Los fotodiodos y fototransistores son dispositivos semiconductores que tienen su unión semiconductora p-n expuesta a la luz a través de una cubierta transparente, de modo que la luz externa puede reaccionar y forzar una conducción eléctrica a través de la unión.
Cómo funcionan los fotodiodos
Un fotodiodo es como un diodo semiconductor regular (ejemplo 1N4148) que consta de una unión p-n, pero esta unión está expuesta a la luz a través de un cuerpo transparente.
Su funcionamiento puede entenderse imaginando un diodo de silicio estándar conectado con polarización inversa a través de una fuente de suministro como se muestra a continuación.
En esta condición, no fluye corriente a través del diodo, excepto una pequeña corriente de fuga.
Sin embargo, supongamos que tenemos el mismo diodo con su cubierta opaca exterior raspada o retirada y conectada con una fuente de polarización inversa. Esto expondrá la unión PN del diodo a la luz y habrá un flujo instantáneo de corriente a través de ella, en respuesta a la luz incidente.
Esto puede resultar en una corriente de hasta 1 mA a través del diodo, lo que hace que se desarrolle un voltaje creciente en R1.
El fotodiodo en la figura anterior también se puede conectar en el lado de tierra como se muestra a continuación. Esto producirá una respuesta opuesta, lo que resultará en un voltaje decreciente en R1, cuando el fotodiodo se ilumina con luz externa.
El funcionamiento de todos los dispositivos basados en empalmes P-N es similar y exhibirán fotoconductividad cuando se exponen a la luz.
El símbolo esquemático de un fotodiodo se puede ver a continuación.
En comparación con las fotocélulas de sulfuro de cadmio o seleniuro de cadmio como LDR , los fotodiodos son generalmente menos sensibles a la luz, pero su respuesta a los cambios de luz es mucho más rápida.
Por esta razón, las fotocélulas como las LDR se utilizan generalmente en aplicaciones que involucran luz visible y donde el tiempo de respuesta no necesita ser rápido. Por otro lado, los fotodiodos se seleccionan específicamente en aplicaciones que requieren una detección rápida de luces principalmente en la región infrarroja.
Encontrará fotodiodos en sistemas como circuitos de control remoto por infrarrojos , relés de interrupción de haz y circuitos de alarma contra intrusos .
Hay otra variante de fotodiodo que usa sulfuro de plomo (PbS) y su característica de trabajo es bastante similar a los LDR, pero están diseñados para responder solo a las luces de rango infrarrojo.
Fototransistores
La siguiente imagen muestra el símbolo esquemático de un fototransistor
El fototransistor tiene generalmente la forma de un transistor de silicio NPN bipolar encapsulado en una cubierta con una abertura transparente.
Funciona permitiendo que la luz llegue a la unión PN del dispositivo a través de la abertura transparente. La luz reacciona con la unión PN expuesta del dispositivo, iniciando la acción de fotoconductividad.
Un fototransistor se configura principalmente con su pin de base desconectado como se muestra en los siguientes dos circuitos.
En la figura del lado izquierdo, la conexión hace que el fototransistor esté en la situación de polarización inversa, de modo que ahora funciona como un fotodiodo.
Aquí, la corriente generada debido a la luz a través de los terminales del colector base del dispositivo se retroalimenta directamente a la base del dispositivo, lo que da como resultado la amplificación de corriente normal y la corriente que fluye como salida desde el terminal del colector del dispositivo.
Esta corriente amplificada hace que se desarrolle una cantidad proporcional de voltaje a través de la resistencia R1.
Los fototransistores pueden mostrar cantidades idénticas de corriente en sus pines colector y emisor, debido a una conexión de base abierta, y esto evita que el dispositivo tenga una retroalimentación negativa.
Debido a esta característica, si el fototransistor está conectado como se muestra en el lado derecho de la figura anterior con R1 a través del emisor y la tierra, el resultado es exactamente idéntico al que había sido para la configuración del lado izquierdo. Lo que significa que para ambas configuraciones, el voltaje desarrollado a través de R1 debido a la conducción del fototransistor es similar.
Diferencia entre fotodiodo y fototransistor
Aunque el principio de funcionamiento es similar para las dos contrapartes, existen algunas diferencias notables entre ellas.
Un fotodiodo puede estar clasificado para funcionar con frecuencias mucho más altas en el rango de decenas de megahercios, en contraposición a un fototransistor que está restringido a solo unos pocos cientos de kilohercios.
La presencia del terminal base en un fototransistor lo hace más ventajoso en comparación con un fotodiodo.
Un fototransistor se puede convertir para que funcione como un fotodiodo conectando su base con el suelo como se muestra a continuación, pero es posible que un fotodiodo no tenga la capacidad de funcionar como un fototransistor.
Otra ventaja del terminal base es que la sensibilidad de un fototransistor se puede hacer variable introduciendo un potenciómetro a través del emisor base del dispositivo como se muestra en la siguiente figura.
En la disposición anterior, el dispositivo funciona como un fototransistor de sensibilidad variable, pero si se eliminan las conexiones del potenciómetro R2, el dispositivo actúa como un fototransistor normal, y si R2 está cortocircuitado a tierra, entonces el dispositivo se convierte en un fotodiodo.
