ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В ШИРИНУ ИМПУЛЬСОВ НАПРЯЖЕНИЯ
CONVERTER OF OPTICAL RADIATION TO WIDTH OF VOLTAGE PULSES

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники и может быть использовано для измерения интенсивности оптического излучения, в фотоэлектрических датчиках контроля допуска на охраняемые объекты с передачей сигналов по линии связи, а также в системах контроля оптических параметров объектов.
Известно фотоприемное устройство (авторское свидетельство на изобретение №1388733, МПК G01J 1/44, опубл. 15.04.1988 г., бюл. №14), содержащее фотодиод, катод которого подключен к инвертирующему входу первого операционного усилителя и первому резистору в цепи отрицательной обратной связи, второй операционный усилитель с резисторами в цепи положительной обратной связи, выполняющий функцию релейного элемента (триггера Шмитта) для получения импульсов выходного напряжения.
Недостатками данного устройства являются наличие нелинейных элементов в цепях обратной связи операционных усилителей, приводящих к повышению погрешности вследствие нелинейности характеристики преобразования, а также большое энергопотребление двух операционных усилителей, имеющих двухполярное напряжение питания.
Известно также устройство регистрации оптического излучения (авторское свидетельство на изобретение №1122899, МПК G01J 1/44, опубл. 07.11.1984 г., бюл. №41), содержащее фотодиод, включенный между нулевой цепью и входом операционного усилителя с первым резистором в цепи отрицательной обратной связи, источник напряжения, аналоговый ключ для разряда емкости фотодиода, управляющий генератор и ждущий мультивибратор для управления аналоговым запоминающим устройством, применяемым для запоминания выборок выходного сигнала.
В данном устройстве диапазон перезаряда емкости фотодиода задается рядом функциональных блоков (источником опорного напряжения, управляющим генератором, ждущим мультивибратором и аналоговым ключом), применение которых приводит к относительно большому энергопотреблению. При этом точность фотоэлектрического преобразования ограничивается влиянием коммутационных помех, возникающих при срабатывании аналогового запоминающего устройства, и динамическими погрешностями перезаряда емкости фотодиода.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению (прототипом) является фотодатчик (авторское свидетельство на изобретение №712688, МПК G01J 1/44, опубл. 30.01.1980 г., бюл. №4), содержащий фотодиод, источник питания и операционный усилитель, инвертирующий вход которого соединен с первым резистором и катодом фотодиода. Анод фотодиода подключен к общей шине источника питания, которая через делитель напряжения на последовательно соединенных втором и третьем резисторах подключена к выходу операционного усилителя, который является выходом устройства.
Недостатком такого устройства является относительно низкая точность преобразования, которая ограничена изменением собственного сопротивления фотодиода, работающего в прямом включении. Собственное сопротивление фотодиода уменьшается по мере увеличения потока излучения, что приводит к нелинейности характеристики преобразования из-за шунтирования этим сопротивлением вырабатываемого фототока. Кроме того, при передаче выходного сигнала устройства по линии связи происходит его уменьшение из-за падения напряжения на сопротивлении линии связи, что также увеличивает погрешность преобразования. В связи с этим для снижения относительной погрешности необходимо повышать двухполярное напряжение питания операционного усилителя, что приводит к увеличению потребляемой мощности устройства.
Задачей изобретения является создание преобразователя оптического излучения в ширину импульсов напряжения, позволяющего повысить точность преобразования, уменьшить энергопотребление и расширить функциональные возможности устройства.
Эта задача решается тем, что в преобразователь оптического излучения в ширину импульсов напряжения, содержащий фотодиод, источник питания и операционный усилитель, инвертирующий вход которого соединен с первым резистором и катодом фотодиода, анод которого подключен к общей шине источника питания, которая через делитель напряжения на последовательно соединенных втором и третьем резисторах соединена с выходом операционного усилителя, являющегося выходом устройства, дополнительно введен четвертый резистор. Через этот резистор потенциальная шина источника питания соединена с неинвертирующим входом операционного усилителя и подключена к средней точке делителя напряжения, а клеммы питания операционного усилителя соединены соответственно с общей и с потенциальной шиной источника питания.
Схема предлагаемого преобразователя оптического излучения в ширину импульсов напряжения приведена на чертеже.
СМ
ПИТ
4
5
6
Г
ПИТ
Д1
Преобразователь оптического излучения в ширину импульсов напряжения содержит фотодиод 1, операционный усилитель 2, первый резистор 3, второй резистор 4, третий резистор 5 и четвертый резистор 6, включенный между потенциальной шиной 7 источника питания и неинвертирующим входом операционного усилителя 2. Анод фотодиода 1 подключен к нулевой цепи, а его катод соединен с инвертирующим входом усилителя 2, клеммы питания которого подключены соответственно к общей и потенциальной шине источника питания. С помощью третьего 5 и четвертого 6 резисторов на неинвертирующем входе операционного усилителя 2 формируется напряжение смещения, равное примерно половине напряжения питания: U=0,5U. Второй резистор 4 включен в цепь положительной обратной связи операционного усилителя 2 и обеспечивает его работу в режиме триггера Шмитта с зоной гистерезиса, которая при одинаковых сопротивлениях R=R=R резисторов 4, 5 и 6 зависит только от напряжения питания: ΔU=U/3. При этом через первый резистор 3, включенный в цепь отрицательной обратной связи операционного усилителя 2, выполняется заряд или разряд собственной емкости С фотодиода 1 в пределах зоны гистерезиса.
