Photodiode là gì? Ký hiệu, cách mắc, cách đo và ứng dụng

1. Photodiode là gì và có vai trò gì?

Photodiode biến ánh sáng thành dòng điện. Dòng quang thường được đưa vào bộ chuyển đổi dòng-điện áp thay vì sử dụng như diode chỉnh lưu.

Phần quan trọng nhất là xác định linh kiện này đang làm nhiệm vụ gì trong khối mạch trước khi đo hoặc chọn linh kiện thay thế.

2. Ký hiệu Photodiode trong sơ đồ mạch điện

Ký hiệu photodiode là ký hiệu diode có hai mũi tên ánh sáng hướng vào tiếp giáp; hướng mũi tên phải ngược với LED.

Diode thường mang mã D; LED đôi khi mang mã LED. Số thứ tự D1, D2… cho biết từng diode cụ thể trong mạch.

3. Cấu tạo, hình dạng và kiểu đóng gói

Tiếp giáp bán dẫn tạo đặc tuyến dòng–áp phi tuyến. Vật liệu và cấu trúc chip quyết định điện áp thuận, dòng rò, tốc độ và khả năng chịu xung.

Những kiểu vỏ và kiểu lắp thường gặp gồm:

• DO-35/DO-41 xuyên lỗ
• SOD-123, SOD-323, SMA, SMB, SMC
• LED xuyên lỗ và LED SMD
• Package công suất TO-220 hoặc module

4. Các chủng loại phổ biến

Mỗi chủng loại có ưu điểm, giới hạn và môi trường sử dụng khác nhau; không nên thay lẫn chỉ vì có hình dạng gần giống.

• Photodiode PIN
• Photodiode avalanche
• Photodiode diện tích lớn
• Mảng photodiode

5. Các thông số kỹ thuật cần hiểu

• Điện áp thuận và dòng thuận: xác định vùng làm việc an toàn; cần phân biệt trị số làm việc liên tục với giới hạn tuyệt đối.
• Điện áp ngược: là giới hạn điện áp phù hợp với cách điện và chế độ hoạt động của linh kiện.
• Dòng rò: là dòng điện linh kiện có thể mang hoặc điều khiển trong điều kiện nhiệt đã nêu.
• Công suất: xác định lượng nhiệt linh kiện có thể chịu trong điều kiện quy định mà không bị quá nhiệt.
• Thời gian phục hồi hoặc điện dung: cần được đọc cùng đơn vị, điều kiện đo và giới hạn do nhà sản xuất công bố.
• Năng lượng xung nếu là TVS: cho biết linh kiện chịu được biên độ và năng lượng xung trong khoảng thời gian quy định.

6. Công thức toán học và vật lý

Các công thức dưới đây mô tả quan hệ giữa những đại lượng quan trọng của linh kiện. U là điện áp, I là dòng điện, R là điện trở, P là công suất, E hoặc W là năng lượng, f là tần số và t là thời gian; đơn vị lần lượt là V, A, Ω, W, J, Hz và s.

Ký hiệu có chỉ số dưới dùng để chỉ đúng vị trí hoặc trạng thái đo, chẳng hạn U_ra là điện áp đầu ra và U_shunt là điện áp trên điện trở shunt. Với ký hiệu riêng của từng họ linh kiện, cần đọc định nghĩa ngay trong datasheet.

Công thức lý tưởng chỉ đúng trong điều kiện đã nêu. Khi chọn linh kiện thật phải tính thêm dung sai, nhiệt độ, tần số, tải và giới hạn trong datasheet.

7. Các cách mắc Photodiode trong mạch điện tử

Các cách mắc được sắp xếp từ dễ nhận biết đến ứng dụng nâng cao. Ở mỗi sơ đồ, hãy theo dõi điểm nối nguồn, mass, đầu vào, đầu ra và chiều dòng điện trước khi tính toán.

