Photodiode, Phototransistor - Litar Kerja dan Aplikasi

Photodiodes dan phototransistors adalah peranti semikonduktor yang mempunyai persimpangan semikonduktor p-n mereka yang terdedah kepada cahaya melalui penutup yang telus, sehingga cahaya luaran dapat bertindak balas dan memaksa pengaliran elektrik melalui persimpangan.

Bagaimana Fotodiod Berfungsi

Fotodiod sama seperti diod semikonduktor biasa (contoh 1N4148) yang terdiri daripada persimpangan p-n, tetapi persimpangan ini terdedah kepada cahaya melalui badan yang telus.

Cara kerjanya dapat difahami dengan membayangkan diod silikon standard yang disambungkan secara bias terbalik merentasi sumber bekalan seperti yang ditunjukkan di bawah.

Dalam keadaan ini, tidak ada arus yang mengalir melalui diod kecuali arus kebocoran yang sangat kecil.

Namun, anggaplah kita mempunyai diod yang sama dengan penutup legap luarnya yang dikikis atau dikeluarkan dan dihubungkan dengan bekalan bias terbalik. Ini akan memperlihatkan persimpangan PN dioda ke cahaya, dan akan ada arus arus yang melaluinya, sebagai tindak balas kepada cahaya kejadian.

Ini boleh mengakibatkan arus sebanyak 1 mA melalui dioda, menyebabkan voltan meningkat berkembang di seluruh R1.

Fotodiod pada gambar di atas juga boleh disambungkan di permukaan tanah seperti gambar di bawah. Ini akan menghasilkan tindak balas yang berlawanan, yang mengakibatkan penurunan voltan merentasi R1, ketika fotodiod diterangi dengan cahaya luaran.

Cara kerja semua peranti berasaskan persimpangan P-N adalah serupa dan akan menunjukkan kekonduksian foto apabila terkena cahaya.

Simbol skematik fotodioda dapat dilihat di bawah.

Berbanding dengan fotokel kadmium-sulfida atau kadmium-selenide seperti LDR , fotodiod umumnya tidak sensitif terhadap cahaya, tetapi tindak balas mereka terhadap perubahan cahaya jauh lebih cepat.

Kerana alasan ini, sel fotokopi seperti LDR umumnya digunakan dalam aplikasi yang melibatkan cahaya yang dapat dilihat, dan di mana masa tindak balas tidak perlu cepat. Sebaliknya, photodiodes dipilih secara khusus dalam aplikasi yang memerlukan pengesanan cahaya yang cepat kebanyakannya di kawasan inframerah.

Anda akan menjumpai photodiod dalam sistem seperti litar kawalan jauh inframerah , geganti gangguan rasuk dan litar penggera penceroboh .

Terdapat varian lain dari photodiode yang menggunakan plumbum-sulfida (PbS) dan ada ciri kerja yang serupa dengan LDR tetapi direka untuk bertindak balas hanya pada lampu jarak inframerah.

Phototransistors

Gambar berikut menunjukkan simbol skematik phototransistor

Fototransistor pada umumnya berbentuk transistor silikon NPN bipolar yang dikemas dalam penutup dengan bukaan telus.

Ia berfungsi dengan membiarkan cahaya mencapai persimpangan PN peranti melalui bukaan telus. Cahaya bertindak balas dengan persimpangan PN peranti yang terdedah, memulakan tindakan fotokonduktiviti.

Phototransistor kebanyakannya dikonfigurasi dengan pin asasnya yang tidak bersambung seperti yang ditunjukkan dalam dua litar berikut.

Pada rajah sebelah kiri, sambungan secara efektif menyebabkan fototransistor berada dalam keadaan bias terbalik, sehingga kini berfungsi seperti fotodioda.

Di sini, arus yang dihasilkan kerana cahaya melintasi terminal pemungut dasar peranti disalurkan terus ke pangkal peranti, sehingga penguatan arus normal dan arus mengalir keluar sebagai output dari terminal pemungut peranti.

Arus yang dikuatkan ini menyebabkan sejumlah voltan berkadar untuk merentasi perintang R1.

Phototransistors mungkin menunjukkan jumlah arus yang sama pada pin pengumpul dan pemancarnya, disebabkan oleh sambungan dasar terbuka, dan ini menghalang peranti daripada mendapat maklum balas negatif.

Oleh kerana ciri ini, jika fototransistor disambungkan seperti yang ditunjukkan di sebelah kanan gambar di atas dengan R1 melintasi pemancar dan tanah, hasilnya sama persis seperti sebelumnya untuk konfigurasi sisi kiri. Maksud kedua konfigurasi, voltan yang dikembangkan di seluruh R1 kerana pengaliran fototransistor adalah serupa.

Perbezaan antara Photodiode dan Phototransistor

Walaupun prinsip kerja serupa untuk kedua-dua rakan sejawat, terdapat beberapa perbezaan yang ketara antara mereka.

Suatu fotodioda boleh dinilai berfungsi dengan frekuensi yang jauh lebih tinggi dalam jarak puluhan megahertz, berbanding dengan fototransistor yang dibatasi hanya beberapa ratus kilohertz.

Kehadiran terminal asas dalam phototransistor menjadikannya lebih menguntungkan berbanding dengan photodiode.

Phototransistor dapat ditukarkan untuk berfungsi seperti photodiode dengan menghubungkan pangkalannya dengan tanah seperti yang ditunjukkan di bawah, tetapi photodiode mungkin tidak memiliki kemampuan untuk berfungsi seperti phototransistor.

Kelebihan lain dari terminal asas ialah kepekaan fototransistor dapat dibuat berubah-ubah dengan memperkenalkan potensiometer merentasi pemancar asas peranti seperti yang ditunjukkan dalam gambar berikut.

