Фототранзисторы
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.
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.
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.
Ф-транзисторы 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.
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.
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 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.
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.
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.
• 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.
Фототранзистор представляет собой твердотельное полупроводниковое устройство с внутренним усилением, которое используются для обеспечения аналоговых или цифровых сигналов.
Фототранзисторы используются практически во всех электронных устройствах, функционирование которых, так или иначе, зависит от света, например, детекторы дыма, лазерные радары, системы дистанционного управления.
Фототранзисторы способны реагировать не только на обычное освещение, но и на инфракрасное и ультрафиолетовое излучение. Фототранзисторы более чувствительные и создают больший ток по сравнению с фотодиодами.
Как известно, самым распространенным видом транзистора является биполярный транзистор. Фототранзисторы, как правило, биполярные устройства NPN типа.
Несмотря на то, что и обычные биполярные транзисторы достаточно чувствительные к свету, фототранзисторы дополнительно оптимизированы для более четкой работы с источником света. Они имеют большую зону базы и коллектора по сравнению с обычными транзисторами. Как правило, они имеют непрозрачный темный корпус с прозрачным окошком для света.
Большинство фототранзисторов производят из полупроводникового монокристалла (кремний, германий), хотя встречаются фототранзисторы, построенные и на основе сложных типов полупроводниковых материалов, например, арсенид галлия.
Обычный транзистор состоит из коллектора, эмиттера и базы. В работе фототранзистора, как правило, вывод базы остается отключенным, так как свет генерирует электрический сигнал, позволяющий току протекать через фототранзистор.
При отключенной базе, коллекторный переход фототранзистора смещен в обратном, а эмиттерный переход – в прямом направлении. Фототранзистор остается неактивным до тех пор, пока свет не попадает на базу. Свет активирует фототранзистор, образуя электроны и дырки проводимости – носители заряда, в результате чего через коллектор – эмиттер протекает электрический ток.
Диапазон работы фототранзистора напрямую зависит от интенсивности его освещения, поскольку от этого зависит положительный потенциал базы.
Базовый ток от падающих фотонов усиливается с коэффициентом усиления транзистора, который варьируется от нескольких сотен до нескольких тысяч единиц. Следует отметить, что фототранзистор с коэффициентом усиления от 50 до 100 более чувствителен, чем фотодиод.
Дополнительное усиление сигнала может быть обеспечено с помощью фототранзистора Дарлингтона. Фототранзистор Дарлингтона представляет собой фототранзистор, выход которого (эмиттер) соединен с базой второго биполярного транзистора. Схематическое изображение фототранзистора Дарлингтона:
Это позволяет обеспечить высокую чувствительность при низких уровнях освещения, так как это дает фактическое усиление равное усилению двумя транзисторами. Два каскада усиления может образовать коэффициент усиления до 100 000 . Однако необходимо учесть, что фототранзистор Дарлингтона имеет более медленную реакцию, чем обычный фототранзистор.
В данном случае формируется выходной сигнал, который переходит из высокого состояния в низкое в момент освещения фототранзистора.
Данная схема получается путем подключения резистора между источником питания и коллектором фототранзистора. Выходное напряжение снимается с коллектора.
Усилитель с общим коллектором формирует выходной сигнал, который при освещении фототранзистора, переходит из низкого состояния в высокое состояние.
Схема создается путем подключения резистора между эмиттером и минусом источника питания (земля). Выходной сигнал снимается с эмиттера.
В обоих случаях фототранзистор может быть использован в двух режимах, в активном режиме и в режиме переключения.
- Работа в активном режиме означает, что фототранзистор генерирует выходной сигнал пропорциональный степени его освещенности. Когда количество света превышает определенный уровень, фототранзистор насыщается, и выходной сигнал уже не будет увеличиваться, даже при дальнейшем увеличении освещения. Этот режим работы фототранзистора полезен в устройствах, где необходимо различить для сравнения два порога освещенности.
- Работа в режиме переключения означает, что фототранзистор в ответ на его освещение будет либо “выключен” (отсечка), либо включен (насыщенные). Этот режим полезен, когда необходимо получить цифровой выходной сигнал.
