Photodiode, Phototransistor - Κυκλώματα εργασίας και εφαρμογής

Οι φωτοδίοδοι και οι φωτοτρανζίστορ είναι συσκευές ημιαγωγών που έχουν τη σύνδεση ημιαγωγών p-n τους εκτεθειμένες στο φως μέσω ενός διαφανούς καλύμματος, έτσι ώστε το εξωτερικό φως να μπορεί να αντιδράσει και να αναγκάσει μια ηλεκτρική αγωγή μέσω της διασταύρωσης.

Πώς λειτουργούν οι φωτοδιόδους

Μια φωτοδίοδος είναι σαν μια κανονική δίοδος ημιαγωγού (παράδειγμα 1N4148) που αποτελείται από μια σύνδεση p-n, αλλά έχει αυτή τη διασταύρωση εκτεθειμένη στο φως μέσω ενός διαφανούς σώματος.

Η λειτουργία του μπορεί να γίνει κατανοητή φανταζόμενη μια τυπική δίοδο πυριτίου συνδεδεμένη με αντίστροφη μεροληψία σε μια πηγή τροφοδοσίας όπως φαίνεται παρακάτω.

Σε αυτήν την κατάσταση, κανένα ρεύμα δεν ρέει μέσω της διόδου εκτός από κάποιο πολύ μικρό ρεύμα διαρροής.

Ωστόσο, ας υποθέσουμε ότι έχουμε την ίδια δίοδο με το εξωτερικό αδιαφανές κάλυμμα της που ξύνεται ή αφαιρείται και συνδέεται με μια αντίστροφη παροχή πόλωσης. Αυτό θα εκθέσει τη διασταύρωση PN της διόδου στο φως και θα υπάρξει μια στιγμιαία ροή ρεύματος μέσω αυτής, ως απόκριση στο προσπίπτον φως.

Αυτό μπορεί να οδηγήσει σε ρεύμα έως και 1 mA μέσω της διόδου, προκαλώντας την ανάπτυξη μιας αυξανόμενης τάσης στο R1.

Η φωτοδίοδος στο παραπάνω σχήμα μπορεί επίσης να συνδεθεί στην πλευρά του εδάφους όπως φαίνεται παρακάτω. Αυτό θα παράγει μια αντίθετη απόκριση, με αποτέλεσμα μείωση της τάσης κατά μήκος του R1, όταν η φωτοδίοδος φωτίζεται με εξωτερικό φως.

Η λειτουργία όλων των συσκευών που βασίζονται σε διασταύρωση P-N είναι παρόμοια και θα εμφανίζει φωτοαγωγιμότητα όταν εκτίθεται σε φως.

Το σχηματικό σύμβολο μιας φωτοδιόδου φαίνεται παρακάτω.

Σε σύγκριση με φωτοκύτταρα καδμίου-σουλφιδίου ή καδμίου-σεληνιδίου όπως τα LDR , οι φωτοδίοδοι είναι γενικά λιγότερο ευαίσθητες στο φως, αλλά η απόκρισή τους στις αλλαγές φωτός είναι πολύ ταχύτερη.

Λόγω αυτού του λόγου, τα φωτοκύτταρα όπως τα LDR χρησιμοποιούνται γενικά σε εφαρμογές που περιλαμβάνουν ορατό φως και όπου ο χρόνος απόκρισης δεν χρειάζεται να είναι γρήγορος. Από την άλλη πλευρά, οι φωτοδίοδοι επιλέγονται ειδικά σε εφαρμογές που απαιτούν γρήγορη ανίχνευση φώτων κυρίως στην υπέρυθρη περιοχή.

Θα βρείτε φωτοδιόδους σε συστήματα όπως κυκλώματα τηλεχειριστηρίου υπερύθρων , ρελέ διακοπής δέσμης και κυκλώματα συναγερμού εισβολέα .

Υπάρχει μια άλλη παραλλαγή της φωτοδιόδου που χρησιμοποιεί μόλυβδο-σουλφίδιο (PbS) και εκεί το λειτουργικό χαρακτηριστικό είναι αρκετά παρόμοιο με τα LDR, αλλά έχουν σχεδιαστεί για να ανταποκρίνονται μόνο στα φώτα υπερύθρων.

