الثنائيات الضوئية وأجهزة الترانزستورات الضوئية هي أجهزة شبه موصلة لها تقاطع أشباه الموصلات p-n معرضة للضوء من خلال غطاء شفاف ، بحيث يمكن للضوء الخارجي أن يتفاعل ويفرض توصيلًا كهربائيًا عبر التقاطع.
كيف تعمل الثنائيات الضوئية
يشبه الثنائي الضوئي تمامًا الصمام الثنائي العادي لأشباه الموصلات (مثال 1N4148) الذي يتكون من تقاطع p-n ، ولكنه يتعرض للضوء من خلال جسم شفاف.
يمكن فهم عملها من خلال تخيل صمام ثنائي قياسي من السيليكون متصل بطريقة منحازة عكسية عبر مصدر إمداد كما هو موضح أدناه.
في هذه الحالة ، لا يتدفق أي تيار عبر الصمام الثنائي باستثناء بعض تيار التسرب الصغير جدًا.
ومع ذلك ، لنفترض أن لدينا نفس الصمام الثنائي مع غطاءه الخارجي المعتم الذي تم كشطه أو إزالته وتوصيله بمصدر تحيز عكسي. سيعرض هذا تقاطع PN للديود للضوء ، وسيكون هناك تدفق فوري للتيار عبره ، استجابة للضوء الساقط.
قد ينتج عن هذا تيار يصل إلى 1 مللي أمبير عبر الصمام الثنائي ، مما يتسبب في زيادة الجهد الكهربي عبر R1.
يمكن أيضًا توصيل الثنائي الضوئي في الشكل أعلاه على الجانب الأرضي كما هو موضح أدناه. سيؤدي ذلك إلى استجابة عكسية ، مما يؤدي إلى انخفاض الجهد عبر R1 ، عندما يضيء الثنائي الضوئي بضوء خارجي.
يتشابه عمل جميع الأجهزة القائمة على الوصلات PN وسيظهر موصلية ضوئية عند تعرضها للضوء.
يمكن رؤية الرمز التخطيطي للديود الضوئي أدناه.
مقارنة بالخلايا الكهروضوئية الكادميوم-كبريتيد الكادميوم أو سيلينيد الكادميوم مثل LDRs ، عادةً ما تكون الثنائيات الضوئية أقل حساسية للضوء ، لكن استجابتها لتغيرات الضوء تكون أسرع بكثير.
لهذا السبب ، تُستخدم الخلايا الضوئية مثل LDRs بشكل عام في التطبيقات التي تتضمن ضوءًا مرئيًا ، وحيث لا يلزم أن يكون وقت الاستجابة سريعًا. من ناحية أخرى ، يتم اختيار الثنائيات الضوئية على وجه التحديد في التطبيقات التي تتطلب الكشف السريع عن الأضواء في الغالب في منطقة الأشعة تحت الحمراء.
سوف تجد الثنائيات الضوئية في أنظمة مثل دوائر التحكم عن بعد بالأشعة تحت الحمراء ، مرحلات انقطاع الشعاع و دوائر إنذار الدخيل .
هناك نوع آخر من الثنائي الضوئي يستخدم كبريتيد الرصاص (PbS) وهناك خاصية عمل تشبه إلى حد كبير LDRs ولكنها مصممة للاستجابة فقط لأضواء نطاق الأشعة تحت الحمراء.
الترانزستورات الضوئية
توضح الصورة التالية الرمز التخطيطي للترانزستور الضوئي
يكون الترانزستور الضوئي بشكل عام على شكل ترانزستور ثنائي القطب من السيليكون NPN مغلف بغطاء بفتحة شفافة.
يعمل عن طريق السماح للضوء بالوصول إلى تقاطع PN بالجهاز من خلال الفتحة الشفافة. يتفاعل الضوء مع تقاطع PN المكشوف للجهاز ، ويبدأ حركة الموصلية الضوئية.
يتم تكوين الترانزستور الضوئي في الغالب مع عدم توصيل دبوس قاعدته كما هو موضح في الدائرتين التاليتين.
في الشكل الأيسر ، يتسبب الاتصال بشكل فعال في أن يكون الترانزستور الضوئي في وضع التحيز العكسي ، بحيث يعمل الآن مثل الثنائي الضوئي.
هنا ، يتم تغذية التيار المتولد بسبب الضوء عبر أطراف المجمع الأساسية للجهاز مباشرة مرة أخرى إلى قاعدة الجهاز ، مما يؤدي إلى تضخيم التيار العادي وتدفق التيار للخارج كمخرج من طرف المجمع للجهاز.