Selección de la resistencia de polarización
En todos los diagramas de circuitos que se muestran arriba, la selección del valor R1 suele ser un equilibrio entre la ganancia de voltaje y la respuesta del ancho de banda del dispositivo.
A medida que aumenta el valor de R1, la ganancia de voltaje aumenta, pero el rango de ancho de banda operativo útil disminuye, y viceversa.
Además, el valor de R1 debe ser tal que los dispositivos se vean obligados a trabajar en su región lineal. Esto se puede hacer con un poco de prueba y error.
Prácticamente para tensiones de funcionamiento de 5V y 12V, cualquier valor entre 1K y 10K suele ser suficiente como R1.
Fototransistores Darlington
Estos son similares a un normal transistor darlington con su estructura interna. Internamente, estos se construyen utilizando dos transistores acoplados entre sí como se muestra en el siguiente símbolo esquemático.
Las especificaciones de sensibilidad de un transistor fotodarlington pueden ser aproximadamente 10 veces más altas que las de un fototransistor normal. Sin embargo, la frecuencia de trabajo de estas unidades es más baja que la de los tipos normales y puede estar restringida a solo unas decenas de kilohercios.
Aplicaciones de fototransistor de fotodiodo
El mejor ejemplo de aplicación de fotodiodos y fototransistores puede estar en el campo de receptores de señal de onda luminosa o detectores en líneas de transmisión de fibra óptica.
La onda de luz que pasa a través de una fibra óptica se puede modular eficazmente tanto mediante técnicas analógicas como digitales.
Los fotodiodos y fototransistores también se utilizan ampliamente para fabricar etapas de detectores en optoacopladores y dispositivos de interrupción del haz de luz infrarroja y dispositivos de alarma contra intrusos.
El problema al diseñar estos circuitos es que la intensidad de la luz que incide sobre los dispositivos fotosensibles puede ser muy fuerte o débil, y también estos pueden encontrar perturbaciones externas en forma de luces visibles aleatorias o interferencias infrarrojas.
Para contrarrestar estos problemas, estos circuitos de aplicación normalmente funcionan con enlaces ópticos que tienen una frecuencia portadora de infrarrojos específica. Además, el lado de entrada del receptor está reforzado con un preamplificador para que incluso la más débil de las señales de enlace óptico se detecte cómodamente, lo que permite que el sistema tenga una amplia gama de sensibilidad.
Los siguientes dos circuitos de aplicaciones muestran cómo un implementación infalible se puede hacer utilizando fotodiodos a través de una frecuencia de modulación de portadora de 30 kHz.
Estos son Circuitos de alarma de fotodiodo basados en preamplificador selectivo , y responderá a una banda de frecuencia específica, asegurando un funcionamiento infalible del sistema.
En el diseño superior, L1, C1 y C2 filtran todas las demás frecuencias excepto la frecuencia prevista de 30 Hz de un enlace óptico infrarrojo. Tan pronto como se detecta, Q1 lo amplifica aún más y su salida se activa para hacer sonar un sistema de alarma.
Alternativamente, el sistema podría usarse para activar una alarma cuando se corta el enlace óptico. En este caso, el transistor puede mantenerse activo permanentemente a través de un foco IR de 30 Hz en el fototransistor A continuación, la salida del transistor podría invertirse usando otra etapa NPN para que, una interrupción en el haz IR de 30 Hz, apague Q1, y enciende el segundo transistor NPN. Este segundo transistor debe integrarse a través de un condensador de 10uF del colector de Q2 en el circuito superior.
El funcionamiento del circuito inferior es similar al de la versión transistorizada, excepto el rango de frecuencia que es de 20 kHz para esta aplicación. También es un sistema de detección de preamplificador selectivo sintonizado para detectar señales IR que tienen una frecuencia de modulación de 20 kHz.
Siempre que un haz de infrarrojos sintonizado a 20 kHz permanezca enfocado en el fotodiodo, crea un potencial más alto en el pin de entrada inversora 2 del amplificador operacional que excede la salida del divisor de potencial en el pin no inversor del amplificador operacional. Esto hace que la salida RMS del amplificador operacional sea cercana a cero.
Sin embargo, en el momento en que se interrumpe el haz, se produce una caída repentina del potencial en el pin2 y un aumento del potencial en el pin3. Esto aumenta instantáneamente el voltaje RMS en la salida del amplificador operacional activando el Sistema de alarmas .
C1 y R1 se emplean para desviar cualquier señal no deseada a tierra.
Se utilizan dos fotodiodos D1 y D2 para que el sistema se active solo cuando las señales de infrarrojos se interrumpen simultáneamente en D1 y D2. La idea se puede usar en lugares donde solo se requiere que los objetivos verticales largos como los humanos sean detectados, mientras que los objetivos más cortos como los animales pueden pasar libremente.
Para implementar esto, D1 y D2 deben instalarse verticalmente y en paralelo entre sí, donde D1 puede colocarse a un pie sobre el suelo y D2 a unos 3 pies sobre D1 en línea recta.
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