פוטודיודות ופוטו-טרנזיסטורים הם התקני מוליכים למחצה אשר צומת מוליכים למחצה שלהם p-n חשופים לאור דרך כיסוי שקוף, כך שאור חיצוני יכול להגיב ולכפות הולכה חשמלית דרך הצומת.
כיצד פועלות פוטודיודות
פוטודיודה היא בדיוק כמו דיודת מוליכים למחצה רגילה (דוגמה 1N4148) המורכבת מצומת p-n, אך יש לה צומת זה חשוף לאור דרך גוף שקוף.
ניתן להבין את עבודתו על ידי דמיון של דיודת סיליקון סטנדרטית המחוברת בצורה מוטה הפוכה על פני מקור אספקה כמוצג להלן.
במצב זה, שום זרם לא זורם דרך הדיודה למעט זרם דליפה קטן מאוד.
עם זאת, נניח שיש לנו את אותה דיודה עם הכיסוי האטום החיצוני שלה שנגרד או הוסר ומחובר לאספקת הטיה הפוכה. זה יחשוף את צומת ה- PN של הדיודה לאור, ויהיה זרימה מיידית של זרם דרכה, כתגובה לאור האירוע.
זה עלול לגרום לזרם של עד 1 מילי-אמפר דרך הדיודה, ולגרום למתח עולה להתפתח על פני R1.
את הפוטודיודה באיור לעיל ניתן לחבר גם בצד הקרקע כמוצג להלן. זה ייצור תגובה הפוכה, וכתוצאה מכך מתח יורד על פני R1, כאשר הפוטודיודה מוארת באור חיצוני.
העבודה של כל המכשירים המבוססים על צומת PN היא דומה ותציג מוליכות צילום כאשר היא נחשפת לאור.
ניתן לראות את הסמל הסכמטי של פוטודיודה למטה.
בהשוואה לתאי פוטו קדמיום-סולפיד או קדמיום-סלניד כמו LDR , פוטודיודות בדרך כלל פחות רגישות לאור, אך תגובתן לשינויים באור מהירה בהרבה.
מסיבה זו, בדרך כלל משתמשים בתאי פוטו כמו LDR ביישומים הכוללים אור גלוי, וכי זמן התגובה אינו צריך להיות מהיר. מצד שני, פוטודיודות נבחרות במיוחד ביישומים הדורשים איתור מהיר של אורות בעיקר באזור האינפרא אדום.
תמצאו פוטודיודות במערכות כגון מעגלי שלט רחוק אינפרא אדום , ממסרי הפרעה לקורה ו מעגלי אזעקת פולשים .
יש גרסה נוספת של פוטודיודה המשתמשת בעופרת גופרית (PbS) ושם מאפיין העבודה דומה למדי ל- LDR אך נועד להגיב רק לאורות טווח האינפרא אדום.
פוטו טרנזיסטורים
התמונה הבאה מציגה את הסמל הסכימטי של פוטו טרנזיסטור
הפוטו-טרנזיסטור הוא בדרך כלל בצורה של טרנזיסטור סיליקון דו-קוטבי NPN המקופל בכיסוי עם פתח שקוף.
זה עובד בכך שהוא מאפשר לאור להגיע לצומת PN של המכשיר דרך הפתח השקוף. האור מגיב עם צומת ה- PN החשוף של המכשיר, ויוזם את פעולת המוליכות הפוטו.
פוטו טרנזיסטור מוגדר לרוב כשסיכת הבסיס שלו אינה מחוברת כפי שמוצג בשני המעגלים הבאים.
באיור בצד שמאל החיבור גורם למעשה לפוטוטרנזיסטור להיות במצב הטיה הפוכה, כך שהוא פועל כעת כמו פוטודיודה.
כאן, הזרם שנוצר עקב אור על גבי מסופי אספן הבסיס של המכשיר מוזרם ישירות לבסיס ההתקן, וכתוצאה מכך הגברה הנוכחית הרגילה והזרם זורם החוצה כפלט ממסוף האספן של המכשיר.
זרם מוגבר זה גורם לכמות מתח יחסית להתפתח על פני הנגד R1.
