К вопросу об использовании светодиодов в качестве фотоприемников

Журнал РАДИОЛОЦМАН, январь 2020

Басков М.П., Левашов О.Д.
Москва – Брешия (Италия)

В работе [1] авторами описан RGB-сенсор, использующий в качестве фотоприемников маломощные цветные светодиоды. Описанный сенсор успешно используется в лабораторной практике. Недостатком изготовленного сенсора является его относительно низкая чувствительность, что приводит к необходимости размещать сенсор в непосредственной близости от объекта (1.2 метра). Поэтому появилась необходимость в разработке более чувствительного сенсора.

Можно повышать чувствительность прибора за счет усиления в канале, что для усилителя постоянного тока крайне нежелательно.

Другой путь – увеличение чувствительности фотоприемника. Поэтому как-то естественно возникла идея использовать мощные светодиоды, имеющие большую площадь кристалла.

На момент начала эксперимента мы располагали одно- и трехваттными noname светодиодами со следующими длинами волн: 385 нм, 425 нм, 440 нм, 470 нм, 490 нм, 520 нм, 540 нм, 560 нм, 600 нм, 630 нм и 660 нм.

Светодиоды с длинами волн 490 нм (голубой) и 540 нм (желтый), к сожалению, не годились в качестве фотоприемников, поскольку по сути являлись синими светодиодами, кристаллы которых были покрыты люминофором, излучающим вторичные фотоны с нужной длиной волны. В качестве же излучателей они вполне хороши.

Самый первый эксперимент принес вполне ожидаемые результаты. В Таблице 1 сравнивается чувствительность трех светодиодов мощностью в 1 Вт. Сравниваемый параметр – выходное напряжение в мВ на нагрузке 1 МОм.

Таблица 1. Сравнение чувствительности маломощных и мощных светодиодов
Цвет
светодиода
Длина
волны излучателя
Маломощный 3 мм Мощный 1 Вт К
1 Красный 630 нм (красный) 10 мВ 120 мВ 12
2 Желтый 520 нм (зеленый) 15 мВ, 540 нм 110 мВ, 560 нм 8
3 Зеленый 470 нм (синий) 5 мВ 90 мВ 18

Относительно низкий результат прироста чувствительности для желтого фотоприемника объясняется, на наш взгляд, разной длиной волны фотопика. Ниже мы вернемся к проблеме желтого фотоприемника.

Нас интересовала также возможность использовать в качестве фотоприемников мощные инфракрасные светодиоды. В Таблице 2 приведены выходные напряжения инфракрасных светодиодов, включенных в режиме фотоприемника. Сравниваемый параметр – выходное напряжение в мВ на нагрузке 1 МОм. Все светодиоды испытывались в идентичных условиях, т.е. ток излучателя, расстояние между излучателем и приемником и их взаимное положение было одинаковым. Для сравнения: в этом же режиме испытывался фотодиод BPW34, имеющий площадь кристалла 7.5 мм2 и максимум на длине волны 940 нм, и два 940-нм фототранзистора, включенных по схеме с общим коллектором и резистором нагрузки 10 кОм.

Таблица 2. Сравнение чувствительности ИК-светодиодов и других
ИК-фотоприемников
Тип Марка UВЫХ
1 Светодиод EL-IR204, 5 мм, 940 нм 80 мВ
2 Светодиод WEIDLY, 3 мм, 940 нм 180 мВ
3 Фотодиод BPW34 350 мВ
4 Светодиод Noname 3 Вт, 940 нм 410 мВ
5 Фототранзистор RT204-6B, 5 мм, 940 нм, два вывода 800 мВ
6 Фототранзистор BPV11, 5 мм, 940 нм, три вывода 980 мВ

Для проверки спектральной чувствительности был сконструирован специальный стенд, для повторяемости результатов оформленный как отдельный корпусный прибор. В качестве узкоспектральных излучателей использовались светодиоды с известной длиной волны, перечисленные выше. Результаты в цикле выводились на цифровой осциллограф с возможностью постобработки.

Световой поток каждого светодиода был приведен в соответствие с калибровочной кривой, в качестве которой использовался график спектральной чувствительности интегрального фотоприемника OPT101. Описание испытательного стенда выходит за рамки статьи и приводится в конце статьи в виде видеофайла. Изучалась спектральная чувствительность красной группы светодиодов (660 нм, 630 нм, 620 нм) для использования в качестве фотоприемника красной части спектра, оранжево-желтой группы светодиодов (580 нм и 560 нм) для использования в качестве фотоприемника зеленой части спектра и зеленого светодиода (520 нм) для использования в качестве фотоприемника синей части спектра.

