжения питания, с которым соединен первый вход дифференциального усилителя, а также фотодиод, подключенный ко второму входу дифференциального усилителя и к одному из полюсов источника напряжения питания (см. www.irset.spb.ru. Паспорт пожарного дымового извещателя ИП 212-3СУ).

Недостатком известной схемы усилителя фотодиода является ее недостаточная помехозащищенность, что также требует экранирования усилителя и фотодиода.

Недостаточная помехозащищенность известной схемы усилителя фотодиода объясняется различными условиями протекания тока на входах усилителя при воздействии на фотодиод напряжения помехи. Результат воздействия помехи на каждый из двух выводов фотодиода различен несмотря на то, что это воздействие одинаково для обоих выводов фотодиода. Это связано с тем, что различны условия распространения помехи в подключенном к полюсу источника питания и втором выводах фотодиода, а более конкретно, различны сопротивления для протекания тока помехи от точки воздействия до полюса источника питания усилителя. При воздействии помехи наведенный на выводы фотодиода заряд стекает на полюса источника питания, и на пути этих токов оказываются элементы электрической схемы, которые образуют делители напряжения и формируют разность потенциалов на входах дифференциального усилителя, что создает дополнительный сигнал помехи, который суммируется с основным сигналом от фотодиода и препятствует его правильной передаче. В связи с тем, что в известной схеме пути токов и сопротивления элементов электрической схемы не идентичны, то, при одинаковой энергии воздействия помехи на оба вывода фотодиода, потенциал на входах усилителя оказывается не одинаковым: возникает разность потенциалов, вызванная помехой, что снижает помехозащищенность и ограничивает область применения усилителя.

В рамках данной заявки решается задача повышения помехоустойчивости схемы усилителя фотодиода при эксплуатации пожарного дымового извещателя при одновременном удешевлении его конструкции за счет отказа от экранирования.

Поставленная задача решается тем, что в схеме усилителя фотодиода, включающей дифференциальный усилитель с источником напряжения питания, снабженным формирователем потенциала, лежащего в интервале потенциалов источника напряжения питания, выводы фотодиода подключены к входам дифференциального усилителя, при этом первый вход дифференциального усилителя соединен с делителем напряжения через первый резистор, а второй вход дифференциального усилителя соединен с делителем напряжения через второй резистор, причем первый и второй резисторы имеют равные значения сопротивления.

Предпочтительно для работы в импульсном режиме выводы фотодиода подключать к входам усилителя через конденсаторы равной величины, а фотодиод шунтировать резистором с величиной сопротивления из диапазона 100 кОм-10 мОм. В этом случае постоянная составляющая сигнала не будет проходить на вход усилителя, а наведенный заряд будет стекать через шунтирующий резистор.

Сущность изобретения состоит в следующем.

В данной схеме усилителя фотодиода условия протекания тока, вызванного воздействием помехи, одинаковы для обоих выводов фотодиода и подключенных непосредственно к ним входов дифференциального усилителя, так как для каждого из них сопротивление между точкой воздействия помехи и любым полюсом источника питания одинаково благодаря наличию резисторов равной величины. В связи с этим происходит компенсация напряжения синфазного сигнала помехи, напряжение на входах усилителя не содержит сигнала помехи и не искажает полезный сигнал. Уровень сигнала помехи при этом снижается в тысячи раз, позволяя извещателю устойчиво работать даже в условиях сверхвысоких помех, в которых при использовании схемы по прототипу напряжение помехи намного превышало бы полезный сигнал.

Сущность изобретения поясняется неограничивающим примером его реализации и прилагаемыми чертежами, на которых:

фиг.1 - изображает схему усилителя фотодиода для случая измерения непрерывного сигнала;

фиг.2 - изображает схему усилителя фотодиода для случая измерения импульсного сигнала.

Для пояснения сущности изобретения на чертежах введены следующие обозначения:

1 - источник питания; 2 - дифференциальный усилитель; 3 -формирователь потенциала, лежащего в интервале потенциалов источника напряжения питания; 4 - фотодиод; 5 - первый резистор; 6 - второй резистор; 7 - конденсаторы; 8 - шунтирующий резистор.

