Fotodioda, fototranzistor - radni i aplikacijski krugovi

Fotodiode i fototranzistori su poluvodički uređaji koji imaju svoj p-n poluvodički spoj izložen svjetlosti kroz prozirni poklopac, tako da vanjska svjetlost može reagirati i prisiliti električnu vodljivost kroz spoj.

Kako djeluju fotodiode

Fotodioda je poput redovite poluvodičke diode (primjer 1N4148) koja se sastoji od p-n spoja, ali taj je spoj izložen svjetlosti kroz prozirno tijelo.

Njegov rad može se razumjeti zamišljanjem standardne silicijske diode spojene obrnuto pristrano preko izvora napajanja kao što je prikazano dolje.

U ovom stanju kroz diodu ne prolazi struja, osim neke vrlo male struje curenja.

Međutim, pretpostavimo da imamo istu diodu s vanjskim neprozirnim poklopcem struganim ili uklonjenim i povezanim obrnutim napajanjem. To će izložiti PN spoj diode svjetlosti i kroz njega će trenutni protok struje reagirati na upadno svjetlo.

To može rezultirati strujom od 1 mA kroz diodu, uzrokujući razvoj rastućeg napona na R1.

Fotodioda na gornjoj slici također se može spojiti na zemlju kako je prikazano dolje. To će proizvesti suprotan odgovor, što će rezultirati smanjenjem napona na R1, kada fotodioda bude osvijetljena vanjskim svjetlom.

Rad svih uređaja temeljenih na spojevima P-N sličan je i pokazat će fotoprovodljivost kada su izloženi svjetlu.

Shematski simbol fotodiode može se vidjeti u nastavku.

U usporedbi s fotoćelijama kadmij-sulfida ili kadmij-selenida poput LDR-a , fotodiode su općenito manje osjetljive na svjetlost, ali njihov je odgovor na promjene svjetlosti mnogo brži.

Iz tog razloga, fotoćelije poput LDR-a obično se koriste u aplikacijama koje uključuju vidljivo svjetlo i gdje vrijeme odziva ne mora biti brzo. S druge strane, fotodiode su posebno odabrane u aplikacijama koje zahtijevaju brzo otkrivanje svjetla uglavnom u infracrvenom području.

Fotodiode ćete pronaći u sustavima kao što su infracrveni krugovi daljinskog upravljanja , releji prekida snopa i alarmni krugovi uljeza .

Postoji još jedna varijanta fotodiode koja koristi olovo-sulfid (PbS) i tamo su radne karakteristike prilično slične LDR-ima, ali dizajnirane su da reagiraju samo na svjetla infracrvenog dometa.

Fototransistori

Sljedeća slika prikazuje shematski simbol fototranzistora

Fototranzistor je općenito u obliku bipolarnog NPN silicijskog tranzistora, kapsuliranog u poklopac s prozirnim otvorom.

Djeluje dopuštajući svjetlu da kroz prozirni otvor dosegne PN spoj uređaja. Svjetlost reagira s izloženim PN spojem uređaja, pokrećući akciju fotoprovodljivosti.

Fototranzistor je uglavnom konfiguriran s nepovezanim osnovnim zatičem, kao što je prikazano u sljedeća dva sklopa.

Na lijevoj bočnoj slici veza djelotvorno dovodi do toga da je fototranzistor u obrnutom položaju, tako da sada radi poput fotodiode.

Ovdje se struja generirana svjetlošću preko osnovnih kolektorskih terminala uređaja izravno vraća natrag na bazu uređaja, što rezultira normalnim pojačavanjem struje i strujom koja istječe kao izlaz s kolektorskog terminala uređaja.

Ova pojačana struja uzrokuje razvijanje proporcionalne količine napona na otporniku R1.

Fototransistori mogu pokazivati ​​identične količine struje na svojim pinovima kolektora i emitora zbog otvorene baze, što sprečava negativne povratne informacije uređaja.

Zbog ove značajke, ako je fototranzistor spojen kao što je prikazano na desnoj strani gornje slike s R1 preko emitora i zemlje, ishod je potpuno identičan kao i za konfiguraciju lijeve strane. Što znači za obje konfiguracije, napon razvijen na R1 zbog provođenja fototransistora je sličan.

Razlika između fotodiode i fototransistora

Iako je princip rada sličan za dvojicu, među njima postoji nekoliko primjetnih razlika.

Fotodioda može biti ocijenjena da radi s mnogo višim frekvencijama u rasponu od desetaka megaherca, za razliku od fototranzistora koji je ograničen na samo nekoliko stotina kiloherca.

Prisutnost osnovnog terminala u fototranzistoru čini ga povoljnijim u usporedbi s fotodiodom.

Fototranzistor se može pretvoriti u rad poput fotodiode povezivanjem svoje baze sa zemljom kao što je prikazano dolje, ali fotodioda možda neće moći raditi poput fototranzistora.

Sljedeća prednost osnovnog terminala je u tome što se osjetljivost fototranzistora može učiniti promjenljivom uvođenjem potenciometra preko osnovnog emitera uređaja kao što je prikazano na sljedećoj slici.

U gore navedenom rasporedu uređaj radi poput fototranzistora s promjenjivom osjetljivošću, ali ako se uklone potisne R2 veze, uređaj djeluje poput normalnog fototranzistora, a ako je R2 kratko spojen na masu, tada se uređaj pretvara u fotodiodu.

