Материал: Груба - Системы охранной сигнализации (2012) 10mb

Разброс яркости ИК светодиодов от образца к образцу достигает 40%. Кроме того, яркость уменьшается при увеличении температуры по линейному закону с коэффициентом около минус 0,01/°C. Это значит, что при возрастании температуры от 20° до 60° излучаемая мощность падает на 40%. Яркость светодиода ослабевает также со временем. За 1000 часов работы она уменьшается на величину до 5%, особенно если ток близок к максимально допустимому. Если рассчитывать на длительную работу прибора, необходимо предусмотреть соответствующий запас мощности, чтобы с течением времени или при изменениях температуры СО не потеряло работоспособности. В этом случае необходимый запас мощности составляет около 2.

Значительная часть ИК излучающих диодов выполняется на основе арсенида галлия. В зависимости от технологии производства максимум спектра излучения (так называемая основная длина волны) при комнатной температуре 20…25°C составляет 850…970 нм. Ширина спектра ИК излучающих диодов (по уровню 0,5 от максимального) обычно равна Δλ = 20…50 нм (рис. 2.26.4). Максимум спектра смещается при изменениях температуры с температурным коэффициентом 0,2…0,3 нм/°C. Полный спектр ИК излучающих диодов в диапазоне температур от минус 60 до плюс 60°C лежит в пределах 800…1010 нм. Это необходимо учитывать при выборе приемника излучения, спектр которого должен совпадать со спектром излучателя или немного превышать его.

Рис. 2.26.4 Спектр излучения ИК диода

Для того, чтобы обеспечить достаточную мощность излучателя, необходимо дополнить импульсный генератор (рис. 1.5.5…1.5.9) усилителем тока. Если требуется ток в районе десятков миллиампер, то можно просто установить ИК излучающий диод вместо диода VD1 в схеме импульсного генератора (рис. 1.5.6а) и изменить величины сопротивлений резисторов R1, R2, R3 под желаемые значения тока и временных параметров импульсов. Можно воспользоваться и любой другой схемой генератора, добавив к ней ключевой усилитель на одном транзисторе (рис. 2.26.5). Величина тока корректируется изменением сопротивления резистора R2.

Рис. 2.26.5 Усилитель тока на 50 мА

Импульсы тока порядка сотен миллиампер требуют введения дополнительного каскада усиления (рис. 2.26.6) и увеличения емкости сглаживающего конденсатора C1. Для повышения излучаемой мощности без дополнительных затрат ИК диоды можно соединять последовательно, корректируя значение сопротивления ограничительного резистора R4.

Рис. 2.26.6 Усилитель тока на 0,5 А

Если необходимы токи порядка ампер, следует ввести еще один каскад усиления (рис. 2.26.7). Емкость сглаживающего конденсатора C1 возрастает еще в 10 раз, чтобы обеспечить в момент импульса просадку напряжения питания не более чем на 0,1 В. ИК диоды можно соединять не только последовательно, но и параллельно, обязательно подключая к каждому из диодов токоограничительный резистор, выравнивающий отличия в их ВАХ. Если соединить аноды и катоды диодов (с одним общим ограничительным резистором), то при одинаковом напряжении на диодах через один из них потечет больший ток и он преждевременно выйдет из строя, другой же – не будет отдавать требуемой мощности.

Рис. 2.26.7 Усилитель тока на 5 А

В качестве приемников излучения в области ИК, видимого света и УФ применяются преобразователи семи основных типов: термоэлементы, болометры, пироэлектрические датчики, фотоэлементы, фоторезисторы, фотодиоды и фототранзисторы. Они обладают различной чувствительностью, быстродействием, диапазоном длин волн, шумовыми и другими характеристиками, поэтому используются в различных областях техники.

Термоэлементы или термоэлектрические датчики представляют собой множество соединенных последовательно термопар. При их облучении в результате нагрева возникает термо-ЭДС. Чтобы обеспечить высокую чувствительность до единиц В/Вт, необходимо набрать большое количество термопар, занимающих

площадь порядка квадратного сантиметра. Термоэлементы имеют низкий уровень сигналов и высокую инерционность.

Болометры – это элементы, меняющие свое сопротивление под действием излучения. Болометры на основе металлов обладают низкой чувствительностью. Полупроводниковые более чувствительны, но менее стабильны. Для обеспечения высокого порога чувствительности (без охлаждения – до 1 нВт) приемный элемент обладает низкой теплоотдачей, и поэтому – большим временем установления (порядка 1 мс). Болометры находят применение в ИК пассивных СО.

Пироэлектрические датчики состоят из поглотителя (специальной керамики), которая поляризуется под действием излучения. При высокой чувствительности они реагируют только на изменение потока энергии и характеризуются высоким уровнем шумов и большой инерционностью. Пироэлектрические датчики используются в ИК пассивных СО.

