Fotodiode, fototransistor - werk- en toepassingscircuits

Fotodiodes en fototransistoren zijn halfgeleidercomponenten waarvan de p-n halfgeleiderovergang wordt blootgesteld aan licht door een transparante afdekking, zodat extern licht kan reageren en een elektrische geleiding door het verbindingspunt kan forceren.

Hoe fotodiodes werken

Een fotodiode is net als een gewone halfgeleiderdiode (voorbeeld 1N4148) bestaande uit een p-n-overgang, maar deze overgang wordt door een transparant lichaam blootgesteld aan licht.

De werking ervan kan worden begrepen door een standaard siliciumdiode voor te stellen die in tegengestelde richting over een voedingsbron is aangesloten, zoals hieronder wordt weergegeven.

In deze toestand vloeit er geen stroom door de diode, behalve een zeer kleine lekstroom.

Stel dat we dezelfde diode hebben waarvan de buitenste ondoorzichtige afdekking is afgeschraapt of verwijderd en is verbonden met een omgekeerde voorspanningstoevoer. Hierdoor wordt de PN-overgang van de diode aan licht blootgesteld en zal er onmiddellijk stroom doorheen gaan als reactie op het invallende licht.

Dit kan resulteren in een stroom van wel 1 mA door de diode, waardoor een stijgende spanning over R1 ontstaat.

De fotodiode in de bovenstaande afbeelding kan ook aan de grondzijde worden aangesloten, zoals hieronder weergegeven. Dit zal een tegengestelde respons produceren, wat resulteert in een afnemende spanning over R1 wanneer de fotodiode wordt verlicht met extern licht.

De werking van alle op P-N-junctie gebaseerde apparaten is vergelijkbaar en vertonen fotogeleiding bij blootstelling aan licht.

Het schematische symbool van een fotodiode is hieronder te zien.

Vergeleken met fotocellen van cadmiumsulfide of cadmiumselenide zoals LDR's zijn fotodiodes over het algemeen minder gevoelig voor licht, maar reageren ze veel sneller op lichtveranderingen.

Om deze reden worden fotocellen zoals LDR's over het algemeen gebruikt in toepassingen met zichtbaar licht en waar de responstijd niet snel hoeft te zijn. Aan de andere kant worden fotodiodes specifiek geselecteerd in toepassingen die snelle detectie van lichten vereisen, meestal in het infraroodgebied.

Fotodiodes vind je in systemen zoals infrarood afstandsbedieningscircuits , straalonderbrekingsrelais en inbraakalarm circuits ​

Er is een andere variant van fotodiode die loodsulfide (PbS) gebruikt en hun werkingskarakteristiek lijkt sterk op die van LDR's, maar is ontworpen om alleen te reageren op de infraroodlampen.

Fototransistors

De volgende afbeelding toont het schematische symbool van een fototransistor

De fototransistor heeft in het algemeen de vorm van een bipolaire NPN-siliciumtransistor ingekapseld in een deksel met een transparante opening.

Het werkt door het licht de PN-overgang van het apparaat te laten bereiken via de transparante opening. Het licht reageert met de blootgestelde PN-overgang van het apparaat, waardoor de fotogeleidende werking wordt geïnitieerd.

Een fototransistor is meestal geconfigureerd met de basispen niet aangesloten, zoals weergegeven in de volgende twee circuits.

In de linkerfiguur zorgt de verbinding ervoor dat de fototransistor in de omgekeerde bias-situatie verkeert, zodat deze nu werkt als een fotodiode.

Hier wordt de stroom die wordt gegenereerd als gevolg van licht over de basiscollectoraansluitingen van het apparaat direct teruggevoerd naar de basis van het apparaat, wat resulteert in de normale stroomversterking en de stroom die wegvloeit als de uitvoer van de collectoraansluiting van het apparaat.

Deze versterkte stroom zorgt ervoor dat een evenredige hoeveelheid spanning ontstaat over de weerstand R1.

Fototransistors kunnen identieke hoeveelheden stroom vertonen bij hun collector- en emitterpennen, vanwege een open basisverbinding, en dit voorkomt dat het apparaat een negatieve feedback krijgt.

Als gevolg van deze functie, als de fototransistor is aangesloten zoals aan de rechterkant van de bovenstaande afbeelding met R1 over de emitter en aarde, is het resultaat precies hetzelfde als voor de configuratie aan de linkerkant. Dit betekent voor beide configuraties dat de spanning die wordt ontwikkeld over R1 als gevolg van fototransistorgeleiding vergelijkbaar is.

Verschil tussen fotodiode en fototransistor

Hoewel het werkingsprincipe vergelijkbaar is voor de twee tegenhangers, zijn er een paar opvallende verschillen tussen beide.

Een fotodiode kan worden beoordeeld om te werken met veel hogere frequenties in het bereik van tientallen megahertz, in tegenstelling tot een fototransistor die beperkt is tot slechts een paar honderd kilohertz.

De aanwezigheid van de basisterminal in een fototransistor maakt deze voordeliger in vergelijking met een fotodiode.

Een fototransistor kan worden omgezet om te werken als een fotodiode door de basis met aarde te verbinden, zoals hieronder wordt weergegeven, maar een fotodiode heeft mogelijk niet het vermogen om te werken als een fototransistor.

Een ander voordeel van de basisterminal is dat de gevoeligheid van een fototransistor variabel kan worden gemaakt door een potentiometer over de basiszender van het apparaat te plaatsen, zoals weergegeven in de volgende afbeelding.

