Řekne – li se fotodioda, vybaví se nám jedna ze základních (opto)elektronických součástek, jejíž charakteristiky byly vděčným tématem již ve školní laboratoři a pro své „vypilované“ vlastnosti nezůstanou ještě dlouho stranou zájmu ani u široké obce vývojářské. Ta se však musí potýkat s docela svižným životním tempem, kterému jsme se nedávno na stránkách HW serveru pokusili alespoň částečně odlehčit představením možností on – line vývojového nástroje Analog Photodiode Wizard, který je v rámci podpory výrobce, společnosti Analog Devices, volně k dispozici přímo na jejich stránkách (více v článku Nerovný vztah: fotodioda by měla sloužit vývojáři, nástroje také).
Nebudeme tvrdit, že se přitom necílilo na zapojení s vybranějšími „způsoby chování“, o tom nás ostatně přesvědčila už jen řada vykreslovaných charakteristik s předurčením k jejich další optimalizaci. Jedním dechem však připouštíme, že vhodných polovodičových struktur, které zastanou stejnou práci, bude více. Liší se svým provedením, vykazovanými parametry a konečně též i cenovkou. V jednom případě se dokonce jedná o produkt, který výrobci odladili a nabízí ke zcela opačnému účelu. A právě touto, naprosto běžně dostupnou součástkou se dnes pokusíme fotodiodu „zastínit“. Nebude to univerzální ani precizní a převratné už vůbec ne. Stejně tak se nemusí jednat o nejvhodnější cestu k cíli, ale funguje to, skoro nic to nestojí a my o tom proto chceme alespoň vědět!
Fotodiodou se nesvítí
Od toho zde máme jiné zdroje, např. takovou svíčku – bez obsahu rtuti, s okamžitým náběhem na plnou svítivost, podporou místních výrobců a léty prověřenou technologií, známou již od pravěku. [1] My však zůstaneme věrni své profesi a světlo si vyrobíme pomocí klasických LEDek. Vlastně ani ne, protože tentokrát je „naučíme“ světlo raději snímat. Nic zvláštního v tom nehledejte, a pokud přece, s trochou teorie, naměřenými výsledky nebo též jednoduchým návrhem optočlenu jste se na HW.cz mohli již před deseti lety seznámit v článku Fotovoltaický jev u diod LED.
Optočleny složené z LED mimochodem vyžadují značné zesílení výstupního signálu a nemohou proto běžně vyráběným optočlenům konkurovat. Přesto však mají dvě výhody, které mohou být v určitých případech důvodem k jejich použití. Za prvé, vzhledem k materiálu pouzdra diod dostáváme výborné izolační vlastnosti. A za druhé, optočlen složený z LED bude obousměrný, umožňuje totiž střídavě přenášet signál oběma směry. [2]
Pochopitelně se stále pohybujeme v oblasti, kde nasazení tohoto tradičního vazebního prvku dává (ještě) smysl. V opačném případě se raději obrátíme na technologii iCouplerů, která v číslicových systémech, případně za cenu dodatečného A/D převodu, může na menší ploše desky spojů nabídnout stabilní parametry, kterých budeme s optočleny dosahovat jen stěží (na HW serveru čtěte iCouplerům je „náct“ a slaví aneb vy ještě svítíte optočlenem?). Ať se nám to totiž líbí nebo ne, vytvořením galvanické bariéry pro „nuly a jedničky“ se dopouštíme mnohem menší chyby než v případě oddělení původního analogového průběhu.
Nás však optoelektronika stále nepřestala bavit a v „náhradě“ fotodiody jako takové budeme proto pokračovat i nadále. Jestliže rozsvícení výchozího prvku znamenalo zpravidla „konečnou“, nyní to bude jen další z funkcí této součástky. Máte už vybranou vlnovou délku?
