Fotodiodă, fototranzistor - Circuite de lucru și de aplicare

Fotodiodele și fototransistorii sunt dispozitive semiconductoare care au joncțiunea semiconductoare p-n expusă la lumină printr-un capac transparent, astfel încât lumina externă să poată reacționa și să forțeze o conductă electrică prin joncțiune.

Cum funcționează fotodiodele

O fotodiodă este la fel ca o diodă semiconductoare obișnuită (exemplu 1N4148) constând dintr-o joncțiune p-n, dar are această joncțiune expusă la lumină printr-un corp transparent.

Funcționarea sa poate fi înțeleasă imaginând o diodă de siliciu standard conectată în mod polarizat invers pe o sursă de alimentare, așa cum se arată mai jos.

În această condiție, nu curge curent prin diodă, cu excepția unui curent de scurgere foarte mic.

Cu toate acestea, să presupunem că avem aceeași diodă cu capacul său opac exterior răzuit sau îndepărtat și conectat cu o sursă de polarizare inversă. Aceasta va expune joncțiunea PN a diodei la lumină și va exista un flux instantaneu de curent prin ea, ca răspuns la lumina incidentă.

Acest lucru poate duce la un curent de până la 1 mA prin diodă, provocând o creștere a tensiunii în R1.

Fotodioda din figura de mai sus poate fi, de asemenea, conectată pe partea de sol, așa cum se arată mai jos. Acest lucru va produce un răspuns opus, rezultând o scădere a tensiunii pe R1, atunci când fotodioda este iluminată cu lumină externă.

Funcționarea tuturor dispozitivelor bazate pe joncțiune P-N este similară și va prezenta o conductivitate foto atunci când este expusă la lumină.

Simbolul schematic al unei fotodiode poate fi văzut mai jos.

Comparativ cu fotocelulele de sulfură de cadmiu sau selenură de cadmiu ca LDR-urile , fotodiodele sunt în general mai puțin sensibile la lumină, dar răspunsul lor la schimbările de lumină este mult mai rapid.

Din acest motiv, fotocelule precum LDR-urile sunt utilizate în general în aplicații care implică lumină vizibilă și în care timpul de răspuns nu trebuie să fie rapid. Pe de altă parte, fotodiodele sunt selectate în mod specific în aplicații care necesită detectarea rapidă a luminilor, în special în regiunea infraroșie.

Veți găsi fotodiode în sisteme precum circuite de telecomandă în infraroșu , relee de întrerupere a fasciculului și circuite de alarmă pentru intruși .

Există o altă variantă a fotodiodei care utilizează sulfură de plumb (PbS) și caracteristica de lucru este destul de asemănătoare cu LDR-urile, dar sunt concepute pentru a răspunde doar la luminile cu rază de infraroșu.

Fototranzistori

Următoarea imagine prezintă simbolul schematic al unui fototranzistor

Fototranzistorul este, în general, sub forma unui tranzistor bipolar de siliciu NPN încapsulat într-un capac cu o deschidere transparentă.

Funcționează permițând luminii să ajungă la joncțiunea PN a dispozitivului prin deschiderea transparentă. Lumina reacționează cu joncțiunea PN expusă a dispozitivului, inițiind acțiunea de fotoconductivitate.

Un fototranzistor este configurat în cea mai mare parte cu pinul de bază deconectat, așa cum se arată în următoarele două circuite.

În figura din stânga, conexiunea face ca fototranzistorul să fie în situația de polarizare inversă, astfel încât să funcționeze acum ca o fotodiodă.

Aici, curentul generat din cauza luminii de-a lungul terminalelor colectorului de bază al dispozitivului este alimentat direct înapoi la baza dispozitivului, rezultând amplificarea normală a curentului și curentul care curge ca ieșire de la terminalul colector al dispozitivului.

Acest curent amplificat determină dezvoltarea unei cantități proporționale de tensiune pe rezistorul R1.

Fototranzistoarele pot prezenta cantități identice de curent la colectorul și pinii emițătorului, datorită unei conexiuni de bază deschise, iar acest lucru împiedică dispozitivul să primească un feedback negativ.

Datorită acestei caracteristici, dacă fototranzistorul este conectat așa cum se arată în partea dreaptă a figurii de mai sus cu R1 peste emițător și masă, rezultatul este exact identic cu cel pentru configurația din partea stângă. Adică pentru ambele configurații, tensiunea dezvoltată pe R1 datorită conducerii fototranzistorului este similară.

Diferența dintre fotodiodă și fototranzistor

Deși principiul de funcționare este similar pentru cei doi omologi, există câteva diferențe notabile între ele.

O fotodiodă poate fi evaluată pentru a funcționa cu frecvențe mult mai mari în intervalul de zeci de megahertz, spre deosebire de un fototransistor care este limitat la doar câteva sute de kilohertz.

Prezența terminalului de bază într-un fototranzistor îl face mai avantajos în comparație cu o fotodiodă.

Un fototranzistor poate fi convertit pentru a funcționa ca o fotodiodă prin conectarea bazei sale la sol așa cum se arată mai jos, dar o fotodiodă poate să nu aibă capacitatea de a funcționa ca un fototranzistor.

Un alt avantaj al terminalului de bază este că sensibilitatea unui fototranzistor poate fi făcută variabilă prin introducerea unui potențiometru pe emițătorul de bază al dispozitivului, așa cum se arată în figura următoare.

În aranjamentul de mai sus, dispozitivul funcționează ca un fototransistor cu sensibilitate variabilă, dar dacă conexiunile pot R2 sunt îndepărtate, dispozitivul acționează ca un fototranzistor normal și dacă R2 este scurtcircuitat la masă, atunci dispozitivul se transformă într-o fotodiodă.

