Fotodiodes un fototransistori ir pusvadītāju ierīces, kuru p-n pusvadītāju savienojums ir pakļauts gaismai caur caurspīdīgu vāku, lai ārējā gaisma varētu reaģēt un piespiest elektrisko vadību caur krustojumu.
Kā darbojas fotodiodes
Fotodiods ir gluži kā parasts pusvadītāju diode (piemērs 1N4148), kas sastāv no p-n savienojuma, taču tas ir savienots ar gaismu caur caurspīdīgu ķermeni.
Tās darbību var saprast, iedomājoties standarta silīcija diodi, kas piegrieztā virzienā ir pievienots pretēji, kā parādīts zemāk.
Šajā stāvoklī caur diode neplūst strāva, izņemot dažas ļoti mazas noplūdes strāvas.
Tomēr pieņemsim, ka mums ir tā pati diode ar ārējo necaurspīdīgo vāciņu, kas nokasīts vai noņemts un savienots ar apgrieztā slīpuma padevi. Tas atklās diodes PN krustojumu gaismā, un caur to būs tūlītēja strāvas plūsma, reaģējot uz krītošo gaismu.
Tā rezultātā diode var izraisīt pat 1 mA lielu strāvu, izraisot pieaugošu spriegumu visā R1.
Fotodiodi, kas redzams iepriekšminētajā attēlā, var savienot arī no zemes puses, kā parādīts zemāk. Tas radīs pretēju reakciju, kā rezultātā samazināsies spriegums visā R1, kad fotodiods tiek apgaismots ar ārēju gaismu.
Visu uz P-N krustojumu balstītu ierīču darbība ir līdzīga, un gaismas iedarbībā tām būs foto vadītspēja.
Fotodiodes shematisko simbolu var redzēt zemāk.
Salīdzinot ar kadmija sulfīda vai kadmija selenīda fotoelementiem tāpat kā LDR , fotodiodes parasti ir mazāk jutīgas pret gaismu, taču to reakcija uz gaismas izmaiņām ir daudz ātrāka.
Šī iemesla dēļ fotoelementus, piemēram, LDR, parasti izmanto lietojumos, kas saistīti ar redzamo gaismu, un kur reakcijas laikam nav jābūt ātram. No otras puses, fotodiodes tiek īpaši atlasītas lietojumprogrammās, kurās nepieciešama ātra gaismu noteikšana galvenokārt infrasarkanajā reģionā.
Fotodiodes atradīsit tādās sistēmās kā infrasarkano staru tālvadības shēmas , staru pārrāvuma releji un iebrucēja trauksmes ķēdes .
Ir vēl viens fotodiodes variants, kurā tiek izmantots svina sulfīds (PbS), un darba raksturlielumi ir diezgan līdzīgi LDR, bet ir paredzēti, lai reaģētu tikai uz infrasarkanā diapazona gaismām.
Fototransistori
Šajā attēlā parādīts fototransistora shematisks simbols
Fototransistors parasti ir bipolāra NPN silīcija tranzistora formā, kas iekapsulēts vāciņā ar caurspīdīgu atveri.
Tas darbojas, ļaujot gaismai nokļūt ierīces PN krustojumā caur caurspīdīgo atveri. Gaisma reaģē ar ierīces atklāto PN savienojumu, uzsākot fotovadītspējas darbību.
Fototransistors lielākoties ir konfigurēts tā, ka tā pamatnes tapa nav savienota, kā parādīts nākamajās divās ķēdēs.
Kreisās puses attēlā savienojums faktiski rada fototransistora apgrieztās novirzes situāciju tā, ka tagad tas darbojas kā fotodiode.
Šeit strāvu, ko rada gaisma, pāri ierīces bāzes kolektora spailēm, tieši novirza atpakaļ uz ierīces pamatni, kā rezultātā normāla strāvas pastiprināšana un strāva izplūst kā izeja no ierīces kolektora spailes.
