포토 다이오드와 포토 트랜지스터는 투명 커버를 통해 빛에 노출 된 pn 반도체 접합을 갖는 반도체 장치로, 외부 빛이 반응하여 접합을 통해 전기 전도를 할 수 있습니다.
포토 다이오드의 작동 원리
포토 다이오드는 p-n 접합으로 구성된 일반 반도체 다이오드 (예 1N4148)와 비슷하지만이 접합부는 투명한 몸체를 통해 빛에 노출됩니다.
아래 그림과 같이 전원 소스에 역 바이어스 방식으로 연결된 표준 실리콘 다이오드를 상상하면 그 작동을 이해할 수 있습니다.
이 상태에서 매우 작은 누설 전류를 제외하고는 다이오드를 통해 전류가 흐르지 않습니다.
그러나 외부 불투명 커버가 긁히거나 제거되고 역 바이어스 전원과 연결된 동일한 다이오드가 있다고 가정합니다. 이것은 다이오드의 PN 접합을 빛에 노출시키고 입사광에 반응하여 전류가 순간적으로 흐를 것입니다.
이로 인해 다이오드를 통해 최대 1mA의 전류가 발생하여 R1에서 전압이 상승 할 수 있습니다.
위 그림의 포토 다이오드는 아래 그림과 같이 접지면에도 연결할 수 있습니다. 이것은 반대 응답을 생성하여 포토 다이오드가 외부 광으로 조명 될 때 R1 양단의 전압을 감소시킵니다.
모든 P-N 접합 기반 장치의 작동은 유사하며 빛에 노출 될 때 광 전도성을 나타냅니다.
포토 다이오드의 회로도 기호는 아래에서 볼 수 있습니다.
카드뮴 황화물 또는 카드뮴 셀레 나이드 광전지와 비교 LDR처럼 , 포토 다이오드는 일반적으로 빛에 덜 민감하지만 빛 변화에 대한 반응이 훨씬 빠릅니다.
이러한 이유로 LDR과 같은 광전지는 일반적으로 가시 광선이 포함되고 응답 시간이 빠를 필요가없는 애플리케이션에 사용됩니다. 반면에 포토 다이오드는 주로 적외선 영역에서 빛을 빠르게 감지해야하는 응용 분야에서 특별히 선택됩니다.
다음과 같은 시스템에서 포토 다이오드를 찾을 수 있습니다. 적외선 원격 제어 회로 , 빔 차단 릴레이 및 침입자 경보 회로 .
납-황화물 (PbS)을 사용하는 광 다이오드의 또 다른 변형이 있으며 작동 특성은 LDR과 매우 유사하지만 적외선 범위 조명에만 반응하도록 설계되었습니다.
포토 트랜지스터
다음 이미지는 포토 트랜지스터의 회로도 기호를 보여줍니다.
포토 트랜지스터는 일반적으로 투명한 개구부가있는 커버에 캡슐화 된 바이폴라 NPN 실리콘 트랜지스터의 형태입니다.
그것은 빛이 투명한 개구부를 통해 장치의 PN 접합에 도달하도록 허용함으로써 작동합니다. 빛은 장치의 노출 된 PN 접합과 반응하여 광전도 작용을 시작합니다.
포토 트랜지스터는 대부분 다음 두 회로에 표시된 것처럼 기본 핀이 연결되지 않은 상태로 구성됩니다.
왼쪽 그림에서 연결은 포토 트랜지스터가 역 바이어스 상태가되게하여 이제 포토 다이오드처럼 작동합니다.
여기에서 장치의베이스 컬렉터 단자를 가로 지르는 빛으로 인해 생성 된 전류는 장치의베이스로 직접 피드백되어 정상적인 전류 증폭과 장치의 컬렉터 단자에서 출력으로 전류가 흘러 나옵니다.
이 증폭 된 전류는 저항 R1에 비례하는 양의 전압을 발생시킵니다.
포토 트랜지스터는 개방 된베이스 연결로 인해 콜렉터 및 이미 터 핀에서 동일한 양의 전류를 표시 할 수 있으며, 이는 장치가 부정적인 피드백을받지 않도록합니다.
이 기능으로 인해 위 그림의 오른쪽과 같이 이미 터와 접지를 가로 질러 R1을 사용하여 포토 트랜지스터를 연결하면 결과는 왼쪽 구성과 동일합니다. 두 구성 모두에서 광 트랜지스터 전도로 인해 R1에서 발생하는 전압은 비슷합니다.
포토 다이오드와 포토 트랜지스터의 차이점
두 상대의 작동 원리는 비슷하지만, 그 사이에는 몇 가지 눈에 띄는 차이점이 있습니다.
포토 다이오드는 수백 킬로 헤르츠로 제한되는 포토 트랜지스터와 달리 수십 메가 헤르츠 범위의 훨씬 더 높은 주파수에서 작동하도록 평가 될 수 있습니다.
포토 트랜지스터에베이스 단자가 있으면 포토 다이오드에 비해 더 유리합니다.
포토 트랜지스터는 아래 그림과 같이베이스를 접지에 연결하여 포토 다이오드처럼 작동하도록 변환 할 수 있지만 포토 다이오드는 포토 트랜지스터처럼 작동하지 못할 수 있습니다.
베이스 단자의 또 다른 장점은 다음 그림과 같이 장치의베이스 이미 터에 전위차계를 도입하여 포토 트랜지스터의 감도를 가변적으로 만들 수 있다는 것입니다.
위의 배열에서 장치는 가변 감도 광 트랜지스터처럼 작동하지만 포트 R2 연결이 제거되면 장치는 일반 광 트랜지스터처럼 작동하고 R2가 접지로 단락되면 장치가 광 다이오드로 바뀝니다.
