Фототранзистор принцип работы: Фототранзистор. Принцип работы и схема включения – Фототранзистор — Википедия

Содержание

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.

Основные схемы включения фототранзистора

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, 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 <R х I 

Для работы в режиме переключения обычно используют резистор сопротивлением 5 кОм или выше. Выходное напряжение высокого уровня (лог.1) в режиме переключения будет равно напряжению питания. Выход низкого уровня (лог.0) должно быть не более 0,8 вольт.

Фототранзистор — Википедия

Фототранзистор Схематическое изображение фототранзистора на электрических схемах

Фототранзи́стор — оптоэлектронный полупроводниковый прибор, вариант биполярного транзистора. Отличается от обычного биполярного транзистора тем, что полупроводниковый базовый слой прибора доступен для воздействия внешнего оптического облучения, за счёт этого ток через прибор зависит от интенсивности этого облучения.

Отличается от фотодиода тем, что обладает внутренним усилением фототока и поэтому большей чувствительностью к потокам оптического излучения.

Фототранзистор может иметь полупроводниковую структуру как n-p-n, так и p-n-p транзистора.

Большинство промышленных типов фототранзисторов не имеют электрического вывода базы, но в некоторых моделях такой вывод имеется и обычно служит для смещения начальной рабочей точки прибора посредством подачи в базу некоторого тока.

Фототранзистор изобрёл Джон Нортроп Шив (John Northrup Shive) в 1948 г., во время его работы в Bell Laboratories[1], но об этом изобретении было заявлено только в 1950 г.[2] Тогда же фототранзисторы были впервые применены в считывателе перфокарт в автоматической телефонной станции.

Биполярный фототранзистор — полупроводниковый прибор с двумя p-n переходами и тремя слоями полупроводника чередующегося типа проводимости — аналог обычного биполярного транзистора с управлением базовым током. Но в фототранзисторе базовым током является фототок. При освещении базового слоя фототранзистора в его базе за счет внутреннего фотоэффекта генерируются электронно-дырочные пары, порождая фототок. Этот процесс снижает потенциальный барьер от контактной разности потенциалов в эмиттерно-базовом переходе, что увеличивает диффузию неосновных носителей (для базы) из эмиттера в базу, то есть можно считать, что в этом приборе фототок является базовым током обычного транзистора. Можно сказать, что фототранзистор подобен обычному биполярному транзистору, между выводами коллектора и базы которого включен обратносмещенный фотодиод.

Как известно, транзистор обладает способностью усиливать базовый ток IB{\displaystyle I_{B}}, коэффициент усиления β=IC/IB>>1{\displaystyle \beta =I_{C}/I_{B}>>1}, поэтому ток коллектора IC{\displaystyle I_{C}} и равный ему ток эмиттера IE{\displaystyle I_{E}} в β{\displaystyle \beta } раз больше исходного фототока. Таким образом, светочувствительность фототранзистора больше светочувствительности фотодиода с равной площадью фотоприемной поверхности в несколько десятков и до нескольких сотен раз.

Чувствительность[править | править код]

Токовая чувствительность Si,Φ{\displaystyle S_{i,{\Phi }}} по световому потоку фототранзистора определяется отношением тока через прибор IΦ{\displaystyle I_{\Phi }} к вызвавшему этот ток световому потоку Φ{\displaystyle \Phi }:

Si,Φ=IΦΦ{\displaystyle S_{i,{\Phi }}={\frac {I_{\Phi }}{\Phi }}}

Токовая чувствительность современных фототранзисторов достигает нескольких сотен мА/лм.

Темновой ток[править | править код]

Даже в отсутствие освещения, через прибор протекает некоторый ток, называемый темновым током. Этот ток вреден для регистрации слабых световых потоков, так как «маскирует» полезный сигнал и при изготовлении фототранзисторов его стремятся уменьшить разными технологическими приемами. Кроме того, величина темнового тока существенно зависит от температуры полупроводниковой структуры и нарастает при её повышении приблизительно так же, как и обратный ток p-n перехода в любом полупроводниковом приборе. Поэтому для снижения темнового тока иногда применяют принудительное охлаждение прибора.

При прочих равных, величина темнового тока сильно зависит от ширины запрещённой зоны полупроводника и снижается при её увеличении. Поэтому характерные значения темнового тока при комнатной температуре германиевых фототранзисторов порядка единиц мкА, кремниевых — долей мкА, арсенидо-галлиевых — десятков пкА.

Спектральная чувствительность[править | править код]

{\displaystyle S_{i,{\Phi }}={\frac {I_{\Phi }}{\Phi }}} Типовая спектральная чувствительность кремниевого фототранзистора

Чувствительность фототранзистора зависит от длины волны падающего излучения. Например, для кремниевых приборов максимум чувствительности находится в диапазоне 850—930 нм — красный и ближний инфракрасный диапазоны. Для ближнего ультрафиолетового излучения (~400 нм) чувствительность снижается в ~10 раз от максимальной. Также чувствительность снижается при увеличении длины волны и для длин волн свыше ~1150 нм — край оптической полосы поглощения кремния, снижается до нуля.

Быстродействие[править | править код]

Фототранзисторы по сравнению с фотодиодами имеют относительно низкое быстродействие. Это обусловлено конечным временем рассасывания неосновных носителей в базе при снижении освещённости. Кроме того, если напряжение между коллектором и эмиттером изменяется при изменении освещенности, что имеет место в некоторых схемах электрического включения прибора, дополнительно снижает быстродействие эффект Миллера, обусловленный емкостью коллекторно-базового p-n перехода. Практически диапазон рабочих частот фототранзисторов ограничен, в зависимости от схемы включения, несколькими сотнями кГц - единицами МГц.

Включение фототранзисторов в электрические цепи[править | править код]

Классическое включение прибора — с обратносмещенным коллекторным переходом, то есть для прибора со структурой n-p-n на коллектор подается положительное относительно эмиттера напряжение и наоборот для структуры p-n-p.

Для приборов, имеющих третий электрический вывод базы, возможно включение по любой из схем включения обычного биполярного транзистора — с общим эмиттером, базой или коллектором. При этом ток базы задает положение «темновой рабочей точки» на вольт-амперной характеристике.

Иногда трёхвыводные фототранзисторы для увеличения быстродействия включают как обычный фотодиод, проигрывая при этом в чувствительности.

Преимущества и недостатки фототранзисторов[править | править код]

Основное преимущество фототранзисторов по сравнению с фотодиодами — высокая чувствительность к потоку излучения.

Недостатки — низкое быстродействие, поэтому эти приборы непригодны для применения в качестве приемников излучения в высокоскоростных оптоволоконных линиях связи. Также недостаток фототранзисторов — относительно большой темновой ток.

Приборы, предназначенные для приема внешнего излучения заключают в пластмассовый, металлостеклянный или металлокерамический корпус с прозрачным окошком или линзой, изготовленных из пластмассы или стекла. Исключение составляют фототранзисторы, входящие в состав оптронов, заключенные совместно с источником излучения в непрозрачный корпус.

Приборы, оформленные в металлостеклянных и металлокерамических корпусах, обычно имеют электрический вывод базы.

{\displaystyle S_{i,{\Phi }}={\frac {I_{\Phi }}{\Phi }}}

Так как фототранзисторы более чувствительны чем фотодиоды их удобно применять в качестве приемников излучения в различных системах автоматики безопасности, системах охранной сигнализации, считывателях перфокарт и перфолент, датчиках положения и расстояния и др. применениях, где некритично быстродействие.

Часто фототранзисторы применяют в оптопарах в качестве приёмников излучения в оптронах.

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:
  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.

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.

Похожие темы:

Фототранзистор — Википедия

Фототранзистор Схематическое изображение фототранзистора на электрических схемах

Фототранзи́стор — оптоэлектронный полупроводниковый прибор, вариант биполярного транзистора. Отличается от обычного биполярного транзистора тем, что полупроводниковый базовый слой прибора доступен для воздействия внешнего оптического облучения, за счёт этого ток через прибор зависит от интенсивности этого облучения.

Отличается от фотодиода тем, что обладает внутренним усилением фототока и поэтому большей чувствительностью к потокам оптического излучения.

Фототранзистор может иметь полупроводниковую структуру как n-p-n, так и p-n-p транзистора.

