Фотодиод, фототранзистор - рабочие и прикладные схемы

Фотодиоды и фототранзисторы - это полупроводниковые устройства, у которых их p-n-полупроводниковый переход открыт для света через прозрачную крышку, так что внешний свет может реагировать и вызывать электрическую проводимость через переход.

Как работают фотодиоды

Фотодиод похож на обычный полупроводниковый диод (пример 1N4148), состоящий из p-n-перехода, но он имеет этот переход, освещенный светом через прозрачный корпус.

Его работу можно понять, представив стандартный кремниевый диод, подключенный с обратным смещением к источнику питания, как показано ниже.

В этом состоянии через диод не протекает ток, за исключением небольшого тока утечки.

Однако предположим, что у нас есть тот же диод, у которого снята или очищена внешняя непрозрачная крышка, и он подключен к источнику обратного смещения. Это приведет к освещению PN-перехода диода, и через него будет мгновенно протекать ток в ответ на падающий свет.

Это может привести к прохождению через диод тока до 1 мА, вызывая повышение напряжения на R1.

Фотодиод на рисунке выше можно также подключить со стороны заземления, как показано ниже. Это приведет к противоположному отклику, что приведет к уменьшению напряжения на R1, когда фотодиод освещается внешним светом.

Все устройства на основе P-N-перехода работают одинаково и при воздействии света демонстрируют фотопроводимость.

Схематический символ фотодиода можно увидеть ниже.

По сравнению с фотоэлементами на основе сульфида кадмия или селенида кадмия как LDR , фотодиоды обычно менее чувствительны к свету, но их реакция на световые изменения происходит намного быстрее.

По этой причине фотоэлементы, такие как LDR, обычно используются в приложениях, которые используют видимый свет и где время отклика не должно быть быстрым. С другой стороны, фотодиоды специально выбираются в приложениях, где требуется быстрое обнаружение источников света, в основном в инфракрасной области.

Вы найдете фотодиоды в таких системах, как инфракрасные цепи дистанционного управления , реле прерывания пучка и цепи охранной сигнализации .

Есть еще один вариант фотодиода, в котором используется сульфид свинца (PbS), и его рабочие характеристики очень похожи на LDR, но предназначены для реагирования только на свет инфракрасного диапазона.

Фототранзисторы

На следующем изображении показано схематическое обозначение фототранзистора.

Фототранзистор обычно представляет собой биполярный кремниевый транзистор NPN, заключенный в крышку с прозрачным отверстием.

Он работает, позволяя свету достигать PN-перехода устройства через прозрачное отверстие. Свет вступает в реакцию с открытым PN переходом устройства, инициируя действие фотопроводимости.

Фототранзистор в основном сконфигурирован с неподключенным базовым выводом, как показано на следующих двух схемах.

На левом рисунке соединение фактически приводит к тому, что фототранзистор находится в ситуации обратного смещения, так что теперь он работает как фотодиод.

Здесь ток, генерируемый из-за света на выводах коллектора базы устройства, напрямую возвращается к основанию устройства, что приводит к нормальному усилению тока и току, протекающему на выходе из вывода коллектора устройства.

Этот усиленный ток вызывает на резисторе R1 пропорциональное напряжение.

Фототранзисторы могут показывать одинаковые величины тока на выводах коллектора и эмиттера из-за открытого соединения базы, и это предотвращает отрицательную обратную связь устройства.

Благодаря этой особенности, если фототранзистор подключен, как показано в правой части рисунка выше, с R1 между эмиттером и землей, результат будет точно таким же, как и для левой конфигурации. Значение для обеих конфигураций, напряжение, развиваемое на R1 из-за проводимости фототранзистора, одинаково.

Разница между фотодиодом и фототранзистором

Хотя принцип работы у двух аналогов одинаков, между ними есть несколько заметных различий.

Фотодиод может быть рассчитан на работу с гораздо более высокими частотами в диапазоне десятков мегагерц, в отличие от фототранзистора, который ограничен только несколькими сотнями килогерц.

Наличие вывода базы в фототранзисторе делает его более выгодным по сравнению с фотодиодом.

Фототранзистор можно преобразовать для работы как фотодиод, соединив его базу с землей, как показано ниже, но фотодиод может не работать как фототранзистор.

Еще одно преимущество клеммы базы состоит в том, что чувствительность фототранзистора можно изменять, вводя потенциометр через базовый эмиттер устройства, как показано на следующем рисунке.

В приведенной выше схеме устройство работает как фототранзистор с переменной чувствительностью, но если соединения потенциометра R2 удалены, устройство действует как обычный фототранзистор, а если R2 замыкается на массу, то устройство превращается в фотодиод.

