Fotodiodo, fototransistor - circuiti di lavoro e di applicazione

I fotodiodi e i fototransistor sono dispositivi semiconduttori che hanno la loro giunzione semiconduttrice p-n esposta alla luce attraverso una copertura trasparente, in modo che la luce esterna possa reagire e forzare una conduzione elettrica attraverso la giunzione.

Come funzionano i fotodiodi

Un fotodiodo è proprio come un normale diodo semiconduttore (esempio 1N4148) costituito da una giunzione p-n, ma ha questa giunzione esposta alla luce attraverso un corpo trasparente.

Il suo funzionamento può essere compreso immaginando un diodo al silicio standard collegato in modo polarizzato inverso attraverso una fonte di alimentazione come mostrato di seguito.

In questa condizione, nessuna corrente scorre attraverso il diodo tranne una piccola corrente di dispersione.

Tuttavia, supponiamo di avere lo stesso diodo con la sua copertura opaca esterna raschiata o rimossa e collegata con un'alimentazione di polarizzazione inversa. Ciò esporrà la giunzione PN del diodo alla luce e ci sarà un flusso istantaneo di corrente attraverso di essa, in risposta alla luce incidente.

Ciò può provocare una corrente fino a 1 mA attraverso il diodo, provocando lo sviluppo di una tensione crescente su R1.

Il fotodiodo nella figura sopra può essere collegato anche sul lato terra come mostrato di seguito. Ciò produrrà una risposta opposta, con conseguente diminuzione della tensione su R1, quando il fotodiodo è illuminato con luce esterna.

Il funzionamento di tutti i dispositivi basati sulla giunzione P-N è simile e mostrerà fotoconduttività se esposti alla luce.

Di seguito è possibile vedere il simbolo schematico di un fotodiodo.

Rispetto alle fotocellule al solfuro di cadmio o al seleniuro di cadmio come LDR , i fotodiodi sono generalmente meno sensibili alla luce, ma la loro risposta ai cambiamenti di luce è molto più veloce.

Per questo motivo, le fotocellule come gli LDR vengono generalmente utilizzate in applicazioni che coinvolgono la luce visibile e dove il tempo di risposta non deve essere rapido. D'altra parte, i fotodiodi sono specificamente selezionati in applicazioni che richiedono un rilevamento rapido di luci principalmente nella regione dell'infrarosso.

Troverai fotodiodi in sistemi come circuiti di telecomando a infrarossi , relè interruzione raggio e circuiti di allarme antintrusione .

C'è un'altra variante del fotodiodo che utilizza solfuro di piombo (PbS) e la sua caratteristica di funzionamento è abbastanza simile agli LDR ma sono progettati per rispondere solo alle luci della gamma infrarossa.

Fototransistor

L'immagine seguente mostra il simbolo schematico di un fototransistor

Il fototransistor è generalmente sotto forma di un transistor bipolare NPN al silicio incapsulato in un coperchio con un'apertura trasparente.

Funziona consentendo alla luce di raggiungere la giunzione PN del dispositivo attraverso l'apertura trasparente. La luce reagisce con la giunzione PN esposta del dispositivo, avviando l'azione di fotoconduttività.

Un fototransistor è per lo più configurato con il suo pin di base scollegato come mostrato nei seguenti due circuiti.

Nella figura a sinistra la connessione fa sì che il fototransistor si trovi effettivamente nella situazione di polarizzazione inversa, in modo tale che ora funzioni come un fotodiodo.

Qui, la corrente generata a causa della luce attraverso i terminali del collettore di base del dispositivo viene reimmessa direttamente alla base del dispositivo, determinando la normale amplificazione della corrente e la corrente che fuoriesce come uscita dal terminale del collettore del dispositivo.

Questa corrente amplificata causa lo sviluppo di una quantità proporzionale di tensione attraverso il resistore R1.

I fototransistor possono mostrare quantità identiche di corrente sui pin del collettore e dell'emettitore, a causa di una connessione di base aperta, e questo impedisce al dispositivo un feedback negativo.

A causa di questa caratteristica, se il fototransistor è collegato come mostrato sul lato destro della figura sopra con R1 attraverso l'emettitore e la massa, il risultato è esattamente identico a quello della configurazione sul lato sinistro. Ciò significa che per entrambe le configurazioni la tensione sviluppata su R1 a causa della conduzione del fototransistor è simile.

Differenza tra fotodiodo e fototransistor

Sebbene il principio di funzionamento sia simile per le due controparti, ci sono alcune differenze evidenti tra loro.

Un fotodiodo può essere valutato per funzionare con frequenze molto più alte nella gamma di decine di megahertz, al contrario di un fototransistor che è limitato a poche centinaia di kilohertz.

La presenza del terminale di base in un fototransistor lo rende più vantaggioso rispetto ad un fotodiodo.

Un fototransistor può essere convertito per funzionare come un fotodiodo collegando la sua base con la terra come mostrato di seguito, ma un fotodiodo potrebbe non avere la capacità di funzionare come un fototransistor.

Un altro vantaggio del terminale di base è che la sensibilità di un fototransistor può essere resa variabile introducendo un potenziometro attraverso l'emettitore di base del dispositivo come mostrato nella figura seguente.

Nella disposizione di cui sopra il dispositivo funziona come un fototransistor a sensibilità variabile, ma se le connessioni potenziometriche R2 vengono rimosse, il dispositivo si comporta come un normale fototransistor e se R2 è in corto a massa, il dispositivo si trasforma in un fotodiodo.

