Fotodioda, fototranzistor - pracovní a aplikační obvody

Fotodiody a fototranzistory jsou polovodičová zařízení, která mají své polovodičové spojení p-n vystavené světlu přes průhledný kryt, takže vnější světlo může reagovat a vynutit elektrické vedení skrz spojení.

Jak fungují fotodiody

Fotodioda je jako běžná polovodičová dioda (příklad 1N4148) skládající se z p-n křižovatky, ale má tuto křižovatku vystavenou světlu přes průhledné tělo.

Jeho fungování lze pochopit představením standardní křemíkové diody připojené obráceně předpjatým způsobem přes zdroj, jak je uvedeno níže.

V tomto stavu neprotéká diodou žádný proud, kromě velmi malého svodového proudu.

Předpokládejme však, že máme stejnou diodu s vnějším neprůhledným krytem oškrábanou nebo odstraněnou a spojenou se zdrojem zpětného zkreslení. Tím se vystaví PN přechod diody světlu a bude v něm okamžitě proudit proud v reakci na dopadající světlo.

To může vést k tomu, že dioda prochází proudem až 1 mA, což způsobí, že se na R1 vyvine rostoucí napětí.

Fotodioda na výše uvedeném obrázku může být také připojena na straně země, jak je znázorněno níže. To způsobí opačnou odezvu, což má za následek klesající napětí na R1, když je fotodioda osvětlena vnějším světlem.

Fungování všech zařízení založených na spojení P-N je podobné a při vystavení světlu bude vykazovat fotovodivost.

Schematický symbol fotodiody je uveden níže.

Ve srovnání s fotobunkami obsahujícími sulfid kademnatý nebo selenid kademnatý jako LDR Fotodiody jsou obecně méně citlivé na světlo, ale jejich reakce na změny světla je mnohem rychlejší.

Z tohoto důvodu se fotobuňky jako LDR obecně používají v aplikacích, které zahrnují viditelné světlo a kde doba odezvy nemusí být rychlá. Na druhou stranu jsou fotodiody konkrétně vybírány v aplikacích, které vyžadují rychlou detekci světla většinou v infračervené oblasti.

Fotodiody najdete v systémech jako např infračervené obvody dálkového ovládání , relé přerušení paprsku a poplašné obvody vetřelce .

Existuje další varianta fotodiody, která používá sulfid olovnatý (PbS) a její pracovní charakteristika je docela podobná LDR, ale jsou navrženy tak, aby reagovaly pouze na infračervené světelné paprsky.

Fototranzistory

Následující obrázek ukazuje schematický symbol fototranzistoru

Fototranzistor je obecně ve formě bipolárního silikonového tranzistoru NPN zapouzdřeného v krytu s průhledným otvorem.

Funguje tak, že umožňuje světlu dosáhnout průchodu PN zařízení přes průhledný otvor. Světlo reaguje s exponovaným PN spojením zařízení a iniciuje akci fotovodivosti.

Fototranzistor je většinou nakonfigurován tak, že jeho základní kolík není připojen, jak je znázorněno v následujících dvou obvodech.

Na obrázku na levé straně spojení účinně způsobí, že fototranzistor je v situaci obráceného zkreslení, takže nyní funguje jako fotodioda.

Zde je proud generovaný v důsledku světla napříč základnovými kolektorovými svorkami zařízení přímo přiváděn zpět do základny zařízení, což má za následek normální zesílení proudu a proud vycházející ven jako výstup z kolektorové svorky zařízení.

Tento zesílený proud způsobí, že se na rezistoru R1 vyvine úměrné množství napětí.

Fototranzistory mohou vykazovat stejná množství proudu na svých kolektorových a emitorových vývodech kvůli otevřenému připojení základny, což brání zařízení v negativní zpětné vazbě.

Kvůli této vlastnosti, pokud je fototranzistor připojen, jak je znázorněno na pravé straně výše uvedeného obrázku, s R1 napříč vysílačem a zemí, je výsledek přesně stejný, jako tomu bylo u konfigurace na levé straně. To znamená pro obě konfigurace, že napětí vyvíjené na R1 v důsledku vedení fototranzistoru je podobné.

Rozdíl mezi fotodiodou a fototranzistorem

Ačkoli je pracovní princip pro oba protějšky podobný, je mezi nimi několik znatelných rozdílů.

Fotodiodu lze hodnotit tak, aby pracovala s mnohem vyššími frekvencemi v rozmezí desítek megahertzů, na rozdíl od fototranzistoru, který je omezen pouze na několik set kilohertzů.

Přítomnost terminálu základny ve fototranzistoru je výhodnější ve srovnání s fotodiodou.

Fototranzistor lze převést tak, aby fungoval jako fotodioda, propojením jeho základny se zemí, jak je znázorněno níže, ale fotodioda nemusí mít schopnost fungovat jako fototranzistor.

Další výhodou základnové svorky je to, že citlivost fototranzistoru lze nastavit proměnnou zavedením potenciometru přes základní vysílač zařízení, jak je znázorněno na následujícím obrázku.

Ve výše uvedeném uspořádání zařízení funguje jako fototranzistor s proměnnou citlivostí, ale pokud jsou připojení potenciometru R2 odstraněna, zařízení funguje jako normální fototranzistor, a pokud je R2 zkratován k zemi, pak se zařízení změní na fotodiodu.

