Fotodiodas, fototransistorius - darbo ir taikymo grandinės

Fotodiodai ir fototransistoriai yra puslaidininkiniai įtaisai, kurių p-n puslaidininkių jungtis yra veikiama šviesos per skaidrią dangtį, kad išorinė šviesa galėtų reaguoti ir priversti elektros laidumą per sankryžą.

Kaip veikia fotodiodai

Fotodiodas yra panašus į įprastą puslaidininkinį diodą (1N4148 pavyzdys), susidedantį iš p-n sankryžos, tačiau jis turi šią jungties šviesą permatomą kūną.

Jo veikimą galima suprasti įsivaizduojant standartinį silicio diodą, prijungtą atvirkščiai į šalį per tiekimo šaltinį, kaip parodyta žemiau.

Esant tokiai būklei, diodu srovė neteka, išskyrus labai mažą nuotėkio srovę.

Tačiau tarkime, kad mes turime tą patį diodą, kurio išorinis nepermatomas dangtelis yra subraižytas arba nuimtas ir sujungtas su atvirkštiniu šališkumu. Tai apšvies diodo PN sankryžą, ir per ją bus momentinis srovės srautas, reaguojant į krintančią šviesą.

Dėl to diodu gali tekti net 1 mA srovė, dėl kurios R1 gali išsivystyti didėjanti įtampa.

Pirmiau pateiktame paveiksle pateiktas fotodiodas taip pat gali būti sujungtas iš žemės pusės, kaip parodyta žemiau. Tai sukels priešingą atsaką, dėl kurio sumažės įtampa visoje R1, kai fotodiodas apšviečiamas išorine šviesa.

Visų P-N sankryžos pagrindu veikiančių prietaisų veikimas yra panašus ir šviesos laidumas parodys foto laidumą.

Žemiau galite pamatyti fotodiodo scheminį simbolį.

Palyginti su kadmio-sulfido arba kadmio-selenido fotoelementais kaip ir LDR , fotodiodai paprastai yra mažiau jautrūs šviesai, tačiau jų reakcija į šviesos pokyčius yra daug greitesnė.

Dėl šios priežasties fotoelementai, tokie kaip LDR, paprastai naudojami programose, kuriose yra matoma šviesa, ir kai atsako laikas neturi būti greitas. Kita vertus, fotodiodai yra specialiai parinkti tose programose, kuriose reikia greitai aptikti šviesas, dažniausiai infraraudonųjų spindulių regione.

Fotodiodus rasite tokiose sistemose kaip infraraudonųjų spindulių nuotolinio valdymo grandinės , spindulių pertraukimo relės ir įsibrovėlio pavojaus signalų grandinės .

Yra dar vienas fotodiodo variantas, kuriame naudojamas švino sulfidas (PbS), o jo darbo charakteristika yra gana panaši į LDR, tačiau skirta reaguoti tik į infraraudonųjų spindulių diapazono šviesas.

Fototransistoriai

Šis paveikslėlis rodo fototransistoriaus scheminį simbolį

Fototransistorius paprastai yra bipolinio NPN silicio tranzistoriaus pavidalo, apgaubtas dangteliu su permatoma anga.

Tai veikia leidžiant šviesai per skaidrią angą pasiekti prietaiso PN sankryžą. Šviesa reaguoja su atvira prietaiso PN jungtimi, inicijuodama fotolaidumo veiksmą.

Fototransistorius dažniausiai sukonfigūruotas taip, kad jo pagrindo kaištis nebūtų atjungtas, kaip parodyta toliau pateiktose dviejose grandinėse.

Kairės pusės paveiksle dėl jungties fototransistorius atsiduria atvirkštiniame poslinkyje, todėl dabar jis veikia kaip fotodiodas.

Čia srovė, sukurta dėl šviesos per įrenginio pagrindo kolektoriaus gnybtus, tiesiogiai tiekiama atgal į prietaiso pagrindą, todėl įprasta srovės stiprinimas ir srovė teka kaip išėjimas iš prietaiso kolektoriaus gnybto.

