Что такое фототранзистор?

Конструкция фототранзистора

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.

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

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.

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.

Маркировки и основные параметры

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:

При 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.

Фототранзисторы

Фототранзисторы отличаются от фотодиодов дополнительным усилением фототока на эмяттерном р-п переходе. Фототранзисторы могут работать как фотодиоды (режим с плавающей базой), так и в транзисторном режиме с источником смещения в базовой цепи. Вывод эмиттера фототранзистора маркируется цветной точкой на корпусе или цветной меткой на проволочном выводе. Фототранзисторы выпускают в металлостеклянном корпусе с входным окном базы в двух конструктивных оформлениях, как с отдельным электрическим выводом базы, так и без него. Основные параметры фототранзисторов приведены в таблице, внешний вид фототранзисторов показан на рисунке 1.
Тип

Щелкните мышью для увеличения

Импортные фототранзисторы

Изготовление транзистора своими руками

Эта статья заинтересует в первую очередь тех, кто любит и умеет мастерить. Конечно, можно купить различные готовые устройства и приборы, в том числе и изделия солнечной фотовольтаики в сборе или россыпью.

Но умельцам намного интереснее создать собственное устройство, не похожее на другие, но обладающее уникальными свойствами.

Например, из транзисторов своими руками может быть изготовлена солнечная батарея, на базе этой солнечной батареи могут быть собраны различные устройства, например, датчик освещенности или маломощное зарядное устройство.

Собираем солнечную батарею

В промышленных гелиевых модулях в качестве элемента, преобразующего солнечный свет в электричество, используется кремний. Естественно, этот материал прошел соответствующую обработку, которая превратила природный элемент в кристаллический полупроводник.

Этот кристалл нарезается на тончайшие пластины, которые затем служат основой для сборки больших солнечных модулей. Этот же материал используется и при изготовлении полупроводниковых приборов.

Поэтому, в принципе, из достаточного количества кремниевых транзисторов можно изготовить солнечную батарею.

Для изготовления гелиевой батареи лучше всего использовать старые мощные приборы, имеющие маркировку «П» или «КТ». Чем мощнее транзистор, тем большую площадь имеет кремниевый кристалл, а следовательно, тем большую площадь будет иметь фотоэлемент.

Желательно, чтобы они были рабочие, в противном случае их использование может стать проблематичным. Можно, конечно, попробовать использовать и неисправные транзисторы.

Но при этом каждый из них следует проверить на предмет отсутствия короткого замыкания на одном из двух переходов: эмиттер – база или коллектор – база.

От того, какова структура используемых транзисторов (р-n-р или n-р-n), зависит полярность создаваемой батареи. Например, KT819 имеет структуру n-р-n, поэтому для него положительным («+») выходом будет вывод базы, а отрицательными («-») – выводы эмиттера и коллектора.

А транзисторы типа П201, П416 имеют структуру р-n-р, поэтому для них отрицательным («-») выходом будет вывод базы, а положительными («+») – выводы эмиттера и коллектора.

Если взять в качестве фотопреобразователя отечественные П201 – П203, то при хорошем освещении можно получить на выходе ток до трех миллиампер при напряжении в 1.5 вольта.

Транзистор П202М

После того, как будет выбран тип и собрано достаточное количество транзисторов, к примеру, П201 или П416, можно приступать к изготовлению солнечной батареи. Для этого на расточном станке следует сточить фланцы транзисторов и удалить верхнюю часть корпуса.

Затем нужно провести рутинную, но необходимую операцию по проверке всех транзисторов на пригодность использования их в качестве фотоэлементов. Для этого следует воспользоваться цифровым мультиметром, установив его в режим миллиамперметра с диапазоном измерения до 20 миллиампер.

Соединяем «плюсовой» щуп с коллектором проверяемого транзистора, а «минусовой» – с базой.

Проверка транзистора

Если освещение достаточно хорошее, то мультиметр покажет значение тока в пределах от 0.15 до 0.3 миллиампер. Если значение тока окажется ниже минимального значения, то этот транзистор лучше не использовать. После проверки тока следует проверить напряжение.

Не снимая щупов с выводов, мультиметр следует переключить на измерение напряжения в диапазоне до одного вольта. При этом же освещении прибор должен показать напряжение, равное примерно 0.3 вольта.

Если показатели тока и напряжения соответствуют приведенным значениям, то транзистор годен для использования в качестве фотоэлемента в составе солнечной батареи.

Схема соединений транзисторов в солнечную батарею

Если есть возможность, то можно попробовать выбрать транзисторы с максимальными показателями. У некоторых транзисторов в плане расположения выводов для монтажа батареи может оказаться более удобным переход база – эмиттер. Тогда свободным остается вывод коллектора.

И последнее замечание, которое нужно иметь в виду при изготовлении гелиевой батареи из транзисторов. При сборке батареи следует позаботиться об отводе тепла, так как при нагревании кристалл полупроводника, начиная примерно с температуры +25°С, на каждом последующем градусе теряет около 0.

