Photodiode, Phototransistor - Rangkaian Kerja dan Aplikasi

Fotodioda dan fototransistor adalah perangkat semikonduktor yang sambungan semikonduktor p-nnya terkena cahaya melalui penutup transparan, sehingga cahaya eksternal dapat bereaksi dan memaksa konduksi listrik melalui sambungan tersebut.

Bagaimana Fotodioda Bekerja

Fotodioda sama seperti dioda semikonduktor biasa (contoh 1N4148) yang terdiri dari sambungan p-n, tetapi sambungan ini terkena cahaya melalui benda transparan.

Cara kerjanya dapat dipahami dengan membayangkan dioda silikon standar yang dihubungkan dengan cara bias terbalik di sumber suplai seperti yang ditunjukkan di bawah ini.

Dalam kondisi ini, tidak ada arus yang mengalir melalui dioda kecuali beberapa arus bocor yang sangat kecil.

Namun, misalkan kita memiliki dioda yang sama dengan penutup buram luarnya dikikis atau dilepas dan dihubungkan dengan suplai bias balik. Ini akan memaparkan persimpangan PN dioda ke cahaya, dan akan ada aliran arus instan yang melewatinya, sebagai respons terhadap cahaya datang.

Ini dapat menghasilkan arus sebanyak 1 mA melalui dioda, menyebabkan tegangan naik berkembang melintasi R1.

Fotodioda pada gambar di atas juga dapat dihubungkan di sisi tanah seperti gambar di bawah ini. Ini akan menghasilkan respons yang berlawanan, menghasilkan penurunan tegangan di R1, ketika fotodioda diterangi dengan cahaya eksternal.

Cara kerja semua perangkat berbasis sambungan P-N serupa dan akan menunjukkan konduktivitas foto saat terkena cahaya.

Simbol skema fotodioda dapat dilihat di bawah ini.

Dibandingkan dengan fotosel kadmium-sulfida atau kadmium-selenida seperti LDR , fotodioda umumnya kurang sensitif terhadap cahaya, tetapi responsnya terhadap perubahan cahaya jauh lebih cepat.

Karena alasan ini, fotosel seperti LDR umumnya digunakan dalam aplikasi yang melibatkan cahaya tampak, dan di mana waktu respons tidak perlu cepat. Di sisi lain, fotodioda dipilih secara khusus dalam aplikasi yang memerlukan deteksi cepat cahaya kebanyakan di wilayah inframerah.

Anda akan menemukan fotodioda dalam sistem seperti sirkuit remote control inframerah , relay interupsi balok dan sirkuit alarm penyusup .

Ada varian lain dari fotodioda yang menggunakan timbal-sulfida (PbS) dan karakteristik kerjanya sangat mirip dengan LDR tetapi dirancang untuk hanya merespons lampu jangkauan inframerah.

Phototransistor

Gambar berikut menunjukkan simbol skema fototransistor

Fototransistor umumnya dalam bentuk transistor silikon NPN bipolar yang dikemas dalam penutup dengan bukaan transparan.

Ia bekerja dengan membiarkan cahaya mencapai persimpangan PN perangkat melalui bukaan transparan. Cahaya bereaksi dengan sambungan PN perangkat, memulai aksi fotokonduktivitas.

Phototransistor sebagian besar dikonfigurasi dengan pin dasarnya tidak terhubung seperti yang ditunjukkan pada dua rangkaian berikut.

Pada gambar sisi kiri, koneksi secara efektif menyebabkan fototransistor berada dalam situasi bias balik, sehingga sekarang berfungsi seperti dioda.

Di sini, arus yang dihasilkan karena cahaya melintasi terminal kolektor basis perangkat secara langsung diumpankan kembali ke basis perangkat, menghasilkan amplifikasi arus normal dan arus yang mengalir keluar sebagai output dari terminal kolektor perangkat.

Arus yang diperkuat ini menyebabkan jumlah tegangan yang proporsional berkembang melintasi resistor R1.

Phototransistor mungkin menunjukkan jumlah arus yang identik pada pin kolektor dan emitornya, karena koneksi basis terbuka, dan ini mencegah perangkat dari umpan balik negatif.

Karena fitur ini, jika phototransistor dihubungkan seperti yang ditunjukkan di sisi kanan gambar di atas dengan R1 melintasi emitor dan ground, hasilnya persis sama seperti konfigurasi sisi kiri. Artinya untuk kedua konfigurasi tersebut, tegangan yang dikembangkan melintasi R1 karena konduksi fototransistor serupa.

Perbedaan antara Photodiode dan Phototransistor

Meskipun prinsip kerjanya serupa untuk kedua pasangan, ada beberapa perbedaan mencolok di antara keduanya.

Fotodioda dapat dinilai bekerja dengan frekuensi yang jauh lebih tinggi dalam kisaran puluhan megahertz, berlawanan dengan fototransistor yang dibatasi hanya beberapa ratus kilohertz.

Kehadiran terminal dasar di fototransistor membuatnya lebih menguntungkan dibandingkan dengan dioda.

Sebuah fototransistor dapat diubah untuk bekerja seperti fotodioda dengan menghubungkan alasnya dengan tanah seperti yang ditunjukkan di bawah, tetapi fotodioda mungkin tidak memiliki kemampuan untuk bekerja seperti fototransistor.

Keuntungan lain dari terminal dasar adalah bahwa sensitivitas fototransistor dapat dibuat variabel dengan memasukkan potensiometer melintasi basis emitor perangkat seperti yang ditunjukkan pada gambar berikut.

