フォトダイオード、フォトトランジスタ–動作回路とアプリケーション回路

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フォトダイオードとフォトトランジスタは、p-n半導体接合が透明なカバーを通して光にさらされる半導体デバイスであるため、外部光が反応して接合を介して電気伝導を強制することができます。

フォトダイオードのしくみ

フォトダイオードは、p-n接合で構成される通常の半導体ダイオード(例1N4148)とまったく同じですが、この接合が透明な物体を通して光にさらされています。



その動作は、以下に示すように、電源全体に逆バイアス方式で接続された標準のシリコンダイオードを想像することで理解できます。

この状態では、ごくわずかなリーク電流を除いて、ダイオードに電流は流れません。



ただし、同じダイオードの外側の不透明なカバーが削られているか取り外されており、逆バイアス電源に接続されているとします。これにより、ダイオードのPN接合が光にさらされ、入射光に応答して、ダイオードを流れる電流が瞬時に流れます。

これにより、ダイオードに1 mAもの電流が流れ、R1の両端に電圧が上昇する可能性があります。

上図のフォトダイオードは、下図のようにアース側にも接続できます。これにより、逆の応答が生成され、フォトダイオードが外部光で照らされると、R1の両端の電圧が低下します。

すべてのP-N接合ベースのデバイスの動作は類似しており、光にさらされると光伝導性を示します。

フォトダイオードの回路図記号は以下のとおりです。

硫化カドミウムまたはセレン化カドミウムフォトセルとの比較 LDRのように 、フォトダイオードは一般に光に対する感度が低くなりますが、光の変化に対する応答ははるかに高速です。

このため、LDRのようなフォトセルは、一般に、可視光を使用するアプリケーションで使用され、応答時間を速くする必要はありません。一方、フォトダイオードは、主に赤外線領域の光を高速で検出する必要があるアプリケーションで特に選択されます。

フォトダイオードは、次のようなシステムにあります。 赤外線リモコン回路 、ビーム遮断リレーおよび 侵入者警報回路

硫化鉛(PbS)を使用するフォトダイオードの別のバリエーションがあり、動作特性はLDRと非常に似ていますが、赤外線レンジライトにのみ応答するように設計されています。

フォトトランジスタ

次の画像は、フォトトランジスタの回路図記号を示しています

フォトトランジスタは、一般に、透明な開口部を備えたカバーにカプセル化されたバイポーラNPNシリコントランジスタの形をしています。

これは、透明な開口部から光がデバイスのPN接合に到達できるようにすることで機能します。光はデバイスの露出したPN接合と反応し、光伝導作用を開始します。

フォトトランジスタは、次の2つの回路に示すように、ほとんどの場合、ベースピンが接続されていない状態で構成されています。

左側の図では、接続によってフォトトランジスタが事実上逆バイアス状態になり、フォトダイオードのように機能するようになります。

ここで、デバイスのベースコレクタ端子間の光によって生成された電流は、デバイスのベースに直接フィードバックされ、通常の電流増幅と、デバイスのコレクタ端子からの出力として電流が流出します。

この増幅された電流により、抵抗R1の両端に比例した量の電圧が発生します。

フォトトランジスタは、ベース接続が開いているため、コレクタピンとエミッタピンで同じ量の電流を示す場合があります。これにより、デバイスが負帰還するのを防ぎます。

この機能により、上の図の右側に示すようにフォトトランジスタがエミッタとグランドの間にR1で接続されている場合、結果は左側の構成の場合とまったく同じになります。両方の構成の意味で、フォトトランジスタの導通によりR1の両端に発生する電圧は類似しています。

フォトダイオードとフォトトランジスタの違い

動作原理は2つの対応するもので類似していますが、それらの間にはいくつかの顕著な違いがあります。

フォトダイオードは、わずか数百キロヘルツに制限されているフォトトランジスタとは対照的に、数十メガヘルツの範囲のはるかに高い周波数で動作するように評価される場合があります。

フォトトランジスタにベース端子が存在することで、フォトダイオードに比べて有利になります。

フォトトランジスタは、下図のようにベースとグランドを接続することでフォトダイオードのように動作するように変換できますが、フォトダイオードはフォトトランジスタのように動作しない場合があります。

ベース端子のもう1つの利点は、次の図に示すように、デバイスのベースエミッタにポテンショメータを導入することでフォトトランジスタの感度を可変にできることです。

上記の配置では、デバイスは可変感度フォトトランジスタのように機能しますが、ポットR2接続が取り外されると、デバイスは通常のフォトトランジスタのように機能し、R2がグランドに短絡されると、デバイスはフォトダイオードに変わります。

