Увеличение чувствительности фотоприемника на базе фототранзистора

Texas Instruments LM358

Журнал РАДИОЛОЦМАН, май 2019

Левашов Олег Дмитриевич (идея)
Басков Михаил Павлович (реализация и испытания)

В статье предлагается способ существенного увеличения чувствительности сенсоров на базе двухвыводных фототранзисторов, принимающих слабый полезный сигнал в условиях низкой освещенности. Приводятся описание конструкции сенсора и результаты лабораторного и натурного экспериментов, подтверждающие высокую эффективность предложенного метода.

Фотоприемники на базе фототранзисторов характеризуются высокой чувствительностью, что является их основным преимуществом перед сенсорами на основе фотодиодов, которым требуется дополнительный усилитель. Однако известны и существенные недостатки фототранзисторов – узкий частотный диапазон и ухудшение чувствительности в условиях низкой внешней освещенности.

Особенно ярко второй из указанных недостатков проявляется у фототранзисторов, работающих в режиме с «оторванной базой». Это недорогие двухвыводные приборы в прозрачных пластмассовых корпусах, широко применяемые для обнаружения препятствий в простейшей робототехнике.

Объясняется это достаточно просто. При низкой внешней засветке и слабом отраженном сигнале фототок очень мал и маскируется темновым током. Теоретически фототранзистор всегда находится в активном режиме. На практике для вывода рабочей точки на активный участок характеристики требуется преодоление фототоком некоторого порогового значения. Этим, собственно, и объясняется увеличение чувствительности фототранзистора к принимаемому сигналу при увеличении внешней освещенности.

Для обеспечения работы оптического локатора, использующего сенсор на основе фототранзистора в условиях низкой (вплоть до нулевой) освещенности, используется подсветка окружающего пространства в направлении возможного препятствия. Чем дальше расположено препятствие, тем мощнее должна быть подсветка для уверенного вывода фототранзистора на рабочий участок характеристики. Для робота с батарейным питанием это может оказаться критическим фактором и сказаться на времени работы от батарей.

Ниже предлагается способ обеспечения постоянной чувствительности сенсора на основе фототранзистора, не зависящей от внешней освещенности и не требующий подсветки окружающего пространства.

Суть способа поясняется Рисунком 1. Чувствительная область фототранзистора подсвечивается светодиодом с той же спектральной характеристикой, что и используемый фототранзистор. При этом ток светодиода составляет от долей до единиц миллиампер. Конструктивно фототранзистор и светодиод объединены в одно целое, что исключает зависимость чувствительности сенсора от изменения их взаимного расположения. Светодиод желательно использовать того же диаметра, что и фототранзистор. Пластмассовый корпус светодиода спиливается круглым надфилем так, чтобы светодиод плотно прижимался рабочей поверхностью к боковой поверхности фототранзистора в области кристалла. Затем оба прибора соединяются в единое целое при помощи прозрачного «моментального» клея. Клей заполняет микронеровности рабочей поверхности светодиода, обеспечивая отличный оптический контакт.

Увеличение чувствительности фототранзистора подсветкой чувствительной области.
Рисунок 1. Увеличение чувствительности фототранзистора
подсветкойчувствительной области.

Видео с описанием базового эксперимента, в котором доказана практическая ценность идеи, можно посмотреть здесь.

Для проверки эффективности описываемого метода и проведения натурного эксперимента был изготовлен испытательный стенд в виде корпуса из фольгированного текстолита с экранированными отсеками, чтобы исключить паразитные электрические наводки, способные исказить результат эксперимента. Внешний вид стенда представлен на Рисунке 2.

Испытательный стенд для проверки идеи.
Рисунок 2. Испытательный стенд для проверки идеи.

В отсеках размещены: батареи питания, генератор сигнала, усилитель мощности, входной усилитель, линейный индикатор уровня сигнала. Излучатель и фотоприемник конструктивно объединены в одно целое для соблюдения параллельности оптических осей и имеют экранировки в виде тонкостенной медной трубки диаметром 18 мм, запаянной по периметру со стороны вводов и открытой со стороны оптики.

В качестве оптики использовались 10 мм объективы с AliExpress, имеющие угол расхождения луча 10 градусов. Спектральные характеристики излучателя и приемника совпадают и имеют максимум на длине волны 940 нм.

Принципиальная схема усилителя испытательного стенда.
Рисунок 3. Принципиальная схема усилителя испытательного стенда.

Схема усилителя представлена на Рисунке 3. В качестве нагрузки фототранзистора используется колебательный контур, обеспечивающий прекрасную селективность. Центральная частота контура 1720 Гц, полоса пропускания по уровню 0.7 – 120 Гц. В качестве L1 используется режекторный фильтр от USB-зарядного устройства (Рисунок 4), обмотки которого соединены последовательно.

Фильтр от зарядного устройства USB.
Рисунок 4. Фильтр от зарядного устройства USB.

Далее принятый сигнал усиливается операционным усилителем до уровня, достаточного для работы светодиодного линейного индикатора. Ток через светодиод подсветки равен 1 мА, что является компромиссом между увеличением чувствительности сенсора и уровнем шумов, создаваемых спорадическим характером излучения светодиода.

