Fotodiodo, fototransistor – Circuitos de trabalho e aplicação

Fotodiodos e fototransistores são dispositivos semicondutores que têm sua junção semicondutora p-n exposta à luz através de uma concha transparente, para que a luz externa possa reagir e forçar a condução elétrica através da junção.

Como os fotodiodos funcionam

Um fotodiodo é como um diodo semicondutor normal (exemplo 1N4148) que consiste em uma junção p-n, mas tem essa junção exposta à luz através de um corpo transparente.

Sua operação pode ser entendida imaginando-se um diodo de silício padrão conectado em polarização reversa através de uma fonte de suprimento, como mostrado abaixo.

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

fotodiodo fototransistor circuitos de trabalho e aplicacao projetos

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

Isso pode causar uma corrente de até 1 mA através do diodo, causando um aumento de tensão 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 é iluminado pela luz externa.

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A operação de todos os dispositivos baseados em junção P-N é semelhante e exibirá fotocondutividade quando exposta à luz.

O símbolo esquemático de um fotodiodo pode ser visto abaixo.

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

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

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

Existe outra variante do fotodiodo que usa sulfeto de chumbo (PbS) e sua característica operacional é bastante semelhante à dos LDRs, mas foi projetada 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 geralmente está na forma de um transistor bipolar de silicone NPN encapsulado em um compartimento 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 fotocondutora.

Um fototransistor é configurado principalmente com o pino base desconectado, como 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 ele funciona como um fotodiodo.

Aqui, a corrente gerada devido à luz através dos terminais coletores da base do dispositivo é retornada diretamente à base do dispositivo, resultando em amplificação de corrente normal e corrente fluindo conforme a saída do terminal coletor Do dispositivo.

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

Os fototransistores podem exibir quantidades idênticas de corrente nos pinos coletores e emissores, devido a uma conexão de base aberta, e isso impede que o dispositivo receba feedback negativo.

Devido a esse recurso, se o fototransistor estiver conectado, como mostrado no lado direito da figura anterior, com R1 através do emissor e do terra, o resultado será exatamente idêntico ao da configuração do lado esquerdo. Ou seja, para ambas as configurações, a tensão desenvolvida em R1 devido à condução do fototransistor é semelhante.

Diferença entre fotodíodo 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 operar em frequências muito mais altas na faixa de dezenas de megahertz, ao contrário de um fototransistor restrito a apenas algumas centenas de quilohertz.

A presença do terminal base em um fototransistor torna-o 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 base é que a sensibilidade de um fototransistor pode ser variável, introduzindo um potenciômetro através do emissor de base do dispositivo, como 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 potenciômetro R2 forem removidas, o dispositivo funcionará como um fototransistor normal e, se o R2 estiver em curto, o dispositivo se tornará um fotodiodo. .

Seleção de resistência à polarização

Em todos os diagramas de circuitos mostrados acima, a seleção do valor R1 é geralmente 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 útil de largura de banda operacional 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.

Para tensões operacionais praticamente de 5 V e 12 V, qualquer valor entre 1 K e 10 K é geralmente suficiente como R1.

Fototransistores Darlington

Estes são semelhantes a um transistor Darlington normal com sua estrutura interna. Internamente, estes são construídos usando dois transistores acoplados juntos, como mostrado no seguinte símbolo esquemático.

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

Aplicações fototransistor fotodiodo

O melhor exemplo de aplicação de fotodiodos e fototransistores pode estar no campo de receptores ou detectores de sinais de ondas de luz em linhas de transmissão de fibra óptica.

A onda de luz que passa através de uma fibra óptica pode ser modulada efetivamente através de técnicas analógicas e digitais.

Os fotodiodos e fototransistores também são amplamente utilizados para realizar estágios de detectores em acopladores ópticos e dispositivos de interrupção de feixe de luz infravermelha e dispositivos de alarme contra intrusão.

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

Para combater esses problemas, esses circuitos de aplicativos geralmente trabalham com links ópticos que possuem uma frequência portadora de infravermelho específica. Além disso, o lado de entrada do receptor é reforçado com um pré-amplificador para que mesmo os sinais mais fracos do link óptico sejam detectados confortavelmente, permitindo ao sistema uma ampla faixa de sensibilidade.

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

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Estes são circuitos de alarme por fotodíodo baseados em pré-amplificadores seletivos e responderão a uma banda de frequência específica, garantindo a operação do sistema à prova de falhas.

No design superior, L1, C1 e C2 filtram todas as outras frequências, exceto a frequência prevista de 30Hz de um link óptico infravermelho. Assim que isso é detectado, Q1 o amplifica ainda mais, e sua saída é ativada para emitir um sistema de alarme.

Como alternativa, o sistema pode ser usado para disparar um alarme quando o link óptico é cortado. Nesse caso, o transistor pode ser mantido permanentemente ativo por meio de um foco infravermelho de 30 Hz no fototransistor. Em seguida, a saída do transistor pode ser invertida usando outro estágio NPN, para que uma interrupção no feixe de infravermelho de 30 Hz desligue Q1 e ligue o segundo transistor NPN. Esse segundo transistor deve ser integrado através de um capacitor de coletor de 10uF Q2 no circuito superior.

A operação do circuito inferior é semelhante à versão transistorizada, exceto para a faixa de frequência de 20 kHz para esta aplicação. É também um sistema de detecção de pré-amplificador ajustado para detectar sinais de infravermelho que têm uma frequência de modulação de 20 kHz.

Desde que um feixe de infravermelho sintonizado em 20 kHz permaneça focado no fotodiodo, ele cria um potencial maior no pino de entrada inversora do amplificador operacional2 que excede a saída divisória potencial no pino não inversor do amplificador operacional. Isso aproxima a saída RMS do amplificador operacional.

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

C1 e R1 são usados ​​para evitar qualquer sinal indesejado de aterramento.

Dois fotodiodos D1 e D2 são usados ​​para ativar o sistema somente quando os sinais IR são 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 isso, D1 e D2 devem ser instalados verticalmente e paralelos um ao outro, onde D1 pode ser colocado a poucos metros acima do solo e D2 a cerca de 3 pés acima de D1 em uma linha reta.



FONTE

Nota: Este foi traduzido do Inglês para português (auto)

Pode conter erros de tradução

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