Mister 220V

Фотоприемники для ультрафиолетового излучения.

Фотоприемники с чувствительностью в ультрафиолетовом (УФ) диапазоне нашли широкое применение во многих областях науки и техники: детектування лазерного излучения, спектрозональные исследования Земли, астрофизические исследования в космосе, спектрофотометрия, медико-биологические исследование и др. В большинстве случаев такие фотоприемнике кроме высокой фоточувствительности в УФ области спектру, имеют малые темнови струми, высокое быстродействие, стабильнисти.

Фотосчитывание из перфолент и перфокарт.

Раньше для введения необходимой информации использовали перфостричкии перфокарты. Для считывания из перфолент и перфокарт широко применяли кремнию ФЕП и ФПВ.Они владеют достаточной электрической мощностью,стойкостью параметров в широком диапазоне температур и хорошо согласовываются с транзисторными усилительными каскадами по схеме с общим емитером. Важным параметром при использовании ФЕП в устройствах, которые считывают , есть отношения амплитуды полезного сигнала Асс к амплитуды сигнала препятствия А_п ( фонового сигнала). При малых сопротивлениях нагрузки (токовый режим) значение Асс/А_п кремниевых ФЕП достигает 5 и резко спадает с увеличением сопротивления нагрузки. Размер отношения Ac/An для сигналов напряжения также уменьшается с ростом сопротивления нагрузки, однако границы этого изменения значительно меньшие.

Наиболее эффективно ФЕП размером 2×3 и 2х 5 мм (обычно используемые для фотоpчитувания из перфолент) работают с погрузочными сопротивлениями до 500 Ом. В этом диапазоне нагрузок относительные изменения напряжения и тока нагрузки не превышают 20% ( в интервале температур +20 - +60°C).

Оптические системы фотосчитчиков обычно не обеспечивают высокой равномерности облучения фотоголовки, которая составляется из набора ФЕП, по всей ее поверхности. Расхождение в интенсивности облучения приводит к разбросу сигналов, которые снятых с отдельных ФЕП кассеты. Неравномерность облучения особенно обозначается при малых сопротивлениях нагрузки. С увеличением сопротивления нагрузки влияние световой неравномерности на размер фотосигнала снижается.

Когда ФЕП в фотозчитуватчах работают с обратным сдвигом размер Iу выбирается с учетом облучения элементов, степени прозрачности перфоленты и диапазона изменения рабочей температуры. С повышением температуры размер »1500 Вт/ м ². Напряжение xoлостого хода начиная с некоторого тока отлива возрастает, однако при достижении определенной температуры его рост прекращается.

Фотосчитчик может быть использован для введения информации в интерполюючи устройства систем цифрового программного управления, электронные вычислительные машины и другие устройства автоматики. В качестве светочувствительных элементов в считчике использовались девять кремниевых ФЕП. размещенных а кассете фотозчитуючої головки. Источником света служит лампа накала типа СЦ-48 с номинальной напругою 8 В и мощностью 30 Вт. Для повышения срока службы, на лампу подается напряжение 6 В. Изображение нити накала лампы проектуеться на отверстия диафрагмы фотозчитуючої головки напивцилиндричною линзой. Засвитка осуществляется через отверстие в диафрагме, которая имеет площадь, приблизительно равную площади отверстий в перфоленте.

Считывание информации, закодированной в виде комбинации отверстий на перфоленте, осуществляется путем последовательного перемещения ленты между осветителем и ФЕП. Каждый элемент считывает информацию, записанную только на одной дорожке. При наличия отверстий на перфоленте ФЕП освещаются и вырабатывают электрические сигналы, которые усиливаются и превращаются усилителями кодовых дорожек и усилителем главной (синхронизирующей) дорожки.

Девять ФЕП обеспечивают получение восьми исходных сигналов из кодовых дорожек и одного сигнала с дорожки синхронизации и позволяют использовать стандартные пяти- и восьмиканальни перфоленты. Выходы восьми каналов кодовых дорожек стабилизируются сигналом из дорожки синхронизации таким образом, которые исходные сигналы появляются одновременно.

