Fotodiod, fototransistor - Arbets- och applikationskretsar

Fotodioder och fototransistorer är halvledaranordningar som har sin p-n halvledarkoppling exponerad för ljus genom ett transparent lock, så att externt ljus kan reagera och tvinga en elektrisk ledning genom korsningen.

Hur fotodioder fungerar

En fotodiod är precis som en vanlig halvledardiod (exempel 1N4148) som består av en p-n-korsning, men den har denna korsning exponerad för ljus genom en transparent kropp.

Dess funktion kan förstås genom att föreställa sig en standardkiseldiod ansluten på omvänd förspänd sätt över en försörjningskälla som visas nedan.

I detta tillstånd flyter ingen ström genom dioden utom en mycket liten läckström.

Antag dock att vi har samma diod med dess yttre ogenomskinliga lock avskrapat eller avlägsnat och anslutet med en omvänd förspänning. Detta kommer att utsätta diodens PN-korsning för ljus, och det kommer att bli ett direkt flöde av ström genom den, som svar på det infallande ljuset.

Detta kan resultera i en ström så mycket som 1 mA genom dioden, vilket får en stigande spänning att utvecklas över R1.

Fotodioden i figuren ovan kan också anslutas på marksidan som visas nedan. Detta kommer att ge ett motsatt svar, vilket resulterar i en minskande spänning över R1, när fotodioden tänds med externt ljus.

Arbetet för alla P-N-korsningsbaserade enheter är likartat och uppvisar fotokonduktivitet när de utsätts för ljus.

Den schematiska symbolen för en fotodiod kan ses nedan.

Jämfört med kadmiumsulfid eller kadmium-selenid fotoceller som LDR är fotodioder i allmänhet mindre känsliga för ljus, men deras svar på ljusförändringar är mycket snabbare.

På grund av denna anledning används fotoceller som LDR vanligtvis i applikationer som involverar synligt ljus och där svarstiden inte behöver vara snabb. Å andra sidan väljs fotodioder specifikt i applikationer som kräver snabb detektering av lampor mestadels i det infraröda området.

Du hittar fotodioder i system som infraröda fjärrkontrollkretsar , strålningsavbrottsreläer och inkräktarlarmkretsar .

Det finns en annan variant av fotodiod som använder blysulfid (PbS) och där funktionskaraktäristik är ganska lik LDR men är utformad för att endast svara på de infraröda lamporna.

Fototransistorer

Följande bild visar en schematisk symbol för en fototransistor

Fototransistorn är i allmänhet i form av en bipolär NPN-kiseltransistor inkapslad i ett lock med en transparent öppning.

Det fungerar genom att låta ljus nå PN-korsningen av enheten genom den genomskinliga öppningen. Ljuset reagerar med den exponerade PN-korsningen av enheten och initierar fotokonduktivitetsåtgärden.

En fototransistor är mestadels konfigurerad med basstiften frikopplad som visas i följande två kretsar.

I figuren till vänster får anslutningen effektivt att fototransistorn befinner sig i omvänd förspänningssituation, så att den nu fungerar som en fotodiod.

Här matas strömmen som genereras på grund av ljus över enhetens basuppsamlingsanslutningar direkt till enhetens bas, vilket resulterar i den normala strömförstärkningen och strömmen rinner ut som utgången från enhetens kollektorterminal.

Denna förstärkta ström får en proportionell mängd spänning att utvecklas över motståndet R1.

Fototransistorer kan visa identiska mängder ström vid sin kollektor- och emitterstift, på grund av en öppen basanslutning, och detta förhindrar enheten från en negativ återkoppling.

På grund av denna funktion, om fototransistorn är ansluten som visas på höger sida av figuren ovan med R1 över sändaren och marken, är resultatet exakt identiskt som det hade varit för konfigurationen till vänster. Betydelsen för båda konfigurationerna är att spänningen som utvecklas över R1 på grund av fototransistorledningen är liknande.

Skillnad mellan fotodiod och fototransistor

Även om arbetsprincipen är likartad för de två motsvarigheterna, finns det några märkbara skillnader mellan dem.

En fotodiod kan klassificeras för att fungera med mycket högre frekvenser i intervallet tiotals megahertz, i motsats till en fototransistor som är begränsad till endast några hundra kilohertz.

Närvaron av basterminalen i en fototransistor gör den mer fördelaktig jämfört med en fotodiod.

En fototransistor kan omvandlas till att fungera som en fotodiod genom att ansluta basen med jord som visas nedan, men en fotodiod kanske inte har förmågan att fungera som en fototransistor.

En annan fördel med basterminalen är att känsligheten hos en fototransistor kan göras variabel genom att införa en potentiometer över basens emitter i anordningen som visas i följande figur.

