Фотодиодтар мен фототранзисторлардың жұмыс принципі
Қазіргі заманғы электронды технологияның дамуы жарықты «көруге» және оны электрлік сигналдарға түрлендіруге қабілетті сенсорлық құрылғыларға қатты тәуелді. Бұл мақсатта ең көп қолданылатын екі компонент - фотодиодтар мен фототранзисторлар. Екеуі де жарыққа сезімтал жартылай өткізгіштер тұқымдасына жатады, автоматика жүйелерінде, оптикалық байланыста, өлшеу құралдарында және қашықтан басқару пульттерінде, принтерлерде және ұялы телефондардағы жарық сенсорлары сияқты тұтынушы құрылғыларында кеңінен қолданылады. Екеуі де жарыққа жауап берсе де, фотодиодтар мен фототранзисторлардың жұмыс принциптері, сипаттамалары және қолданылуы әртүрлі. Бұл мақалада олардың жұмыс принциптері терең талқыланады, оларды салыстырады және қолданылуының мысалдарын келтіреді.
-
1. Жартылай өткізгіштердегі жарықты сезудің негіздері
Фотодиодтар мен фототранзисторларды түсіну үшін жартылай өткізгіштердің негізгі ұғымын есте сақтауымыз керек: заряд тасымалдаушылар, электрондар және кемтіктер. Жарық (фотондар) жартылай өткізгіш материалға тигенде, олар электрондарды қуаттандырады, бұл олардың валенттік аймақтан өткізгіштік аймаққа ауысуына әкеледі. Бұл процесс электрон-кемтік жұптарын жасайды. Фотондар неғұрлым көп жұтылса, соғұрлым көп заряд тасымалдаушы жұптар пайда болады, бұл ағып кете алатын ток мөлшерін арттырады.
Негізгі мәселе: жарық компоненттердің электрлік қасиеттерінің өзгеруін тудырады. Бұл өзгерістер ток күшінің артуы, кедергінің төмендеуі немесе кернеудің пайда болуы түрінде болуы мүмкін. Фотодиодтар мен фототранзисторларда бастапқы өзгеріс ток күшінде байқалады.
-
2. Фотодиодтың жұмыс принципі
а. Құрылымы және жұмыс істеу режимі
Фотодиод – бұл негізінен жарыққа сезімтал болу үшін жасалған PN диоды (немесе PIN және көшкін фотодиодтары сияқты вариациялар). PN құрылымы зарядталған «бөлу аймағы» сияқты әрекет ететін бос заряд тасымалдаушылардан айырылған, сарқылу аймағын құрайды.
Фотодиодтар бірнеше режимде жұмыс істей алады, бірақ ең көп қолданылатындары:
1. Фотоөткізгіштік режим (кері ығысу)
Фотодиод кері бағытталған. Сарқылу аймағы кеңейеді, жауап жылдамдайды, сыйымдылық төмендейді және сызықтық жалпы алғанда жақсы. Бұл режим сенсорлар мен оптикалық байланыс үшін өте кең таралған.
2. Фотоэлектрлік режим (ауытқу жоқ/нөлдік ауытқу)
Фотодиодтар сыртқы ығысуларға ұшырамайды. Кіріс жарық күн батареясына ұқсас кернеуді тудырады, бірақ ол кішірек. Бұл шудың аздығымен ерекшеленеді, бұл оны белгілі бір өлшеулерге жарамды етеді, бірақ жауап кері ығысуларға қарағанда баяу болуы мүмкін.
b) Жарықты токқа айналдыру механизмі
Фотодиод жарыққа ұшыраған кезде:
1. Фотондар сарқылу аймағында немесе түйіскен жердің жанында жұтылады.
2. Электрон-кемтік жұбы түзіледі.
3. Түйіспедегі ішкі электр өрісі жұпты бөледі:
– Электрондар N жағына итеріледі
– Тесік P жағына қарай итерілген
4. Зарядтың бұл бөлінуі фототокты тудырады.
Жалпы шығыс әдетте келесілердің тіркесімінен тұрады:
– Қараңғы ток: жарықсыз да ағатын шағын ток (жылулық әсерлерге байланысты).
– Фототок: жарық қарқындылығына пропорционалды ток.
Қарапайым тілмен айтқанда, жарық неғұрлым жарқын болса → фототок соғұрлым үлкен болады.
c. Фотодиодтардың сипаттамалары
Фотодиодтардың кейбір маңызды сипаттамаларына мыналар жатады:
– Жылдам жауап (жоғары жиілікті сигналдарға жарамды)
– Белгілі бір диапазондағы сызықтық және жарық қарқындылығы
– Шығу тогы фототранзистормен салыстырғанда салыстырмалы түрде аз, сондықтан ол көбінесе күшейткішті (оп-ампер/трансимпеданс күшейткіші) қажет етеді.
– Дәл қолдануда шу мен қараңғы ток маңызды факторлар болып табылады.
-
3. Фототранзистордың жұмыс принципі
а. Фототранзистордың негізгі құрылымы
Фототранзистор - бұл негізінен BJT (әдетте NPN) транзисторы, оның негізі жарыққа сезімтал. Фототранзисторда жарық коллектор-эмиттер тогын басқаратын «базалық ток» ретінде әрекет етеді.
Фотон эффектісінен тікелей ток тудыратын фотодиодтардан айырмашылығы, фототранзисторлар транзистордың күшейту коэффициентін пайдаланады. Күшейту коэффициентіне байланысты фототранзистордың шығыс тогы әлдеқайда үлкен болуы мүмкін.
b. Жұмыс механизмі: Базалық токтың орнына жарық
Оның қалай жұмыс істейтінін келесідей түсіндіруге болады:
1. Жарық база-коллектор аймағына (әдетте BC түйіспесіне) түседі.