Odabir otpornika za pristranost

Na svim shemama shema prikazanim gore, odabir vrijednosti R1 obično je ravnoteža između pojačanja napona i propusnog opsega uređaja.

Kako se vrijednost R1 povećava, pojačanje napona se povećava, ali opseg korisne širine opsega opada, i obrnuto.

Nadalje, vrijednost R1 trebala bi biti takva da uređaji budu prisiljeni raditi u svom linearnom području. To se može učiniti pomoću nekih pokušaja i pogrešaka.

Praktično za radne napone od 5V i 12V bilo koja vrijednost između 1K i 10K obično je dovoljna kao R1.

Darlingtonski fototransistori

Oni su slični normalnim darlingtonski tranzistor s njihovom unutarnjom strukturom. Interno su građeni pomoću dva tranzistora međusobno spojena kako je prikazano na sljedećem shematskom simbolu.

Specifikacije osjetljivosti fotodarlingtonskog tranzistora mogu biti otprilike 10 puta veće od osobina normalnog fototranzistora. Međutim, radna frekvencija ovih jedinica niža je od uobičajenih tipova i može biti ograničena na samo nekih 10s kiloherca.

Primjene fotodiodnih fototransistora

Najbolji primjer primjene fotodiode i fototranzistora može biti u području prijemnici svjetlosnih valova ili detektori u optičkim dalekovodima.

Svjetlosni val koji prolazi kroz optičko vlakno može se učinkovito modulirati i analognim ili digitalnim tehnikama.

Fotodiode i fototranzistori također se široko koriste za izradu faza u detektorima optički sprežnici i uređaji za prekidanje infracrvene zrake svjetlosti i uređaji za uzbunu uljeza.

Problem prilikom dizajniranja ovih sklopova je taj što bi intenzitet svjetlosti koja pada na fotoosjetljive uređaje mogao biti vrlo jak ili slab, a također bi mogli naići na vanjske smetnje u obliku slučajnih vidljivih svjetala ili infracrvenih smetnji.

Da bi se suprotstavili tim problemima, ovi aplikacijski sklopovi obično rade s optičkim vezama koje imaju specifičnu infracrvenu noseću frekvenciju. Štoviše, ulazna strana prijamnika ojačana je pretpojačalom tako da se čak i najslabiji od optičkih signala povezivanja ugodno detektira, što omogućuje sustavu sa širokim rasponom osjetljivosti.

Sljedeća dva aplikacijska sklopa pokazuju kako a sigurna provedba može se izvesti pomoću fotodioda kroz frekvenciju modulacije nosača od 30 kHz.

Ovi su selektivni krugovi za uzbunu fotodiode na predpojačalu i odazvat će se na određeni frekvencijski opseg, osiguravajući siguran rad sustava.

U gornjem dizajnu L1, C1 i C2 filtriraju sve ostale frekvencije, osim predviđene frekvencije od 30 Hz, iz infracrvene optičke veze. Čim se to otkrije, pojačava se Q1 i njegov izlaz postaje aktivan za oglašavanje alarmnog sustava.

Alternativno, sustav bi se mogao koristiti za aktiviranje alarma kada je optička veza prekinuta. U tom slučaju tranzistor se može trajno održavati aktivnim kroz IR fokus od 30 Hz na fototranzistoru. Dalje, izlaz iz tranzistora mogao bi se invertirati pomoću drugog NPN stupnja, tako da, prekid u IR zraci od 30 Hz, isključuje Q1 i UKLJUČUJE drugi NPN tranzistor. Ovaj drugi tranzistor mora se integrirati kroz kondenzator od 10 uF iz kolektora Q2 u gornjem krugu.

Funkcioniranje donjeg kruga slično je tranzistoriziranoj verziji, osim frekvencijskog raspona od 20 kHz za ovu aplikaciju. Također je selektivni sustav otkrivanja pretpojačala podešen za otkrivanje IR signala modulacijske frekvencije od 20 kHz.

Sve dok IR snop podešen na 20 kHz ostaje fokusiran na fotodiodu, on stvara veći potencijal na invertirajućem ulaznom pinu2 op amp-a, što premašuje izlaz potencijala djelitelja na neinvertirajućem pinu op amp-a. To dovodi do toga da je izlazni efektivni efektivni rezultat opcijskog pojačala blizu nule.

Međutim, trenutak prekida snope uzrokuje nagli pad potencijala na pin2 i porast potencijala na pin3. To trenutno povisuje efektivni napon na izlazu opcijskog pojačala aktivirajući povezani sustav alarma .

C1 i R1 koriste se za zaobilaženje bilo kojeg neželjenog signala na masu.

Koriste se dvije foto diode D1 i D2, tako da se sustav aktivira samo kada se IC signali istovremeno prekidaju preko D1 i D2. Ideja se može koristiti na mjestima na kojima se moraju prepoznati samo duge okomite ciljeve poput ljudi, dok kraćim ciljevima poput životinja može biti omogućen slobodan prolazak.

Da bi se to moglo primijeniti, D1 i D2 moraju biti instalirani vertikalno i paralelno jedni drugima, pri čemu D1 može biti postavljen stopala iznad tla, a D2 nekih 3 metra iznad D1 u ravnoj liniji.