Изменяя сопротивление резистора нагрузки в цепи усилителя, можно выбрать один из двух режимов работы. Необходимое значение резистора может быть определено с помощью следующих уравнений:
- Активный режим: Vcc> R х I
- Переключатель режима: Vcc
Фоточувствительные приборы используются в разных отраслях электроники и радиотехники. Все больше сейчас применяется фототранзистор, у которого более простой принцип работы, нежели у фотодиодов.
Фототранзистор – это полупроводниковый прибор оптоволоконного типа, который используется для управления электрическим током при помощи определенного оптического излучения.
Эти устройства разработаны на базе обычного транзистора. Их современными аналогами являются фотодиоды, но фототранзисторы лучше подходят для многих современных радио и электронных приборов.
По принципу действия, они напоминают также фоторезисторы.
Фото – фототранзистор
В отличие от фотодиодов, у этих полупроводников более высокая чувствительность.
Где используется фототранзистор:
Нужно отметить, что из-за диапазона Вольт гораздо чаще в подобных системах используются фотодиоды, но фототранзисторы имеют несколько существенных преимуществ:
При этом данный аналог светодиода имеет существенные недостатки, что делает фототранзистор довольно узкоспециализированной деталью:
Фототранзистор работает так же, как и транзистор, где ток направляется к коллектору, ключевым отличием является то, что в данном приборе, электроток контролируется только двумя активными контактами.
Фото – простой фототранзистор
В простой схеме, при условии, что ничего не подключено к фототранзистору, базовый ток регулируется при помощи определенного оптического излучения, которое определяет коллектор. Электроток попадает на полупроводник только после резистора.
Таким образом, напряжение на приборе будет двигаться от высокого к низкому, в зависимости от уровня оптического излучения. Для усиления сигнала можно подключить устройство к специальному оборудованию. Выход фототранзистора зависит от длины волны падающего света. Этот полупроводник реагирует на свет в широком диапазоне волн в зависимости от спектра работы.
Выход фототранзистора определяется площадью открытой переходной коллектор-базы и постоянного тока усиления транзистора.
Фототранзистор бывает разного типа действия, про это говорят основные схемы включения устройства. Виды прибора:
Фототранзисторы, которые управляются внешними факторами, имеют обозначение аналогичное обычным транзисторам. На рисунке ниже Вы можете видеть, как такой датчик схематически показывается на чертеже.
Фото – обозначение транзисторов
При этом VT1, VT2 – это фототранзисторы и база, а VT3 – без базы (например, из мышки). Обратите внимание, цоколевка показана также, как у обычных транзисторов.
Вместе с прочими приборами полупроводникового типа (n-p-n), использующимися для трансформации излучения, эти устройства являются оптронами. Соответственно, их можно изобразить как светодиод в корпусе либо как оптроны (с двумя стрелками, находящимися под углом 90 градусов к базе коллектора). Усилитель на большинстве таких схем обозначается так же, как и база коллектора.
Основные характеристики фототранзисторов LTR 4206E, ФТ 1К и ИК-SFH 305-2/3:
Название Ток коллектора, mA Ток фотоэлемента, mA Напряжение, V Область использования Длина волны, nm LTR 4206E 100 4,8 30 Радиоэлектронные схемы. 940 ФТ 1К 100 0,4 30 Логические системы управления, сигнализация и т. д. 940 ИК-SFH 305-2/3 (Osram) 50 0.25 – 0.8 32 Охранные системы, роботы, датчики препятствия Arduino (Ардуино) на фототранзисторе. 850При этом светосинхронизатор ФТ 1 выполнен из кремния, что дает ему явное преимущество – долговечность и устойчивость к перепадам напряжения. ВАХ представляют собой формулу:
Фото – формула ВАХ
Расчет производится так же, как и у биполярных транзисторов.
В зависимости от потребностей, Вы можете купить фототранзистор SMD PT12-21, КТФ-102А или LTR 4206E (перед тем, как взять деталь, нужно проверить её работоспособность). Цена от 3 рублей до нескольких сотен.
