Fotodiodi, fototransistori - työ- ja sovelluspiirit

Fotodiodit ja fototransistorit ovat puolijohdelaitteita, joiden p-n-puolijohde-liitos altistetaan valolle läpinäkyvän kannen läpi, jotta ulkoinen valo voi reagoida ja pakottaa sähköjohtamisen liitoksen läpi.

Kuinka fotodiodit toimivat

Fotodiodi on aivan kuin tavallinen puolijohdediodi (esimerkki 1N4148), joka koostuu p-n-liitoksesta, mutta tämä liitos on altistettu valolle läpinäkyvän rungon kautta.

Sen toiminta voidaan ymmärtää kuvittelemalla tavanomainen piidiodi, joka on kytketty käänteisesti esijännitetyllä tavalla lähteen yli, kuten alla on esitetty.

Tässä tilassa diodin läpi ei virtaa virtaa lukuun ottamatta jotakin hyvin pientä vuotovirtaa.

Oletetaan kuitenkin, että meillä on sama diodi, jonka uloin läpinäkymätön kansi on kaavittu tai poistettu ja kytketty käänteiseen esijännitesyöttöön. Tämä altistaa diodin PN-liitoksen valolle, ja sen läpi kulkee välitön virta vasteena tulevaan valoon.

Tämä voi johtaa jopa 1 mA: n virtaan diodin läpi, mikä aiheuttaa nousevan jännitteen kehittymisen R1: n yli.

Yllä olevan kuvan valodiodi voidaan liittää myös maanpintaan alla olevan kuvan mukaisesti. Tämä tuottaa vastakkaisen vasteen, mikä johtaa jännitteen vähenemiseen R1: n yli, kun fotodiodi valaistaan ​​ulkoisella valolla.

Kaikkien P-N-liitospohjaisten laitteiden toiminta on samanlaista ja osoittaa valojohtavuutta valolle altistuessaan.

Valodiodin kaavamainen symboli voidaan nähdä alla.

Verrattuna kadmiumsulfidiin tai kadmiumselenidiin valokennoihin kuten LDR: t , fotodiodit ovat yleensä vähemmän herkkiä valolle, mutta niiden reaktio valomuutoksiin on paljon nopeampi.

Tästä syystä valosoluja, kuten LDR: itä, käytetään yleensä sovelluksissa, joihin liittyy näkyvää valoa, ja joissa vasteajan ei tarvitse olla nopea. Toisaalta valodiodit valitaan erityisesti sovelluksissa, jotka edellyttävät valojen nopeaa havaitsemista lähinnä infrapuna-alueella.

Valodiodit ovat esimerkiksi infrapunakaukosäätimen piirit , säteen keskeytysreleet ja tunkeilijan hälytyspiirit .

Valodiodista on toinen muunnos, joka käyttää lyijysulfidia (PbS), ja siellä työskentelyominaisuudet ovat melko samanlaisia ​​kuin LDR: t, mutta ne on suunniteltu vastaamaan vain infrapuna-alueen valoihin.

Valotransistorit

Seuraava kuva esittää fototransistorin kaaviokuvan

Valotransistori on yleensä bipolaarisen NPN-piitransistorin muodossa, joka on kapseloitu läpinäkyvän aukon kannessa.

Se toimii antamalla valon päästä laitteen PN-risteykseen läpinäkyvän aukon kautta. Valo reagoi laitteen paljaan PN-liitoksen kanssa aloittaen valojohtavuuden.

Valotransistori on konfiguroitu pääosin siten, että sen tappi ei ole kytketty, kuten seuraavissa kahdessa piirissä on esitetty.

Vasemmanpuoleisessa kuvassa liitäntä aiheuttaa käytännössä fototransistorin käänteisessä esijännitetilanteessa siten, että se toimii nyt kuin fotodiodi.

Laitteen kollektoriliittimien läpi tulevan valon takia syntyvä virta syötetään suoraan takaisin laitteen pohjaan, mikä johtaa normaaliin virranvahvistukseen ja virtaan, joka virtaa ulos laitteen kollektoriliittimen ulostulona.

