На выставке самоделок я увидел модель автобуса, который трогался с места, если посветить на его крышу фонариком. Наверху был спрятан маленький фотодиод. Тогда раздобыть такую деталь было целой историей — сейчас это вопрос пары кликов на маркетплейсе.

С тех пор приборы для работы со светом стали неотъемлемой частью электроники: они управляют уличным освещением, считывают сигналы с пультов, обеспечивают гальваническую развязку в медицинском оборудовании, лежат в основе солнечных батарей и волоконно-оптических линий связи. В статье разбираю устройство и принципы работы самых распространённых из них — селеновых фотоэлементов, фоторезисторов, фотодиодов, фототранзисторов, фототиристоров и оптронов, — чтобы вы могли выбрать подходящий для своей задачи. 

Селеновый фотоэлемент

Ещё в 1873 году английский инженер Уильям Смит обнаружил, что под воздействием света изменяется сопротивление селеновых стержней. Чтобы преобразовать световую энергию в электрический ток, можно использовать селеновый фотоэлемент

Первый фотоэлемент, который можно было использовать на практике, был создан в 1923 году советским ученым Олегом Лосевым.

Устройство селенового фотоэлемента

Конструктивно селеновый фотоэлемент представляет собой железную или алюминиевую основу, поверх которой нанесен селен, а также прозрачный металлический слой из серебра или золота (рис. 1).

Рис. 1. Устройство селенового фотоэлемента
Рис. 1. Устройство селенового фотоэлемента

Первым электродом служит нижний слой (железо на рис. 1), а вторым — верхний серебряный (или золотой). Если подключить к электродам миллиамперметр, то при освещении селенового слоя через него пойдет электрический ток.

Как это работает?

Между слоем селена и нижним электродом создаётся запирающий слой с односторонней проводимостью (барьер Шоттки на контакте металл-полупроводник). Когда на селен падает свет, внутренний фотоэффект в селене увеличивает количество свободных электронов (возникают пары электрон-дырка). За счёт встроенного электрического поля в области барьера Шоттки неосновные носители — электроны — дрейфуют в сторону нижнего электрода (железа), а основные носители — дырки — движутся в противоположном направлении, к верхнему электроду. Запирающий слой обладает односторонней проводимостью, поэтому электроны не могут переместиться обратно. 

Между электродами возникает разность потенциалов, которую можно измерить прибором. Фототок пропорционален световому потоку.

Так как спектральная чувствительность селеновых фотоэлементов близка к чувствительности человеческого глаза, то они применяются для измерения освещенности в люксметрах (фотометрах) и экспонометрах старых фотоаппаратов.

Люксметр Ю-16

На рис. 2 показан теперь уже, наверное, антикварный люксметр Ю-16 с селеновым фотоэлементом Ф-102. 

Рис. 2. Люксметр Ю-16 с фотоэлементом Ф-102
Рис. 2. Люксметр Ю-16 с фотоэлементом Ф-102

У этого люксметра три диапазона измерения освещённости — 25, 100 и 500 люкс с открытым фотоэлементом. В комплекте с прибором идет поглотитель, сдвигающий диапазоны измерений в 100 раз, от 2500 и до 50000 люкс.

Освещённость в 1 люкс очень мала. Для сравнения, в комнате освещённость может составлять порядка 50-150 люкс, а на улице в яркий солнечный день она может достигать 25000-30000 люкс.

На рис. 3 показан фотоэлемент со снятым поглотителем, а также сам поглотитель.

Рис. 3. Селеновый фотоэлемент Ф-102 с поглотителем
Рис. 3. Селеновый фотоэлемент Ф-102 с поглотителем

На рис. 4 показана принципиальная схема люксметра.

Рис. 4. Принципиальная схема люксметра Ю-16
Рис. 4. Принципиальная схема люксметра Ю-16

Как видите, в приборе имеется переключатель В, постоянные резисторы R1, R3, R5, R7, а также три подстроечных резистора R2, R4 и R6 для калибровки на разных диапазонах измерений.

Чтобы добраться до этих резисторов, сначала нужно снять нижнюю крышку (рис. 5).

Рис. 5. С люксметра Ю-16 снята нижняя крышка 
Рис. 5. С люксметра Ю-16 снята нижняя крышка 

Здесь виден переключатель и постоянные резисторы. Открутив еще четыре винта, получаем доступ к регулировкам (рис. 6).