Схема усилителя фотодиода для случая измерения непрерывного сигнала иллюстрируется на фиг.1. Усилитель фотодиода содержит подключенный к полюсам источника питания 1 дифференциальный усилитель 2 и формирователь потенциала 3, лежащего в интервале потенциалов источника напряжения питания. Формирователь потенциала 3 выполнен в виде резистивного делителя напряжения. Выводы фотодиода 4 включены между инвертирующим и неинвертирующим входами дифференциального усилителя 2, при этом инвертирующий вход усилителя соединен с формирователем потенциала 3 через первый резистор 5, а неинвертирующий вход усилителя соединен с формирователем потенциала 3 через второй резистор 6, причем первый и второй резисторы имеют равные значения сопротивления 100 кОм.

Предпочтительная величина сопротивления первого и второго резисторов составляет 100 Ом-10 мОм.

Схему усилителя фотодиода либо помещают в электромагнитное поле, создающее помеху, либо подают напряжение синфазной помехи от генератора на оба вывода фотодиода. Измеряют напряжение помехи на выходе дифференциального усилителя 2. В результате компенсации напряжение помехи, пересчитанное с учетом коэффициента усиления дифференциального усилителя 2, оказывается в тысячи раз меньше напряжения синфазной помехи, поданной от генератора. Для имитации условий распространения помехи в несбалансированном усилителе отключают резистор 5. В результате воздействия сигнала помехи дифференциальный усилитель 2 входит в насыщение. В аналогичных условиях схема согласно прототипу также входит в насыщение при подаче напряжения помехи.

Схема усилителя фотодиода для случая измерения импульсного сигнала иллюстрируется на фиг.2. Усилитель фотодиода содержит подключенные к полюсам источника питания 1 дифференциальный усилитель 2 и формирователь потенциала 3, лежащего в интервале потенциалов источника напряжения питания. Формирователь потенциала 3 выполнен в виде диодного формирователя потенциала. Выводы фотодиода 4 включены между инвертирующим и неинвертирующим входами дифференциального усилителя 2 через конденсаторы 7 равной величины (из диапазона от 100 пФ до 10 нФ), при этом инвертирующий вход дифференциального усилителя 2 соединен с формирователем потенциала 3 через первый резистор 5, а неинвертирующий вход усилителя соединен с формирователем потенциала 3 через второй резистор 6, причем первый и второй резисторы имеют равные значения сопротивления 510 кОм.

Схему усилителя фотодиода помещают в электромагнитное поле, создающее помеху, либо подают напряжение синфазной помехи от генератора на оба вывода фотодиода. Измеряют напряжение помехи на выходе дифференциального усилителя 2. В результате компенсации напряжение помехи, пересчитанное с учетом коэффициента усиления дифференциального усилителя 2, оказывается в тысячи раз меньше напряжения синфазной помехи, поданной от генератора. Для имитации условий распространения помехи в несбалансированном усилителе отключают резистор 5, в результате дифференциальный усилитель 2 входит в насыщение. В аналогичных условиях схема согласно прототипу также входит в насыщение при подаче напряжения помехи.

Преимущества данной схемы усилителя обеспечиваются тем, что в результате создания одинаковых условий распространения помехи в обоих выводах фотодиода и входах усилителя достигается компенсация напряжения и тока синфазной помехи. Это позволяет повысить помехозащищенность дымового пожарного извещателя, содержащего фотодиод, и снизить его стоимость за счет отказа от экранирования.

Изобретение может быть использовано также для работы в составе других фотоприборов, например фотометров, конструкция которых предусматривает наличие фотодиода, сигнал которого необходимо усиливать.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Схема усилителя фотодиода, включающая дифференциальный усилитель с источником напряжения питания, снабженным формирователем потенциала, лежащего в интервале потенциалов источника напряжения питания, при этом выводы фотодиода подключены к входам дифференциального усилителя, отличающаяся тем, что первый вход дифференциального усилителя соединен с формирователем потенциала через первый резистор, а второй вход дифференциального усилителя соединен с формирователем потенциала через второй резистор, причем первый и второй резисторы имеют равные значения сопротивления.

2. Схема по п.1, отличающаяся тем, что выводы фотодиода подключены к входам дифференциального усилителя через конденсаторы равной величины, а фотодиод шунтирован резистором с величиной сопротивления из диапазона 100 кОм-10 мОм.