Mạch này được sử dụng để đo lượng ánh sáng phát ra từ một đèn LED. Độ rộng quang phổ bức xạ của đèn LED thông thường là hẹp khoảng 50 nm,tổng số phát xạ của đèn LED có thể được tính toán từ độ nhậy bức xạ của phôtôđiốt tại đỉnh bước sóng phát xạ của LED. Trong hình bên phải, bề mặt bên trong của khối B là tấm gương phản xạ-xử lý để phản xạ ánh sáng phát ra từ đèn LED về phia phôtôđiốt. Vì vậy, tổng số lượng của phát xạ đèn LED có thể đo được bởi phôtôđiốt.
Hình 2.3. Sơ đồ mạch đo tổng phát xạ của đèn LED
2.4. Máy dò tia X
XR – 100CR là máy dò tia X hiệu suất cao, tiền khuếch đại và hệ thống làm mát sử dụng nhiệt điện phôtôđiốt PIN như là máy dò tia X. Hơn nữa, được gắn vào hai gian đoạn làm mát là FET và mạch liên hệ mới. Các thành phần này
được giữ tại khoảng -550C và được theo dõi bởi bộ cảm biến nhiệt độ bên trong.
Sự hàn kín gói TO -8 của máy dò ánh sáng, cửa sổ kín chân không Be cho phép phát hiện tia X.
2.4.1. Nguyên lý làm việc
Tia X tương tác với các nguyên tử silíc để tạo ra một mức trung bình của cặp điện tử -lỗ trống, năng lượng mất đi 3.62eV trong silíc này.Tùy thuộc vào năng lượng của bức xạ đến, mất mát này được chi phối bởi hiệu ứng quang điện hoặc tán xạ Compton. Xác suất hoặc hiệu quả của máy dò để “dừng” một tia X và tạo ra sự tăng cặp điện tử -lỗ trống với bề dày của Silíc.
Để tạo ra sự thuận lợi cho quá trình tập hợp cặp điện tử -lỗ trống một điện áp hiệu dụng 100-200V được áp dụng ngang qua Silíc phụ thuộc vào bề dày của máy dò. Điện áp này quá cao cho hoạt động ở nhiệt độ phòng, vì nó gây ra sự rò rỉ quá nhiều và cuối cùng là sự cố. Kể từ khi phát hiện trong các XR – 100CR được làm mát bằng nước, các rò rỉ trong dòng là đáng kể,do đó cho phép điện áp hiệu dụng cao. Điều này làm giảm điện áp cao hơn điện dung của máy dò, để làm giảm tiếng ồn của hệ thống. Bộ phận làm mát nhiệt điện làm mát cho cả hai: Máy dò Silíc và tranzitor FET đầu vào tới sự tích nạp cảm ứng tiền khuếch đại. Việc làm mát FET giảm bớt dòng rò rỉ của nó và tăng độ hộ dẫn, cả hai đều giảm bớt nhiễu điện tử của hệ thống. Sự lắp đặt quang học không thực tế khi phát hiện ra một phôtôđiốt, XR- 100CR kết hợp một phương pháp phản hồi mới cho sự khởi động càm biến điện tích tiền khuếch đại. Các tranztor được đặt quay lại mà thường được sử dụng trong hầu hết các hệ thống khác được loại bỏ. Thay vào đó, sự thiết lập lại được thực hiện thông qua việc kết nối điện áp để dò tìm bằng cách phun một xung điện tích chính xác thông qua máy dò điện dung cho FET đầu vào.Phương pháp này giúp loại bỏ sự đóng góp nhiễu của tranzitor quay trở lại và cải tiến thêm bộ phân giải năng lượng của hệ thống.
Một nhiệt độ màn hình chíp điốt được gắn trên bề mặt làm mát bằng nước để cung cấp cách ly giải trực tiếp nhiệt độ những thành phần bên trong, trong
không thay đổi với một sự thay đổi khoảng vài độ. Từ đây, sự kiểm soát không mở của nhiệt độ mạch không cần thiết khi sử dụng XR – 100 CR.
