A fotodiódák és a fototranzisztorok olyan félvezető eszközök, amelyek p-n félvezetői csatlakozását fénynek teszik ki egy átlátszó burkolaton keresztül, így a külső fény reakcióba léphet és erőt vezethet a csomóponton.
Hogyan működnek a fotodiódák
A fotodióda ugyanolyan, mint egy szokásos félvezető dióda (1N4148 példa), amely egy p-n csatlakozásból áll, de ezt az átmenetet egy átlátszó testen keresztül fénynek teszik ki.
Működését meg lehet érteni úgy, hogy elképzelünk egy szabványos szilíciumdiódát, amely fordított előfeszítéssel van csatlakoztatva egy tápforráshoz, az alábbiak szerint.
Ebben az állapotban a diódán egyetlen áram sem áramlik, csak néhány nagyon kicsi szivárgási áram.
Tegyük fel azonban, hogy ugyanaz a diódánk van, amelynek külső átlátszatlan burkolatát lekaparták vagy eltávolították, és fordított előfeszítéssel látták el. Ez a dióda PN csatlakozását fénynek teszi ki, és az áram azonnali áramlás lesz rajta keresztül, a beeső fényre válaszul.
Ez akár 1 mA áramot is eredményezhet a diódán keresztül, ami növekvő feszültséget eredményezhet az R1-en.
A fenti ábra fotodiódája a föld felől is csatlakoztatható az alábbiak szerint. Ez ellentétes választ eredményez, ami csökkenő feszültséget eredményez az R1-en, amikor a fotodiódát külső fénnyel világítják meg.
Valamennyi P-N elágazáson alapuló eszköz működése hasonló, és fény hatására foto-vezetőképességet mutat.
A fotodióda sematikus szimbóluma az alábbiakban látható.
A kadmium-szulfid vagy a kadmium-szelenid fotocellákhoz képest mint az LDR-ek , a fotodiódák általában kevésbé érzékenyek a fényre, de a fényváltozásokra sokkal gyorsabban reagálnak.
Emiatt a fotocellákat, mint az LDR-eket, általában olyan alkalmazásokban használják, amelyekben látható fény van, és ahol a válaszidőnek nem kell gyorsnak lennie. Másrészt a fotodiódákat kifejezetten azokban az alkalmazásokban választják ki, amelyek a fények gyors érzékelését igénylik többnyire az infravörös régióban.
A fotodiódákat olyan rendszerekben találja, mint pl infravörös távirányító áramkörök , sugármegszakító relék és behatoló riasztási áramkörök .
A fotodiódának van egy másik változata, amely ólom-szulfidot (PbS) használ, és ott a működési jellemző meglehetősen hasonló az LDR-ekhez, de csak az infravörös tartományú fényekre reagálnak.
Fototranzisztorok
A következő kép egy fototranzisztor sematikus szimbólumát mutatja
A fototranzisztor általában bipoláris NPN szilícium tranzisztor, átlátszó nyílással ellátott burkolatba kapszulázva.
Úgy működik, hogy az átlátszó nyíláson keresztül a fény eljut a készülék PN csatlakozásához. A fény reagál a készülék szabadon álló PN csatlakozásával, megkezdve a fényvezetőképességet.
A fototranzisztor többnyire úgy van konfigurálva, hogy az alapcsapja nincs csatlakoztatva, ahogy azt a következő két áramkör mutatja.
A bal oldali ábrán a kapcsolat tulajdonképpen a fototranzisztort fordított torzítási helyzetbe hozza, így most úgy működik, mint egy fotodióda.
Itt az eszköz bázis kollektor termináljain átmenő fény miatt keletkező áramot közvetlenül visszavezetik a készülék aljához, aminek eredményeként a normál áramerősítés és az áram a készülék kollektor termináljának kimeneteként áramlik ki.
Ez az erősített áram miatt arányos mennyiségű feszültség alakul ki az R1 ellenálláson.
A fototranzisztorok azonos mennyiségű áramot mutathatnak a kollektoruknál és az emitterüknél, a nyitott alapkapcsolat miatt, és ez megakadályozza az eszközt negatív visszacsatolásban.
Ennek a tulajdonságnak köszönhetően, ha a fototranzisztor a fenti ábra jobb oldalán látható módon R1-rel van összekötve az emitteren és a földön, az eredmény pontosan megegyezik a bal oldali konfigurációval. Mindkét konfiguráció szempontjából az R1-en a fototranzisztor vezetése miatt kialakult feszültség hasonló.
Különbség a fotodióda és a fototranzisztor között
Bár a működési elv hasonló a két partner esetében, van néhány észrevehető különbség közöttük.
A fotodióda úgy értékelhető, hogy sokkal nagyobb frekvenciákkal működik, több tíz megahertzes tartományban, szemben a fototranzisztorral, amely csak néhány száz kilohertzre korlátozódik.
A bázis terminál jelenléte egy fototranzisztorban előnyösebbé teszi a fotodiódához képest.
A fototranzisztort úgy alakíthatjuk át, hogy úgy működjön, mint egy fotodióda, ha az alapját a földdel összekötjük az alábbiak szerint, de előfordulhat, hogy egy fotodióda nem képes úgy működni, mint egy fototranzisztor.
Az alapterminál másik előnye, hogy a fototranzisztor érzékenysége változtathatóvá tehető egy potenciométer bevezetésével az eszköz bázisemissziójára, amint az a következő ábrán látható.
A fenti elrendezésben az eszköz változó érzékenységű fototranzisztorként működik, de ha az edény R2 csatlakozásait eltávolítják, akkor az eszköz úgy működik, mint egy normál fototranzisztor, és ha R2 testzárlatos, akkor az eszköz fotodiódává válik.
