Fotodiood, fototransistor - töö- ja rakendusahelad

Fotodioodid ja fototransistorid on pooljuhtseadised, mille p-n pooljuhtide ristmik on valguse käes läbipaistva katte kaudu, nii et väline valgus saab reageerida ja jõuda ristmikul läbi elektrijuhtivuse.

Kuidas fotodioodid töötavad

Fotodiood on täpselt nagu tavaline pooljuhtdiood (näide 1N4148), mis koosneb p-n ristmikust, kuid sellel on see ristmik valguse käes läbipaistva keha kaudu.

Selle toimimist saab mõista, kui kujutada ette tavalist ränidioodi, mis on ühendatud toiteallikaga vastupidiselt kallutatud viisil, nagu allpool näidatud.

Selles olukorras ei voola dioodi kaudu voolu, välja arvatud mõned väga väikesed lekkevoolud.

Oletame, et meil on sama diood, mille välimine läbipaistmatu kate on kraapitud või eemaldatud ja ühendatud vastupidise eelarvega toiteallikaga. See paljastab dioodi PN-ristmiku valguse eest ja selle kaudu toimub voolu kiirvool vastusena langevale valgusele.

Selle tulemuseks võib olla dioodi kaudu kuni 1 mA vool, mis põhjustab R1-l kasvava pinge tekkimist.

Ülaltoodud joonisel toodud fotodioodi saab ühendada ka maapinnalt, nagu allpool näidatud. See annab vastupidise reaktsiooni, mille tulemuseks on pinge langus R1-s, kui fotodioodi valgustatakse välise valgusega.

Kõigi P-N-ristmikul põhinevate seadmete töö on sarnane ja valguse käes on fotojuhtivus.

Fotodioodi skemaatilist sümbolit saab näha allpool.

Võrreldes kaadmiumsulfiidi või kaadmiumseleniidi fotorakkudega nagu LDR-id , on fotodioodid valguse suhtes vähem tundlikud, kuid nende reageerimine valguse muutustele on palju kiirem.

Seetõttu kasutatakse fotorakke nagu LDR tavaliselt rakendustes, mis hõlmavad nähtavat valgust ja kus reageerimisaeg ei pea olema kiire. Teisest küljest valitakse fotodioodid spetsiaalselt rakendustes, mis nõuavad tulede kiiret tuvastamist enamasti infrapuna piirkonnas.

Fotodioodid leiate sellistest süsteemidest nagu infrapuna kaugjuhtimispuldi ahelad , kiirte katkestamise releed ja sissetungija häire ahelad .

Fotodioodil on veel üks variant, mis kasutab pliisulfiidi (PbS) ja seal on tööomadused üsna sarnased LDR-idele, kuid on mõeldud reageerima ainult infrapunakiirguse tuledele.

Fototransistorid

Järgmine pilt näitab fototransistori skemaatilist sümbolit

Fototransistor on tavaliselt bipolaarse NPN ränitransistori kujul, mis on kapseldatud läbipaistva avaga kaanesse.

See toimib, võimaldades valgusel läbipaistva ava kaudu seadme PN-ristmikule jõuda. Valgus reageerib seadme avatud PN-ristmikuga, käivitades fotojuhtivuse.

Fototransistor on konfigureeritud enamasti nii, et selle alumine tihvt on lahti ühendatud, nagu on näidatud kahes järgnevas ahelas.

Vasakpoolsel joonisel põhjustab ühendus fototransistori vastupidises eelarvamuses, nii et see töötab nüüd nagu fotodiood.

Siin juhitakse seadme baaskollektori klemmide kaudu valguse tõttu tekkiv vool otse seadme alusele, mille tulemuseks on normaalne voolu võimendus ja voolu väljavool seadme kollektori klemmi väljundina.

See võimendatud vool tekitab kogu takisti R1 ulatuses proportsionaalse pinge.

Fototransistorid võivad oma kollektori ja emitteri tihvtides näidata võrdset vooluhulka avatud aluse ühenduse tõttu ja see takistab seadmel negatiivset tagasisidet.

Selle funktsiooni tõttu on fototransistori ühendamine, nagu on näidatud ülaltoodud joonise paremal küljel, R1 üle emitteri ja maapinna, tulemus on täpselt identne nagu vasakpoolse konfiguratsiooni korral. Mõlemas konfiguratsioonis tähendab fototransistori juhtivuse tõttu R1-ga arenenud pinge sarnast.

Fotodioodi ja fototransistori erinevus

Kuigi tööpõhimõte on kahe kolleegi puhul sarnane, on nende vahel mõned märgatavad erinevused.

Fotodioodi võib hinnata töötamiseks palju kõrgemate sagedustega, mis jäävad kümnete megahertside vahemikku, erinevalt fototransistorist, mis piirdub vaid mõnesaja kilohertsiga.

Alusterminali olemasolu fototransistoris muudab selle fotodioodiga võrreldes soodsamaks.

Fototransistori saab muuta töötamiseks nagu fotodiood, ühendades selle aluse maaga, nagu allpool näidatud, kuid fotodioodil ei pruugi olla võimet töötada nagu fototransistor.

Baasterminali teine ​​eelis on see, et fototransistori tundlikkuse saab muuta, sisestades potentsiomeetri seadme baasemitterisse, nagu on näidatud järgmisel joonisel.

Ülaltoodud paigutuses töötab seade nagu muutuva tundlikkusega fototransistor, kuid kui poti R2 ühendused on eemaldatud, toimib seade nagu tavaline fototransistor ja kui R2 on lühistatud maandusele, muutub seade fotodioodiks.