Большинство промышленных типов фототранзисторов не имеют электрического вывода базы, но в некоторых моделях такой вывод имеется и обычно служит для смещения начальной рабочей точки прибора посредством подачи в базу некоторого тока.

История

Фототранзистор изобрёл Джон Нортроп Шив (John Northrup Shive) в 1948 г., во время его работы в Bell Laboratories[1], но об этом изобретении было заявлено только в 1950 г.[2] Тогда же фототранзисторы были впервые применены в считывателе перфокарт в автоматической телефонной станции.

Принцип работы фототранзистора

Биполярный фототранзистор — полупроводниковый прибор с двумя p-n переходами и тремя слоями полупроводника чередующегося типа проводимости — аналог обычного биполярного транзистора с управлением базовым током. Но в фототранзисторе базовым током является фототок. При освещении базового слоя фототранзистора в его базе за счет внутреннего фотоэффекта генерируются электронно-дырочные пары, порождая фототок. Этот процесс снижает потенциальный барьер от контактной разности потенциалов в эмиттерно-базовом переходе, что увеличивает диффузию неосновных носителей (для базы) из эмиттера в базу, то есть можно считать, что в этом приборе фототок является базовым током обычного транзистора. Можно сказать, что фототранзистор подобен обычному биполярному транзистору, между выводами коллектора и базы которого включен обратносмещенный фотодиод.

Как известно, транзистор обладает способностью усиливать базовый ток IB{\displaystyle I_{B}}, коэффициент усиления β=IC/IB>>1{\displaystyle \beta =I_{C}/I_{B}>>1}, поэтому ток коллектора IC{\displaystyle I_{C}} и равный ему ток эмиттера IE{\displaystyle I_{E}} в β{\displaystyle \beta } раз больше исходного фототока. Таким образом, светочувствительность фототранзистора больше светочувствительности фотодиода с равной площадью фотоприемной поверхности в несколько десятков и до нескольких сотен раз.

Основные параметры фототранзистора

Чувствительность

Токовая чувствительность Si,Φ{\displaystyle S_{i,{\Phi }}} по световому потоку фототранзистора определяется отношением тока через прибор IΦ{\displaystyle I_{\Phi }} к вызвавшему этот ток световому потоку Φ{\displaystyle \Phi }:

Si,Φ=IΦΦ{\displaystyle S_{i,{\Phi }}={\frac {I_{\Phi }}{\Phi }}}

Токовая чувствительность современных фототранзисторов достигает нескольких сотен мА/лм.

Темновой ток

Даже в отсутствие освещения через прибор протекает некоторый ток, называемый темновым током. Этот ток вреден для регистрации слабых световых потоков, так как «маскирует» полезный сигнал и при изготовлении фототранзисторов его стремятся уменьшить разными технологическими приемами. Кроме того, величина темнового тока существенно зависит от температуры полупроводниковой структуры и нарастает при её повышении приблизительно так же, как и обратный ток p-n перехода в любом полупроводниковом приборе. Поэтому для снижения темнового тока иногда применяют принудительное охлаждение прибора.

При прочих равных, величина темнового тока сильно зависит от ширины запрещённой зоны полупроводника и снижается при её увеличении. Поэтому характерные значения темнового тока при комнатной температуре германиевых фототранзисторов порядка единиц мкА, кремниевых — долей мкА, арсенидо-галлиевых — десятков пкА.

Спектральная чувствительность

{\displaystyle S_{i,{\Phi }}={\frac {I_{\Phi }}{\Phi }}} Типовая спектральная чувствительность кремниевого фототранзистора

Чувствительность фототранзистора зависит от длины волны падающего излучения. Например, для кремниевых приборов максимум чувствительности находится в диапазоне 850—930 нм — красный и ближний инфракрасный диапазоны. Для ближнего ультрафиолетового излучения (~400 нм) чувствительность снижается в ~10 раз от максимальной. Также чувствительность снижается при увеличении длины волны и для длин волн свыше ~1150 нм — край оптической полосы поглощения кремния, снижается до нуля.

Быстродействие

Фототранзисторы по сравнению с фотодиодами имеют относительно низкое быстродействие. Это обусловлено конечным временем рассасывания неосновных носителей в базе при снижении освещённости. Кроме того, если напряжение между коллектором и эмиттером изменяется при изменении освещенности, что имеет место в некоторых схемах электрического включения прибора, дополнительно снижает быстродействие эффект Миллера, обусловленный емкостью коллекторно-базового p-n перехода. Практически диапазон рабочих частот фототранзисторов ограничен, в зависимости от схемы включения, несколькими сотнями кГц - единицами МГц.

Включение фототранзисторов в электрические цепи

Классическое включение прибора — с обратносмещенным коллекторным переходом, то есть для прибора со структурой n-p-n на коллектор подается положительное относительно эмиттера напряжение и наоборот для структуры p-n-p.

Для приборов, имеющих третий электрический вывод базы, возможно включение по любой из схем включения обычного биполярного транзистора — с общим эмиттером, базой или коллектором. При этом ток базы задает положение «темновой рабочей точки» на вольт-амперной характеристике.

Иногда трёхвыводные фототранзисторы для увеличения быстродействия включают как обычный фотодиод, проигрывая при этом в чувствительности.

Преимущества и недостатки фототранзисторов

Основное преимущество фототранзисторов по сравнению с фотодиодами — высокая чувствительность к потоку излучения.

Недостатки — низкое быстродействие, поэтому эти приборы непригодны для применения в качестве приемников излучения в высокоскоростных оптоволоконных линиях связи. Также недостаток фототранзисторов — относительно большой темновой ток.

Конструкция корпусов

Приборы, предназначенные для приема внешнего излучения заключают в пластмассовый, металлостеклянный или металлокерамический корпус с прозрачным окошком или линзой, изготовленных из пластмассы или стекла. Исключение составляют фототранзисторы, входящие в состав оптронов, заключенные совместно с источником излучения в непрозрачный корпус.

Приборы, оформленные в металлостеклянных и металлокерамических корпусах, обычно имеют электрический вывод базы.

Применение

{\displaystyle S_{i,{\Phi }}={\frac {I_{\Phi }}{\Phi }}}

Так как фототранзисторы более чувствительны чем фотодиоды их удобно применять в качестве приемников излучения в различных системах автоматики безопасности, системах охранной сигнализации, считывателях перфокарт и перфолент, датчиках положения и расстояния и др. применениях, где некритично быстродействие.

Часто фототранзисторы применяют в оптопарах в качестве приёмников излучения в оптронах.

См. также

Примечания

Фототранзисторы — Студопедия

Фототранзистором называют полупроводниковый управляемый оптическим излучением прибор с двумя p–n переходами.

Фототранзисторы, как и обычные транзисторы могут быть p–n–р и n–p–n типа. Конструктивно фототранзистор выполнен так, что световой поток облучает область базы. Наибольшее практическое применение нашло включение фототранзистора в схеме с ОЭ, при этом нагрузка включается в коллекторную цепь. Входным сигналом фототранзистора является модулированный световой поток, а выходным – изменение напряжения на резисторе нагрузки в коллекторной цепи.

Напряжение питания на фототранзистор подают как и на обычный биполярный транзистор, работающий в активном режиме, т.е. эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный в обратном (рис. 8.11,а).

Рис. 8.11. Схемы включения фототранзистора с подключенной базой (а) и со свободной базой (б) и вольтамперные характеристики

Однако он может работать и с отключенным выводом базы (рис. 8.11,б), а напряжение прикладывается между эмиттером и коллектором. Такое включение называется включением с плавающей базой и характерно только для фототранзисторов. При этом фототранзистор работает в активном режиме ближе к границе отсечки.

При Ф = 0 ток очень мал и равен темновому току

. (8.9)

где h21б – коэффициент передачи эмиттерного тока.

Рассмотрим принцип работы фототранзистора при включении с плавающей базой. При освещении фототранзистора под действием света в базовой области и коллекторном переходе образуются свободные носители заряда, эти носители диффундируют в базе к коллекторному переходу. Неосновные носители области базы (для транзистора n–p–n типа) – электроны экстрагируют в область коллектора, создавая фототок в коллекторном переходе. Оставшиеся в объеме базы основные носители (дырки), создают положительный объемный заряд и компенсируют заряд неподвижных ионов примесей на границе эмиттерного перехода.