Šī pastiprinātā strāva izraisa proporcionālu sprieguma daudzumu visā rezistorā R1.
Fototransistori uz kolektora un izstarotāja tapām var parādīt identisku strāvas daudzumu atvērtas bāzes savienojuma dēļ, un tas novērš ierīces negatīvu atgriezenisko saiti.
Šīs funkcijas dēļ, ja fototransistors ir savienots, kā parādīts iepriekšminētā attēla labajā pusē, ar R1 pāri izstarotājam un zemei, rezultāts ir tieši tāds pats kā kreisās puses konfigurācijai. Nozīmē, ka abām konfigurācijām spriegums, kas attīstās pāri R1 fototransistora vadīšanas dēļ, ir līdzīgs.
Atšķirība starp fotodiodu un fototransistoru
Lai gan darba princips abiem kolēģiem ir līdzīgs, starp tiem ir dažas ievērojamas atšķirības.
Fotodiods var tikt vērtēts darbam ar daudz augstākām frekvencēm desmitiem megahercu diapazonā, atšķirībā no fototransistora, kas ir ierobežots tikai ar dažiem simtiem kilohercu.
Bāzes termināļa klātbūtne fototransistorā padara to izdevīgāku salīdzinājumā ar fotodiodu.
Fototransistoru var pārveidot darbam kā fotodiodu, savienojot tā pamatni ar zemi, kā parādīts zemāk, taču fotodiods var nebūt spējīgs darboties kā fototransistors.
Vēl viena bāzes termināla priekšrocība ir tā, ka fototransistora jutību var mainīt, ievadot potenciometru visā ierīces bāzes izstarotājā, kā parādīts nākamajā attēlā.
Iepriekš minētajā izkārtojumā ierīce darbojas kā mainīgas jutības fototransistors, bet, ja katla R2 savienojumi tiek noņemti, ierīce darbojas kā parasts fototransistors, un, ja R2 ir īssavienojums ar zemi, tad ierīce pārvēršas par fotodiodu.
Izspiešanas rezistora izvēle
Visās iepriekš parādītajās shēmās R1 vērtības izvēle parasti ir līdzsvars starp sprieguma pieaugumu un ierīces joslas platuma reakciju.
Palielinoties R1 vērtībai, palielinās sprieguma pieaugums, bet lietderīgā darba joslas platuma diapazons samazinās un otrādi.
Turklāt R1 vērtībai jābūt tādai, lai ierīces būtu spiestas strādāt savā lineārajā reģionā. To var izdarīt ar nelielu izmēģinājumu un kļūdu.
Praktiski darba spriegumam no 5 V līdz 12 V parasti ir pietiekama jebkura vērtība starp 1K un 10K kā R1.
Darlingtonas fototransistori
Tie ir līdzīgi parastajiem darlingtona tranzistors ar to iekšējo struktūru. Iekšēji tie tiek būvēti, izmantojot divus tranzistorus, kas savienoti viens ar otru, kā parādīts nākamajā shematiskajā simbolā.
Fotodarlingtona tranzistora jutības parametri var būt aptuveni 10 reizes lielāki nekā parastā fototransistora. Tomēr šo vienību darba frekvence ir zemāka par parastajiem tipiem, un to var ierobežot tikai ar dažiem 10 kiloherciem.
Fotodiodu fototransistoru pielietojumi
Labākais fotodiodes un fototransistora pielietojuma piemērs var būt gaismas viļņu signālu uztvērēji vai detektori optisko šķiedru pārvades līnijās.
Gaismas viļņus, kas iet caur optisko šķiedru, var efektīvi modulēt gan ar analogām, gan ar digitālām metodēm.
Fotodiodes un fototransistori tiek plaši izmantoti arī detektoru posmu izgatavošanai optroni un infrasarkanās gaismas staru pārtraukšanas ierīces un ielaušanās trauksmes sīkrīkus.
