Две функции светодиода: излучатель и фотоприемник

Журнал РАДИОЛОЦМАН, декабрь 2016

Kyle Holland

EDN

Любой диод с p-n переходом обладает той или иной степенью фоточувствительности к свету определенной длины волны. Спектральная характеристика диода с p-n переходом зависит от целого ряда факторов, включая тип материала, глубину перехода и тип корпуса. Корпуса большинства устройств должны подавлять чувствительность к лучистым потокам, чтобы свет не нарушал основную функцию прибора. Однако корпуса некоторых устройств и особенности их конструкции позволяют неплохо принимать свет. Наиболее распространенные светочувствительные компоненты – фотодиоды и фототранзисторы – способны воспринимать и измерять свет от разнообразных источников. Еще одним типом чувствительных к свету диодов, использовать которые для фотоприемных приложений обычно не приходит в голову, являются светодиоды. Светодиоды, корпуса которых рассчитаны на излучение светового потока, могут служить узкополосными фотодетекторами. Такие устройства подходят для приложений, в которых они служат в качестве спектрально-селективных избирательных фотоприемников или преобразователей. Более подробную информацию по оптоэлектронным устройствам можно найти в [1]…[4].

Рисунок 1.	Существенное перекрытие кривых чувствительности и спектра излучения позволяет использовать светодиод как для передачи, так и для приема.

Чувствительность светодиода к свету, и особенно на частоте его излучения, зависит в основном от объемного поглощения материала и глубины перехода. Фоточувствтельность светодиодов с низким объемным поглощением в районе пика излучения невысока, и, соответственно, генерация электронно-дырочных пар низкая. Инфракрасные излучатели на основе GaAs с длиной волны 940 нм в области пика излучения имеют сравнительно хорошую чувствительность к свету, благодаря большому объемному поглощению. На Рисунке 1 показаны относительные характеристики чувствительности и спектра излучения для светодиода OSRAM SFH409. Инфракрасный GaAs светодиод с пиком излучения на длине волны 940 нм имеет полуширину спектра излучения, равную 50 нм. В режиме фотоприемника пик находится на длине волны 920 нм, а полуширина спектра излучения равна 55 нм. Как видно из Рисунка 1, длина волны пика характеристики чувствительности короче длины волны пика излучения, но две кривые в значительной степени перекрывают друг друга. Благодаря этому перекрытию светодиод может служить преобразователем света. Блок-схема полудуплексного приемопередатчика, в котором используется это свойство светодиода, приведена на Рисунке 2.

Рисунок 2.	В этом полудуплексном приемопередатчике светодиод используется и для передачи, и для приема.

Здесь светодиод связывает две встроенные системы через оптоволоконный кабель или, в пределах видимости на коротких дистанциях, – напрямую. На Рисунке 3 приведена схемная реализация приложения, изображенного на Рисунке 2. Схема может осуществлять однонаправленную передачу данных между двумя встроенными системами со скоростями до 250 Кбит/с. Схема состоит из драйвера светодиода, предусилителя и выходного компаратора. Драйвер управляет излучением светодиода при передаче данных, а на время приема отключает вывод Tx от светодиода. Вывод Tx подключен к транзистору Q₁ через резистор R₁. Когда вывод Tx не используется для передачи (уровень «лог. 1»), транзистор Q₁ выключен, и ток светодиода равен нулю. Активация вывода Tx («лог. 0») включает транзистор Q₁. Резистор R₂ задает уровень выходной мощности светодиода. Для минимизации искажений импульса в линии связи следует установить такой уровень мощности, который компенсировал бы потери через передающую среду. При питании схемы напряжением 5 В сопротивление резистора R₂ должно быть между 50 Ом и 220 Ом.

Рисунок 3.	Один сдвоенный операционный усилитель и горсть компонентов превращают светодиод в устройство двойного назначения.

Предусилитель состоит из резистора R₄, выполняющего функцию шунтового преобразователя тока в напряжение, и быстродействующего неинтвертирующего усилителя напряжения (IC_1A). Резисторы R₃ и R₄ создают на входе IC_1A небольшое смещение в несколько милливольт, поддерживающее рабочую точку усилителя в линейной области. Для этой конструкции выбран быстродействующий операционный усилитель OPA2350, выпускаемый компанией Texas Instruments. Устройство, имеющее rail-to-rail входы и выходы и произведение ширины полосы пропускания на коэффициент усиления, равное 38 МГц, может работать от одного источника питания с напряжением от 2.7 до 5 В. Крутизна преобразования предусилителя зависит от сопротивлений резисторов R₄, R₅ и R₆. При указанных на Рисунке 3 номиналах резисторов крутизна равна приблизительно 220,000. Компаратор IC_1B преобразует выходной сигнал предусилителя в напряжения логических уровней. Входной порог компаратора задается подстроечным резистором R₈. При правильной установке порога вы можете получить хорошую симметрию импульсов при различных уровнях мощности входного сигнала. Цепочка R₉, C₁ обеспечивает гистерезис для сигналов переменного тока и дополнительный форсирующий эффект для более быстрого переключения компаратора. Кроме того, R₉ ограничивает импульсные токи на выводе 5 микросхемы IC_1B при переходах из «лог. 1» в «лог. 0».

При передаче данных схема передатчика управляет предусилителем и компаратором. На это время для защиты внутренних цепей схемы от передаваемых данных и исключения ошибок из-за переполнения UART на линии Tx/Rx необходимо устанавливать уровень «лог. 1». Цепочка R₁₀, D₁ изолирует приемник UART от любых изменений уровней, происходящих на линии Rx. При переключении между режимами передачи и приема в программе должна быть предусмотрена задержка на время восстановления предусилителя. Типичное время восстановления составляет от 10 до 20 мкс. Обратите внимание, что при использовании микроконтроллеров класса 8051, у которых функции выходных подтягивающих резисторов выполняют полевые транзисторы, работающие в режиме обеднения, диод D₁ надо заменить p-n-p транзистором с соответствующим базовым резистором.

Ссылки

Материалы по теме