2.4.2. Các thông số kỹ thuật XR-100CR
Đầu vào
Công suất tiền khuyếch đại
±8-9V, 15 mA với đỉnh mV không quá 50 đối với nhiễu cao.
Công suất máy dò 100 – 200 V, 1µA(khác nhau cho các loại
máy dò khác nhau) rất stabe <0,1% biến thế.
Công suất làm lạnh
Dòng = 350 mA tối đa, điện áp= 4V tối đa với<100 mV peak-to-peak tiếng ồn. Lưu ý :các XR – 100 CR bao gồm các bộ điieù
khiển nhiệt độ của riêng mình.
Đầu ra
Cảm biến tiền khuyếch đại 1mV/keV tiêu biểu (có thể varry cho dò
khác nhau)
Phân cực tiền khuyếch đại Phủ định tín hiệu đầu ra (tối đa cho 1
k……)
Hồi tiếp tiền khuyếch đại Thiết lập lại thông qua máy dò điện dung
Màn hình nhiệt độ nhạy sáng
PX2CR: 770 mV= -50 0 C
PX4 :trực tiếp đọc lại K thông qua phần mềm.
Kết nối XR -100 CR
Đầu ra tiền khuyếch đại. Đồng trục kết nối BNC (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Cáp kết nối.
XR100 CR để PX2CR :6-pin LEMO đến 9-Pin D (5 ft chiều)
XR100CR để PX4 :6-pin LEMO đến 6-pin LEMO (5 ft chiều dài)
6-pin LEMO Connector Pin Out
Pin 1 Nhiệt độ màn hình diode
Pin 2 + H.V. Điện áp máy dò, 100-200 V tối đa
Pin 3 -9 V Công suất điện
Pin 4 9 V Công suất điện
Pin 5 Công suất làm mát trở lại
Pin 6 Công suất làm mát 0 -4 V, 350 mV
2.4.3. Sử dụng ống trực chuẩn
Hầu hết các thiết bị dò của Ampteck chứa đựng những ống trực chuẩn để nâng cao chất lượng quang phổ. Tia X tương tác gần các cạnh cửa của thể tích hoạt tính của máy dò sản xuất ra xung nhỏ do tập hợp tích nạp bộ phận. Những kết quả trong hiện vật của xung quanh quang phổ đó đối với 1 số ứng dụng, làm mờ các tín hiệu quan tâm. Ống chuẩn trực bên trong hạn chế tia X tới thể tích hoạt tính, nơi mà các tín hiệu sạch được sinh ra. Sự phụ thuộc vào kiểu máy dò, ống trực chuẩn có thể :
- Cải tiến đỉnh của nền. - Loại bỏ những hiệu ứng bờ. - Loại bỏ những đỉnh sai.
2.4.4. Chế độ làm việc chân không
Các XR - 100 CR có thể đựoc vận hành trong không khí hoặc chân không
xuống đến 10-8Torr.Trong 2 cách đó thì XR – 100 CR có thể được vận hành trong
chân không.
1) Toàn bộ máy dò XR – 100CR và hộp tiền khuyếch đại có thể được đặt bên trong buồng. Để tránh nóng bức và tiêu hao 1W của công suất cần thiết, dẫn nhiệt tốt để các hộp cần phải được cung cấp bằng cách sử dụng dụng 4 lỗ lắp. Một tuỳ chọn mô hình 9DVF9 - chốt D chân không điểm nối vào 1 comflat có sẵn để kết nối các XR – 100 CR đến PX2CR hay PX4 bên ngoài buồng chân không.
2) Các XR – 100 CR có thể được đặt bên trong buồng nén thông qua 1 O – ring comflat tiêu chuẩn. Mô hình tuỳ chọn EXV9(9 inch) bộ mở rộng máy dò tìm chân không sẵn có ứng dụng này.
