Fotodiode und Fototransistor
Fototransistoren und Fotodioden sind eng miteinander verwandte elektrooptische Messwandler, die einfallendes Licht in elektrischen Strom umwandeln – z. B. bei der Positions-/Präsenzerkennung, der Lichtstärkemessung und der Erkennung hochfrequenter optischer Impulse. Um das Optimum aus diesen Komponenten herauszuholen, müssen Entwickler jedoch ein besonderes Augenmerk auf die
Schnittstellenschaltkreise, die Wellenlänge und die mechanische Ausrichtung der Optik richten.
Passende Schnittstellenschaltkreise sind beispielsweise nötig, um über schwankende Lichtstärken und Bedingungen hinweg die maximale Stromausbeute zu erzielen. Die wirksame Anwendung setzt jedoch auch ein Verständnis der Funktionsprinzipien sowie der Unterschiede zwischen Fototransistoren und Fotodioden voraus.
Neben Musterlösungen werden in diesem Artikel die Funktionsprinzipien dieser Komponenten, einige der wichtigen parametrischen Überlegungen sowie einige der feineren Nuancen bei der Anwendung dieser Bauteile besprochen.
Fotodiode und Fototransistor – Grundlagen und Merkmale
Fotodioden erzeugen bei Aufnahme von Licht elektrischen Strom. Die erste ist die bekanntere Photovoltaik-Diode (Solarzelle), die Strom erzeugt, wenn Licht auf sie scheint. Die zweite ist der Fotoleiter, der eine sperrgepolte Fotodiode ist. Auf die Fotodiode scheinendes Licht bewirkt, dass ihr Widerstand zum Sperrstrom sinkt.
Dieser Strom lässt sich messen, und der Messwert gibt die Intensität des einfallenden Lichts an. Anders betrachtet: Die Fotodiode fungiert als Drosselung des Stromflusses, wobei mehr Licht die Drosselung verringert. In fast allen Fällen muss zusammen mit der Fotodiode ein entsprechender Verstärker, z. B. ein Transimpedanzverstärker (Transimpedance Amplifer: TIA), eingesetzt werden, um den Stromfluss in ein brauchbares Signal umzuwandeln.
Der Fototransistor kann wie ein normaler Transistor per CE- (links) oder CC-Konfiguration (rechts) angeschlossen werden.
Für Fototransistoren gibt es eine weitere wichtige Überlegung, die bei Fotodioden keine Rolle spielt: Sie können entweder im aktiven Modus oder im Schaltmodus verwendet werden. Im aktiven Modus ist der Transistor ein analoges Element mit einem linearen Ausgang, der sich proportional zur Intensität des Lichts verhält. Im Schaltmodus fungiert der Transistor als digitales Element und befindet sich entweder im ausgeschalteten (OFF, AUS) oder im gesättigten (ON, EIN) Zustand.
Der Betriebsmodus wird vom Wert des Lastwiderstands RL bestimmt, der in Abbildung3 als Rc bzw. Re dargestellt ist. Der aktive Modus tritt auf, wenn VCC > RL × ICC. Der Schaltmodus wiederum tritt auf, wenn VCC < RL × ICC, wobei IC der maximale antizipierte Strom und VCC die Versorgungsspannung ist (siehe Abbildung). Bei Nutzung des Fototransistors zur Messung der Lichtstärke wird der aktive Modus genutzt. Wenn er zur Erkennung der Präsenz oder des Fehlens von Licht verwendet wird, z.B. zur Ermittlung, ob sich eine Karte in einem Steckplatz befindet, wird der Schaltmodus verwendet.
Trotz ihrer engen Verwandtschaft weisen Fototransistoren und Fotodioden Leistungsunterschiede auf. Im Allgemeinen lassen sich Fotodioden so fertigen, dass sie um ein bis zwei Größenordnungen schneller und mit einem breiteren Frequenzgang als Fototransistoren arbeiten. Deshalb werden sie für die Lichtimpulserkennung in sehr schnellen Lichtwellenleiterverbindungen verwendet. Fotodioden benötigen jedoch einen externen Verstärker, während ein Fototransistor für die jeweilige Anwendung u. U. selbst eine ausreichende Stromverstärkung hat. Darüber hinaus variieren die Leistungsparameter von Fotodioden wie Lichtempfindlichkeit, Leckstrom und Reaktionsgeschwindigkeit bei Temperaturänderungen weniger als bei Fototransistoren.
