Фототранзисторы. Значительно выше по сравнению с фотодиодами интегральная чувствительность у фототранзисторов
Значительно выше по сравнению с фотодиодами интегральная чувствительность у фототранзисторов. Биполярный фототранзистор представляет собой обычный транзистор, но в корпусе его сделано прозрачное «окно», через которое световой поток может воздействовать на область базы. Схема включения биполярного фототранзистора типа p-n-p со «свободной», т.е. никуда не включенной, базой, приведена на рис.4.10. Обычно на эмиттерном переходе напряжение прямое, а на коллекторном – обратное.
 |
Фотоны вызывают в базе генерацию пар носителей заряда – электронов и дырок. Они диффундируют к коллекторному переходу, в котором происходит их разделение так же, как и в фотодиоде. Дырки под действием поля коллекторного перехода идут из базы в коллектор и увеличивают ток коллектора. А электроны остаются в базе и повышают прямое напряжение эмиттерного перехода, что усиливает инжекцию дырок в этом переходе. За счет этого дополнительно увеличивается ток коллектора. В транзисторе типа n-p-n все происходит аналогично.
Интегральная чувствительность у фототранзистора в десятки раз больше, чем у фотодиода, и может достигать сотен мА на люмен.
Выходные характеристики фототранзистора показаны на рис.4.11. Они аналогичны выходным характеристикам для включения транзистора по схеме с общим эмиттером, но различные кривые соответствуют различным значениям светового потока, а не тока базы.
Параметры фототранзистора – интегральная чувствительность, рабочее напряжение (10-15 В), темновой ток (до десятков мА), максимальная допустимая рассеиваемая мощность (до десятков мВт), граничная частота. Фототранзисторы, изготовленные сплавным методом, имеют граничные частоты до нескольких кГц, а изготовленные диффузионным методом (планарные) могут работать на частотах до нескольких МГц. Недостаток фототранзисторов – сравнительно высокий уровень собственных шумов.
Частотные свойства ртанзистора обуславливаются временем рекомбинации неосновных носителей заряда в базе (временем восстановления их малой концентрации) при исчезновении светового потока. В реальных схемах вывод базы и эмиттера могут быть соеденины резистором 20-100 кОм. Тогда при исчезновении светового потока неосновные носители из базы могут дополнительно уходить в эмиттер через резистор, что уменьшит время восстановления их концентрации и улучшит частотные свойства оптотранзистора.
Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:
Датчик света. Фототранзистор, фотодиод
При попадании света на фототранзистор его ток увеличивается, что позволяет использовать фоторанзисторы в качестве датчиков света, которые одновременно с преобразованием светового сигнала в электрический усиливают последний.
Основой фототранзистора служит полупроводниковый монокристалл, который заключают в прозрачный защитный корпус, либо в корпус с прозрачным окном. Прозрачность корпуса обеспечивает доступность базы фототранзистора для светового облучения, за счёт чего появляется возможность управлять прохождением электрического тока с помощью света.
При отстутствии падающего на базу света через фототранзистор протекает незначительный ток, который обычно не превышает десятков наноампер (нА). Такой ток называют темновым током. Кроме величины темнового тока фототранзисторы характеризуются интегральной чувствительностью — отношением фототока к величине падающего света.
Фототранзисторы могут иметь три или два вывода, в последнем случае используется только коллектор и эмиттер. Подключение двухвыводного фототранзистора похоже на включение обычного фотодиода, которые также достаточно часто используют в качестве основы для фотодатчиков у роботов.
Фотодиод представляет собой диод, в котором обеспечена возможность воздействия света на полупроводниковый переход. Воздействие света вызывает напряжение на выводах фотодиода или протекание тока в цепи, в которую включен фотодиод.
Условное обозначение фотодиода на схемах очень похоже на обозначение обычного диода с двумя направленными на него стрелками. Не стоит путать обозначение фотодиода с обозначением светодиода, у которого стрелки направлены от него.
В отличие от фототранзисторов, фотодиоды только преобразуют свет в электрический ток, но не усиливают его. Кроме того, фототранзисторы обладают большей, чем фотодиоды, чувствительностью — порядка сотни миллиампер на люмен.
Фоторезисторы также применяются при построении датчиков света. Сопротивление фоторезистора уменьшается при воздествии на него света. Основным недостатком фоторезисторов является их достаточно большая инерционность, влияющая на скорость работы датчиков, в основе которых используется фоторезистор.
Важной характеристикой фототранзисторов и фотодиодов является диапазон спектра, в котором они имеют наибольшую чувствительность. Помимо фототранзисторов, работающих в видимом диапазоне световых волн, достаточно распространенными являются фототранзисторы инфракрасного диапазона (ИК-фототранзисторы).
