โฟโตไดโอดโฟโตทรานซิสเตอร์ - วงจรการทำงานและการใช้งาน

โฟโตไดโอดและโฟโตทรานซิสเตอร์เป็นอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ที่มีจุดเชื่อมต่อเซมิคอนดักเตอร์ p-n ซึ่งสัมผัสกับแสงผ่านฝาปิดโปร่งใสเพื่อให้แสงภายนอกสามารถตอบสนองและบังคับให้เกิดการนำไฟฟ้าผ่านทางแยก

โฟโตไดโอดทำงานอย่างไร

โฟโตไดโอดก็เหมือนกับไดโอดเซมิคอนดักเตอร์ทั่วไป (ตัวอย่าง 1N4148) ที่ประกอบด้วยจุดเชื่อมต่อ p-n แต่มีทางแยกนี้ที่สัมผัสกับแสงผ่านตัวโปร่งใส

การทำงานของมันสามารถเข้าใจได้โดยการจินตนาการถึงซิลิกอนไดโอดมาตรฐานที่เชื่อมต่อในรูปแบบที่มีอคติย้อนกลับข้ามแหล่งจ่ายดังที่แสดงด้านล่าง

ในสภาพนี้จะไม่มีกระแสไฟฟ้าไหลผ่านไดโอดยกเว้นกระแสไฟฟ้ารั่วที่มีขนาดเล็กมาก

อย่างไรก็ตามสมมติว่าเรามีไดโอดเดียวกันกับฝาปิดทึบด้านนอกที่ขูดหรือถอดออกและเชื่อมต่อกับแหล่งจ่ายไบอัสย้อนกลับ สิ่งนี้จะทำให้จุดเชื่อมต่อ PN ของไดโอดสว่างขึ้นและจะมีกระแสไหลผ่านทันทีเพื่อตอบสนองต่อแสงที่ตกกระทบ

ซึ่งอาจส่งผลให้กระแสไฟฟ้าผ่านไดโอดมากถึง 1 mA ทำให้เกิดแรงดันไฟฟ้าเพิ่มขึ้นเพื่อพัฒนาข้าม R1

โฟโตไดโอดในรูปด้านบนสามารถเชื่อมต่อที่ด้านกราวด์ดังที่แสดงด้านล่าง สิ่งนี้จะทำให้เกิดการตอบสนองที่ตรงกันข้ามส่งผลให้แรงดันไฟฟ้าลดลงทั่ว R1 เมื่อโฟโตไดโอดสว่างด้วยแสงภายนอก

การทำงานของอุปกรณ์ที่ใช้จุดเชื่อมต่อ P-N ทั้งหมดนั้นคล้ายคลึงกันและจะมีการนำภาพถ่ายเมื่อสัมผัสกับแสง

สัญลักษณ์แผนผังของโฟโตไดโอดสามารถดูได้ด้านล่าง

เมื่อเทียบกับแคดเมียม - ซัลไฟด์หรือโฟโตเซลล์แคดเมียม - ซีลีเนียม เช่น LDR โฟโตไดโอดโดยทั่วไปมีความไวต่อแสงน้อยกว่า แต่การตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงของแสงนั้นเร็วกว่ามาก

ด้วยเหตุนี้โฟโตเซลล์เช่น LDR จึงมักใช้ในแอพพลิเคชั่นที่เกี่ยวข้องกับแสงที่มองเห็นได้และเวลาตอบสนองไม่จำเป็นต้องรวดเร็ว ในทางกลับกันโฟโตไดโอดถูกเลือกโดยเฉพาะในแอพพลิเคชั่นที่ต้องการการตรวจจับแสงอย่างรวดเร็วซึ่งส่วนใหญ่อยู่ในย่านอินฟราเรด

คุณจะพบโฟโตไดโอดในระบบต่างๆเช่น วงจรควบคุมระยะไกลอินฟราเรด , รีเลย์การหยุดชะงักของลำแสงและ วงจรเตือนภัยผู้บุกรุก .