Selectarea rezistorului de polarizare

În toate diagramele de circuit prezentate mai sus, selectarea valorii R1 este de obicei un echilibru între câștigul de tensiune și răspunsul la lățimea de bandă a dispozitivului.

Pe măsură ce valoarea lui R1 este crescută, creșterea tensiunii crește, dar gama de lățime de bandă de funcționare utilă scade și invers.

În plus, valoarea R1 ar trebui să fie astfel încât dispozitivele să fie forțate să funcționeze în regiunea lor liniară. Acest lucru se poate face cu unele încercări și erori.

Practic pentru funcționarea tensiunilor de la 5V și 12V, orice valoare între 1K și 10K este de obicei suficientă ca R1.

Fototransistori Darlington

Acestea sunt similare cu cele normale tranzistor darlington cu structura lor internă. În interior, acestea sunt construite folosind doi tranzistori cuplați unul cu celălalt, așa cum se arată în următorul simbol schematic.

Specificațiile de sensibilitate ale unui tranzistor fotodarlington pot fi de aproximativ 10 ori mai mari decât cele ale unui fototransistor normal. Cu toate acestea, frecvența de lucru a acestor unități este mai mică decât tipurile normale și poate fi limitată doar la aproximativ 10 s de kilohertz.

Aplicații fotodiodă fototranzistor

Cel mai bun exemplu de aplicare a fotodiodei și fototranzistorului poate fi în domeniul receptoare de semnal cu undă luminoasă sau detectoare în liniile de transmisie cu fibră optică.

Unda de lumină care trece printr-o fibră optică poate fi eficient modulată atât prin tehnici analogice, cât și digitale.

Fotodiodele și fototranzistoarele sunt, de asemenea, utilizate pe scară largă pentru realizarea etapelor detectoarelor optocuploare și dispozitive de întrerupere a fasciculului de lumină în infraroșu și gadgeturi de alarmă pentru intruși.

Problema în timpul proiectării acestor circuite este că intensitatea luminii care cade pe dispozitivele foto sensibile ar putea fi foarte puternică sau slabă și, de asemenea, acestea pot întâmpina tulburări externe sub formă de lumini vizibile aleatorii sau interferențe în infraroșu.

Pentru a contracara aceste probleme, aceste circuite de aplicații sunt operate în mod normal cu legături optice având o frecvență specifică a purtătorului în infraroșu. Mai mult, partea de intrare a receptorului este întărită cu un preamplificator, astfel încât chiar și cel mai slab dintre semnalele optice de legătură să fie detectat confortabil, permițând sistemului cu o gamă largă de sensibilitate.

Următoarele două circuite de aplicații arată cum a implementare infailibilă se poate face folosind fotodiodele prin frecvența de modulare a purtătorului de 30 kHz.

Acestea sunt circuite de alarmă fotodiodă pe bază de preamplificator selectiv , și va răspunde la o anumită bandă de frecvență, asigurând o funcționare infailibilă a sistemului.

În designul superior, L1, C1 și C2 filtrează toate celelalte frecvențe, cu excepția frecvenței de 30 Hz intenționate de la o legătură optică în infraroșu. De îndată ce acest lucru este detectat, acesta este amplificat în continuare de Q1, iar ieșirea sa devine activă pentru a suna un sistem de alarmă.

Alternativ, sistemul ar putea fi utilizat pentru activarea unei alarme atunci când legătura optică este întreruptă. În acest caz, tranzistorul poate fi menținut activ permanent printr-o focalizare IR de 30 Hz pe fototranzistor. Apoi, ieșirea din tranzistor poate fi inversată folosind o altă etapă NPN, astfel încât, o întrerupere a fasciculului IR de 30 Hz, să se oprească Q1 și pornește al doilea tranzistor NPN. Acest al doilea tranzistor trebuie integrat printr-un condensator de 10 uF de la colectorul Q2 din circuitul superior.

Funcționarea circuitului inferior este similară versiunii tranzistorizate, cu excepția intervalului de frecvență care este de 20 kHz pentru această aplicație. Este, de asemenea, un sistem selectiv de detectare a preamplificatorului reglat pentru a detecta semnale IR cu o frecvență de modulație de 20 kHz.

Atâta timp cât un fascicul IR reglat la 20 kHz rămâne focalizat pe fotodiodă, acesta creează un potențial mai mare pe pinul de intrare inversor 2 al amplificatorului op care depășește ieșirea divizorului potențial la pinul neinversibil al amplificatorului op. Acest lucru face ca ieșirea RMS de la amplificatorul operațional să fie aproape de zero.

Cu toate acestea, în momentul în care fasciculul este întrerupt, provoacă o scădere bruscă a potențialului la pin2 și o creștere a potențialului la pin3. Aceasta crește instantaneu tensiunea RMS la ieșirea amplificatorului op activând conectat sistem de alarma .

C1 și R1 sunt folosite pentru a ocoli orice semnal nedorit la masă.

Sunt utilizate două diode foto D1 și D2 astfel încât sistemul să se activeze numai atunci când semnalele IR sunt întrerupte simultan pe D1 și D2. Ideea poate fi utilizată în locuri în care numai țintele verticale lungi, cum ar fi oamenii, trebuie să fie simțite, în timp ce țintele mai scurte, cum ar fi animalele, pot fi lăsate să treacă liber.

Pentru a pune în aplicare acest D1 și D2 trebuie să fie instalate vertical și paralel unul cu celălalt, în care D1 poate fi plasat la un picioare deasupra solului și D2 la aproximativ 3 picioare deasupra lui D1 în linie dreaptă.