Dėl šios sustiprintos srovės rezistorius R1 išsivysto proporcingas įtampos dydis.

Dėl atviro pagrindo jungties fototransistoriai gali rodyti vienodą srovės kiekį savo kolektoriuje ir spinduoliuose. Tai neleidžia prietaisui gauti neigiamo grįžtamojo ryšio.

Dėl šios savybės, jei fototransistorius yra prijungtas taip, kaip parodyta aukščiau esančio paveikslo dešinėje pusėje, R1 spinduliuojant spinduliuojančią medžiagą ir žemę, rezultatas yra visiškai toks pat, koks buvo kairiosios pusės konfigūracijoje. Abiejų konfigūracijų prasme R1, susidariusi dėl fototransistoriaus laidumo, įtampa yra panaši.

Fotodiodo ir fototransistoriaus skirtumas

Nors abiejų kolegų darbo principas yra panašus, tarp jų yra keletas pastebimų skirtumų.

Fotodiodas gali būti vertinamas taip, kad jis veiktų daug didesniais, dešimčių megahercų dažnių diapazonais, o ne fototransistorius, kuris ribojamas tik keliais šimtais kilohercų.

Bazinio terminalo buvimas fototransistoriuje daro jį naudingesnį, palyginti su fotodiodu.

Fototransistorius gali būti paverstas veikiančiu kaip fotodiodas, sujungiant jo pagrindą su žeme, kaip parodyta žemiau, tačiau fotodiodas gali neturėti galimybės veikti kaip fototransistorius.

Kitas pagrindinio terminalo pranašumas yra tas, kad fototransistoriaus jautrumą galima pakeisti, įvedant potenciometrą visame prietaiso pagrindiniame spinduolyje, kaip parodyta kitame paveiksle.

Pagal aukščiau pateiktą išdėstymą prietaisas veikia kaip kintamo jautrumo fototransistorius, tačiau jei puodo R2 jungtys yra pašalintos, prietaisas veikia kaip įprastas fototransistorius, o jei R2 yra trumpas nuo žemės, tada prietaisas virsta fotodiodu.

Kreipimosi varžos pasirinkimas

Visose aukščiau pateiktose schemose R1 vertės pasirinkimas paprastai yra pusiausvyra tarp įtampos padidėjimo ir prietaiso pralaidumo atsako.

Padidėjus R1 vertei, įtampos padidėjimas didėja, bet naudingo pralaidumo diapazonas mažėja ir atvirkščiai.

Be to, R1 vertė turėtų būti tokia, kad prietaisai būtų priversti dirbti savo linijiniame regione. Tai galima padaryti su tam tikromis bandymais ir klaidomis.

Praktiškai, kai darbinė įtampa yra nuo 5 V iki 12 V, bet kurios vertės tarp 1K ir 10K paprastai pakanka kaip R1.

Darlingtono fototransistoriai

Tai yra panašu į įprastą darlingtono tranzistorius su savo vidine struktūra. Viduje jie yra pastatyti naudojant du tranzistorius, sujungtus vienas su kitu, kaip parodyta toliau pateiktame scheminiame simbolyje.

Fotodarlingtono tranzistoriaus jautrumo specifikacijos gali būti maždaug 10 kartų didesnės nei įprasto fototransistoriaus. Tačiau šių įrenginių darbo dažnis yra mažesnis nei įprastų tipų ir gali būti ribojamas tik maždaug 10 kilohercų.

Fotodiodinio fototransistoriaus taikymai

Geriausias fotodiodo ir fototransistoriaus taikymo pavyzdys gali būti šviesos bangos signalo imtuvai arba šviesolaidinių perdavimo linijų detektoriai.

Šviesos banga, einanti per optinį pluoštą, gali būti efektyviai moduliuojama naudojant analogines ar skaitmenines technologijas.

Fotodiodai ir fototransistoriai taip pat plačiai naudojami detektorių etapams gaminti optronai ir infraraudonųjų spindulių šviesos pertraukimo įtaisai ir įsibrovėlio aliarmo įtaisai.