Выбор резистора смещения

На всех схемах, показанных выше, выбор значения R1 обычно представляет собой баланс между усилением напряжения и характеристикой полосы пропускания устройства.

По мере увеличения значения R1 коэффициент усиления по напряжению увеличивается, но полезный рабочий диапазон полосы пропускания уменьшается, и наоборот.

Кроме того, значение R1 должно быть таким, чтобы устройства были вынуждены работать в своей линейной области. Это можно сделать методом проб и ошибок.

Практически для рабочих напряжений от 5 В до 12 В обычно достаточно любого значения от 1 до 10 кОм в качестве R1.

Фототранзисторы Дарлингтона

Они похожи на обычные транзистор дарлингтона с их внутренней структурой. Внутри они построены с использованием двух транзисторов, соединенных друг с другом, как показано на следующем схематическом изображении.

Характеристики чувствительности фототранзистора Дарлингтона могут быть примерно в 10 раз выше, чем у обычного фототранзистора. Однако рабочая частота этих устройств ниже, чем у обычных типов, и может быть ограничена лишь несколькими десятками килогерц.

Фотодиоды Применение фототранзисторов

Лучший пример применения фотодиода и фототранзистора может быть в области приемники световых сигналов или детекторы в волоконно-оптических линиях передачи.

Световая волна, проходящая через оптическое волокно, может эффективно модулироваться как с помощью аналоговых, так и цифровых методов.

Фотодиоды и фототранзисторы также широко используются для изготовления каскадов детекторов в оптопары и устройства прерывания инфракрасного луча и устройства охранной сигнализации.

Проблема при разработке этих схем заключается в том, что интенсивность света, падающего на фоточувствительные устройства, может быть очень сильной или слабой, а также они могут сталкиваться с внешними помехами в виде случайного видимого света или инфракрасных помех.

Чтобы противостоять этим проблемам, эти прикладные схемы обычно работают с оптическими линиями, имеющими определенную несущую частоту инфракрасного излучения. Более того, входная сторона приемника усилена предусилителем, так что даже самый слабый из оптических сигналов связи легко обнаруживается, что позволяет системе работать в широком диапазоне чувствительности.

Следующие две схемы приложений показывают, как надежная реализация может быть выполнено с помощью фотодиодов с несущей частотой модуляции 30 кГц.

Это селективные схемы фотодиодной сигнализации на основе предусилителя , и будет реагировать на конкретную полосу частот, обеспечивая надежную работу системы.

В верхнем дизайне L1, C1 и C2 отфильтровывают все другие частоты, кроме предполагаемой частоты 30 Гц, от инфракрасного оптического канала. Как только это обнаруживается, он дополнительно усиливается Q1, и его выход становится активным для подачи сигнала тревоги.

В качестве альтернативы, система может использоваться для активации сигнала тревоги при отключении оптического канала. В этом случае транзистор может оставаться активным постоянно с помощью ИК-фокуса 30 Гц на фототранзисторе. Затем выходной сигнал транзистора может быть инвертирован с помощью другого каскада NPN, чтобы прерывание ИК-луча 30 Гц отключало Q1 и включает второй транзистор NPN. Этот второй транзистор должен быть интегрирован через конденсатор емкостью 10 мкФ от коллектора Q2 в верхней цепи.

Функционирование нижней схемы аналогично транзисторной версии, за исключением диапазона частот, который для этого приложения составляет 20 кГц. Это также селективная система обнаружения предусилителя, настроенная для обнаружения ИК-сигналов с частотой модуляции 20 кГц.

Пока ИК-луч, настроенный на 20 кГц, остается сфокусированным на фотодиоде, он создает более высокий потенциал на инвертирующем входном выводе 2 операционного усилителя, который превышает выходное напряжение делителя потенциала на неинвертирующем выводе операционного усилителя. Это приводит к тому, что выходное среднеквадратичное значение операционного усилителя становится близким к нулю.

Однако момент прерывания луча вызывает внезапное падение потенциала на выводе 2 и увеличение потенциала на выводе 3. Это мгновенно повышает среднеквадратичное значение напряжения на выходе операционного усилителя, активируя подключенный аварийная система .

C1 и R1 используются для обхода любого нежелательного сигнала на землю.

Два фотодиода D1 и D2 используются так, что система активируется только тогда, когда ИК-сигналы прерываются одновременно через D1 и D2. Идея может быть использована в местах, где требуется обнаруживать только длинные вертикальные цели, такие как люди, в то время как более короткие цели, такие как животные, могут свободно проходить.

Для реализации этого D1 и D2 должны быть установлены вертикально и параллельно друг другу, при этом D1 может быть расположен на высоте одного фута над землей, а D2 - на расстоянии трех футов над D1 по прямой линии.