Первые полученные результаты не вселили особого оптимизма. Красный спектр «расплылся» в область оранжевого, к которому, кстати, стремились и фотоприемники на базе светодиодов с длинами волн 580 и 560 нм. Зеленый светодиод имел наибольшую чувствительность в ультрафиолетовой (385 нм) части спектра. Это ограничивало применение светодиодов большой мощности в качестве RGB-сенсоров, где требуется достаточно четкое разделение R, G и B компонент.

Особое огорчение вызвало отсутствие 540-нм светодиода с открытым кристаллом, который должен был служить фотоприемником зеленой части спектра. Тщательные поиски на просторах Интернета показали, что такие светодиоды отсутствуют как класс.

Поскольку сама по себе работа мощного светодиода в качестве селективного фотоприемника нас уже не удивила, мы начали искать возможность как-то обойти возникшие ограничения. После небольшого брейнсторминга мы пришли к выводу, что цветные корпуса маломощных светодиодов способствуют более четкому разделению частей спектра, работая как светофильтры.

Таким образом, нам надо было подобрать вспомогательные светофильтры, которые эффективно разделили бы части спектра. Разумеется, мы понимали, что применение светофильтров снизит чувствительность фотоприемников.

Поэтому мы необходимо применили цветные фильтры: для красного светодиода – красный фильтр с длиной волны около 630 нм, и зелено-синий фильтр 500 нм для янтарного (560 нм) и зеленого (520 нм) светодиодов. Сине-зеленый фильтр эффективно подавил оранжевую составляющую для янтарного светодиода, а для зеленого – частично уменьшил чувствительность для света с длиной волны меньше 460 нм.

На Рисунке  представлен результирующий спектр принимаемых длин волн для красного, янтарного и зеленого светодиодов с соответствующими фильтрами. Плавные изгибы кривых – результат моделирования, так как из за малого количества опорных точек график имел бы странный вид. Точки, в которых были произведены измерения, отчетливо видны на графиках.

Нормированные графики спектральной чувствительности 3-ваттных светодиодов, используемых в качестве фотоприемников.
Рисунок 1. Нормированные графики спектральной чувствительности 3-ваттных
светодиодов, используемых в качестве фотоприемников.

Теория и практика применения использования фотодиодов и трансимпедансных усилителей прекрасно описана в работе [2], поэтому отсылаем заинтересованного читателя к этой работе. Здесь мы говорим только о простых практических примерах использования светодиодов в качестве фотоприемников.

Ниже приведены две практические схемы, имеющие различное включение светодиода в качестве фотоприемника. В схемах используется бюджетный усилитель LM358.

В первой схеме, изображенной на Рисунке 2а, фотоприемник работает в качестве генератора напряжения. Схема обладает высокой чувствительностью, малыми собственными шумами, плохими частотными свойствами и нелинейной зависимостью выходного напряжения от светового потока.

Практические схемы усилителей сигнала фотоприемника.
Рисунок 2. Практические схемы усилителей сигнала фотоприемника.

Во второй схеме, изображенной на Рисунке 2б, фотоприемник работает в режиме генератора тока. Эта схема имеет высокую линейность и лучшие частотные свойства. Резистор R2 и конденсатор С1 предотвращают самовозбуждение и оптимизируют передаточную характеристику в области высоких частот. При продуманном монтаже эта цепочка может отсутствовать. Выходной сигнал этой схемы представлен на Рисунке 3.

Нормированные графики спектральной чувствительности 3-ваттных светодиодов, используемых в качестве фотоприемников.
Рисунок 3. Сигнал на выходе усилителя по Рисунку 2б.

Каковы возможные применения мощных светодиодов в качестве фотоприемников? Здесь мы можем говорить, только о тех применениях, которые внедрены нами в практику или прошли экспериментальную проверку.

Первый пример. После замены маломощных светодиодов в RGB-сенсоре [1] на мощные светодиоды, его чувствительность возросла более чем в пять раз.