Видео: как проверить работу фототранзистора
Если Вы хотите своими руками сделать устройство, для которого необходим фототранзистор, можно разработать простую интеллектуальную систему. Робот по этой схеме будет реагировать на свет, в зависимости от настройки, он будет от него убегать или наоборот, выходить на источник освещения.
Чтобы самому сделать робота, необходимо приготовить:
Схема робота
Как видно по схеме, фототранзистор здесь – это своеобразный микроконтроллер, как ATMEGA, который определяет источник света, даже его подключение аналогично.
Вы можете при использовании паяльника сделать простой механизм, который будет следовать даже за тенью. Подобные импортные приборы выпускает компания BEAM, но, естественно, там более мощная оптопара.
Для работы устройства Вам нужно только правильно подключить фототранзистор к схеме и питанию.
На обозначении есть пункты GDR и VCC. Первое – это заземление, второе – питание. Обратите внимание, рядом с питанием стоит значок 5В – это значит, что батарея должна быть минимум на 5 вольт.
Принцип действия такого робота прост: когда свет попадает на фототранзистор, на микросхеме происходит включение мотора. Это реализуется, потому что приемник подал положительный сигнал. Заводится самодельный мотор и прибор начинает двигаться.
Использование резистора в этой схеме необходимо для регулировки электрического тока. Также от сопротивления резистора зависит долговечность оптической детали, если он перегреется – то фототранзистору потребуется замена.
Для работы очень важно подключить все провода также, как и на схеме. Выключатель к роботу можно приделать от обычной шариковой ручки, он будет разрывать связь между микросхемой и фототранзистором.
Проверка робота производится путем исследования его реакции на свет и тень.
О простейших фотодетекторах я уже писал, но их применение для передачи информации или сигналов на расстояние весьма ограничено.
Предположим нам надо поймать световой сигнал, причем в любых условиях. И неважно будет это в полной темноте или с яркой внешней засветкой поймать и все тут. Но возникает проблема — как определить когда у нас есть сигнал, а когда фотодетектор засветило помехой?
Очевидный ответ — сравнение двух состояний. Когда полезный сигнал есть, и когда его нет. Для того, чтобы знать что полезный сигнал есть у него должен быть какой нибудь признак, например частота. (далее…)
Read More »
TSOPАРУГенераторИнтерфейсФотодиодФототранзистор
Наверняка многим захочется присобачить к AVR фотодетектор, чтобы отслеживать хотя бы наличие или отсутствие света. Это полезно как для роботостроителей, так и для тех кто делает всякую автоматику. Итак, кратко опишу какие бывают фотодетекторы.
Фоторезистор
ИМХО вымирающий вид. Последний раз я его видел еще в детстве. Обычно представляет собой такой металический кругляк со стеклянным окошком, в котором видна этакая сероватая зигзагообразная дорожка. При освещении его сопротивление падает, правда незначительно, раза в три четыре.
Фототранзистор Последнее время я на них натыкаюсь постоянно, неиссякаемый источник фототранзисторов — пятидюймовые дисководы.
Последний раз я, по цене грязи, надыбал на радио барахолке штук 5 платок от дисковертов, там светотранзисторы стоят напротив дырок контроля записи и вращения дискеты.
Еще сдвоенный фототранзистор (а может и фотодиод, как повезет) стоит в обычной шариковой мышке.
Выглядит как обычный светодиод, только корпус прозрачный. Впрочем, светодиоды тоже такие же бывают так что перепутать кто из них кто раз плюнуть. Но это не беда, партизан легко вычисляется обычным мультиметром.
Достаточно включить омметр между его эмитером и коллектором (базы у него нет) и посветить на него, как его сопротивление рухнет просто катастрофически — с десятков килоом до считанных ом. Тот который у меня в детекторе вращения шестерен в роботе меняет свое сопротивление с 100кОм до 30 Ом.
Работает фототранзистор подобно обычному — держит ток, но в качестве управляющего воздействия тут не ток базы, а световой поток.
Фотодиод
Внешне ничем не отличается от фототранзистора или обычного светодиода в прозрачном корпусе. Также порой встречаются древние фотодиоды в металлических корпусах. Обычно это совковые девайсы, марки ФД-чето там. Такой металлический цилиндрик с окошком в торце и торчащими из задницы проводками.
