Els fotodíodes i els fototransistors són dispositius semiconductors que tenen la seva unió semiconductora p-n exposada a la llum a través d’una coberta transparent, de manera que la llum externa pot reaccionar i forçar una conducció elèctrica a través de la unió.
Com funcionen els fotodíodes
Un fotodiode és com un díode semiconductor regular (exemple 1N4148) que consisteix en una unió p-n, però té aquesta unió exposada a la llum a través d’un cos transparent.
El seu funcionament es pot entendre imaginant un díode de silici estàndard connectat de manera polaritzada inversament a través d’una font de subministrament, tal com es mostra a continuació.
En aquesta condició, no circula corrent pel díode, excepte una intensitat de fuita molt petita.
Tot i així, suposem que tenim el mateix díode amb la seva coberta opaca externa rascada o eliminada i connectada amb un subministrament de polarització inversa. Això exposarà la unió PN del díode a la llum i hi haurà un flux instantani de corrent a través d’aquest, en resposta a la llum incident.
Això pot donar lloc a un corrent de fins a 1 mA a través del díode, provocant que es desenvolupi una tensió creixent a través de R1.
El fotodiode de la figura anterior també es pot connectar al terra com es mostra a continuació. Això produirà una resposta oposada, que donarà lloc a una tensió decreixent a través de R1, quan el fotodiode s’il·lumina amb llum externa.
El funcionament de tots els dispositius basats en la unió P-N és similar i presentarà una conductivitat fotogràfica quan estigui exposat a la llum.
El símbol esquemàtic d’un fotodiode es pot veure a continuació.
En comparació amb les fotocèl·lules de sulfur de cadmi o selenur de cadmi com els LDR , els fotodíodes són generalment menys sensibles a la llum, però la seva resposta als canvis de llum és molt més ràpida.
Per aquest motiu, les fotocèl·lules com les LDR s’utilitzen generalment en aplicacions que impliquen llum visible i on el temps de resposta no ha de ser ràpid. D'altra banda, els fotodíodes es seleccionen específicament en aplicacions que requereixen una detecció ràpida de llums, principalment a la regió d'infrarojos.
Trobareu fotodíodes en sistemes com circuits de control remot per infrarojos , relés d 'interrupció de feix i circuits d’alarma d’intrusos .
Hi ha una altra variant del fotodiode que utilitza sulfur de plom (PbS) i que té una característica de treball bastant similar a les LDR, però estan dissenyades per respondre només a les llums de gamma infraroja.
Fototransistors
La següent imatge mostra el símbol esquemàtic d’un fototransistor
El fototransistor generalment té la forma d’un transistor de silici NPN bipolar encapsulat en una coberta amb una obertura transparent.
Funciona permetent que la llum arribi a la unió PN del dispositiu a través de l’obertura transparent. La llum reacciona amb la unió PN exposada del dispositiu, iniciant l'acció de fotoconductivitat.
Un fototransistor es configura principalment amb el seu pin base desconnectat tal com es mostra als dos circuits següents.
A la figura del costat esquerre, la connexió fa que el fototransistor es trobi en situació de polarització inversa, de manera que ara funcioni com un fotodiode.
Aquí, el corrent generat a causa de la llum a través dels terminals del col·lector de base del dispositiu es retroalimenta directament a la base del dispositiu, cosa que resulta en l'amplificació normal del corrent i el corrent que surt com a sortida del terminal del col·lector del dispositiu.
Aquest corrent amplificat fa que es desenvolupi una quantitat proporcional de voltatge a través de la resistència R1.
Els fototransistors poden mostrar quantitats de corrent idèntiques als pins del col·lector i de l'emissor, a causa d'una connexió de base oberta, i això impedeix que el dispositiu tingui una retroalimentació negativa.
A causa d’aquesta característica, si el fototransistor està connectat tal com es mostra a la part dreta de la figura anterior amb R1 a través de l’emissor i la terra, el resultat és exactament idèntic a la configuració del costat esquerre. És a dir, per a les dues configuracions, el voltatge desenvolupat a través de R1 a causa de la conducció del fototransistor és similar.
Diferència entre fotodiode i fototransistor
Tot i que el principi de funcionament és similar per a les dues contraparts, hi ha algunes diferències notables entre elles.
Es pot avaluar que un fotodiode funciona amb freqüències molt més altes en el rang de desenes de megahertzs, a diferència d’un fototransistor que es limita només a uns quants centenars de kilohertz.
La presència del terminal base en un fototransistor el fa més avantatjós en comparació amb un fotodiode.
Es pot convertir un fototransistor perquè funcioni com un fotodiode connectant la seva base a terra com es mostra a continuació, però és possible que un fotodiode no tingui la capacitat de funcionar com un fototransistor.
Un altre avantatge del terminal base és que la sensibilitat d’un fototransistor es pot fer variable introduint un potenciòmetre a través de l’emissor base del dispositiu tal com es mostra a la figura següent.
En la disposició anterior, el dispositiu funciona com un fototransistor de sensibilitat variable, però si s’eliminen les connexions R2 de pot, el dispositiu actua com un fototransistor normal i, si R2 és curt a terra, el dispositiu es converteix en un fotodiode.
