Фотодиодите и фототранзисторите са полупроводникови устройства, които имат своя p-n полупроводниково съединение, изложено на светлина през прозрачен капак, така че външната светлина може да реагира и да наложи електрическа проводимост през кръстовището.
Как работят фотодиодите
Фотодиодът е точно като обикновен полупроводников диод (пример 1N4148), състоящ се от p-n преход, но има този преход, изложен на светлина през прозрачно тяло.
Неговата работа може да се разбере, като си представим стандартен силициев диод, свързан по обратен пристрастен начин през източник на захранване, както е показано по-долу.
В това състояние през диода не протича ток, освен някои много малки токове на утечка.
Да предположим обаче, че имаме същия диод, чийто външен непрозрачен капак е изстърган или отстранен и свързан с обратно подаване на отклонение. Това ще изложи PN кръстовището на диода на светлина и ще има мигновено протичане на ток през него, в отговор на падащата светлина.
Това може да доведе до ток до 1 mA през диода, причинявайки нарастващо напрежение в R1.
Фотодиодът на горната фигура може да бъде свързан и от земята, както е показано по-долу. Това ще доведе до противоположен отговор, в резултат на което намалява напрежението в R1, когато фотодиодът се осветява с външна светлина.
Работата на всички базирани на P-N съединения устройства е подобна и ще показва фотопроводимост, когато е изложена на светлина.
Схематичният символ на фотодиод може да се види по-долу.
В сравнение с фотоклетките на кадмий-сулфид или кадмий-селенид като LDR , фотодиодите обикновено са по-малко чувствителни към светлина, но реакцията им на промени в светлината е много по-бърза.
Поради тази причина фотоклетките като LDR обикновено се използват в приложения, които включват видима светлина и където времето за реакция не трябва да бъде бързо. От друга страна, фотодиодите са специално подбрани в приложения, които изискват бързо откриване на светлини най-вече в инфрачервената област.
Ще намерите фотодиоди в системи като инфрачервени вериги за дистанционно управление , релета за прекъсване на лъча и алармени вериги за нарушители .
Има и друг вариант на фотодиод, който използва оловно-сулфиден (PbS) и там работната характеристика е доста подобна на LDR, но е проектирана да реагира само на инфрачервените светлини.
Фототранзистори
Следващото изображение показва схематичния символ на фототранзистор
Фототранзисторът обикновено е под формата на биполярен NPN силициев транзистор, капсулиран в капак с прозрачен отвор.
Той работи, като позволява на светлината да достигне PN кръстовището на устройството през прозрачния отвор. Светлината реагира с открития PN преход на устройството, инициирайки фотопроводимостта.
Фототранзисторът е конфигуриран предимно с основния щифт, несвързан, както е показано в следващите две вериги.
В лявата фигура връзката ефективно кара фототранзисторът да е в положение на обратното отклонение, така че сега работи като фотодиод.
Тук токът, генериран от светлина през базовите колекторни клеми на устройството, се подава директно обратно към основата на устройството, което води до нормално усилване на тока и токът изтича като изход от колекторния терминал на устройството.
Този усилен ток води до развитие на пропорционално количество напрежение през резистора R1.
Фототранзисторите могат да показват еднакво количество ток на своите колекторни и емитерни щифтове поради отворена базова връзка и това предотвратява отрицателната обратна връзка на устройството.
Поради тази функция, ако фототранзисторът е свързан, както е показано в дясната страна на горната фигура с R1 през емитер и земя, резултатът е точно идентичен, както беше при конфигурацията от лявата страна. Значение и за двете конфигурации, напрежението, развито в R1 поради фототранзисторната проводимост, е подобно.
Разлика между фотодиод и фототранзистор
Въпреки че принципът на работа е сходен за двамата колеги, има няколко забележими разлики между тях.
Фотодиодът може да бъде класиран да работи с много по-високи честоти в диапазона от десетки мегагерци, за разлика от фототранзистора, който е ограничен само до няколкостотин килогерца.
Наличието на основния терминал във фототранзистора го прави по-изгоден в сравнение с фотодиода.
Фототранзисторът може да бъде преобразуван да работи като фотодиод чрез свързване на основата му със земята, както е показано по-долу, но фотодиодът може да няма способността да работи като фототранзистор.
Друго предимство на базовия терминал е, че чувствителността на фототранзистора може да бъде променлива чрез въвеждане на потенциометър през базовия излъчвател на устройството, както е показано на следващата фигура.
В горното подреждане устройството работи като фототранзистор с променлива чувствителност, но ако връзките R2 на гърнето са премахнати, устройството действа като нормален фототранзистор и ако R2 е късо на земята, тогава устройството се превръща във фотодиод.
