フォト ダイオード 使い方。 フォトダイオードおよびフォトトランジスタの実装

フォトダイオードの基本回路

フォト ダイオード 使い方

このシリーズでは、電子工作入門以前の人がスタートラインに立つために知っておいた方がよい情報をまとめていきたいと思っている。 第4回目である今回は、 ダイオードを取り上げる。 ダイオードの一種である 発光ダイオード( LED)は、電子工作の第一歩の「Lチカ(=LEDをチカチカさせる電子回路の基礎中の基礎)」でも使われる部品だ。 しかし、それ以外のダイオードはそもそもどこに使うのだろう。 ダイオードは一方向にだけ電気を流す電子部品である。 この説明だけだと、どのようなところに使うのかを想像するのは難しい。 そこで今回は、ダイオードの特性を詳しく見ていくことで、なぜ、そこにダイオードが組み込まれているのかを大まかに理解できるように説明していく。 そもそもダイオードとは ダイオードは、 P型半導体と N型半導体の2つを接合したものだ。 P型半導体側を アノード、N型半導体側を カソードと呼ぶ(図1)。 図1 ダイオード(上:ダイオードの絵、下:ダイオードの回路図記号) 回路図記号を見ると矢印のような形で電流が流れる方向が示されているため分かりやすいが、 ダイオードは、アノード側からカソード側方向には電流が流れるが、逆方向には流れない という特性を持っている。 つまり、アノード側に電源のプラス、カソード側に電源のマイナスが来るように回路を組むと電流が流れる( 順方向バイアスという)。 もう少し厳密にこの辺りを理解するために、ダイオードのI-V特性を見てみよう。 I-V特性とは、回路に加えた電圧(V)とその時に流れる電流(I)がどのように変化するかを説明するときに用いる。 例えば、オームの法則に即した回路であれば、電圧と電流は正比例するので右肩上がりの直線となる。 このI-V特性について、というダイオードの(表1)を使って説明する。 [SYMBOL](記号)列: V F• [1SS178](製品名)-• [MIN. ](最小)列: -• [TYP. ](標準)列: 0. [MAX. ](最大)列: 1. [UNIT](単位)列: V という値が記載されており、つまり「VF(Typ)=0. 95V(IF=100mAの場合)」という数値が読み取れる。 4[V]くらいの電圧(VF)から電流(IF)が流れ始め、電圧が 0. 8[V]のときで 20[mA]、 0. 95[V]のときには 100[mA]の電流に達することが読み取れる。 グラフ1 データシートから「IF-VF」のグラフを引用 このことから、ダイオードを順方向バイアスで使う場合、 電圧が小さいときには電流は流れないが、ある電圧を超えると急激に流れる電流量が増加する ことが分かる。 「ダイオードは順方向には電流が流れる」と説明されているが、実際はこのようにもう少し複雑だ。 この急激に電流が流れ始める電圧を、 順方向電圧= VFと表す。 VFの値はダイオードの種類によって差異がある。 一般的なダイオードで 1[V]前後、LED(発光ダイオード)で 2[V]前後(発光する色によっては 3[V]以上)となっている。 また、PN接合型ではなく金属とN型半導体を使ったショットキーバリアダイオード(SBD、詳細後述)では 0. 5[V]前後となっている。 逆方向のI-V特性 「逆方向」とは、順方向とは逆に、アノード側よりカソード側に高い電圧をかけることを表している。 ダイオードを取り扱うには、逆方向の特性も知っておく必要がある。 [CHARACTERISTICS](特性)列: 1SS178(製品名)• [SYMBOL](記号)列: V R• [RATING](定格): 80• [UNIT](単位)列: V という値が記載されており、つまり「VR=80V(最大定格)」という数値が読み取れる。

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第5章 光半導体 フォトカプラーの種類と機能