Рис. 6. Открыт доступ к регулировкам
Рис. 6. Открыт доступ к регулировкам

При калибровке меняют сопротивление переменных резисторов. Также виден доступ к рычагу установки стрелки на ноль.

Я также не смог устоять и разобрал корпус селенового фотоэлемента Ф-102 (рис. 7).

Рис. 7. Разобранный селеновый фотоэлемент Ф-102
Рис. 7. Разобранный селеновый фотоэлемент Ф-102

Здесь видно, как провода подключены непосредственно к электродам селенового фотоэлемента.

Хотя подобные приборы выпускались в 70-х годах прошлого века, их до сих пор можно найти в продаже. Среди достоинства — он простой и надёжный (если не ронять), работает без батареек или аккумуляторов. Люксметр Ю-16 может десятилетиями храниться на складе и будет сразу готов к работе, как только потребуется.

Следует, однако, заметить, что со временем чувствительность селенового фотоэлемента снижается, поэтому раз в год нужно выполнять калибровку. Такое требование есть в техническом описании прибора.

В современных люксметрах вместо селеновых фотоэлементов применяются кремниевые фотодиоды, а также цифровые измерители освещенности на базе аналого-цифровых преобразователей (АЦП) и дисплеев (рис. 8). 

Рис. 8. Современный люксметр MS-1300 (источник)
Рис. 8. Современный люксметр MS-1300 (источник)

Здесь используется выносной фотодиод с фильтром, обеспечивающим чувствительность в видимом спектре света. Фильтр имитирует кривую чувствительности глаза.

Спектральная чувствительность

Заметим, что человек видит лишь ограниченную полосу спектра в диапазоне от 400 до 700 нанометров (нм). При этом волны разной длины воспринимаются человеком как разные цвета. Максимум чувствительности глаза приходится на 555 нм. Это зеленая часть спектра.

Приёмники излучения, такие как фотоэлементы, фоторезисторы и фотодиоды реагируют с разной силой на свет «разного цвета». Спектральная чувствительность представляет собой характеристику, которая показывает, насколько сильно приёмник света реагирует на свет с различной длиной волны.

Как я писал выше, спектральная чувствительность селеновых фотоэлементов близка к чувствительности человеческого глаза (рис. 9). Для других приёмников света это не так.

Рис. 9. Спектральные характеристики глаза и селенового фотоэлемента
Рис. 9. Спектральные характеристики глаза и селенового фотоэлемента

Детский люксметр

Если вы хотите собрать собственный люксметр, и у вас нет никаких требований к точности измерений, то подобный прибор нетрудно собрать из детского конструктора Знаток. В одном из наборов имеется солнечная батарея №68, а также мультиметр M6 (рис. 10).

Рис. 10. Солнечная батарея и мультиметр
Рис. 10. Солнечная батарея и мультиметр

Соедините их вместе, соблюдая полярность, как это показано на рис. 11.

Рис. 11. Самодельный люксметр из солнечной батареи и мультиметра
Рис. 11. Самодельный люксметр из солнечной батареи и мультиметра

Теперь если поднести такой «люксметр» ближе к окну, стрелка мультиметра отклонится вправо. Попробуйте посветить на солнечную батарею фонариком или отнесите прибор в тёмный угол, наблюдая за перемещением стрелки. Конечно, вы сможете оценить освещённость только приблизительно, но этот прибор вполне подойдёт для детских игр.

Солнечную батарею можно также извлечь из какой-нибудь игрушки или набора (рис. 12).

Рис. 12. Солнечная батарея из детской игрушки
Рис. 12. Солнечная батарея из детской игрушки

Подключите такую батарею к обычному мультиметру, переключив его в режим измерения напряжения, и проводите измерения освещённости (рис. 13).

Рис. 13. Подключаем солнечную батарею к обычному мультиметру
Рис. 13. Подключаем солнечную батарею к обычному мультиметру

У вас получился люксметр с цифровой индикацией, однако, как и предыдущий прибор, вы можете использовать его только для приблизительной оценки освещённости, а не для точных измерений.

Фоторезистор

Если вы ищете простое и недорогое устройство для прибора, реагирующего на свет, то возможно вам подойдет фоторезистор (рис. 14).

Рис. 14. Фоторезистор ФСК-2
Рис. 14. Фоторезистор ФСК-2

Современные фоторезисторы, установленные на макетной плате, показаны на рис. 15.

