Fotodiode, fototransistor - Arbeids- og applikasjonskretser

Fotodioder og fototransistorer er halvlederanordninger som har deres p-n halvlederkryss eksponert for lys gjennom et gjennomsiktig deksel, slik at eksternt lys kan reagere og tvinge en elektrisk ledning gjennom krysset.

Hvordan fotodioder fungerer

En fotodiode er akkurat som en vanlig halvlederdiode (eksempel 1N4148) som består av et p-n-kryss, men det har dette krysset utsatt for lys gjennom et gjennomsiktig legeme.

Dens virkning kan forstås ved å forestille seg en standard silisiumdiode koblet på omvendt forspent måte over en forsyningskilde som vist nedenfor.

I denne tilstanden strømmer ingen strøm gjennom dioden bortsett fra noen veldig liten lekkasjestrøm.

Anta imidlertid at vi har den samme dioden med det ytre, ugjennomsiktige dekselet skrapet av eller fjernet og forbundet med en tilbakeslagsforsyning. Dette vil utsette PN-krysset til dioden for lys, og det vil være en øyeblikkelig strøm av strøm gjennom den, som svar på det innfallende lyset.

Dette kan resultere i en strøm så mye som 1 mA gjennom dioden, noe som får en økende spenning til å utvikle seg over R1.

Fotodioden i figuren ovenfor kan også kobles til på bakken som vist nedenfor. Dette vil gi en motsatt respons, noe som resulterer i en avtagende spenning over R1 når fotodioden lyser med eksternt lys.

Arbeidet til alle P-N-kryssbaserte enheter er lik og vil vise fotoledningsevne når de utsettes for lys.

Det skjematiske symbolet på en fotodiode kan sees nedenfor.

Sammenlignet med kadmium-sulfid eller kadmium-selenid fotoceller som LDR er fotodioder generelt mindre følsomme for lys, men deres respons på lysendringer er mye raskere.

Av denne grunn brukes fotoceller som LDR vanligvis i applikasjoner som involverer synlig lys, og hvor responstiden ikke trenger å være rask. På den annen side er fotodioder valgt spesielt i applikasjoner som krever rask oppdagelse av lys, hovedsakelig i det infrarøde området.

Du finner fotodioder i systemer som infrarøde fjernkontrollkretser , reléer for strålebrudd og inntrengingsalarmkretser .

Det er en annen variant av fotodiode som bruker bly-sulfid (PbS), og arbeidskarakteristikken er ganske lik LDR, men er designet for å svare bare på infrarøde lys.

Fototransistorer

Følgende bilde viser skjematisk symbol på en fototransistor

Fototransistoren er vanligvis i form av en bipolar NPN silisiumtransistor innkapslet i et deksel med en gjennomsiktig åpning.

Det fungerer ved å la lyset nå PN-krysset til enheten gjennom den gjennomsiktige åpningen. Lyset reagerer med det eksponerte PN-krysset til enheten, og initierer fotoledningsevnen.

En fototransistor er for det meste konfigurert med basestiften ikke tilkoblet som vist i de følgende to kretsene.

På venstre side viser forbindelsen effektivt at fototransistoren er i omvendt forspenningssituasjon, slik at den nå fungerer som en fotodiode.

Her blir strømmen som genereres på grunn av lys over enhetens basesamlerterminaler, direkte matet tilbake til basen av enheten, noe som resulterer i normal strømforsterkning og strømmen strømmer ut som utgangen fra enhetens samlerterminal.

Denne forsterkede strømmen får en proporsjonal mengde spenning til å utvikle seg over motstanden R1.

Fototransistorer kan vise identiske mengder strøm ved samler- og emitterpinnene på grunn av en åpen basetilkobling, og dette forhindrer enheten fra negativ tilbakemelding.

På grunn av denne funksjonen, hvis fototransistoren er koblet til som vist på høyre side av figuren ovenfor med R1 over emitteren og bakken, er resultatet nøyaktig identisk som det hadde vært for konfigurasjonen på venstre side. Betydningen for begge konfigurasjonene er at spenningen utviklet over R1 på grunn av fototransistorledning er lik.

Forskjellen mellom fotodiode og fototransistor

Selv om arbeidsprinsippet er likt for de to kolleger, er det noen merkbare forskjeller mellom dem.

En fotodiode kan vurderes til å fungere med mye høyere frekvenser i området ti titalls megahertz, i motsetning til en fototransistor som er begrenset til bare noen få hundre kilohertz.

Tilstedeværelsen av baseterminalen i en fototransistor gjør det mer fordelaktig sammenlignet med en fotodiode.

En fototransistor kan konverteres til å fungere som en fotodiode ved å koble basen med jord som vist nedenfor, men en fotodiode kan ikke ha muligheten til å fungere som en fototransistor.

En annen fordel med baseterminalen er at følsomheten til en fototransistor kan gjøres variabel ved å innføre et potensiometer over basisemitteren til enheten som vist i følgende figur.

I arrangementet ovenfor fungerer enheten som en fototransistor med variabel følsomhet, men hvis potten R2-tilkoblinger fjernes, fungerer enheten som en vanlig fototransistor, og hvis R2 kortsluttes til jord, blir enheten til en fotodiode.