I ovanstående arrangemang fungerar enheten som en fototransistor med variabel känslighet, men om potten R2-anslutningarna tas bort fungerar enheten som en vanlig fototransistor, och om R2 kortsluts till jord, blir enheten till en fotodiod.

Välja förspänningsmotstånd

I alla kretsscheman som visas ovan är valet av R1-värde vanligtvis en balans mellan spänningsförstärkning och bandbreddssvar för enheten.

När värdet på R1 ökas ökar spänningsförstärkningen men det användbara bandbreddsområdet minskar och vice versa.

Vidare bör värdet på R1 vara sådant att enheterna tvingas arbeta i sin linjära region. Detta kan göras med en del försök och fel.

Praktiskt taget för driftspänningar från 5V och 12V är något värde mellan 1K och 10K vanligtvis tillräckligt som R1.

Darlington fototransistorer

Dessa liknar en normal darlington transistor med sin interna struktur. Internt är dessa byggda med hjälp av två transistorer kopplade med varandra som visas i följande schematiska symbol.

Känslighetsspecifikationerna för en fotodarlingtontransistor kan vara ungefär tio gånger högre än för en normal fototransistor. Arbetsfrekvensen för dessa enheter är dock lägre än de normala typerna och kan begränsas till endast några tio kilohertz.

Fotodiod Fototransistorapplikationer

Det bästa exemplet på applicering av fotodiod och fototransistor kan vara inom mottagare för ljusvågsignaler eller detektorer i fiberoptiska överföringsledningar.

Ljusvågen som passerar via en optisk fiber kan effektivt moduleras både genom analoga eller digitala tekniker.

Fotodioder och fototransistorer används också ofta för att göra detektorer steg i optokopplare och avbrottsanordningar för infraröd ljusstråle och prylar för inkräktarlarm.

Problemet vid utformningen av dessa kretsar är att ljusintensiteten som faller på fotokänsliga enheter kan vara mycket stark eller svag, och även dessa kan stöta på yttre störningar i form av slumpmässigt synliga ljus eller infraröd störning.

För att motverka dessa problem drivs dessa applikationskretsar normalt med optiska länkar med en specifik infraröd bärfrekvens. Dessutom förstärks mottagarens ingångssida med en förförstärkare så att även de svagaste av de optiska länksignalerna detekteras bekvämt, vilket möjliggör systemet med ett brett spektrum av känslighet.

Följande två applikationskretsar visar hur en idiotsäker implementering kan göras med fotodioder med 30 kHz bärarmodulationsfrekvens.

Dessa är selektiva förstärkarbaserade fotodiodlarmkretsar , och kommer att svara på ett specifikt frekvensband, vilket säkerställer en idiotsäker drift av systemet.

I den övre designen filtrerar L1, C1 och C2 bort alla andra frekvenser utom den avsedda 30 Hz-frekvensen från en infraröd optisk länk. Så snart detta upptäcks förstärks det ytterligare av Q1, och dess utgång blir aktiv för att avge ett larmsystem.

Alternativt kan systemet användas för att aktivera ett larm när den optiska länken är avstängd. I detta fall kan transistorn hållas aktiv permanent genom ett 30 Hz IR-fokus på fototransistorn. Därefter kan utgången från transistorn inverteras med användning av ett annat NPN-steg så att ett avbrott i 30 Hz IR-strålen stänger av Q1 och slår PÅ den andra NPN-transistorn. Denna andra transistor måste integreras genom en 10uF kondensator från Q2-samlaren i den övre kretsen.

Den nedre kretsfunktionen liknar den transistoriserade versionen förutom frekvensområdet som är 20 kHz för denna applikation. Det är också ett selektivt förförstärkningsdetekteringssystem inställt för att detektera IR-signaler med en moduleringsfrekvens på 20 kHz.

Så länge en IR-stråla inställd på 20 kHz förblir fokuserad på fotodioden, skapar den en högre potential på den inverterande ingångsstiftet 2 på op-förstärkaren som överstiger potentialutdelningsutgången vid op-förstärkarens icke-inverterande stift. Detta gör att utgången RMS från op-förstärkaren är nära noll.

Det ögonblick som strålen avbryts orsakar emellertid ett plötsligt fall av potential vid stift2 och en ökning av potential vid stift3. Detta höjer omedelbart RMS-spänningen vid utgången på op-förstärkaren som aktiverar den anslutna larmsystem .

C1 och R1 används för att kringgå oönskad signal till jord.

Två fotodioder D1 och D2 används så att systemet endast aktiveras när IR-signalerna avbryts samtidigt över D1 och D2. Idén kan användas på platser där endast långa vertikala mål som människor behöver avkännas, medan de kortare målen som djur kan få passera fritt.

För att implementera detta måste D1 och D2 installeras vertikalt och parallellt med varandra, varvid D1 kan placeras ett fötter över marken och D2 cirka 3 meter över D1 i en rak linje.