Рис. 15. Современные фоторезисторы (источник)
Рис. 15. Современные фоторезисторы (источник)

Фоторезистор представляет собой полупроводниковый прибор, сопротивление которого изменяется от нескольких сотен кОм в темноте до десятков кОм не свету. 

Внутри фоторезистора имеется тонкий слой светочувствительного элемента, например, сульфида кадмия (CdS) или сульфида свинца (PbS), нанесённого на керамическую подложку. Этот слой защищен прозрачным лаком или эпоксидной смолой. Сверху нанесены два металлических электрода.

В темноте фоторезистор ведет себя как изолятор. Но если на поверхность попадают фотоны с достаточной энергией, возникают пары электрон-дырка. Чем больше фотонов, тем больше возникает таких пар, и тем меньше сопротивление фоторезистора.

Вы можете подключить фоторезистор к мультиметру в режиме измерения сопротивления 2 МОм, и следить за изменением полученного результата, освещая фоторезистор фонариком или закрывая его рукой.

Фоторезистор инертен, но хорошо подходит для автоматического управления уличным освещением, для фотореле, в охранных системах, ночниках, бытовой технике, игрушках (рис. 16) и в других подобных устройствах.

Рис. 16. Фоторезистор в детской игрушке
Рис. 16. Фоторезистор в детской игрушке

Примеры схем фотореле на фоторезисторах вы найдете в статьях «Три схемы фотодатчиков на фоторезисторах» и «Фотореле на 2 транзисторах своими руками».

Фотоэлектронный умножитель

Отдельные фотоны обнаруживает фотоэлектронный умножитель (рис. 17).

Рис. 17. Фотоэлектронный умножитель ФЭУ-29
Рис. 17. Фотоэлектронный умножитель ФЭУ-29

Фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) — высоковольтный электровакуумный прибор. Он состоит из сцинтиллятора, фотокатода, фокусирующего электрода, динодов и анода (рис. 18).

Рис. 18. Устройство ФЭУ (источник)
Рис. 18. Устройство ФЭУ (источник)

Излучение сначала попадает в камеру сцинтиллятора. Сцинтиллятор — вещество, обладающее свойством люминесценции при прохождении через него ионизирующих частиц (гамма-квантов, электронов, альфа-частиц, высокоэнергетических фотонов). 

Когда такая частица оказывается в сцинтилляторе, на его выходе образуется множество фотонов, попадающих на фотокатод ФЭУ. При этом количество образованных фотонов пропорционально энергии поглощённой частицы.

Работа фотокатода основана на внешнем фотоэффекте. Попадающие на него фотоны света выбивают электроны, создавая первичный поток электронов или фототок.

Электроны фокусируются и направляются на первый динод. Ударившись о динод, электрон выбивает их него несколько вторичных электронов. В свою очередь, вторичные электроны попадают на следующий динод. 

Цепочка динодов лавинообразно усиливает сигнал — итоговый ток собирается на аноде.

Электроды и другие элементы ФЭУ находятся в вакуумном баллоне, покрытом непрозрачной чёрной краской для исключения засветки. Также для защиты от внешнего магнитного поля ФЭУ помещается в пермаллоевый экран.

Схема включения ФЭУ показана на рис. 19.

Рис. 19. Схема включения ФЭУ (источник)
Рис. 19. Схема включения ФЭУ (источник)

На анод и диноды подаётся высокое напряжение. Для ФЭУ-29, например, рабочее напряжение составляет 1,0 - 1,25 кВ (для ФЭУ других типов до 3 кВ), так что при экспериментах нужно соблюдать технику безопасности.

Кроме того, следует учитывать высокую чувствительность ФЭУ к свету. Ни в коем случае не стоит подавать на ФЭУ высокое напряжение, если фотокатод освещён даже комнатным светом. В противном случае мощный световой поток необратимо повредит фотокатод.

Если вы будете проводить эксперименты с ФЭУ, возможно вам будет полезна статья «Стабильный источник высокого напряжения для питания ФЭУ».

Фотодиод

Как элементы, реагирующие на видимый и инфракрасный свет, фотодиоды распространены чрезвычайно широко. Они применяются в системах дистанционного управления телевизорами и кондиционерами, в высокоскоростных волоконно-оптических линиях связи, в лазерных дальномерах, в промышленной автоматике (как датчики положения и перемещения), в медицине, в системах безопасности, как источники энергии в солнечных батареях и в современных люксметрах.