Потенциальный барьер эмиттерного перехода снижается, что увеличивает инжекцию основных носителей (электронов) в область базы. Часть этих электронов рекомбинирует в базе с дырками, а большая часть экстрагирует через коллекторный переход, увеличивая его ток. Таким образом, ток в коллекторной цепи равен сумме фототока Iф и тока Iк, инжектированных эмиттером электронов, дошедших к коллекторному переходу и втянутых его электрическим полем в область коллектора. При Rк = 0, коэффициент усиления фототока равен


. (8.10)

Фототранзистор увеличивает чувствительность в h21э+1 раз по сравнению с фотодиодом, что является главным преимуществом фототранзистора по сравнению с фотодиодом.

Для обеспечения температурной стабильности энергетических параметров одновременно с оптическим управлением используется так же подача напряжения смещения на базу для выбора рабочей точки на входной и выходной характеристиках транзистора. При отсутствии оптического потока темновой ток определяется током базы, что позволяет дополнительно управлять током фототранзистора. Задание определенного темнового тока позволяет обеспечить оптимальный режим усиления слабых световых сигналов, а также суммировать их с электрическими.

Наряду с фототранзисторами n–p–n и p–n–р типов используются полевые фототранзисторы с управляющим p–n переходом и МОП-транзисторы.

На рис. 8.12 представлен полевой фототранзистор с управляющим

p–n переходом и каналом n–типа. Падающий световой поток генерирует в n–канале и p–n переходе (канал–затвор) электроны и дырки. Электрическое поле перехода разделяет носители заряда. Концентрация электронов в n–канале повышается, и уменьшается его сопротивление, а ток стока возрастает. Увеличение дырок в p–области вызывает появление фототока в цепи затвора.

Рис.8.12. Структурная схема полевого фототранзистора с управляющим p-n переходом и каналом n- типа

Переход затвор–канал можно рассматривать как фотодиод, фототок которого Iз (ток затвора) создает падение напряжения на резисторе Rз, что приводит к уменьшению обратного напряжения на p–n переходе канал–затвор. Это вызывает дополнительное увеличение толщины канала, уменьшение его сопротивления и приводит к возрастанию тока стока.

МОП-фототранзисторы с индуцированным каналом имеют полупрозрачный затвор, через который световой поток попадает на полупроводник под затвором. В этой области полупроводника генерируются носители заряда, что приводит к изменению значения порогового напряжения, при котором возникает индуцированный канал. Для установления начального режима иногда на затвор подают напряжение смещения.

Фототранзистор — Википедия

Фототранзистор Схематическое изображение фототранзистора на электрических схемах

Фототранзи́стор — оптоэлектронный полупроводниковый прибор, вариант биполярного транзистора. Отличается от обычного биполярного транзистора тем, что полупроводниковый базовый слой прибора доступен для воздействия внешнего оптического облучения, за счёт этого ток через прибор зависит от интенсивности этого облучения.

Отличается от фотодиода тем, что обладает внутренним усилением фототока и поэтому большей чувствительностью к потокам оптического излучения.

Фототранзистор может иметь полупроводниковую структуру как n-p-n, так и p-n-p транзистора.

Большинство промышленных типов фототранзисторов не имеют электрического вывода базы, но в некоторых моделях такой вывод имеется и обычно служит для смещения начальной рабочей точки прибора посредством подачи в базу некоторого тока.

История

Фототранзистор изобрёл Джон Нортроп Шив (John Northrup Shive) в 1948 г., во время его работы в Bell Laboratories[1], но об этом изобретении было заявлено только в 1950 г.[2] Тогда же фототранзисторы были впервые применены в считывателе перфокарт в автоматической телефонной станции.

Принцип работы фототранзистора

Биполярный фототранзистор — полупроводниковый прибор с двумя p-n переходами и тремя слоями полупроводника чередующегося типа проводимости — аналог обычного биполярного транзистора с управлением базовым током. Но в фототранзисторе базовым током является фототок. При освещении базового слоя фототранзистора в его базе за счет внутреннего фотоэффекта генерируются электронно-дырочные пары, порождая фототок. Этот процесс снижает потенциальный барьер от контактной разности потенциалов в эмиттерно-базовом переходе, что увеличивает диффузию неосновных носителей (для базы) из эмиттера в базу, то есть можно считать, что в этом приборе фототок является базовым током обычного транзистора. Можно сказать, что фототранзистор подобен обычному биполярному транзистору, между выводами коллектора и базы которого включен обратносмещенный фотодиод.

Как известно, транзистор обладает способностью усиливать базовый ток IB{\displaystyle I_{B}}, коэффициент усиления β=IC/IB>>1{\displaystyle \beta =I_{C}/I_{B}>>1}, поэтому ток коллектора IC{\displaystyle I_{C}} и равный ему ток эмиттера IE{\displaystyle I_{E}} в β{\displaystyle \beta } раз больше исходного фототока. Таким образом, светочувствительность фототранзистора больше светочувствительности фотодиода с равной площадью фотоприемной поверхности в несколько десятков и до нескольких сотен раз.

Основные параметры фототранзистора

Чувствительность

Токовая чувствительность Si,Φ{\displaystyle S_{i,{\Phi }}} по световому потоку фототранзистора определяется отношением тока через прибор IΦ{\displaystyle I_{\Phi }} к вызвавшему этот ток световому потоку Φ{\displaystyle \Phi }:

Si,Φ=IΦΦ{\displaystyle S_{i,{\Phi }}={\frac {I_{\Phi }}{\Phi }}}

Токовая чувствительность современных фототранзисторов достигает нескольких сотен мА/лм.

Темновой ток

Даже в отсутствие освещения через прибор протекает некоторый ток, называемый темновым током. Этот ток вреден для регистрации слабых световых потоков, так как «маскирует» полезный сигнал и при изготовлении фототранзисторов его стремятся уменьшить разными технологическими приемами. Кроме того, величина темнового тока существенно зависит от температуры полупроводниковой структуры и нарастает при её повышении приблизительно так же, как и обратный ток p-n перехода в любом полупроводниковом приборе. Поэтому для снижения темнового тока иногда применяют принудительное охлаждение прибора.

При прочих равных, величина темнового тока сильно зависит от ширины запрещённой зоны полупроводника и снижается при её увеличении. Поэтому характерные значения темнового тока при комнатной температуре германиевых фототранзисторов порядка единиц мкА, кремниевых — долей мкА, арсенидо-галлиевых — десятков пкА.

Спектральная чувствительность

{\displaystyle S_{i,{\Phi }}={\frac {I_{\Phi }}{\Phi }}} Типовая спектральная чувствительность кремниевого фототранзистора

Чувствительность фототранзистора зависит от длины волны падающего излучения. Например, для кремниевых приборов максимум чувствительности находится в диапазоне 850—930 нм — красный и ближний инфракрасный диапазоны. Для ближнего ультрафиолетового излучения (~400 нм) чувствительность снижается в ~10 раз от максимальной. Также чувствительность снижается при увеличении длины волны и для длин волн свыше ~1150 нм — край оптической полосы поглощения кремния, снижается до нуля.

Быстродействие

Фототранзисторы по сравнению с фотодиодами имеют относительно низкое быстродействие. Это обусловлено конечным временем рассасывания неосновных носителей в базе при снижении освещённости. Кроме того, если напряжение между коллектором и эмиттером изменяется при изменении освещенности, что имеет место в некоторых схемах электрического включения прибора, дополнительно снижает быстродействие эффект Миллера, обусловленный емкостью коллекторно-базового p-n перехода. Практически диапазон рабочих частот фототранзисторов ограничен, в зависимости от схемы включения, несколькими сотнями кГц - единицами МГц.

Включение фототранзисторов в электрические цепи

Классическое включение прибора — с обратносмещенным коллекторным переходом, то есть для прибора со структурой n-p-n на коллектор подается положительное относительно эмиттера напряжение и наоборот для структуры p-n-p.

Для приборов, имеющих третий электрический вывод базы, возможно включение по любой из схем включения обычного биполярного транзистора — с общим эмиттером, базой или коллектором. При этом ток базы задает положение «темновой рабочей точки» на вольт-амперной характеристике.