Второй пример. Использование в качестве приемопередатчиков низкочастотного телеметрического сигнала в условиях, когда проводное и радио соединения невозможны. Поскольку светодиод принципиально может совмещать функцию излучателя с функцией фотоприемника, это позволяет резко упростить конструкцию оптического узла такого приемопередатчика.

Чтобы не перегружать статью сложной схемой контроллера приема-передачи, мы специально для данной статьи собрали простейший испытательный стенд для демонстрации этих возможностей (Рисунок 4).

Блок-схема макета Приемопередатчика.
Рисунок 4. Блок-схема макета Приемопередатчика.

Все несущественные детали и номиналы элементов, не участвующих в описании работы макета, опущены. Усилитель идентичен изображенному на Рисунке 2а.

Рассмотрим работу макета.

Генератор тактовых импульсов имеет противофазные выходы, единичный сигнал на которых поочередно инициирует имитаторы сигналов приема и передачи, каждый из которых генерирует пачку из четырех импульсов. Сигнал с выхода имитатора передачи инвертируется и усиливается по току транзистором VT1, затем возбуждает светодиод VD2. Управляющий сигнал, инициирующий имитатор передачи, поступает на вход KMOП инвертора с открытым стоком CD40107, выходной транзистор которого, открываясь, шунтирует вход операционного усилителя А1, препятствуя проникновению на вход А1 мощного сигнала передачи.

Ток светодиода имитатора приема равен 0.7 мА (а). Ток светодиода имитатора приема равен 2.4 мА (б).
Ток светодиода имитатора приема равен 0.7 мА (а). Ток светодиода имитатора приема равен 2.4 мА (б).
Рисунок 5. Ток светодиода имитатора приема равен 0.7 мА (а).
Ток светодиода имитатора приема равен 2.4 мА (б).

После окончания цикла передачи вход А1 разблокируется и он переходит в режим приема. Имитатор сигнала приема возбуждает светодиод VD1, вспышки которого имитируют удаленный источник. Ток через этот светодиод регулируется резистором R1. Ввиду того, что моделируется именно удаленный источник, импульсный ток через светодиод очень мал и составлял в нашем случае 0.1 – 2.5 мА. R2 минимизирует сквозной ток в процессе отладки. Он незначительно влияет на частотную характеристику схемы, поэтому в действующем образце он сохранен. В макете использовались два светодиода мощностью в 1 Вт с длиной волны 630 нм. Светодиоды разделяла металлическая трубка-экран длиной 120 мм. На Рисунке 5 изображены осциллограммы, демонстрирующие работу макета в режимах минимального и максимального входного сигнала. Длительность информационного импульса ограничивается частотными свойствами светодиода-фотоприемника.

Двухканальный Приемопередатчик телеметрического сигнала.
Рисунок 5. Двухканальный Приемопередатчик телеметрического
сигнала.

На Рисунке 6 показан опытный образец двухканального Приемопередатчика, прошедший испытания на объекте. Для наглядности светозащитные тубусы сняты. В Приемопередатчике используются спектрально далекие красный и синий цвета, что исключает применение корректирующих фильтров, снижающих чувствительность. Угол излучения/приема равен 15 градусов.

Третий пример. Мощный инфракрасный (940 нм) светодиод использован в качестве приемника в оптическом локаторе (Рисунок 9 в [3]). Часть схемы, установленная в тубусе фотоприемника, заменена схемой на ОУ, изображенной на Рисунке 2б.

Приемный светодиод установлен в объектив без предварительной юстировки, аналогично передающему светодиоду (Рисунок 4 в [4]) Полученный результат является рекордным для объектива с углом 10 градусов. Человек ростом 160 см в темно-серой зимней одежде уверенно обнаруживался на расстоянии 21 м. Площадь светового пятна, создаваемого 10-градусным локатором на таком расстоянии составляет около 7.5 м2 Отражающая площадь «мишени» составляет 1.6 × 0.45 м = 0.72 м2, то есть более чем в 10 раз меньше площади светового пятна. Рассматриваемый пример является предельным случаем, поскольку, как показано в [4], оптимальное расстояние для использования 10-градусного локатора составляет 10 метров и менее.

 
Прибор для изучения спектральных характеристик фотоприемников

Добавить свое объявление

* заполните обязательные данные

Статистика eFaster:

посетило сегодня 538
сейчас смотрят 17
представлено поставщиков 579
загружено
позиций
25 067 862