Các cách mắc thường dùng

1. Mắc photodiode với bộ chuyển đổi dòng-điện áp I/V

Nguyên lý: Photodiode nối vào nút tổng của op-amp; điện trở hồi tiếp biến dòng quang thành điện áp và giữ điện áp trên diode theo mức tham chiếu.

2. Mắc photodiode phân cực ngược ở chế độ quang dẫn

Nguyên lý: Photodiode được phân cực ngược trong giới hạn datasheet để giảm điện dung tiếp giáp và tăng tốc độ; dòng quang được đo bằng mạch khuếch đại phù hợp.

8. Ví dụ tính toán và ứng dụng

Diode chỉnh lưu mang 1 A với sụt áp 0,8 V tổn hao xấp xỉ 0,8 W; cần kiểm tra nhiệt trở và điều kiện tản nhiệt.

9. Cách đọc mã và datasheet

Đọc VF theo dòng, VRRM, dòng rò, thời gian phục hồi/điện dung, nhiệt trở; với TVS đọc VRWM, VBR, VC và công suất xung.

Hãy phân biệt thông số làm việc khuyến nghị với giới hạn tuyệt đối. Giới hạn tuyệt đối không phải là mức nên duy trì trong quá trình vận hành.

10. Cách đo và kiểm tra trên bo mạch

1. Ngắt nguồn và dùng thang diode
2. Đo thuận cho một giá trị sụt áp, đo ngược thường báo hở; giá trị phụ thuộc loại
3. Nhấc một chân nếu các nhánh song song làm sai kết quả
4. Không dùng phép đo tĩnh để kết luận đầy đủ khả năng chịu áp/xung

Khi đo trực tiếp trên bo, các linh kiện nối với cùng nút mạch có thể làm kết quả khác trị số riêng của linh kiện. Nếu cần đo độc lập, chỉ tháo một đầu hoặc chân đo phù hợp sau khi đã ngắt nguồn và xả hết điện tích.

11. Dạng hư hỏng và nguyên nhân

Dấu hiệu có thể quan sát hoặc đo được

• Chập hai chiều
• Đứt
• Rò ngược tăng
• Điện áp thuận tăng
• Mất khả năng kẹp hoặc phát sáng

Những nguyên nhân cần kiểm tra

• Quá dòng
• Quá áp ngược
• Xung vượt năng lượng
• Quá nhiệt
• Lắp sai cực

Một dấu hiệu có thể xuất phát từ nhiều nguyên nhân. Chỉ kết luận linh kiện hỏng sau khi kết hợp kết quả đo, sơ đồ mạch và điều kiện vận hành.

12. Cách lựa chọn linh kiện thay thế

• Đúng loại và cực tính
• Điện áp ngược, dòng và công suất phù hợp
• Tốc độ/điện dung phù hợp tần số
• TVS phải đúng điện áp standoff và mức kẹp
• Đúng package

13. Câu hỏi thường gặp

Có thể đo Photodiode trực tiếp trên bo mạch không?

Có thể kiểm tra sơ bộ sau khi đã ngắt nguồn và xả điện tích. Tuy nhiên, những nhánh mạch nối song song hoặc linh kiện bảo vệ có thể làm sai kết quả; khi cần đo độc lập phải tách chân phù hợp và đối chiếu sơ đồ.

Có thể dùng linh kiện có thông số cao hơn để thay thế không?

Trước hết, linh kiện thay thế phải đúng chức năng và trị số chính. Một số giới hạn như công suất hoặc điện áp có thể chọn cao hơn, nhưng kích thước, đặc tính xung, tần số và nhiệt vẫn phải phù hợp. Với linh kiện nhiều chân, sơ đồ chân bắt buộc phải tương thích.

14. Kết luận

Muốn sử dụng linh kiện này đúng cách, người đọc cần nhận dạng đúng loại, hiểu ký hiệu và đường kết nối, tính được điều kiện làm việc, đo kiểm an toàn và đối chiếu datasheet trước khi thay thế.