Фотодиод

Фотоэлемент определяет всю работу фотоприемника, является его "узким местом", и для достижения максимального качества необходимо использовать наиболее чувствительные и быстродействующие. Вообще желательно бы провести испытания всех имеющихся и выбрать лучший, но в принципе, как я писал выше, мое устройство будет работать практически с любым фотоэлементом. В качестве фотоэлемента я использовал обыкновенные фотодиоды, хочу попробовать еще быстродействующие PIN-фотодиоды (буржуйские), стоят они не дороже обыкновенных (некоторые), но в Иванове не продаются, и еще я слыхал про лавинные если кто ни будь знает где их можно достать и по чем, напишите мне. Диоды более чувствительны, и менее шумны чем фоторезисторы, и быстрее фототранзисторов, так пишут в книжках, я кроме фотодиодов ни чего не пробовал.

Фотодиод может работать в фотодиодном и гальваническом режиме. В фотодиодном режиме p-n переход смещается обратным напряжением величина которого зависит от конкретного фотодиода от единиц до сотни вольт, чем больше смещение тем быстрее он будет работать, и больше токи через него будут течь. В фотогальваническом режиме к диоду не прикладывается ни какое напряжение, он сам становится источником ЭДС с большим внутренним сопротивлением, а если моделировать его то вернее будет источник тока включить параллельно с резюком на пару сотен килоом. Недостаток первого режима это то, что с ростом обратного тока, в последствии увеличения напряжения или освещения, увеличивается уровень шумов, а уровень полезного сигнала в целом остается постоянным, считается, что в этом режиме диод имеет меньшую постоянную времени. Во втором режиме уровень шумов не растет с уровнем освещенности, остается постоянным, но полезный сигнал слабнет на глазах. В моем случае устройство настраивается по уровню шумов, поэтому желательно чтобы он оставался постоянным, иначе необходимо вести настройку по максимуму шумов (при максимально возможной освещенности).

Но постоянная засветка, кроме минусов несет еще в себе и плюс. Я обнаружил эффект описание которого не встречал ни в одной литературе. Было замечено что днем фронты с фотодиода были значительно круче чем вечером или ночью. Из чего был сделан вывод, который подтвердился опытами, что для увеличения полосы пропускания можно искусственно засвечивать фотодиод или лампочкой накаливания, или инфракрасным светодиодом. Но в своем устройстве я это не использовал из-за увеличения шумов в фотодиодном режиме и ослаблении полезного сигнала в фотогальваническом, так же это увеличивает нагрузку на источник питания, да и быстродействия мне хватало.

Можно придумать не мало способов подключения фотодиода к усилителю, но лучше собрать и поставить на входе следующую схему. С помощью подстроечника можно попробовать все возможные режимы смещения фотодиода и выбрать наиболее понравившийся. Если вывернуть его на минимум, то получиться фотогальванический режим. Можно попробовать его работу и в прямом смещении (он все равно будет реагировать на свет), для этого надо перепаять диод. Сопротивление 50 Ком, не должно дать повредить фотодиод, а по переменной составляющей оно оказывается включенным параллельно с нагрузкой (меньше 5 КОм), и полезный сигнал практически не ослабляет. Конденсатор избавляет нас от постоянной составляющей, видал я схемы в которых для этого использовались транзисторы в обратных связях. От нее (постоянной составляющей), которая меняется в зависимости от фоновой засветки, лучше избавится сразу, смысла ее усиливать нет. По-моему приведенная схема включения фотодиода (вообще за место фотодиода может быть любой другой фотоэлемент) наиболее рациональна она давно известна, и нет смысла пробовать чего ни будь другое (я много времени потерял изобретая этот велосипед).

Нагрузкой для достижения максимального быстродействия должен быть или каскад с общей базой или быстродействующий операционник включенный по схеме преобразователя ток-напряжение. Эти усилители имеют минимальное входное сопротивление.

После общей базы обычно ставиться общий коллектор для уменьшения выходного сопротивления. Входной усилитель должен быть заэкранирован вместе с фотодиодом, а по питанию на входе желательно поставить RC фильтр. Кроме того весьма желательно чтобы усилитель шумел меньше фотодиода, это можно проверить впаяв за место фотодиода высокоомный резюк (можно ни чего не впаивать просто выпаять), при этом уровень шумов на выходе должен уменьшиться. В моем устройстве на входе стоит каскад с общим эмиттером он имеет более высокое входное сопротивление и довольно низкочастотный, но этого хватает, а в реализации он проще при том что коэффициент усиления по напряжению значительно больше.

Пробовалось четыре вида фотодиодов ФД-К-155, ФД-256, ФД-3, и еще какой-то мне сказали что это ФД-256, но он отличался от того который у меня был.

Справочной литературы по фотодиодам практически нет, по этому приходится работать с ними методом тыка.

Фотодиоды отличаются размером чувствительной поверхности, но их чувствительность, считать пропорциональной их размерам не следует, а если считать чувствительность отнесенную к площади, то получится даже скорее на оборот, чем меньше площадь, тем больше относительная чувствительность. Если линза не используется, то лучше использовать фотодиод с большой чувствительной поверхностью, что бы незначительные перекрытия светового потока, или неравномерности в освещении, не приводили к нарушению связи.

У ФД-3 и у ФД-256 (а может и не 256) я не обнаружил фотогальванического режима, "256" может из за того что сгорел, а у ФД-3 я с нуля мерял Uхх при сильной засветке результат нулевой, но оба этих фотодиода работали как фотоэлементы (реагировали на свет, меняя проводимость).

В прямом смещении фотодиоды должны работать как простые диоды, примерно на 0.7 характеристики уходят в верх, но эти же диоды отличились, у одного они уходили на 3.5 В, а у другого вообще не уходили.

Максимум спектральной чувствительности находится почти у всех в инфракрасной области и желательно использовать соответствующие источники света.

Еще следует помнить, время генерации носителей в p-n переходе может значительно отличаться от времени рассасывания (у ФД-К-155 раза в 3, у некоторых фотодиодов они практически одинаковы). И передние фронты будут круче задних. В моем устройстве это означает, что положительный дифференциал будет больше по модулю отрицательного, что вносит свой негативный вклад, при переключении выходного триггера задние фронты отстают.

В конечном итоге я остановился на ФД-К-155, во-первых потому что у меня было их два (в продаже 15 рублей), во-вторых они достаточно чувствительны и быстры, в-третьих имели самую большую по площади чувствительную поверхность.