Az előfeszítő ellenállás kiválasztása
Az összes fenti kapcsolási rajzon az R1 érték kiválasztása általában egyensúlyt jelent a feszültségerősítés és a készülék sávszélesség-válasza között.
Az R1 értékének növekedésével a feszültségnövekedés növekszik, de a hasznos üzemi sávszélesség tartomány csökken, és fordítva.
Ezenkívül az R1 értékének olyannak kell lennie, hogy az eszközök kénytelenek legyenek lineáris tartományukban dolgozni. Ez megtehető némi próbálkozással.
Gyakorlatilag 5V és 12V közötti feszültségek esetén az 1K és 10K közötti érték általában elegendő, mint R1.
Darlington fototranzisztorok
Ezek hasonlóak a normálhoz darlington tranzisztor belső felépítésükkel. Belsőleg két egymáshoz kapcsolt tranzisztor felhasználásával épülnek fel, amint azt a következő vázlatos szimbólum mutatja.
A fotodarlington tranzisztor érzékenységi specifikációi körülbelül tízszer nagyobbak lehetnek, mint egy normál fototranzisztoré. Ezeknek az egységeknek a működési frekvenciája azonban alacsonyabb, mint a normál típusok, és csak kb. 10 kilohertzre korlátozódhat.
Fotodióda fototranzisztor alkalmazások
A fotodióda és a fototranzisztoros alkalmazás legjobb példája a fényhullámú jelvevők vagy detektorok a száloptikai távvezetékekben.
Az optikai szálon áthaladó fényhullám hatékonyan modulálható mind analóg, mind digitális technikával.
A fotodiódákat és a fototranzisztorokat szintén széles körben használják detektorok gyártására optocsatolók és infravörös fénysugár megszakító eszközök és betolakodó riasztó kütyük.
Ezeknek az áramköröknek a tervezése során az a probléma, hogy a fényérzékeny eszközökre eső fény intenzitása nagyon erős vagy gyenge lehet, és ezek külső zavarokkal is találkozhatnak véletlenszerű látható fények vagy infravörös interferencia formájában.
Ezen problémák megoldása érdekében ezeket az alkalmazási áramköröket általában meghatározott infravörös vivőfrekvenciájú optikai kapcsolatokkal működtetik. Ezenkívül a vevő bemeneti oldalát előerősítővel erősítik meg, így az optikai összekapcsolási jelek közül a leggyengébbet is kényelmesen érzékeli, ezáltal a rendszer széles érzékenységi tartományt tesz lehetővé.
A következő két alkalmazási áramkör bemutatja, hogy a bolondbiztos megvalósítás 30 kHz-es vivőmodulációs frekvencián át fotodiódák segítségével végezhető el.
Ezek szelektív előerősítő alapú fotodióda riasztási áramkörök , és reagálni fog egy adott frekvenciasávra, biztosítva a rendszer hibátlan működését.
A felső kivitelben az L1, C1 és C2 kiszűri az összes többi frekvenciát, kivéve a tervezett 30 Hz-es frekvenciát egy infravörös optikai összeköttetésből. Amint ezt észlelik, a Q1 tovább erősíti, és a kimenete aktiválódik a riasztórendszer megszólaltatásához.
Alternatív megoldásként a rendszert fel lehet használni riasztás aktiválására, amikor az optikai kapcsolat megszakad. Ebben az esetben a tranzisztort folyamatosan fenntartani lehet a fototranzisztor 30 Hz-es infravörös fókuszán keresztül. Ezután a tranzisztor kimenetét megfordíthatjuk egy másik NPN fokozat segítségével, így a 30 Hz-es IR-sugár megszakadása kikapcsolja Q1-et, és bekapcsolja a második NPN tranzisztort. Ennek a második tranzisztornak egy 10uF kondenzátoron keresztül kell integrálódnia a Q2 kollektorából a felső áramkörbe.
Az alsó áramkör működése hasonló a tranzisztoros verzióhoz, kivéve a frekvenciatartományt, amely ennél az alkalmazásnál 20 kHz. Ez egy szelektív előerősítő detektáló rendszer, amely 20 kHz modulációs frekvenciájú IR jelek detektálására van hangolva.
Amíg egy 20 kHz-en hangolt IR-sugár továbbra is a fotodiódára fókuszál, addig az op erősítő inverteres bemeneti2 tűjén nagyobb potenciált hoz létre, amely meghaladja az op erősítő nem invertáló érintkezőjénél lévő potenciálosztó kimenetet. Ez azt eredményezi, hogy az op erősítő kimeneti RMS értéke nulla közelében van.
Azonban abban a pillanatban, amikor a sugár megszakad, a hirtelen potenciálcsökkenést okoz a pin2-nél, és a potenciál növekedését a pin2-nél. Ez azonnal megemeli az RMS feszültséget a csatlakoztatott aktiváló op erősítő kimenetén riasztó berendezés .
C1 és R1 alkalmazzák a nem kívánt jel földre kerülésére.
Két D1 és D2 fotódiódát használnak, így a rendszer csak akkor aktiválódik, ha az IR jeleket egyidejűleg megszakítják a D1 és D2 között. Az ötlet olyan helyeken használható, ahol csak olyan hosszú függőleges célpontok érzékelésére van szükség, mint az emberek, míg a rövidebb célpontok, például az állatok szabadon engedhetők át.
Ennek megvalósításához a D1 és D2 egységeket függőlegesen és egymással párhuzamosan kell felszerelni, ahol D1 egy talppal a talaj felett helyezhető el, D2 pedig körülbelül 3 lábnyira a D1 felett egyenes vonalban.
Előző: Jég figyelmeztető áramkör autókhoz Következő: Nevetés hangszimulátor áramköre
