Kanuni ya Utendaji ya Fotodiodi na Fototransistors
Ukuaji wa teknolojia ya kisasa ya kielektroniki hutegemea sana vifaa vya kuhisi vyenye uwezo wa "kuona" mwanga na kuubadilisha kuwa mawimbi ya umeme. Vipengele viwili vinavyotumika sana kwa kusudi hili ni fotodiodi na fototransistori. Vyote viwili ni vya familia ya semiconductors nyeti kwa mwanga, zinazotumika sana katika mifumo ya otomatiki, mawasiliano ya macho, vifaa vya kupimia, na vifaa vya watumiaji kama vile vidhibiti vya mbali, printa, na vitambuzi vya mwanga katika simu za mkononi. Ingawa vyote huitikia mwanga, fotodiodi na fototransistori zina kanuni, sifa, na matumizi tofauti. Makala haya yanajadili kanuni zao za kufanya kazi kwa kina, kuzilinganisha, na kutoa mifano ya matumizi yao.
-
1. Misingi ya Kutambua Mwanga katika Semiconductors
Ili kuelewa fotodiodi na fototransistori, tunahitaji kukumbuka dhana muhimu ya semiconductors: vibebaji chaji, elektroni na mashimo. Mwanga (fotoni) unapogonga nyenzo ya semiconductor, hutia elektroni nguvu, na kuzifanya zisogee kutoka bendi ya valensi hadi bendi ya upitishaji. Mchakato huu huunda jozi za elektroni-mashimo. Kadiri fotoni zinavyofyonzwa zaidi, ndivyo jozi za vibebaji chaji zaidi huundwa, na kuongeza kiwango cha mkondo unaoweza kutiririka.
Jambo muhimu ni: mwanga husababisha mabadiliko katika sifa za umeme za vipengele. Mabadiliko haya yanaweza kuwa katika mfumo wa ongezeko la mkondo, kupungua kwa upinzani, au mwonekano wa volteji. Katika fotodiodi na fototransistori, mabadiliko ya msingi yanaonekana katika mkondo.
-
2. Kanuni ya Utendaji wa Photodiode
a. Muundo na Hali ya Uendeshaji
Photodiode kimsingi ni diode ya PN (au tofauti kama vile PIN na photodiode za avalanches) iliyoundwa ili kuwa nyeti kwa mwanga. Muundo wa PN huunda eneo la kupungua, eneo lisilo na wabebaji wa chaji bila malipo ambao hufanya kazi kama "eneo la kutenganisha" lenye chaji.
Photodiode zinaweza kufanya kazi katika hali kadhaa, lakini zinazotumika sana ni:
1. Hali ya upitishaji mwanga (upendeleo wa kinyume)
Photodiodi ina upendeleo wa kinyume. Eneo la kupungua hupanuka, mwitikio unakuwa wa haraka, uwezo hupungua, na ulinganifu kwa ujumla ni mzuri. Hali hii ni ya kawaida sana kwa vitambuzi na mawasiliano ya macho.
2. Hali ya fotovoltaiki (hakuna upendeleo/upendeleo sifuri)
Photodiodi haziegemei upande wa nje. Mwanga unaoingia hutoa volteji inayofanana na seli ya jua, ingawa ni ndogo. Hii ina faida ya kelele ya chini, na kuifanya ifae kwa vipimo fulani, lakini mwitikio unaweza kuwa wa polepole kuliko upendeleo wa kinyume.
b. Utaratibu wa Kubadilisha Mwanga kuwa Mkondo
Wakati fotodiodi inapowekwa wazi kwa mwanga:
1. Fotoni hufyonzwa katika eneo la kupungua au karibu na makutano.
2. Jozi ya elektroni-shimo huundwa.
3. Sehemu ya ndani ya umeme kwenye makutano hutenganisha jozi:
- Elektroni husukumwa upande wa N
- Shimo limesukumwa upande wa P
4. Mgawanyiko huu wa chaji hutoa mkondo wa mwanga.
Jumla ya mtiririko wa maji kwa kawaida huwa ni mchanganyiko wa:
– Mkondo mweusi: mkondo mdogo unaotiririka hata bila mwanga (kutokana na athari za joto).
– Mkondo wa picha: mkondo unaolingana na nguvu ya mwanga.
Kwa maneno rahisi, kadiri mwanga unavyong'aa zaidi → ndivyo mkondo wa mwanga unavyokuwa mkubwa zaidi.
c. Sifa za Fotodiodi
Baadhi ya sifa muhimu za fotodiodi ni pamoja na:
– Mwitikio wa haraka (unafaa kwa mawimbi ya masafa ya juu)
- Kiwango cha mwangaza kutoka mstari hadi mstari katika safu fulani
– Mkondo wa kutoa ni mdogo ikilinganishwa na fototransista, kwa hivyo mara nyingi huhitaji amplifier (op-amp/amplifier ya transimpedance)
- Kelele na mkondo mweusi ni mambo muhimu katika matumizi ya usahihi.
-
3. Kanuni ya Utendaji wa Fototransista
a. Muundo wa Msingi wa Fototransista
Kimsingi, fototransista ni transista ya BJT (kawaida NPN) ambayo msingi wake huhisi mwanga. Katika fototransista, mwanga hufanya kazi kama "mkondo wa msingi" unaodhibiti mkondo wa mkusanyaji-mtoaji.