มีโฟโตไดโอดอีกรูปแบบหนึ่งซึ่งใช้ตะกั่ว - ซัลไฟด์ (PbS) และมีลักษณะการทำงานค่อนข้างคล้ายกับ LDR แต่ได้รับการออกแบบมาเพื่อตอบสนองต่อแสงช่วงอินฟราเรดเท่านั้น

โฟโต้ทรานซิสเตอร์

ภาพต่อไปนี้แสดงสัญลักษณ์แผนผังของโฟโตทรานซิสเตอร์

โดยทั่วไปโฟโตทรานซิสเตอร์จะอยู่ในรูปของทรานซิสเตอร์ซิลิกอน NPN สองขั้วที่ห่อหุ้มด้วยฝาปิดที่มีช่องเปิดโปร่งใส

ทำงานโดยปล่อยให้แสงไปถึงทางแยก PN ของอุปกรณ์ผ่านช่องเปิดแบบโปร่งใส แสงจะทำปฏิกิริยากับจุดเชื่อมต่อ PN ที่เปิดอยู่ของอุปกรณ์ซึ่งจะเริ่มต้นการกระทำของการเกิดแสง

โฟโต้ทรานซิสเตอร์ส่วนใหญ่กำหนดค่าโดยไม่ได้เชื่อมต่อขาฐานดังแสดงในสองวงจรต่อไปนี้

ในรูปด้านซ้ายการเชื่อมต่ออย่างมีประสิทธิภาพทำให้โฟโต้ทรานซิสเตอร์อยู่ในสถานการณ์ไบแอสย้อนกลับดังนั้นตอนนี้จึงทำงานเหมือนโฟโตไดโอด

ที่นี่กระแสที่สร้างขึ้นเนื่องจากแสงทั่วขั้วคอลเลกเตอร์ฐานของอุปกรณ์จะถูกป้อนกลับไปที่ฐานของอุปกรณ์โดยตรงส่งผลให้เกิดการขยายกระแสตามปกติและกระแสที่ไหลออกเป็นเอาต์พุตจากเทอร์มินัลตัวเก็บรวบรวมของอุปกรณ์

กระแสไฟฟ้าที่ขยายนี้ทำให้จำนวนแรงดันไฟฟ้าตามสัดส่วนที่จะพัฒนาข้ามตัวต้านทาน R1

โฟโต้ทรานซิสเตอร์อาจแสดงปริมาณกระแสที่เท่ากันที่พินของตัวเก็บรวบรวมและตัวปล่อยเนื่องจากการเชื่อมต่อฐานแบบเปิดและสิ่งนี้จะป้องกันอุปกรณ์จากการตอบสนองเชิงลบ

เนื่องจากคุณสมบัตินี้หากมีการเชื่อมต่อโฟโต้ทรานซิสเตอร์ดังที่แสดงไว้ที่ด้านขวาของรูปด้านบนโดยมี R1 ข้ามตัวปล่อยและกราวด์ผลลัพธ์จะเหมือนกับที่เคยเป็นมาสำหรับการกำหนดค่าด้านซ้าย ความหมายสำหรับทั้งการกำหนดค่าแรงดันไฟฟ้าที่พัฒนาใน R1 เนื่องจากการนำโฟโตทรานซิสเตอร์มีความคล้ายคลึงกัน

ความแตกต่างระหว่างโฟโตไดโอดและโฟโต้ทรานซิสเตอร์

แม้ว่าหลักการทำงานจะคล้ายกันสำหรับทั้งสองคู่ แต่ก็มีความแตกต่างที่เห็นได้ชัดเจนอยู่เล็กน้อย

โฟโตไดโอดอาจได้รับการจัดอันดับให้ทำงานด้วยความถี่ที่สูงกว่ามากในช่วงหลายสิบเมกะเฮิรตซ์เมื่อเทียบกับโฟโตทรานซิสเตอร์ซึ่ง จำกัด ไว้ที่เพียงไม่กี่ร้อยกิโลเฮิร์ตซ์

การมีขั้วฐานในโฟโตทรานซิสเตอร์ทำให้ได้เปรียบมากกว่าเมื่อเทียบกับโฟโตไดโอด

โฟโต้ทรานซิสเตอร์สามารถแปลงให้ทำงานเหมือนโฟโตไดโอดได้โดยเชื่อมต่อฐานกับกราวด์ดังที่แสดงด้านล่าง แต่โฟโตไดโอดอาจไม่มีความสามารถในการทำงานเหมือนโฟโตไดโอด

ข้อดีอีกประการหนึ่งของเทอร์มินัลฐานคือความไวของโฟโตทรานซิสเตอร์สามารถสร้างตัวแปรได้โดยการแนะนำโพเทนชิออมิเตอร์ข้ามตัวปล่อยฐานของอุปกรณ์ดังแสดงในรูปต่อไปนี้

