Fotodioda, fototranzystor - obwody robocze i aplikacyjne

Fotodioda, fototranzystor - obwody robocze i aplikacyjne

Fotodiody i fototranzystory to urządzenia półprzewodnikowe, których złącze półprzewodnikowe p-n jest wystawione na działanie światła przez przezroczystą osłonę, dzięki czemu światło zewnętrzne może reagować i wymuszać przewodzenie elektryczne przez złącze.



Jak działają fotodiody

Fotodioda jest jak zwykła dioda półprzewodnikowa (przykład 1N4148) składająca się ze złącza p-n, ale ma to złącze wystawione na światło przez przezroczysty korpus.

Jego działanie można zrozumieć, wyobrażając sobie standardową diodę krzemową połączoną w odwrotny sposób przez źródło zasilania, jak pokazano poniżej.





W tym stanie przez diodę nie przepływa żaden prąd z wyjątkiem bardzo małego prądu upływu.

Załóżmy jednak, że mamy tę samą diodę z zewnętrzną nieprzezroczystą pokrywą zeskrobaną lub usuniętą i połączoną z zasilaniem odwrotnym polaryzacji. Spowoduje to wystawienie złącza PN diody na działanie światła i nastąpi natychmiastowy przepływ przez nie prądu w odpowiedzi na padające światło.



Może to spowodować przepływ prądu przez diodę do 1 mA, powodując wzrost napięcia na R1.

Fotodioda na powyższym rysunku może być również podłączona po stronie uziemienia, jak pokazano poniżej. Spowoduje to odwrotną odpowiedź, co spowoduje spadek napięcia na R1, gdy fotodioda zostanie oświetlona światłem zewnętrznym.

Działanie wszystkich urządzeń opartych na złączu P-N jest podobne i będzie wykazywać foto-przewodnictwo po wystawieniu na działanie światła.

Schematyczny symbol fotodiody można zobaczyć poniżej.

W porównaniu z fotokomórkami z siarczku kadmu lub selenku kadmu jak LDR fotodiody są generalnie mniej wrażliwe na światło, ale ich reakcja na zmiany światła jest znacznie szybsza.

Z tego powodu fotokomórki, takie jak LDR, są zwykle używane w zastosowaniach, w których występuje światło widzialne, a czas reakcji nie musi być szybki. Z drugiej strony, fotodiody są specjalnie wybierane w zastosowaniach, które wymagają szybkiego wykrywania światła, głównie w zakresie podczerwieni.

Znajdziesz fotodiody w układach takich jak obwody zdalnego sterowania na podczerwień , przekaźniki przerwania wiązki i obwody sygnalizacji włamania i napadu .

Istnieje inny wariant fotodiody, który wykorzystuje siarczek ołowiu (PbS), a jego charakterystyka pracy jest dość podobna do LDR, ale jest zaprojektowana tak, aby reagować tylko na światła z zakresu podczerwieni.

Fototranzystory

Poniższy rysunek przedstawia schematyczny symbol fototranzystora

Fototranzystor ma zwykle postać bipolarnego tranzystora krzemowego NPN zamkniętego w osłonie z przezroczystym otworem.

Działa poprzez przepuszczanie światła do złącza PN urządzenia przez przezroczysty otwór. Światło reaguje z odsłoniętym złączem PN urządzenia, inicjując działanie fotoprzewodnictwa.

Fototranzystor jest w większości skonfigurowany z niepodłączonym stykiem bazowym, jak pokazano na poniższych dwóch obwodach.

Na rysunku po lewej stronie połączenie skutecznie powoduje, że fototranzystor znajduje się w sytuacji odwrotnego polaryzacji, tak że teraz działa jak fotodioda.

Tutaj prąd generowany przez światło przez końcówki kolektora podstawowego urządzenia jest bezpośrednio podawany z powrotem do podstawy urządzenia, co powoduje normalne wzmocnienie prądu i prąd wypływający jako wyjście z zacisku kolektora urządzenia.

Ten wzmocniony prąd powoduje proporcjonalny wzrost napięcia na rezystorze R1.

Fototranzystory mogą wykazywać identyczne ilości prądu na swoich pinach kolektora i emitera, ze względu na otwarte połączenie bazy, co zapobiega negatywnemu sprzężeniu zwrotnemu.

Ze względu na tę cechę, jeśli fototranzystor jest połączony tak, jak pokazano po prawej stronie powyższego rysunku, z R1 między emiterem i masą, wynik jest dokładnie taki sam, jak w przypadku konfiguracji lewej strony. Znaczenie dla obu konfiguracji, napięcie powstające na R1 w wyniku przewodzenia fototranzystora jest podobne.

Różnica między fotodiodą a fototranzystorem

Chociaż zasada działania jest podobna dla obu odpowiedników, istnieje między nimi kilka zauważalnych różnic.

Fotodioda może być przystosowana do pracy z dużo wyższymi częstotliwościami w zakresie kilkudziesięciu megaherców, w przeciwieństwie do fototranzystora, który jest ograniczony tylko do kilkuset kiloherców.

Obecność terminala bazowego w fototranzystorze sprawia, że ​​jest on korzystniejszy w porównaniu z fotodiodą.

Fototranzystor można przekształcić tak, aby działał jak fotodioda, łącząc jego podstawę z masą, jak pokazano poniżej, ale fotodioda może nie mieć zdolności do pracy jak fototranzystor.

Kolejną zaletą zacisku bazowego jest to, że czułość fototranzystora można regulować poprzez wprowadzenie potencjometru na emiter bazowy urządzenia, jak pokazano na poniższym rysunku.

W powyższym układzie urządzenie działa jak fototranzystor o zmiennej czułości, ale po usunięciu połączeń potencjometru R2 urządzenie zachowuje się jak normalny fototranzystor, a jeśli R2 jest zwarty do masy, to układ zmienia się w fotodiodę.