Структурная схема фотодиода

Структурная схема фотодиода показана на рис. 20.

Рис. 20. Структурная схема фотодиода (источник)
Рис. 20. Структурная схема фотодиода (источник)

На этом рисунке:

  • 1 — кристалл полупроводника;

  • 2 — контакты;

  • 3 — выводы;

  • Φ — поток электромагнитного излучения (свет); 

  • Е — источник постоянного тока; 

  • RH — нагрузка

Основой работы фотодиода служит внутренний фотоэффект, возникающий при попадании светового потока на p-n переход. В результате фотоэффекта в полупроводниковом материале возникают свободные электроны и дырки. Дырки создают положительный заряд, а электроны — отрицательный. Возникает разность потенциалов — фотоэлектродвижущая сила.

Фотогальванический режим

Подобно селеновому фотоэлементу, фотодиод может вырабатывать напряжение при освещении. Такой режим работы фотодиода называется фотогальваническим. Ранее в статье я рассказывал про простейший люксметр, где кремниевый фотоэлемент применяется в качестве инструмента для измерения освещённости. Также в фотогальваническом режиме работают солнечные батареи.

Вы можете проверить работу фотодиода в фотогальваническом режиме самостоятельно с помощью мультиметра. 

Но где взять фотодиод?

Сейчас эти устройства можно купить на маркетплейсах. Кроме того, вместо фотодиода вы можете взять обычный светодиод, например, из набора деталей для Arduino или выпаять его из какого-нибудь ненужного радиоприбора.

Переключите мультиметр в режим измерения напряжения и подключите к нему светодиод (рис. 21).

Рис. 21. Измеряем напряжение на светодиоде
Рис. 21. Измеряем напряжение на светодиоде

Вы увидите, что при обычном дневном освещении светодиод вырабатывает напряжение. У меня оно было равно 0.03 В. Посветив на импровизированный «фотодиод» фонариком, я добился увеличения напряжения до 0.4 В (рис. 22).

Рис. 22. Свет от фонарика увеличивает напряжение
Рис. 22. Свет от фонарика увеличивает напряжение

Проверьте напряжение, которое вырабатывают различные диоды с прозрачным корпусом и светодиоды при дневном освещении, а также при освещении мощным фонариком.

Фотодиодный режим

Фотодиоды широко применяются в разного рода датчиках и приёмниках сигналов. В этом случае их переводят в так называемый фотодиодный режим. При этом к фотодиоду прикладывается запирающее напряжение и через него течет обратный ток, пропорциональный мощности падающего светового потока.

Я нашел в своих коробках инфракрасный фотодиод, показанный на рис. 23.

Рис. 23. Инфракрасный фотодиод
Рис. 23. Инфракрасный фотодиод

Точный тип фотодиода мне неизвестен, хотя по внешнему виду он очень похож на Vishay BPV22F-AS12, который можно найти в маркетплейсах.

Для включения фотодиода в фотодиодном режиме я использовал резистор на 10 кОм, подключив его к источнику питания +5 В. Фотодиод включен между общим проводом и резистором. Параллельно фотодиоду я подключил осциллограф (рис. 24).

Рис. 24. Подключение инфракрасного фотодиода
Рис. 24. Подключение инфракрасного фотодиода

После того как я посветил на фотодиод пультом управления от телевизора, на его экране появились пачки импульсов (рис. 25).

Рис. 25. Осциллограмма сигнала с фотодиода
Рис. 25. Осциллограмма сигнала с фотодиода

Конечно, такой сигнал не стоит подавать на цифровые входы микроконтроллера или микрокомпьютера — требуется фильтрация, усиление и формирование прямоугольных импульсов.  Различные схемы включения фотодиодов вы найдёте в статье «Схемы включения фотодиода».

Фотодиоды p-i-n

Для быстродействующих фотоэлектронных устройств используются диоды p-i-n. В таких диодах между слоями p и n добавляется слой нелегированного полупроводника i (рис. 26).

Рис. 26. Диод p-i-n (источник)
Рис. 26. Диод p-i-n (источник)

При подаче обратного напряжения в этом слое возникает обеднённая область с сильным электрическим полем. Когда в этой области поглощается фотон, моментально возникает пара электрон-дырка, которую поле тут же разделяет по электродам. На проводимость диода влияют длина волны, интенсивность и частота модуляции падающего излучения.

Фотодиоды p-i-n могут работать в гигагерцовых диапазонах частот. Они применяются в сетевых картах и коммутаторах для волоконно-оптических кабелей.