Výběr předpěťového odporu

Ve všech obvodových schématech zobrazených výše je výběr hodnoty R1 obvykle rovnováhou mezi napěťovým ziskem a šířkou pásma odezvy zařízení.

Jak se zvyšuje hodnota R1, zvyšuje se napěťový zisk, ale zmenšuje se užitečný rozsah provozní šířky pásma a naopak.

Kromě toho by hodnota R1 měla být taková, aby byla zařízení nucena pracovat ve své lineární oblasti. To lze provést pomocí pokusů a omylů.

Prakticky pro provozní napětí od 5 V do 12 V je obvykle dostatečná jakákoli hodnota mezi 1 K a 10 K jako R1.

Fototranzistory Darlington

Jsou podobné jako normální Darlingtonův tranzistor s jejich vnitřní strukturou. Interně jsou konstruovány pomocí dvou tranzistorů spojených navzájem, jak je znázorněno na následujícím schematickém symbolu.

Specifikace citlivosti fotodarlingtonského tranzistoru může být přibližně 10krát vyšší než u normálního fototranzistoru. Pracovní frekvence těchto jednotek je však nižší než u běžných typů a může být omezena na pouhých 10 s kilohertzů.

Aplikace fotodiody Fototranzistor

Nejlepší příklad aplikace fotodiody a fototranzistoru může být v oblasti přijímače světelných vln nebo detektory v přenosových vedeních z optických vláken.

Světelnou vlnu procházející optickým vláknem lze efektivně modulovat jak analogovými, tak digitálními technikami.

Fotodiody a fototranzistory jsou také široce používány pro vytváření fází detektorů optočleny a zařízení k přerušení paprsku infračerveného světla a poplašné zařízení pro vetřelce.

Problém při navrhování těchto obvodů spočívá v tom, že intenzita světla dopadajícího na fotocitlivá zařízení může být velmi silná nebo slabá a také u nich může docházet k vnějšímu rušení ve formě náhodného viditelného světla nebo infračerveného rušení.

Aby se těmto problémům čelilo, jsou tyto aplikační obvody normálně provozovány s optickými spoji, které mají specifickou infračervenou nosnou frekvenci. Kromě toho je vstupní strana přijímače vyztužena předzesilovačem, takže je pohodlně detekována i ta nejslabší z optických spojovacích signálů, což umožňuje systému s širokým rozsahem citlivosti.

Následující dva aplikační obvody ukazují, jak a spolehlivá implementace lze provést pomocí fotodiod přes 30 kHz nosnou modulační frekvenci.

Tyto jsou selektivní fotodiodové poplašné obvody založené na předzesilovači , a bude reagovat na konkrétní frekvenční pásmo, což zajistí spolehlivý provoz systému.

V horním provedení filtrují L1, C1 a C2 všechny ostatní frekvence kromě zamýšlené frekvence 30 Hz z infračerveného optického spoje. Jakmile je toto detekováno, je dále zesíleno Q1 a jeho výstup je aktivní pro aktivaci výstražného systému.

Alternativně může být systém použit pro aktivaci alarmu při přerušení optického spojení. V tomto případě může být tranzistor trvale udržován aktivní prostřednictvím 30 Hz infračerveného zaostření fototranzistoru. Dále může být výstup z tranzistoru invertován pomocí jiného stupně NPN, takže přerušení 30 Hz IR paprsku vypne Q1 a zapne druhý NPN tranzistor. Tento druhý tranzistor musí být integrován přes 10uF kondenzátor z kolektoru Q2 v horním obvodu.

Fungování dolního obvodu je podobné jako u tranzistorové verze s výjimkou frekvenčního rozsahu, který je pro tuto aplikaci 20 kHz. Je to také systém detekce selektivního předzesilovače naladěný na detekci infračervených signálů s modulační frekvencí 20 kHz.

Pokud infračervený paprsek vyladěný na 20 kHz zůstává zaměřen na fotodiodu, vytváří vyšší potenciál na invertujícím vstupním kolíku 2 operačního zesilovače, který překračuje výstup potenciálního děliče na neinvertujícím kolíku operačního zesilovače. To způsobí, že výstupní RMS z operačního zesilovače bude téměř nulový.

Avšak v okamžiku, kdy je paprsek přerušen, způsobí náhlý pokles potenciálu na kolíku 2 a zvýšení potenciálu na kolíku 3. To okamžitě zvyšuje napětí RMS na výstupu operačního zesilovače, který aktivuje připojené zařízení bezpečnostní systém .

C1 a R1 jsou použity k přemostění nežádoucího signálu na zem.

Používají se dvě fotodiody D1 a D2, takže systém se aktivuje pouze v případě, že jsou současně přerušeny infračervené signály napříč D1 a D2. Tuto myšlenku lze použít v místech, kde je třeba snímat pouze dlouhé vertikální cíle, jako jsou lidé, zatímco kratším cílům, jako jsou zvířata, lze volně procházet.

K realizaci tohoto musí být D1 a D2 instalovány svisle a navzájem rovnoběžně, přičemž D1 může být umístěn stop nad zemí a D2 asi 3 stop nad D1 v přímce.