Photodiode, Phototransistor - Mga Circuits na Nagtatrabaho at Application

Ang mga photodiode at phototransistors ay mga aparato na semiconductor na mayroong kanilang p-n semiconductor junction na nakalantad sa ilaw sa pamamagitan ng isang transparent na takip, upang ang panlabas na ilaw ay maaaring tumugon at pilitin ang isang de-koryenteng pagpapadaloy sa pamamagitan ng kantong.

Paano Gumagana ang Photodiodes

Ang isang photodiode ay tulad ng isang regular na semiconductor diode (halimbawa 1N4148) na binubuo ng isang p-n junction, ngunit mayroon itong junction na ito na nakalantad sa ilaw sa pamamagitan ng isang transparent na katawan.

Ang pagtatrabaho nito ay maaaring maunawaan sa pamamagitan ng pag-iisip ng isang karaniwang silicon diode na konektado sa reverse bias bias sa isang mapagkukunan ng supply tulad ng ipinakita sa ibaba.

Sa kondisyong ito, walang kasalukuyang dumadaloy sa pamamagitan ng diode maliban sa ilang napakaliit na kasalukuyang pagtulo.

Gayunpaman, ipagpalagay na mayroon kaming parehong diode na may panlabas na opaque na takip na na-scrap o inalis at konektado sa isang reverse bias supply. Ilalantad nito ang PN junction ng diode sa ilaw, at magkakaroon ng instant na daloy ng kasalukuyang dumaan, bilang tugon sa ilaw ng insidente.

Maaari itong magresulta sa isang kasalukuyang kasing dami ng 1 mA sa pamamagitan ng diode, na sanhi ng pagtaas ng boltahe na umunlad sa buong R1.

Ang photodiode sa nasa itaas na pigura ay maaari ding maiugnay sa ground side tulad ng ipinakita sa ibaba. Gumagawa ito ng isang kabaligtaran na tugon, na nagreresulta sa isang pagbawas ng boltahe sa kabuuan ng R1, kapag ang photodiode ay naiilawan ng panlabas na ilaw.

Ang pagtatrabaho ng lahat ng mga aparatong nakabatay sa P-N junction ay pareho at magpapakita ng kondaktibiti ng larawan kapag nahantad sa ilaw.

Ang eskematiko na simbolo ng isang photodiode ay makikita sa ibaba.

Kung ikukumpara sa cadmium-sulphide o cadmium-selenide photocells kagaya ng LDRs , ang mga photodiode sa pangkalahatan ay hindi gaanong sensitibo sa ilaw, ngunit ang kanilang tugon sa mga pagbabago sa ilaw ay mas mabilis.

Dahil sa kadahilanang ito, ang mga photocell tulad ng LDRs ay karaniwang ginagamit sa mga application na nagsasangkot ng nakikitang ilaw, at kung saan ang oras ng pagtugon ay hindi kailangang maging mabilis. Sa kabilang banda, ang mga photodiode ay partikular na napili sa mga application na nangangailangan ng mabilis na pagtuklas ng mga ilaw na karamihan sa infrared na rehiyon.

Mahahanap mo ang mga photodiode sa mga system tulad ng mga infrared na remote control circuit , mga relay ng pagkagambala ng sinag at nanghihimasok sa mga circuit ng alarma .

Mayroong isa pang pagkakaiba-iba ng photodiode na gumagamit ng lead-sulfide (PbS) at doon ang katangiang nagtatrabaho ay halos kapareho sa LDR ngunit idinisenyo upang tumugon lamang sa mga infrared range light.

Phototransistors

Ipinapakita ng sumusunod na imahe ang eskematiko na simbolo ng isang phototransistor

Ang phototransistor ay pangkalahatan sa anyo ng isang bipolar NPN silicon transistor na naka-encapsulate sa isang takip na may isang transparent na pagbubukas.

Gumagana ito sa pamamagitan ng pagpapahintulot sa ilaw na maabot ang PN junction ng aparato sa pamamagitan ng transparent na pagbubukas. Ang ilaw ay tumutugon sa nakalantad na PN junction ng aparato, na pinasimulan ang pagkilos na photoconductivity.

Ang isang phototransistor ay halos naka-configure kasama ang base pin na hindi konektado tulad ng ipinakita sa mga sumusunod na dalawang circuit.

Sa kaliwang bahagi ng tayahin ang koneksyon ay mabisang sanhi ng phototransistor na nasa reverse bias na sitwasyon, tulad na ito ay gumagana ngayon tulad ng isang photodiode.