3.1. Первый каскад усилителя ведущей и кодовой дорожек.

Первый каскад на транзисторе Т работает в ключевом режиме. При отсутствия сигнала с ФЕП ключ находится в режиме видсички. При освещении ФЕП ключ переходит в режим насыщения и напруга на коллекторе Т уменьшается до 0,1 В.

Потому что используемая в фотосчитчике перфолента может иметь достаточно большой коэффициент прозрачности ( до 70%), то и при отсутствия пробивания на ней напряжение ФЕП может превышать напряжение видсички ключа и последний будет находиться в режиме насыщения. Для согласования ФЕП с усилителем при использовании перфоленты разной прозрачности на базу транзистора Т через резисторы R₂ и R₃ подается сдвиг из общего для усилителя главных и кодовых дорожек потенциометра R₄.

Фотосчитчики с лампами накала достаточно громоздкие и потребляют много электроэнергии, нуждаются в сборной оптике ( линзы, свитловоди). Кроме того, вольфрамовые спирали ламп имеют малый срок службы (5000 г) и очень чувствительные к вибрациям.

В дальнейшем все большего применения находили устройства введения, которые использовали в качестве источника излучения свитлодиоди (СД) из Gaas и в качестве детекторов излучения – кремнию ФП. Потребляемая источниками головки считывания мощность уменьшается при этом на два-три порядка, отпадает необходимость в оптических системах линз и призм. Подобные головки компактные, надежные в работе и нечуткие к вибрациям.

В головке могут устанавливаться излучатели мощностью 3-6 мВт при току 100 мА и с диаметром полусферы возле 1, 5 мм. Кремнию ФП имеют размеры фоточувствительной площадки (2х3) и крепятся к подкладки гибридной схемы усилителя. Чувствительность ФП достигает 500 мк/мВт при ( = 0,91 мкм, что отвечает максимуму излучения узкого спектру используемых излучателей. Благодаря такой характеристике излучателей уровень шумов на выходе чувствительных элементов уменьшается.

При работе ФП в режиме ФПВ устройство работает в диапазоне от сигналов на постоянном току, к частоты 1,5 – 2,0 МГц при температуре 80°С. Фотодиодний режим работы позволяет расширить частотный диапазон до нескольких десятков мегагерц.

Фотоприемники были использованы и в клавишных пультах введения и вывод информации. В подобных устройствах для считывания из перфокарт с одной стороны рычагов клавиш установленный ряд миниатюрных лампочек, с другой стороны - ряд ФПВ. В клавишных рычагах снизу есть кодуючи прорезы, которые определяют число световых лучей, которые попадаются на ФПВ при нажатии

определенной клавиши. Исходный сигнал подается непосредственно на операционный усилитель логической схемы.

Считывание в дисководе CD-ROM.

При попадании луча лазерного луча на выступление(на поверхности CD), он отражается на детектор и проходит через призму, которая отвергает его насвитлочутливий диод. Если луч попадается в ямку он рассеивается и лишь имела часть излучения отражается обратно и доходит до светочувствительного диода. На диоде световые импульсы превратятся в электрические, яркое излучение превратится в нуле слабое в единице. Таким образом ямки воспринимаются дисководом как логические единицы, а тучная поверхность как логические нули.

Цифровые фотоаппараты.

„Сердцем” любого цифрового фотоаппарата есть светочувствительная матрица CCD (Charge Coupled Device, то есть ПЗС - прибор с зарядовой связью). Обычно в камерах используется 1/ 3-дюймовая CCD, что составляется из элементов, которые превращают световые волны в электрические импульсы (Цифровой^-цифровой-аналогово-цифровой преобразователь заменяет электрические заряды цифровой информацией). Количество таких элементов колеблется от 350000 в камерах с розришенням 640х480 до 810000 и более в камерах 1024х768. Самые матрицы не являются новым изобретением – они зародились как оборудования для физических экспериментов ( в частности в физике высоких энергий), они уже давно используются в видеокамерах.

Оптическая обработка информации.