1N4148 slouží jiným
Takové diody můžou našemu zapojení dokonce i „ublížit“. Příčin, proč je kupříkladu aplikace s operačními zesilovači (na HW serveru čtěte též Operational amplifier v RC generátoru Heathkit IG-18) poznamenána rušením, může být celá řada. Pokud už jen tápeme, nezbývá než se znovu pečlivě zamyslet nad mechanismem jeho vzniku. Příčina totiž může nejednou překvapit: foto proud vstupních ochranných diod. Křemíkové diody se ve skleněných pouzdrech rády chovají jako fotočlánky. Budou – li pak ozářeny, nejlépe modulovaným světlem z umělého zdroje, dochází rovněž k modulaci jejich proudu a my máme zaděláno na problém. Tento jev nebývá výrobci diod příliš dokumentován a může se navíc docela citelně lišit, jednu „identickou“ součástku od druhé. Řešení je přitom docela prosté: místo skleněného pouzdra se stačí poohlédnout po něčem z plastu. [3]
Obr. 1: Při odběru 5 000 ks zaplatíme v GM electronic za obyčejnou diodu 1N4148 přibližně 12 haléřů bez daně. Součástka je to užitečná, ale její světlo – citlivé vlastnosti stěží využijeme, budou spíše na škodu | ilustrační foto
Z uvedeného tedy vyplývá, že kupříkladu diody 1N914 / 1N4148 dostatečnou fotocitlivost ke vzniku nežádoucího rušení sice vykážou, ale to je tak všechno. Jako fotočlánky je nezapojíme, jejich citlivost spadá spíše do infračervené oblasti než do viditelného spektra a i za jasného slunečného dne jimi takto neproteče fotoproud o velikosti větší než cca 10 nA – v tuto chvíli stále nepoužitelné (k pokračující miniaturizaci, tentokrát řízeně, čtěte Role se obrátila aneb pouzdra SOIC, která sama napájí).
Zatímco jiná svítí
Půjdeme – li po ceně, budou sice tradiční LED přibližně 5x dražší než obyčejná dioda, rozhodně nám však za to na pozici fotoelektrického článku nabídnou mnohem vyšší citlivost. Považte sami: necháme – li dopadat přímo na diodu sluneční svit, naměříme v případě červené 5 mm LED (1 000 mCd @ 20 mA) fotoproud něco přes 20 μA. V tropickém pásmu se tak teoreticky nemusíme starat o dobíjení baterie v hodinkách. Aby však nedošlo k mýlce, svítivé diody zde nehodláme „zneužívat“ k výrobě energie – k tomu nám poslouží jiné zdroje a mnohem lépe (viz také dvojici článků Napájíme věci pro internet věcí). V LEDkách však spatřujeme zajímavé fotodetektory, které v porovnání se součástkami vyráběnými přesně k tomuto účelu pořídíme zhruba za desetinovou cenu. Na růžích však rostou i trny...
Obr. 2: Nabídka LED je bohatá. U stejného distributora při odběru 50 kusů ceny např. začínají na 64 haléřích bez DPH, vyšplhat se však mohou i hodně přes tisícovku. S diodami však nemusíme jen svítit | ilustrační foto
Spektrální citlivost LED závisí na jejich barvě, to znamená že budou snímat vlnové délky kratší nebo rovné těm, které samy vyzařují. Svou roli zde sehrávají vlastnosti pouzdra – světlo které pohltí, nevyužijeme –, a jednoduché to nebude ani v případě bílých LED a jejich luminoforu pro převod monochromatického světla na světlo bílé. A podobně jako se toho moc nedovíme o vlivu ozáření na obyčejnou diodu, viz výše, neusnadní nám výrobci svítivých diod práci ani nyní. Primární je přece svítit (na HW serveru viz také článek Posvítili jsme si na svítivost univerzálních LED). Co to pro nás znamená? Musíme si uvědomit, že i zdánlivě bezvýznamná změna v návrhu s minimálním dopadem na chování svítivé LED jako takové může způsobit docela zásadní změny v charakteristikách takto provozovaného fotočlánku. [4]
Pokud se již tedy rozhodneme zapojovat LED tímto způsobem, měli bychom použít „střízlivý“ návrh ve kterém provozní změny neohrozí správnou funkci zařízení. Není nutné zdůrazňovat, že pro masovou produkci bude takový přístup poněkud náročnější, nicméně v rámci menších sérií může znamenat určité výhody.
