Fotodiódy a fototranzistory sú polovodičové súčiastky, ktoré majú svoje polovodičové spojenie p-n vystavené svetlu cez priehľadný kryt, takže vonkajšie svetlo môže reagovať a vynútiť elektrický vodič prechodom.
Ako fungujú fotodiódy
Fotodióda je ako bežná polovodičová dióda (napríklad 1N4148) pozostávajúca z p-n spojenia, ale má túto spojku vystavenú svetlu cez priehľadné teleso.
Jeho fungovanie je možné pochopiť predstavou si štandardnej kremíkovej diódy pripojenej opačným spôsobom k zdroju napájania, ako je uvedené nižšie.
V tomto stave diódou nepreteká žiadny prúd, s výnimkou veľmi malého zvodového prúdu.
Predpokladajme však, že máme tú istú diódu s vonkajším nepriehľadným krytom zoškrabanú alebo odstránenú a spojenú so zdrojom spätného predpätia. Toto vystaví PN prechod diódy svetlu a bude ním okamžite prúdiť prúd ako reakcia na dopadajúce svetlo.
Môže to viesť k tomu, že dióda bude mať prúd až 1 mA, čo spôsobí rozvoj stúpajúceho napätia cez R1.
Fotodióda na vyššie uvedenom obrázku môže byť tiež pripojená na zemnú stranu, ako je to znázornené nižšie. To spôsobí opačnú odozvu, ktorá povedie k znižovaniu napätia na R1, keď je fotodióda osvetlená externým svetlom.
Fungovanie všetkých zariadení založených na spojení P-N je podobné a pri vystavení svetlu bude vykazovať foto-vodivosť.
Schematický symbol fotodiódy je uvedený nižšie.
V porovnaní s fotobunkami obsahujúcimi sulfid kademnatý alebo selenid kademnatý ako LDR , sú fotodiódy všeobecne menej citlivé na svetlo, ale ich reakcia na zmeny svetla je oveľa rýchlejšia.
Z tohto dôvodu sa fotobunky ako LDR všeobecne používajú v aplikáciách, ktoré zahŕňajú viditeľné svetlo a kde doba odozvy nemusí byť rýchla. Na druhej strane sú fotodiódy konkrétne vybrané v aplikáciách, ktoré si vyžadujú rýchlu detekciu svetiel väčšinou v infračervenej oblasti.
Fotodiódy nájdete v systémoch ako napr obvody infračerveného diaľkového ovládania , relé prerušenia lúča a poplachové obvody narušiteľa .
Existuje ďalší variant fotodiódy, ktorý používa sulfid olovnatý (PbS) a jeho pracovná charakteristika je dosť podobná ako pri LDR, ale sú navrhnuté tak, aby reagovali iba na infračervené svetlá.
Fototranzistory
Nasledujúci obrázok zobrazuje schematický symbol fototranzistora
Fototranzistor je všeobecne vo forme bipolárneho kremíka NPN tranzistora zapuzdreného v kryte s priehľadným otvorom.
Funguje to tak, že sa umožňuje svetlu dostať cez priehľadný otvor na PN priechod zariadenia. Svetlo reaguje s exponovaným spojom PN zariadenia a iniciuje fotovodivú akciu.
Fototranzistor je väčšinou nakonfigurovaný tak, že jeho základný pin nie je pripojený, ako je to znázornené v nasledujúcich dvoch obvodoch.
Na obrázku vľavo predstavuje spojenie efektívne to, že fototranzistor je v situácii so spätným skreslením, takže teraz funguje ako fotodióda.
Prúd generovaný v dôsledku svetla cez kolektorové svorky základne prístroja je tu priamo privádzaný späť do základne prístroja, čo má za následok normálne zosilnenie prúdu a prúd vytekajúci ako výstup z kolektorovej svorky prístroja.
Tento zosilnený prúd spôsobuje, že sa na rezistore R1 vyvinie úmerné množstvo napätia.
Fototranzistory môžu vykazovať identické množstvo prúdu na svojich kolektoroch a na emitorových kolíkoch z dôvodu otvoreného základného pripojenia, čo bráni prístroju v negatívnej spätnej väzbe.
Vďaka tejto vlastnosti, ak je fototranzistor pripojený tak, ako je to znázornené na pravej strane vyššie uvedeného obrázka, s R1 cez vysielač a zem, je výsledok úplne totožný s výsledkom pre konfiguráciu na ľavej strane. Význam pre obe konfigurácie je napätie vyvinuté na R1 v dôsledku vedenia fototranzistora podobné.
Rozdiel medzi fotodiódou a fototranzistorom
Aj keď je princíp fungovania podobný pre obidve náprotivky, je medzi nimi niekoľko znateľných rozdielov.
Fotodiódu možno ohodnotiť tak, že pracuje s oveľa vyššími frekvenciami v rozmedzí desiatok megahertzov, na rozdiel od fototranzistora, ktorý je obmedzený iba na niekoľko stoviek kilohertzov.
Prítomnosť terminálu bázy vo fototranzistore je v porovnaní s fotodiódou výhodnejšia.
Fototranzistor možno previesť na prácu ako fotodióda pripojením svojej základne k zemi, ako je to znázornené nižšie, ale fotodióda nemusí mať schopnosť pracovať ako fototranzistor.
Ďalšou výhodou základňovej svorky je, že citlivosť fototranzistora môže byť premenlivá zavedením potenciometra cez základný vysielač zariadenia, ako je znázornené na nasledujúcom obrázku.
Vo vyššie uvedenom usporiadaní zariadenie funguje ako fototranzistor s premenlivou citlivosťou, ale ak sú odstránené prípojky hrnca R2, zariadenie funguje ako normálny fototranzistor a ak je R2 skratovaný k zemi, potom sa prístroj premení na fotodiódu.