Φωτομετατροπείς

Η παρακάτω εικόνα δείχνει το σχηματικό σύμβολο ενός φωτοτρανζίστορ

Το φωτοτρανζίστορ έχει γενικά τη μορφή διπολικού τρανζίστορ πυριτίου NPN εγκλεισμένο σε κάλυμμα με διαφανές άνοιγμα.

Λειτουργεί επιτρέποντας στο φως να φτάσει στη διασταύρωση PN της συσκευής μέσω του διαφανούς ανοίγματος. Το φως αντιδρά με την εκτεθειμένη σύνδεση PN της συσκευής, ξεκινώντας τη δράση της φωτοαγωγιμότητας.

Ένα φωτοτρανζίστορ έχει διαμορφωθεί ως επί το πλείστον με τον ακροδέκτη βάσης του που δεν είναι συνδεδεμένος όπως φαίνεται στα ακόλουθα δύο κυκλώματα.

Στην εικόνα της αριστερής πλευράς η σύνδεση προκαλεί αποτελεσματικά τη φωτοτρανζίστορ σε κατάσταση αντίστροφης μεροληψίας, έτσι ώστε να λειτουργεί τώρα σαν μια φωτοδίοδος.

Εδώ, το ρεύμα που παράγεται λόγω φωτός στους ακροδέκτες συλλέκτη βάσης της συσκευής τροφοδοτείται απευθείας πίσω στη βάση της συσκευής, με αποτέλεσμα την κανονική ενίσχυση ρεύματος και το ρεύμα να ρέει ως έξοδος από τον ακροδέκτη συλλέκτη της συσκευής.

Αυτό το ενισχυμένο ρεύμα προκαλεί την ανάπτυξη αναλογικής ποσότητας τάσης κατά μήκος της αντίστασης R1.

Οι φωτοτρανζίστορ ενδέχεται να εμφανίζουν πανομοιότυπες ποσότητες ρεύματος στους ακροδέκτες συλλέκτη και εκπομπού τους, λόγω μιας σύνδεσης ανοιχτής βάσης, και αυτό αποτρέπει τη συσκευή από αρνητικά σχόλια.

Λόγω αυτού του χαρακτηριστικού, εάν ο φωτοτρανζίστορ είναι συνδεδεμένος όπως φαίνεται στη δεξιά πλευρά του παραπάνω σχήματος με το R1 απέναντι από τον πομπό και τη γείωση, το αποτέλεσμα είναι ακριβώς το ίδιο με εκείνο που είχε για τη διαμόρφωση της αριστερής πλευράς. Σημασία και για τις δύο διαμορφώσεις, η τάση που αναπτύχθηκε κατά μήκος του R1 λόγω της αγωγιμότητας φωτοτρανζίστορ είναι παρόμοια.

Διαφορά μεταξύ Photodiode και Phototransistor

Αν και η αρχή λειτουργίας είναι παρόμοια για τους δύο ομολόγους, υπάρχουν μερικές αξιοσημείωτες διαφορές μεταξύ τους.

Μια φωτοδίοδος μπορεί να βαθμολογηθεί ώστε να λειτουργεί με πολύ υψηλότερες συχνότητες στο εύρος των δεκάδων megahertz, σε αντίθεση με ένα φωτοτρανζίστορ που περιορίζεται μόνο σε μερικές εκατοντάδες kilohertz.

Η παρουσία του τερματικού βάσης σε έναν φωτοτρανζίστορ το καθιστά πιο πλεονεκτικό σε σύγκριση με μια φωτοδίοδο.

Ένα φωτοτρανζίστορ μπορεί να μετατραπεί σε εργασία σαν μια φωτοδίοδο συνδέοντας τη βάση του με το έδαφος όπως φαίνεται παρακάτω, αλλά μια φωτοδίοδος μπορεί να μην έχει την ικανότητα να λειτουργεί σαν φωτοτρανζίστορ.

Ένα άλλο πλεονέκτημα του τερματικού βάσης είναι ότι η ευαισθησία ενός φωτοτρανζίστορ μπορεί να μεταβληθεί εισάγοντας ένα ποτενσιόμετρο κατά μήκος του πομπού βάσης της συσκευής όπως φαίνεται στο ακόλουθο σχήμα.

