Virkni ljósdíóða og ljóstransistora
Þróun nútíma rafeindatækni byggir mjög á skynjara sem geta „séð“ ljós og breytt því í rafboð. Tveir algengustu íhlutirnir sem notaðir eru í þessu skyni eru ljósdíóður og ljóstransistorar. Báðir tilheyra fjölskyldu ljósnæmra hálfleiðara, sem eru mikið notaðir í sjálfvirknikerfum, ljósfræðilegum samskiptum, mælitækjum og neytendatækjum eins og fjarstýringum, prenturum og ljósnemum í farsímum. Þó að báðir bregðist við ljósi hafa ljósdíóður og ljóstransistorar mismunandi virkni, eiginleika og notkunarsvið. Þessi grein fjallar ítarlega um virkni þeirra, ber þær saman og gefur dæmi um notkunarsvið þeirra.
-
1. Grunnatriði ljósskynjunar í hálfleiðurum
Til að skilja ljósdíóður og ljóstransistora þurfum við að muna lykilhugtökin um hálfleiðara: hleðsluflutninga, rafeindir og holur. Þegar ljós (fótónur) lenda á hálfleiðaraefni, vekja þau orku úr rafeindum, sem veldur því að þær færast úr gildissviðinu yfir í leiðnisviðið. Þetta ferli býr til rafeinda-holu pör. Því fleiri ljóseindir sem gleypa, því fleiri hleðsluflutninga pör myndast, sem eykur strauminn sem getur flætt.
Lykilatriðið er: ljós veldur breytingum á rafmagnseiginleikum íhluta. Þessar breytingar geta verið í formi aukningar á straumi, minnkun á viðnámi eða spennumyndunar. Í ljósdíóðum og ljóstransistorum sést aðalbreytingin í straumnum.
-
2. Virkni ljósdíóðu
a. Uppbygging og starfsháttur
Ljósdíóða er í raun PN-díóða (eða afbrigði eins og PIN- og snjóflóðaljósdíóða) sem eru hönnuð til að vera ljósnæm. PN-byggingin myndar tæmingarsvæði, svæði án frjálsra hleðslubera sem virkar eins og hlaðið „aðskilnaðarsvæði“.
Ljósdíóður geta virkað í nokkrum stillingum, en þær algengustu eru:
1. Ljósleiðandi stilling (öfug skekkja)
Ljósdíóðan er með öfuga spönnun. Útrýmdarsvæðið víkkar, svörunin verður hraðari, rafrýmdin minnkar og línuleiki er almennt góður. Þessi háttur er mjög algengur fyrir skynjara og ljósleiðarasamskipti.
2. Sólvirk stilling (engin skekkja/núll skekkja)
Ljósdíóður eru ekki með ytri spönn. Innkomandi ljós framleiðir spennu sem er svipuð og sólarsella, þó minni. Þetta hefur þann kost að vera minna hávaði, sem gerir það hentugt fyrir ákveðnar mælingar, en svörunin getur verið hægari en öfug spönn.
b. Verkunarháttur ljósbreytingar í straum
Þegar ljósdíóðan er útsett fyrir ljósi:
1. Ljóseindir frásogast á tæmingarsvæðinu eða nálægt samskeytum.
2. Rafeinda-holupar myndast.
3. Innra rafsviðið við samskeytin aðskilur parið:
- Rafeindir ýtast til N-hliðarinnar
– Gatið ýtt til P-hliðarinnar
4. Þessi hleðsluaðskilnaður framleiðir ljósstraum.
Heildarútstreymið er venjulega sambland af:
– Myrkrastraumur: Lítill straumur sem rennur jafnvel án ljóss (vegna varmaáhrifa).
– Ljósstraumur: straumur sem er í réttu hlutfalli við ljósstyrk.
Einfaldlega sagt, því bjartara sem ljósið er → því meiri er ljósstraumurinn.
c. Einkenni ljósdíóða
Nokkur mikilvæg einkenni ljósdíóða eru meðal annars:
– Hröð svörun (hentar fyrir hátíðnimerki)
– Línulegur ljósstyrkur yfir ákveðið bil
– Útgangsstraumurinn er tiltölulega lítill samanborið við ljóstransistor, þannig að hann þarfnast oft magnara (aðgerðarmagnara/transimpedansmagnara)
– Hávaði og dökkstraumur eru mikilvægir þættir í nákvæmnisforritum.
-
3. Virknisregla ljóstransistors
a. Grunnbygging ljóstransistors
Ljóstransistor er í raun BJT (venjulega NPN) transistor þar sem grunnurinn er ljósnæmur. Í ljóstransistor virkar ljósið sem „grunnstraumur“ sem stýrir safnara-emitter straumnum.
