Fotodiode, Fototransistor - Arbeits- und Anwendungsschaltungen

Fotodioden und Fototransistoren sind Halbleiterbauelemente, deren pn-Halbleiterübergang durch eine transparente Abdeckung dem Licht ausgesetzt ist, so dass externes Licht reagieren und eine elektrische Leitung durch den Übergang erzwingen kann.

Wie Fotodioden funktionieren

Eine Fotodiode ist genau wie eine normale Halbleiterdiode (Beispiel 1N4148), die aus einem pn-Übergang besteht, aber dieser Übergang ist durch einen transparenten Körper Licht ausgesetzt.

Seine Funktionsweise kann verstanden werden, indem man sich eine Standard-Siliziumdiode vorstellt, die in umgekehrter Vorspannung über eine Versorgungsquelle geschaltet ist, wie unten gezeigt.

In diesem Zustand fließt kein Strom durch die Diode, außer einem sehr kleinen Leckstrom.

Nehmen wir jedoch an, wir haben dieselbe Diode, deren äußere undurchsichtige Abdeckung abgekratzt oder entfernt und mit einer Sperrvorspannungsversorgung verbunden ist. Dadurch wird der PN-Übergang der Diode Licht ausgesetzt, und als Reaktion auf das einfallende Licht fließt sofort Strom durch sie.

Dies kann zu einem Strom von bis zu 1 mA durch die Diode führen, wodurch sich an R1 eine ansteigende Spannung entwickelt.

Die Fotodiode in der obigen Abbildung kann auch auf der Erdungsseite angeschlossen werden, wie unten gezeigt. Dies erzeugt eine entgegengesetzte Reaktion, was zu einer abnehmenden Spannung an R1 führt, wenn die Fotodiode mit externem Licht beleuchtet wird.

Die Arbeitsweise aller auf P-N-Übergängen basierenden Bauelemente ist ähnlich und zeigt eine Lichtleitfähigkeit, wenn sie Licht ausgesetzt werden.

Das schematische Symbol einer Fotodiode ist unten zu sehen.

Im Vergleich zu Cadmiumsulfid- oder Cadmiumselenid-Fotozellen wie LDRs Fotodioden sind im Allgemeinen weniger lichtempfindlich, reagieren jedoch viel schneller auf Lichtänderungen.

Aus diesem Grund werden Fotozellen wie LDRs im Allgemeinen in Anwendungen verwendet, die sichtbares Licht beinhalten und bei denen die Reaktionszeit nicht schnell sein muss. Andererseits werden Fotodioden speziell in Anwendungen ausgewählt, die eine schnelle Detektion von Licht hauptsächlich im Infrarotbereich erfordern.

Sie finden Fotodioden in Systemen wie Infrarot-Fernbedienungsschaltungen , Strahlunterbrechungsrelais und Einbruchalarmkreise .

Es gibt eine andere Variante einer Fotodiode, die Bleisulfid (PbS) verwendet und deren Arbeitseigenschaften den LDRs sehr ähnlich sind, jedoch nur auf Infrarotlichter reagieren.

Fototransistoren

Das folgende Bild zeigt das schematische Symbol eines Fototransistors

Der Fototransistor hat im Allgemeinen die Form eines bipolaren NPN-Siliziumtransistors, der in einer Abdeckung mit einer transparenten Öffnung eingekapselt ist.

Es funktioniert, indem Licht durch die transparente Öffnung zum PN-Übergang des Geräts gelangt. Das Licht reagiert mit dem belichteten PN-Übergang der Vorrichtung und initiiert die Photoleitfähigkeitswirkung.

Ein Fototransistor ist meistens so konfiguriert, dass sein Basisstift nicht angeschlossen ist, wie in den folgenden beiden Schaltungen gezeigt.

In der Abbildung auf der linken Seite bewirkt die Verbindung effektiv, dass sich der Fototransistor in der Sperrvorspannungssituation befindet, so dass er jetzt wie eine Fotodiode funktioniert.

Hier wird der durch Licht an den Basiskollektoranschlüssen des Geräts erzeugte Strom direkt zur Basis des Geräts zurückgeführt, was zu einer normalen Stromverstärkung und einem Stromfluss als Ausgang vom Kollektoranschluss des Geräts führt.