يتسبب هذا التيار المتضخم في تطوير مقدار متناسب من الجهد عبر المقاوم R1.
قد تُظهر أجهزة الترانزستورات الضوئية كميات متطابقة من التيار في دبابيس المجمع والباعث ، بسبب اتصال قاعدة مفتوحة ، وهذا يمنع الجهاز من ردود الفعل السلبية.
بسبب هذه الميزة ، إذا كان الترانزستور الضوئي متصلاً كما هو موضح في الجانب الأيمن من الشكل أعلاه مع R1 عبر الباعث والأرض ، تكون النتيجة متطابقة تمامًا كما كانت لتكوين الجانب الأيسر. بمعنى لكل من التكوينات ، فإن الجهد المتطور عبر R1 بسبب توصيل الترانزستور الضوئي مشابه.
الفرق بين الثنائي الضوئي والترانزستور الضوئي
على الرغم من أن مبدأ العمل مشابه للطرفين ، إلا أن هناك بعض الاختلافات الملحوظة بينهما.
يمكن تصنيف الثنائي الضوئي للعمل بترددات أعلى بكثير في نطاق عشرات الميجاهرتز ، على عكس الترانزستور الضوئي الذي يقتصر على بضع مئات من كيلوهرتز فقط.
إن وجود المحطة الأساسية في الترانزستور الضوئي يجعلها أكثر فائدة مقارنة بالديود الضوئي.
يمكن تحويل الترانزستور الضوئي ليعمل مثل الثنائي الضوئي عن طريق توصيل قاعدته بالأرض كما هو موضح أدناه ، ولكن قد لا يكون للديود الضوئي القدرة على العمل مثل الترانزستور الضوئي.
ميزة أخرى للمحطة الأساسية هي أن حساسية الترانزستور الضوئي يمكن تغييرها عن طريق إدخال مقياس الجهد عبر باعث القاعدة للجهاز كما هو موضح في الشكل التالي.
في الترتيب أعلاه ، يعمل الجهاز مثل ترانزستور ضوئي متغير الحساسية ، ولكن في حالة إزالة توصيلات وعاء R2 ، يعمل الجهاز مثل الترانزستور الضوئي العادي ، وإذا تم اختصار R2 إلى الأرض ، يتحول الجهاز إلى ثنائي ضوئي.
اختيار المقاوم الانحياز
في جميع مخططات الدوائر الموضحة أعلاه ، يكون اختيار قيمة R1 عادةً بمثابة توازن بين كسب الجهد واستجابة عرض النطاق الترددي للجهاز.
مع زيادة قيمة R1 ، يزداد كسب الجهد ولكن نطاق عرض النطاق الترددي التشغيلي المفيد يتناقص ، والعكس صحيح.
علاوة على ذلك ، يجب أن تكون قيمة R1 بحيث تُجبر الأجهزة على العمل في منطقتها الخطية. يمكن القيام بذلك ببعض التجارب والخطأ.
عمليًا بالنسبة لجهود التشغيل من 5 فولت و 12 فولت ، فإن أي قيمة بين 1 ك و 10 ك عادة ما تكون كافية مثل R1.
دارلينجتون للترانزستورات الضوئية
هذه تشبه العادي دارلينجتون الترانزستور مع هيكلها الداخلي. داخليًا ، يتم إنشاء هذه باستخدام اثنين من الترانزستورات المقترنة ببعضها البعض كما هو موضح في الرمز التخطيطي التالي.
قد تكون مواصفات الحساسية للترانزستور الضوئي في دارلينجتون أعلى بنحو 10 مرات من تلك الخاصة بالترانزستور الضوئي العادي. ومع ذلك ، فإن تردد تشغيل هذه الوحدات أقل من الأنواع العادية ، ويمكن أن يقتصر على حوالي 10 ثوانٍ فقط من كيلوهرتز.
تطبيقات الترانزستور الضوئي الثنائي الضوئي
قد يكون أفضل مثال على تطبيق الثنائي الضوئي والترانزستور الضوئي في مجال مستقبلات إشارة Lightwave أو أجهزة الكشف في خطوط نقل الألياف البصرية.
يمكن تعديل الموجة الضوئية التي تمر عبر الألياف الضوئية بشكل فعال من خلال التقنيات التناظرية أو الرقمية.
تُستخدم الثنائيات الضوئية وأجهزة الترانزستورات الضوئية أيضًا على نطاق واسع لصنع مراحل أجهزة الكشف في مقارنات بصرية وأجهزة مقاطعة شعاع ضوء الأشعة تحت الحمراء وأدوات إنذار الدخلاء.