Сенсоризация производственной деятельности, то есть замена органов чувства человека на датчики, должна рассматриваться в качестве третьей промышленной революции вслед за первыми двумя – машинно-энергетической и информационно-компьютерной. Потребность в датчиках стремительно растет в связи с бурным развитием автоматизированных систем контроля и управление, внедрением новых технологических процессов, переходом к гибким автоматизированным производствам. Кроме высоких метрологических характеристик датчики должны иметь высокую надежность, долговечность, стабильность, малые габариты, массу и енергомисткисть, совместимость с микроэлектронными устройствами обработки информации при низкий трудоемкости изготовления и небольшой стоимости. Этим требованиям в максимальном объеме удовлетворяют волоконно-оптические датчики.

Волоконно-Оптические датчики. Первые попытки создания датчиков на основе оптических волокон можно отнести к середины 1970-х лет. Публикации о более или менее приемлемые разработки и экспериментальные образцы подобных датчиков появились во второй половине 1970-х лет. Однако считается, что этот тип датчиков сформировался как один из направлений техники только в начале 1980-х лет. Тогда же появился и термин" волоконно-оптические датчики" (optical fiber sensors). Таким образом, волоконно-оптические датчики - очень молодая область техники.

Фотоэлектрические преобразователи энергии (ФЕП).

Для питания магистральных систем электроснабжения и разного оборудования широко используются ФЕП; они предназначены также для подзарядки бортовых химических АБ (акум. батарей).Кроме того, ФЕП находят применение на наземных стационарных и передвижных объектах, например, в ФЕП электромобилив. С помощью ФЕП, размещенных на верхней поверхности крыльев, осуществленное питание приводного электродвигателя винта одноместного экспериментального самолета (США), что перелетел через проток Ла-Манш.

На данное время наилучшая область применения ФЕП - искусственные спутники Земли, орбитальные космические станции, межпланетные зонды. Преимущества ФЕП: большой срок службы; достаточная аппаратная надежность; отсутствие затрат активного вещества или топлива. Недостатки ФЕП: необходимость устройств для ориентации на Солнце; сложность механизмов, которые разворачивают панели ФЕП после выхода спутника на орбиту; нетрудоспособность при отсутствии освещения; большие площади опроминюваних поверхностей. Для современных ФЕП характерная удельная масса 20 - 60 кг/кВт ( без учета механизмов развертывания и автоматов наблюдения). К перспективным принадлежат ФЕП, что соединят солнечные концентраторы (параболические зеркала) и ФЕП на основе гетероструктури двух разных полупроводников - арсенидов галлия и алюминия.

ФЕП монтируются на панелях, конструкция которых содержит механизмы развертывания и ориентации. Для повышения эффективности приблизительно до 0,3 применяются каскадные двo- и трьохшарови выполнение ФЕП с прозрачными верхним пластом. ФЕП существенным образом зависит от оптических свойств материалов и их теплорегулирующих защитных покрытий. Коэффициенты отбивания уменьшают технологическим средством просветления поверхности что освещается ( для рабочей части спектру).

О применении фотоприемников можно говорить еще долго и много. Понятно, что фотоприемники очень перспективные приборы. Об этом свидетельствует и тот факт, который на данное время тяжело найти область науки, техники или быта, где бы не применялись фотоприемники…

Рабочее напряжение фотоприемника Up - постоянное напряжение, приложенное к фотоприемнику, при которому обеспечиваются номинальные параметры при продолжительной работе в заданных эксплуатационных условиях. Его выбирают с запасом относительно пробивного напряжения.

Максимально допустимое напряжение Umax – максимальное значение постоянного напряжения, при которому отклонение параметров прибора от номинальных значений не превышает установленных границ. При работе в импульсном режиме Umax может быть увеличенное.

Мощность рассеяния, которое выделяется при прохождении фототока, определяет розигрив фотоприемника. Большая мощность, которая рассеивается, может привести к необратимому изменению токов И_т и I_ф. Каждый приемник характеризуется определенным значением максимальной мощности рассеяния Р_доп, что не должно превышаться. Значение Р_доп зависит от условий теплоотвода, размеров рабочей площадки и других факторов.