ในการจัดเรียงข้างต้นอุปกรณ์จะทำงานเหมือนโฟโต้ทรานซิสเตอร์ที่มีความไวตัวแปร แต่ถ้าการเชื่อมต่อหม้อ R2 ถูกลบออกอุปกรณ์จะทำหน้าที่เหมือนโฟโต้ทรานซิสเตอร์ปกติและถ้า R2 ถูกลัดวงจรลงกราวด์อุปกรณ์จะเปลี่ยนเป็นโฟโตไดโอด

การเลือกตัวต้านทานการให้น้ำหนัก

ในแผนภาพวงจรทั้งหมดที่แสดงด้านบนการเลือกค่า R1 มักจะเป็นความสมดุลระหว่างการเพิ่มแรงดันไฟฟ้าและการตอบสนองแบนด์วิดท์ของอุปกรณ์

เมื่อค่าของ R1 เพิ่มขึ้นแรงดันไฟฟ้าจะเพิ่มขึ้น แต่ช่วงแบนด์วิดท์การทำงานที่มีประโยชน์จะลดลงและในทางกลับกัน

นอกจากนี้ค่าของ R1 ควรเป็นค่าที่อุปกรณ์ถูกบังคับให้ทำงานในพื้นที่เชิงเส้น ซึ่งสามารถทำได้ด้วยการลองผิดลองถูก

สำหรับแรงดันไฟฟ้าที่ใช้งานได้จริงตั้งแต่ 5V และ 12V ค่าใด ๆ ระหว่าง 1K ถึง 10K มักจะเพียงพอสำหรับ R1

โฟโต้ทรานซิสเตอร์ดาร์ลิงตัน

สิ่งเหล่านี้คล้ายกับปกติ ทรานซิสเตอร์ดาร์ลิงตัน ด้วยโครงสร้างภายใน ภายในสิ่งเหล่านี้สร้างขึ้นโดยใช้ทรานซิสเตอร์สองตัวคู่กันดังแสดงในสัญลักษณ์แผนผังต่อไปนี้

ข้อกำหนดความไวของทรานซิสเตอร์โฟโตดาร์ลิงตันอาจสูงกว่าโฟโตทรานซิสเตอร์ปกติประมาณ 10 เท่า อย่างไรก็ตามความถี่ในการทำงานของหน่วยเหล่านี้ต่ำกว่าประเภทปกติและอาจถูก จำกัด ไว้เพียง 10 วินาทีของกิโลเฮิรตซ์

แอพพลิเคชั่นโฟโตไดโอดโฟโต้ทรานซิสเตอร์

ตัวอย่างที่ดีที่สุดของแอพพลิเคชั่นโฟโตไดโอดและโฟโต้ทรานซิสเตอร์อาจอยู่ในฟิลด์ เครื่องรับสัญญาณ lightwave หรือเครื่องตรวจจับในสายส่งใยแก้วนำแสง

คลื่นแสงที่ผ่านใยแก้วนำแสงสามารถปรับได้อย่างมีประสิทธิภาพทั้งผ่านเทคนิคอะนาล็อกหรือดิจิทัล

โฟโตไดโอดและโฟโตทรานซิสเตอร์ยังใช้กันอย่างแพร่หลายในการสร้างขั้นตอนการตรวจจับใน ออปโตคัปเปลอร์และอุปกรณ์ขัดจังหวะลำแสงอินฟราเรด และอุปกรณ์เตือนภัยผู้บุกรุก

ปัญหาในการออกแบบวงจรเหล่านี้คือความเข้มของแสงที่ตกบนอุปกรณ์ที่ไวต่อภาพถ่ายอาจมีความแรงหรืออ่อนมากและสิ่งเหล่านี้อาจพบสิ่งรบกวนภายนอกในรูปแบบของแสงที่มองเห็นได้แบบสุ่มหรือสัญญาณรบกวนอินฟราเรด

เพื่อแก้ไขปัญหาเหล่านี้โดยปกติแล้ววงจรแอปพลิเคชันเหล่านี้จะทำงานโดยใช้ลิงก์แบบออปติคัลที่มีความถี่พาหะอินฟราเรดเฉพาะ ยิ่งไปกว่านั้นด้านอินพุตของเครื่องรับยังเสริมด้วยพรีแอมพลิฟายเออร์เพื่อให้ตรวจจับสัญญาณเชื่อมต่อแบบออปติคัลที่อ่อนแอที่สุดได้อย่างสะดวกสบายทำให้ระบบมีความไวที่หลากหลาย