Эксперимент по реальному увеличению чувствительности был разделен на две части – лабораторные и натурные испытания. Интерьер лабораторного испытания представлен на Рисунке 5. Мишенью служит стандартная «серая карта» (RGB 209, 209, 209). Испытательный стенд установлен в 50 см от мишени. Объектив фотоприемника заклеен малярным скотчем для снижения чувствительности.

Лабораторные испытания.
Рисунок 5. Лабораторные испытания.

Провода, ведущие к излучателю, выведены наружу через технологические отверстия. В разрыв одного из них последовательно включены миллиамперметр для измерения среднего тока через светодиод и переменный резистор, регулирующий этот ток. При этом мы считаем, что освещенность мишени прямо пропорциональна току через светодиод. Сам процесс испытаний проходил в полной темноте.

Результаты лабораторных испытаний

При включении подсветки мишень уверенно обнаруживалась при снижении среднего тока через светодиод с 46 мА до 14 мА. То есть, мы можем констатировать, что предложенный способ увеличил чувствительность сенсора на базе фототранзистора более чем в три раза.

Проводя натурный эксперимент, мы будем говорить об увеличении дальности обнаружения препятствия, а не об улучшении чувствительности, поскольку при больших расстояниях на уровень принимаемого сигнала влияет расхождение оптических осей излучателя и приемника, а также, неизбежные отклонения оптических осей от перпендикуляра к плоскости препятствия при перемещении стенда.

Натурные испытания прибора проводились практически при полной темноте, поэтому фото не приводятся. В качестве мишени использовалась светло-серая стена гаража, с нанесенным на нее граффити. Испытательный стенд был установлен на доработанном фотоштативе, что обеспечивало неизменность расстояния до мишени в процессе испытаний. Для измерения расстояния использовалась лазерная рулетка.

Видеоотчет об испытаниях, который удалось при помощи видеоредактора доработать до приемлемого качества, размещен на YouTube.

Результаты натурных испытаний

Уверенное обнаружение препятствия при выключенной подсветке и практически полной темноте – 3.9 м.

Уверенное обнаружение препятствия при включенной подсветке – 12 м, то есть, расстояние обнаружения препятствия увеличилось в три раза, что можно считать очень хорошим результатом и подтверждением данных, полученных при лабораторных испытаниях.

Выводы

Предложенный авторами метод повышения чувствительности сенсоров на базе фототранзисторов, работающих в режиме с «оторванной базой», обеспечивает хорошие результаты в условиях низкой освещенности и может быть использован при проектировании интегральных фотоприемников.

Дополнение

Описанный метод повышения чувствительности сенсоров на основе фототранзисторов, работающих в режиме с «оторванной базой», может быть использован для эффективного подавления внешних световых помех от осветительных приборов и рекламы. Для этого выделяется низкочастотная компонента принятого сигнала и в противофазе подается на управление подсветкой сенсора. Однако рассмотрение этого аспекта выходит за рамки данной статьи.

Литература

  1. Особенности реальных p-n переходов
  2. Фототранзисторы

Материалы по теме

  1. Datasheet Texas Instruments LM358

Видео

  1. Видео с описанием базового эксперимента, в котором доказана практическая ценность идеи, можно посмотреть здесь.
  2. Видеоотчет об испытаниях, который удалось при помощи видеоредактора доработать до приемлемого качества, размещен на YouTube
Цена LM358LM358 на РадиоЛоцман.Цены — от 1,31 до 14,43 руб.
14 предложений от 14 поставщиков
8-SOIC Микросхемы Минимум 60шт.
ПоставщикПроизводительНаименованиеЦена
AliExpressНовый LM358 LM358P LM358N DIP-8 в наличии1,31 руб.
РИВ ЭлектрониксTexas InstrumentsLM358ADR13,40 руб.
ДессиUnisonic TechnologiesОперационный усилитель LM358G SOP-8 T/R14,43 руб.
КремнийLM358DE4по запросу
Для комментирования материалов с сайта и получения полного доступа к нашему форуму Вам необходимо зарегистрироваться.
Имя
Фрагменты обсуждения:Полный вариант обсуждения »
  • В 80х годах для повышения чувствительности ПЗС матриц использовался метод "жирного нуля" - подсветка фоточувствительной поверхности красным или ИК светодиодом.
  • Спасибо авторам за идею. Вопрос к авторам статьи: каким образом происходит обнаружение препятствия в условиях "выключенной подсветке и практически полной темноте"?
  • Извините за задержку с ответом на ваш вопрос. Действительно надо быть аккуратнее в тексте. Правильнее было бы написать: "При выключенной подсветке фотоприемника и низкой освещенности." Освещенность препятствия внешними источниками света была действительно очень низкой, что можно увидеть на видео эксперимента. Само видео при этом подверглось редактированию с целью увеличения яркости изображения, что нужно учитывать. Я с удовольствием отвечу на другие Ваши вопросы, если они возникнут.
  • Вы правы! Именно идея с подсветкой ПЗС была отправной точкой для данного эксперимента.