В отличии от фототранзистора, может работать в двух разных режимах. В фотогальваническом и фотодиодном. В первом, фотогальваническом, варианте фотодиод ведет себя как солнечная батарейка, то есть посветил на него — на выводах возникло слабенькое напряжение. Его можно усилить и применить =). Но куда проще работать в фотодиодном режиме.
Тут мы подаем на фотодиод обратное напряжение. Поскольку он хоть и фото, но диод, то в обратную сторону напряжение не пойдет, а значит его сопротивление будет близко к обрыву, а вот если его засветить, то диод начнет очень сильно подтравливать и сопротивление его будет резко падать. Причем резко, на пару порядков, как у фототранзистора.
(далее…)
Read More »
СхемотехникаФотодиодФототранзистор
Фотоэлектрическими приборами называют электронные приборы, способные изменять те или иные свои характеристики под действием света. Значение этих устройств практически во всех областях радиотехники и электроники переоценить сложно, поэтому сегодняшнюю беседу посвятим им.
Фоторезисторы. В принципе, название прибора говорит само за себя — они под действием света изменяют свое сопротивление.
Обычно затемненный резистор имеет сопротивление порядка 1 – 200 МОм, при освещении эта цифра уменьшается на 2-3 порядка.
Главное преимущество фоторезистора – практически линейная зависимость сопротивления от освещенности, поэтому их удобно использовать в аналоговых приборах – датчиках и измерителях освещенности.
Недостатки же фоторезисторов следующие: достаточно высокие сопротивления (как темновое, так и световое), с которыми не всегда удобно работать. К примеру, ТТЛ микросхемы цифровой техники напрямую не смогут управляться таким резистором – слишком «грубые» их входы не смогут работать с делителями, собранными на сопротивлениях большого номинала:
На это способны только микросхемы КМОП, собранные на полевых транзисторах. Следующий недостаток – достаточно низкая (по сравнению, конечно, с другими типами фотоэлементов) чувствительность.
И главный недостаток, который делает применение фоторезисторов в цифровой технике нецелесообразным – низкая скорость реакции на свет.
При частоте световых импульсов выше килогерца форма электрического сигнала на фоторезисторе неудовлетворительна, а если увеличить частоту еще, то резистор вообще перестанет видеть, что свет «мигает».
Если вспомнить, на каких частотах работает сегодняшняя цифровая техника, то будет очевидно, что фоторезистор в качестве «глаз» для цифрового устройства – плохой вариант. Фоторезистор – прибор неполярный, а потому следить за тем, какой вывод куда подключать, надобности нет.
Фотодиоды. Этот полупроводниковый прибор по своим характеристикам очень напоминает диод обычный, поэтому следить за полярностью его включения придется.
При обратном включении (на катод подается «плюс» источника питания) фотодиод ведет себя так же, как фоторезистор, но в отличие от последнего имеет гораздо более низкое световое сопротивление и в состоянии выдерживать приличный ток. Это позволяет управлять мощными транзисторами и ТТЛ микросхемами напрямую, без дополнительных усилителей:
Еще одно достоинство фотодиода – достаточно высокая скорость реакции, благодаря чему эти приборы широко используются для передачи цифровой информации. Компьютерная ИК-связь, пульты ДУ для радио – и телеаппаратуры – все это фотодиоды.
По диапазону чувствительности фотодиоды различают на инфракрасные и приборы видимого излучения.
Первые «видят» в основном ИК-излучение и мало чувствительны к видимому участку излучения, вторые наоборот – хорошо видят тот свет, который видит и наш глаз, но «слеповаты» в ИК-диапазоне.
И еще одно интересное свойство фотодиода – при прямом включении он способен работать как генератор. Если осветить фотодиод, то на его выводах появится напряжение. Его можно усилить, если прибор работает как датчик света, а можно использовать и для питания аппаратуры, соединив множество светодиодов в солнечную батарею.
Фототранзистор. По сути это обычный транзистор, но без крышки в буквальном смысле. Крышка, закрывающая кристалл прибора, конечно, есть, но она выполнена из прозрачного материала и видимый свет может попадать на кристалл. Для чего? Прежде всего, вспомним, как работает биполярный транзистор.