Фотоэлементы – это вакуумные приборы, работающие на основе фотоэффекта. Падающее на фотокатод излучение выбивает из него электроны, которые под действием приложенного напряжения движутся к аноду и создают фототок, пропорциональный интенсивности излучения. В фотоэлектронных умножителях (ФЭУ) электроны дополнительно ускоряются внешним полем и направляются на специальные пластины (диноды), в результате бомбардировки которых количество электронов лавинообразно возрастает. Чувствительность ФЭУ достигает 105 А/Вт, быстродействие

– единиц наносекунд, но они требуют высокого и стабильного напряжения питания и аккуратного обращения.

Фоторезисторы изготавливаются из тонких пленок сульфидов или селенидов кадмия или свинца. Сопротивление пленки в полной темноте может достигать 100 МОм. При интенсивном облучении оно уменьшается до сотен ом. Чувствительность фоторезисторов достигает 106 В/Вт. Они дешевы и надежны, но обладают нелинейной характеристикой, невысокой точностью, инерционностью (десятки мкс) и низкой стабильностью при изменениях температуры.

Фотодиоды – это полупроводниковые приборы, структура которых сходна с обычным диодом. Любой p-n переход обладает способностью генерировать ток при освещении. В фотодиодах это свойство усилено в определенном диапазоне длин волн. Фотодиоды имеют множество разновидностей: лавинные, Шоттки, pin-фотодиоды, S-фотодиоды. Они отличаются низким уровнем шумов, пороговой чувствительностью до 1 пВт/мм2 и быстродействием до десятков пикосекунд. Лавинные диоды по своей чувствительности (50 А/Вт) более чем на два порядка превосходят диоды других типов, но они менее стабильны при изменениях температуры и требуют более высокого напряжения питания (около 40 В). Фотодиоды компактны, дешевы, чувствительны и стабильны.

Фототранзистор не только содержит чувствительный p-n переход, но и усиливает генерируемый фототок. По сравнению с фотодиодом фототранзистор бо-

лее чувствителен (до 10000 А/Вт). Но его отличает повышенный уровень шумов, большой разброс параметров, низкая температурная стабильность и худшая пороговая чувствительность.

Для использования в составе фотолучевых СО, где высокие требования предъявляются к чувствительности, быстродействию, надежности, стабильности, стоимости и простоте использования, и не слишком высокие – к наличию постоянного фона или к точности измерения, – наиболее подходят фотодиоды.

Любой фотодиод может работать в одном из двух режимов: фотогальваническом или фотодиодном. Фотогальванический режим называется также фотовольтаическим или режимом фототока. В этом режиме на фотодиод не подается напряжение смещения, при этом измеряется ток, самостоятельно генерируемый фотодиодом без внешнего источника питания. ИК фотодиод преобразует принимаемую мощность излучения в пропорциональную величину тока. Зависимость тока от поглощаемой мощности сохраняет линейность в диапазоне 6…9 порядков (от пВт до мВт). Для работы в фотодиодном режиме требуется внешний источник питания. Данный режим называется также фоторезисторным. От внешнего источника на фотодиод подается обратное смещение, а сигнал снимается в виде тока или напряжения (как с элемента, меняющего свое сопротивление). В фотодиодном режиме достигается более высокое быстродействие, правда, за счет увеличения уровня собственных шумов и появления так называемого темнового тока (начального тока при отсутствии внешнего облучения). Фотогальванический режим включения фотодиода используется для достижения высокой чувствительности и точности измерения, фотодиодный – для высокой скорости.

В фотогальваническом режиме ток, генерируемый фотодиодом, преобразуется в напряжение с помощью ОУ (рис. 2.26.8). Уровням облученности E = 10–6… 0,1 Вт/м2 при площади ЧЭ около S = 1 мм2 соответствует диапазон принимаемой мощности W = ES = 1 пВт…0,1 мкВт. Токовая чувствительность среднего фотодиода составляет около 1 А/Вт, откуда диапазон токов будет I = 1 пА…0,1 мкА. Преобразователь тока в напряжение на микросхеме DA1 имеет коэффициент преобразования, равный R1 = 100 МОм = 108 В/А = 0,1 мВ/пА. Диапазон выходных сигналов данного преобразователя для облученности E = 10–6…0,1 Вт/м2 составит 0,1 мВ…10 В. В качестве DA1 используются ОУ с полевыми транзисторами на входе и малым током смещения менее 1 пА, такие как AD645, AD795, CA3420, CA5420, HA5180, ICH8500, OPA128, OPA602, TLC279, TLC1078. Они обеспечивают уровень шума порядка 1 пА (0,1 мВ), то есть пороговую чувствительность по принимаемой мощности до 1 пВт. Особое внимание следует уделить токам утечки схемы, устанавливая элементы на изолирующих стойках и окружая входные цепи охранными дорожками, соединенными с общим проводом, иначе токи утечки по плате превысят выходной ток фотодиода. Полевые транзисторы не отличаются термостабильностью, поэтому уровень шума меняется в зависимости от температуры

Фотодиодный режим включения внешне мало чем отличается от фотогальванического (рис. 2.26.9). Однако, благодаря отрицательному напряжению смещения UСМ = -5…-10 В, емкость фотодиода уменьшается, а быстродействие – увеличивается. Появляется темновой ток порядка 1 нА, вызывающий начальное смещение сигналов. Коэффициент преобразования тока фотодиода в выходное напряжение UВЫХ равен R1 = 100 кОм = 105 В/А = 0,1 мВ/нА. В качестве DA1 используются ОУ с полевыми транзисторами на входе, обладающие высоким быстродействием и малой входной емкостью, такие как AD823, AD845, HA5160, LF457, OPA606. Уровень шумов усилителя возрастает до единиц наноампера (или 1 нВт принимаемой мощности), зато полоса частот усилителя возрастает до сотен килогерц, что позволяет применять фотодиодный режим для усиления коротких импульсов длительностью в десятки микросекунд.