Dalam susunan di atas, peranti berfungsi seperti phototransistor sensitiviti berubah-ubah, tetapi jika sambungan pot R2 dikeluarkan, peranti bertindak seperti phototransistor biasa, dan jika R2 dipendekkan ke tanah, maka peranti berubah menjadi photodiode.

Memilih Perintang Biasing

Dalam semua gambarajah litar yang ditunjukkan di atas pemilihan nilai R1 biasanya keseimbangan antara kenaikan voltan dan tindak balas lebar jalur peranti.

Oleh kerana nilai R1 meningkat, voltan bertambah tetapi julat lebar operasi yang berguna berkurang, dan sebaliknya.

Selanjutnya, nilai R1 harus sedemikian rupa sehingga peranti terpaksa bekerja di wilayah liniernya. Ini dapat dilakukan dengan beberapa percubaan dan kesilapan.

Secara praktikal untuk voltan operasi dari 5V dan 12V, nilai antara 1K dan 10K biasanya mencukupi sebagai R1.

Phototransistors Darlington

Ini serupa dengan yang normal transistor darlington dengan struktur dalaman mereka. Secara dalaman ini dibina menggunakan dua transistor yang digabungkan antara satu sama lain seperti yang ditunjukkan dalam simbol skematik berikut.

Spesifikasi kepekaan transistor photodarlington mungkin lebih kurang 10 kali lebih tinggi daripada fototransistor biasa. Walau bagaimanapun, frekuensi kerja unit ini lebih rendah daripada jenis biasa, dan mungkin hanya terhad kepada 10 kilohertz sahaja.

Aplikasi Phototransistor Photodiode

Contoh terbaik aplikasi fotodiod dan fototransistor mungkin ada di bidang penerima isyarat gelombang cahaya atau pengesan dalam talian penghantaran gentian optik.

Gelombang cahaya yang melalui serat optik dapat dimodulasi dengan berkesan baik melalui teknik analog atau digital.

Photodiodes dan phototransistors juga banyak digunakan untuk membuat tahap pengesan di optocoupler dan peranti gangguan pancaran cahaya inframerah dan alat penggera pengganggu.

Masalah semasa merancang litar ini adalah bahawa, intensiti cahaya yang jatuh pada peranti sensitif foto mungkin sangat kuat atau lemah, dan juga ini mungkin menghadapi gangguan luaran dalam bentuk lampu yang kelihatan secara rawak, atau gangguan inframerah.

Untuk mengatasi masalah ini, litar aplikasi ini biasanya dikendalikan dengan pautan optik yang mempunyai frekuensi pembawa inframerah tertentu. Selain itu, bahagian input penerima diperkuat dengan preamplifier sehingga isyarat penghubung optik yang paling lemah dapat dikesan dengan selesa, memungkinkan sistem dengan kepekaan yang luas.

Litar dua aplikasi berikut menunjukkan bagaimana a pelaksanaan yang tidak betul boleh dilakukan dengan menggunakan photodiodes melalui frekuensi modulasi pembawa 30 kHz.

Ini adalah litar penggera fotodiod berasaskan pra-penguat , dan akan bertindak balas terhadap jalur frekuensi tertentu, memastikan operasi sistem yang sangat mudah.

Pada reka bentuk atas, L1, C1 dan C2 menyaring semua frekuensi lain kecuali frekuensi 30 Hz yang dimaksudkan dari pautan optik inframerah. Sebaik sahaja ini dikesan, ia diperkuat lebih lanjut oleh Q1, dan outputnya menjadi aktif untuk membunyikan sistem penggera.

Sebagai alternatif, sistem ini dapat digunakan untuk mengaktifkan penggera ketika pautan optik terputus. Dalam kes ini, transistor boleh terus aktif secara tetap melalui fokus IR 30 Hz pada fototransistor Seterusnya, output dari transistor dapat dibalikkan menggunakan tahap NPN yang lain sehingga, gangguan pada pancaran IR 30 Hz, mematikan Q1, dan menghidupkan transistor NPN kedua. Transistor kedua ini mesti disatukan melalui kapasitor 10uF dari pengumpul Q2 di litar atas.

Fungsi litar bawah serupa dengan versi transistorized kecuali julat frekuensi 20 kHz untuk aplikasi ini. Ini juga merupakan sistem pengesanan preamplifier selektif yang disetel untuk mengesan isyarat IR yang mempunyai frekuensi modulasi 20 kHz.

Selagi sinar IR yang disetel pada 20 kHz tetap tertumpu pada fotodioda, ia menghasilkan potensi yang lebih tinggi pada pin input terbalik dari op amp yang melebihi output pembahagi berpotensi pada pin pembalik op amp. Ini menyebabkan output RMS dari op op hampir sifar.

Namun, saat pancaran terganggu, menyebabkan penurunan potensi secara tiba-tiba pada pin2, dan peningkatan potensi pada pin3. Ini dengan serta-merta menaikkan voltan RMS pada output op amp mengaktifkan yang disambungkan sistem penggera .

C1 dan R1 digunakan untuk memotong isyarat yang tidak diinginkan ke tanah.

Dua dioda foto D1 dan D2 digunakan sehingga sistem diaktifkan hanya apabila isyarat IR terganggu secara serentak di seluruh D1 dan D2. Ideanya dapat digunakan di tempat-tempat di mana hanya sasaran menegak panjang seperti manusia yang diperlukan untuk dirasakan, sementara sasaran yang lebih pendek seperti binatang dapat dibiarkan lewat secara bebas.

Untuk melaksanakan ini D1 dan D2 mesti dipasang secara menegak dan selari antara satu sama lain, di mana D1 boleh diletakkan satu kaki di atas tanah, dan D2 sekitar 3 kaki di atas D1 dalam garis lurus.