2.4.5. Đường cong hiệu suất
Hiệu suất này tương ứng với xác suất mà 1 tia X sẽ vào mặt trước của máy dò và đặt tất cả năng lượng bên trong máy dò.
Hình 2.6. Biểu diễn xác suất của một photon trải qua bất kỳ sự tương tác, cùng với xác suất của một sự tương tác quang điện mà kết quả có trong tổng năng
lượng tích tụ
Hiệu ứng quang điện là nguồn năng lượng chi phối tại mức năng lương thấp nhưng năng lưong cao trên 40 keV những photon trải qua hiệu ứng Compton, đặt ít hơn năng lượng đầy đủ trên máy dò.
2.5. Một số ứng dụng khác
Phôtôđiốt được sử dụng trong thiết bị điện tử dân dụng như đĩa compact và những máy thu trong điều khiển từ xa trong VCRs và tivi.Trong những thiết bị điện tử điện tử dân dụng khác như camera để đo cường độ sáng , điều khiển đóng ngắt tự động hay điều khiển đèn máy ảnh đồng hồ trong rađio (những thứ
làm mờ đi màn hình khi nó tối) và ánh sáng đường phố, những chất quang dẫn thường được sử dụng nhiều hơn trong phôtôđiốt mặc dù theo nguyên tắc cũng có thể được sử dụng.
Phôtôđiốt thường được sử dụng trong công nghiệp như : Bộ quét mã vạch, bút nhẹ, điều khiển độ chói. bộ mã hoá, cảm biến vị trí, khảo sát các thiết bị đo hay trong các máy phôtôcoppy. Chúng cũng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng y học như máy điện toán cắt lớp được ghép với ống đếm nhấp nháy hoặc những dụng cụ để phân tích máu. Chúng cũng được sử dụng trong máy dò xung.
Phôtôđiốt được sử dụng trong các thiết bị an toàn như: máy đo nồng độ khói, máy phát hiện ngọn lửa, thiết bị kiểm tra sự an toàn trong sân bay và trong các hệ thống an ninh khác.
Phôtôđiốt được sử dụng trong các điều khiển tự động như :thay đổi độ sáng của đen pha, máy dò ánh sáng, kiểm soát thời tiết, máy đo ánh sáng mặt trời. Chúng cũng được sử dụng rộng rãi trong thông tin như :kết nối sợi quang, thông tin quang, điều khiển quang từ xa, ứng dụng trong thiên văn học và thiết bị nhìn đêm,laser tìm kiếm … (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Kết luận chương
Trong chương này em đã đưa ứng dụng của phôtôđiốt để đồng hồ đo hấp thụ ánh sáng, cảm biến ánh sáng sử dụng khuyếch đai thuật toán tốc độ cao, đo tổng phát xạ của đèn LED, máy dò tia X. Ngoài ra em đã đưa ra một số ứng dụng khác của phôtôđiốt trong y tế, trong điều khiển tự động, trong các thiết bị an toàn, trong thông tin, trong công nghiệp và trong các thiết bị điện tử dân dụng …
Chương III
THIẾT KẾ, LẮP RÁP MẠCH ĐÓNG NGẮT TỰ ĐỘNG DÙNG PHÔTÔĐIỐT SILÍC PD204-6C
Trong chương này chúng em sẽ tiến hành lắp ráp một mạch điện sử dụng phôtôđiốt để điều khiển quá trình đóng ngắt điện thắp sáng một cách tự động. Bộ điều khiểncho phép tự động ngắt mở đèn theo ánh sáng sử dụng để tự đóng mở đèn bảo vệ tự động giữa ngày và đêm (đóng tắt đèn đường )
3.1. Mục đích, yêu cầu
Để chứng minh đặc tính của phôtôđiốt ta lắp ráp 1 bài thí nghịêm đóng mở thiết bị điện ứng dụng của phôtôđiốt. Từ bài thí nghiệm ta có thể khảo sát đặc tính của phôtôđiốt. Dựa vào phôtôđiốt ta thiết kế bộ thí nghiệm để có thể đóng mở các thiết bị dòng cao như đèn cao áp …Bộ thí nghiệm ứng dụng vào việc đóng mở đèn đường với tác dụng ban ngày đèn tắt còn ban đem đèn sáng và thiết kế một mạch điều chỉnh được cường độ sáng của đèn để khảo sát đặc tính của phôtôđiốt.