Избор на отклоняващ резистор
Във всички схеми, показани по-горе, изборът на стойност R1 обикновено е баланс между усилването на напрежението и честотната лента на устройството.
С увеличаване на стойността на R1 усилването на напрежението се увеличава, но полезният диапазон на работната честотна лента намалява и обратно.
Освен това стойността на R1 трябва да бъде такава, че устройствата да бъдат принудени да работят в линейната си област. Това може да се направи с някои проби и грешки.
Практически за работни напрежения от 5V и 12V всяка стойност между 1K и 10K обикновено е достатъчна като R1.
Датлингтън фототранзистори
Те са подобни на нормалните транзистор от Дарлингтън с тяхната вътрешна структура. Вътрешно те са изградени с помощта на два транзистора, свързани помежду си, както е показано на следващия схематичен символ.
Спецификациите за чувствителност на фотодатърлингтонов транзистор могат да бъдат приблизително 10 пъти по-високи от тези на нормален фототранзистор. Въпреки това, работната честота на тези устройства е по-ниска от нормалните типове и може да бъде ограничена до само около 10s килогерца.
Фотодиодни фототранзисторни приложения
Най-добрият пример за приложение на фотодиод и фототранзистор може да бъде в областта на приемници на светлинни вълни или детектори в оптични влакови линии.
Светлинната вълна, преминаваща през оптично влакно, може да бъде ефективно модулирана както чрез аналогови, така и чрез цифрови техники.
Фотодиодите и фототранзисторите също се използват широко за създаване на етапи на детектори в оптрони и устройства за прекъсване на инфрачервения светлинен лъч и приспособления за аларма за нарушители.
Проблемът при проектирането на тези схеми е, че интензивността на светлината, падаща върху фоточувствителните устройства, може да бъде много силна или слаба, а също така те могат да срещнат външни смущения под формата на случайни видими светлини или инфрачервени смущения.
За да се противопоставят на тези проблеми, тези схеми на приложение обикновено се експлоатират с оптични връзки със специфична инфрачервена носеща честота. Освен това входната страна на приемника е подсилена с предусилвател, така че дори най-слабият от оптичните свързващи сигнали да се разпознава удобно, позволявайки на системата с широк диапазон на чувствителност.
Следващите две схеми за приложения показват как a безпроблемно изпълнение може да се направи с помощта на фотодиоди през 30 kHz носеща честота на модулация.
Това са алармени вериги за фотодиод на базата на селективен предусилвател и ще реагира на определена честотна лента, осигурявайки надеждна работа на системата.
В горния дизайн L1, C1 и C2 филтрират всички други честоти с изключение на предвидената честота 30 Hz от инфрачервена оптична връзка. Веднага щом това бъде открито, то се усилва допълнително от Q1 и изходът му става активен за озвучаване на алармена система.
Алтернативно, системата може да се използва за активиране на аларма при прекъсване на оптичната връзка. В този случай транзисторът може да се поддържа постоянно активен чрез 30 Hz IR фокус върху фототранзистора. След това изходът от транзистора може да се обърне, използвайки друг NPN етап, така че, прекъсване в 30 Hz IR лъч, изключва Q1 и ВКЛЮЧВА втория NPN транзистор. Този втори транзистор трябва да се интегрира през кондензатор 10uF от колектора на Q2 в горната верига.
Функционирането на долната верига е подобно на транзисторизираната версия, с изключение на честотния диапазон, който е 20 kHz за това приложение. Също така е селективна система за откриване на предусилвател, настроена да открива IR сигнали с честота на модулация 20 kHz.
Докато IR лъчът, настроен на 20 kHz, остава фокусиран върху фотодиода, той създава по-висок потенциал на инвертиращия входен щифт2 на операционния усилвател, което надвишава потенциалния делител на изхода на неинвертиращия щифт на операционния усилвател. Това води до изходното RMS от операционния усилвател да е близо до нула.
Обаче в момента, в който лъчът е прекъснат, причинява внезапен спад на потенциала на щифта2 и увеличаване на потенциала на щифт3. Това незабавно повишава RMS напрежението на изхода на операционния усилвател, активирайки свързания алармена система .
C1 и R1 се използват за байпас на всеки нежелан сигнал към земята.
Използват се два фотодиода D1 и D2, така че системата се активира само когато IR сигналите са прекъснати едновременно през D1 и D2. Идеята може да се използва на места, където се изискват само дълги вертикални цели като хората, докато по-късите цели като животни могат да се оставят да преминават свободно.
За да се приложат тези D1 и D2 трябва да бъдат инсталирани вертикално и успоредно един на друг, като D1 може да бъде поставен на фута над земята, а D2 на около 3 фута над D1 в права линия.
Предишна: Предупредителна верига за лед за автомобили Следваща: Верига за звуков симулатор на смях
