Фотопроводящий и фотоэлектрический режимы работы фотодиодов

Фототранзистор. Принцип работы и схема включения. Схема подключения фототранзистора

Фототранзистор. Принцип работы и схема включения

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.

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.

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.

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:

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.

Схема усилителя с общим эмиттером

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.

Схема усилителя с общим коллектором

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, ч

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 , 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.

Работаем с переключателями без документации…

ФОТОТРАНЗИСТОРЫ

   Питанием данного устройства может служить обыкновенная крона с напряжением 9 вольт или два последовательно соединенных литий — ионные аккумулятора от мобильного телефона. Все конденсаторы в устройстве можно заменить на неполярные емкости 0,1 микрофарад. Возможно, и даже очень удобно использование транзисторов типа п402, п423, п422, поскольку у этиx транзисторов кристалл расположен горизонтально, а не вертикально как у МП-шек, следовательно пилить транзистор нужно сверxу, а не боковую часть как у серии МП. Про области применения такиx устройств поговорим позже, а пока советую новичкам взять паяльник и начать работу. Удачи — АКА. 

   Обсудить статью ФОТОТРАНЗИСТОРЫ

Основные характеристики и параметры фототранзисторов

Вольт-амперные характеристики фототранзисторов аналогичны выходным характеристикам биполярного транзистора, включенного по схеме с ОЭ, где параметром является не ток базы, а световой поток или фототок при /б = const (см. рис. 5.15, в). Энергетические и спектральные характеристики такие же, как у фотодиода.

Основные параметры фототранзистора следующие:

  • 1. Рабочее напряжение (10. 15 В).
  • 2. Темновой ток (до сотен микроампер).
  • 3. Рабочий ток (до десятков миллиампер).
  • 4. Максимально допустимая мощность рассеяния (до десятков милливатт).
  • 5. Статический коэффициент усиления по фототоку К = 1 + Л21Э. Измеряется как отношение фототока коллектора транзистора с плавающей базой к фототоку коллекторного перехода при отключенном эмиттере и постоянном световом потоке (составляет порядка 100. 600).
  • 6. Интегральная чувствительность — отношение фототока к падающему световому потоку; составляет 0,2. 2 А/лм и выше

б (h21э + 1) раз по сравнению с чувствительностью эквивалентного диода.

7. Граничная частота — частота, при которой интегральная чувствительность уменьшается в V2 раз по сравнению со своим статическим значением (10 4 . 10 5 Гц). Большую граничную частоту имеют полевые фототранзисторы (10 7 . 10 8 Гц).

Недостатками фототранзисторов являются меньшая граничная частота по сравнению с фотодиодами, что ограничивает их применение в волоконно-оптических системах, а также сравнительно высокий уровень собственных шумов и сильная зависимость темнового тока от температуры.

Этапы сборки прибора

Датчик движения собирается в несколько приемов:

  1. от блока питания отрезается разъем. Далее мультиметром определяется жила с плюсовым зарядом;
  2. из перечисленных выше компонентов делают фотоприемник, соединяя их в схему.


Схема фотоприемника

Затем подключают лазерную указку к блоку питания:

  • припаивают к блоку два дополнительных провода;
  • протыкают шурупом водопроводную прокладку и помещают данную конструкцию в лазерную указку шляпкой вперед, так чтобы та уперлась в пружинный контакт.

Один из дополнительных проводов подсоединяют к шурупу, второй — помещают в щель между прокладкой и корпусом указки.

Биполярный фототранзистор. Устройство и принцип действия.

Рис. 1

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.

Рис.2

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:

, (2)

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

Как работает фоторезистор

В полной темноте, сопротивление этих радио компонентов огромное, может доходить до десятков МОм, но как только элемент подвергается воздействию света, его сопротивление резко снижается до долей Ома.