Velge forspenningsmotstand

I alle kretsskjemaene som er vist ovenfor, er valg av R1-verdi vanligvis en balanse mellom spenningsforsterkning og båndbreddesvar for enheten.

Når verdien av R1 økes, øker spenningsforsterkningen, men det nyttige driftsbåndbreddeområdet avtar, og omvendt.

Videre bør verdien av R1 være slik at enhetene blir tvunget til å arbeide i sin lineære region. Dette kan gjøres med litt prøving og feiling.

Praktisk talt for driftsspenninger fra 5V og 12V er enhver verdi mellom 1K og 10K vanligvis tilstrekkelig som R1.

Darlington fototransistorer

Disse ligner på en normal darlington transistor med sin interne struktur. Internt er disse bygget ved hjelp av to transistorer kombinert med hverandre som vist i følgende skjematiske symbol.

Følsomhetsspesifikasjonene til en fotodarlington-transistor kan være omtrent 10 ganger høyere enn en normal fototransistor. Imidlertid er arbeidsfrekvensen til disse enhetene lavere enn de vanlige typene, og kan være begrenset til bare noen ti-kilos kilohertz.

Fotodiode Fototransistor-applikasjoner

Det beste eksemplet på anvendelse av fotodiode og fototransistor kan være innen lysbølgesignalmottakere eller detektorer i fiberoptiske overføringslinjer.

Lysbølgen som passerer via en optisk fiber kan effektivt moduleres både gjennom analoge eller digitale teknikker.

Fotodioder og fototransistorer er også mye brukt for å lage detektorer i optokoblinger og infrarøde lysstrålebryteranordninger og innbruddsalarmutstyr.

Problemet med å designe disse kretsene er at lysintensiteten som faller på fotosensitive enheter kan være veldig sterk eller svak, og også disse kan støte på eksterne forstyrrelser i form av tilfeldige synlige lys eller infrarød interferens.

For å motvirke disse problemene betjenes disse applikasjonskretsene normalt med optiske lenker som har en spesifikk infrarød bærerfrekvens. Videre er inngangssiden på mottakeren forsterket med en forforsterker slik at selv de svakeste av de optiske koblingssignalene oppdages komfortabelt, noe som muliggjør systemet med et bredt spekter av følsomhet.

De følgende to applikasjonskretsene viser hvordan en idiotsikker implementering kan gjøres ved hjelp av fotodioder gjennom 30 kHz bærermodulasjonsfrekvens.

Disse er selektive forforsterkerbaserte fotodiode-alarmkretser , og vil svare på et bestemt frekvensbånd, og sikre en idiotsikker drift av systemet.

I den øvre utformingen filtrerer L1, C1 og C2 ut alle andre frekvenser unntatt den tiltenkte 30 Hz-frekvensen fra en infrarød optisk kobling. Så snart dette oppdages, forsterkes det ytterligere av Q1, og utgangen blir aktiv for å varsle et alarmsystem.

Alternativt kan systemet brukes til å aktivere en alarm når den optiske lenken er avbrutt. I dette tilfellet kan transistoren holdes aktiv permanent gjennom et 30 Hz IR-fokus på fototransistoren. Deretter kan utgangen fra transistoren inverteres ved hjelp av et annet NPN-trinn, slik at et avbrudd i 30 Hz IR-strålen slår AV Q1 og slår PÅ den andre NPN-transistoren. Denne andre transistoren må integreres gjennom en 10uF kondensator fra samleren til Q2 i den øvre kretsen.

Den nedre kretsfunksjonen ligner på den transistoriserte versjonen bortsett fra frekvensområdet som er 20 kHz for denne applikasjonen. Det er også et selektivt forforsterkerdeteksjonssystem innstilt for å oppdage IR-signaler med en modulasjonsfrekvens på 20 kHz.

Så lenge en IR-stråle innstilt på 20 kHz forblir fokusert på fotodioden, skaper den et høyere potensial på den inverterende inngangspinnen 2 på op-forsterkeren som overstiger potensialdelerutgangen ved den ikke-inverterende pinnen på op-forsterkeren. Dette fører til at utgangs-RMS fra op-forsterkeren er nær null.

Imidlertid forårsaker øyeblikket strålen blir avbrutt et plutselig fall av potensial ved pin2, og en økning av potensialet ved pin3. Dette hever øyeblikkelig RMS-spenningen ved utgangen til op-ampen som aktiverer den tilkoblede alarmsystem .

C1 og R1 brukes til å omgå uønsket signal til bakken.

To fotodioder D1 og D2 brukes slik at systemet bare aktiveres når IR-signalene blir avbrutt samtidig over D1 og D2. Ideen kan brukes på steder der bare lange vertikale mål som mennesker er nødvendige for å bli oppfattet, mens de kortere målene som dyr kan få lov til å passere fritt.

For å implementere dette må D1 og D2 installeres vertikalt og parallelt med hverandre, hvor D1 kan plasseres et fot over bakken, og D2 omtrent 3 fot over D1 i en rett linje.