تكمن المشكلة أثناء تصميم هذه الدوائر في أن شدة الضوء الساقط على الأجهزة الحساسة للصور يمكن أن تكون قوية جدًا أو ضعيفة ، كما أنها قد تواجه اضطرابات خارجية على شكل أضواء مرئية عشوائية ، أو تداخل الأشعة تحت الحمراء.
لمواجهة هذه المشكلات ، يتم تشغيل دارات التطبيق هذه عادةً مع روابط بصرية لها تردد ناقل للأشعة تحت الحمراء. علاوة على ذلك ، يتم تعزيز جانب الإدخال من جهاز الاستقبال بمضخم أولي بحيث يتم اكتشاف أضعف إشارات الارتباط البصري بشكل مريح ، مما يتيح للنظام نطاقًا واسعًا من الحساسية.
توضح دائرتا التطبيقات التاليتان كيف أ تنفيذ مضمون يمكن القيام به باستخدام الثنائيات الضوئية من خلال تردد تعديل الموجة الحاملة 30 كيلو هرتز.
وهذه هي دوائر الإنذار الضوئي الثنائي القائم على المضخم الانتقائي ، وسوف يستجيب لنطاق تردد معين ، مما يضمن تشغيل مضمون للنظام.
في التصميم العلوي ، ترشح L1 و C1 و C2 جميع الترددات الأخرى باستثناء التردد 30 هرتز المقصود من ارتباط بصري بالأشعة تحت الحمراء. بمجرد اكتشاف هذا ، يتم تضخيمه بشكل أكبر بواسطة Q1 ، ويصبح خرجه نشطًا لإصدار نظام إنذار.
بدلاً من ذلك ، يمكن استخدام النظام لتنشيط الإنذار عند قطع الارتباط البصري. في هذه الحالة ، قد يظل الترانزستور نشطًا بشكل دائم من خلال تركيز 30 هرتز IR على الترانزستور الضوئي بعد ذلك ، يمكن عكس الإخراج من الترانزستور باستخدام مرحلة NPN أخرى بحيث ينطفئ الانقطاع في حزمة الأشعة تحت الحمراء 30 هرتز في Q1 ، و يتحول على الترانزستور NPN الثاني. يجب أن يتكامل هذا الترانزستور الثاني من خلال مكثف 10 فائق التوهج من مجمع Q2 في الدائرة العليا.
يشبه عمل الدائرة السفلية إصدار الترانزستور باستثناء نطاق التردد الذي يبلغ 20 كيلو هرتز لهذا التطبيق. وهو أيضًا نظام كشف انتقائي للمضخم الأولي تم ضبطه للكشف عن إشارات الأشعة تحت الحمراء ذات تردد تعديل يبلغ 20 كيلو هرتز.
طالما أن حزمة الأشعة تحت الحمراء المضبوطة عند 20 كيلو هرتز تظل مركزة على الثنائي الضوئي ، فإنها تخلق إمكانات أعلى على دبوس الإدخال المقلوب 2 من المرجع أمبير الذي يتجاوز ناتج المقسم المحتمل عند الطرف غير المقلوب للمرجع المرجع. يؤدي هذا إلى أن يكون الناتج RMS من المرجع أمبير قريبًا من الصفر.
ومع ذلك ، في اللحظة التي تنقطع فيها الحزمة ، تتسبب في انخفاض مفاجئ في الجهد عند الطرف 2 ، وزيادة في الجهد عند الطرف 3. يؤدي هذا على الفور إلى رفع جهد RMS عند إخراج المرجع أمبير الذي يعمل على تنشيط الاتصال نظام إنذار .
يتم استخدام C1 و R1 لتجاوز أي إشارة غير مرغوب فيها إلى الأرض.
يتم استخدام ثنائيتين للصور D1 و D2 بحيث يتم تنشيط النظام فقط عند مقاطعة إشارات الأشعة تحت الحمراء في وقت واحد عبر D1 و D2. يمكن استخدام الفكرة في الأماكن التي تتطلب فقط استشعار الأهداف العمودية الطويلة مثل البشر ، بينما يمكن السماح للأهداف الأقصر مثل الحيوانات بالمرور بحرية.
لتنفيذ هذين D1 و D2 يجب أن يتم تركيبهما عموديًا ومتوازيان مع بعضهما البعض ، حيث يمكن وضع D1 على بعد قدم فوق الأرض و D2 بحوالي 3 أقدام فوق D1 في خط مستقيم.
زوج من: دائرة تحذير الجليد للسيارات التالي: دائرة محاكاة صوت الضحك