5% от начального напряжения.

Транзисторы П203Э с радиаторами охлаждения

В летний солнечный день кристалл кремния может нагреваться до температуры +80°С. При такой высокой температуре каждый элемент, входящий в состав гелиевой батареи, может терять в среднем до 0.085 вольта. Таким образом, коэффициент полезного действия такой самодельной батареи будет заметно снижаться. Именно для того, чтобы минимизировать потери, и нужен теплоотвод.

Обычный транзистор как элемент солнечной фотовольтаики

Кроме того, что обычный транзистор достаточно просто можно превратить в фотоэлектрический преобразователь, при небольшой фантазии его можно использовать и в других полезных схемах, используя фотоэлектрические свойства полупроводника. И область применения этих свойств может быть самая неожиданная.

Причем применять модифицированный транзистор можно в двух вариантах – в режиме солнечной батареи и в режиме фототранзистора.

В режиме солнечной батареи с двух выводов (база – коллектор или база – эмиттер) без каких-либо модификаций снимается электрический сигнал, вырабатываемый полупроводником при освещении его.

Фототранзистор представляет собой полупроводниковое устройство, реагирующее на световой поток и работающее во всех диапазонах спектра.

Этот прибор преобразовывает излучение в электрический сигнал постоянного тока, одновременно усиливая его. Ток коллектора фототранзистора находится в зависимости от мощности излучения.

Чем интенсивнее освещается область базы фототранзистора, тем больше становится ток коллектора.

Из обычного транзистора можно сделать не только фотоэлемент, преобразующий световую энергию в энергию электрическую. Обычный транзистор можно легко превратить в фототранзистор и использовать в дальнейшем уже его новые функциональные возможности. Для такой модификации подходят практически любые транзисторы. Например, серии MП.

Если повернуть транзистор выводами кверху, то мы увидим, что вывод базы припаян непосредственно к корпусу транзистора, а выводы эмиттера и коллектора изолированы и заведены вовнутрь. Электроды транзистора расположены треугольником.

Если повернуть транзистор так, чтобы вершина этого треугольника – база – была повернута к вам, то коллектор окажется слева, а эмиттер – справа.

Корпус транзистора, сточенный со стороны эмиттера

Теперь надфилем следует аккуратно сточить корпус транзистора со стороны эмиттера до получения сквозного отверстия. Фототранзистор готов к работе. Как и фотоэлемент из транзистора, так и самодельный фототранзистор может быть использован в различных схемах, реагирующих на свет. Например, в датчиках освещенности, которые управляют включением и выключением, например, внешнего освещения.

Схема простейшего датчика освещения

И те, и другие транзисторы могут быть использованы в схемах слежения за положением солнца для управления поворотом солнечных батарей. Слабый сигнал с этих транзисторов достаточно просто усиливается, например, составным транзистором Дарлингтона, который, в свою очередь, уже может управлять силовыми реле.

Примеров использования таких самоделок можно привести великое множество. Сфера их применения ограничивается только фантазией и опытом человека, взявшегося за такую работу. Мигающие елочные гирлянды, регуляторы освещенности в комнате, управление освещением дачного участка… Все это можно сделать своими руками.

Усиление фототранзистора

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:

Читайте также:  Предохранители для электрощита дома. Какие лучше выбрать? на сайте Недвио

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.

Биполярный фототранзистор. Устройство и принцип действия.

Один из возможных вариантов конструкции фототранзистора показан на Рис.1. Как видно из этого рисунка, фототранзистор отличается от обычного транзистора лишь прозрачным окном в корпусе; через него световой поток падает на пластину полупроводника, служащую базой, в центре которой путем вплавления создан коллекторный переход.

Возможны и другие варианты расположения электродов, например кольцеобразный коллектор на освещаемой поверхности базы.

Устройство и схема включения биполярного фототранзистора также показаны на Рис.2.а.

Фототранзистор состоит из:

1 — эмиттерной области р+- типа;

2 — области базы n- типа, большая часть которой пассивна и открыта световому потоку;

3 — широкой коллекторной области р- типа.

Пассивная часть базы расположена на Рис.2.а слева от штрих пунктирной линии. Фототранзистор, как правило, включается по схеме ОЭ с резистором нагрузки Rн в коллекторной цепи (Рис.2.а). Входным сигналом фототранзистора является модулированный световой поток, а выходным — изменение напряжения на его коллекторе.

Типовая спектральная чувствительность кремниевого фототранзистора

Рассмотрим принцип работы фототранзистора в схеме с разорванной цепью базы. Оптический сигнал генерирует в коллекторном переходе и области пассивной базы носители. Эти носители диффундируют в базе к коллекторному переходу и разделяются его электрическим полем. Не основные носители создают фототок коллекторного перехода, а основные накапливаются в базе и компенсируют заряд неподвижных ионов примесей на границе эмиттерного перехода. Потенциальный барьер перехода снижается, что усиливает инжекцию носителей из эмиттера в базу. Инжектированные носители диффундируют через базу к коллекторному переходу и втягиваются его электрическим полем в область коллектора. Ток инжектированных носителей, а соответственно и образованный ими коллекторный ток многократно превышает фототок оптически генерируемых носителей.