Dito, ang kasalukuyang nabuo dahil sa ilaw sa mga base terminal ng kolektor ng aparato ay direktang pinakain pabalik sa base ng aparato, na nagreresulta sa normal na kasalukuyang pagpapalaki at kasalukuyang dumadaloy bilang output mula sa terminal ng kolektor ng aparato.

Ang pinalakas na kasalukuyang ay sanhi ng isang proporsyonal na halaga ng boltahe upang bumuo sa buong risistor R1.

Maaaring magpakita ang mga phototransistor ng magkaparehong halaga ng kasalukuyang sa kanilang mga collector at emitter pin, dahil sa isang bukas na koneksyon sa base, at pinipigilan nito ang aparato mula sa isang negatibong feedback.

Dahil sa tampok na ito, kung ang phototransistor ay konektado tulad ng ipinakita sa kanang bahagi ng nasa itaas na pigura na may R1 sa kabuuan ng emitter at ground, ang kahihinatnan ay eksaktong magkapareho ng para sa kaliwang pagsasaayos. Kahulugan para sa parehong mga pagsasaayos, ang boltahe na nabuo sa kabuuan ng R1 dahil sa phototransistor conduction ay magkatulad.

Pagkakaiba sa pagitan ng Photodiode at Phototransistor

Bagaman ang prinsipyo ng pagtatrabaho ay pareho para sa dalawang katapat, mayroong ilang mga kapansin-pansin na pagkakaiba sa pagitan nila.

Ang isang photodiode ay maaaring ma-rate upang gumana nang may mas mataas na mga frequency sa saklaw ng sampu-sampung megahertz, taliwas sa isang phototransistor na pinaghihigpitan sa ilang daang kilohertz lamang.

Ang pagkakaroon ng base terminal sa isang phototransistor ay ginagawang mas kapaki-pakinabang kumpara sa isang photodiode.

Ang isang phototransistor ay maaaring mapalitan upang gumana tulad ng isang photodiode sa pamamagitan ng pagkonekta sa base nito sa lupa tulad ng ipinakita sa ibaba, ngunit ang isang photodiode ay maaaring walang kakayahang gumana tulad ng isang phototransistor.

Ang isa pang bentahe ng base terminal ay ang pagiging sensitibo ng isang phototransistor na maaaring gawin variable sa pamamagitan ng pagpapakilala ng isang potensyomiter sa kabuuan ng base emitter ng aparato tulad ng ipinakita sa sumusunod na pigura.

Sa pag-aayos sa itaas ang aparato ay gumagana tulad ng isang variable na sensitibong phototransistor, ngunit kung ang palayok na mga koneksyon sa R2 ay tinanggal, ang aparato ay gumaganap tulad ng isang normal na phototransistor, at kung ang R2 ay igsi sa lupa, pagkatapos ang aparato ay nagiging isang photodiode.

Pagpili ng Biasing Resistor

Sa lahat ng mga diagram ng circuit na ipinakita sa itaas ng pagpili ng halaga ng R1 ay karaniwang isang balanse sa pagitan ng nakuha ng boltahe at pagtugon ng bandwidth ng aparato.

Habang ang halaga ng R1 ay nadagdagan ang pagtaas ng boltahe ay nakakakuha ngunit ang kapaki-pakinabang na saklaw ng operating bandwidth ay bumababa, at kabaliktaran.

Bukod dito, ang halaga ng R1 ay dapat maging tulad na ang mga aparato ay pinilit na gumana sa kanilang linear na rehiyon. Magagawa ito sa ilang pagsubok at error.

Praktikal para sa pagpapatakbo ng mga voltages mula sa 5V at 12V anumang halaga sa pagitan ng 1K at 10K ay karaniwang sapat bilang R1.

Darlington phototransistors

Ito ay katulad ng isang normal darlington transistor kasama ang kanilang panloob na istraktura. Panloob na ito ay binuo gamit ang dalawang transistors na isinama sa bawat isa tulad ng ipinakita sa sumusunod na simbolo ng eskematiko.

Ang mga pagtutukoy ng pagiging sensitibo ng isang photodarlington transistor ay maaaring humigit-kumulang na 10 beses na mas mataas kaysa sa isang normal na phototransistor. Gayunpaman, ang dalas ng pagtatrabaho ng mga yunit na ito ay mas mababa kaysa sa normal na mga uri, at maaaring limitahan sa ilang 10s lamang na kilohertz.

Mga Application ng Photodiode Phototransistor

Ang pinakamahusay na halimbawa ng application ng photodiode at phototransistor ay maaaring nasa larangan ng mga tatanggap ng signal ng lightwave o mga detektor sa mga linya ng paghahatid ng hibla optic.

Ang lightwave na dumadaan sa pamamagitan ng isang optical fiber ay maaaring mabisang mabago sa kapwa sa pamamagitan ng mga diskarteng analog o digital.

