Оптические датчики: фотодиоды, фототранзисторы, оптопары

Введение

Оптические датчики — важнейший класс приборов для бесконтактного обнаружения, измерения и передачи сигналов с помощью электромагнитного излучения видимого и ИК‑диапазонов. Они широко применяются в:

• промышленной автоматизации (счёт объектов, позиционирование);
• системах безопасности (охранная сигнализация, детекторы пламени);
• телекоммуникациях (оптоволоконные линии);
• бытовой технике (пульты ДУ, датчики освещённости);
• медицине (пульсоксиметры, анализаторы);
• робототехнике (обнаружение препятствий).

В статье рассмотрены:

• физические принципы работы фотодиодов, фототранзисторов и оптопар;
• конструктивные особенности и типовые схемы включения;
• ключевые параметры и характеристики;
• сравнительный анализ;
• рекомендации по выбору и эксплуатации.

1. Фотодиоды: принцип, типы, параметры

1.1. Физический принцип

Фотодиод — полупроводниковый прибор, преобразующий оптическое излучение в электрический ток на основе внутреннего фотоэффекта.

Процесс:

1. Фотоны с энергией hν>Eg​ (ширина запрещённой зоны) поглощаются в полупроводнике.
2. Генерируются электронно‑дырочные пары.
3. Под действием электрического поля (обратное смещение или нулевое) носители заряда дрейфуют, создавая фототок Iф​.

Основной закон:

Iф​=S⋅Φ,

где S — чувствительность (А/Вт), Φ — световой поток (Вт).

1.2. Режимы работы

• Фотогальванический (без смещения):
  • низкий шум;
  • малая скорость;
  • применяется в солнечных элементах.
• Фотодиодный (с обратным смещением):
  • высокая скорость (единицы нс);
  • линейность;
  • увеличенный динамический диапазон.

1.3. Типы фотодиодов

• Кремниевые (Si): диапазон 400–1100 нм, пик ~850 нм.
• Германиевые (Ge): 800–1800 нм, выше темновой ток.
• InGaAs: 900–1700 нм, низкий шум, для оптоволоконной связи.
• Лавинные (APD): внутреннее усиление за счёт лавинного умножения, высокая чувствительность.
• PIN‑диоды: слой i‑кремния между p‑ и n‑областями — быстрее, чем обычные pn‑диоды.

1.4. Ключевые параметры

• Чувствительность S (А/Вт) — ток на единицу оптического потока.
• Темновой ток Iт​ (нА–мкА) — ток при отсутствии освещения.
• Время нарастания/спада tr​, tf​ (нс–мкс).
• Ёмкость перехода Cj​ (пФ) — влияет на полосу пропускания.
• Шумовая эквивалентная мощность (NEP) (Вт/√Гц) — минимальный обнаруживаемый сигнал.
• Спектральная характеристика — зависимость S(λ).
• Угол приёма (градусы) — апертура оптической системы.

1.5. Схемы включения

1. Трансимпедансный усилитель:Uвых​=−Iф​⋅Rf​, где Rf​ — резистор обратной связи (МОм). Обеспечивает линейность и усиление.
2. Прямое подключение к АЦП (для медленных сигналов, фотогальванический режим).
3. Дифференциальная схема — подавление синфазных помех.

1.6. Преимущества и недостатки

Плюсы:

• высокая скорость и полоса пропускания;
• линейность характеристики;
• широкий спектральный диапазон;
• малый размер и низкая стоимость.

Минусы:

• темновой ток растёт с температурой;
• требуется усиление слабого сигнала;
• чувствительность зависит от длины волны.

1.7. Типичные применения

• оптоволоконные приёмники (1,3–1,55 мкм);
• пульты ДУ (940 нм);
• датчики освещённости и цвета;
• спектрофотометрия;
• лазерные дальномеры;
• медицинские сенсоры (пульсоксиметрия).

2. Фототранзисторы: устройство, характеристики, схемы

2.1. Физический принцип

Фототранзистор — биполярный транзистор, в котором базовый ток генерируется фотонами. Структура: npn или pnp с открытым или оконным корпусом.

Механизм:

1. Свет создаёт электронно‑дырочные пары в базе.
2. Неосновные носители диффундируют в коллектор, вызывая ток базы IB​.
3. Коллекторный ток усиливается: IC​=β⋅IB​, где β — коэффициент усиления.

2.2. Отличия от фотодиода

• Встроенное усиление (β=100…1000) — выше чувствительность.
• Ниже скорость (мкс–мс из‑за накопления заряда в базе).
• Выше темновой ток (из‑за ICBO​).
• Нелинейность при больших токах.

2.3. Ключевые параметры

• Чувствительность (мА/лм) — коллекторный ток на единицу светового потока.
• Темновой ток ICBO​ (мкА).
• Время включения/выключения (мкс–мс).
• Коэффициент усиления β.
• Спектральная чувствительность (аналогично фотодиодам).
• Напряжение насыщения UCE(нас)​.

2.4. Схемы включения

1. С общим эмиттером — стандартная конфигурация, максимальный коэффициент усиления.
2. С общей базой — выше скорость, ниже усиление.
3. С нагрузочным резистором RL​:Uвых​=IC​⋅RL​.
4. С подтягивающим резистором для цифрового выхода (лог. «0»/«1»).

2.5. Преимущества и недостатки

Плюсы:

• высокая чувствительность без внешнего усилителя;
• простота схем включения;
• низкая стоимость;
• достаточная скорость для многих задач (счёт объектов, барьеры).

Минусы:

• инерционность (не для ГГц‑сигналов);
• температурная нестабильность β и ICBO​;
• нелинейность при больших сигналах;
• ограниченный динамический диапазон.

2.6. Типичные применения

• датчики присутствия (автоматические двери);
• счётчики импульсов (энкодеры);
• детекторы прерывания луча;
• охранные ИК‑барьеры;
• оптоэлектронные реле;
• простые системы дистанционного управления.

3. Оптопары (оптоизоляторы): конструкция, типы, применение

3.1. Физический принцип

Оптопара — устройство, передающее сигнал между электрически изолированными цепями с помощью оптического излучения. Состоит из:

• излучателя (светодиод, обычно ИК);
• фотоприёмника (фотодиод, фототранзистор, фотодарлингтон, фототиристор);
• оптической среды (воздух, гель, волокно);
• корпуса с изоляцией (керамика, пластик).

Принцип: электрический сигнал → свет → фототок → электрический сигнал.

3.2. Типы оптопар по приёмнику

• Фотодиодные — высокая скорость (до 10 Мбит/с), низкая чувствительность.
• Фототранзисторные — среднее быстродействие (10–500 кбит/с), высокое усиление.
• Фотодарлингтонные — очень высокое усиление, низкая скорость (< 10 кбит/с).
• Фототиристорные — для коммутации силовых цепей (переменный ток).
• Цифровые оптопары — встроенный триггер Шмитта, логические уровни.

3.3. Ключевые параметры

• Коэффициент передачи по току (CTR):CTR=Iвх​Iвых​​⋅100%