Photodiode, phototransistor - Circuits de travail et d'application

Les photodiodes et les phototransistors sont des dispositifs semi-conducteurs dont la jonction semi-conductrice p-n est exposée à la lumière à travers un couvercle transparent, de sorte que la lumière externe puisse réagir et forcer une conduction électrique à travers la jonction.

Comment fonctionnent les photodiodes

Une photodiode est comme une diode semi-conductrice régulière (exemple 1N4148) constituée d'une jonction p-n, mais elle a cette jonction exposée à la lumière à travers un corps transparent.

Son fonctionnement peut être compris en imaginant une diode de silicium standard connectée en polarisation inverse à travers une source d'alimentation comme indiqué ci-dessous.

Dans cette condition, aucun courant ne traverse la diode à l'exception d'un très petit courant de fuite.

Cependant, supposons que nous ayons la même diode avec son couvercle opaque extérieur gratté ou enlevé et connecté à une alimentation de polarisation inverse. Cela exposera la jonction PN de la diode à la lumière, et il y aura un flux instantané de courant à travers elle, en réponse à la lumière incidente.

Cela peut entraîner un courant allant jusqu'à 1 mA à travers la diode, provoquant le développement d'une tension croissante à travers R1.

La photodiode de la figure ci-dessus peut également être connectée côté terre comme indiqué ci-dessous. Cela produira une réponse opposée, résultant en une tension décroissante aux bornes de R1, lorsque la photodiode est éclairée par une lumière externe.

Le fonctionnement de tous les dispositifs à jonction P-N est similaire et présentera une photo-conductivité lorsqu'ils seront exposés à la lumière.

Le symbole schématique d'une photodiode peut être vu ci-dessous.

Par rapport aux photocellules au sulfure de cadmium ou au séléniure de cadmium comme les LDR , les photodiodes sont généralement moins sensibles à la lumière, mais leur réponse aux changements de lumière est beaucoup plus rapide.

Pour cette raison, les photocellules comme les LDR sont généralement utilisées dans des applications qui impliquent de la lumière visible, et où le temps de réponse n'a pas besoin d'être rapide. D'autre part, les photodiodes sont spécifiquement sélectionnées dans les applications qui nécessitent une détection rapide des lumières principalement dans la région infrarouge.

Vous trouverez des photodiodes dans des systèmes tels que circuits de télécommande infrarouge , relais d'interruption de faisceau et circuits d'alarme intrusion .

Il existe une autre variante de photodiode qui utilise du sulfure de plomb (PbS) et ses caractéristiques de fonctionnement sont assez similaires aux LDR mais sont conçues pour répondre uniquement aux lumières infrarouges.

Phototransistors

L'image suivante montre le symbole schématique d'un phototransistor

Le phototransistor se présente généralement sous la forme d'un transistor bipolaire en silicium NPN encapsulé dans un couvercle à ouverture transparente.

Il fonctionne en permettant à la lumière d'atteindre la jonction PN de l'appareil à travers l'ouverture transparente. La lumière réagit avec la jonction PN exposée de l'appareil, déclenchant l'action de photoconductivité.

Un phototransistor est principalement configuré avec sa broche de base non connectée, comme indiqué dans les deux circuits suivants.

Sur la figure de gauche, la connexion amène effectivement le phototransistor à être en situation de polarisation inverse, de sorte qu'il fonctionne maintenant comme une photodiode.

Ici, le courant généré en raison de la lumière à travers les bornes du collecteur de base de l'appareil est directement renvoyé à la base de l'appareil, ce qui entraîne une amplification de courant normale et le courant circulant en sortie de la borne de collecteur de l'appareil.

Ce courant amplifié provoque le développement d'une quantité proportionnelle de tension aux bornes de la résistance R1.

Les phototransistors peuvent montrer des quantités de courant identiques au niveau de leurs broches de collecteur et d'émetteur, en raison d'une connexion de base ouverte, ce qui empêche le dispositif d'une rétroaction négative.

En raison de cette caractéristique, si le phototransistor est connecté comme indiqué sur le côté droit de la figure ci-dessus avec R1 à travers l'émetteur et la masse, le résultat est exactement identique à celui de la configuration du côté gauche. Cela signifie que pour les deux configurations, la tension développée aux bornes de R1 en raison de la conduction du phototransistor est similaire.

Différence entre photodiode et phototransistor

Bien que le principe de fonctionnement soit similaire pour les deux homologues, il existe quelques différences notables entre eux.

Une photodiode peut être conçue pour fonctionner avec des fréquences beaucoup plus élevées dans la gamme de dizaines de mégahertz, par opposition à un phototransistor qui est limité à seulement quelques centaines de kilohertz.

La présence de la borne de base dans un phototransistor le rend plus avantageux par rapport à une photodiode.

Un phototransistor peut être converti pour fonctionner comme une photodiode en connectant sa base à la terre comme indiqué ci-dessous, mais une photodiode peut ne pas avoir la capacité de fonctionner comme un phototransistor.

Un autre avantage de la borne de base est que la sensibilité d'un phototransistor peut être rendue variable en introduisant un potentiomètre à travers l'émetteur de base du dispositif comme illustré sur la figure suivante.

Dans la disposition ci-dessus, l'appareil fonctionne comme un phototransistor à sensibilité variable, mais si les connexions du pot R2 sont supprimées, l'appareil agit comme un phototransistor normal, et si R2 est court-circuité à la masse, l'appareil se transforme en photodiode.