Wybieranie rezystora polaryzującego

Na wszystkich schematach obwodów pokazanych powyżej wybór wartości R1 jest zwykle równowagą między wzmocnieniem napięcia a odpowiedzią szerokości pasma urządzenia.

Wraz ze wzrostem wartości R1 zwiększa się wzmocnienie napięcia, ale zmniejsza się użyteczna robocza szerokość pasma i na odwrót.

Ponadto wartość R1 powinna być taka, aby urządzenia były zmuszone do pracy w swoim obszarze liniowym. Można to zrobić metodą prób i błędów.

Praktycznie dla napięć roboczych od 5 V do 12 V zwykle wystarczająca jest dowolna wartość między 1 K a 10 K jako R1.

Fototranzystory Darlington

Są podobne do normalnych tranzystor Darlington z ich wewnętrzną strukturą. Wewnętrznie są one zbudowane przy użyciu dwóch tranzystorów sprzężonych ze sobą, jak pokazano na poniższym schemacie.

Specyfikacje czułości tranzystora fotodarlingtona mogą być około 10 razy wyższe niż normalnego fototranzystora. Jednak częstotliwość robocza tych jednostek jest niższa niż w przypadku normalnych typów i może być ograniczona do około 10 sekund kiloherców.

Zastosowania fototranzystorów fotodiody

Najlepszym przykładem zastosowania fotodiody i fototranzystora może być m.in. odbiorniki sygnału fal świetlnych lub detektory w światłowodowych liniach transmisyjnych.

Fala świetlna przechodząca przez światłowód może być skutecznie modulowana zarówno za pomocą technik analogowych, jak i cyfrowych.

Fotodiody i fototranzystory są również szeroko stosowane do wytwarzania stopni detektorów transoptory i urządzenia przerywające wiązkę światła podczerwonego i gadżety alarmowe.

Problem przy projektowaniu tych obwodów polega na tym, że natężenie światła padającego na urządzenia światłoczułe może być bardzo silne lub słabe, a także mogą napotkać zewnętrzne zakłócenia w postaci przypadkowych świateł widzialnych lub interferencji podczerwieni.

Aby przeciwdziałać tym problemom, te obwody aplikacyjne działają normalnie z łączami optycznymi o określonej częstotliwości nośnej podczerwieni. Ponadto strona wejściowa odbiornika jest wzmocniona przedwzmacniaczem, dzięki czemu nawet najsłabszy z optycznych sygnałów łączących jest komfortowo wykrywany, umożliwiając systemowi szeroki zakres czułości.

Poniższe dwa obwody aplikacji pokazują, jak niezawodne wdrożenie można wykonać za pomocą fotodiod do częstotliwości modulacji nośnej 30 kHz.

To są selektywne obwody alarmowe oparte na fotodiodzie przedwzmacniacza , i będzie reagować na określone pasmo częstotliwości, zapewniając niezawodne działanie systemu.

W górnej wersji L1, C1 i C2 odfiltrowują wszystkie inne częstotliwości z wyjątkiem zamierzonej częstotliwości 30 Hz z łącza optycznego w podczerwieni. Gdy tylko zostanie to wykryte, jest dalej wzmacniane przez Q1, a jego wyjście uaktywnia się do włączania systemu alarmowego.

Alternatywnie, system mógłby być używany do aktywowania alarmu, gdy łącze optyczne jest odcięte. W takim przypadku tranzystor może być stale aktywny przez skupienie 30 Hz IR na fototranzystorze Następnie wyjście z tranzystora można odwrócić za pomocą innego stopnia NPN, tak aby przerwa w wiązce 30 Hz IR spowodowała wyłączenie Q1 i włącza drugi tranzystor NPN. Ten drugi tranzystor musi być zintegrowany przez kondensator 10uF z kolektora Q2 w górnym obwodzie.

Działanie dolnego obwodu jest podobne do wersji tranzystorowej z wyjątkiem zakresu częstotliwości, który dla tego zastosowania wynosi 20 kHz. Jest to również system selektywnej detekcji przedwzmacniacza dostrojony do wykrywania sygnałów IR o częstotliwości modulacji 20 kHz.

Dopóki wiązka podczerwieni dostrojona na 20 kHz pozostaje skupiona na fotodiodzie, tworzy wyższy potencjał na odwracającym styku wejściowym 2 wzmacniacza operacyjnego, który przekracza wyjście dzielnika potencjału na nieodwracającym styku wzmacniacza operacyjnego. Powoduje to, że wyjściowa wartość skuteczna RMS ze wzmacniacza operacyjnego jest bliska zeru.

Jednak moment przerwania wiązki powoduje nagły spadek potencjału na pinie2 i wzrost potencjału na pinie3. To natychmiast podnosi napięcie RMS na wyjściu wzmacniacza operacyjnego, aktywując podłączony system alarmowy .

C1 i R1 służą do ominięcia niepożądanego sygnału do masy.

Zastosowano dwie fotodiody D1 i D2, dzięki czemu system uaktywnia się tylko wtedy, gdy sygnały IR są przerywane jednocześnie na D1 i D2. Pomysł można zastosować w miejscach, w których wymagane jest wykrycie tylko długich pionowych celów, takich jak ludzie, podczas gdy krótsze cele, takie jak zwierzęta, mogą swobodnie przejść.

Aby to zrealizować, D1 i D2 muszą być zainstalowane pionowo i równolegle do siebie, przy czym D1 może być umieszczona 30 stóp nad ziemią, a D2 około 3 stopy nad D1 w linii prostej.




Poprzedni: Obwód ostrzegawczy przed oblodzeniem dla samochodów Dalej: Obwód symulatora dźwięku śmiechu