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Fotodiodo, Fototransistor – Circuitos de Trabalho e Aplicação

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Fotodiodos e fototransistores são dispositivos semicondutores que têm sua junção semicondutora pn exposta à luz através de uma tampa transparente, de modo que a luz externa possa reagir e forçar uma condução elétrica através da junção.

Como funcionam os fotodiodos

Um fotodiodo é como um diodo semicondutor regular (exemplo 1N4148) consistindo de uma junção pn, mas tem essa junção exposta à luz através de um corpo transparente.

Seu funcionamento pode ser entendido imaginando um diodo de silício padrão conectado de maneira reversa em uma fonte de alimentação, conforme mostrado abaixo.

Nesta condição, nenhuma corrente flui através do diodo, exceto uma corrente de fuga muito pequena.

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No entanto, suponha que temos o mesmo diodo com sua tampa externa opaca raspada ou removida e conectada com uma fonte de polarização reversa. Isso exporá a junção PN do diodo à luz e haverá um fluxo instantâneo de corrente através dela, em resposta à luz incidente.

Isso pode resultar em uma corrente de até 1 mA através do diodo, fazendo com que uma tensão crescente se desenvolva em R1.

O fotodiodo na figura acima também pode ser conectado no lado do terra como mostrado abaixo. Isso produzirá uma resposta oposta, resultando em uma tensão decrescente em R1, quando o fotodiodo for iluminado com luz externa.

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O funcionamento de todos os dispositivos baseados em junção PN é semelhante e exibirá fotocondutividade quando exposto à luz.

O símbolo esquemático de um fotodiodo pode ser visto abaixo.

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Em comparação com as fotocélulas de sulfeto de cádmio ou seleneto de cádmio, como LDRs, os fotodiodos são geralmente menos sensíveis à luz, mas sua resposta às mudanças de luz é muito mais rápida.

Por esta razão, fotocélulas como LDRs são geralmente utilizadas em aplicações que envolvem luz visível, e onde o tempo de resposta não precisa ser rápido. Por outro lado, os fotodiodos são selecionados especificamente em aplicações que exigem detecção rápida de luzes principalmente na região do infravermelho.

Você encontrará fotodiodos em sistemas como circuitos de controle remoto infravermelho, relés de interrupção de feixe e circuitos de alarme de intrusão.

Há outra variante de fotodiodo que usa sulfeto de chumbo (PbS) e sua característica de trabalho é bastante semelhante aos LDRs, mas são projetados para responder apenas às luzes de alcance infravermelho.

Fototransistores

A imagem a seguir mostra o símbolo esquemático de um fototransistor

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O fototransistor é geralmente na forma de um transistor de silício NPN bipolar encapsulado em uma tampa com uma abertura transparente.

Funciona permitindo que a luz alcance a junção PN do dispositivo através da abertura transparente. A luz reage com a junção PN exposta do dispositivo, iniciando a ação de fotocondutividade.

Um fototransistor é configurado principalmente com seu pino base desconectado, conforme mostrado nos dois circuitos a seguir.

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Na figura do lado esquerdo, a conexão efetivamente faz com que o fototransistor esteja na situação de polarização reversa, de modo que agora funciona como um fotodiodo.

Aqui, a corrente gerada devido à luz através dos terminais do coletor de base do dispositivo é realimentada diretamente para a base do dispositivo, resultando na amplificação de corrente normal e a corrente fluindo como saída do terminal do coletor do dispositivo.

Esta corrente amplificada faz com que uma quantidade proporcional de tensão se desenvolva através do resistor R1.

Os fototransistores podem mostrar quantidades idênticas de corrente em seus pinos coletor e emissor, devido a uma conexão de base aberta, e isso evita que o dispositivo receba feedback negativo.

Devido a esse recurso, se o fototransistor for conectado conforme mostrado no lado direito da figura acima com R1 entre emissor e terra, o resultado será exatamente idêntico ao da configuração do lado esquerdo. Significado para ambas as configurações, a tensão desenvolvida em R1 devido à condução do fototransistor é semelhante.

Diferença entre fotodiodo e fototransistor

Embora o princípio de funcionamento seja semelhante para as duas contrapartes, existem algumas diferenças notáveis ​​entre elas.

Um fotodiodo pode ser classificado para trabalhar com frequências muito mais altas na faixa de dezenas de megahertz, em oposição a um fototransistor que é restrito a apenas algumas centenas de kilohertz.

A presença do terminal base em um fototransistor o torna mais vantajoso em comparação com um fotodiodo.

Um fototransistor pode ser convertido para funcionar como um fotodiodo conectando sua base ao terra como mostrado abaixo, mas um fotodiodo pode não ter a capacidade de funcionar como um fototransistor.

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Outra vantagem do terminal de base é que a sensibilidade de um fototransistor pode ser variável através da introdução de um potenciômetro no emissor de base do dispositivo, conforme mostrado na figura a seguir.

