Điốt quang, Điện trở quang - Mạch làm việc và ứng dụng

Điốt quang và phototransistor là các thiết bị bán dẫn có phần tiếp giáp bán dẫn p-n của chúng tiếp xúc với ánh sáng qua một lớp vỏ trong suốt, để ánh sáng bên ngoài có thể phản ứng và tạo lực dẫn điện qua phần tiếp giáp.

Cách hoạt động của điốt quang

Điốt quang cũng giống như một điốt bán dẫn thông thường (ví dụ 1N4148) bao gồm một điểm tiếp giáp p-n, nhưng nó có điểm tiếp giáp này tiếp xúc với ánh sáng qua một phần thân trong suốt.

Hoạt động của nó có thể được hiểu bằng cách tưởng tượng một diode silicon tiêu chuẩn được kết nối theo kiểu phân cực ngược qua nguồn cung cấp như hình dưới đây.

Trong điều kiện này, không có dòng điện nào chạy qua diode ngoại trừ một số dòng điện rò rỉ rất nhỏ.

Tuy nhiên, giả sử chúng ta có cùng một diode với vỏ ngoài mờ đục bên ngoài được cạo hoặc loại bỏ và được kết nối với nguồn cung cấp phân cực ngược. Điều này sẽ làm cho điểm nối PN của diode tiếp xúc với ánh sáng, và sẽ có một dòng điện chạy qua nó ngay lập tức, để phản ứng với ánh sáng tới.

Điều này có thể dẫn đến một dòng điện tới 1 mA qua diode, gây ra điện áp tăng lên trên R1.

Điốt quang trong hình trên cũng có thể được kết nối ở mặt đất như hình dưới đây. Điều này sẽ tạo ra phản ứng ngược lại, dẫn đến giảm điện áp trên R1, khi điốt quang được chiếu sáng bằng ánh sáng bên ngoài.

Hoạt động của tất cả các thiết bị dựa trên điểm nối P-N là tương tự nhau và sẽ thể hiện tính dẫn quang khi tiếp xúc với ánh sáng.

Biểu tượng sơ đồ của một diode quang có thể được xem dưới đây.

So với tế bào quang cadmium-sulphide hoặc cadmium-selenide như LDRs , điốt quang thường ít nhạy cảm hơn với ánh sáng, nhưng phản ứng của chúng với sự thay đổi ánh sáng nhanh hơn nhiều.

Vì lý do này, các tế bào quang điện như LDR thường được sử dụng trong các ứng dụng liên quan đến ánh sáng nhìn thấy và thời gian phản hồi không cần nhanh chóng. Mặt khác, điốt quang được lựa chọn đặc biệt trong các ứng dụng yêu cầu phát hiện nhanh các đèn hầu hết nằm trong vùng hồng ngoại.

Bạn sẽ tìm thấy các điốt quang trong các hệ thống như mạch điều khiển từ xa hồng ngoại , rơ le ngắt chùm và mạch cảnh báo kẻ xâm nhập .

Có một biến thể khác của photodiode sử dụng chì-sulfua (PbS) và có đặc tính hoạt động khá giống với LDR nhưng được thiết kế để chỉ phản ứng với đèn tầm xa hồng ngoại.

Dịch chuyển quang

Hình ảnh sau đây cho thấy biểu tượng sơ đồ của một phototransistor

Bóng bán dẫn quang thường ở dạng bóng bán dẫn silicon lưỡng cực NPN được gói gọn trong một nắp có lỗ trong suốt.

Nó hoạt động bằng cách cho phép ánh sáng tiếp cận điểm nối PN của thiết bị thông qua lỗ trong suốt. Ánh sáng phản ứng với điểm nối PN tiếp xúc của thiết bị, bắt đầu hoạt động quang dẫn.

Một phototransistor chủ yếu được cấu hình với chân đế của nó không được kết nối như thể hiện trong hai mạch sau.

Trong hình bên trái, kết nối hiệu quả khiến cho phototransistor ở trong tình huống phân cực ngược lại, như vậy bây giờ nó hoạt động giống như một photodiode.

Tại đây, dòng điện được tạo ra do ánh sáng xuyên qua các đầu cực thu của thiết bị được đưa trực tiếp trở lại chân đế của thiết bị, dẫn đến khuếch đại dòng điện bình thường và dòng điện đi ra là đầu ra từ đầu cực thu của thiết bị.