Výber predpínacieho odporu
Vo všetkých schémach zapojenia uvedených vyššie je výberom hodnoty R1 zvyčajne rovnováha medzi zosilnením napätia a šírkou pásma zariadenia.
Keď sa hodnota R1 zvyšuje, zvyšuje sa napäťový zisk, ale klesá užitočný rozsah prevádzkovej šírky pásma a naopak.
Ďalej by hodnota R1 mala byť taká, aby boli zariadenia nútené pracovať vo svojej lineárnej oblasti. To je možné dosiahnuť pomocou pokusov a omylov.
Prakticky pre prevádzkové napätie od 5 V do 12 V je zvyčajne dostatočná hodnota medzi 1 K a 10 K ako R1.
Darlingtonove fototranzistory
Sú podobné ako bežné Darlingtonov tranzistor s ich vnútornou štruktúrou. Interne sú zostavené pomocou dvoch tranzistorov navzájom prepojených, ako je znázornené na nasledujúcom schematickom symbole.
Špecifikácie citlivosti fotodarlingtonského tranzistora môžu byť približne 10-krát vyššie ako v prípade normálneho fototranzistora. Pracovná frekvencia týchto jednotiek je však nižšia ako bežné typy a môže byť obmedzená na iba asi 10 s kilohertzov.
Aplikácia fotodiódy Fototranzistor
Najlepším príkladom použitia fotodiód a fototranzistorov môže byť oblasť prijímače svetelného signálu alebo detektory v prenosových vedeniach z optických vlákien.
Svetelná vlna prechádzajúca optickým vláknom sa dá efektívne modulovať analógovými alebo digitálnymi technikami.
Fotodiódy a fototranzistory sa tiež často používajú na uvádzanie detektorov do fázy optočleny a zariadenia na prerušenie infračerveného lúča a poplašné zariadenia pre votrelcov.
Problémom pri navrhovaní týchto obvodov je, že intenzita svetla dopadajúceho na fotocitlivé zariadenia môže byť veľmi silná alebo slabá a taktiež môžu naraziť na vonkajšie rušenie vo forme náhodného viditeľného svetla alebo infračerveného rušenia.
Na vyrovnanie sa s týmito problémami sú tieto aplikačné obvody obvykle prevádzkované s optickými spojmi, ktoré majú špecifickú infračervenú nosnú frekvenciu. Vstupná strana prijímača je navyše zosilnená predzosilňovačom, takže je pohodlne detegovaný aj ten najslabší z optických spojovacích signálov, čo umožňuje systému so širokou škálou citlivosti.
Nasledujúce dva aplikačné okruhy ukazujú, ako a spoľahlivá implementácia je možné vykonať pomocou fotodiód cez nosnú modulačnú frekvenciu 30 kHz.
Toto sú selektívne fotodiódové poplachové obvody založené na predzosilňovači , a bude reagovať na konkrétne frekvenčné pásmo, čím zabezpečí spoľahlivú prevádzku systému.
V hornom prevedení filtrujú L1, C1 a C2 všetky ostatné frekvencie okrem zamýšľanej 30 Hz frekvencie z infračerveného optického spoja. Akonáhle je toto zistené, je ďalej zosilnené pomocou Q1 a jeho výstup je aktívny pre aktiváciu výstražného systému.
Alternatívne by sa systém mohol použiť na aktiváciu alarmu pri prerušení optického spojenia. V tomto prípade môže byť tranzistor trvale aktívny prostredníctvom 30 Hz infračerveného zaostrenia na fototranzistor. Ďalej môže byť výstup z tranzistora invertovaný pomocou iného stupňa NPN, takže prerušenie 30 Hz infračerveného lúča vypne Q1 a zapne druhý NPN tranzistor. Tento druhý tranzistor musí byť integrovaný cez 10uF kondenzátor z kolektora Q2 v hornom obvode.
Fungovanie spodného obvodu je podobné ako v tranzistorovej verzii, s výnimkou frekvenčného rozsahu, ktorý je pre túto aplikáciu 20 kHz. Je to tiež selektívny detekčný systém predzosilňovača vyladený na detekciu IR signálov s modulačnou frekvenciou 20 kHz.
Pokiaľ IR lúč vyladený na 20 kHz zostáva zameraný na fotodiódu, vytvára vyšší potenciál na invertujúcom vstupnom kolíku 2 operačného zosilňovača, ktorý presahuje výstup potenciálneho deliča na neinvertujúcom kolíku operačného zosilňovača. To spôsobí, že výstupný RMS z operačného zosilňovača bude takmer nulový.
Avšak v okamihu, keď je lúč prerušený, spôsobí náhly pokles potenciálu na kolíku 2 a zvýšenie potenciálu na kolíku 3. To okamžite zvýši RMS napätie na výstupe operačného zosilňovača, ktorý aktivuje pripojené zariadenie alarmový systém .
C1 a R1 sú použité na premostenie nežiaduceho signálu na zem.
Používajú sa dve fotodiódy D1 a D2, aby sa systém aktivoval iba vtedy, keď sú súčasne prerušené infračervené signály naprieč D1 a D2. Túto myšlienku je možné použiť na miestach, kde sa vyžaduje snímanie iba dlhých vertikálnych cieľov, ako sú ľudia, zatiaľ čo kratším cieľom, ako sú zvieratá, je možné nechať voľný priechod.
Na realizáciu tohto musia byť D1 a D2 inštalované zvisle a navzájom rovnobežne, pričom D1 môže byť umiestnená stopa nad zemou a D2 asi 3 stopy nad D1 v priamke.
Dvojica: Výstražný obvod pred ľadom pre automobily Ďalej: Obvod simulátora smiechu