Иногда трёхвыводные фототранзисторы для увеличения быстродействия включают как обычный фотодиод, проигрывая при этом в чувствительности.

Преимущества и недостатки фототранзисторов

Основное преимущество фототранзисторов по сравнению с фотодиодами — высокая чувствительность к потоку излучения.

Недостатки — низкое быстродействие, поэтому эти приборы непригодны для применения в качестве приемников излучения в высокоскоростных оптоволоконных линиях связи. Также недостаток фототранзисторов — относительно большой темновой ток.

Конструкция корпусов

Приборы, предназначенные для приема внешнего излучения заключают в пластмассовый, металлостеклянный или металлокерамический корпус с прозрачным окошком или линзой, изготовленных из пластмассы или стекла. Исключение составляют фототранзисторы, входящие в состав оптронов, заключенные совместно с источником излучения в непрозрачный корпус.

Приборы, оформленные в металлостеклянных и металлокерамических корпусах, обычно имеют электрический вывод базы.

Применение

{\displaystyle S_{i,{\Phi }}={\frac {I_{\Phi }}{\Phi }}}

Так как фототранзисторы более чувствительны чем фотодиоды их удобно применять в качестве приемников излучения в различных системах автоматики безопасности, системах охранной сигнализации, считывателях перфокарт и перфолент, датчиках положения и расстояния и др. применениях, где некритично быстродействие.

Часто фототранзисторы применяют в оптопарах в качестве приёмников излучения в оптронах.

См. также

Примечания

Фототранзистор — Википедия

Фототранзистор Схематическое изображение фототранзистора на электрических схемах

Фототранзи́стор — оптоэлектронный полупроводниковый прибор, вариант биполярного транзистора. Отличается от обычного биполярного транзистора тем, что полупроводниковый базовый слой прибора доступен для воздействия внешнего оптического облучения, за счёт этого ток через прибор зависит от интенсивности этого облучения.

Отличается от фотодиода тем, что обладает внутренним усилением фототока и поэтому большей чувствительностью к потокам оптического излучения.

Фототранзистор может иметь полупроводниковую структуру как n-p-n, так и p-n-p транзистора.

Большинство промышленных типов фототранзисторов не имеют электрического вывода базы, но в некоторых моделях такой вывод имеется и обычно служит для смещения начальной рабочей точки прибора посредством подачи в базу некоторого тока.

История

Фототранзистор изобрёл Джон Нортроп Шив (John Northrup Shive) в 1948 г., во время его работы в Bell Laboratories[1], но об этом изобретении было заявлено только в 1950 г.[2] Тогда же фототранзисторы были впервые применены в считывателе перфокарт в автоматической телефонной станции.

Принцип работы фототранзистора

Биполярный фототранзистор — полупроводниковый прибор с двумя p-n переходами и тремя слоями полупроводника чередующегося типа проводимости — аналог обычного биполярного транзистора с управлением базовым током. Но в фототранзисторе базовым током является фототок. При освещении базового слоя фототранзистора в его базе за счет внутреннего фотоэффекта генерируются электронно-дырочные пары, порождая фототок. Этот процесс снижает потенциальный барьер от контактной разности потенциалов в эмиттерно-базовом переходе, что увеличивает диффузию неосновных носителей (для базы) из эмиттера в базу, то есть можно считать, что в этом приборе фототок является базовым током обычного транзистора. Можно сказать, что фототранзистор подобен обычному биполярному транзистору, между выводами коллектора и базы которого включен обратносмещенный фотодиод.

Как известно, транзистор обладает способностью усиливать базовый ток IB{\displaystyle I_{B}}, коэффициент усиления β=IC/IB>>1{\displaystyle \beta =I_{C}/I_{B}>>1}, поэтому ток коллектора IC{\displaystyle I_{C}} и равный ему ток эмиттера IE{\displaystyle I_{E}} в β{\displaystyle \beta } раз больше исходного фототока. Таким образом, светочувствительность фототранзистора больше светочувствительности фотодиода с равной площадью фотоприемной поверхности в несколько десятков и до нескольких сотен раз.

Основные параметры фототранзистора

Чувствительность

Токовая чувствительность Si,Φ{\displaystyle S_{i,{\Phi }}} по световому потоку фототранзистора определяется отношением тока через прибор IΦ{\displaystyle I_{\Phi }} к вызвавшему этот ток световому потоку Φ{\displaystyle \Phi }:

Si,Φ=IΦΦ{\displaystyle S_{i,{\Phi }}={\frac {I_{\Phi }}{\Phi }}}

Токовая чувствительность современных фототранзисторов достигает нескольких сотен мА/лм.

Темновой ток

Даже в отсутствие освещения, через прибор протекает некоторый ток, называемый темновым током. Этот ток вреден для регистрации слабых световых потоков, так как «маскирует» полезный сигнал и при изготовлении фототранзисторов его стремятся уменьшить разными технологическими приемами. Кроме того, величина темнового тока существенно зависит от температуры полупроводниковой структуры и нарастает при её повышении приблизительно так же, как и обратный ток p-n перехода в любом полупроводниковом приборе. Поэтому для снижения темнового тока иногда применяют принудительное охлаждение прибора.

При прочих равных, величина темнового тока сильно зависит от ширины запрещённой зоны полупроводника и снижается при её увеличении. Поэтому характерные значения темнового тока при комнатной температуре германиевых фототранзисторов порядка единиц мкА, кремниевых — долей мкА, арсенидо-галлиевых — десятков пкА.

Спектральная чувствительность

{\displaystyle S_{i,{\Phi }}={\frac {I_{\Phi }}{\Phi }}} Типовая спектральная чувствительность кремниевого фототранзистора

Чувствительность фототранзистора зависит от длины волны падающего излучения. Например, для кремниевых приборов максимум чувствительности находится в диапазоне 850—930 нм — красный и ближний инфракрасный диапазоны. Для ближнего ультрафиолетового излучения (~400 нм) чувствительность снижается в ~10 раз от максимальной. Также чувствительность снижается при увеличении длины волны и для длин волн свыше ~1150 нм — край оптической полосы поглощения кремния, снижается до нуля.

Быстродействие

Фототранзисторы по сравнению с фотодиодами имеют относительно низкое быстродействие. Это обусловлено конечным временем рассасывания неосновных носителей в базе при снижении освещённости. Кроме того, если напряжение между коллектором и эмиттером изменяется при изменении освещенности, что имеет место в некоторых схемах электрического включения прибора, дополнительно снижает быстродействие эффект Миллера, обусловленный емкостью коллекторно-базового p-n перехода. Практически диапазон рабочих частот фототранзисторов ограничен, в зависимости от схемы включения, несколькими сотнями кГц - единицами МГц.

Включение фототранзисторов в электрические цепи

Классическое включение прибора — с обратносмещенным коллекторным переходом, то есть для прибора со структурой n-p-n на коллектор подается положительное относительно эмиттера напряжение и наоборот для структуры p-n-p.

Для приборов, имеющих третий электрический вывод базы, возможно включение по любой из схем включения обычного биполярного транзистора — с общим эмиттером, базой или коллектором. При этом ток базы задает положение «темновой рабочей точки» на вольт-амперной характеристике.

Иногда трёхвыводные фототранзисторы для увеличения быстродействия включают как обычный фотодиод, проигрывая при этом в чувствительности.

Преимущества и недостатки фототранзисторов

Основное преимущество фототранзисторов по сравнению с фотодиодами — высокая чувствительность к потоку излучения.

Недостатки — низкое быстродействие, поэтому эти приборы непригодны для применения в качестве приемников излучения в высокоскоростных оптоволоконных линиях связи. Также недостаток фототранзисторов — относительно большой темновой ток.

Конструкция корпусов

Приборы, предназначенные для приема внешнего излучения заключают в пластмассовый, металлостеклянный или металлокерамический корпус с прозрачным окошком или линзой, изготовленных из пластмассы или стекла. Исключение составляют фототранзисторы, входящие в состав оптронов, заключенные совместно с источником излучения в непрозрачный корпус.

Приборы, оформленные в металлостеклянных и металлокерамических корпусах, обычно имеют электрический вывод базы.

Применение

{\displaystyle S_{i,{\Phi }}={\frac {I_{\Phi }}{\Phi }}}

Так как фототранзисторы более чувствительны чем фотодиоды их удобно применять в качестве приемников излучения в различных системах автоматики безопасности, системах охранной сигнализации, считывателях перфокарт и перфолент, датчиках положения и расстояния и др. применениях, где некритично быстродействие.