Dòng điện khuếch đại này gây ra một lượng điện áp tương ứng phát triển trên điện trở R1.

Các bóng bán dẫn quang có thể hiển thị lượng dòng điện giống hệt nhau tại chân thu và chân phát của chúng, do kết nối đế mở và điều này ngăn thiết bị khỏi phản hồi tiêu cực.

Do tính năng này, nếu phototransistor được kết nối như thể hiện ở phía bên phải của hình trên với R1 qua bộ phát và mặt đất, kết quả hoàn toàn giống với cấu hình bên trái. Có nghĩa là đối với cả hai cấu hình, điện áp phát triển trên R1 do dẫn truyền phototransistor là tương tự nhau.

Sự khác biệt giữa điốt quang và điện trở quang

Mặc dù nguyên lý hoạt động của hai đối tác là tương tự nhau, nhưng có một vài điểm khác biệt đáng chú ý giữa chúng.

Một diode quang có thể được đánh giá là hoạt động với tần số cao hơn nhiều trong phạm vi hàng chục megahertz, trái ngược với một phototransistor bị giới hạn ở chỉ vài trăm kilohertz.

Sự hiện diện của cực cơ sở trong một phototransistor làm cho nó có lợi hơn so với một photodiode.

Một phototransistor có thể được chuyển đổi để hoạt động giống như một photodiode bằng cách kết nối đế của nó với mặt đất như hình dưới đây, nhưng một phototransistor có thể không có khả năng hoạt động như phototransistor.

Một ưu điểm khác của thiết bị đầu cuối cơ sở là độ nhạy của một phototransistor có thể được thay đổi bằng cách đưa một chiết áp vào bộ phát cơ sở của thiết bị như thể hiện trong hình sau.

Theo cách sắp xếp trên, thiết bị hoạt động giống như một phototransistor có độ nhạy thay đổi, nhưng nếu các kết nối nồi R2 bị loại bỏ, thiết bị hoạt động giống như một phototransistor bình thường, và nếu R2 được nối đất, thì thiết bị sẽ biến thành một photodiode.

Chọn điện trở xu hướng

Trong tất cả các sơ đồ mạch hiển thị ở trên, việc lựa chọn giá trị R1 thường là sự cân bằng giữa độ lợi điện áp và đáp ứng băng thông của thiết bị.

Khi giá trị của R1 tăng lên, độ lợi điện áp tăng lên nhưng dải băng thông hoạt động hữu ích giảm và ngược lại.

Hơn nữa, giá trị của R1 phải sao cho các thiết bị buộc phải hoạt động trong vùng tuyến tính của chúng. Điều này có thể được thực hiện với một số thử nghiệm và sai sót.

Thực tế đối với điện áp hoạt động từ 5V và 12V, bất kỳ giá trị nào từ 1K đến 10K thường là đủ như R1.

Darlington phototransistor

Chúng tương tự như bình thường bóng bán dẫn darlington với cấu trúc bên trong của chúng. Bên trong chúng được chế tạo bằng cách sử dụng hai bóng bán dẫn ghép với nhau như thể hiện trong biểu tượng sơ đồ sau.

Các thông số kỹ thuật về độ nhạy của bóng bán dẫn photodarlington có thể cao hơn xấp xỉ 10 lần so với bóng bán dẫn quang thông thường. Tuy nhiên, tần số làm việc của các thiết bị này thấp hơn so với các loại bình thường và có thể bị hạn chế chỉ trong khoảng 10 kilohertz.

Ứng dụng điện trở quang điốt quang

Ví dụ tốt nhất về ứng dụng photodiode và phototransistor có thể là trong lĩnh vực máy thu tín hiệu sóng ánh sáng hoặc các máy dò trong đường truyền cáp quang.

Sóng ánh sáng đi qua một sợi quang có thể được điều chế hiệu quả bằng cả kỹ thuật tương tự hoặc kỹ thuật số.

Điốt quang và bóng bán dẫn quang cũng được sử dụng rộng rãi để chế tạo các bộ dò trong optocouplers và thiết bị ngắt chùm tia sáng hồng ngoại và các tiện ích cảnh báo kẻ xâm nhập.