Темновий сопротивление R_т – сопротивление фотоприемника при отсутствии падающего на него излучения в диапазоне его спектральной чувствительности.

Дифференциальное сопротивление R_д – отношение малых приростов напряжения и тока па фотоприемники.

Темновий ток фотоприемника И_т - ток, который проходит через фотоприемник при указанному напряжению на нем при отсутствии потока излучения в диапазоне спектральной чувствительности.

Коротковолновая (длинноволновая) граница спектральной чувствительности – наименьшая ( самая большая) длина волны монохроматического излучения, при которому монохроматическая чувствительность фотоприемника равняется 0,1 ее максимального значения.

Динамический диапазон линейности ( в децибелах) характеризует область значений лучистого потока Ф ( от Ф_mах до Ф_min), для которой энергетическая характеристика линейная: ( =101g(Ф_mах/Ф_min).

Максимум спектральной характеристики фотоприемника – длина волны, которая отвечает максимуму чувствительности фотоприемника. Положение максимума зависит от объемного времени жизни неуравновешенных носителей, скорости поверхностной рекомбинации, геометрических размеров светочувствительной площадки и других факторов.

Токовая фоточувствительность Si (А/лк или в А/Вт) определяет значение фототока, создаваемого единичным потоком излучения. Нередко вместо потока излучения, которое падает на фотоприемник, задается плотность падающего потока, который измеряется во Вт/ м ².

Вольтова фоточувствительность Su характеризует значение сигнала в вольтах, отнесенное единицы падающего потока излучения.

Токовая и вольтова чувствительности называются интегральными, если они характеризуют чувствительность к интегральному потоку излучения и монохроматическими, если характеризуют фоточувствительность к монохроматическому излучению. Обычно фотоприемники описывают или интегральной фоточувствительностью, или фоточувствительностью в максимуме излучения (Si _max, S Si _min ) из вказанням длин волн, при которых чувствительность уменьшается вдвое.

Интегральные токовую и вольтову чувствительности S_и и Su вычисляют за формулами:

Si = , Su =

где И, U и I_т, U_т - общие и темнови ток и напруга на фотоприемнике соответственно.

Предельная чувствительность Р_пор определяет уровень мощности светового потока, при которому сигнал равняется шуму.

Инерционность фотоприемников характеризуется постоянными времени фронта нарастания _н и убыли _сп фотоответа при импульсной засвитке. Ими определяются предельные рабочие частоты модуляции света, при которых еще не происходит заметного уменьшения фотоответа. Как правило, _н < _сп. Постоянная времени _сп определяется как интервал времени после прекращения влияния излучения, после окончания которого напряжение фотосигнала, который спадает по экспоненте , уменьшается в е раз. Если используется синусоидальная модуляция светового потока, то быстродействие фотоприемника характеризуется предельной частотой f_гр на которой фотоответ уменьшается к уровню 0,7 относительно стационарного значения.

Напряжение шума фотоприемника U_ш – среднее квадратичное значение флюктуации напряжения на заданной нагрузке в цепи фотоприемника в указанной полосе частот.

Ток шума фотоприемника И_ш – среднее квадратичное значение флюктуации тока, который проходит через фотоприемник в указанной полосе частот.

Эффективная фоточувствительная площадь S_еф – площадь фоточувствительного элемента эквивалентного по фотосигналу фотоприемника, чувствительность которого равномерно распределенная по фоточувствительному элементу и равняется максимальному значению локальной чувствительности Smax данного фотоприемника.

Эффективное поле зрения фотоприемника _еф – телесный угол, обусловленный соотношениям:

_еф = S( , )sin cos d d ,

где S – чувствительность фотоприемника; – угол между направлением падающего излучения и нормалью к фоточувствительному элементу; – азимутальный угол.

Коэффициент фотоэлектрической связи багатолементного фотоприемника Кф._с – отношение напряжения сигнала из неозаренного элемента в многоэлементном фотоприемнике к напряжения фотосигнала из соседнего озаренного элемента, определенное на линейном участке энергетической характеристики и при рабочему напряжению на всех элементах.