Часто фототранзисторы применяют в оптопарах в качестве приёмников излучения в оптронах.

См. также

Примечания

Символ Фототранзистора

Символ фототранзистора аналогичен символу обычного транзистора. Единственное отличие состоит в том, что две стрелки показывают свет, падающий на основание фототранзистора.

phototransistor-symbol Принцип фототранзистора

Смотрите, что обычный транзистор имеет разомкнутую клеммную базу. Базовый ток утечки коллектора действует как базовый ток ICBO.

IC = βIB + (1 + B) ICBO

Поскольку базовый ток IB = 0, он действует как разомкнутая цепь.И ток коллектора становится.

IC = (1 + B) ICBO

В приведенных выше уравнениях показано, что ток коллектора прямо пропорционален току утечки на базе, т. Е. IC увеличивается с увеличением базовой области коллектора.

Фототранзистор Эксплуатация

Фототранзистор изготовлен из полупроводникового материала. Когда свет падал на материал, свободные электроны / дырки полупроводникового материала вызывают ток, который течет в базовой области.База фототранзистора будет использоваться только для смещения транзистора. В случае NPN-транзистора, коллектор сделан положительным относительно эмиттера, а в PNP, коллектор остается отрицательным.

Свет входит в базовую область фототранзистора и генерирует пары электрон-дырка. Генерация электронно-дырочных пар в основном происходит в обратном смещении. Движение электронов под действием электрического поля вызывает ток в базовой области. Базовый ток вводил электроны в области эмиттера.Основным недостатком фототранзистора является то, что он имеет низкочастотный отклик.

Строительство фототранзисторов

Конструкция фототранзистора очень похожа на обычный транзистор. Ранее германий и кремний использовались для изготовления фототранзистора. Небольшое отверстие выполнено на поверхности коллекторного основания для размещения линзы. Объектив фокусирует свет на поверхность.

phototransistor-construction В настоящее время транзистор изготовлен из очень легкого эффективного материала (например, галлия и арсенидов).

фототранзистор Wikipedia

Преобразовывает свет в ток

A photodiode - это полупроводниковое устройство, которое преобразует свет в электрический ток. Ток генерируется, когда фотоны поглощаются фотодиодом. Фотодиоды могут содержать оптические фильтры, встроенные линзы и могут иметь большую или небольшую площадь поверхности. Фотодиоды обычно имеют более медленное время отклика по мере увеличения площади их поверхности. Обычным традиционным солнечным элементом, используемым для выработки электрической солнечной энергии, является фотодиод большой площади. [2]

Для первого порядка для заданного спектрального распределения фототок линейно пропорционален излучению. [3]

Фотовольтайческий режим []

  I-V характеристика фотодиода. Линейные линии нагрузки представляют отклик внешней цепи: I = (приложенное напряжение смещения-напряжение диода) / полное сопротивление. Точки пересечения с кривыми представляют фактический ток и напряжение для данного смещения, сопротивления и освещения.

В фотоэлектрическом режиме (нулевое смещение) фототок течет из анода через короткое замыкание к катоду.Если цепь разомкнута или имеет импеданс нагрузки, ограничивающий фототок из устройства, напряжение растет в направлении, которое смещает диод вперед, то есть анод положителен по отношению к катоду. Если цепь замкнута или импеданс низкий, прямой ток будет поглощать весь или часть фототока. Этот режим использует фотогальванический эффект, который является основой для солнечных элементов - традиционный солнечный элемент - это просто фотодиод большой площади. Для оптимальной выходной мощности фотоэлектрический элемент будет работать при напряжении, которое вызывает только небольшой прямой ток по сравнению с фототоком.

Хотя этот режим быстрее, в режиме фотопроводимости может проявляться больше электронного шума из-за темнового тока или лавинных эффектов. [4] Ток утечки хорошего PIN-диода настолько мал (<1 нА), что шум Джонсона-Найквиста сопротивление нагрузки в типовой цепи часто доминирует.

Связанные устройства []

Лавинные фотодиоды - это фотодиоды со структурой, оптимизированной для работы с высоким обратным смещением, приближающимся к напряжению обратного пробоя. Это позволяет умножить каждую произведенную несущую на лавинный пробой, что приведет к внутреннему усилению в фотодиоде, что увеличит эффективную отзывчивость

устройства.

  Электронный символ для фототранзистора

A фотранзистор является светочувствительным транзистором. Обычный тип фототранзистора, биполярный фототранзистор

, по сути, представляет собой биполярный транзистор, заключенный в прозрачный корпус, так что свет может достигать соединения база-коллектор
. Он был изобретен доктором Джоном Н. Шивом (более известным благодаря своей волновой машине) в Bell Labs в 1948 гг. [5] : 205, но не был объявлен до 1950. г. [6] Электроны, которые генерируются фотонами в базе -Коллектор коллекторы вводятся в базу, и этот ток фотодиода усиливается усилением тока транзистора β (или hfe).Если используются выводы базы и коллектора, а эмиттер не подключен, фототранзистор становится фотодиодом. Хотя фототранзисторы имеют более высокую чувствительность к свету, они не способны обнаруживать низкие уровни освещенности лучше, чем фотодиоды. Другим типом фототранзистора, полевым фототранзистором
(также известным как photoFET), является светочувствительный полевой транзистор.В отличие от фотобиполярных транзисторов, фото-транзисторы контролируют ток сток-исток, создавая напряжение затвора.

A solaristor - двухтемпотный фототранзистор без затвора. Компактный класс двухполюсных фототранзисторов или соляристоров был продемонстрирован исследователями ICN2 в 2018 году. Новая концепция представляет собой источник питания «два в одном» плюс транзисторное устройство, работающее на солнечной энергии за счет использования эффекта памяти в потоке фотогенерированных носителей. [7]

Materials []

Материал, используемый для изготовления фотодиода, имеет решающее значение для определения его свойств, потому что только фотоны с достаточной энергией для возбуждения электронов через запрещенную зону материала будут производить значительные фототоки.

Материалы, обычно используемые для изготовления фотодиодов, перечислены в таблице ниже. [8]

Из-за большей ширины запрещенной зоны фотодиоды на основе кремния генерируют меньше шума, чем фотодиоды на основе германия.

Бинарные материалы, такие как MoS2 и графен, появились в качестве новых материалов для производства фотодиодов. [9]

Неживательные и желательные эффекты фотодиодов []

Любой p − n-переход, если он освещен, потенциально является фотодиодом. Полупроводниковые устройства, такие как диоды, транзисторы и ИС, содержат p − n-переходы и не будут работать правильно, если они освещаются нежелательным электромагнитным излучением (светом) с длиной волны, подходящей для создания фототока. [10] [11] Этого можно избежать путем герметизации устройств в непрозрачных корпусах. Если эти корпуса не полностью непрозрачны для излучения высокой энергии (ультрафиолетового, рентгеновского, гамма-излучения), диоды, транзисторы и ИС могут работать со сбоями [12] из-за наведенных фототоков. Фоновое излучение от упаковки также является значительным. [13] Радиационное упрочнение смягчает эти эффекты.

В некоторых случаях эффект фактически требуется, например, использовать светодиоды в качестве светочувствительных устройств (см. Светодиод в качестве датчика света) или даже для сбора энергии, которые иногда называют светоизлучающими и светопоглощающими диодами (LEAD). [14]

Features []

  Реакция кремниевого фотодиода на длину волны падающего света

Критические параметры производительности фотодиода включают спектральную чувствительность, темновой ток, время отклика и эквивалентную шуму мощность.