Ólíkt ljósdíóðum, sem mynda straum beint frá ljóseindaáhrifum, nýta ljóstransistorar ávinning smárans. Vegna ávinningsins getur útgangsstraumur ljóstransistorsins verið mun meiri.
b. Virkni: Ljós sem staðgengill fyrir grunnstraum
Hvernig þetta virkar má útskýra á eftirfarandi hátt:
1. Ljós lendir á grunn-safnara svæðinu (venjulega BC samskeytin).
2. Rafeinda-holupör myndast vegna ljóseindagleypni.
3. Þessi áhrif framleiða lítinn straum sem jafngildir ljósgrunnstraumnum.
4. Í BJT smára er safnarastraumurinn um það bil:
\[
I_C \approx \beta \cdot I_B
\]
Þar sem \(I_B \) er „myndað“ af ljósi, mun ljós stjórna \(I_C \).
Þar af leiðandi geta litlar breytingar á ljósstyrk valdið stærri breytingum á safnarastraumi en í ljósdíóðu, vegna styrkingarstuðulsins β.
c. Rásarstilling og framkvæmd
Ljóstransistorar eru oft notaðir í eftirfarandi stillingum:
– Sameiginlegur sendir: Safnari tengist spennu í gegnum viðnám, útgangur við safnarann. Þegar ljós ber á smárann er hann meira „Kveiktur“ og útgangsspennan breytist.
– Sameiginlegur safnari (sendandi fylgjari): úttak við sendinn, gagnlegt í sumum tilfellum en sjaldgæfara í einföldum skynjurum.
Stundum er grunnpinninn fjarlægður í ljóstransistorum (3-pinna), en margir eru líka aðeins með 2-pinna (ekki er aðgengilegur að innri grunninum).
d. Einkenni ljóstransistora
– Næmari (meiri útgangsstraumur)
– Hægari en ljósdíóður vegna hleðslugeymsluferlisins og smárahreyfingarinnar
– Hefur tilhneigingu til að vera minna línulegur við sumar aðstæður, sérstaklega nálægt mettun
– Hentar fyrir ljós-/myrkurskynjun, hlutaskynjun, ljósleiðara, snúningsmæla og einföld stjórntæki.
-
4. Samanburður á ljósdíóðu vs. ljóstransistor
Hér er samantekt á helstu muninum:
1. Svarhraði
– Ljósdíóða: mjög hröð (góð fyrir ljósleiðarasamskipti, hröð mótun)
– Ljóstransistor: hægari (nægilegt fyrir almenna skynjara)
2. Næmi / mögnun
– Ljósdíóða: lítill straumur, þarfnast oft magnunar
– Ljóstransistor: meiri straumur vegna smárastyrkingar
3. Línuleiki
– Ljósdíóður: almennt línulegri
– Ljóstransistor: getur verið ólínulegur, auðveldlega mettaður
4. Röð
– Ljósdíóða: krefst oft straum-til-spennu magnararásar
– Ljóstransistor: Hægt að nota beint með einföldum álagsviðnámi
5. Umsókn
– Ljósdíóður: ljósleiðarasamskipti, nákvæmir skynjarar, kvarðaðar ljósmælingar
– Ljóstransistorar: hlutaskynjarar, línuskynjarar, ljósleiðarar, ljósrofar
-
5. Dæmi um notkun í raunveruleikanum
1. Ljósleiðari
Margir ljósleiðarar nota ljóstransistora vegna þess að útgangsmerkið þarf að vera nógu stórt til að knýja stafrænar eða rofarásir.
2. Innrauð móttakari
Í innrauðum móttökutækjum (fjarstýringum) eru oft notaðar ljósdíóður eða ljósdíóðu-byggðar innrauð móttakaraeiningar með innbyggðum magnurum vegna þess að þær þurfa hraðvirk viðbrögð við mótun (t.d. 38 kHz).
3. Línuskynjari á vélmenninu
Ljóstransistorar eru oft notaðir með innrauðum LED ljósum sem sendar til að lesa ljósendurskin frá svörtum/hvítum yfirborðum.
4. Ljósstyrksmælir
Ljósdíóður henta betur fyrir tæki sem krefjast nákvæmni og línuleika í styrkleika.
-
6. Kesimpulan
Ljósdíóður og ljóstransistorar breyta báðir ljósi í rafboð, en þeir virka með mismunandi aðferðum. Ljósdíóður nýta myndun rafeinda-hola para við PN gatnamót til að mynda hraðan og tiltölulega línulegan ljósstraum, sem gerir þá tilvalda fyrir háhraðaforrit og nákvæmar mælingar. Ljóstransistorar, hins vegar, nota áhrif ljóss til að „skipta út“ grunnstraumnum og magna hann síðan upp með smáranum, sem gerir þá næmari og auðveldari í notkun í einföldum rásum, þó þeir séu yfirleitt hægari og minna línulegir.
Með því að skilja hvernig báðir virka getum við valið réttu íhlutina fyrir þarfir okkar: hvort sem við erum að leita að hraða og nákvæmni (ljósdíóður) eða næmi og einfaldleika (ljóstransistorar). Þegar þeir eru notaðir rétt eru báðir nauðsynlegir grunnþættir nútíma ljósnemakerfa.
