Fotodioda, fototranzistor - delovna in aplikacijska vezja

Fotodiode in fototranzistorji so polprevodniške naprave, katerih polprevodniški p-n stik je izpostavljen svetlobi skozi prozoren pokrov, tako da lahko zunanja svetloba reagira in sili skozi prevod.

Kako delujejo fotodiode

Fotodioda je tako kot običajna polprevodniška dioda (primer 1N4148), sestavljena iz p-n stika, vendar ima ta spoj izpostavljen svetlobi skozi prozorno telo.

Njeno delovanje je mogoče razumeti tako, da si predstavljamo standardno silicijevo diodo, ki je na obratno pristranski način priključena na vir napajanja, kot je prikazano spodaj.

V tem stanju skozi diodo ne teče tok, razen zelo majhnega toka uhajanja.

Predpostavimo, da imamo enako diodo z zunanjim neprozornim pokrovom, ki je ostrugan ali odstranjen in povezan z napajalnim napajalnikom. To bo PN izhod diode izpostavilo svetlobi in skoznjo bo v trenutku prišlo do toka kot odziv na vpadno svetlobo.

To lahko povzroči tok do 1 mA skozi diodo, zaradi česar se na R1 razvije naraščajoča napetost.

Fotodiodo na zgornji sliki lahko priključimo tudi na talno stran, kot je prikazano spodaj. To bo povzročilo nasprotni odziv, kar bo povzročilo zmanjšanje napetosti na R1, ko bo fotodioda osvetljena z zunanjo svetlobo.

Delovanje vseh naprav, ki temeljijo na križiščih P-N, je podobno in bo izpostavljeno fotoprevodnosti, kadar je izpostavljeno svetlobi.

Shematski simbol fotodiode si lahko ogledate spodaj.

V primerjavi s kadmij-sulfidnimi ali kadmij-selenidnimi fotocelicami kot LDR , fotodiode so na splošno manj občutljive na svetlobo, vendar je njihov odziv na spremembe svetlobe veliko hitrejši.

Zaradi tega se fotocelice, kot so LDR, običajno uporabljajo v aplikacijah, ki vključujejo vidno svetlobo in kjer odzivni čas ni nujno hiter. Po drugi strani pa so fotodiode posebej izbrane v aplikacijah, ki zahtevajo hitro zaznavanje luči, večinoma v infrardeči regiji.

Fotodiode boste našli v sistemih, kot so infrardeča vezja za daljinsko upravljanje , releji za prekinitev snopa in alarmna vezja vsiljivca .

Obstaja še ena različica fotodiode, ki uporablja svinčev sulfid (PbS) in tam je delovna značilnost precej podobna LDR-jem, vendar je zasnovana tako, da se odziva samo na infrardeče luči.

Fototranzistorji

Naslednja slika prikazuje shematski simbol fototranzistorja

Fototranzistor je praviloma v obliki bipolarnega silicijevega tranzistorja NPN, kapsuliranega v pokrov s prozorno odprtino.

Deluje tako, da svetlobi omogoča, da skozi prozorno odprtino doseže PN spoj naprave. Svetloba reagira z izpostavljenim PN-priključkom naprave in sproži fotoprevodnost.

Fototranzistor je večinoma konfiguriran s svojim nepovezanim osnovnim zatičem, kot je prikazano v naslednjih dveh vezjih.

Na sliki na levi strani povezava dejansko povzroči, da je fototranzistor v položaju obratne pristranskosti, tako da zdaj deluje kot fotodioda.

Tu se tok, ki nastane zaradi svetlobe preko osnovnih priključkov kolektorja naprave, neposredno napaja nazaj na dno naprave, kar povzroči normalno ojačanje toka in tok, ki izhaja kot izhod iz kolektorskega terminala naprave.

Ta ojačani tok povzroči, da se na uporu R1 razvije sorazmerna količina napetosti.

Fototransistorji lahko na svojih kolektorskih in emiterskih zatičih kažejo enako količino toka zaradi odprte osnovne povezave, kar preprečuje negativne povratne informacije naprave.

Zaradi te funkcije je izhod popolnoma enak kot pri konfiguraciji na levi strani, če je fototransistor povezan, kot je prikazano na desni strani zgornje slike z R1 čez oddajnik in ozemljitev. Pomen obeh konfiguracij je, da je napetost, razvita na R1 zaradi prevodnosti fototranzistorjev, podobna.

Razlika med fotodiodo in fototranzistorjem

Čeprav je načelo dela pri obeh kolegih podobno, je med njimi nekaj opaznih razlik.

Fotodioda lahko deluje tako, da deluje z veliko višjimi frekvencami v območju deset megahercev, v nasprotju s fototranzistorjem, ki je omejen na le nekaj sto kilohercev.

Prisotnost osnovnega terminala v fototranzistorju je v primerjavi s fotodiodo bolj ugodna.

Fototranzistor lahko pretvorimo tako, da deluje kot fotodioda, tako da njegovo podlago povežemo z zemljo, kot je prikazano spodaj, vendar fotodioda morda ne bo mogla delovati kot fototranzistor.

Druga prednost osnovnega terminala je, da lahko občutljivost fototranzistorja spremenimo z uvedbo potenciometra čez osnovni oddajnik naprave, kot je prikazano na naslednji sliki.

V zgornji ureditvi naprava deluje kot fototransistor s spremenljivo občutljivostjo, če pa se odstranijo priključki R2, naprava deluje kot običajni fototranzistor, in če je R2 zaskočen na maso, se naprava spremeni v fotodiodo.