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P-N接合内の動作イメージ 一般に入射光(エネルギー)がバンドギャップエネルギー(Eg)より大きいと電子は伝導帯に引き上げられ、もとの価電子帯に正孔(ホール)を残す。 また、この現象は素子内のP層、空乏層、N層のいたるところで発生し、空乏層内のいたるところで発生し、空乏層内では電界の作用により電子はN層へ、正孔はP層へそれぞれ加速される。 なお、ここでN層内で発生した電気エネルギーの電子は、P層から移動してきた電子とともにN層伝導帯に終結する。 つまり、フォトダイオード内では、入射光に比例して、P層ではプラスにN層ではマイナスに帯電し、一種の小型発電機を形成している。 フォトダイオードの増幅回路 フォトダイオードを使うための基本回路を取り上げたもの。 ・出力信号は入射信号と位相が逆転する。 ・出力信号が大きい。 フォトダイオードの分類項目 1. 物性的構造による分類・・・PN型、PIN型、フォトアバランシェ型 2. 仕様素材による分類・・・GaAsP、GaP、フォトダイオード、シリコンフォトダイオード、ゲルマニウムフォトダイオード 3. 外観形状による分類・・・丸型、角型、分割型、直線型、異形型 4. 機能による分類・・・位置検出用(PSD)、光計測用、リニア用、大電力用センサ無ジュール、センサアレー 5. 応答特性による分類・・・低速型、高速型、超高速型 6.波長感度による分類・・・紫外線用、赤外線用、可視光線用、広帯域用 7.パッケージによる分類・・・フラットパッケージ型、メタルケース型、セラミックケースがタ、樹脂モールド型 8.用途による分類・・・光通信用、フォトカプラー用、カメラ用、光ディスク用、エンコーダ用、計測用 9. 補助部材による分類・・・フィルタ付、レンズ付き、コネクタ付き、アンプ付き フォトダイオードの物的構造による分類 P-Nフォトダイオード・・・拡散型、低容量拡散型、PNN+型 PINフォトダイオード・・・P層とN層の間に抵抗の大きいI層(空乏層)を作り、これによって接合容層を極端に小さくしたもの。 ショットキー型フォトダイオード・・・N型半導体の表面に金(Au)などの薄い蒸着膜を形成し、ショットキー効果によるP-N接合を形成したもの。 この種の素子は表面から接合部までの距離が短く作られているため、可視光から紫外線領域までの広い波長感度を有します。 アバランシェ型フォトダイオード・・・P-N接合に逆バイアスを加え、空乏層内に高電界を与えたものであり、これによって光キャリアが加速され、物質内の原子に次々と衝突し、二次キャリアを生成する、いわゆるアバランシェ現象を利用したもの。

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フォトダイオード(PD)の構造や原理とは

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こんにちは。 既に同じような質問をしたのですが、先の質問で本来尋ねたかったことについて記述をできていなかったので、再度投稿させて頂きます。 規格で強度10mWとなっているレーザーダイオードの光強度を確認するために、浜松ホトニクスのS2281-04というフォトダイオードをSMファイバの直近に持って行って、発生した電流を4. 7オームの負荷抵抗に流し、その負荷抵抗にかかっている電圧をロックインアンプ NF回路の5610B で測定しています。 測定した電圧と抵抗値から、オームの法則よりフォトダイオードからの電流値を計算し、受光感度より光強度を計算したところ、規格の10mWを大きく下回る5. 9mWとなりました。 何故、このように測定値が小さくなってしまうのか。 測定の方法等が間違っているのでしょうが、原因がわかりません。 どうか、ご回答をよろしくお願いします。 #1,2様と同じ意見ですが、 別の書き方をします。 フォトダイオード出力を測定するにあたり、「出力短絡電流は入射光量に比例する」および「出力開放電圧は入射光量の対数に比例す」という基本特性を頭に入れておかねばなりません。 すなわち、負荷が短絡とも開放ともつかない半端なインピーダンスでは測定困難です。 通常は比例則の成立する出力短絡電流を測ります。 この場合、負荷抵抗は充分に低くなければなりません。 従って、入力インピーダンスが充分に低い回路を使います。 #2様の云われるI-V変換、即ち電流電圧変換回路を使います。 OPアンプと抵抗一本があればできます。 