Sélection de la résistance de polarisation

Dans tous les schémas de circuit présentés ci-dessus, la sélection de la valeur R1 est généralement un équilibre entre le gain de tension et la réponse en bande passante du dispositif.

Lorsque la valeur de R1 augmente, le gain de tension augmente mais la plage de bande passante de fonctionnement utile diminue, et vice versa.

De plus, la valeur de R1 doit être telle que les dispositifs soient obligés de travailler dans leur région linéaire. Cela peut être fait avec quelques essais et erreurs.

Pratiquement pour des tensions de fonctionnement de 5V et 12V, toute valeur entre 1K et 10K est généralement suffisante comme R1.

Phototransistors Darlington

Celles-ci sont similaires à une normale transistor Darlington avec leur structure interne. En interne, ceux-ci sont construits à l'aide de deux transistors couplés l'un à l'autre, comme indiqué dans le symbole schématique suivant.

Les spécifications de sensibilité d'un transistor photodarlington peuvent être environ 10 fois plus élevées que celles d'un phototransistor normal. Cependant, la fréquence de travail de ces unités est inférieure aux types normaux et peut être limitée à seulement quelques dizaines de kilohertz.

Applications de phototransistor à photodiode

Le meilleur exemple d'application de photodiode et de phototransistor peut être dans le domaine de récepteurs de signaux lightwave ou détecteurs dans les lignes de transmission à fibres optiques.

L'onde lumineuse passant par une fibre optique peut être efficacement modulée à la fois par des techniques analogiques ou numériques.

Les photodiodes et phototransistors sont également largement utilisés pour la réalisation d'étages de détecteurs optocoupleurs et dispositifs d'interruption de faisceau lumineux infrarouge et gadgets d'alarme anti-intrusion.

Le problème lors de la conception de ces circuits est que l'intensité de la lumière tombant sur les dispositifs photo-sensibles peut être très forte ou faible, et ceux-ci peuvent également rencontrer des perturbations externes sous la forme de lumières visibles aléatoires ou d'interférences infrarouges.

Pour contrer ces problèmes, ces circuits d'application fonctionnent normalement avec des liaisons optiques ayant une fréquence porteuse infrarouge spécifique. De plus, le côté d'entrée du récepteur est renforcé avec un préamplificateur de sorte que même le plus faible des signaux de liaison optique soit détecté confortablement, permettant au système une large plage de sensibilité.

Les deux circuits d'application suivants montrent comment un mise en œuvre infaillible peut être réalisé en utilisant des photodiodes sur une fréquence de modulation porteuse de 30 kHz.

Ceux-ci sont circuits d'alarme à photodiode basés sur un préamplificateur sélectif , et répondra à une bande de fréquence spécifique, assurant un fonctionnement infaillible du système.

Dans la conception supérieure, L1, C1 et C2 filtrent toutes les autres fréquences à l'exception de la fréquence de 30 Hz prévue à partir d'une liaison optique infrarouge. Dès que cela est détecté, il est encore amplifié par Q1, et sa sortie devient active pour faire sonner un système d'alarme.

En variante, le système pourrait être utilisé pour activer une alarme lorsque la liaison optique est coupée. Dans ce cas, le transistor peut être maintenu actif en permanence grâce à une focalisation IR à 30 Hz sur le phototransistor Ensuite, la sortie du transistor pourrait être inversée en utilisant un autre étage NPN de sorte qu'une interruption du faisceau infrarouge à 30 Hz désactive Q1, et active le deuxième transistor NPN. Ce deuxième transistor doit être intégré par un condensateur de 10uF à partir du collecteur de Q2 dans le circuit supérieur.

Le fonctionnement du circuit inférieur est similaire à la version transistorisée sauf la gamme de fréquences qui est de 20 kHz pour cette application. Il s'agit également d'un système de détection de préamplificateur sélectif accordé pour détecter des signaux IR ayant une fréquence de modulation de 20 kHz.

Tant qu'un faisceau IR accordé à 20 kHz reste focalisé sur la photodiode, il crée un potentiel plus élevé sur la broche d'entrée inverseuse 2 de l'ampli opérationnel qui dépasse la sortie du diviseur de potentiel sur la broche non inverseuse de l'ampli opérationnel. Cela fait que la sortie RMS de l'ampli opérationnel est proche de zéro.

Cependant, le moment où le faisceau est interrompu, provoque une chute brutale de potentiel au niveau de la broche2, et une augmentation du potentiel à la broche3. Cela augmente instantanément la tension RMS à la sortie de l'ampli opérationnel activant le système d'alarme .

C1 et R1 sont utilisés pour contourner tout signal indésirable vers la terre.

Deux photodiodes D1 et D2 sont utilisées pour que le système ne s'active que lorsque les signaux infrarouges sont interrompus simultanément sur D1 et D2. L'idée peut être utilisée dans des endroits où seules de longues cibles verticales comme les humains doivent être détectées, tandis que les cibles plus courtes comme les animaux peuvent être autorisées à passer librement.

Pour mettre en œuvre ce D1 et D2 doivent être installés verticalement et parallèlement l'un à l'autre, où D1 peut être placé à un pied au-dessus du sol, et D2 à environ 3 pieds au-dessus de D1 en ligne droite.