Dieser verstärkte Strom bewirkt, dass sich über dem Widerstand R1 eine proportionale Spannungsmenge entwickelt.

Fototransistoren können aufgrund einer offenen Basisverbindung identische Strommengen an ihren Kollektor- und Emitterstiften anzeigen, was eine negative Rückkopplung des Geräts verhindert.

Aufgrund dieses Merkmals ist das Ergebnis genau identisch, wenn der Fototransistor wie auf der rechten Seite der obigen Abbildung gezeigt mit R1 über Emitter und Masse verbunden ist, wie bei der Konfiguration auf der linken Seite. Für beide Konfigurationen bedeutet dies, dass die an R1 aufgrund der Fototransistorleitung entwickelte Spannung ähnlich ist.

Unterschied zwischen Fotodiode und Fototransistor

Obwohl das Arbeitsprinzip für die beiden Gegenstücke ähnlich ist, gibt es einige bemerkenswerte Unterschiede zwischen ihnen.

Eine Fotodiode kann so ausgelegt sein, dass sie mit viel höheren Frequenzen im Bereich von zehn Megahertz arbeitet, im Gegensatz zu einem Fototransistor, der auf nur einige hundert Kilohertz beschränkt ist.

Das Vorhandensein des Basisanschlusses in einem Fototransistor macht ihn im Vergleich zu einer Fotodiode vorteilhafter.

Ein Fototransistor kann so umgewandelt werden, dass er wie eine Fotodiode funktioniert, indem seine Basis wie unten gezeigt mit Masse verbunden wird. Eine Fotodiode kann jedoch möglicherweise nicht wie ein Fototransistor arbeiten.

Ein weiterer Vorteil des Basisanschlusses besteht darin, dass die Empfindlichkeit eines Fototransistors variabel gemacht werden kann, indem ein Potentiometer über den Basisemitter des Geräts eingeführt wird, wie in der folgenden Abbildung gezeigt.

In der obigen Anordnung arbeitet das Gerät wie ein Fototransistor mit variabler Empfindlichkeit, aber wenn die Poti-R2-Verbindungen entfernt werden, verhält sich das Gerät wie ein normaler Fototransistor, und wenn R2 gegen Masse kurzgeschlossen wird, verwandelt sich das Gerät in eine Fotodiode.

Auswahl des Vorspannungswiderstands

In allen oben gezeigten Schaltplänen ist die Auswahl des R1-Werts normalerweise ein Gleichgewicht zwischen Spannungsverstärkung und Bandbreitenantwort des Geräts.

Wenn der Wert von R1 erhöht wird, nimmt die Spannungsverstärkung zu, aber der nützliche Betriebsbandbreitenbereich nimmt ab und umgekehrt.

Darüber hinaus sollte der Wert von R1 so sein, dass die Geräte gezwungen sind, in ihrem linearen Bereich zu arbeiten. Dies kann mit etwas Versuch und Irrtum erfolgen.

Praktisch für Betriebsspannungen von 5 V und 12 V ist normalerweise jeder Wert zwischen 1 K und 10 K als R1 ausreichend.

Darlington Fototransistoren

Diese ähneln einem normalen Darlington-Transistor mit ihrer inneren Struktur. Intern werden diese unter Verwendung von zwei miteinander gekoppelten Transistoren aufgebaut, wie im folgenden schematischen Symbol gezeigt.

Die Empfindlichkeitsspezifikationen eines Photodarlington-Transistors können ungefähr zehnmal höher sein als die eines normalen Fototransistors. Die Arbeitsfrequenz dieser Einheiten ist jedoch niedriger als die normalen Typen und kann auf nur etwa 10 Kilohertz beschränkt sein.

Fotodioden-Fototransistor-Anwendungen

Das beste Beispiel für die Anwendung von Fotodioden und Fototransistoren kann im Bereich von liegen Lichtwellensignalempfänger oder Detektoren in Glasfaserübertragungsleitungen.

Die Lichtwelle, die über eine optische Faser läuft, kann sowohl durch analoge als auch durch digitale Techniken effektiv moduliert werden.