Спектральная отзывчивость
Спектральная чувствительность - это отношение генерируемого фототока к мощности падающего света, выраженное в A / W при использовании в режиме фотопроводимости. Зависимость от длины волны также может быть выражена как квантовая эффективность ,
или как отношение количества фотогенерированных носителей к падающим фотонам, которое представляет собой единичную величину.
Темный ток
Темновой ток - это ток через фотодиод в отсутствие света, когда он работает в режиме фотопроводимости. Темновой ток включает фототок, генерируемый фоновым излучением, и ток насыщения полупроводникового перехода. Темновой ток должен учитываться при калибровке, если фотодиод используется для точного измерения оптической мощности, а также является источником шума, когда фотодиод используется в оптической системе связи.
Время отклика
Время отклика - это время, необходимое детектору для отклика на оптический вход. Фотон, поглощенный полупроводниковым материалом, будет генерировать электронно-дырочную пару, которая, в свою очередь, начнет двигаться в материале под действием электрического поля и, следовательно, будет генерировать ток. Конечная длительность этого тока называется разбросом времени прохождения и может быть оценена с помощью теоремы Рамо. С помощью этой теоремы также можно показать, что суммарный заряд, генерируемый во внешней цепи, равен e, а не 2e, как можно ожидать по наличию двух носителей.
Инфогалактика: планетарное знание ядро
I-V характеристика фотодиода. Линейные линии нагрузки представляют отклик внешней цепи: I = (приложенное напряжение смещения-напряжение диода) / полное сопротивление. Точки пересечения с кривыми представляют фактический ток и напряжение для данного смещения, сопротивления и освещения.

A photodiode - это полупроводниковое устройство, которое преобразует свет в ток. Ток генерируется, когда фотоны поглощаются фотодиодом.Небольшое количество тока также вырабатывается при отсутствии света. Фотодиоды могут содержать оптические фильтры, встроенные линзы и могут иметь большую или небольшую площадь поверхности. Фотодиоды обычно имеют более медленное время отклика по мере увеличения площади их поверхности. Обычным традиционным солнечным элементом, используемым для выработки электрической солнечной энергии, является фотодиод большой площади. Фотодиоды

аналогичны обычным полупроводниковым диодам, за исключением того, что они могут быть либо экспонированы (для обнаружения вакуумного ультрафиолетового или рентгеновского излучения), либо упакованы с окном или оптоволоконным соединением, чтобы позволить свету достигать чувствительной части устройства.Многие диоды, предназначенные специально для использования в качестве фотодиодов, используют контакт PIN-кода, а не p-n-переход, чтобы увеличить скорость отклика. Фотодиод предназначен для работы в обратном смещении. [1]

Принцип работы

Фотодиод

A представляет собой структуру p-n-перехода или PIN-кода. Когда фотон с достаточной энергией попадает на диод, он создает электронно-дырочную пару. Этот механизм также известен как внутренний фотоэлектрический эффект. Если поглощение происходит в области истощения перехода или на расстоянии одной диффузии от него, эти носители уносятся из соединения встроенным электрическим полем области истощения.Таким образом, отверстия движутся к аноду, а электроны - к катоду, и образуется фототок. Общий ток через фотодиод представляет собой сумму темнового тока (тока, который генерируется в отсутствие света) и фототока, поэтому темновой ток должен быть минимизирован, чтобы максимизировать чувствительность устройства. [2]

Фотовольтайческий режим

При использовании в нулевом смещении или фотоэлектрического режима поток фототока из устройства ограничен, и напряжение нарастает.Этот режим использует фотогальванический эффект, который является основой для солнечных элементов - традиционный солнечный элемент просто фотодиод большой площади.

Фотокондуктивный режим

В этом режиме диод часто смещен в обратном направлении (с катодом, положительным относительно анода). Это уменьшает время отклика, поскольку дополнительное обратное смещение увеличивает ширину обедненного слоя, что уменьшает емкость соединения. Обратное смещение также увеличивает темновой ток без значительного изменения фототока.Для данного спектрального распределения фототок линейно пропорционален освещенности (и освещенности) . [3]

Хотя этот режим быстрее, фотопроводящий режим имеет тенденцию проявлять больше электронного шума. [4] Схема часто доминирует.

Другие режимы работы

Лавинные фотодиоды имеют структуру, аналогичную обычным фотодиодам, но они работают с гораздо более высоким обратным смещением.Это позволяет умножить каждую произведенную фотографию несущую на лавинный пробой, что приведет к внутреннему усилению в фотодиоде, что увеличит эффективную чувствительность устройства.

Электронный символ для фототранзистора

A фототранзистор является светочувствительным транзистором. Обычный тип фототранзистора, называемый фотобиполярным транзистором, по сути, является биполярным транзистором, заключенным в прозрачный корпус, так что свет может достигать соединения база-коллектор

.Он был изобретен доктором Джоном Н. Шивом (более известным благодаря своей волновой машине) в Bell Labs в 1948, гг. [5] : 205, но не был анонсирован до 1950, гг. [6] Электроны, которые генерируются фотонами в соединении база-коллектор вводятся в базу, и этот ток фотодиода усиливается усилением тока транзистора β (или hfe). Если эмиттер не подключен, фототранзистор становится фотодиодом. Хотя фототранзисторы имеют более высокую чувствительность к свету, они не способны обнаруживать низкие уровни света лучше, чем фотодиоды. [citation required] Фототранзисторы также имеют значительно более длительное время отклика. Полевые фототранзисторы, также известные как photoFET, являются светочувствительными полевыми транзисторами. В отличие от фотобиполярных транзисторов, photoFET ​​контролируют ток сток-исток, создавая напряжение затвора.

Materials

Материал, используемый для изготовления фотодиода, имеет решающее значение для определения его свойств, потому что только фотоны с достаточной энергией для возбуждения электронов через запрещенную зону материала будут производить значительные фототоки.

Материалы, обычно используемые для производства фотодиодов, включают: [7]

Из-за большей ширины запрещенной зоны фотодиоды на основе кремния генерируют меньше шума, чем фотодиоды на основе германия.

Нежелательные фотодиодные эффекты

Любой p − n-переход, если он освещен, потенциально является фотодиодом. Полупроводниковые устройства, такие как транзисторы и микросхемы, содержат p − n-переходы и не будут работать правильно, если они освещаются нежелательным электромагнитным излучением (светом) с длиной волны, подходящей для создания фототока; герметизирующие устройства в непрозрачных корпусах.Если эти корпуса не являются полностью непрозрачными для излучения высокой энергии (ультрафиолетовое, рентгеновское, гамма-излучение), транзисторы и ИС могут работать со сбоями [10] 9 000 9 из-за наведенных фототоков. Фоновое излучение от упаковки также является значительным. [11] Радиационное упрочнение смягчает эти эффекты.

Печально известная ошибка зависания ксеноновой вспышки Raspberry Pi 2 является результатом того, что линии интенсивного ультрафиолетового излучения ксеноновой вспышки разрушают микросхему контроллера источника питания с переключаемым режимом в корпусе без подложки, что приводит к скачку напряжения, из-за которого главный процессор блокируется.

Темный ток
Ток через фотодиод при отсутствии света, когда он работает в фотопроводящем режиме. Темновой ток включает фототок, генерируемый фоновым излучением, и ток насыщения полупроводникового перехода. Темновой ток должен учитываться при калибровке, если фотодиод используется для точного измерения оптической мощности, а также является источником шума, когда фотодиод используется в системе оптической связи.
Время отклика
Фотон
A, поглощенный полупроводниковым материалом, будет генерировать электронно-дырочную пару, которая, в свою очередь, начнет двигаться в материале под действием электрического поля и, таким образом, будет генерировать ток.Конечная длительность этого тока называется разбросом времени прохождения и может быть оценена с помощью теоремы Рамо. С помощью этой теоремы также можно показать, что суммарный заряд, генерируемый во внешней цепи, хорошо, а не 2е, как может показаться при наличии двух носителей. Действительно, интеграл тока, обусловленного как электроном, так и дыркой, должен быть равен e. Сопротивление и емкость фотодиода и внешней схемы приводят к другому времени отклика, известному как постоянная времени RC \tau=RC.Эта комбинация R и C интегрирует фотореакцию во времени и, таким образом, удлиняет импульсную характеристику фотодиода. При использовании в оптической системе связи время отклика определяет полосу пропускания, доступную для модуляции сигнала и, следовательно, для передачи данных.
Шумовая эквивалентная мощность
(NEP) Минимальная входная оптическая мощность для генерации фототока, равная среднеквадратичному шумовому току в полосе пропускания 1 Гц. NEP - это, по сути, минимальная обнаруживаемая мощность. Соответствующая характеристика обнаружения (D) является инверсией NEP, 1 / NEP.Существует также удельная детектируемость (D^\star), которая является детективностью, умноженной на квадратный корень из области (A) фотоприемника (D^\star=D\sqrt{A}) для полосы пропускания 1 Гц. Специфическая обнаруживаемость позволяет сравнивать разные системы независимо от области датчика и ширины полосы системы; более высокое значение обнаруживаемости указывает на малошумящее устройство или систему.

