Fotodiode, fototransistor - Arbejds- og applikationskredsløb

Fotodioder og fototransistorer er halvlederanordninger, der har deres p-n halvlederkryds udsat for lys gennem et gennemsigtigt dæksel, så eksternt lys kan reagere og tvinge en elektrisk ledning gennem krydset.

Sådan fungerer fotodioder

En fotodiode er ligesom en almindelig halvlederdiode (eksempel 1N4148) bestående af et p-n-kryds, men det har dette kryds udsat for lys gennem et gennemsigtigt legeme.

Dets arbejde kan forstås ved at forestille sig en standard siliciumdiode, der er forbundet på omvendt forspændt måde over en forsyningskilde som vist nedenfor.

I denne tilstand strømmer ingen strøm gennem dioden undtagen en meget lille lækstrøm.

Antag dog, at vi har den samme diode med dens ydre uigennemsigtige dækning skrabet af eller fjernet og forbundet med en omvendt forspændingsforsyning. Dette vil udsætte diodens PN-forbindelse for lys, og der vil være en øjeblikkelig strøm af strøm gennem den som reaktion på det indfaldende lys.

Dette kan resultere i en strøm så meget som 1 mA gennem dioden, hvilket får en stigende spænding til at udvikle sig over R1.

Fotodioden i ovenstående figur kan også forbindes på jordsiden som vist nedenfor. Dette vil give et modsat svar, hvilket resulterer i en faldende spænding over R1, når fotodioden lyser med eksternt lys.

Arbejdet med alle P-N-forbindelsesbaserede enheder er ens og udviser fotokonduktivitet, når de udsættes for lys.

Det skematiske symbol på en fotodiode kan ses nedenfor.

Sammenlignet med cadmium-sulfid eller cadmium-selenid fotoceller som LDR'er er fotodioder generelt mindre følsomme over for lys, men deres reaktion på lysændringer er meget hurtigere.

Af denne grund bruges fotoceller som LDR generelt til applikationer, der involverer synligt lys, og hvor svartiden ikke behøver at være hurtig. På den anden side vælges fotodioder specifikt i applikationer, der kræver hurtig detektion af lys, hovedsagelig i det infrarøde område.

Du finder fotodioder i systemer som f.eks infrarøde fjernbetjeningskredsløb , stråleafbrydelsesrelæer og indtrængende alarmkredsløb .

Der er en anden variant af fotodiode, der bruger bly-sulfid (PbS), og der fungerer karakteristika meget lig LDR'er, men er designet til kun at reagere på de infrarøde lys.

Fototransistorer

Det følgende billede viser det skematiske symbol på en fototransistor

Fototransistoren er generelt i form af en bipolar NPN-siliciumtransistor indkapslet i et låg med en gennemsigtig åbning.

Det fungerer ved at lade lys nå PN-krydset af enheden gennem den gennemsigtige åbning. Lyset reagerer med den eksponerede PN-forbindelse af enheden og igangsætter fotokonduktivitet.

En fototransistor er for det meste konfigureret med basestiften ikke forbundet som vist i de følgende to kredsløb.

I venstre sidetal får forbindelsen effektivt, at fototransistoren er i omvendt forspændingssituation, således at den nu fungerer som en fotodiode.

Her føres den strøm, der genereres på grund af lys over enhedens basesamlerterminaler, direkte tilbage til enhedens bund, hvilket resulterer i den normale strømforstærkning og strømmen strømmer ud som output fra enhedens samlerterminal.

Denne forstærkede strøm får en proportional spænding til at udvikle sig over modstanden R1.

Fototransistorer kan vise identiske mængder strøm på deres samler- og emitterstifter på grund af en åben baseforbindelse, og dette forhindrer enheden i at få negativ feedback.

På grund af denne funktion, hvis fototransistoren er forbundet som vist på højre side af ovenstående figur med R1 på tværs af emitteren og jorden, er resultatet nøjagtigt det samme som det havde været for konfigurationen til venstre. Betydning for begge konfigurationer er, at spændingen, der er udviklet over R1 på grund af fototransistorledning, er ens.

Forskel mellem fotodiode og fototransistor

Selvom funktionsprincippet er ens for de to modparter, er der et par mærkbare forskelle mellem dem.

En fotodiode kan vurderes til at arbejde med meget højere frekvenser i intervallet ti millioner megahertz, i modsætning til en fototransistor, der kun er begrænset til et par hundrede kilohertz.

Tilstedeværelsen af ​​baseterminalen i en fototransistor gør det mere fordelagtigt sammenlignet med en fotodiode.

En fototransistor kan konverteres til at fungere som en fotodiode ved at forbinde basen med jorden som vist nedenfor, men en fotodiode har muligvis ikke evnen til at fungere som en fototransistor.

En anden fordel ved baseterminalen er, at følsomheden af ​​en fototransistor kan gøres variabel ved at indføre et potentiometer på tværs af enhedens basisemitter som vist i den følgende figur.

I ovenstående arrangement fungerer enheden som en fototransistor med variabel følsomhed, men hvis potten R2-forbindelser fjernes, fungerer enheden som en normal fototransistor, og hvis R2 kortsluttes til jorden, bliver enheden til en fotodiode.