Selezione della resistenza di polarizzazione

In tutti gli schemi circuitali mostrati sopra, la selezione del valore R1 è solitamente un equilibrio tra il guadagno di tensione e la risposta della larghezza di banda del dispositivo.

All'aumentare del valore di R1, il guadagno di tensione aumenta ma l'intervallo di larghezza di banda operativa utile diminuisce e viceversa.

Inoltre, il valore di R1 dovrebbe essere tale che i dispositivi siano costretti a lavorare nella loro regione lineare. Questo può essere fatto con alcuni tentativi ed errori.

Praticamente per tensioni di esercizio da 5V e 12V qualsiasi valore compreso tra 1K e 10K è normalmente sufficiente come R1.

Fototransistor Darlington

Questi sono simili a un normale transistor Darlington con la loro struttura interna. Internamente questi sono costruiti utilizzando due transistor accoppiati tra loro come mostrato nel seguente simbolo schematico.

Le specifiche di sensibilità di un transistor fotodarlington possono essere circa 10 volte superiori a quelle di un normale fototransistor. Tuttavia, la frequenza di lavoro di queste unità è inferiore ai tipi normali e può essere limitata a solo alcuni 10 secondi di kilohertz.

Fotodiodo Fototransistor Applicazioni

Il miglior esempio di applicazione di fotodiodi e fototransistor può essere nel campo di ricevitori di segnali a onde luminose o rivelatori in linee di trasmissione in fibra ottica.

L'onda luminosa che passa attraverso una fibra ottica può essere efficacemente modulata sia mediante tecniche analogiche che digitali.

I fotodiodi e i fototransistor sono anche ampiamente utilizzati per realizzare stadi di rivelatori in optoaccoppiatori e dispositivi di interruzione del fascio di luce infrarossa e gadget antifurto.

Il problema durante la progettazione di questi circuiti è che l'intensità della luce che cade sui dispositivi fotosensibili potrebbe essere molto forte o debole, e anche questi possono incontrare disturbi esterni sotto forma di luci visibili casuali o interferenze a infrarossi.

Per contrastare questi problemi, questi circuiti di applicazione vengono normalmente azionati con collegamenti ottici aventi una specifica frequenza portante a infrarossi. Inoltre il lato di ingresso del ricevitore è rinforzato con un preamplificatore in modo che anche il più debole dei segnali di collegamento ottico venga rilevato comodamente, consentendo al sistema una vasta gamma di sensibilità.

I seguenti due circuiti di applicazioni mostrano come a implementazione infallibile può essere fatto utilizzando fotodiodi attraverso una frequenza di modulazione portante di 30 kHz.

Questi sono circuiti di allarme a fotodiodi basati su preamplificatori selettivi e risponderà a una specifica banda di frequenza, garantendo un funzionamento infallibile del sistema.

Nella versione superiore, L1, C1 e C2 filtrano tutte le altre frequenze tranne la frequenza di 30 Hz prevista da un collegamento ottico a infrarossi. Non appena viene rilevato, viene ulteriormente amplificato da Q1 e la sua uscita si attiva per far suonare un sistema di allarme.

In alternativa, il sistema può essere utilizzato per attivare un allarme quando il collegamento ottico viene interrotto. In questo caso il transistor può essere mantenuto attivo permanentemente attraverso un focus IR a 30 Hz sul fototransistor Successivamente, l'uscita dal transistor potrebbe essere invertita utilizzando un altro stadio NPN in modo che, un'interruzione nel raggio IR a 30 Hz, spenga Q1, e accende il secondo transistor NPN. Questo secondo transistor deve essere integrato tramite un condensatore da 10uF dal collettore di Q2 nel circuito superiore.

Il funzionamento del circuito inferiore è simile alla versione transistorizzata tranne che per la gamma di frequenza che è 20 kHz per questa applicazione. È anche un sistema di rilevamento selettivo del preamplificatore sintonizzato per rilevare segnali IR con una frequenza di modulazione di 20 kHz.

Finché un raggio IR sintonizzato a 20 kHz rimane focalizzato sul fotodiodo, crea un potenziale maggiore sull'ingresso invertente pin2 dell'amplificatore operazionale che supera l'uscita del divisore di potenziale sul pin non invertente dell'amplificatore operazionale. Ciò fa sì che l'uscita RMS dall'amplificatore operazionale sia prossima allo zero.

Tuttavia, nel momento in cui il raggio viene interrotto, provoca un'improvvisa caduta di potenziale sul pin2 e un aumento del potenziale sul pin3. Questo aumenta istantaneamente la tensione RMS all'uscita dell'amplificatore operazionale attivando il collegato sistema d'allarme .

C1 e R1 sono impiegati per bypassare qualsiasi segnale indesiderato a massa.

Vengono utilizzati due fotodiodi D1 e D2 in modo che il sistema si attivi solo quando i segnali IR vengono interrotti simultaneamente su D1 e D2. L'idea può essere utilizzata in luoghi in cui è necessario rilevare solo bersagli verticali lunghi come gli umani, mentre i bersagli più corti come gli animali possono essere lasciati passare liberamente.

Per implementare questo, D1 e D2 devono essere installati verticalmente e paralleli l'uno all'altro, in cui D1 può essere posizionato a un piede sopra il suolo e D2 a circa 3 piedi sopra D1 in linea retta.