Общий ток коллектора — это сумма фототока Iфб и тока Iкр инжектированных эмиттером дырок, прошедших коллекторный переход.

Коэффициент усиления фототока:

М=(Iфв+Iкр)/Iфб=β+1, если , (1)

где β — статический коэффициент передачи по току транзистора в схеме с ОЭ.

Усиленный в М раз фототок создает падение напряжения на резисторе нагрузки Rн, изменяя напряжение коллектора на:

Из этого соотношения следует, что фототранзистор можно представить в виде эквивалентного фотодиода VD и усилительного транзистора VT (Рис.2.б). Эквивалентный фотодиод образован пассивной базой и областью коллектора слева от штрих-пунктирной линии на Рис.2.а, структура усилительного транзистора расположена справа от этой линии. Транзистор увеличил чувствительность эквивалентного фотодиода в ( β+1) раз.

Вывод базы Б фототранзистора иногда используется для подачи смещения при выборе рабочей точки на входной и выходной характеристиках транзистора и обеспечения ее температурной стабилизации.

Семейство выходных характеристик фототранзистора в схеме с ОЭ приведено на Рис.2.в. Фототок образован генерируемыми в области базы неравновесными носителями.

Схемы подключения биполярных фототранзисторов

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:

1. Активный режим.
2. 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.

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.

Фототранзисторы. Основные схемы включения.

Различают две основные схемы включения фототранзисторов: с отключенной базой и с присоединенной. В обеих преобразователь включается по схеме с общим эмиттером.

В первой, являющейся наиболее простой, фототранзистор применяется как двухполюсник. Фотоприемник обладает, наибольшим усилением, но невысоким быстродействием и температурной стабильностью.

Включение фототранзистора с присоединенной базой позволяет управлять положением рабочей точки, а также уменьшить темновой ток через коллекторный переход и повысить граничную частоту. Кроме того, фототранзистор может функционировать как фотодиод. Для этого обычно используют переход коллектор-база, площадь которого больше площади перехода эмиттер-база. В зависимости от напряжения, приложенного к переходу, получают фотодиодный или фотогальванический режимы работы.

По сравнению с фотодиодами фототранзисторы редко используются для работы со слабыми сигналами, для прецизионных аналоговых измерений, а в случае приема модулированных сигналов строгие требования предъявляются к стабилизации рабочей точки. Напротив, достаточно высокое усиление фототока, в результате чего нередко отпадает необхрдимость в промежуточных усилителях, успешная работа с немодулированными сигналами, высокими уровнями излучения, схемотехническая гибкость предопределили широкое применение фототранзисторов в различных пороговых схемах автоматики, оптронах. л ж.

Фототранзисторы могут непосредственно управлять работой маломощных электромеханических реле, тиристоров. Необходимым условием при построении таких схем является превышение тока коллектора, который устанавливается под действием на преобразователь лучистого потока, над порогом срабатывания ключевого элемента. Назначение диода — защита фотоприемника от индуцированной э.д.с. в момент запирания. Порог срабатывания тиристора устанавливается сопротивлением Ri. Конденсатор С препятствует отпиранию тиристора при кратковременных изменениях освещенности, скачках напряжения или тока в сети. При коммутации более мощных цепей, а также в фотореле с большей чувствительностью фототранзисторы нередко включают по схеме Дарлингтона. Общий коэффициент усиления первичного фототока схем равен произведению коэффициентов усиления фотоприемника и транзистора. Реле Р срабатывает при освещении фототранзисторов В схемах с тиристорами делители задают напряжение на коллекторах транзисторов, которое обычно значительно меньше величины напряжения Е. Фотореле срабатывает при засветке фототранзистора, а фотореле при его затемнении.

Включение по схеме Дарлингтона применяется в составном фототранзисторе. В корпусе этого фотоприемника на одном кристалле кремния размещаются транзистор и фототранзистор, причем на последний с помощью линзы фокусируется световой поток.

Аналогично фотодиодам фототранзисторы используются для управления работой усилительных каскадов на транзисторах. В зависимости от соотношения выходного сопротивления фотоприемника с входным сопротивлением усилителя может быть управление по току либо по напряжению. Выходной (коллекторный) ток фототранзи стора задает режим на базе транзистора. Резистор служит для ограничения тока через фотоприемник. Значение сопротивления выбирается так, чтобы ограничить мощность рассеивания, которая не должна превышать допустимой мощности рассеивания фототранзистора при работе с интенсивными засветками. Обычно сопротивление Ri значительно меньше сопротивления нагрузки. Выходное напряжение Схемы падает с ростом освещенности. Разброс параметров фотоприемников компенсируется регулировкой сопротивления.