Στην παραπάνω διάταξη, η συσκευή λειτουργεί σαν φωτοτρανζίστορ μεταβλητής ευαισθησίας, αλλά εάν αφαιρεθούν οι συνδέσεις του δοχείου R2, η συσκευή ενεργεί σαν ένα κανονικό φωτοτρανζίστορ και εάν το R2 βραχυκυκλωθεί στη γείωση, τότε η συσκευή μετατρέπεται σε φωτοδίοδο.

Επιλογή της αντίστασης πόλωσης

Σε όλα τα διαγράμματα κυκλώματος που εμφανίζονται παραπάνω, η επιλογή της τιμής R1 είναι συνήθως μια ισορροπία μεταξύ της απόδοσης τάσης και της απόκρισης εύρους ζώνης της συσκευής.

Καθώς αυξάνεται η τιμή του R1, το κέρδος τάσης αυξάνεται αλλά το εύρος εύρους εύρους ζώνης λειτουργίας μειώνεται και το αντίστροφο.

Επιπλέον, η τιμή του R1 πρέπει να είναι τέτοια ώστε οι συσκευές να αναγκάζονται να λειτουργούν στη γραμμική τους περιοχή. Αυτό μπορεί να γίνει με κάποια δοκιμή και σφάλμα.

Πρακτικά για τάσεις λειτουργίας από 5V και 12V οποιαδήποτε τιμή μεταξύ 1K και 10K είναι συνήθως επαρκής ως R1.

Φωτομετατροπείς Darlington

Αυτά είναι παρόμοια με ένα κανονικό τρανζίστορ darlington με την εσωτερική τους δομή. Εσωτερικά κατασκευάζονται χρησιμοποιώντας δύο τρανζίστορ που συνδέονται μεταξύ τους όπως φαίνεται στο ακόλουθο σχηματικό σύμβολο.

Οι προδιαγραφές ευαισθησίας ενός τρανζίστορ φωτοδέρλινγκτον μπορεί να είναι περίπου 10 φορές υψηλότερες από εκείνες ενός κανονικού φωτοτρανζίστορ. Ωστόσο, η συχνότητα λειτουργίας αυτών των μονάδων είναι χαμηλότερη από τους κανονικούς τύπους και μπορεί να περιορίζεται μόνο σε περίπου 10 δευτερόλεπτα kilohertz.

Εφαρμογές φωτοδιαβιβαστών φωτοδιόδου

Το καλύτερο παράδειγμα εφαρμογής φωτοδίοδος και φωτοαντίστασης μπορεί να είναι στο πεδίο του δέκτες σήματος lightwave ή ανιχνευτές σε γραμμές μετάδοσης οπτικών ινών.

Το φως που περνά μέσω οπτικής ίνας μπορεί να διαμορφωθεί αποτελεσματικά τόσο μέσω αναλογικών όσο και ψηφιακών τεχνικών.

Οι φωτοδίοδοι και οι φωτοτρανζίστορ χρησιμοποιούνται επίσης ευρέως για την κατασκευή ανιχνευτών σταδίων συσκευές διακοπής οπτικών ζεύξεων και υπέρυθρων ακτίνων και συσκευές συναγερμού εισβολέα.

Το πρόβλημα κατά το σχεδιασμό αυτών των κυκλωμάτων είναι ότι, η ένταση του φωτός που πέφτει στις φωτοευαίσθητες συσκευές μπορεί να είναι πολύ ισχυρή ή ασθενής, και επίσης αυτές μπορεί να αντιμετωπίσουν εξωτερικές διαταραχές με τη μορφή τυχαίων ορατών φώτων ή υπέρυθρων παρεμβολών.

Για την αντιμετώπιση αυτών των προβλημάτων, αυτά τα κυκλώματα εφαρμογής λειτουργούν κανονικά με οπτικούς συνδέσμους που έχουν συγκεκριμένη συχνότητα φορέα υπερύθρων. Επιπλέον, η πλευρά εισόδου του δέκτη ενισχύεται με έναν προενισχυτή έτσι ώστε ακόμη και τα πιο αδύναμα από τα οπτικά σήματα σύνδεσης να ανιχνεύονται άνετα, επιτρέποντας στο σύστημα με ένα ευρύ φάσμα ευαισθησίας.