Лавинные фотодиоды

Для обнаружения очень слабых источников света и даже отдельных фотонов в лидарах, в оптической томографии, в спектроскопии, в лазерных дальномерах, а также в квантовой криптографии применяются лавинные фотодиоды

Структура лавинного фотодиода p+–i-p-n+ показана на рис. 27.

Рис. 27. Структура лавинного фотодиода (источник)
Рис. 27. Структура лавинного фотодиода (источник)

Такие диоды работают при высоком напряжении, порядка нескольких сотен вольт. Это напряжение создаёт обратное смещение в p-n переходе.

Легирующие примеси распределяются таким образом, чтобы в области i была невысокая напряжённость электрического поля. При этом в области p поле резко изменяется до значения, при котором возможно лавинное размножение носителей.

Когда свет попадает в область i, создаются пара электрон-дырка. В области p электроны ускоряются, получая энергию, достаточную для того, чтобы выбить другие электроны из валентной зоны в зону проводимости. Это даёт умножение фототока. 

Больше деталей — в статьях «О лавинных фотодиодах»  и «5.3. Лавинный фотодиод. Конструкция, принцип действия, основные характеристики. Преимущества ЛФД». 

Фототранзистор

Для домашних экспериментов с обнаружением слабого света подходит фототранзистор (рис. 28).

Рис. 28. Фототранзистор ФТГ-3
Рис. 28. Фототранзистор ФТГ-3

Фототранзистор чувствительнее фотодиода благодаря механизму внутреннего усиления. При этом для работы ему не требуется высокое напряжение, как лавинному фотодиоду и ФЭУ. Но он не способен регистрировать отдельные фотоны, подобно ФЭУ.

Благодаря повышенной чувствительности, фототранзисторы применяются в датчиках дыма, в лазерных радарах, для приёмников сигналов от пультов дистанционного управления, в датчиках освещения, в робототехнике и системах умного дома.

Среди недостатков фототранзисторов стоит отметить невысокое быстродействие и наличие сквозного тока даже при отсутствии освещения.

Структура фототранзистора

Биполярный фототранзистор похож на обычный биполярный транзистор с «окошком» для света. В отличие от фотодиодов, он может работать только в режиме с внешним смещением, но не в фотогальваническом режиме.

Структура фототранзистора n-p-n и его обозначение на схемах показана на рис. 29.

Рис. 29. Структура фототранзистора n-p-n и его обозначение на схемах
Рис. 29. Структура фототранзистора n-p-n и его обозначение на схемах

Когда свет попадает в область базы, из атомов полупроводника выбиваются электроны, в результате чего образуются пары электрон-дырка. Под действием электрического поля свободные носители разделяются, создавая ток в цепи базы.

Полученный слабый ток открывает переход коллектор-эмиттер. В результате ток, протекающий через фототранзистор, увеличивается в десятки и сотни раз.

Помимо окошка для света, по сравнению с обычным транзистором увеличивается площадь базы для захвата максимально возможного количества фотонов. У некоторых фототранзисторов нет вывода базы, а ток через эмиттер и коллектор управляется светом.

Испытание фототранзистора ФТГ-3

У меня в запасе есть фототранзистор ФТГ-3. Чтобы испытать его, я воспользовался мультиметром (рис. 30).

Рис. 30. Проверка фототранзистора мультиметром
Рис. 30. Проверка фототранзистора мультиметром

Черный провод мультиметра я подключил к эмиттеру, отмеченному на корпусе фототранзистора небольшой белой точкой, а красный — к коллектору. При комнатном освещении сопротивление составило примерно 50 кОм, а при освещении фонариком оно снижалось до сотен Ом.

Параметры фототранзистора ФТГ-3 приведены в даташите. Параметры некоторых других фототранзисторов есть в этой статье.

Различные схемы включения фототранзисторов можно найти в статье «Схема оптимизирует быстродействие фототранзистора».

Самодельный фототранзистор

Сегодня вы можете без проблем приобрести фототранзистор на маркетплейсах. Тем не менее, фототранзистор можно сделать и самому, например, из старого транзистора МП42 или подобного. Идея заключается в том, чтобы спилить боковую часть корпуса транзистора над выводом эмиттера напильником, зажав его в тисках или удерживая за основание монтажными плоскогубцами. Подробную инструкцию вы найдете в статье «Самодельный фототранзистор».