Izbira upogibnega upora

V vseh zgornjih shemah, prikazanih zgoraj, je izbira vrednosti R1 običajno ravnovesje med napetostnim ojačanjem in pasovno širino odziva naprave.

Ko se vrednost R1 poveča, se ojačenje napetosti poveča, vendar se uporabni obseg delovne pasovne širine zmanjša in obratno.

Poleg tega mora biti vrednost R1 takšna, da so naprave prisiljene delati v svojem linearnem območju. To lahko storite z nekaj poskusi in napakami.

Praktično za obratovalne napetosti od 5V do 12V katera koli vrednost med 1K in 10K običajno zadostuje kot R1.

Darlingtonovi fototranzistorji

Ti so podobni običajnim darlingtonski tranzistor z njihovo notranjo strukturo. Notranjost sta zgrajena z uporabo dveh tranzistorjev, povezanih med seboj, kot je prikazano v naslednjem shematskem simbolu.

Specifikacije občutljivosti fotodarlingtonskega tranzistorja so lahko približno 10-krat višje kot pri običajnem fototranzistorju. Vendar pa je delovna frekvenca teh enot nižja od običajnih tipov in je lahko omejena na približno 10 kilohercev.

Fotodiodne fototransistorske aplikacije

Najboljši primer uporabe fotodiode in fototranzistorja je lahko na področju sprejemniki svetlobnih valov ali detektorji v optičnih daljnovodih.

Svetlobni val, ki prehaja skozi optično vlakno, je mogoče učinkovito modulirati tako z analognimi kot digitalnimi tehnikami.

Fotodiode in fototranzistorji se pogosto uporabljajo tudi za izdelavo faz detektorjev v Ljubljani optični sklopniki in naprave za prekinitev infrardečega svetlobnega žarka in pripomočke za alarm vsiljivcev.

Težava pri načrtovanju teh vezij je v tem, da je lahko intenzivnost svetlobe, ki pade na foto občutljive naprave, zelo močna ali šibka, lahko pa tudi naletijo na zunanje motnje v obliki naključnih vidnih luči ali infrardečih motenj.

Da bi se izognili tem težavam, ta aplikacijska vezja običajno delujejo z optičnimi povezavami s posebno infrardečo nosilno frekvenco. Poleg tega je vhodna stran sprejemnika ojačana s predojačevalnikom, tako da je tudi najšibkejši od optičnih povezovalnih signalov udobno zaznan, kar sistemu omogoča širok razpon občutljivosti.

Naslednja dva vezja aplikacij prikazujeta, kako a varna izvedba lahko s fotodiodami do 30 kHz nosilne modulacijske frekvence.

To so alarmna vezja za fotodiode na osnovi predojačevalnika in se bo odzval na določen frekvenčni pas, kar zagotavlja neprekinjeno delovanje sistema.

V zgornji zasnovi L1, C1 in C2 filtrirajo vse druge frekvence, razen predvidene frekvence 30 Hz, iz infrardeče optične povezave. Takoj, ko se to zazna, se s Q1 še poveča, njegov izhod pa postane aktiven za sprožitev alarmnega sistema.

Sistem bi lahko uporabili tudi za aktiviranje alarma, ko je optična povezava prekinjena. V tem primeru lahko tranzistor ostane trajno aktiven z IR fokusom 30 Hz na fototranzistorju. Nato lahko izhod iz tranzistorja obrnemo z drugo stopnjo NPN, tako da prekinitev v 30 Hz IR-žarku izklopi Q1 in vklopi drugi NPN tranzistor. Ta drugi tranzistor se mora integrirati skozi kondenzator 10uF iz kolektorja Q2 v zgornjem vezju.

Delovanje spodnjega vezja je podobno kot tranzistorizirana različica, razen frekvenčnega območja, ki je za to aplikacijo 20 kHz. Je tudi sistem za selektivno zaznavanje predojačevalnika, uglašen za zaznavanje IR signalov z modulacijsko frekvenco 20 kHz.

Dokler je IR-žarek, uglašen na 20 kHz, še vedno osredotočen na fotodiodo, ustvarja večji potencial na invertirajočem vhodnem zatiču2 operacijskega ojačevalnika, ki presega izhodni potencialni delilnik na neinvertirajočem zatiču operacijskega ojačevalnika. To povzroči, da je izhodni efektivni efektivni vrednost opcijskega ojačevalnika skoraj nič.

Vendar trenutek, ko se žarek prekine, povzroči nenaden padec potenciala na zatiču2 in povečanje potenciala na zatiču3. To takoj dvigne efektivno napetost na izhodu opcijskega ojačevalnika, ki aktivira priključeni alarmni sistem .

C1 in R1 sta uporabljena za izogibanje neželenim signalom na tla.

Uporabljata se dve foto diodi D1 in D2, tako da se sistem aktivira le, če se IR signali istočasno prekinejo prek D1 in D2. Idejo lahko uporabimo tam, kjer je treba zaznati le dolge navpične cilje, kot so ljudje, medtem ko lahko krajše tarče, kot so živali, lahko prosto prehajajo.

Za izvajanje tega morata biti D1 in D2 nameščeni navpično in vzporedno drug z drugim, pri čemer se lahko D1 postavi metre nad tlemi, D2 pa približno 3 metra nad D1 v ravni črti.