Τα ακόλουθα δύο κυκλώματα εφαρμογών δείχνουν πώς a ανόητη εφαρμογή μπορεί να γίνει χρησιμοποιώντας φωτοδιόδους μέσω συχνότητας διαμόρφωσης φορέα 30 kHz.

Αυτά είναι επιλεκτικά κυκλώματα συναγερμού φωτοδιόδου με βάση τον προενισχυτή , και θα ανταποκριθεί σε μια συγκεκριμένη ζώνη συχνοτήτων, διασφαλίζοντας μια απρόσβλητη λειτουργία του συστήματος.

Στην άνω σχεδίαση, τα L1, C1 και C2 φιλτράρουν όλες τις άλλες συχνότητες εκτός από την προβλεπόμενη συχνότητα 30 Hz από μια υπέρυθρη οπτική σύνδεση. Μόλις αυτό ανιχνευθεί, ενισχύεται περαιτέρω από το Q1 και η έξοδος του ενεργοποιείται για τον ήχο ενός συστήματος συναγερμού.

Εναλλακτικά, το σύστημα θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για την ενεργοποίηση ενός συναγερμού όταν διακόπτεται η οπτική σύνδεση. Σε αυτήν την περίπτωση το τρανζίστορ μπορεί να παραμείνει ενεργό μόνιμα μέσω εστίασης IR 30 Hz στο φωτοτρανζίστορ. Στη συνέχεια, η έξοδος από το τρανζίστορ θα μπορούσε να αντιστραφεί χρησιμοποιώντας άλλο στάδιο NPN έτσι ώστε, μια διακοπή στη δέσμη IR 30 Hz, να απενεργοποιήσει το Q1 και ανάβει το δεύτερο τρανζίστορ NPN. Αυτό το δεύτερο τρανζίστορ πρέπει να ενσωματωθεί μέσω πυκνωτή 10uF από τον συλλέκτη του Q2 στο άνω κύκλωμα.

Η λειτουργία του κατώτερου κυκλώματος είναι παρόμοια με την τρανζίστορ έκδοση εκτός από το εύρος συχνοτήτων που είναι 20 kHz για αυτήν την εφαρμογή. Είναι επίσης ένα επιλεκτικό σύστημα ανίχνευσης προενισχυτή συντονισμένο για την ανίχνευση σημάτων IR με συχνότητα διαμόρφωσης 20 kHz.

Εφόσον μια δέσμη IR συντονισμένη στα 20 kHz παραμένει εστιασμένη στη φωτοδίοδο, δημιουργεί υψηλότερο δυναμικό στον αντιστρεπτό ακροδέκτη 2 του op amp που υπερβαίνει την πιθανή έξοδο διαχωριστή στον μη αναστρέψιμο πείρο του ενισχυτή. Αυτό προκαλεί την έξοδο RMS από το op amp να είναι σχεδόν μηδέν.

Ωστόσο, τη στιγμή που διακόπτεται η δέσμη, προκαλεί ξαφνική πτώση δυναμικού στο pin2 και αύξηση δυναμικού στο pin3. Αυτό αυξάνει αμέσως την τάση RMS στην έξοδο του op amp ενεργοποιώντας το συνδεδεμένο σύστημα συναγερμού .

Τα C1 και R1 χρησιμοποιούνται για να παρακάμψουν οποιοδήποτε ανεπιθύμητο σήμα στη γείωση.

Χρησιμοποιούνται δύο φωτοδίοδοι D1 και D2 έτσι ώστε το σύστημα να ενεργοποιείται μόνο όταν τα σήματα IR διακόπτονται ταυτόχρονα μεταξύ των D1 και D2. Η ιδέα μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε μέρη όπου απαιτούνται μόνο αισθητοί μεγάλοι κάθετοι στόχοι όπως οι άνθρωποι, ενώ οι μικρότεροι στόχοι όπως τα ζώα μπορούν να επιτρέπεται να περνούν ελεύθερα.

Για την υλοποίηση αυτού του D1 και D2 πρέπει να εγκαθίστανται κάθετα και παράλληλα μεταξύ τους, όπου το D1 μπορεί να τοποθετηθεί ένα πόδι πάνω από το έδαφος, και το D2 περίπου 3 πόδια πάνω από το D1 σε ευθεία γραμμή.