反転増幅回路の形式で、入力は抵抗なし、帰還抵抗に高抵抗を使うというやつです。 もちろんOPアンプは入力バイアス電流の小さなFET入力タイプを使います。 この出力電圧を測ってください。 今の結果とたいして変わらないことになるかも知れませんが、規格ぎりぎりぴったりで動作するデバイスも少ないし、測定系には自分でコントロールし切れていない誤差も多々ありますから(光伝達効率等等)、そんなものなのでしょう。 フォトダイオードの出力は小さいので、I-V変換回路を使用するのが普通です。 >規格で強度10mWとなっている 全てのディバイスが規格通りの出力を出すわけでは有りません。 動作条件が規格の条件と異なっていれば異なる値になっても不思議は有りません。 >規格の10mWを大きく下回る5. レーザーダイオードにしろフォトダイオードにしろディバイスごとの性能のバラつきが有りますから、測定結果は十分に良い値と言えるでしょう。 規格通りの値を得るには、レーザーダイオードとフォトダイオードが規格通りの性能で動作している必要が有りますし、ファイバーとダイオードの結合が100%の効率である必要が有ります。 自作の回路の場合、標準の測定器と比較して校正する必要が有ります。 全然詳しくないですが、乾電池でいう「内部抵抗」みたいなものがあって 流れる電流値によって生じる電圧降下を考慮してないから誤差になってるんではないかと。 電流が大きいほど電圧降下が大きく、抵抗器両端の電圧が小さく見えてると思われますが。 負荷抵抗が4. 回答しようという人は、データシートにどう書かれてるか確認したく、すると データシートを探し出す手間が生じます。 紛らわしいヒットがあれば取捨選択も必要です。 教えてほしいならそういう手間は予め省いておくのが礼儀ですらあると私は思いますけど どうでしょう。 データシートのリンク先を示すだけで参照したい人の手間が激減するんですが。 前質問 の方はお望みの回答を得られなかったのでしょうけど何の説明もなく閉じてますよね。 あちらの質問ページだけしか見てない人や回答者さんやは「失礼なやつ」と思うでしょう。 >ロックインアンプ NF回路の5610B 「NF回路」ってのは「ネガティブフィードバック回路」かと思い質問文が理解できませんでしたがもしや 測定機メーカー「 株 エヌエフ回路設計ブロック」の事ですか?常識? A ベストアンサー A No. 3です。 要は、幅1nsecの光を電気信号パルスに変換したい、ということですか? フォトダイオードにバイアスをかけて、直列抵抗を設けその抵抗の両端の 波形を出力とすることで電気パルスは得られると思います。 (A No. 2の 方の回答の回路からR2とC2を取り除いた回路) しかし、そのような細い電気パルスを扱うのが大変です。 ちょっとした リード線によりパルスは消滅してしまいます。 (正確には波形が極端に 変形してしまう)CPUでもこのような細いパルスは検知できないのでは ないでしょうか。 このレベルになると、ECLとかLVDSといった高速の論理素子が必要です。 (CMOSでも速いものはありますが、ピンキリです) 何らかの方法で、パルス幅を広げないと扱うのが大変でしょう。 光パルスのエネルギーが大きいならR1に並列にコンデンサをつないで これでパルスストレッチャを作ることはできます。 いずれにしても専門知識が必要です。 それと、トリガ信号のようなものを途中に入れるというのがどうも 理解できません。 トリガ信号とパルスをどうやって区別するのですか? A No. 3です。 要は、幅1nsecの光を電気信号パルスに変換したい、ということですか? フォトダイオードにバイアスをかけて、直列抵抗を設けその抵抗の両端の 波形を出力とすることで電気パルスは得られると思います。 (A No. 2の 方の回答の回路からR2とC2を取り除いた回路) しかし、そのような細い電気パルスを扱うのが大変です。 ちょっとした リード線によりパルスは消滅してしまいます。 (正確には波形が極端に 変形してしまう)CPUでもこのような細いパルスは検知できないのでは ないでしょうか。 このレベ... Q こんにちは。 