バイアス抵抗の選択

上記のすべての回路図で、R1値の選択は通常、デバイスの電圧ゲインと帯域幅応答のバランスです。

R1の値が増加すると、電圧ゲインは増加しますが、有効な動作帯域幅の範囲は減少し、その逆も同様です。

さらに、R1の値は、デバイスが線形領域で動作するように強制されるような値にする必要があります。これは、試行錯誤しながら行うことができます。

実際には、5V〜12Vの動作電圧の場合、R1としては通常1K〜10Kの任意の値で十分です。

ダーリントンフォトトランジスタ

これらは通常に似ています ダーリントントランジスタ それらの内部構造で。内部的には、次の回路図記号に示すように、これらは互いに結合された2つのトランジスタを使用して構築されています。

フォトダーリントントランジスタの感度仕様は、通常のフォトトランジスタの約10倍になる場合があります。ただし、これらのユニットの動作周波数は通常のタイプよりも低く、数十キロヘルツに制限される場合があります。

フォトダイオードフォトトランジスタアプリケーション

フォトダイオードとフォトトランジスタのアプリケーションの最良の例は、 光波信号受信機 または光ファイバー伝送ラインの検出器。

光ファイバを通過する光波は、アナログまたはデジタル技術の両方で効果的に変調できます。

フォトダイオードとフォトトランジスタは、検出器ステージの作成にも広く使用されています。 オプトカプラーと赤外線ビーム遮断装置 侵入者警報ガジェット。

これらの回路を設計する際の問題は、感光性デバイスに当たる光の強度が非常に強いまたは弱い可能性があり、ランダムな可視光または赤外線干渉の形で外乱に遭遇する可能性があることです。

これらの問題に対処するために、これらのアプリケーション回路は通常、特定の赤外線キャリア周波数を持つ光リンクで動作します。さらに、受信機の入力側はプリアンプで補強されているため、光リンク信号の最も弱い信号でも快適に検出され、幅広い感度のシステムが可能になります。

次の2つのアプリケーション回路は、 絶対確実な実装 30kHzのキャリア変調周波数を介してフォトダイオードを使用して行うことができます。

これらは 選択的プリアンプベースのフォトダイオードアラーム回路 、および特定の周波数帯域に応答し、システムの確実な動作を保証します。

上部の設計では、L1、C1、およびC2は、赤外線光リンクから目的の30Hz周波数を除く他のすべての周波数をフィルターで除去します。これが検出されるとすぐに、Q1によってさらに増幅され、その出力は警報システムを鳴らすためにアクティブになります。

あるいは、このシステムを使用して、光リンクが切断されたときにアラームをアクティブにすることもできます。この場合、トランジスタは、フォトトランジスタの30 Hz IRフォーカスによって永続的にアクティブに保たれます。次に、トランジスタからの出力は、別のNPNステージを使用して反転され、30 HzIRビームの中断によってQ1がオフになります。 2番目のNPNトランジスタをオンにします。この2番目のトランジスタは、上部回路のQ2のコレクタから10uFのコンデンサを介して統合する必要があります。

下部回路の機能は、このアプリケーションの周波数範囲が20 kHzであることを除いて、トランジスタバージョンと同様です。また、変調周波数が20kHzのIR信号を検出するように調整された選択的プリアンプ検出システムです。

20 kHzに調整されたIRビームがフォトダイオードに焦点を合わせたままである限り、オペアンプの非反転ピンの分圧器出力を超える、オペアンプの反転入力ピン2に高い電位を生成します。これにより、オペアンプからの出力RMSがほぼゼロになります。

ただし、ビームが遮断された瞬間に、ピン2の電位が急激に低下し、ピン3の電位が上昇します。これにより、オペアンプの出力でRMS電圧が瞬時に上昇し、接続されたオペアンプがアクティブになります。 警報システム

C1とR1は、不要な信号をグランドにバイパスするために使用されます。

2つのフォトダイオードD1とD2が使用されているため、システムは、IR信号がD1とD2で同時に遮断された場合にのみアクティブになります。このアイデアは、人間のような長い垂直ターゲットのみを感知する必要があり、動物のような短いターゲットは自由に通過できる場所で使用できます。

これを実装するには、D1とD2を垂直に、互いに平行に設置する必要があります。ここで、D1は地面から1フィート上に配置し、D2はD1から約3フィート上に直線で配置できます。




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