바이어스 저항 선택
위에 표시된 모든 회로 다이어그램에서 R1 값의 선택은 일반적으로 장치의 전압 이득과 대역폭 응답 간의 균형입니다.
R1의 값이 증가하면 전압 이득은 증가하지만 유용한 작동 대역폭 범위는 감소하고 그 반대의 경우도 마찬가지입니다.
또한 R1의 값은 장치가 선형 영역에서 강제로 작동하도록해야합니다. 이것은 시행 착오를 거쳐 수행 될 수 있습니다.
실제로 5V 및 12V의 작동 전압의 경우 1K에서 10K 사이의 모든 값은 일반적으로 R1으로 충분합니다.
달링턴 광 트랜지스터
이것들은 정상과 유사합니다 달링턴 트랜지스터 내부 구조와 함께. 내부적으로 이들은 다음 회로도 기호에 표시된 것처럼 서로 연결된 두 개의 트랜지스터를 사용하여 구축됩니다.
포토 달링턴 트랜지스터의 감도 사양은 일반 포토 트랜지스터보다 약 10 배 더 높을 수 있습니다. 그러나 이러한 장치의 작동 주파수는 일반 유형보다 낮으며 약 10KHz로만 제한 될 수 있습니다.
포토 다이오드 포토 트랜지스터 애플리케이션
포토 다이오드 및 포토 트랜지스터 응용 분야의 가장 좋은 예는 다음과 같습니다. 광파 신호 수신기 또는 광섬유 전송 라인의 감지기.
광섬유를 통과하는 광파는 아날로그 또는 디지털 기술을 통해 효과적으로 변조 될 수 있습니다.
광 다이오드와 광 트랜지스터는 또한 검출기 단계를 만드는 데 널리 사용됩니다. 옵토 커플러 및 적외선 광선 차단 장치 침입자 경보 장치.
이러한 회로를 설계하는 동안 문제는 감광 장치에 떨어지는 빛의 강도가 매우 강하거나 약할 수 있으며 임의의 가시 광선 또는 적외선 간섭의 형태로 외부 방해를받을 수 있다는 것입니다.
이러한 문제를 해결하기 위해 이러한 애플리케이션 회로는 일반적으로 특정 적외선 반송파 주파수를 갖는 광 링크로 작동됩니다. 또한 수신기의 입력 측은 전치 증폭기로 강화되어 가장 약한 광 연결 신호도 편안하게 감지 할 수있어 광범위한 감도로 시스템을 구현할 수 있습니다.
다음 두 응용 프로그램 회로는 완벽한 구현 30kHz 반송파 변조 주파수를 통해 포토 다이오드를 사용하여 수행 할 수 있습니다.
이것들은 선택적 전치 증폭기 기반 포토 다이오드 경보 회로 , 특정 주파수 대역에 응답하여 시스템의 완벽한 작동을 보장합니다.
상단 설계에서 L1, C1 및 C2는 적외선 광 링크에서 의도 한 30Hz 주파수를 제외한 다른 모든 주파수를 필터링합니다. 이것이 감지 되 자마자 Q1에 의해 추가로 증폭되고 경보 시스템을 울리기 위해 출력이 활성화됩니다.
또는 광학 링크가 차단되었을 때 경보를 활성화하는 데 시스템을 사용할 수 있습니다. 이 경우 트랜지스터는 포토 트랜지스터의 30Hz IR 초점을 통해 영구적으로 활성 상태를 유지할 수 있습니다. 다음으로 트랜지스터의 출력은 다른 NPN 단계를 사용하여 반전되어 30Hz IR 빔이 중단되면 Q1이 꺼지고 두 번째 NPN 트랜지스터를 켭니다. 이 두 번째 트랜지스터는 상위 회로의 Q2 콜렉터에서 10uF 커패시터를 통해 통합되어야합니다.
낮은 회로 기능은이 애플리케이션에서 20kHz의 주파수 범위를 제외하고는 트랜지스터 화 된 버전과 유사합니다. 또한 변조 주파수가 20kHz 인 IR 신호를 감지하도록 튜닝 된 선택적 프리 앰프 감지 시스템입니다.
20kHz로 튜닝 된 IR 빔이 포토 다이오드에 계속 초점을 맞추는 한, 연산 증폭기의 비 반전 핀에서 전위 분배기 출력을 초과하는 연산 증폭기의 반전 입력 핀 2에 더 높은 전위를 생성합니다. 이로 인해 연산 증폭기의 출력 RMS가 거의 0이됩니다.
그러나 빔이 차단되는 순간 핀 2에서 전위가 갑자기 떨어지고 핀 3에서 전위가 증가합니다. 이렇게하면 연산 증폭기의 출력에서 RMS 전압이 즉시 상승하여 연결된 알람 시스템 .
C1 및 R1은 원치 않는 신호를 접지로 우회하는 데 사용됩니다.
두 개의 포토 다이오드 D1 및 D2가 사용되어 D1 및 D2에서 IR 신호가 동시에 중단 될 때만 시스템이 활성화됩니다. 이 아이디어는 인간과 같은 긴 수직 표적 만 감지해야하는 곳에서 사용할 수 있으며 동물과 같은 짧은 표적은 자유롭게 통과 할 수 있습니다.
이를 구현하려면 D1과 D2를 서로 수직으로 평행하게 설치해야합니다. 여기서 D1은지면보다 한 발 위에, D2는 D1보다 약 3 피트 위에 일직선으로 배치 할 수 있습니다.
이전 : 자동차 용 얼음 경고 회로 다음 : 웃음 소리 시뮬레이터 회로