Eelpingetakisti valimine

Kõigis ülaltoodud skeemides on R1 väärtuse valik tavaliselt tasakaal pinge võimenduse ja seadme ribalaiuse vastuse vahel.

Kui R1 väärtust suurendatakse, suureneb pingetõus, kuid kasulik ribalaiuse vahemik väheneb ja vastupidi.

Lisaks peaks R1 väärtus olema selline, et seadmed oleksid sunnitud töötama oma lineaarses piirkonnas. Seda saab teha mõne katse-eksituse meetodil.

Praktiliselt 5 V kuni 12 V tööpinge korral piisab R1 väärtuseks tavaliselt kõigist väärtustest vahemikus 1 K kuni 10 K.

Darlingtoni fototransistorid

Need on sarnased tavalistele darlingtoni transistor nende sisemise struktuuriga. Sisemiselt on need ehitatud kahe üksteisega ühendatud transistori abil, nagu on näidatud järgmisel skemaatilisel sümbolil.

Fotodarlingtontransistori tundlikkuse näitajad võivad olla umbes 10 korda suuremad kui tavalisel fototransistoril. Nende üksuste töösagedus on siiski tavalistest tüüpidest madalam ja võib piirduda ainult umbes 10 kilohertsiga.

Fotodioodi fototransistori rakendused

Fotodioodi ja fototransistori rakenduse parim näide võib olla fotoväljal valguslaine signaali vastuvõtjad või kiudoptiliste ülekandeliinide detektorid.

Optilise kiu kaudu läbivat valguslainet saab tõhusalt moduleerida nii analoog- kui ka digitaaltehnika abil.

Fotodioode ja fototransistoreid kasutatakse laialdaselt ka detektorite etappide valmistamiseks aastal optronid ja infrapunakiirte katkestusseadmed ja sissetungijate häirevidinad.

Nende vooluahelate projekteerimisel on probleemiks see, et fototundlikele seadmetele langeva valguse intensiivsus võib olla väga tugev või nõrk ning ka neil võib tekkida väliseid häireid juhuslike nähtavate tulede või infrapuna häirete kujul.

Nende probleemide lahendamiseks töötavad need rakendusahelad tavaliselt optiliste linkidega, millel on konkreetne infrapuna kandesagedus. Pealegi on vastuvõtja sisendpool tugevdatud eelvõimendiga, nii et isegi kõige nõrgemad optilised ühendussignaalid tuvastatakse mugavalt, võimaldades süsteemil laia tundlikkusega vahemikku.

Järgmised kaks rakendusahelat näitavad, kuidas a lollikindel teostus saab teha fotodioodide abil läbi 30 kHz kandemodulatsiooni sageduse.

Need on selektiivse eelvõimendi baasil fotodioodi häirelülitused ja reageerib kindlale sagedusribale, tagades süsteemi lollikindla töö.

Ülemises konstruktsioonis filtreerivad L1, C1 ja C2 välja kõik muud sagedused, välja arvatud ette nähtud 30 Hz sagedus, infrapuna-optilisest ühendusest. Niipea, kui see avastatakse, võimendab see Q1 veelgi ja selle väljund muutub aktiivseks alarmsüsteemi helisemiseks.

Alternatiivina võib süsteemi kasutada alarmi aktiveerimiseks, kui optiline link on ära lõigatud. Sellisel juhul võib transistori püsivalt aktiivsena hoida läbi fototransistori 30 Hz IR-fookuse. Järgmisena saab transistori väljundi ümber pöörata teise NPN-astme abil, nii et 30 Hz IR-kiirte katkestus lülitub välja Q1 ja lülitab sisse teise NPN-transistori. See teine ​​transistor peab integreeruma ülemise ahela Q2 kollektorist 10uF kondensaatori kaudu.

Alumise ahela töö on sarnane transistoriga versioonile, välja arvatud sagedusala, mis on selle rakenduse jaoks 20 kHz. See on ka selektiivne eelvõimendi tuvastussüsteem, mis on häälestatud tuvastama IR-signaale, mille modulatsioonisagedus on 20 kHz.

Niikaua kui 20 kHz juures häälestatud IR-kiir jääb keskenduma fotodioodile, loob see op-võimendi inverteerivale sisendtapile 2 suurema potentsiaali, mis ületab op-võimendi mitteinverteeriva tihvti potentsiaalijaoturi väljundi. See põhjustab op-ampri väljundi RMS-i nulli lähedal.

Kiire katkemise hetk põhjustab aga pin2-s ootamatu potentsiaali languse ja pin3-s potentsiaali suurenemise. See tõstab koheselt RMS-pinge ühendatud võimendi aktiveerivas väljundis hoiatussüsteem .

C1 ja R1 kasutatakse mistahes soovimatu signaali maandamiseks.

Kasutatakse kahte fotodioodi D1 ja D2, nii et süsteem aktiveerub ainult siis, kui IR-signaalid katkestatakse samaaegselt D1 ja D2 vahel. Ideed saab kasutada kohtades, kus on vaja tajuda ainult selliseid pikki vertikaalseid sihtmärke nagu inimesed, samas kui lühematel sihtmärkidel, näiteks loomadel, võib lasta vabalt mööda minna.

Selle teostamiseks peavad D1 ja D2 olema paigaldatud vertikaalselt ja üksteisega paralleelselt, kusjuures D1 võib asetada jalad maapinnast kõrgemale ja D2 umbes 3 jalga D1-st kõrgemale sirgjooneliselt.