Veidojot šīs ķēdes, problēma ir tā, ka gaismas jutība pret fotojūtīgajām ierīcēm varētu būt ļoti spēcīga vai vāja, un arī tās var saskarties ar ārējiem traucējumiem nejaušas redzamas gaismas vai infrasarkano staru veidā.
Lai novērstu šos jautājumus, šīs lietojumprogrammu ķēdes parasti darbojas ar optiskām saitēm ar noteiktu infrasarkano staru nesēja frekvenci. Turklāt uztvērēja ieejas puse ir pastiprināta ar priekšpastiprinātāju, lai ērti tiktu atklāts pat vājākais no optiskajiem sasaistes signāliem, ļaujot sistēmai ar plašu jutības diapazonu.
Šīs divas lietojumprogrammu shēmas parāda, kā a droša ieviešana var veikt, izmantojot fotodiodes ar 30 kHz nesēja modulācijas frekvenci.
Šie ir selektīvā priekšpastiprinātāja fotodiodes trauksmes shēmas , un reaģēs uz noteiktu frekvenču joslu, nodrošinot sistēmas drošu darbību.
Augšējā konstrukcijā L1, C1 un C2 no infrasarkanās optiskās saites filtrē visas pārējās frekvences, izņemot paredzēto 30 Hz frekvenci. Tiklīdz tas tiek atklāts, to vēl vairāk pastiprina Q1, un tā izeja kļūst aktīva trauksmes sistēmas signālam.
Alternatīvi, sistēmu var izmantot trauksmes aktivizēšanai, kad optiskā saite ir pārtraukta. Šajā gadījumā tranzistoru var pastāvīgi uzturēt aktīvu, izmantojot 30 Hz IR fokusu uz fototransistoru. Tālāk tranzistora izeju var apgriezt, izmantojot citu NPN pakāpi, lai 30 Hz IR staru pārtraukums izslēgtu Q1 un ieslēdz otro NPN tranzistoru. Šis otrais tranzistors jāintegrē caur 10uF kondensatoru no Q2 kolektora augšējā ķēdē.
Zemākās ķēdes darbība ir līdzīga tranzistorizētajai versijai, izņemot frekvenču diapazonu, kas šai lietojumprogrammai ir 20 kHz. Tā ir arī selektīva priekšpastiprinātāja noteikšanas sistēma, kas pielāgota IR signālu noteikšanai ar modulācijas frekvenci 20 kHz.
Kamēr infrasarkanais starojums, kas noregulēts uz 20 kHz, joprojām ir vērsts uz fotodiodi, tas rada lielāku potenciālu uz op pastiprinātāja invertējošās ieejas tapas2, kas pārsniedz potenciālu dalītāja izeju op amp neinvertējošajā tapā. Tas noved pie tā, ka izejas RMS no op amp ir gandrīz nulle.
Tomēr brīdī, kad stars tiek pārtraukts, pēkšņi samazinās potenciāls pie pin2 un palielinās potenciāls pie pin3. Tas uzreiz palielina RMS spriegumu pie opamp amp, aktivizējot pievienoto signalizācija .
C1 un R1 tiek izmantoti, lai apietu jebkuru nevēlamu signālu uz zemi.
Tiek izmantotas divas fotodiodes D1 un D2, lai sistēma aktivizētos tikai tad, kad D1 un D2 vienlaikus tiek pārtraukti IR signāli. Ideju var izmantot vietās, kur ir nepieciešams nojaust tikai tādus garus vertikālus mērķus kā cilvēki, savukārt īsākiem mērķiem, piemēram, dzīvniekiem, var ļaut brīvi iziet.
Lai to īstenotu, D1 un D2 jāuzstāda vertikāli un paralēli viens otram, kur D1 var novietot pēdas virs zemes, bet D2 - apmēram 3 pēdas virs D1 taisnā līnijā.
Pāri: Ledus brīdinājuma shēma automašīnām Nākamais: Smieklu skaņas simulatora shēma