Полевые фототранзисторы

Помимо биполярных, имеются и полевые фототранзисторы, которые по своим параметрам и возможностям аналогичны биполярным фототранзисторам.

Подробнее о фототранзисторах читайте в статье «Фототранзистор: схема, принцип работы и характеристики».

Пример схемы на фототранзисторе

В статье «Фотореле на транзисторах» вы найдёте схему фотореле на самодельном фототранзисторе, сделанном из транзистора МП41Б со спиленной шляпкой.

Фототиристор

Представьте: нужно управлять прожектором или промышленным обогревателем. Для защиты схем управления от помех и высокого напряжения можно использовать фототиристор. Этот полупроводниковый прибор открывается с помощью света, что даёт гальваническую изоляцию между управляющей цепью и управляемым устройством.

Обычный тиристор устроен как «пирог» с четырьмя слоями кремния p- и n-типа. Когда тиристор закрыт, он не пропускает ток. Но если подать слабый импульс на управляющий электрод, тиристор открывается лавинообразно и остаётся в открытом состоянии, даже после отключения управляющего сигнала. Чтобы закрыть тиристор, нужно уменьшить проходящий через него ток ниже так называемого тока удержания.

Для управления фототиристором вместо электрического сигнала используется световой импульс, создающий пары электрон-дырка. Фототиристор остаётся открытым, пока через него идет ток нагрузки.

Для коммутации переменного тока применяют симисторы. Их объединяют в одном корпусе с источником света, в результате чего получается фотосимистор. Такие устройства встречаются в твердотельных реле, регуляторах мощности, в медицинской аппаратуре и в устройствах умного дома, когда важна гальваническая развязка входных и управляемых цепей.

Оптроны

Иногда нужна гальваническая развязка различных цепей. Такая развязка защищает электронику от помех и высокого напряжения и часто выполняется с помощью оптронов или, как их еще называют, оптопар. 

Оптроны часто применяются для подключения различного рода датчиков и устройств к микроконтроллерам и микрокомпьютерам через длинный кабель. В этом случае оптроны защитят эти устройства от наводок на длинные провода и высокого напряжения управляемой нагрузки.

Также оптроны будут полезны для управления мощной нагрузкой, такой как двигатель, нагреватель или лампа. При этом микроконтроллер может передавать управляющие сигналы на эти устройства через оптроны и подключенные к ним мощные транзисторы или симисторы.

В блоках питания через оптроны передаются сигналы с высоковольтного выхода на управляющий вход для стабилизации напряжения.

Устройство оптронов

В корпусе оптрона расположен источник и приёмник света, между которыми существует лишь оптическая связь. В качестве источника света выступает инфракрасный светодиод, а в качестве приёмника — фотодиод, фототранзистор или фототиристор.

Когда на источник света подаётся управляющий сигнал, он заставляет приёмник открываться и проводить ток. Таким образом управляющие сигналы передаются между гальванически развязанными между собой цепями.

Важный нюанс: сигнал передаётся только в одном направлении, а именно от источника к приёмнику. Оптический канал оптрона невосприимчив к электромагнитным наводкам, что может иметь большое значение, например, в промышленной электронике.

На рис. 31 показан блок из четырёх реле с оптопарами. 

Рис. 31. Блок из четырёх реле с оптопарами
Рис. 31. Блок из четырёх реле с оптопарами

Эти реле могут управляться сигналами от микропроцессора или микрокомпьютера, управляя при этом нагрузкой, подключенной, например, к осветительной сети переменного тока 220 В. 

Характеристики оптронов

Такой важный параметр, как коэффициент передачи по току Current Transfer Ratio (CTR), указывается в процентах и показывает, какая часть входного тока «передаётся» в выходную цепь. Этот параметр определяет эффективность оптрона.

Очень важный параметр — напряжение изоляции. Он измеряется в вольтах и говорит о том, какое напряжение способен выдержать барьер между входом и выходом. Для стандартных оптронов этот параметр может достигать сотен и тысяч вольт.

Быстродействие оптрона задаётся в микросекундах и показывает, насколько быстро может переключаться оптрон. Эти параметры важны в схемах для высокоскоростной передачи данных и могут составлять от единиц до десятков микросекунд.

Полезную информацию про использование оптронов вы найдете в статьях «Оптопары», «Подключение оптопары к микроконтроллеру AVR ATmega8», «Arduino с оптопарами (Optocouplers)».