Kuriant šias grandines, problema yra ta, kad šviesos jautrumas fotoelementams gali būti labai stiprus arba silpnas, be to, jie gali susidurti su išoriniais trikdžiais atsitiktinių matomų šviesų ar infraraudonųjų spindulių pavidalu.

Siekiant išspręsti šias problemas, šios taikymo grandinės paprastai valdomos optinėmis jungtimis, turinčiomis tam tikrą infraraudonųjų spindulių nešlio dažnį. Be to, imtuvo įvesties pusė yra sutvirtinta išankstiniu stiprintuvu, kad būtų galima patogiai aptikti net silpniausius optinius susiejimo signalus, todėl sistema gali turėti platų jautrumo diapazoną.

Šios dvi taikymo grandinės rodo, kaip a patikimas įgyvendinimas galima atlikti naudojant fotodiodus per 30 kHz nešlio moduliacijos dažnį.

Šitie yra selektyvaus išankstinio stiprintuvo fotodiodų pavojaus signalų grandinės ir atsakys į tam tikrą dažnių juostą, užtikrindamas nepriekaištingą sistemos veikimą.

Viršutinėje konstrukcijoje L1, C1 ir C2 filtruoja visus kitus dažnius, išskyrus numatytą 30 Hz dažnį iš infraraudonųjų spindulių optinio ryšio. Kai tik tai aptinkama, Q1 dar labiau sustiprina, ir jos išvestis tampa aktyvi signalizacijos sistemai skambinti.

Arba sistema gali būti naudojama aliarmui suaktyvinti, kai optinis ryšys nutrūksta. Tokiu atveju tranzistorius gali būti nuolat aktyvus per 30 Hz IR fokusavimą į fototransistorių. Tada tranzistoriaus išvestis gali būti apversta naudojant kitą NPN pakopą, kad 30 Hz IR spindulio pertraukimas išjungtų Q1 ir įjungia antrąjį NPN tranzistorių. Šis antrasis tranzistorius turi būti integruotas per 10uF kondensatorių iš Q2 kolektoriaus viršutinėje grandinėje.

Apatinės grandinės veikimas yra panašus į tranzistorinę versiją, išskyrus šios programos dažnių diapazoną, kuris yra 20 kHz. Tai taip pat yra selektyvi išankstinio stiprintuvo aptikimo sistema, pritaikyta aptikti IR signalus, kurių moduliacijos dažnis yra 20 kHz.

Tol, kol IR spindulys, sureguliuotas 20 kHz dažniu, išlieka sutelktas į fotodiodą, jis sukuria didesnį potencialą ant op ampero invertuojančio įvesties kaiščio2, kuris viršija potencialo skirstytuvo išėjimą neveikiančiame op amp stiprintuve. Tai lemia, kad išėjimo stiprintuvo išvesties RMS yra beveik nulis.

Tačiau tuo momentu, kai pluoštas nutrūksta, staiga sumažėja potencialas kaištyje2 ir padidėja potencialas prie kaiščio 3. Tai akimirksniu padidina RMS įtampą veikiančio stiprintuvo išėjime, įjungiančiame prijungtą apsaugos sistema .

C1 ir R1 yra naudojami norint apeiti bet kokį nepageidaujamą signalą į žemę.

Naudojami du fotodiodai D1 ir D2, kad sistema įsijungtų tik tada, kai IR signalai vienu metu nutraukiami D1 ir D2. Idėja gali būti naudojama tose vietose, kur reikia nujausti tik ilgus vertikalius taikinius, tokius kaip žmonės, o trumpesniems taikiniams, pavyzdžiui, gyvūnams, leidžiama laisvai praeiti.

Norėdami tai įgyvendinti, D1 ir D2 turi būti sumontuoti vertikaliai ir lygiagrečiai vienas kitam, kur D1 gali būti pastatytas pėdomis virš žemės, o D2 tiesiomis linijomis - apie 3 pėdas virš D1.