Selecció de la resistència de polarització
En tots els diagrames de circuits que es mostren més amunt, la selecció del valor R1 sol ser un equilibri entre el guany de tensió i la resposta d’amplada de banda del dispositiu.
A mesura que s’incrementa el valor de R1, el guany de tensió augmenta, però disminueix el rang d’amplada de banda útil, i viceversa.
A més, el valor de R1 ha de ser tal que els dispositius es vegin obligats a treballar a la seva regió lineal. Això es pot fer amb proves i errors.
Pràcticament per funcionar tensions de 5V i 12V, qualsevol valor entre 1K i 10K sol ser suficient com a R1.
Fototransistors de Darlington
Són similars a un normal transistor Darlington amb la seva estructura interna. Internament, es construeixen mitjançant dos transistors acoblats entre si, tal com es mostra al símbol esquemàtic següent.
Les especificacions de sensibilitat d'un transistor fotodarlington poden ser aproximadament 10 vegades superiors a les d'un fototransistor normal. Tot i això, la freqüència de treball d’aquestes unitats és inferior a la dels tipus normals i pot restringir-se només a uns 10 quilos de kilohertz.
Aplicacions de fototransistor de fotodiode
El millor exemple d 'aplicació de fotodiode i fototransistor es pot trobar en el camp de receptors de senyal d’ona lleugera o detectors en línies de transmissió de fibra òptica.
L'ona de llum que passa a través d'una fibra òptica es pot modular eficaçment tant mitjançant tècniques analògiques com digitals.
Els fotodíodes i els fototransistors també s’utilitzen àmpliament per a la realització d’etapes de detectors optoacopladors i dispositius d’interrupció de feixos de llum infraroja i aparells d’alarma d’intrusos.
El problema en dissenyar aquests circuits és que la intensitat de la llum que cau sobre els dispositius sensibles a la fotografia pot ser molt forta o feble, i també es poden produir pertorbacions externes en forma de llums visibles aleatòries o interferències infraroges.
Per contrarestar aquests problemes, aquests circuits d’aplicació normalment funcionen amb enllaços òptics amb una freqüència de portadora d’infrarojos específica. A més, la cara d'entrada del receptor es reforça amb un preamplificador de manera que fins i tot el més feble dels senyals d'enllaç òptic es detecta còmodament, cosa que permet al sistema una àmplia gamma de sensibilitat.
Els dos circuits d'aplicacions següents mostren com implementació infal·lible es pot fer mitjançant fotodíodes a través de 30 kHz de freqüència de modulació de la portadora.
Aquests són circuits d'alarma de fotodiode basats en un preamplificador selectiu , i respondrà a una banda de freqüència específica, assegurant un funcionament a prova de falles del sistema.
Al disseny superior, L1, C1 i C2 filtren totes les altres freqüències, excepte la freqüència de 30 Hz prevista d’un enllaç òptic d’infrarojos. Tan aviat com es detecta, l'amplifica encara més amb Q1, i la seva sortida esdevé activa per fer sonar un sistema d'alarma.
Com a alternativa, el sistema es podria utilitzar per activar una alarma quan es talla l'enllaç òptic. En aquest cas, el transistor es pot mantenir actiu permanentment a través d’un focus IR de 30 Hz al fototransistor. A continuació, la sortida del transistor es podria invertir mitjançant una altra etapa NPN de manera que, una interrupció del feix IR de 30 Hz, s’APAGA Q1 i activa el segon transistor NPN. Aquest segon transistor s'ha d'integrar a través d'un condensador de 10uF des del col·lector de Q2 al circuit superior.
El funcionament del circuit inferior és similar a la versió transistoritzada, excepte el rang de freqüències que és de 20 kHz per a aquesta aplicació. També és un sistema selectiu de detecció de preamplificadors sintonitzat per detectar senyals IR amb una freqüència de modulació de 20 kHz.
Mentre un feix IR sintonitzat a 20 kHz es mantingui enfocat al fotodiode, crea un potencial més alt al pin2 d’entrada inversor de l’amplificador operatiu que supera la sortida del divisor potencial al pin no inversor de l’amplificador operatiu. Això fa que el RMS de sortida de l'amplificador operatiu sigui proper a zero.
No obstant això, en el moment que el feix s’interromp, provoca una caiguda sobtada de potencial al pin2 i un augment del potencial al pin3. Això augmenta instantàniament la tensió RMS a la sortida de l'amplificador operatiu que activa el connectat sistema d'alarma .
C1 i R1 s’utilitzen per passar per terra qualsevol senyal no desitjat.
S’utilitzen dos díodes fotogràfics D1 i D2 perquè el sistema només s’activi quan els senyals IR s’interrompen simultàniament a través de D1 i D2. La idea es pot utilitzar en llocs on només es requereix que es detectin objectius verticals llargs com els humans, mentre que els objectius més curts, com els animals, poden passar lliurement.
Per implementar aquest D1 i D2 s’han d’instal·lar verticalment i paral·lelament, en el qual D1 es pot col·locar uns peus per sobre del terra i D2 uns 3 peus per sobre de D1 en línia recta.
Anterior: Circuit d’avís de gel per a automòbils Següent: Circuit de simulador de so de rialles