Фоторезисторы (ФР) обладают высокой чувствительностью в достаточно широком диапазоне (от инфракрасного до рентгеновского спектра), которая и зависит от длины волны светового потока. Эти радио компоненты все еще применяются во многих электронных устройствах благодаря их высокой стабильности во времени, малым размерам и богатым номиналам сопротивлений.

Их обычно изготавливают в пластиковом корпус с прозрачным окном и двумя внешними выводами, полярность подсоединения разницы не играет. Фоторезистор – это датчик (преобразователь), электрическое сопротивление которого изменяется в зависимости от интенсивности поступающего на него светового потока. Чем он сильнее, тем больше генерируется свободных носителей зарядов (электронов) и тем ниже сопротивление фоторезистора.

Два внешних металлических вывода этого датчика идут через керамический материал основания к специальной светочувствительной пленке, которая по свойству материал и своей геометрии задает электрические свойства сопротивления фоторезистора. Так как фоточувствительное вещество по своей природе с достаточно большим внутренним сопротивлением, то между обоими выводами с тонкой дорожкой, при средней световой интенсивности, получается низкое общее сопротивление фоторезистора. По аналогии с человеческим глазом, фоторезистор чувствителен к определенному интервалу длины световой волны

При выборе датчика приходится обращать на это пристольное внимание, т.к иначе он может совсем не среагировать на источник света

У фоторезисторов обязательным параметром задается и температурный диапазон. Если использовать преобразователь при отличающихся температурах, то нужно обязательно добавить уточняющие преобразования, т.к. свойство сопротивления этого фотоэлемента зависит от температуры. Для характеристики интенсивности света применяют специальную величину называемую освещенность (E). Она показывает количество светового потока, который достигнет определенной поверхности. Для измерения единицы в системе СИ применяется физическая люкс (лк), где один люкс означает, что на поверхность размером один метр в квадрате равномерно падает поток света освещенностью в один люмен (лм). В реальных условиях световой поток практически никогда не падает равномерно на поверхность, поэтому освещенность получается несколько большей в среднем значении.

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. Подавая на базу некоторое напряжение, можно управлять сопротивлением перехода эмиттер-коллектор. Но оказывается, сопротивлением перехода можно управлять и обычным светом.

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.

Модели ФР

Прежде чем рассмотреть схемы фотореле своими руками, остановимся на наиболее популярных промышленных моделях — ФР-601 и ФР-602.

Они максимально просты для подключения даже неподготовленным пользователем и различаются только максимально возможным сечением подключаемых проводников, что определяет и отличия в номинальном токе нагрузки (10 и 20 А соответственно). Фотоэлемент этих моделей — встроенный, и регулируется от 0 до 50 люкс.

Повторить подобные устройства можно в домашних условиях своими силами. Наибольшую актуальность это имеет в том случае, если необходимо подключение большого числа осветительных приборов. Схема фотореле своими руками приведена на рисунке.

Для изготовления понадобится:

  • реле SHA-24VDC-S-A (Rel1);
  • фотоэлемент (PH, до 100 кОм);
  • биполярные транзисторы BC857A (2 шт. Q1 и Q2 или отечественный КТ3107Б вместо последнего);
  • резисторы (R2, R4–R9: 1,5; 1 МОм, 560, 200, 100, 75 и 33 кОм; мощность 0,125 Вт) и R3, 220 Ом, 2 Вт;
  • подстроечный резистор (WL, 2,2 мОм);
  • выпрямительные диоды 1N4007 — 5 шт. и один 1N4148 стабилитрон 1N4749 или три подключенных последовательно Д814А или два Д814Д;
  • конденсатор (С2, 0,7 мкФ 400 В);
  • электролитические конденсаторы (С4–С5, 100 мкФ 50 В и 47 мкФ 25 В).

Недостатки самосборного ФР можно описать следующим образом. С технической точки зрения, данное фотореле не отличается от заводской сборки. Основными отличиями будет то, что для фотореле по схеме для уличного освещения своими руками очень сложно добиться стандарта защиты IP44, которому соответствует промышленный образец. Также у последнего диапазон рабочих температур больший. Самодельное фотореле может перестать работать при морозе в случае даже одного соединения, сделанного некачественно.

Фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы. Общие понятия

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:

Области рационального применения фотореле

Типовые ситуации, в которых требуется присутствие данного устройства:

  • Когда включение и выключение цепи производится при помощи сигнала малой мощности;
  • Когда несколько цепей должны управляться одним сигналом.

Эффективность применения фотореле обуславливается также и их универсальностью (помимо стандартной аппаратуры контроля можно использовать компьютеры или ноутбуки). Это позволяет реализовывать также и логические управляющие команды типа «если…то…».

Рассмотрим использование фотореле для уличного освещения. Технология их применения основана на использовании триггерных FEТ-переключателей.

Блок-схема фотореле с FET-переключателем

В приведенной блок-схеме используется серия К МДП-транзисторов.  В отличие от твердотельных реле, схема управляет фотодиодами напрямую. Это обеспечивает гораздо более высокие скорости переключения, поскольку время отключения питания при включении светодиода некритично. Из-за отсутствия механических составляющих поддерживается высокая компактность устройства, однако физический изоляционный барьер здесь отсутствует, а потому необходимо использовать только низковольтный управляющий сигнал.

Поскольку фотореле является альтернативой уже существующей панели дистанционного управления освещением, то прежде всего стоит подумать — а так ли уж необходима подобная замена. Если существующая система полностью соответствует электрическим нормам, то перед нагрузкой достаточно просто добавить релейную панель, и полный контроль за осветительной цепью будет обеспечен. В небольшом корпусе может быть размещено до 64 фотореле вместе с источником низкого напряжения, а рядом можно расположить панель выключателя.  Чем меньше число цепей, тем более экономичным становится применение релейной панели.

Фотореле можно использовать для управления однополюсными цепями 127/220 В переменного тока и двухполюсными (208…240 В) цепями переменного тока. Релейные панели наиболее экономичны при управлении меньшими нагрузками, но имеют один недостаток — они рассчитаны на ограниченное количество циклов включения/ выключения: от 20000 до 50000 (при нормальных обстоятельствах этого хватит примерно на 5 лет).

Общий вид блочной компоновки фотореле для уличного освещения и монтажная схема приведены на следующих рисунках.

Некоторые нюансы имеются в использовании фотореле совместно с датчиками движения.  Как правило, уличные фонари включаются на всю ночь. Но в ночное время уличные фонари не нужны, если нет движения. Поэтому всё чаще используют схемы, которые включают уличные фонари только при перемещения транспортного средства и некоторое время после него. Используется микроконтроллер AVR 8051 и несколько пар (чем больше, тем лучше) инфракрасных (ИК) датчиков.

Подключение релейной панели управления освещением

Предлагаемая система состоит из микроконтроллера Atmega8, LDR, PIR-датчика и RTC. Эта система управляет уличным освещением, используя светозависимый резистор и ИК-датчик.

Уличные фонари включаются в зависимости от интенсивности светового потока, который воспринимается на LDR. Если такая интенсивность на фоторезисторах низкая, значение их сопротивления — высокое. С уменьшением общей освещённости это значение увеличивается, и, таким образом, определяет, когда уличные фонари должны включиться.

Ночью движение транспорта минимально. Это обстоятельство можно использовать для настройки контроллера. По наступлении пикового времени, когда трафика нет, фотореле отключит наружное освещение. При появлении единичного транспортного средства ИК-датчик подаст управляющий сигнал микроконтроллеру. Тот на 2…3 минуты включит освещение, после чего автоматически его выключит.

Блочная компоновка фотореле

Схема включения фотореле для управления наружным освещением

Установка датчиков движения

Монтажная схема управления движением на базе фотореле

Оцените статью
Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Илья Коршунов
Наш эксперт
Написано статей
134
Добавить комментарий