Fotodioden und Fototransistoren werden auch häufig verwendet, um Detektorstufen einzuschalten Optokoppler und Infrarotlichtstrahlunterbrechungsgeräte und Einbruchalarmgeräte.

Das Problem beim Entwerfen dieser Schaltungen besteht darin, dass die Intensität des auf die lichtempfindlichen Geräte fallenden Lichts sehr stark oder schwach sein kann und dass auch externe Störungen in Form von zufällig sichtbarem Licht oder Infrarotstörungen auftreten können.

Um diesen Problemen entgegenzuwirken, werden diese Anwendungsschaltungen normalerweise mit optischen Verbindungen mit einer bestimmten Infrarot-Trägerfrequenz betrieben. Darüber hinaus ist die Eingangsseite des Empfängers mit einem Vorverstärker verstärkt, so dass selbst das schwächste der optischen Verbindungssignale bequem erkannt wird, was dem System einen weiten Empfindlichkeitsbereich ermöglicht.

Die folgenden zwei Anwendungsschaltungen zeigen, wie a kinderleichte Implementierung kann unter Verwendung von Fotodioden mit einer Trägermodulationsfrequenz von 30 kHz durchgeführt werden.

Diese sind selektive Fotodioden-Alarmschaltungen auf Vorverstärkerbasis und reagiert auf ein bestimmtes Frequenzband, um einen kinderleichten Betrieb des Systems zu gewährleisten.

Im oberen Design filtern L1, C1 und C2 alle anderen Frequenzen mit Ausnahme der beabsichtigten 30-Hz-Frequenz aus einer optischen Infrarotverbindung heraus. Sobald dies erkannt wird, wird es durch Q1 weiter verstärkt und sein Ausgang wird aktiv, um ein Alarmsystem auszulösen.

Alternativ könnte das System zum Aktivieren eines Alarms verwendet werden, wenn die optische Verbindung unterbrochen wird. In diesem Fall kann der Transistor durch einen 30-Hz-IR-Fokus auf dem Fototransistor dauerhaft aktiv gehalten werden. Als nächstes könnte der Ausgang des Transistors unter Verwendung einer anderen NPN-Stufe invertiert werden, so dass eine Unterbrechung im 30-Hz-IR-Strahl Q1 ausschaltet und schaltet den zweiten NPN-Transistor ein. Dieser zweite Transistor muss durch einen 10uF-Kondensator vom Kollektor von Q2 in der oberen Schaltung integriert werden.

Die Funktion des unteren Schaltkreises ähnelt der Transistorversion mit Ausnahme des Frequenzbereichs, der für diese Anwendung 20 kHz beträgt. Es ist auch ein selektives Vorverstärker-Erkennungssystem, das auf die Erkennung von IR-Signalen mit einer Modulationsfrequenz von 20 kHz abgestimmt ist.

Solange ein auf 20 kHz abgestimmter IR-Strahl auf die Fotodiode fokussiert bleibt, erzeugt er am invertierenden Eingangspin2 des Operationsverstärkers ein höheres Potential, das den Potentialteilerausgang am nichtinvertierenden Pin des Operationsverstärkers überschreitet. Dies bewirkt, dass der Effektivwert des Operationsverstärkers nahe Null ist.

Der Moment, in dem der Strahl unterbrochen wird, verursacht jedoch einen plötzlichen Potentialabfall an Pin2 und einen Potentialanstieg an Pin3. Dies erhöht sofort die Effektivspannung am Ausgang des Operationsverstärkers, der den angeschlossenen aktiviert Alarmsystem .

C1 und R1 werden verwendet, um unerwünschte Signale gegen Masse zu umgehen.

Es werden zwei Fotodioden D1 und D2 verwendet, so dass das System nur aktiviert wird, wenn die IR-Signale gleichzeitig über D1 und D2 unterbrochen werden. Die Idee kann an Orten verwendet werden, an denen nur lange vertikale Ziele wie Menschen erfasst werden müssen, während kürzere Ziele wie Tiere frei passieren dürfen.

Um dies zu implementieren, müssen D1 und D2 vertikal und parallel zueinander installiert werden, wobei D1 einen Fuß über dem Boden und D2 etwa 3 Fuß über D1 in einer geraden Linie platziert werden kann.