Фототранзисторы. Устройство и работа. Применение и особенности
Фототранзисторы являются твердотельными полупроводниками с внутренним усилением, применяемым для передачи цифровых и аналоговых сигналов. Этот прибор выполнен на основе обычного транзистора. Аналогами фототранзисторов являются фотодиоды, которые уступают ему по многим свойствам, и не сочетаются с работой современных электронных приборов и радиоустройств. Их принцип действия похож на работу фоторезистора.
Чувствительность фототранзистора гораздо выше, чем у фотодиода. Они нашли применение в различных устройствах, в которых применяется зависимость от светового потока. Такими устройствами являются лазерные радары, пульты дистанционного управления, датчики дыма и другие. Фототранзисторы могут реагировать как на обычное освещение, так и на ультрафиолетовое и инфракрасное излучение.
Устройство
Наиболее популярны биполярные фототранзисторы структуры n-p-n.
Ф-транзисторы имеют чувствительность к свету больше, чем простые биполярные, так как они оптимизированы для лучшего взаимодействия с лучами света. В их конструкции зона коллектора и базы имеет большую площадь. Корпус выполнен из темного непрозрачного материала, с окошком для пропускания света.
Большинство таких полупроводников изготавливают из монокристаллов германия и кремния. Существуют также фототранзисторы на основе сложных материалов.
Принцип действия
Транзистор включает в себя базу, коллектор и эмиттер. При функционировании фототранзистора база не включена в работу, так как свет создает электрический сигнал, который дает возможность протекать току по полупроводниковому переходу.
При нерабочей базе переход коллектора транзистора смещается в обратном направлении, а переход эмиттера в прямом направлении. Прибор остается без активности до тех пор, пока луч света не осветит его базу. Освещение активизирует полупроводник, при этом создавая пары дырок и электронов проводимости, то есть носители заряда. В итоге через коллектор и эмиттер проходит ток.
Свойство усиления
Фототранзисторы имеют рабочий диапазон, размер которого зависит от интенсивности падающего света, так как это связано с положительным потенциалом его базы.
Ток базы от падающего света подвергается усилению в сотни и тысячи раз. Дополнительное усиление тока обеспечивается особым транзистором Дарлингтона, который представляет собой полупроводник, эмиттер которого соединен с базой другого биполярного транзистора. На схеме изображен такой вид фототранзистора.
Это дает возможность создать повышенную чувствительность при слабом освещении, так как происходит двойное усиление двумя полупроводниками. Двумя транзисторами можно добиться усиления в сотни тысяч раз. Необходимо учитывать, что транзистор Дарлингтона медленнее реагирует на свет, в отличие от обычного фототранзистора.
Схемы подключения
Схема с общим эмиттером
По этой схеме создается сигнал выхода, переходящий от высокого состояния в низкое, при падении лучей света.
Эта схема выполнена с помощью подключения сопротивления между коллектором транзистора и источником питания. Напряжение выхода снимают с коллектора.
Схема с общим коллектором
Усилитель, подключенный с общим коллектором, создает сигнал выхода, переходящий от низкого состояния в высокое, при попадании света на полупроводник.
Эта схема образуется подключением сопротивления между отрицательным выводом питания и эмиттером. С эмиттера снимается выходной сигнал.
В обоих вариантах транзистор может работать в 2-х режимах:
- Активный режим.
- Режим переключения.
Активный режим
В этом режиме фототранзистор создает сигнал выхода, зависящий от интенсивности падающего света. Когда уровень освещенности превосходит определенную границу, то транзистор насыщается, и сигнал на выходе уже не будет повышаться, даже если увеличивать интенсивность лучей света. Такой режим действия рекомендуется для устройств с функцией сравнения двух порогов потока света.
Режим переключения
Действие полупроводника в этом режиме значит, что транзистор будет реагировать на подачу света выключением или включением. Такой режим необходим для устройств, в которых необходимо получение выходного сигнала в цифровом виде. Путем изменения значения резистора в схеме усилителя, можно подобрать один из режимов функционирования.
Для эксплуатации фототранзистора в качестве переключателя чаще всего применяют сопротивление более 5 кОм. Напряжение выхода повышенного уровня в переключающем режиме будет равно питающему напряжению. Напряжение выхода малого уровня должно равняться менее 0,8 В.