In de bovenstaande opstelling werkt het apparaat als een fototransistor met variabele gevoeligheid, maar als de pot R2-aansluitingen worden verwijderd, werkt het apparaat als een normale fototransistor, en als R2 wordt kortgesloten naar aarde, verandert het apparaat in een fotodiode.

De voorspanningsweerstand selecteren

In alle hierboven getoonde schakelschema's is de selectie van de R1-waarde meestal een balans tussen spanningsversterking en bandbreedterespons van het apparaat.

Naarmate de waarde van R1 wordt verhoogd, neemt de spanningsversterking toe, maar neemt het bruikbare bandbreedtebereik af, en vice versa.

Bovendien moet de waarde van R1 zodanig zijn dat de apparaten worden gedwongen om in hun lineaire gebied te werken. Dit kan worden gedaan met wat vallen en opstaan.

Praktisch voor bedrijfsspanningen van 5V en 12V is elke waarde tussen 1K en 10K meestal voldoende als R1.

Fototransistoren van Darlington

Deze zijn vergelijkbaar met normaal Darlington-transistor met hun interne structuur. Intern zijn deze gebouwd met behulp van twee transistors die met elkaar zijn gekoppeld, zoals weergegeven in het volgende schematische symbool.

De gevoeligheidsspecificaties van een photodarlington-transistor kunnen ongeveer 10 keer hoger zijn dan die van een normale fototransistor. De werkfrequentie van deze eenheden is echter lager dan die van de normale typen, en is mogelijk beperkt tot slechts enkele tientallen kilohertz.

Fotodiode Fototransistortoepassingen

Het beste voorbeeld van fotodiode- en fototransistortoepassing kan zijn in het veld van lightwave signaalontvangers of detectoren in transmissielijnen van optische vezels.

De lichtgolf die via een optische vezel passeert, kan effectief worden gemoduleerd door zowel analoge als digitale technieken.

Fotodiodes en fototransistoren worden ook veel gebruikt om detectoren in te zetten optocouplers en infrarood lichtstraalonderbrekers en inbraakalarmgadgets.

Het probleem bij het ontwerpen van deze schakelingen is dat de intensiteit van het licht dat op de fotogevoelige apparaten valt, erg sterk of zwak kan zijn, en ook deze kunnen externe storingen tegenkomen in de vorm van willekeurig zichtbaar licht of infraroodinterferentie.

Om deze problemen tegen te gaan, worden deze toepassingsschakelingen normaal gesproken bediend met optische verbindingen met een specifieke infrarood draaggolffrequentie. Bovendien is de ingangszijde van de ontvanger versterkt met een voorversterker, zodat zelfs de zwakste optische koppelingssignalen comfortabel worden gedetecteerd, waardoor het systeem een ​​breed gevoeligheidsbereik heeft.

De volgende twee applicatiecircuits laten zien hoe a waterdichte implementatie kan worden gedaan met behulp van fotodiodes tot een modulatiefrequentie van 30 kHz.

Dit zijn selectieve voorversterker gebaseerde fotodiode alarmcircuits , en zal reageren op een specifieke frequentieband, waardoor een waterdichte werking van het systeem wordt gegarandeerd.

In het bovenste ontwerp filteren L1, C1 en C2 alle andere frequenties uit, behalve de beoogde 30 Hz-frequentie van een infrarood optische link. Zodra dit wordt gedetecteerd, wordt het verder versterkt door Q1 en wordt de uitgang actief voor het laten klinken van een alarmsysteem.

Als alternatief zou het systeem kunnen worden gebruikt voor het activeren van een alarm wanneer de optische verbinding wordt verbroken. In dit geval kan de transistor permanent actief worden gehouden door een 30 Hz IR-focus op de fototransistor. Vervolgens kan de output van de transistor worden omgekeerd met een andere NPN-trap, zodat een onderbreking in de 30 Hz IR-straal Q1 uitschakelt en zet de tweede NPN-transistor AAN. Deze tweede transistor moet via een condensator van 10uF uit de collector van Q2 in het bovenste circuit worden geïntegreerd.

De werking van het lagere circuit is vergelijkbaar met de transistorversie, behalve het frequentiebereik dat 20 kHz is voor deze toepassing. Het is ook een selectief voorversterkerdetectiesysteem dat is afgestemd om IR-signalen met een modulatiefrequentie van 20 kHz te detecteren.

Zolang een IR-straal afgestemd op 20 kHz gefocust blijft op de fotodiode, creëert deze een hoger potentieel op de inverterende ingangspen2 van de opamp die de potentiaalverdeleruitgang op de niet-inverterende pin van de opamp overschrijdt. Dit zorgt ervoor dat de uitvoer RMS van de opamp bijna nul is.

Het moment waarop de straal echter wordt onderbroken, veroorzaakt een plotselinge daling van het potentiaal op pin2 en een toename van het potentieel op pin3. Dit verhoogt onmiddellijk de RMS-spanning aan de uitgang van de opamp die de aangesloten activeert alarmsysteem ​

C1 en R1 worden gebruikt om elk ongewenst signaal naar aarde te omzeilen.

Er worden twee fotodiodes D1 en D2 gebruikt, zodat het systeem alleen wordt geactiveerd wanneer de IR-signalen tegelijkertijd over D1 en D2 worden onderbroken. Het idee kan worden gebruikt op plaatsen waar alleen lange verticale doelen zoals mensen moeten worden gedetecteerd, terwijl de kortere doelen zoals dieren vrij kunnen passeren.

Om dit te implementeren moeten D1 en D2 verticaal en parallel aan elkaar worden geïnstalleerd, waarbij D1 een meter boven de grond kan worden geplaatst en D2 ongeveer een meter boven D1 in een rechte lijn.