Подавая на базу некоторое напряжение, можно управлять сопротивлением перехода эмиттер-коллектор. Но оказывается, сопротивлением перехода можно управлять и обычным светом.
Итак, фототранзистор – это обычный транзистор, который имеет еще одну, дополнительную «базу» – световую. Освещаем – открываем транзистор.
В таком включении вывод базы фототранзистора можно вообще не использовать – его роль выполняет свет.
Но, подавая на базу то или иное напряжение смещения, можно изменять чувствительность фототранзистора (специалисты обычно говорят «сдвинуть,сместить его рабочую точку»), приоткрывая его в той или иной степени, а значит регулировать параметры всей схемы:
По характеру действия светового потока на фотоэлектронный прибор различают приборы с фотоэффектом: внутренним — на основе полупроводников, в которых под действием фотонов происходит генерация носителей зарядов – электронов проводимости и «дырок»; внешним, у которых под действием светового потока возникает фотоэлектронная эмиссия.
К фотоэлектронным приборам с внутренним фотоэффектом относятся фоторезисторы, фотогальванические элементы, фотодиоды, фототранзисторы и фототиристоры. К фотоэлектронным приборам с внешним фотоэффектом относятся электровакуумные и газонаполненные фотоэлементы и фотоэлектронные умножители.
Что такое фоторезисторы?
Фоторезисторы обладают свойством изменять свою электропроводность под действием светового потока. Материалом для фоторезисторов служат селен, сернистый свинец, сернистый кадмий, сернистый висмут и другие полупроводники. Для изготовления фоторезистора на изоляционную пластину методом напыления наносят слой полупроводника, на который, в свою очередь, наносят слой металла (платины, золота) в виде двух гребенок.
Непосредственный контакт между гребенками отсутствует, в результате между зубцами гребенок оказывается слой светочувствительного полупроводника. При освещении слоя полупроводника увеличивается число электронов, переходящих в зону проводимости, увеличивается электропроводность, вследствие чего изменяется сопротивление между напыленными участками металла.
Вольт-амперные характеристики фоторезисторов линейные. На рис. 1 показаны устройство фоторезистора (вид а), схема его включения (вид б) и вольт-амперная характеристика (вид в). В условном обозначении фоторезисторов имеются буквы русского алфавита — ФС.
Рис.1. Фоторезистор
Что такое фотодиоды?
Фотодиоды — полупроводниковые приборы, в основу действия которых положено свойство электронно-дырочного перехода изменять обратное сопротивление под действием светового потока. На рис. 2 показаны устройство (вид а) и схема включения (вид б) фотодиода. Когда фотодиод не освещен, в цепи резистора R проходит обратный ток очень небольшой величины.
Рис.2. Фотодиод
При освещении фотодиода увеличивается число «дырок» в области полупроводника с электронной проводимостью. При включении напряжения эти «дырки» проходят через электронно-дырочный переход, вызывая увеличение тока в цепи нагрузки.
Фотодиоды могут работать в двух режимах: режим А характеризуется отсутствием внешнего источника напряжения, фотодиод работает как вентильный фотоэлемент; режим В характеризуется работой фотодиода с внешним источником напряжения и называется фотодиодным.
При освещении фотодиода его ток возрастает за счет фототока приблизительно пропорционально освещенности.
В условном обозначении фотодиодов имеются буквы русского алфавита — ФД.
Что такое фототранзисторы?
Фототранзисторы представляют собой полупроводниковые приборы с двумя р – n – переходами. Облучению подвергается область базы. Под действием света в базовой области образуются свободные носители зарядов —электроны и «дырки». «Дырки», направляясь к коллекторному переходу, проходят в область коллектора и вызывают увеличение обратного тока Ir.
Если напряжение между базой и эмиттером неизменно, то работа фототранзистора аналогична работе фотодиода. Такой фототранзистор не имеет вывода базы, но имеет повышенную чувствительность по сравнению с фотодиодом.
Ваш комментарий добавлен!
Он будет размещен после модерации
О проекте