Тестируем инфракрасные пульты управления

Наверное, в каждом доме есть инфракрасные пульты управления телевизорами, кондиционерами и аналогичными устройствами. В пульте находится инфракрасный светодиод, а в телевизоре или другом приёмнике — инфракрасный фотодиод.

Чтобы проверить, как все это работает, я подключил светодиод в фотогальваническом режиме фотодиода к осциллографу. Затем я направил пульт управления на импровизированный фотодиод (рис. 32).

Рис. 32. Посылаем импульсы от пульта управления на фотодиод
Рис. 32. Посылаем импульсы от пульта управления на фотодиод

После этого я увидел на осциллографе последовательности импульсов (рис. 33).

Рис. 33. Наблюдаем импульсы на фотодиоде с помощью осциллографа
Рис. 33. Наблюдаем импульсы на фотодиоде с помощью осциллографа

Чтобы расшифровать эту последовательность, проще всего использовать многофункциональный тестер (рис. 34).

Рис. 34. Расшифровка данных от пульта управления
Рис. 34. Расшифровка данных от пульта управления

Направьте пульт на фотодиод, обозначенный на тестере как IR, и нажмите кнопку. Вы увидите два значения — UserCode и DataCode. При этом UserCode идентифицирует устройство, и он разный для разных пультов, а DataCode содержит код команды.

Вы можете найти более подробное описание протокола, который используется в подобных пультах, в статье «Реализация ИК протокола NEC на ATmega».

Лазерная связь

Лазерный луч может распространяться на большое расстояния без расфокусировки. Используя лазер и фотодиод, вы можете создавать дальнодействующие системы передачи данных. 

Такие системы есть готовые, но, к сожалению, они очень дорогие. При этом промышленные лазерные решения позволяют передавать данные при соединении типа "точка-точка" со скоростью до 155 Мбит/с.

Среди достоинств лазерной связи можно отметить помехозащищённость и сложность перехвата передаваемых данных. К недостаткам стоит отнести сложность установки оборудования и чувствительность к погоде и прямому солнечному свету.

Любительское решение описано в статье «Лазерная связь между двумя Arduino кодом Морзе». В нём применяется лазерный модуль KY-008 и фоторезистор VT90N, а для управления процессом передачи и приёма данных использован микроконтроллер Arduino.

Другая конструкция описана в статье «Лазерный телефон». В качестве излучателя использована лазерная указка, а в качестве приёмника — фототранзистор ФТ-1К.

Возможности гальванической развязки при использовании лазера и фотоприёмника я наблюдал на одном из ускорителей заряженных частиц. Там с помощью лазера было сделано управление высоковольтным источником питания на 700 кВ. Вот уж действительно хорошее применение для управления высоковольтными цепями.

Лазерная связь в инфракрасном диапазоне позволяет добиться превосходных результатов в космосе. Например, NASA сообщает об успешной передаче данных на расстояние более 30 млн км от Земли со скоростью 267 Мбит/с.

Российская аэрокосмическая компания БЮРО 1440 реализовала передачу данных на расстояние от 30 до 1 005 км между спутниками на скорости 10 Гбит/с.

Конечно, для лазерной космической связи необходимо сверхточное наведение, а на качество передачи данных влияют облака, дождь и турбулентность в атмосфере Земли. Тем не менее, лазерная связь — реальная основа для межпланетных коммуникаций в будущем.

Заключение

Теперь вы знаете, как электронные устройства могут обнаруживать свет, а также измерять его интенсивность. Надеюсь, вам было интересно проводить эксперименты со светом, а может быть вы сделали какое-либо устройство, управляемое светом. Вы узнали, как работают оптроны, инфракрасные пульты управления, а также познакомились с возможностями лазерной связи.

Я ничего не рассказал про видеокамеры, так как эта тема объёмная и заслуживает, на мой взгляд, отдельной статьи. Сегодня видеокамеры применяются не только для записи и передачи видео на расстояние, но и в системах автоматического распознавания. Такие системы, созданные с применением нейросетей, обеспечивают автоматическое распознавание номеров автомобилей, человеческих лиц и различных объектов.

Пишите в комментариях к статье, будет ли вам интересно прочитать статью про видеокамеры и их применение.

Автор @AlexandreFrolov


НЛО прилетело и оставило здесь промокод для читателей нашего блога:
-15% на заказ любого VDS (кроме тарифа Прогрев) — HABRFIRSTVDS.

Комментарии (0)