3.2. Phương án thiết kế
Nguyên tắc bộ điều khiển là :dùng cảm biến ánh sáng phôtôđiốt và IC MA741. IC khuyếch đại thuật toán (OP)mắc dưới dạng mạch so sánh và bộ công suất sử dụng tranzitor và Relay điều khiển đèn hoặc các thiết bị khác.
Cảm biến ánh sáng dùng phôtôđiốt khi chiếu sáng vào lúc chuyển tiếp bán dẫn các phôtôn làm xuất hiện các cặp electron - lỗ trống. Khi các điện tích đó khuyếch tán qua lớp chuyển tiếp thì chúng tạo ra dòng quang điện. Bộ cảm biến ánh sáng thường làm việc với điện trở tải và pin định thiên ngược lớp chuyển tiếp. Dụng cụ tác dụng làm nguồn điện tăng theo cường độ sáng. Bộ cảm biến Silíc được sử dụng để cảm nhận ánh sáng trong vùng phổ gần nhìn thấy và gần hồng ngoại. Chúng có thể để chế tạo ra tranzitor quang, trong đó lớp chuyển
tiếp colector và bazơ là lớp nhạy sáng. Các quang tranzitor thường nhạy hơn nhiều so với phôtôđiốt bởi dòng phôtôn sinh ra được khuyếch đại bởi độ tăng ích dòng tranzitor.
Trong bộ điều khiển này em dùng phôtôđiốt Silíc PD204-6C thông dụng có độ nhạy phổ trong vùng ánh sáng thường và hồng ngoại.
Bộ khuyếch đại thuật toán MA741 được sử dụng làm mạch so sánh, nó được mắc theo khuyếch đại thuật toán không có điện trở phản hồi (hồi tiếp ).Do đó độ tăng ích cao tạo nên ở bộ so sánh đáp ứng đầu ra có dạng gãy gập khi điện áp ở một đầu vào vượt quá độ điện áp ngượng đặt vào đầu kia. Mạch so
sánh có nhiệm vụ so sánh một điện áp vào Uv và một điện áp chuẩn Uch trong
mạch so sánh, tín hiệu vào tương tự sẽ được biến thành tín hiệu ra dưới dạng nhị phân nghĩa là đầu ra ở mức thấp (L) hoặc ở mức cao (H). Vì vậy mạch so sánh là mạch ghép nối giữa phần tử tương tự và phần tử số.
Đặc tính truyền đạt của bộ so sánh
Với một bộ so sánh lý tưởng hình 3.1. a thì tín hiệu vào và tín hiệu ra có quan hệ:
UP – UN > 0 => Ur = UrH
UP – UN < 0 => Ur = UrL
Trong đó UrH là điện áp ra ứng với mức cao
UrL là điện áp ra ứng với mức thấp
Nếu hai điện áp của hai cửa bằng nhau tức là UP = UN thì điện áp của bộ so sánh
lý tưởng bằng không. Nếu điện áp vào hai cửa khác nhau thì bộ so sánh chuyển sang làm việc ở trạng thái bão hòa và điện áp nhận được giá trị bão hòa dương
UrH hoặc bão hòa âm UrL. Đặc tuyến truyền đạt của nó được biễu diễn như hình
(a)
(b)
(c)
Hình 3.1. a-Sơ đồ quy ước bộ so sánh b-Đặc tuyến truyền đạt lý tưởng c-Đặc tuyến truyền đạt thực
Dạng so sánh mạch trong thực tế như sau :
Hình 3.2. Dạng so sánh trong mạch thực tế (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Bằng phương pháp này ta có thể được đặc tuyến truyền đạt thực của nó
Hình 3.3. Đặc tuyến truyền đạt thực
UV so sánh được mắc phân áp với phôtôđiốt. Vì vậy cường độ sáng thay
đổi thì dòng photon thay đổi dẫn tới dòng điện áp vào thay đổi. Ur thay đổi ở
mức không hoặc sẽ lên mức cao.