Проверка фототранзистора
Такой транзистор легко проверяется мультитестером, даже без наличия базы транзистора. Если подключить мультитестер к участку эмиттер-коллектор, то его сопротивление при любой полярности будет большим, так как транзистор закрыт. Если луч света попадает на чувствительный элемент, то измерительный прибор покажет низкое значение сопротивления, так как транзистор в этом случае открылся, благодаря свету, при правильной полярности питания.
Так ведет себя обычный транзистор, но он открывается сигналом электрического тока, а не лучом света. Кроме силы света, большую роль играет спектральный состав света.
Применение
- Системы охраны (чаще применяются инфракрасные ф-транзисторы).
- Фотореле.
- Системы расчета данных и датчики уровней.
- Автоматические системы коммутации осветительных приборов (также применяются инфракрасные ф-транзисторы).
- Компьютерные управляющие логические системы.
- Кодеры.
Преимущества
- Выдают ток больше, чем фотодиоды.
- Способны создать мгновенную высокую величину тока выхода.
- Основное достоинство – способность создания повышенного напряжения, в отличие от фоторезисторов.
- Невысокая стоимость.
Недостатки
Ф-транзисторы являются аналогом фотодиодов, однако имеют серьезные недостатки, которые создают условия для узкой специализации этого полупроводника.
- Многие виды фототранзисторов изготавливают из силикона, поэтому они не могут работать с напряжением более 1 кВ.
- Такие светочувствительные полупроводники имеют большую зависимость от перепадов напряжения питания в электрической цепи. В таких режимах фотодиод ведет себя гораздо надежнее.
- Ф-транзисторы не сочетаются с работой в лампах, по причине малой скорости носителей заряда.
Обозначения на схемах
Управляемые световым потоком транзисторы, на схемах обозначаются как обычные транзисторы.
VТ1 и VТ2 – ф-транзисторы с базой, VТ3 – транзисторы без базы. Цоколевка изображена как у простых транзисторов.
Так же, как и другие приборы на основе полупроводников с переходом n-p-n, применяющиеся для преобразования светового потока, фототранзисторы можно назвать оптронами. Их на схемах изображают в виде светодиода в корпусе, или в виде оптронов со стрелками. Усилитель во многих схемах обозначается в виде базы и коллектора.
Фототранзистор: схема, принцип работы и характеристики
Фототранзистор представляет из себя твердотельный полупроводник, который обладает внутренним усилением, и, как правило, применяется данный прибор для трансмиссии (передачи) аналогового и цифрового сигнала. Схема фототранзистора совпадает с основами обычного транзистора, именно поэтому его аналогом принято считать фотодиод.
Стоит отметить, что отличительной особенностью вышеназванного устройства является не только способность реагировать на различные виды излучений и освещений, но и повышенная чувствительность, позволяющая применять его в различных устройствах, связанных с зависимостью потока света. К таковым можно отнести следующие:
- датчики дыма;
- лазерные радары;
- пульты с дистанционным управлением.
Схема фототранзистора
Безусловно, как и в ситуации с фотодиодами, к главной задаче фототранзистора необходимо отнести образование полезного и качественного напряжения из светового потока. Однако, так как в структуре нашего прибора присутствует полупроводниковое усиление, появляется возможность воссоздать общую схему коллектором и эмиттером.
Именно данная модель способна на выходе давать самое высокое напряжение.
Таким образом, в отличие от фотодиодов, в схеме фототранзистора можно обойтись и без трансимпедансного усилителя базы “ОУ”.
Принцип работы фототранзистора
Как мы уже говорили ранее, механизм работы фототранзистора во многих аспектах напоминает работу простого транзистора. Однако, здесь следует отметить важное отличие: в нашем приборе электрический ток находится под контролем лишь двух активных контактов.
В обычной структуре (с условием, что к фототранзистору не подключено что-то постороннее) оптическое излучение регулирует базовый ток, происходит этот процесс при помощи коллектора. Так как электрический ток оказывается в проводнике лишь после резистора, напряжение прибора определяется оптическим излучением, а если быть точнее — его уровнем. Для усиления сигнала можно подключить устройство к специальному оборудованию. При этом, вывод прибора имеет зависимость от того, какова длина света, который падает и, в свою очередь, управляет усилением постоянного тока в транзисторе.
Стоит отметить, что существует несколько типов фототранзистора: оптический изолятор, оптическое реле и датчики.
- Оптический изолятор: он напоминает трансформатор, который с помощью электрических контактов блокирует все входы;
- Оптическое реле или фотореле: оно определяет реакцию прибора, связанную с изменением различных опто-величин;
- Датчики: они выделяют свет.
Ключевые параметры фототранзистора
Токовая и спектральная чувствительности
Токовая или монохроматическая чувствительность
— параметр фототранзистора, который определяет величину оптического тока.