При использовании фотодиода в оптической системе связи все эти параметры способствуют чувствительности оптического приемника, которая является минимальной входной мощностью, требуемой для приемника для достижения заданного коэффициента ошибок бит.

Applications

Фотодиоды

P – n используются в приложениях, аналогичных другим фотоприемникам, таким как фотопроводники, приборы с зарядовой связью и фотоумножители. Они могут использоваться для генерации выходного сигнала, который зависит от освещения (аналоговый; для измерения и т.п.), или для изменения состояния схемы (цифровой; либо для управления и коммутации, либо для цифровой обработки сигнала).

Фотодиоды используются в устройствах бытовой электроники, таких как проигрыватели компакт-дисков, детекторы дыма и приемники для инфракрасных устройств дистанционного управления, используемых для управления оборудованием от телевизоров до кондиционеров. Для многих применений могут использоваться либо фотодиоды, либо фотопроводники. Любой тип фотодатчика можно использовать для измерения освещенности, например, в измерителях освещенности камеры, или для реагирования на уровни освещенности, например, при включении уличного освещения после наступления темноты.

Фотодатчики всех типов могут использоваться для реагирования на падающий свет или источник света, который является частью той же схемы или системы.

Они также широко используются в различных медицинских приложениях, таких как детекторы для компьютерной томографии (в сочетании со сцинтилляторами), инструменты для анализа образцов (иммуноанализ) и пульсовые оксиметры.

Диоды

PIN намного быстрее и чувствительнее, чем диоды p-n переходов, и, следовательно, часто используются для оптической связи и в регулировании освещения. Фотодиоды

P – n не используются для измерения очень низкой интенсивности света. Вместо этого, если требуется высокая чувствительность, лавинные фотодиоды, устройства с усиленной зарядовой связью или фотоумножители используются для таких применений, как астрономия, спектроскопия, приборы ночного видения и лазерное дальномеризация.

Прикрепленный фотодиод не является фотодиодом с PIN-кодом, в нем есть области p + / n / p. Он имеет неглубокий P + имплантат в диффузионном слое N-типа поверх эпитаксиального субстрата P-типа. Используется в КМОП-активном пиксельном датчике. [13]

Сравнение с фотоумножителями

Преимущества по сравнению с фотоумножителями: [14]

  1. Превосходная линейность выходного тока как функция падающего света
  2. Спектральный отклик от 190 нм до 1100 нм (кремний), более длинные волны с другими полупроводниковыми материалами
  3. Слабый шум
  4. Прочный к механическим воздействиям
  5. Низкая стоимость
  6. Компактный и легкий вес
  7. Долгая продолжительность жизни
  8. Высокая квантовая эффективность, обычно 60-80% [15]
  9. Не требуется высокое напряжение

Недостатки по сравнению с фотоумножителями:

  1. Маленькая площадь
  2. Нет внутреннего усиления (кроме лавинных фотодиодов, но их усиление обычно составляет 102–103 по сравнению с 108 для фотоумножителя)
  3. Существенно ниже общая чувствительность
  4. Подсчет фотонов возможен только со специально разработанными, обычно охлаждаемыми фотодиодами, со специальными электронными схемами
  5. Время отклика для многих дизайнов медленнее
  6. Лентный эффект

Фотодиодная матрица

D^\star Микросхема фотодиодной матрицы 2 x 2 см с более чем 200 диодами

А одномерный массив из сотен или тысяч фотодиодов может использоваться в качестве датчика положения, например, как часть датчика угла. [16] Одно из преимуществ фотодиодных матриц (PDA) состоит в том, что они обеспечивают высокоскоростное параллельное считывание, поскольку управляющая электроника может быть не встроена, как традиционный датчик CMOS или CCD.

Показать также

References

D^\star Эта статья включает материалы общественного достояния из документа Администрации общего обслуживания "Федеральный стандарт 1037C" .

  1. - Джеймс Ф. Кокс (26 июня 2001 г.). Основы линейной электроники: встроенная и дискретная.Cengage Learning. стр. 91-. ISBN 978-0-7668-3018-9. Получено 20 августа 2011.
  2. ↑ Filip Tavernier, Michiel Steyaert Высокоскоростные оптические приемники со встроенным фотодиодом в наноразмерном CMOS Springer, 2011 ISBN 1-4419-9924-8, глава 3 От света к электрическому току - Photodiode
  3. «Фотодиодный слайд» .
  4. «Примечания по применению фотодиодов - Excelitas - см. Примечание 4» (PDF).
  5. Майкл Риордан и Лилиан Ходдесон. Crystal Fire: изобретение транзистора и рождение информационного века. ISBN 9780393318517.
  6. «Фототранзистор». Bell Laboratories RECORD. Май 1950.
  7. ↑ удерживается.G, Введение в технологию и применение светоизлучающих диодов, CRC Press, (Worldwide, 2008). Глава 5 стр. 116. ISBN 1-4200-7662-0
  8. ↑ З. Шенфилд и др., 1988, Исследование влияния излучения на полупроводниковые приборы и интегральные схемы, DNA-TR-88-221, www.dtic.mil/cgi-bin/GetTRDoc?AD=ADA210165
  9. ↑ Krzysztof Iniewski, ed, 2010, Radiation Effects in Semiconductors, CRC Press, ISBN 978-1-4398-2694-2
  10. Zeller, H.R. (1995). «Индуцированные космическими лучами отказы в полупроводниковых приборах большой мощности».Solid-State Electronics. 38: 2041–2046. doi: 10.1016 / 0038-1101 (95) 00082-5.
  11. . Т. Мэй и М. Вудс. Мягкие ошибки, вызванные альфа-частицами в динамической памяти. Мягкие ошибки в коммерческих интегральных схемах, Int. J. High Speed ​​Electronics and Systems, Vol. 14, No 2 (2004) 299-309: «альфа-частицы, испускаемые из-за естественного радиоактивного распада изотопов урана, тория и внушительного магния, присутствующих в качестве примесей было обнаружено, что в упаковочных материалах доминирующая причина [мягкого коэффициента ошибок] в [динамической памяти с произвольным доступом].«
  12. ↑ Грэм Брукер, Введение в датчики для определения дальности и обработки изображений, ScitTech Publishing, 2009 ISBN 9781891121746, стр. 87
  13. ↑ http://electronics.stackexchange.com/questions/83018/difference-between-buried-photodiode-and-pinned-photodiode
  14. ↑ Техническое руководство по фотодиодам на веб-сайте Hamamatsu
  15. ↑ Knoll, F.G. (2010). Обнаружение и измерение радиации - 4-е изд. п. 298. Wiley, Hoboken, NJ. ISBN 978-0-470-13148-0
  16. Вей Гао (2010). Точная нанометрология: датчики и измерительные системы для нанопроизводства.
    Синхронные машины - Конструкция - Принцип работы

    А синхронная машина является наиболее важным типом электрической машины. Генерирующие машины, найденные на всех генерирующих станциях, являются синхронными машинами и обычно известны как синхронные генераторы или генераторы переменного тока. Синхронные двигатели хорошо известны своей работой на постоянной скорости и широко используются в промышленности.

    Строительство

    Электромеханическое преобразование энергии происходит всякий раз, когда изменение потока связано с механическим движением.В синхронных машинах обмотка возбуждения является основным источником потока. Обмотка возбуждения и обмотка якоря размещены на общей магнитной цепи, состоящей из двух частей - статора и ротора

    .

    Stator

    Статор является стационарным элементом. Это кольцевое зелье цилиндра, внутри которого вращается ротор. Между статором и ротором предусмотрен достаточный воздушный зазор. Обмотки якоря размещены в прорезях статора

    Rotor

    В синхронных двигателях используются роторные конструкции двух типов.Это цилиндрический ротор и выступающий полюс или выступающий тип полюса. Цилиндрический полюсный ротор имеет встроенную обмотку постоянного тока. Цилиндрический ротор обеспечивает большую механическую прочность и обеспечивает более точную динамическую балансировку. Это особенно используется в высокоскоростных турбогенераторах.