Ở đầu ra ta mắc mạch công suất chọn điện áp Ur. Ở mức tranzitor chế độ
Hình 3.4. Sơ đồ điển hình của mạch điều khiển công suất
Sơ đồ nguyên lý của IC OP.MA741 như sau:
Hình 3.5. Sơ đồ nguyên lý của IC OP.MA741
Từ các nguyên tắc cơ bản trên chúng em đã tiến hành lắp đặt một hệ thống điều khiển mạch điện chiếu sáng bằng mạch so sánh MA741 và mạch cảm nhận ánh sáng. Phôtôđiốt Silíc (PD204-6C) có bước sóng ở mức ánh sáng thường và
hồng ngoại dựa vào đường đặc tuyến bước sóng và năng lượng ta chọn điểm làm việc trong miền ánh sáng nhìn thấy 380- 780 nm.
Hình 3.6. Các đường đặc tuyến cơ bản của phôtôđiốt silíc PD204-6C
3.3. Sơ đồ nguyên lý và nguyên lý hoạt động mạch
3.3.1. Sơ đồ nguyên lý mạchBR1 BR1 2W10G R1 4k7 R2 4k7 R3 1k R4 1M R5 2k2 R6 220k R8 0.5k C1 2200uF C2 1000uF C3 0.1uF C4 0.1uF VI 3 VO 1 G N D 2 U2 78L12 TR1 TRAN-2P2S R7 1k 3 2 1 8 4 U3:A AD8058 L1 12V Q3 2N1711 Q4 2N1711 BR1 2W10G R1 4k7 R2 4k7 R3 1k R4 1000k R5 2k2 R6 220k R8 0.5k C1 2200uF C2 1000uF C3 0.1uF C4 0.1uF VI 3 VO 1 G N D 2 U2 78L12 TR1 TRAN-2P2S R7 1k 3 2 1 8 4 U3:A AD8058 GND L1 220V GND GND +220v Q1 2N1711 Q2 2N1711 RL1 5V R9 220k 1 2 LDR1 TORCH_LDR 25 % RV1 1k 50 % RV2 1k +5V 17V 6V 12V
Hình 3.7. Sơ đồ nguyên lý bộ điều khiển ánh sáng tự động sử dụng phôtôđiốt PD204-6C
Sơ đồ trên gồm có :IC khuếch đại thuật toán MA741, các tranzitor Q1,Q2, IC ổn áp 7812, Phôtôđiốt Silíc (PD204-6C),đèn Lamp, biến áp nguồn, các tụ lọc từ C1 đến C4 và các điện trở hoạt động từ R1 đến R8.
3.3.2. Nguyên lý hoạt động
Bộ điều khiển cho phép tự đóng tắt mở đèn theo cường độ ánh sáng, sử dụng để tự động đóng ngắt đèn bảo vệ giữa ngày và đêm hoặc sử dụng điều khiển khác. Bộ điều khiển tắt mở đèn theo ánh sáng (hình 3.7) bao gồm cảm biến ánh sáng là Phôtôđiốt Silíc (PD204-6C), sơ đồ ngưỡng trên IC1, Relay điều khiển công suất RL3 và đèn Lamp.Bộ nguồn nuôi 12v cho thiết bị sử dụng, mạch lấy
điện áp chuẩn R2, R3 và R7 đưa vào chân 3 (khuếch đại không đảo ) và mạch so
sánh UV.Điện trở R1 và Phôtôđiốt đưa vào chân 2( khuếch đại đảo). R4 là điện trở