— фотопоток;
— световой поток.
Спектральная чувствительность — параметр фототранзистора, используемый для считывания и распознавания элементов. Данная чувствительность имеет зависимость от длины волны светового излучения.
Темновой ток и быстродействие
Темновой ток (Iт) — небольшой электро-ток, протекающий через оптический чувствительный детектор.
Iт = Iф + Iобщ, где
Iобщ — общий ток.
Быстродействие — параметр фототранзистора, который определяет способность прибора выполнять работу с необходимой скоростью.
В данном компоненте фототранзистор уступает фотодиодам, так как его рабочий диапазон частот ограничен несколькими сотнями Килогерц, что влияет на временной промежуток модернизации.
Усилительные свойства фототранзистора
Усилительные свойства, которыми обладает данный прибор, определяются следующим образом: фототранзистор, имеющий определенный диапазон (величина диапазона обусловлена интенсивностью поляризованного света) работы.
Электрический постоянный (или базовый) ток поляризованного света способен поддаваться огромному усилению (например, в несколько десятков тысяч раз) .
Плюс ко всему, возможно так называемое “дополнительное усиление” электротока, которое объясняется особенным обеспечивается особым транзистором имени Дарлингтона, представляющий из себя биполярный транзистор с соединенным эмиттером.
Таким образом, такая большая усилительная способность (основная и дополнительная) позволяет фототранзистору, даже при не самом ярком освещении, обладать сверх-повышенной чувствительностью
Наиболее популярная структура фототранзистора
На мой взгляд, к самой популярной и востребованной структуре, которая представлена в фототранзисторе, следует отнести структуру n — p — n
Как правило, биполярные фототранзисторы вышеназванной схемы изготовлены либо из монокристаллического кремния, либо из монокристаллического германия.
Стоит отметить, что данный прибор способен создать такой механизм взаимодействия со световыми лучами, который позволит иметь большую оптическую чувствительность, нежели обычный транзистор или фотодиоды.
Характеристики фототранзистора
Придется снова повториться касаемо схожести фототранзисторов и фотодиодов. Если мы говорим о том, что эти приборы имеют общие черты, соответственно сравнивать их мы должны между собой.
Говоря честно, фототранзисторы не обладают количественным преимуществом в отдельных аспектах, да, они имеют более высокую чувствительность непосредственно к излучению, но на этом все, в остальных параметрах наш прибор не превосходит фотодиоды.
А вот недостатков относительно фотодиодов достаточно.
Во-первых, фототранзисторы уступают в быстродействии, то есть временной промежуток отклика в линии связи немного дольше.
Во-вторых, у фотодиодов куда мельче выглядит темновой ток, что помогает им качественнее распознавать и регистрировать световой поток.
В-третьих, фототранзисторы не могут на должном уровне поддерживать линейную зависимость между током на выходе и освещением.
В чем отличие между фототранзисторами и фотодиодами?
Пожалуй, вопрос, интересующий каждого читателя нашего сайта. На самом деле, ответ на него не выглядит каким-то очевидным и понятным, однако, я попытаюсь объяснить вам простыми словами.
Итак, ключевым отличием данных приборов является то, что фотодиоды обладают способностью осуществлять механизм работы сразу в двух режимах: фотодиодный и фотогальванический.
Если говорить о первом режиме, то для него достаточно подачи обратного напряжения на диод, что позволит регулировать сопротивление в меньшую сторону.
Если же говорить о режиме фотогальваническом, то здесь уместно сравнение с солнечной батареей, то есть есть свет — есть и напряжение.
К слову, фототранзисторы способны работать лишь в первом режиме. Это говорит о том, что они проще устроены и менее практичны в применении.
Где применяются фототранзисторы?
Так как фототранзистор является прибором, обладающим очень высокой чувствительностью, он находит широкое применение:
- В системах автоматической безопасности;
- В охранной сигнализации;
- В электронных устройствах излучения;
- В компьютерных системах управления;
- В автоматических системах освещения;
- В написании кода по исходным данным;
- В оптопарах и других оптических приборах.
Где можно приобрести фототранзистор?
Достать фототранзистор не составит большого труда, тем более на дворе 21 век. Лично я брал себе прибор на Aliexpress.
Товар пришел быстро, качество порадовало, да и цена подъемная!
Заключение
Итак, фототранзистор — полупроводниковый прибор, основанный на биполярном транзисторе, однако, тот факт, что этот инструмент вызывает высокое усиление фототока, позволяющее не использовать промежуточное усиление и работать на максимально возможном уровне излучения, определяет его широкое использование в различных автоматических системах.