Valg af forspændingsmodstand

I alle kredsløbsdiagrammer, der er vist ovenfor, er udvælgelsen af ​​R1-værdi normalt en balance mellem spændingsforstærkning og enhedens båndbreddesvar.

Efterhånden som værdien af ​​R1 øges, øges spændingsforstærkningen, men det nyttige driftsbåndbreddeområde falder og omvendt.

Desuden skal værdien af ​​R1 være sådan, at enhederne tvinges til at arbejde i deres lineære område. Dette kan gøres med nogle forsøg og fejl.

Praktisk set til driftsspændinger fra 5V og 12V er enhver værdi mellem 1K og 10K normalt tilstrækkelig som R1.

Darlington fototransistorer

Disse ligner en normal darlington transistor med deres interne struktur. Internt er disse bygget ved hjælp af to transistorer koblet med hinanden som vist i det følgende skematiske symbol.

Følsomhedsspecifikationerne for en fotodarlington-transistor kan være ca. 10 gange højere end for en normal fototransistor. Imidlertid er arbejdsfrekvensen for disse enheder lavere end de normale typer og kan kun være begrænset til ca. 10'ere kilohertz.

Fotodiode Fototransistor applikationer

Det bedste eksempel på anvendelse af fotodiode og fototransistor kan være inden for lysbølgesignalmodtagere eller detektorer i fiberoptiske transmissionslinjer.

Lysbølgen, der passerer via en optisk fiber, kan moduleres effektivt både via analoge eller digitale teknikker.

Fotodioder og fototransistorer bruges også i vid udstrækning til at gøre detektorer stadier i optokoblere og afbrydelsesanordninger til infrarød lysstråle og indbrudsalarm-gadgets.

Problemet med at designe disse kredsløb er, at lysintensiteten, der falder på de fotofølsomme enheder, kunne være meget stærk eller svag, og også disse kan støde på eksterne forstyrrelser i form af tilfældige synlige lys eller infrarød interferens.

For at imødegå disse problemer betjenes disse applikationskredsløb normalt med optiske links med en bestemt infrarød bærefrekvens. Desuden er modtagerens indgangsside forstærket med en forforstærker, så selv de svageste af de optiske forbindelsessignaler detekteres komfortabelt, hvilket muliggør systemet med en bred vifte af følsomhed.

De følgende to applikationskredsløb viser, hvordan en idiotsikker implementering kan gøres ved hjælp af fotodioder gennem 30 kHz bærermodulationsfrekvens.

Disse er selektive forforstærkerbaserede fotodiode-alarmkredsløb , og vil reagere på et bestemt frekvensbånd, hvilket sikrer en idiotsikker drift af systemet.

I det øvre design filtrerer L1, C1 og C2 alle andre frekvenser undtagen den tilsigtede 30 Hz-frekvens fra et infrarødt optisk link. Så snart dette registreres, forstærkes det yderligere af Q1, og dets output bliver aktiv til at afgive et alarmsystem.

Alternativt kan systemet bruges til at aktivere en alarm, når det optiske link er afbrudt. I dette tilfælde kan transistoren holdes aktiv permanent gennem et 30 Hz IR-fokus på fototransistoren Derefter kan output fra transistoren vendes inverteret ved hjælp af et andet NPN-trin, således at en afbrydelse i 30 Hz IR-strålen slukker for Q1 og tænder for den anden NPN-transistor. Denne anden transistor skal integreres gennem en 10uF kondensator fra samleren af ​​Q2 i det øvre kredsløb.

Det lavere kredsløb fungerer som den transistoriserede version undtagen frekvensområdet, der er 20 kHz for denne applikation. Det er også et selektivt forforstærkerregistreringssystem, der er indstillet til at detektere IR-signaler med en modulationsfrekvens på 20 kHz.

Så længe en IR-stråle, der er indstillet til 20 kHz, forbliver fokuseret på fotodioden, skaber den et højere potentiale på den inverterende indgangsstift2 på opforstærkeren, som overstiger potentialuddelingsoutputtet ved op-forstærkerens ikke-inverterende stift. Dette får output RMS fra op-forstærkeren til at være tæt på nul.

Imidlertid forårsager det øjeblik strålen afbrydes et pludseligt fald i potentialet ved pin2 og en stigning i potentialet ved pin3. Dette hæver øjeblikkeligt RMS-spændingen ved udgangen af ​​op-forstærkeren, der aktiverer den tilsluttede alarmsystem .

C1 og R1 anvendes til at omgå ethvert uønsket signal til jorden.

To fotodioder D1 og D2 anvendes, så systemet kun aktiveres, når IR-signalerne afbrydes samtidigt over D1 og D2. Ideen kan bruges på steder, hvor kun lange lodrette mål som mennesker skal registreres, mens de kortere mål som dyr kan få lov til at passere frit.

For at implementere dette skal D1 og D2 installeres lodret og parallelt med hinanden, hvor D1 kan placeres et fod over jorden og D2 ca. 3 fod over D1 i en lige linje.