Fotodiodo, fototransistor - circuitos de trabalho e de aplicação

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

Como funcionam os fotodiodos

Um fotodiodo é como um diodo semicondutor regular (exemplo 1N4148) consistindo em uma junção p-n, mas tem essa junção exposta à luz por meio de um corpo transparente.

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

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

No entanto, suponha que temos o mesmo diodo com sua tampa opaca externa raspada ou removida e conectada com uma fonte de polarização reversa. Isso irá expor 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 aterramento, conforme mostrado abaixo. Isso produzirá uma resposta oposta, resultando em uma tensão decrescente em R1, quando o fotodiodo for iluminado com luz externa.

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

O símbolo esquemático de um fotodiodo pode ser visto abaixo.

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 esse motivo, fotocélulas como os 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 requerem 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 do 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 infravermelhas.

Fototransistores

A imagem a seguir mostra o símbolo esquemático de um fototransistor

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

Ele 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 da fotocondutividade.

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

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

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

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

Os fototransistores podem mostrar quantidades idênticas de corrente em seus pinos coletores e emissores, devido a uma conexão de base aberta, e isso evita que o dispositivo tenha um feedback negativo.

Devido a esse recurso, se o fototransistor for conectado conforme mostrado no lado direito da figura acima com R1 no emissor e no solo, o resultado é 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 fotodiodo e fototransistor

Embora o princípio de funcionamento seja semelhante para as duas contrapartes, existem algumas diferenças perceptíveis entre eles.

Um fotodiodo pode ser classificado para funcionar com frequências muito mais altas na faixa de dezenas de megahertz, ao contrário de um fototransistor que é restrito a apenas algumas centenas de quilohertz.

A presença do terminal de 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 com o aterramento, conforme mostrado abaixo, mas um fotodiodo pode não ter a capacidade de funcionar como um fototransistor.

Outra vantagem do terminal de base é que a sensibilidade de um fototransistor pode ser tornada variável pela introdução de um potenciômetro através do emissor de base do dispositivo, conforme mostrado na figura a seguir.

No arranjo acima, o dispositivo funciona como um fototransistor de sensibilidade variável, mas se as conexões do potenciômetro R2 forem removidas, o dispositivo atua como um fototransistor normal, e se R2 estiver em curto com o aterramento, então o dispositivo se transforma em um fotodiodo.

Selecionando o resistor de polarização

Em todos os diagramas de circuito 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.

Conforme o valor de R1 aumenta, o ganho de tensão aumenta, mas a faixa de largura de banda operacional útil 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 alguma tentativa e erro.

Praticamente para tensões operacionais 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 normal transistor darlington com sua estrutura interna. Internamente, eles são construídos usando dois transistores acoplados um ao outro, conforme mostrado no seguinte símbolo esquemático.

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

Aplicações de fototransistor fotodiodo

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

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

Fotodiodos e fototransistores também são amplamente usados ​​para fazer estágios de detectores em optoacopladores e dispositivos de interrupção do 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 podem encontrar distúrbios externos na forma de luzes visíveis aleatórias ou interferência infravermelha.

Para evitar esses problemas, esses circuitos de aplicativos 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 o mais fraco dos sinais de link óptico seja detectado confortavelmente, permitindo ao sistema uma ampla faixa de sensibilidade.

Os dois circuitos de aplicativos a seguir mostram como um implementação infalível pode ser feito usando fotodiodos através da freqüência de modulação da portadora de 30 kHz.

Esses são circuitos de alarme fotodiodo baseados em pré-amplificador seletivo , e responderá a uma banda específica de frequência, 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 for detectado, ele é 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 de IR de 30 Hz no fototransistor. Em seguida, a saída do transistor pode ser invertida usando outro estágio NPN de modo que, uma interrupção no feixe de IR de 30 Hz, desligue Q1, e 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 ao da 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 ajustado para detectar sinais de infravermelho com uma frequência de modulação de 20 kHz.

Enquanto um feixe de infravermelho sintonizado em 20 kHz permanece focado no fotodiodo, ele cria um potencial maior no pino 2 de entrada inversora do amplificador operacional que excede a saída do divisor de potencial no pino não inversor do amplificador operacional. Isso faz com que a saída RMS do amplificador operacional fique próxima de zero.

Porém, no momento em que o feixe é interrompido, causa uma queda repentina de potencial no pino 2 e um aumento de potencial no pino 3. Isso aumenta instantaneamente a tensão RMS na saída do amplificador operacional, ativando o sistema de alarme .

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 apenas quando os sinais de IV forem interrompidos simultaneamente em D1 e D2. A ideia pode ser usada em lugares 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, em que D1 pode ser colocado 30 cm acima do solo e D2 cerca de 3 pés acima de D1 em linha reta.