Komponenten ermöglichen den optisch-elektrischen Übergang
Eine repräsentative Silizium-Fotodiode ist die Everlight PD15-21B/TR8, die eine IR-Spektralempfindlichkeit im Bereich von 730 bis 1100 nm und eine Spitzenempfindlichkeit bei 940 nm hat (Abbildung 4). Das oberflächenmontierbare Bauteil mit schwarzem Kunststoffgehäuse ist auf elementare Verbraucherprodukte wie Kopierer, Spielekonsolen und Kartenlesegeräte ausgelegt. Der maximale Ausgangsstrom dieser 1,5 × 3,2 × 1,1 mm großen Komponenten beträgt 0,8 µA bei einer einfallenden IR-Quelle mit 875 nm und einer Leistung von 1 mW/cm2. Es hat eine Reaktionszeit von 6 Nanosekunden (ns) und einen maximalen Dunkelstrom von 10 nA. Als SMT-Komponente bietet diese Fotodiode im Vergleich zu einem bedrahteten Bauteil viele Montageoptionen. Dabei darf das im Datenblatt definierte Reflow-Temperaturprofil jedoch nicht überschritten werden, auch wenn es im Vergleich zu anderen Komponenten auf der Platine eher „lau“ ist.
Fotodioden allein können nicht den Strom liefern, der für die meisten Situationen benötigt wird, und auch keine wesentliche Last bedienen. Daher werden sie fast immer mit einem Transimpedanzverstärker (TIA) genutzt, der ihren Ausgang mit niedrigem Pegel und hoher Impedanz in eine nutzbare Spannung umwandelt. Der TIA setzt der Fotodiode eine niedrige Eingangsimpedanz entgegen und wandelt die kleinen Stromschwankungen an ihrem Eingang in viel größere Spannungs- schwankungen an ihrem Ausgang um.
Vorsicht: Dies scheint zwar das gleiche zu sein wie die Verwendung eines bekannten Strommesswiderstandes, um Laststrom in Spannung umzuwandeln, um Strom zu messen, aber das ist es nicht. Die Ansteuerung erfolgt bei dieser Anordnung im Wesentlichen von einer Quelle mit niedriger Impedanz. Und das ist eine völlig andere Situation. Optische Bauelemente wie Fotodioden und Fototransistoren werden für die Präsenzerkennung und Hochleistungsinstrumente genutzt und sind entscheidender Bestandteil von optischen Datenverbindungen. Aufgrund ihrer hybriden elektrooptischen Natur erfordern sie in der Regel eingehende Überlegungen zu elektrischen, optischen und mechanischen Auslegungsfragen sowie speziellen elektronischen Schnittstellenkomponenten, damit sie effektiv arbeiten und ihr volles Potenzial entfalten können.
Wenn diese konstruktiven Überlegungen verstanden und befolgt werden, gibt es eine Vielzahl geeigneter Bauteile, die als Lösungen für die Präsenzerkennung, die Instrumententechnik und optische Verbindungen in Frage kommen.
Fazit:
Optische Bauelemente wie Fotodioden und Fototransistoren werden für die Präsenzerkennung und Hochleistungsinstrumente genutzt und sind entscheidender Bestandteil von optischen Datenverbindungen. Aufgrund ihrer hybriden elektrooptischen Natur erfordern sie in der Regel eingehende Überlegungen zu elektrischen, optischen und mechanischen Auslegungsfragen sowie speziellen elektronischen Schnittstellenkomponenten, damit sie effektiv arbeiten und ihr volles Potenzial entfalten können.
Wenn diese konstruktiven Überlegungen verstanden und befolgt werden, gibt es eine Vielzahl geeigneter Bauteile, die als Lösungen für die Präsenzerkennung, die Instrumententechnik und optische Verbindungen in Frage kommen.
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