Vấn đề trong khi thiết kế các mạch này là cường độ ánh sáng chiếu vào các thiết bị nhạy cảm có thể rất mạnh hoặc yếu, và chúng cũng có thể gặp phải nhiễu bên ngoài dưới dạng ánh sáng nhìn thấy ngẫu nhiên hoặc nhiễu hồng ngoại.

Để khắc phục những vấn đề này, các mạch ứng dụng này thường được vận hành với các liên kết quang có tần số sóng mang hồng ngoại cụ thể. Hơn nữa, phía đầu vào của bộ thu được gia cố bằng bộ tiền khuếch đại để ngay cả những tín hiệu liên kết quang yếu nhất cũng được phát hiện một cách thoải mái, cho phép hệ thống có độ nhạy rộng.

Hai mạch ứng dụng sau đây cho thấy một triển khai dễ dàng có thể được thực hiện bằng cách sử dụng điốt quang thông qua tần số điều chế sóng mang 30 kHz.

đó là mạch cảnh báo điốt quang dựa trên bộ tiền khuếch đại chọn lọc , và sẽ đáp ứng với một dải tần số cụ thể, đảm bảo hệ thống hoạt động tốt.

Trong thiết kế phía trên, L1, C1 và C2 lọc ra tất cả các tần số khác ngoại trừ tần số 30 Hz dự kiến ​​từ liên kết quang học hồng ngoại. Ngay sau khi điều này được phát hiện, nó sẽ được khuếch đại thêm bởi Q1 và đầu ra của nó sẽ hoạt động để phát ra hệ thống báo động.

Ngoài ra, hệ thống có thể được sử dụng để kích hoạt cảnh báo khi liên kết quang học bị cắt. Trong trường hợp này, bóng bán dẫn có thể được duy trì hoạt động vĩnh viễn thông qua tiêu điểm IR 30 Hz trên bóng bán dẫn quang Tiếp theo, đầu ra từ bóng bán dẫn có thể được đảo ngược bằng cách sử dụng một tầng NPN khác để, sự gián đoạn trong chùm tia IR 30 Hz, TẮT Q1, và BẬT bóng bán dẫn NPN thứ hai. Bóng bán dẫn thứ hai này phải được tích hợp thông qua một tụ điện 10uF từ bộ thu của Q2 ở mạch trên.

Hoạt động của mạch thấp hơn tương tự như phiên bản transistor ngoại trừ dải tần số là 20 kHz cho ứng dụng này. Nó cũng là một hệ thống phát hiện bộ tiền khuếch đại chọn lọc được điều chỉnh để phát hiện các tín hiệu IR có tần số điều chế 20 kHz.

Miễn là chùm tia hồng ngoại được điều chỉnh ở 20 kHz vẫn tập trung vào điốt quang, nó sẽ tạo ra điện thế cao hơn trên chân đầu vào đảo ngược2 của op amp, vượt quá đầu ra bộ chia tiềm năng ở chân không đảo ngược của op amp. Điều này làm cho RMS đầu ra từ op amp gần bằng không.

Tuy nhiên, thời điểm chùm tia bị ngắt, gây ra sự sụt giảm điện thế đột ngột tại pin2 và tăng điện thế tại pin3. Điều này ngay lập tức làm tăng điện áp RMS ở đầu ra của amp op kích hoạt kết nối hệ thống báo động .

C1 và R1 được sử dụng để bỏ qua bất kỳ tín hiệu không mong muốn nào đối với mặt đất.

Hai điốt quang D1 và D2 ​​được sử dụng để hệ thống chỉ kích hoạt khi các tín hiệu IR bị ngắt đồng thời trên D1 và D2. Ý tưởng này có thể được sử dụng ở những nơi chỉ có thể cảm nhận được các mục tiêu dài theo chiều dọc như con người, trong khi các mục tiêu ngắn hơn như động vật có thể được phép đi qua tự do.

Để thực hiện điều này, D1 và D2 ​​phải được lắp đặt theo phương thẳng đứng và song song với nhau, trong đó D1 có thể được đặt cao hơn mặt đất một feet và D2 ​​cao hơn D1 một số 3 theo đường thẳng.