Tofauti na fotodiodi, ambazo hutoa mkondo moja kwa moja kutokana na athari ya fotoni, fototransistors hutumia ongezeko la transistor. Kwa sababu ya ongezeko hilo, mkondo wa pato la phototransistor unaweza kuwa mkubwa zaidi.
b. Utaratibu wa Kufanya Kazi: Mwangaza kama Mbadala wa Mkondo wa Msingi
Jinsi inavyofanya kazi inaweza kuelezewa kama ifuatavyo:
1. Mwanga hugonga eneo la msingi-mkusanyaji (kawaida makutano ya BC).
2. Jozi za elektroni-shimo huundwa kutokana na kunyonya kwa fotoni.
3. Athari hii hutoa mkondo mdogo sawa na mkondo wa msingi wa picha.
4. Katika transista ya BJT, mkondo wa mkusanyaji ni takriban:
\[
I_C \takriban \beta \cdot I_B
\]
Kwa kuwa \(I_B \) "imetengenezwa" na mwanga, mwanga utadhibiti \(I_C \).
Kwa hivyo, mabadiliko madogo katika kiwango cha mwanga yanaweza kusababisha mabadiliko makubwa katika mkondo wa mkusanyaji kuliko katika fotodiodi, kutokana na kipengele cha faida \(\beta\).
c. Hali ya Mzunguko na Utekelezaji
Mara nyingi, fototransistors hutumiwa katika hali zifuatazo:
– Kitoaji cha kawaida: mkusanyaji hadi volteji kupitia kipingamizi, utoaji kwenye mkusanyaji. Inapowekwa kwenye mwanga, transistor huwa "Imewashwa" zaidi, volteji ya utoaji hubadilika.
– Mkusanyaji wa kawaida (mfuasi wa mtoaji): matokeo kwenye mtoaji, muhimu kwa baadhi lakini si ya kawaida katika vitambuzi rahisi.
Wakati mwingine fototransistors huondoa pini ya msingi (pini 3), lakini nyingi pia zina pini 2 pekee (msingi wa ndani haupatikani).
d. Sifa za Fototransistors
– Nyeti zaidi (mkondo mkubwa wa kutoa)
– Polepole kuliko fotodiodi kutokana na mchakato wa kuhifadhi chaji na mienendo ya transistor
- Huwa na mwelekeo mdogo wa mstari chini ya hali fulani, hasa karibu na kujaa
- Inafaa kwa ugunduzi wa mwanga/giza, kuhisi vitu, viunganishi vya optocouplers, vihesabu vya mapinduzi, na matumizi rahisi ya udhibiti.
-
4. Ulinganisho wa Photodiode dhidi ya Phototransistor
Hapa kuna muhtasari wa tofauti kuu:
1. Kasi ya majibu
– Photodiode: haraka sana (nzuri kwa mawasiliano ya macho, moduli ya haraka)
– Fototransista: polepole zaidi (inatosha kwa vitambuzi vya jumla)
2. Unyeti / ukuzaji
– Photodiode: mkondo mdogo, mara nyingi unahitaji ukuzaji
– Fototransista: mkondo mkubwa zaidi kutokana na ongezeko la transista
3. Mstari
– Photodiodi: kwa ujumla ni laini zaidi
– Fototransista: inaweza kuwa isiyo ya mstari, iliyojaa kwa urahisi
4. Mfululizo
– Photodiode: mara nyingi huhitaji saketi ya kipaza sauti cha mkondo hadi volteji
– Phototransistor: inaweza kutumika moja kwa moja na kipingamizi rahisi cha mzigo
5. Matumizi
– Photodiodi: mawasiliano ya nyuzinyuzi, vitambuzi vya usahihi, kipimo cha mwanga kilichorekebishwa
- Fototransistors: vigunduzi vya vitu, vitambuzi vya mstari, viunganishi vya optocouplers, swichi za taa
-
5. Mifano ya Matumizi katika Maisha Halisi
1. Kiunganishi cha Opto
Optocouplers nyingi hutumia phototransistors kwa sababu ishara ya kutoa inahitaji kuwa kubwa vya kutosha kuendesha saketi za kidijitali au za kubadili.
2. Kipokezi cha infrared
Katika vipokezi vya IR (remotes), moduli za kipokezi cha IR zenye msingi wa fotodiodi zenye vipaza sauti vya ndani mara nyingi hutumika kwa sababu zinahitaji mwitikio wa haraka kwa urekebishaji (k.m. 38 kHz).
3. Kihisi cha mstari kwenye roboti
Mara nyingi fototransistors hutumiwa na LED za IR kama vipitishi vya kusoma mwangaza kutoka kwenye nyuso nyeusi/nyeupe.
4. Kipima ukubwa wa mwanga
Photodiodi zinafaa zaidi kwa vifaa vinavyohitaji usahihi wa kiwango na ulinganifu.
-
6. Kesimpulan
Photodiode na fototransistori zote hubadilisha mwanga kuwa mawimbi ya umeme, lakini hufanya kazi kwa kutumia mbinu tofauti. Photodiode hutumia uundaji wa jozi za elektroni-shimo kwenye makutano ya PN ili kutoa mkondo wa picha wa kasi na wa mstari kiasi, na kuzifanya ziwe bora kwa matumizi ya kasi ya juu na vipimo vya usahihi. Phototransistori, kwa upande mwingine, hutumia athari za mwanga "kubadilisha" mkondo wa msingi na kisha kuuongeza kupitia ongezeko la transistor, na kuzifanya ziwe nyeti zaidi na rahisi kutumia katika saketi rahisi, ingawa kwa kawaida huwa polepole na haziwi mstari sana.
Kwa kuelewa jinsi zote mbili zinavyofanya kazi, tunaweza kuchagua vipengele sahihi kwa mahitaji yetu: iwe tunatafuta kasi na usahihi (photodiodi) au unyeti na urahisi (phototransistors). Zinapotumika kwa usahihi, zote mbili ni misingi muhimu ya mifumo ya kisasa ya vitambuzi vya macho.