規格で強度10mWとなっているレーザーダイオードの光強度を確認するために、浜松ホトニクスのS2281-04というフォトダイオードをSMファイバの直近に持って行って、発生した電流を負荷抵抗に流し、その負荷抵抗にかかっている電圧をロックインアンプ NF回路の5610B で測定しています。 しかし、接続する負荷抵抗の大きさによって、測定した電圧より求められる光強度が大きく変わってしまいます。 例えば、4. 1mVとなり、これより求めた電流値を受光感度約0. 9mWとなります。 一方、1. 1mWとなります。 何故そのようなことが起こってしまうのか、原因がわかりません。 どなたか、お答えをよろしくお願い致します。 人間は緑が一番感度が高く、赤外線に対する感度は0です。 一方で現実の光源は幅広い波長帯域の光が出ており、その分布はまちまちです。 そこでダイオードをその光源で照射すると、ダイオードは人間の目とは異なる波長感度分布を持っていますので、当然照度計とは異なる出力が得られます。 シリコンダイオードだと赤外にも感度がありますから、極端な話としては、赤外線ランプで可視光を遮断したものを用意すれば、照度計の数値は0なのに、フォトダイオードは出力が得られるということにもなります。 3Vで測定しており これは少し気になりますね。 逆電圧をかけているということですよね。 まあ、多分大丈夫だとは思いますが、、、(あまり電圧が高いと通常のフォトダイオードもアバランシェ効果はあるため) 抵抗をつなげてその電圧を読んでいるのですか?それであればそれが正確なのかどうか。 それとも逆電圧をかけた状態で電流計を挿入しているのであればまだましだと思いますが。 それであれば特段には問題ないでしょう。 (平行光でないと置いた位置により光量が変動しやすい) ・その光束をフォトダイオードやパワーメータの受光面積よりも狭い(直径で1/2程度がよいです)アパーチャで切り出す。 (面積きちんと同一にするため) ・アパーチャのすぐ後にパワーメータを置いて計測 ・同じ位置にフォトダイオードを置いて計測 このときフォトダイオードは電流計を直接つけて順方向電流を測定します。 ただ上記の方法だとフォトダイオードの面積が小さいときには無理があります。 その場合には仕方ないので、フォトダイオードの面積はメーカーの有効面積をそのまま使い、アパーチャはセンサー全面に入るようにします。 本当はより正確に測定するには、積分球を使った方が正確です。 このときにはパワーメータは全面が完全に有効というわけでもないから、パワーメータにはアパーチャを張り付けて正確な面積にします。 フォトダイオードの方はメーカーの有効面積を使うか、面積が大きければ同じようにアパーチャで制限します。 あと思いつくのは単純な計算ミスとか。。。 単位を間違えているようなこともないですよね。 3Vで測定しており これは少し気になりますね。 逆電圧をかけているということですよね。 まあ、多分大丈夫だとは思いますが、、、(あまり電圧が高いと通常のフォトダイオードもアバランシェ効果はあるため) 抵抗をつなげてその電圧を読んでいるのですか?それであればそれが正確なのかどうか。 それとも逆電圧をかけた状態で電流計を挿入しているのであればまだましだと思いますが。 それであれば特段には問題ないでしょう。 A ベストアンサー フォトダイオードの原理は下記サイトを参照ください。 動作しません。 光量に反応するのですから、微弱な検出電流が発生するので、この電流を電圧などに変換増幅してリレーなどを駆動しなければ、直接の駆動はできません。 フォトダイオードの特性を発展したもので、太陽電池パネルがありますが、これならば何枚か接続すれば12Vの電圧を発生して小型リレーを駆動できます。 一番簡単なのは光量の変化を電流計で振らす照度計でしょうね。 CDS素子を使った照度計や露出計が既にありますが、 身近なところでは、TVのリモコンの受光部に使われて釦操作で遠隔操作が可能になっています。 wikipedia. 動作しません。 光量に反応するのですから、微弱な検出電流が発生するので、この電流を電圧などに変換増幅してリレーなどを駆動しなければ、直接の駆動はできません。 フォトダイオードの特性を発展したもので、太陽電池パネルがありますが、これならば何枚か接続すれば12Vの電圧を発生して... A ベストアンサー 結構面倒ですよ。 何をしたいのかでやり方は幾つかありますが、 1)フォトダイオード(PD)に入射する光源の波長分布を求める。 (波長の関数のままで変換して下さい) 3)ルーメンからルックス(単位面積当たり)に変換する。 (ここでも波長の関数のままです) 4)次にフォトダイオードもまた感度特性を持っているので(0.65A/Wはある特定の波長の時の筈です)、それに基づいて電流に換算する。 このときには、全波長にわたって積分してしまって下さい。 以上です。 単色光の場合は波長の関数じゃなく単なる一つの値になるので簡単ですが、、 1,2,3はa-kumaさんのご紹介のURLが参考になるでしょう。 Q ほとんどこの分野に触れたことがないので大変初歩的な質問になると思います。 図1のような回路でプルアップ抵抗の値を決めたいと思っています。 B点での電圧を4. 1Vとしたい場合について考えています。 その場合、AB間での電圧降下は0. 9Vとなります。 9Vとなるように設定するのでしょうか。 どうぞご助力お願いします。 以下、理解の補足です。 ・理解その1 ふつう、こういう場合は抵抗値を計算するためには、電圧降下と抵抗に流れる電流が決まっていることが前提だと考えていました。 電源ラインからは「使う電流」だけ引っ張るイメージだと理解しているのですが、その「使う電流」が分からないため抵抗値を決定できません。 (ポート入力電流の最大定格はありますが…) ・理解その2 理解その1で書いたように、抵抗値を計算するためには、電圧降下と抵抗に流れる電流が必要だと理解しています。 図2を例に説明します。 Rの値を決めたいとします。 CD間の電圧降下が5Vであることと、回路全体を流れる電流が2Aであることから、キルヒホッフの法則より簡単にRの値とそれぞれの抵抗に流れる電流が分かります。 今回の例もこれと同じように考えられないのでしょうか。 ほとんどこの分野に触れたことがないので大変初歩的な質問になると思います。 図1のような回路でプルアップ抵抗の値を決めたいと思っています。 B点での電圧を4. 1Vとしたい場合について考えています。 その場合、AB間での電圧降下は0. 9Vとなります。 A ベストアンサー NO1です。 スイッチがONした時に抵抗に流れる電流というのは、最大入力電流や最大入力電圧 という仕様から読めば良いのでしょうか。 入力電圧は5Vかけても問題ないかは確認必要です。 マイコンの入力電圧として0Vか5Vを入れたいのであれば、抵抗値は、NO3の方が 言われているとおり、ノイズに強くしたいかどうかで決めれば良いです。 あとは、スイッチがONした時の抵抗の許容電力を気にすれば良いです。 1/16Wの抵抗を使っても全く余裕があり問題ありません。 kodenshi. A ベストアンサー >これで合っているでしょうか 合ってます。 さらに慎重に設計するなら、PDの発熱もぜひ考慮してください。 上のような接続で、電流検出抵抗を0にしたとき、PDの発熱量はコレクタ電流が10mAのとき最大(45mW)になります。 ただしその場合、3mA以上のフォト電流(2000ルックス以上)は検出できなくなります(抵抗の電圧降下が8. 5V未満でないとPDが動作しないので)。 >これで合っているでしょうか 合ってます。 さらに慎重に設計するなら、PDの発熱もぜひ考慮してください。 上のような接続で、電流検出抵抗を0にしたとき、PDの発熱量はコレクタ電流が10mAのとき最大(45mW)になります。 A ベストアンサー 同期発電機は等価的に内部の起電力と直列のインピーダンスで表すことが出来て、このインピーダンスがほぼリアクタンスになっています。 ここで、力率1の負荷をつなぐと、負荷電流による電圧降下(インピーダンス*電流)は発電機の内部電圧と90度の位相差になります。 で、ベクトル図を描いてみるとわかりますが、90度の位相差の電圧降下は端子電圧の大きさにはあまり影響しません。 (電圧の位相には影響しますが。 ) 次に、無効電力成分(内部電圧に対して90度の位相差がある電流)だと、電圧降下は内部電圧と同位相になって、電圧の大きさに大きく影響します。 ということで、無効電流が端子電圧の大きさに大きく影響し、力率の低い負荷のほうが電圧変動率が大きくなります。

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