Фотодиод: как он устроен, два режима включения и схема датчика огня

Что такое фотодиод

Фотодиод — это диод, чувствительный к свету. У него два вывода, а корпуса бывают самой разной формы и исполнения. Когда на фотодиод попадает свет, ток через прибор возникает одним из двух способов: либо сам свет порождает небольшой ток, либо свет открывает путь для более крупного тока, идущего от внешнего источника. Именно на этом различии и построены два режима включения, о которых речь ниже.

Условное обозначение фотодиода на схеме похоже на обозначение светодиода, с одной разницей: стрелки направлены не наружу, а внутрь — к переходу.

Как фотодиод работает

Внутри фотодиода находится p-n переход — граница, которая образуется при соединении полупроводника p-типа с полупроводником n-типа. В материале p-типа подвижными носителями заряда служат дырки (положительные), в материале n-типа — электроны (отрицательные).

Поскольку по разные стороны перехода находятся носители противоположного знака, они взаимно нейтрализуются, и на стыке формируется область обеднения. Название буквальное: подвижных носителей заряда там не остаётся. Часть материала p-типа, попавшая в эту область, лишается дырок и потому заряжается отрицательно; соответствующая часть материала n-типа, наоборот, приобретает положительный заряд.

Когда на p-n переход падают фотоны достаточной энергии, они разрывают и ионизируют ковалентные связи неподвижных атомов решётки. Рождаются новые пары «электрон — дырка» — это и есть фотоэлектрический эффект. Дальше заряды растаскивает поле обеднённой области: электроны уходят в сторону материала n-типа (та его часть заряжена положительно), а дырки — в сторону материала p-типа (заряженного отрицательно). Этот направленный поток зарядов и даёт фототок, то есть обычный ток на выводах прибора.

Иными словами, фотодиод воспринимает свет и выдаёт на выходе ток. Отсюда и другие его названия: фотосенсор, фотодетектор, детектор света.

Два режима включения

Использовать фотодиод можно двумя способами. Оба несложны, когда разберёшься, но применяются они с очень разной частотой.

Фотовольтаический режим. Фотодиод работает без напряжения смещения. При освещении на его выводах появляется небольшое напряжение.

Если подключить к нему резистор, через резистор потечёт очень маленький ток. Такое включение лучше всего работает на низких частотах — то есть когда свет не мигает слишком быстро.

Фотопроводящий режим. Здесь фотодиод включён в обратном направлении: анод соединяется с отрицательным напряжением, катод — с положительным. В этом режиме прибор ведёт себя скорее как ключ: свет на фотодиоде «замыкает контакт», и через фотодиод идёт ток.

Главное преимущество — быстродействие: включаться и выключаться такой ключ может намного быстрее, чем в фотовольтаическом режиме. Поэтому на практике фотодиоды чаще всего применяют именно так.

Оговорка: сама по себе простейшая схема с обратным смещением не слишком практична — ток через диод получается крошечный, обычно единицы микроампер. Чтобы с ним что-то делать, нужен усилительный каскад.

Первая схема на фотодиоде — датчик огня

Собрать свою первую схему с фотодиодом можно буквально из нескольких деталей на макетной плате. Она будет реагировать на огонь и подавать сигнал тревоги. Понадобятся:

• фотодиод ИК-диапазона (есть в любом магазине радиодеталей);
• транзистор BC547 или другой маломощный NPN общего применения;
• светодиод;
• зуммер;
• резистор для светодиода.

Схема собирается на беспаечной макетной плате так, как показано на рисунке.

Работает она так. Когда ИК-излучение от пламени попадает на фотодиод, включённый с обратным смещением, через фотодиод начинает идти ток. Этот ток поступает на базу транзистора. Ранее закрытый BC547 открывается и начинает пропускать ток между коллектором и эмиттером. Тот же ток проходит через зуммер — раздаётся звуковой сигнал — и зажигает светодиод.

Пара «светодиод + резистор» нужна только для того, чтобы к звуку добавилась световая индикация. Если хочется предельно простой схемы, её можно без ущерба выбросить.

Типовые схемы на операционном усилителе

Применять фотодиод можно по-разному, но чаще всего встречаются две схемы на операционных усилителях.

В фотовольтаической схеме фотодиод включён в прямом направлении: анод идёт на неинвертирующий вход ОУ, катод — на инвертирующий. Свет на фотодиоде порождает небольшое напряжение и ток, операционный усилитель их усиливает и выдаёт напряжение на выходе. Величина этого напряжения определяется сопротивлением резистора обратной связи R_F.

В фотопроводящей схеме фотодиод включён с обратным смещением, а V_EE на схеме — отрицательное напряжение питания. При попадании света через фотодиод проходит небольшой ток, и на выходе усилителя появляется усиленное напряжение.

В обоих случаях операционный усилитель выполняет роль трансрезистивного усилителя — преобразователя тока в напряжение.

Четыре основных типа фотодиодов

• PN-фотодиод — простой фотодиод с p-n переходом, работающий в режиме обратного смещения.
• PIN-фотодиод — между областями p- и n-типа добавлен слой собственного (нелегированного) полупроводника. Применяется там, где нужна бо́льшая площадь, подставленная под свет.
• Лавинный фотодиод — фотодиод с p-n переходом, рассчитанный на работу при глубоком обратном смещении. Даёт больший фототок, потому что в переходе рождается значительно больше электронно-дырочных пар.
• Фотодиод Шоттки — выполнен на нескольких диодах Шоттки, работает на более высоких скоростях и на бо́льших длинах волн.

Купить фотодиод можно практически в любом магазине электронных компонентов.

Чем фотодиод отличается от фототранзистора

Фотодиод очень похож на фототранзистор: оба реагируют на свет и включаются в схему одинаково.

Разница в устройстве. Фототранзистор — это транзистор, у которого к базе подключён фотодиод. Свет попадает на фотодиод, через базу идёт ток, транзистор открывается и начинает пропускать ток через себя. В большинстве случаев с фототранзистором работать проще.

Похожие материалы на сайте

• Простой предусилитель на транзисторе BC547