טרנזיסטורים פוטו עשויים להציג כמויות זרם זהות בסיכות האספן והפולט שלהם, בגלל חיבור בסיס פתוח, וזה מונע מהמכשיר משוב שלילי.
בשל תכונה זו, אם הפוטו-טרנזיסטור מחובר כפי שמוצג בצד ימין של הדמות הנ'ל עם R1 על פני הפולט והאדמה, התוצאה זהה לחלוטין כפי שהייתה בתצורת הצד השמאלי. המשמעות עבור שתי התצורות, המתח שפותח על פני R1 עקב הולכת פוטו-טרנזיסטור דומה.
ההבדל בין פוטודיודה לפוטוטרנזיסטור
למרות שעקרון העבודה דומה לשני המקבילים, ישנם כמה הבדלים ניכרים ביניהם.
פוטו-דיודה עשויה להיות מדורגת כך שתעבוד בתדרים גבוהים בהרבה בטווח של עשרות מגה-הרץ, בניגוד לפוטו-טרנזיסטור המוגבל לכמה מאות קילו-הרץ בלבד.
נוכחותו של מסוף הבסיס בפוטו טרנזיסטור הופכת אותו ליתרון יותר בהשוואה לפוטודיודה.
ניתן להמיר פוטו-טרנזיסטור לעבודה כמו פוטודיודה על ידי חיבור בסיסו לקרקע כפי שמוצג להלן, אך ייתכן שלפוטודיודה אין יכולת לעבוד כמו פוטו-טרנזיסטור.
יתרון נוסף של מסוף הבסיס הוא שניתן לשנות את הרגישות של פוטוטרנזיסטור על ידי החדרת פוטנציומטר על פני פולט הבסיס של המכשיר, כפי שמוצג באיור הבא.
בהסדר שלעיל המכשיר עובד כמו פוטוטרנזיסטור בעל רגישות משתנה, אך אם מוסרים חיבורי פוט R2, המכשיר פועל כמו פוטו טרנזיסטור רגיל, ואם R2 מקוצר לקרקע אז המכשיר הופך לפוטודיודה.
בחירת נגד הטיה
בכל דיאגרמות המעגל המוצגות לעיל הבחירה בערך R1 היא בדרך כלל איזון בין תגובת המתח לתגובת רוחב הפס של המכשיר.
כאשר הערך של R1 מוגבר עליית המתח עולה אך טווח רוחב הפס שימושי יורד, ולהיפך.
יתר על כן, הערך של R1 צריך להיות כזה שהמכשירים נאלצים לעבוד באזור הקווי שלהם. ניתן לעשות זאת עם ניסוי וטעייה כלשהו.
כמעט עבור מתח הפעלה מ 5 וולט ו 12 וולט כל ערך בין 1K ל 10K בדרך כלל מספיק כ- R1.
טרנזוטורונים דרלינגטון
אלה דומים לנורמלי טרנזיסטור דרלינגטון עם המבנה הפנימי שלהם. מבפנים אלה בנויים באמצעות שני טרנזיסטורים יחד עם זה כפי שמוצג בסמל הסכימטי הבא.
מפרט הרגישות של טרנזיסטור פוטודרלינגטון עשוי להיות גבוה פי 10 מזה של פוטו טרנזיסטור רגיל. עם זאת, תדירות העבודה של יחידות אלו נמוכה מהסוגים הרגילים, ועלולה להיות מוגבלת רק לכ -10 שנות קילוהרץ.
יישומי פוטו טרנזיסטור פוטודיודה
הדוגמה הטובה ביותר ליישום פוטודיודה ופוטו טרנזיסטור עשויה להיות בתחום מקלטים לאות גלי אור או גלאים בקווי העברת סיבים אופטיים.
ניתן לווסת את גל האור העובר באמצעות סיב אופטי ביעילות הן בטכניקות אנלוגיות והן בטכניקות דיגיטליות.
פוטודיודות וטרנזיסטורים נמצאים בשימוש נרחב גם להכנת שלבים בגלאים מצמדים אופטיים והתקני הפרעה לקרני אור אינפרא אדום וגאדג'טים של אזעקת פולשים.