Dalam pengaturan di atas perangkat bekerja seperti phototransistor sensitivitas variabel, tetapi jika koneksi pot R2 dilepas, perangkat bertindak seperti fototransistor normal, dan jika R2 disingkat ke ground, maka perangkat berubah menjadi fotodioda.

Memilih Resistor Biasing

Dalam semua diagram rangkaian yang ditunjukkan di atas pemilihan nilai R1 biasanya merupakan keseimbangan antara penguatan tegangan dan respons bandwidth perangkat.

Ketika nilai R1 meningkat, penguatan tegangan meningkat tetapi rentang bandwidth operasi yang berguna menurun, dan sebaliknya.

Selain itu, nilai R1 harus sedemikian rupa sehingga perangkat dipaksa untuk bekerja di wilayah liniernya. Ini dapat dilakukan dengan beberapa trial and error.

Praktis untuk mengoperasikan tegangan dari 5V dan 12V, nilai apa pun antara 1K dan 10K biasanya cukup sebagai R1.

Phototransistor Darlington

Ini mirip dengan normal transistor darlington dengan struktur internal mereka. Secara internal ini dibangun menggunakan dua transistor yang digabungkan satu sama lain seperti yang ditunjukkan pada simbol skema berikut.

Spesifikasi sensitivitas transistor photodarlington mungkin kira-kira 10 kali lebih tinggi dari pada fototransistor normal. Namun, frekuensi kerja unit ini lebih rendah dari tipe normal, dan mungkin dibatasi hanya sekitar 10 kilohertz.

Aplikasi Photodiode Phototransistor

Contoh terbaik dari aplikasi fotodioda dan fototransistor mungkin di bidang penerima sinyal gelombang cahaya atau detektor di jalur transmisi serat optik.

Gelombang cahaya yang melewati serat optik dapat dimodulasi secara efektif baik melalui teknik analog maupun digital.

Fotodioda dan fototransistor juga banyak digunakan untuk membuat detektor bertahap optocoupler dan perangkat interupsi berkas cahaya inframerah dan gadget alarm penyusup.

Masalah saat merancang sirkuit ini adalah, intensitas cahaya yang jatuh pada perangkat peka foto bisa sangat kuat atau lemah, dan ini juga dapat menghadapi gangguan eksternal dalam bentuk cahaya tampak acak, atau gangguan inframerah.

Untuk mengatasi masalah ini, rangkaian aplikasi ini biasanya dioperasikan dengan tautan optik yang memiliki frekuensi pembawa infra merah tertentu. Selain itu, sisi masukan penerima diperkuat dengan penguat awal sehingga sinyal penghubung optik yang paling lemah sekalipun dapat dideteksi dengan nyaman, memungkinkan sistem dengan berbagai sensitivitas.

Dua rangkaian aplikasi berikut menunjukkan bagaimana a implementasi yang sangat mudah dapat dilakukan dengan menggunakan fotodioda melalui frekuensi modulasi pembawa 30 kHz.

Ini adalah sirkuit alarm fotodioda berbasis preamplifier selektif , dan akan menanggapi pita frekuensi tertentu, memastikan pengoperasian sistem yang sangat mudah.

Pada desain atas, L1, C1 dan C2 menyaring semua frekuensi lain kecuali frekuensi 30 Hz yang dimaksudkan dari sambungan optik infra merah. Segera setelah ini terdeteksi, ia diperkuat oleh Q1, dan outputnya menjadi aktif untuk membunyikan sistem alarm.

Alternatifnya, sistem dapat digunakan untuk mengaktifkan alarm saat tautan optik terputus. Dalam hal ini transistor dapat tetap aktif secara permanen melalui fokus IR 30 Hz pada fototransistor Selanjutnya, keluaran dari transistor dapat dibalik menggunakan tahap NPN lain sehingga, gangguan pada pancaran IR 30 Hz, mematikan Q1, dan menyalakan transistor NPN kedua. Transistor kedua ini harus diintegrasikan melalui kapasitor 10uF dari kolektor Q2 di rangkaian atas.

Fungsi rangkaian bawah mirip dengan versi transistorized kecuali rentang frekuensi yang 20 kHz untuk aplikasi ini. Ini juga merupakan sistem deteksi preamplifier selektif yang disetel untuk mendeteksi sinyal IR yang memiliki frekuensi modulasi 20 kHz.

Selama pancaran IR yang disetel pada 20 kHz tetap fokus pada fotodioda, ini menciptakan potensi yang lebih tinggi pada input pin2 pembalik op amp yang melebihi keluaran pembagi potensial pada pin non-pembalik op amp. Hal ini menyebabkan keluaran RMS dari op amp mendekati nol.

Namun, saat balok terputus, menyebabkan penurunan potensial secara tiba-tiba di pin2, dan peningkatan potensi di pin3. Ini secara instan menaikkan tegangan RMS pada output dari op amp yang mengaktifkan yang terhubung sistem alarm .

C1 dan R1 digunakan untuk memotong sinyal yang tidak diinginkan ke ground.

Dua dioda foto D1 dan D2 digunakan sehingga sistem hanya aktif ketika sinyal IR terputus secara bersamaan di D1 dan D2. Idenya dapat digunakan di tempat-tempat di mana hanya target vertikal panjang seperti manusia yang perlu dirasakan, sedangkan target yang lebih pendek seperti hewan dapat diizinkan lewat dengan bebas.

Untuk melaksanakan ini D1 dan D2 harus dipasang vertikal dan sejajar satu sama lain, dimana D1 dapat ditempatkan satu kaki di atas tanah, dan D2 sekitar 3 kaki di atas D1 dalam garis lurus.