2. Фотонның жұтылуы салдарынан электрон-тесік жұптары пайда болады.
3. Бұл әсер фотобазалық тоққа баламалы аз ток тудырады.
4. BJT транзисторында коллекторлық ток шамамен:
\[
I_C \approx \beta \cdot I_B
\]
\(I_B \) жарықпен «жасалғандықтан», жарық \(I_C \) басқарады.
Нәтижесінде, жарық қарқындылығының шағын өзгерістері күшейту коэффициентіне (бета) байланысты фотодиодқа қарағанда коллекторлық токтың үлкен өзгерістеріне әкелуі мүмкін.
c. Схема режимі және іске асыру
Фототранзисторлар көбінесе келесі режимдерде қолданылады:
– Жалпы эмиттер: коллектордан резистор арқылы кернеуге ауысады, шығыс коллекторда. Жарық түскен кезде транзистор «ҚОСУЛЫ» күйде болады, шығыс кернеуі өзгереді.
– Жалпы коллектор (эмиттер ізбасар): эмиттердегі шығыс, белгілі бір сенсорлар үшін пайдалы, бірақ қарапайым сенсорларда сирек кездеседі.
Кейде фототранзисторларда негізгі түйреуіш алынып тасталады (3 түйреуішті), бірақ көпшілігінде тек 2 түйреуішті болады (ішкі негізге қол жеткізу мүмкін емес).
d. Фототранзисторлардың сипаттамалары
– Сезімталдығы жоғары (шығыс тогы жоғары)
– Зарядты сақтау процесі мен транзистор динамикасына байланысты фотодиодтарға қарағанда баяу
– Кейбір жағдайларда, әсіресе қанығу деңгейіне жақын жағдайларда сызықтық емес болуға бейім
– Жарық/қараңғылықты анықтау, нысанды сезу, оптожұптағыштар, айналу санауыштары және қарапайым басқару қолданбалары үшін жарамды.
-
4. Фотодиодты фототранзистормен салыстыру
Міне, негізгі айырмашылықтардың қысқаша мазмұны:
1. Жауап беру жылдамдығы
– Фотодиод: өте жылдам (оптикалық байланыс, жылдам модуляция үшін жақсы)
– Фототранзистор: баяуырақ (жалпы сенсорлар үшін жеткілікті)
2. Сезімталдық / күшейту
– Фотодиод: аз ток, көбінесе күшейтуді қажет етеді
– Фототранзистор: транзистордың күшейтілуіне байланысты үлкен ток
3. Сызықтық
– Фотодиодтар: әдетте сызықтырақ
– Фототранзистор: сызықты емес, оңай қаныққан болуы мүмкін
4. Серия
– Фотодиод: көбінесе токтан кернеуге дейінгі күшейткіш тізбегін қажет етеді
– Фототранзистор: қарапайым жүктеме резисторымен тікелей пайдалануға болады
5. Қолдану
– Фотодиодтар: талшықты-оптикалық байланыс, дәлдік сенсорлары, калибрленген жарық өлшеуі
– Фототранзисторлар: объект детекторлары, сызықтық сенсорлар, оптожұптағыштар, жарық қосқыштары
-
5. Нақты өмірдегі қолданылу мысалдары
1. Оптожұп
Көптеген оптомуфталар фототранзисторларды пайдаланады, себебі шығыс сигналы сандық немесе коммутациялық тізбектерді басқару үшін жеткілікті үлкен болуы керек.
2. Инфрақызыл қабылдағыш
ИҚ қабылдағыштарда (қашықтан басқару пульттарында) модуляцияға жылдам жауап беруді қажет ететіндіктен (мысалы, 38 кГц), ішкі күшейткіштері бар фотодиодтар немесе фотодиод негізіндегі ИҚ қабылдағыш модульдері жиі қолданылады.
3. Роботтағы сызық сенсоры
Фототранзисторлар көбінесе қара/ақ беттерден жарық шағылысуларын оқу үшін таратқыштар ретінде инфрақызыл жарықдиодтарымен бірге қолданылады.
4. Жарық қарқындылығын өлшегіш
Фотодиодтар қарқындылық дәлдігі мен сызықтықты қажет ететін құрылғыларға қолайлырақ.
-
6. Кесімпулан
Фотодиодтар мен фототранзисторлар жарықты электрлік сигналдарға айналдырады, бірақ олар әртүрлі тәсілдерді қолдана отырып жұмыс істейді. Фотодиодтар PN түйіспесінде электрон-тесік жұптарының пайда болуын пайдаланып, жылдам және салыстырмалы түрде сызықтық фототокты генерациялайды, бұл оларды жоғары жылдамдықты қолданбалар мен дәл өлшеулер үшін өте қолайлы етеді. Екінші жағынан, фототранзисторлар жарықтың әсерін базалық токты «ауыстыру» үшін пайдаланады, содан кейін оны транзистордың күшейту коэффициенті арқылы күшейтеді, бұл оларды қарапайым тізбектерде сезімтал етеді және пайдалануды жеңілдетеді, дегенмен олар әдетте баяу және сызықты емес.
Екеуінің де қалай жұмыс істейтінін түсіну арқылы біз өз қажеттіліктерімізге сәйкес келетін дұрыс компоненттерді таңдай аламыз: жылдамдық пен дәлдікті (фотодиодтар) немесе сезімталдық пен қарапайымдылықты (фототранзисторлар) іздейміз бе. Дұрыс пайдаланылған кезде, екеуі де заманауи оптикалық сенсорлық жүйелердің маңызды негізі болып табылады.