Tämä vahvistettu virta saa aikaan suhteellisen määrän jännitettä kehittymään vastuksen R1 yli.

Valotransistorit voivat näyttää saman määrän virtaa kerääjän ja emitterinastoissa avoimen tukiliitännän takia, mikä estää laitetta negatiiviselta palautteelta.

Tästä ominaisuudesta johtuen, jos fototransistori on kytketty yllä olevan kuvan oikealla puolella esitetyllä tavalla R1: n kanssa emitterin ja maan poikki, tulos on täsmälleen sama kuin vasemmanpuoleisessa konfiguraatiossa. Molempien kokoonpanojen kannalta R1: n yli fototransistorin johtamisen vuoksi kehittynyt jännite on samanlainen.

Ero fotodiodin ja fototransistorin välillä

Vaikka toimintaperiaate on samanlainen molemmilla vastapuolilla, niiden välillä on muutama huomattava ero.

Valodiodi voidaan luokitella toimimaan paljon suuremmilla taajuuksilla kymmenien megahertsien alueella, toisin kuin fototransistori, joka on rajoitettu vain muutamaan sataan kilohertsiin.

Tukiaseman läsnäolo fototransistorissa tekee siitä edullisemman kuin fotodiodi.

Valotransistori voidaan muuntaa toimimaan kuten fotodiodi kytkemällä sen pohja maahan, kuten alla on esitetty, mutta fotodiodilla ei ehkä ole kykyä toimia kuten fototransistori.

Tukiaseman toinen etu on, että fototransistorin herkkyys voidaan muuttaa vaihtamalla tuomalla potentiometri laitteen kantalähteen läpi, kuten seuraavassa kuvassa on esitetty.

Edellä mainitussa järjestelyssä laite toimii kuin vaihtelevan herkkyyden fototransistori, mutta jos potin R2-liitännät irrotetaan, laite toimii kuin normaali fototransistori, ja jos R2 on oikosulussa, laite muuttuu fotodiodiksi.

Esijännitysvastuksen valitseminen

Kaikissa yllä esitetyissä piirikaavioissa R1-arvon valinta on yleensä tasapaino laitteen jännitevahvistuksen ja kaistanleveysvasteen välillä.

Kun R1: n arvoa nostetaan, jännitevahvistus kasvaa, mutta käyttökelpoinen kaistanleveysalue pienenee ja päinvastoin.

Lisäksi R1: n arvon tulisi olla sellainen, että laitteet pakotetaan toimimaan lineaarisella alueella. Tämä voidaan tehdä kokeilemalla ja virheellisesti.

Käytännössä 5 V: n ja 12 V: n käyttöjännitteillä mikä tahansa arvo 1K - 10K on yleensä riittävä kuin R1.

Darlington-valotransistorit

Nämä ovat samanlaisia ​​kuin normaalit Darlington-transistori niiden sisäisen rakenteen kanssa. Sisäisesti nämä rakennetaan käyttämällä kahta transistoria, jotka on kytketty toisiinsa, kuten seuraavassa kaaviokuvassa on esitetty.

Fotodarlingtontransistorin herkkyysmääritykset voivat olla noin 10 kertaa korkeammat kuin normaalin fototransistorin. Näiden yksiköiden työtaajuus on kuitenkin normaalia pienempi, ja se voi olla rajoitettu vain noin kymmeneen kilohertsiin.

Photodiode Phototransistor -sovellukset

Paras esimerkki fotodiodin ja fototransistorin käytöstä voi olla kentässä valoaaltosignaalivastaanottimet tai ilmaisimet valokuitujen siirtolinjoissa.

Optisen kuidun kautta kulkeva valoaalto voidaan tehokkaasti moduloida sekä analogisilla että digitaalisilla tekniikoilla.

Valodiodeja ja fototransistoreita käytetään myös laajalti detektorivaiheiden tekemiseen vuonna optoerottimet ja infrapunasäteilykatkaisulaitteet ja tunkeilijoiden hälytyslaitteet.