הבעיה בעת תכנון מעגלים אלה היא שעוצמת האור הנופל על המכשירים הרגישים לצילום יכולה להיות חזקה או חלשה מאוד, וגם אלה עלולים להיתקל בהפרעות חיצוניות בצורה של אורות גלויים אקראיים או הפרעות אינפרא אדום.
כדי להתמודד עם בעיות אלה, מעגלי יישומים אלה מופעלים בדרך כלל עם קישורים אופטיים בעלי תדר אינפרא אדום ספציפי. יתר על כן, צד הקלט של המקלט מחוזק עם מגבר קדם-מגבר כך שאפילו החלש מבין אותות הקישור האופטיים מזוהה בנוחות, מה שמאפשר למערכת עם מגוון רחב של רגישות.
שני מעגלי היישומים הבאים מראים כיצד א יישום חסין שוטים ניתן לעשות זאת באמצעות פוטודיודות באמצעות תדר אפנון מנשא של 30 קילוהרץ.
אלו הם מעגלי אזעקה פוטו-דיודה מבוססי סלקטיבי , ויגיב לרצועת תדרים ספציפית, מה שיבטיח הפעלה חסינת שוטה של המערכת.
בתכנון העליון, L1, C1 ו- C2 מסננים את כל התדרים האחרים למעט תדר 30 הרץ המיועד מקישור אופטי אינפרא אדום. ברגע שזה מתגלה הוא מוגבר עוד יותר על ידי Q1, והפלט שלו הופך פעיל להשמעת מערכת אזעקה.
לחלופין, המערכת יכולה לשמש להפעלת אזעקה כאשר הקישור האופטי מנותק. במקרה זה ניתן לשמור את הטרנזיסטור באופן פעיל דרך מיקוד IR של 30 הרץ על הפוטו-טרנזיסטור. לאחר מכן, ניתן יהיה להפוך את הפלט מהטרנזיסטור באמצעות שלב NPN אחר כך, שהפרעה בקרן ה- IR של 30 הרץ, תכבה את Q1 ו- מפעיל את הטרנזיסטור NPN השני. טרנזיסטור שני זה חייב להשתלב באמצעות קבל 10uF מהקולט של Q2 במעגל העליון.
תפקוד המעגל התחתון דומה לגירסת הטרנזיסטוריזציה למעט טווח התדרים שהוא 20 קילוהרץ ליישום זה. זוהי גם מערכת גילוי מגבר מקדימה סלקטיבית המכוונת לזיהוי אותות IR בעלי תדר אפנון של 20 קילוהרץ.
כל עוד קרן IR המכוונת ב -20 קילוהרץ נותרת ממוקדת בפוטו-דיודה, היא יוצרת פוטנציאל גבוה יותר בסיכת הקלט ההפוכה 2 של מגבר ה- op העולה על תפוקת המחלק הפוטנציאלית בסיכה הלא-הפוכה של מגבר ה- OP. זה גורם לפלט RMS ממגבר ה- OP להיות קרוב לאפס.
עם זאת, ברגע שהקורה נקטעת, גורם לירידה פתאומית של פוטנציאל ב pin2, ולעלייה בפוטנציאל ב pin3. זה מעלה באופן מיידי את מתח ה- RMS ביציאת מגבר ה- OP המפעיל את המחובר מערכת אזעקה .
C1 ו- R1 משמשים כדי לעקוף כל אות לא רצוי לקרקע.
נעשה שימוש בשתי דיודות צילום D1 ו- D2 כך שהמערכת מופעלת רק כאשר אותות ה- IR מופרעים בו זמנית על פני D1 ו- D2. ניתן להשתמש ברעיון במקומות בהם נדרש לחוש רק יעדים אנכיים ארוכים כמו בני אדם, בעוד שאפשר לאפשר למטרות קצרות יותר כמו בעלי חיים לעבור בחופשיות.
כדי ליישם את D1 ו- D2 יש להתקין אנכית ומקבילה זה לזה, כאשר D1 עשוי להיות ממוקם רגליים מעל הקרקע, ו- D2 כ -3 מטרים מעל D1 בקו ישר.
קודם: מעגל אזהרת קרח למכוניות הבא: מעגל סימולטור סאונד צחוק