Рис. 2.26.9 Фотодиодный режим включения

На практике используются также другие способы получения сигнала в фотодиодном режиме (рис. 2.26.10). Обычно смещение на фотодиод BL1 подается через подсоединяемый последовательно резистор (R1), а выходной сигнал (в виде импульсов напряжения) снимается с резистора и усиливается с помощью ОУ DA1. Здесь выбрана инвертирующая схема включения, чтобы избежать согласования выходного сопротивления датчика со входными цепями усилителя. Коэффициент усиления составляет (1 + R3/R2). В качестве ОУ необходимо использовать быстродействующие микросхемы, такие как К140УД11, К154УД2, К544УД2, К574УД1 или подобные. Данная схема проста и попу-

Рис. 2.26.10 Фотодиодный режим с усилением напряжения

Средние значения параметров типичного фотодиода ИК диапазона приведены в таблице 2.26.2. В скобках указан примерный диапазон изменения параметра. Существенное влияние на все параметры фотодиода оказывает площадь приемного элемента. При наличии собирающей линзы, встроенной в корпус приемника, ИК излучение концентрируется на ЧЭ с большей площади. В этом случае имеет значение эффективная площадь, превосходящая геометрическую площадь самого фотоэлемента. Ширина полосы принимаемого ИК излучения составляет около 300 нм; в нее попадает излучение большинства типичных ИК светодиодов, в том числе с учетом сдвига длины волны при изменениях температуры. Сопротивление фотодиода при комнатной температуре (в обратном направлении) составляет около 1 ГОм, но оно значительно уменьшается с ростом температуры (как и у обычных полупроводниковых диодов) и может доходить до 1 МОм. Емкость небольшого фотодиода примерно равна 100 пФ (без смещения), она растет с увеличением площади его ЧЭ и уменьшается с возрастанием напряжения обратного смещения. Полоса частот фотодиода без смещения редко превышает 10 кГц; при обратном смещении она достигает 1 МГц, а для обратно смещенных pin диодов – до 1 ГГц.

Таблица 2.26.2 Параметры типичного ИК фотодиода

Значения параметров ряда популярных ИК фотодиодов приведены в таблице 2.26.3. Чувствительность фотодиодов задается не только в традиционных единицах А/Вт, но и в единицах тока при условии заданной облученности фотодиода. Перевод одних единиц в другие производится умножением на площадь ЧЭ (или на его эффективную площадь). Если площадь неизвестна, можно найти диапазон выходных токов непосредственно по известной облученности. В таблице все значения чувствительности приведены к одним и тем же единицам (А/Вт). Под площадью ЧЭ понимается площадь поверхности, на которой происходит преобразование мощности ИК излучения в выходной ток. В скобках приводится значение эффективной площади при наличии в фотодиоде встроенной линзы. Стоимость фотодиода пропорциональна его качеству. Можно подобрать и недорогой экземпляр для работы на малой дальности, и дорогой, обладающий высокой чувствительностью и стойкостью – для использования на большой дальности или в особо сложных условиях.

Преобразование и усиление сигнала с выхода ИК фотодиода можно производить не только с помощью типовых схем (рис. 2.26.8, 2.26.9, 2.26.10), но и с использованием специальных микросхем. К подобным микросхемам относятся, например, TBA2800,

К1054УП1, КР1056УП1. Достаточно подсоединить к одной из них фотодиод, добавить несколько пассивных элементов и подать напряжение питания. На выходе микросхемы формируется усиленный сигнал с фотодиода в аналоговом виде.

Еще более облегчается задача изготовления фотолучевого СО при использовании готовых модулей ИК приемников. Они широко применяются в блоках дистанционного управления: в телевизорах, рекордерах, кондиционерах и других приборах. В состав отдельного модуля входит фотодиод и схема усиления сигналов. Обычный модуль имеет три вывода: на два из них подается напряжение питания, с третьего снимается выходной сигнал. Он имеет цифровое качество и подается непосредственно на логическую схему анализа. Основные параметры некоторых модулей ИК приемников приведены в таблице 2.26.4.

Модули работают на частотах около 40 кГц. Для поддержания максимального усиления следует обеспечивать стабильность частоты излучателя в пределах ±5%. Усиление на фиксированной частоте значительно снижает уровень собственных шумов. Напряжение питания модуля составляет 5…12 В, его стоимость – 1…2 $. Часто модуль содержит встроенный электромагнитный экран, снижающий уровень наводок. При

Таблица 2.26.4 Модули ИК приемников