Näiden piirien suunnittelun ongelmana on, että valoherkkiin laitteisiin putoavan valon voimakkuus voi olla erittäin voimakas tai heikko, ja myös näissä voi esiintyä ulkoisia häiriöitä satunnaisesti näkyvien valojen tai infrapunahäiriöiden muodossa.

Näiden ongelmien ratkaisemiseksi näitä sovelluspiirejä käytetään normaalisti optisilla linkeillä, joilla on tietty infrapunakantotaajuus. Lisäksi vastaanottimen tulopuoli on vahvistettu esivahvistimella niin, että jopa heikoin optisista linkkisignaaleista havaitaan mukavasti, mikä mahdollistaa järjestelmän laajan herkkyysalueen.

Seuraavat kaksi sovelluspiiriä osoittavat, kuinka a typerä toteutus voidaan tehdä käyttämällä fotodiodeja 30 kHz: n kantoaallon modulointitaajuudella.

Nämä ovat selektiiviset esivahvistinpohjaiset valodiodihälytyspiirit , ja se reagoi tiettyyn taajuuskaistaan ​​varmistaen järjestelmän häiriöttömän toiminnan.

Ylärakenteessa L1, C1 ja C2 suodattavat kaikki muut taajuudet lukuun ottamatta aiottua 30 Hz: n taajuutta optisesta infrapunayhteydestä. Heti kun tämä havaitaan, Q1 vahvistaa sitä edelleen, ja sen ulostulo aktivoituu hälytysjärjestelmän hälytykseen.

Vaihtoehtoisesti järjestelmää voitaisiin käyttää hälytyksen aktivointiin, kun optinen linkki katkeaa. Tässä tapauksessa transistori voidaan pitää pysyvästi aktiivisena fototransistorin 30 Hz: n IR-tarkennuksen kautta. Seuraavaksi transistorin lähtö voidaan kääntää käyttämällä toista NPN-vaihetta niin, että 30 Hz: n IR-säteen keskeytys sammuttaa Q1: n ja kytkee päälle toisen NPN-transistorin. Tämän toisen transistorin on integroitava 10uF-kondensaattorin kautta Q2: n kollektorista ylemmässä piirissä.

Alemman piirin toiminta on samanlainen kuin transistoroidun version paitsi taajuusalue, joka on 20 kHz tälle sovellukselle. Se on myös valikoiva esivahvistimen ilmaisujärjestelmä, joka on viritetty tunnistamaan IR-signaalit, joiden modulointitaajuus on 20 kHz.

Niin kauan kuin 20 kHz: n viritetty infrapunasäde keskittyy edelleen fotodiodiin, se luo suuremman potentiaalin op-vahvistimen invertoivalle tulotapille2, joka ylittää potentiaalijakajan lähdön op-vahvistimen ei-invertoivalla tapilla. Tämä saa op-vahvistimen lähtevän RMS: n olemaan lähellä nollaa.

Kuitenkin hetki, jolloin säde keskeytyy, aiheuttaa potentiaalin äkillisen pudotuksen tapissa2 ja potentiaalin kasvun tapissa3. Tämä nostaa välittömästi RMS-jännitettä kytketyn aktivoivan op-vahvistimen lähdössä hälytysjärjestelmä .

C1 ja R1 käytetään ohittamaan kaikki ei-toivotut signaalit maahan.

Kaksi valodiodia D1 ja D2 käytetään siten, että järjestelmä aktivoituu vain, kun IR-signaalit keskeytetään samanaikaisesti D1: n ja D2: n välillä. Ideaa voidaan käyttää paikoissa, joissa vaaditaan vain pitkiä pystysuoria kohteita, kuten ihmisiä, kun taas lyhyempien kohteiden, kuten eläinten, voidaan päästää kulkemaan vapaasti.

Tämän toteuttamiseksi D1 ja D2 on asennettava pystysuoraan ja yhdensuuntaisesti toistensa kanssa, jolloin D1 voidaan sijoittaa jalat maanpinnan yläpuolelle ja D2 noin 3 jalkaa D1: n yläpuolelle suorassa linjassa.