วงจรแอ็พพลิเคชันสองรายการต่อไปนี้แสดงให้เห็นว่า a การใช้งานที่เข้าใจผิดได้ สามารถทำได้โดยใช้โฟโตไดโอดผ่านความถี่การมอดูเลตของพาหะ 30 kHz

เหล่านี้คือ วงจรเตือนภัยโฟโตไดโอดแบบพรีแอมพลิไฟเออร์แบบเลือก และจะตอบสนองต่อย่านความถี่เฉพาะเพื่อให้มั่นใจได้ว่าระบบจะทำงานผิดพลาดได้

ในการออกแบบส่วนบน L1, C1 และ C2 จะกรองความถี่อื่น ๆ ออกทั้งหมดยกเว้นความถี่ 30 Hz ที่ตั้งใจไว้จากลิงก์ออปติคัลอินฟราเรด ทันทีที่ตรวจพบสิ่งนี้จะถูกขยายเพิ่มเติมโดย Q1 และเอาต์พุตของมันจะทำงานเพื่อส่งเสียงเตือนระบบ

อีกวิธีหนึ่งคือระบบสามารถใช้เพื่อเปิดใช้งานสัญญาณเตือนเมื่อลิงก์ออปติคัลถูกตัดออก ในกรณีนี้ทรานซิสเตอร์อาจยังคงทำงานอย่างถาวรผ่านโฟกัส IR 30 Hz บนโฟโตทรานซิสเตอร์ถัดไปเอาต์พุตจากทรานซิสเตอร์อาจกลับด้านโดยใช้ขั้นตอน NPN อื่นเพื่อให้ลำแสง IR 30 Hz หยุดชะงัก Q1 และ เปิดทรานซิสเตอร์ NPN ตัวที่สอง ทรานซิสเตอร์ตัวที่สองนี้ต้องรวมผ่านตัวเก็บประจุ 10uF จากตัวสะสมของ Q2 ในวงจรด้านบน

การทำงานของวงจรด้านล่างคล้ายกับรุ่นทรานซิสเตอร์ยกเว้นช่วงความถี่ซึ่งเป็น 20 kHz สำหรับแอปพลิเคชันนี้ นอกจากนี้ยังเป็นระบบตรวจจับพรีแอมพลิไฟเออร์แบบเลือกที่ได้รับการปรับแต่งเพื่อตรวจจับสัญญาณ IR ที่มีความถี่มอดูเลต 20 kHz

ตราบใดที่ลำแสง IR ที่ปรับที่ 20 kHz ยังคงโฟกัสไปที่โฟโตไดโอดมันจะสร้างศักยภาพที่สูงขึ้นบนพินอินพุทอินพุท 2 ของออปแอมป์ซึ่งเกินเอาต์พุตตัวแบ่งที่เป็นไปได้ที่พินที่ไม่กลับด้านของออปแอมป์ สิ่งนี้ทำให้เอาต์พุต RMS จาก op amp อยู่ใกล้ศูนย์

อย่างไรก็ตามในขณะที่ลำแสงถูกขัดจังหวะทำให้ศักย์ลดลงอย่างกะทันหันที่พิน 2 และศักย์เพิ่มขึ้นที่พิน 3 สิ่งนี้จะเพิ่มแรงดัน RMS ทันทีที่เอาต์พุตของ op amp ที่เปิดใช้งานการเชื่อมต่อ ระบบเตือนภัย .

C1 และ R1 ใช้เพื่อข้ามสัญญาณที่ไม่ต้องการลงกราวด์

ใช้ไดโอดภาพถ่ายสองตัว D1 และ D2 เพื่อให้ระบบเปิดใช้งานเมื่อสัญญาณ IR ถูกขัดจังหวะพร้อมกันใน D1 และ D2 แนวคิดนี้สามารถนำไปใช้ในสถานที่ที่ต้องมีการตรวจจับเฉพาะเป้าหมายแนวตั้งยาวเช่นมนุษย์ในขณะที่เป้าหมายที่สั้นกว่าเช่นสัตว์สามารถผ่านได้อย่างอิสระ

ในการใช้งาน D1 และ D2 นี้จะต้องติดตั้งในแนวตั้งและขนานกันโดย D1 อาจวางเท้าเหนือพื้นดินและ D2 สูงกว่า D1 ประมาณ 3 ฟุตเป็นเส้นตรง