Ang mga photodiode at phototransistors ay malawak ding ginagamit para sa paggawa ng mga detector na yugto sa mga optocoupler at infrared light na aparato ng pagkagambala ng sinag at mga nanghihimasok na gadget ng alarma.

Ang problema habang ang pagdidisenyo ng mga circuit na ito ay, ang tindi ng ilaw na bumabagsak sa mga sensitibong aparato ng larawan ay maaaring maging napakalakas o mahina, at maaari din itong makatagpo ng mga panlabas na kaguluhan sa anyo ng mga random na nakikitang ilaw, o infrared interrupt.

Upang kontrahin ang mga isyung ito, ang mga circuit ng application na ito ay karaniwang pinapatakbo na may mga optikal na link na mayroong isang tukoy na dalas ng infrared carrier. Bukod dito ang input na bahagi ng tatanggap ay pinalakas ng isang preamplifier upang kahit na ang pinakamahina ng mga signal ng pag-link ng optikal ay nakita na kumportable, na pinapagana ang system na may malawak na hanay ng pagiging sensitibo.

Ang sumusunod na dalawang mga circuit ng application ay nagpapakita kung paano a walang palya pagpapatupad maaaring magawa gamit ang photodiodes sa pamamagitan ng dalas ng 30 kHz modulation carrier.

Ito ang pumipili ng preamplifier batay sa mga photodiode alarm circuit , at tutugon sa isang tukoy na banda ng dalas, tinitiyak ang isang walang palya na pagpapatakbo ng system.

Sa itaas na disenyo, ang L1, C1 at C2 ay sinasala ang lahat ng iba pang mga frequency maliban sa inilaan na 30 Hz na dalas mula sa isang infrared na optikal na link. Sa lalong madaling panahon na ito ay napansin na ito ay karagdagang amplified ng Q1, at ang output nito ay naging aktibo para sa tunog ng isang sistema ng alarma.

Bilang kahalili, maaaring magamit ang system para sa pag-aktibo ng isang alarma kapag ang optikong link ay naputol. Sa kasong ito, ang transistor ay maaaring mapanatiling aktibo nang permanente sa pamamagitan ng isang 30 Hz IR na pagtuon sa phototransistor Susunod, ang output mula sa transistor ay maaaring baligtarin gamit ang isa pang yugto ng NPN upang, isang pagkagambala sa 30 Hz IR beam, i-OFF ang Q1, at lumiliko SA pangalawang transistor ng NPN. Ang pangalawang transistor na ito ay dapat na isinama sa pamamagitan ng isang 10uF capacitor mula sa kolektor ng Q2 sa itaas na circuit.

Ang paggana ng mas mababang circuit ay katulad ng transistorized na bersyon maliban sa saklaw ng dalas na 20 kHz para sa application na ito. Ito rin ay isang pili na sistema ng pagtuklas ng preamplifier na naayos upang makita ang mga signal ng IR na mayroong dalas ng modulasyon na 20 kHz.

Hangga't ang isang IR beam na nakatutok sa 20 kHz ay ​​mananatiling nakatuon sa photodiode, lumilikha ito ng isang mas mataas na potensyal sa pag-invert ng input pin2 ng op amp na lumampas sa potensyal na output ng divider sa non-inverting pin ng op amp. Ito ay sanhi ng output RMS mula sa op amp na malapit sa zero.

Gayunpaman, sa sandaling magambala ang sinag, maging sanhi ng isang biglaang pagbagsak ng potensyal sa pin2, at isang pagtaas ng potensyal sa pin3. Agad nitong tinaas ang boltahe ng RMS sa output ng op amp na nagpapagana ng konektado Sistemang pang-alarma .

Ang C1 at R1 ay nagtatrabaho upang i-bypass ang anumang hindi ginustong signal sa lupa.

Dalawang mga diode ng larawan na D1 at D2 ang ginagamit upang ang system ay aktibo lamang kapag ang mga signal ng IR ay nagambala nang sabay-sabay sa buong D1 at D2. Ang ideya ay maaaring gamitin sa mga lugar kung saan ang mga mahaba lamang na patayong target tulad ng mga tao ang kinakailangang ma-sensed, habang ang mga mas maiikling target tulad ng mga hayop ay maaaring payagan na makapasa nang malaya.

Upang maipatupad ang D1 at D2 na ito ay dapat na mai-install patayo at parallel sa bawat isa, kung saan ang D1 ay maaaring mailagay ng mga paa sa itaas ng lupa, at D2 ilang 3 talampakan sa itaas ng D1 sa isang tuwid na linya.