Na převodník s ní
To zajímavé nás ale teprve čeká. Což takhle nechat budit LED tzv. „analogovým mikrokontrolérem“? Stejnou LED pak budeme schopni použít nejen jako indikační prvek, ale též coby fotodetektor – stačí jen zakázat příslušný digitální výstup a začít snímat a vyhodnocovat velikost jejího fotoproudu. Pokud náš mikrokontrolér nabídne duální kombinaci analogového vstupu A/D převodníku s velmi vysokou impedancí a číslicových I/O pinů, vystačíme si se svítivou diodou, dvěma rezistory a pouze jedním vývodem procesoru. [4] Nemusíme ani dlouho pátrat, z produkce Analog Devices se nám kupříkladu nabízí obvod ADuC7023, Precision Analog Microcontroller, 12-Bit Analog I/O, ARM7TDMI MCU with Enhanced IRQ Handler, příp. též mikrokontroléry ATMega od Atmelu, např. ATMega328, využívané ve vývojových deskách Arduino (viz také článek Vývojové desky Arduino v nabídce GM electronic).
Obr. 3: Blokový diagram integrovaného 12bitového / 1 MSPS systému sběru dat, obvodu ADuC7023
Rodina precizních analogových mikrokontrolérů v sobě slučuje obsluhu analogových rozhraní – A/D a D/A převodníky s vysokým rozlišením, napěťová reference, teplotní čidlo apod. –, společně se standardními mikrokontroléry, pamětí Flash a podpůrnými perifériemi. Až se budete s možnostmi jednotlivých systémů seznamovat blíže (přehled na stránkách výrobce), naleznete je rozdělené do tří skupin: 8052 Core Products , ARM7 Core Products a ARM Cortex™-M3 processor. Obvod ADuC7023 byl vybrán z druhé z nich.
Pozor na bílou
Optická čidla a moduly
- …aneb když fotodioda není v pouzdru sama. Vybraným integrovaným řešením jsme se v nedávné době věnovali např. v článcích Sedm čidel, sedm převodníků, ale jen šest vývodů (Maxim), Zavěsil telefon? Dobré mravy se navrátí s čidlem přiblížení (STMicroelectronics), ALS + PS: světlo a blízkost v kontextu moderní doby (Fairchild Semiconductor) nebo Světelný senzor Intersil: Oslněni za měsíčních nocí (Intersil). Nejednou zde budeme pracovat se zkratkou ALS (Ambient Light Sensor), příp. též složkami RGB.
Co je však potěšující, i v případě docela levných LED v praxi pozorujeme solidní citlivost vůči viditelnému světlu, která se může v mnoha případech poměřovat dokonce s fotočlánky, budeme – li je tak provozovat. Speciální fotodiody ale bývají pro takové účely již navrženy a dále pak testovány. Podle všeho budou rovněž vynikat i v otázce rychlosti odezvy. Ale nevěšme hlavu, LED není zase tak těžké otestovat, při jejich volbě dokážeme pracovat s konkrétními spektrálními charakteristikami a v našem systému mohou často sloužit přinejmenším dvěma účelům – jako indikační kontrolka a také „měřič“ okolního osvětlení, resp. optický vysílač / přijímač. A zábavu snad užijeme i s vícebarevnými ledkami.
Bílé LED, které jsme zmiňovali v textu výše, také nebudou k „zahození“. Jsou sice komplikovanější a ještě se k tomu vyrábí různými způsoby, ale většina z nich bude jako fotodioda pracovat také – jen s tím můžeme mít o něco více práce spojené s pečlivou kontrolou vlastností (spektrální citlivost, el. charakteristika). Je však jasné, že se složitějšími prvky, obsahujícími LED společně s dalšími obvody, již na pozici fotodiody nepochodíme. Prostý a nedílný sériový rezistor v LED její nasazení na pozici fotocitlivé součástky nevylučuje, zatímco většina dalších vestavěných struktur již znamená problém. Máme tím na mysli třeba proudová omezení s aktivními součástkami, diodové můstky, stmívání, záblesková zařízení apod., ale to se už dostáváme někam úplně jinam.