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No arranjo acima, o dispositivo funciona como um fototransistor de sensibilidade variável, mas se as conexões do pot R2 forem removidas, o dispositivo agirá como um fototransistor normal e, se R2 estiver em curto com o terra, o dispositivo se transformará em um fotodiodo.

Selecionando o resistor de polarização

Em todos os diagramas de circuito mostrados acima, a seleção do valor de R1 geralmente é um equilíbrio entre o ganho de tensão e a resposta da largura de banda do dispositivo.

À medida que o valor de R1 aumenta, o ganho de tensão aumenta, mas a faixa de largura de banda útil de operação diminui e vice-versa.

Além disso, o valor de R1 deve ser tal que os dispositivos sejam forçados a trabalhar em sua região linear. Isso pode ser feito com algumas tentativas e erros.

Praticamente para tensões de operação de 5V e 12V qualquer valor entre 1K e 10K geralmente é suficiente como R1.

Fototransistores Darlington

Estes são semelhantes a um transistor darlington normal com sua estrutura interna. Internamente, eles são construídos usando dois transistores acoplados um ao outro, conforme mostrado no símbolo esquemático a seguir.

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As especificações de sensibilidade de um transistor photodarlington podem ser aproximadamente 10 vezes maiores que as de um fototransistor normal. No entanto, a frequência de trabalho dessas unidades é menor do que os tipos normais e pode ser restrita a apenas alguns 10s de kilohertz.

Aplicações de Fotodiodo Fototransistor

O melhor exemplo de aplicação de fotodiodo e fototransistor pode ser no campo de receptores de sinais de ondas de luz ou detectores em linhas de transmissão de fibra óptica.

A onda de luz que passa por uma fibra óptica pode ser modulada de forma eficaz tanto por meio de técnicas analógicas quanto digitais.

Fotodiodos e fototransistores também são amplamente utilizados para fazer estágios de detectores em optoacopladores e dispositivos de interrupção de feixe de luz infravermelha e dispositivos de alarme de intrusão.

O problema ao projetar esses circuitos é que a intensidade da luz que incide sobre os dispositivos fotossensíveis pode ser muito forte ou fraca, e também eles podem encontrar distúrbios externos na forma de luzes visíveis aleatórias ou interferência infravermelha.

Para combater esses problemas, esses circuitos de aplicação são normalmente operados com links ópticos com uma frequência de portadora infravermelha específica. Além disso, o lado de entrada do receptor é reforçado com um pré-amplificador para que mesmo os sinais de ligação óptica mais fracos sejam detectados confortavelmente, permitindo que o sistema tenha uma ampla faixa de sensibilidade.

Os dois circuitos de aplicação a seguir mostram como uma implementação infalível pode ser feita usando fotodiodos com frequência de modulação de portadora de 30 kHz.

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Estes são circuitos de alarme de fotodiodo baseados em pré-amplificador seletivo e responderão a uma banda de frequência específica, garantindo uma operação infalível do sistema.

No design superior, L1, C1 e C2 filtram todas as outras frequências, exceto a frequência de 30 Hz pretendida de um link óptico infravermelho. Assim que isso é detectado, é ainda amplificado por Q1, e sua saída torna-se ativa para soar um sistema de alarme.

Alternativamente, o sistema pode ser usado para ativar um alarme quando o link óptico for cortado. Neste caso, o transistor pode ser mantido ativo permanentemente através de um foco IR de 30 Hz no fototransistor. liga o segundo transistor NPN. Este segundo transistor deve ser integrado através de um capacitor de 10uF do coletor de Q2 no circuito superior.

O funcionamento do circuito inferior é semelhante à versão transistorizada, exceto a faixa de frequência que é de 20 kHz para esta aplicação. É também um sistema de detecção de pré-amplificador seletivo sintonizado para detectar sinais IR com uma frequência de modulação de 20 kHz.

Enquanto um feixe IR sintonizado em 20 kHz permanece focado no fotodiodo, ele cria um potencial mais alto no pino de entrada inversor2 do amplificador operacional que excede a saída do divisor de potencial no pino não inversor do amplificador operacional. Isso faz com que o RMS de saída do amplificador operacional seja próximo de zero.

No entanto, no momento em que o feixe é interrompido, provoca uma queda repentina de potencial no pino2 e um aumento de potencial no pino3. Isso aumenta instantaneamente a tensão RMS na saída do amplificador operacional, ativando o sistema de alarme conectado.

C1 e R1 são empregados para desviar qualquer sinal indesejado para o terra.

Dois fotodiodos D1 e D2 são usados ​​para que o sistema seja ativado somente quando os sinais IR forem interrompidos simultaneamente em D1 e D2. A ideia pode ser usada em locais onde apenas alvos verticais longos, como humanos, precisam ser detectados, enquanto alvos mais curtos, como animais, podem passar livremente.

Para implementar este D1 e D2 devem ser instalados verticalmente e paralelos entre si, onde D1 pode ser colocado 30 centímetros acima do solo, e D2 cerca de 3 pés acima de D1 em linha reta.

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FONTE


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