Преобразователь оптического излучения в ширину импульсов напряжения работает следующим образом.
Д1
3
4
5
6
При отсутствии потока излучения Ф=0 фотодиод 1 не вырабатывает фототока, поэтому на выходе операционного усилителя 2 формируются импульсы напряжения со скважностью Q=2, частота которых зависит от собственной емкости С фотодиода 1, сопротивления R первого резистора 3 и при одинаковых сопротивлениях R=R=R резисторов 4, 5 и 6 определяется выражением:
ВЫХ
3
Д1
ƒ=0,7/RС.
Ф
Д1
4
5
6
При появлении потока излучения Ф>0 фотодиод 1 вырабатывает фототок I, который протекает через первый резистор 3 и алгебраически суммируется с током заряда или разряда емкости С фотодиода 1, который зависит от выходного напряжения операционного усилителя 2 и при условии R=R=R определяется выражением:
ЗАР
РАЗ
ПИТ
3
I=-I≈U/2R.
Длительности выходных импульсов и паузы между ними зависят от фототока и определяются формулами:
И
ПИТ
Д1
3
ПИТ
Ф
3
t=2UCR/(U-IR);
П
ПИТ
Д1
3
ПИТ
Ф
3
t=2UСR/(U+IR),
относительное изменение их ширины прямо пропорционально фототоку:
И
П
И
П
Ф
3
ПИТ
(t-t)/(t+t)=IR/U.
Ф
Таким образом, в предлагаемом устройстве реализуется линейное преобразование фототока I в широтно-модулированные импульсы напряжения, которые можно передавать по линии связи без увеличения погрешности, что позволяет повысить точность преобразования.
Д1
ВЫХ
Наличие двух параметров - частоты и скважности выходных импульсов - позволяет расширить функциональные возможности устройства и использовать после затемнения светочувствительной поверхности фотодиода 1 для измерения или допускового контроля его собственной емкости С по значению частоты ƒ выходных импульсов, либо контролировать темновой ток фотодиода по отклонению скважности импульсов от значения Q=2.
ВХ2
Уменьшение энергопотребления и повышение чувствительности к оптическому излучению в предлагаемом устройстве обеспечивается за счет применения микромощного операционного усилителя 2 на МОП транзисторах с низкими входными токами I<<1 нА и однополярным напряжением питания. Это позволяет повысить сопротивления всех резисторов до нескольких мегаом и значительно снизить потребляемую мощность устройства.
ПИТ
ПИТ2
ВХ
3
4
5
6
ΣПИТ
ВЫХ
Д1
Экспериментально установлено, что при применении в предлагаемом устройстве фотодиода типа ФД-05-25, микросхемы МСР6542 с однополярным напряжением питания U=3 В, током потребления I=0,6 мкА и входным током I=1 пА, резисторов с сопротивлениями R=2 МОм, R=R=R=10 MOм общий ток потребления устройства составляет I=1,7 мкА. Согласно значению частоты выходных импульсов ƒ=6,73 кГц были определены собственная емкость фотодиода ФД-05-25, которая составила С=104 пФ, и его темновой ток, значение которого пренебрежимо мало.
Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностью признаков, тождественных всем признакам заявленного технического решения, отсутствуют, что указывает на соответствие заявленного способа условию патентоспособности «новизна».
Отличительные признаки изобретения - введение четвертого резистора, применение которого совместно со вторым и третьим резисторами позволяет, во-первых, сформировать обратное напряжение на фотодиоде для обеспечения высокой линейности его световой характеристики, во-вторых, перевести операционный усилитель в триггерный режим работы и точно задать зону его гистерезиса, а также использование собственной емкости фотодиода для задания частоты выходных импульсов - в аналогах не встречаются.
Результаты поиска известных решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного изобретения, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Из уровня техники также не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения на достижение указанного технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень».
Промышленная применимость предлагаемого устройства обусловлена наличием современной элементной базы, на которой его можно реализовать с достижением указанного в изобретении назначения. В схеме можно использовать не только p-i-n-фотодиод типа ФД-05-25, но и высокочувствительный фотодиод ФД24К, микромощный отечественный операционный усилитель К140УД12 и резисторы типов С2-23 или С2-29 В с малым допуском на разброс сопротивления.
Таким образом, предлагаемый преобразователь оптического излучения обеспечивает формирование широтно-модулированных импульсов, позволяет повысить точность преобразования и расширить функциональные возможности при значительном уменьшении энергопотребления по сравнению с прототипом, что указывает на решение поставленной задачи.