Není bastlení, není měření
Řekněme, že jsme se pro LED na pozici náhrady za fotodiodu již rozhodli. Jak ale z hromádky kandidátů vybrat a prověřit tu správnou? V příloze (ne, nejedná se o „slepé střevo“) k již zmiňovanému dokumentu [5] nabízí jeho autor, James Bryant, několik postřehů.
Obr. 4: Testovací přípravek určený k měření LED / fotočlánků
Základní princip měření charakteristik fotodiody spočívá v tom, že ji budeme postupně na různých vlnových délkách vystavovat známé intenzitě světla, měřit na každé „lambdě“ velikost fotoproudu a vykreslovat přitom křivku (odezvu). Pokud vám na stole leží drahý spektrofotometr, můžete si gratulovat a přestat číst. V opačném případě tu máme zdánlivý problém, protože získat přesný a zároveň přeladitelný světelný zdroj nemusí být zase tak jednoduché. My to však nevzdáváme.
Některé fotočlánky jsou naštěstí docela dobře popsány a my tak můžeme za stejných světelných podmínek porovnat odezvu neznámého prvku s charakteristikou toho zdokumentovaného. Získat vysoce svítivé LED různých barev, zasahující od ultrafialové části spektra až po tu infračervenou, nestojí moc a bude to i jednoduché. Navíc zde máme výrobce, kteří nám ve své dokumentaci o LED a jejím spektru prozradí skutečně dost informací. A teď k věci: získáme – li dobře zdokumentovaný fotočlánek (tj. v otázce spektrální změny citlivosti, nemusí se nutně jednat o citlivost absolutní), pokrývající rozsah vlnových délek, které nás zajímají, a zvolíme – li šest nebo třeba sedm 5 mm LED s rozumně a zároveň rovnoměrně rozprostřenými špičkami svých vlnových délek v daném rozsahu, můžeme začít s relativně dobrou spektrální a citlivostní analýzou vlastností neznámé fotodiody za standardních podmínek a na základě srovnání její odezvy s odezvou fotodiody se známou charakteristikou.
Máme – li navíc kalibrační a také testované fotočlánky oba v 5 mm pouzdrech, není co řešit. Do vhodného kusu tmavého materiálu, např. černého ABS, prostě vyvrtáme 5 mm díru, na jedné straně zasuneme LED a na protějším konci pak proti ní i fotočlánek a můžeme začít porovnávat (viz obr. 4). Jednoduše si pak dokážeme poradit i s jinými průměry pouzder diod. A když už jsme v tom měření, ověříme si kromě spektrální citlivosti též proudy, prahové napětí a rozumná může být i rychlost spínání. Stačit nám bude běžné přístrojové vybavení a 100 MHz osciloskop.
Závěr:
Všechny polovodičové diody jsou do jisté míry fotodiodami, některé z nich ale budou mnohem citlivější. [5] A o to právě jde, nebo taky ne a my si tak můžeme lámat hlavu zase s něčím jiným. Využití LED k snímání, a třeba i ke svícení, určitě není špatný nápad. Na internetu [6] se např. dočtete, že se některé infračervené LED fotodiodám téměř vyrovnají, takže jejich použití nemusí být pouhým výrazem zoufalství po zhroucení globální civilizace. Přidáváme se proto k autorovi blogu a doufáme, že nějakého „managera“ nenapadne v přištím kole „katování kostů“ přestat dodávat infračervené LEDky, když jejich světlo stejně není vidět...
Download a odkazy:
- Domovská stránka Analog Devices: www.analog.com
- Analogové systémy na HW serveru: http://www.hw.cz/analogove-systemy
Komentáře
Bílá fotoled
Bílá LED z principu jako fotodioda nefunguje. Základní LED je modrá 400nm, tedy citlivá na modrou složku světla a navíc je přikryta oranžovým luminoforem.