    Второй тип синхронного двигателя, то есть выступающие полюсные роторы имеют выступающие полюса. Эти выступающие опоры уменьшают его механическую прочность. Этот тип конструкции ротора используется для низкоскоростных применений, таких как гидроэлектрические генераторы.Большое количество полюсов в роторе делает ротор больше по диаметру и меньше по длине.

    Ось ротора опирается на два подшипника, которые размещены на двух торцевых крышках, прикрепленных болтами с двух сторон ротора. Статор и ротор изготовлены из силиконовой стали, магнитного материала с высокой проницаемостью. Обмотка возбуждения снабжается отдельным источником постоянного тока от возбудителя через пару угольных щеток. Возбудитель может быть внешним источником постоянного тока или генератором постоянного тока, соединенным с валом синхронной машины.

    Принцип работы

    При возбуждении постоянного тока, обеспечиваемого ротору, создается фиксированный Северный полюс и Южный полюс в нем. Ротор создает постоянный поток в воздушном зазоре, который соединяется с обмоткой статора.

    Синхронные генераторы

    Генератор

    - это устройство, которое преобразует механическую энергию в электрическую. Когда ротор вращается с помощью первичного двигателя, он создает синусоидальное распределение потока в воздушном зазоре, которое связывает обмотки якоря и индуцирует синусоидальную переменную ЭДС в нем.Частота наведенной эдс может быть рассчитана по следующей формуле.

    Where

    P = количество полюсов статора.

    Ns = Скорость ротора в об / мин.

    Синхронный двигатель

    Мотор - это устройство, которое преобразует электрическую энергию. Пусть 3-х фазная обмотка статора В подключена к 3-х фазному источнику постоянного напряжения и частоты. В результате трехфазные токи, протекающие через обмотку статора, создают синхронно вращающееся магнитное поле с синхронной скоростью Ns.

    Узнайте, что ротор вращается вспомогательным средством на скорости, близкой к синхронной скорости в направлении вращения поля статора. Теперь ротор вращается вместе с синхронно вращающимся полем статора и работает точно с синхронной скоростью. Электромеханический момент развивается на роторе в направлении вращения ротора и уравновешивает момент нагрузки. Можно отметить, что ротор возвращается к углу δ для данного момента нагрузки TL. Этот угол называется углом крутящего момента или углом мощности.

    Крутящий момент, развиваемый синхронным двигателем, определяется следующим выражением.

    Охота в синхронных машинах

    Когда синхронная машина работает при постоянной нагрузке, на электрических и механических частях машины должны возникать определенные помехи с ограниченной амплитудой. Этими помехами являются внезапное изменение нагрузки, внезапное изменение тока поля, наличие гармонических колебаний нагрузки, а также крутящего момента первичного двигателя. Это возмущение вызывает колебания в машинах.

    Что такое емкостный преобразователь? - Определение, принцип, преимущества, недостатки и использование

    Определение: Емкостный преобразователь используется для измерения смещения, давления и других физических величин. Это пассивный преобразователь, что означает, что для работы ему требуется внешнее питание. Емкостный преобразователь работает по принципу переменных емкостей. Емкость емкостного преобразователя изменяется по многим причинам, таким как перекрытие пластин, изменение расстояния между пластинами и диэлектрическая проницаемость.

    Емкостный преобразователь содержит две параллельные металлические пластины. Эти пластины разделены диэлектрической средой, которая представляет собой воздух, материал, газ или жидкость. В обычном конденсаторе расстояние между пластинами фиксировано, но в емкостном преобразователе расстояние между ними различно.

    Емкостный преобразователь использует электрическую величину емкости для преобразования механического движения в электрический сигнал. Входная величина вызывает изменение емкости, которая непосредственно измеряется емкостным преобразователем.

    Конденсаторы измеряют как статические, так и динамические изменения. Смещение также измеряется непосредственно путем подключения измеряемых устройств к подвижной пластине конденсатора. Работает как в контактном, так и в бесконтактном режимах.

    принцип операции

    Уравнения ниже выражают емкость между пластинами конденсатораcapactive-equation-1

    Где A - площадь перекрытия пластин в m2
    d - расстояние между двумя пластинами в метре
    ε - диэлектрическая проницаемость среды в F / m
    εr - относительная диэлектрическая проницаемость
    ε0 - диэлектрическая проницаемость свободного пространства

    Принципиальная схема емкостного преобразователя с параллельными пластинами показана на рисунке ниже.capacitive-transducer

    Изменение емкости происходит из-за физических переменных, таких как смещение, сила, давление и т. Д. Емкость преобразователя также изменяется в результате изменения их диэлектрической проницаемости, которая обычно обусловлена ​​измерением уровня жидкости или газа.

    Емкость преобразователя измеряется с помощью мостовой схемы. Выходной импеданс преобразователя задан как capacitive-transducer-2

    Где, C - емкость
    f - частота возбуждения в Гц.

    Емкостный преобразователь в основном используется для измерения линейного смещения.Емкостный преобразователь использует следующие три эффекта.

    1. Вариант в емкости преобразователя из-за перекрытия пластин конденсатора.
    2. Изменение емкости происходит из-за изменения расстояний между пластинами.
    3. Емкость меняется из-за диэлектрической проницаемости.

    Следующие методы используются для измерения смещения.

    1. Преобразователь A с использованием изменения площади пластин. - Из приведенного ниже уравнения видно, что емкость прямо пропорциональна площади пластин.Емкость изменяется соответственно с изменением положения пластин.

    capacitive-transducer-with-displacement

    Емкостные преобразователи используются для измерения большого смещения приблизительно от 1 мм до нескольких см. Площадь емкостного преобразователя изменяется линейно в зависимости от емкости и смещения. Первоначально нелинейность возникает в системе из-за ребер. В противном случае он дает линейный ответ.

    Емкость параллельных пластин дана как capacitive-transducer-equation-4

    где x - длина перекрывающейся части плит
    ω - ширина перекрывающейся части плит.

    Чувствительность смещения постоянна, и, следовательно, она дает линейную зависимость между емкостью и смещением. capacitive-transducer-5

    Емкостный преобразователь используется для измерения углового смещения. Это измерено подвижными пластинами, показанными ниже. Одна из пластин преобразователя неподвижна, а другая подвижна. angular-capacitive-transducer

    Фазовая диаграмма преобразователя показана на рисунке ниже.

    capacative-transducerУгловое движение изменяет емкость преобразователей.Емкость между ними максимальна, когда эти пластины перекрывают друг друга. Максимальное значение емкости выражается как capacitive-transducer-equation-7

    Емкость под углом θ выражается как, capacitvie-transducer-equation-8

    θ - угловое смещение в радианах. Чувствительность к изменению емкости дана как capacitive-transducer-equation-9

    180 ° - это максимальное значение углового смещения конденсатора.

    2. Преобразователь, использующий изменение расстояния между пластинами. - Емкость преобразователя обратно пропорциональна расстоянию между пластинами.Одна пластина преобразователя зафиксирована, а другая подвижна. Смещение, которое должно быть измерено, связано с подвижными пластинами.displacement-capacitive-transducer

    Емкость обратно пропорциональна расстоянию, из-за которого конденсатор показывает нелинейный отклик. Такой тип преобразователя используется для измерения малого смещения. Фазовая диаграмма конденсатора показана на рисунке ниже. capacitive-transducer-3

    Чувствительность преобразователя не постоянна и варьируется от места к месту.

    DC Motors | Принцип действия | Ресурсы для инженеров

    Электродвигатели работают на электромагнетизме. Однако есть и другие типы двигателей, которые используют электростатические силы или пьезоэлектрический эффект. В случае электродвигателя постоянного тока с постоянным магнитом движение вызывается электромагнитом (якорем), взаимодействующим с магнитом с фиксированным полем (корпус в сборе) .

    В щеточном двигателе электрический ток протекает через клеммы двигателя в узле концевой крышки, который входит в контакт с коммутатором в узле якоря через угольные щетки или листья щеток.Электрический ток приводит в действие катушки, генерирующие магнитное поле, заставляющее якорь вращаться, когда он взаимодействует с магнитами, заключенными в сборку корпуса. Правило левой руки Флемминга помогает определить направление силы, тока и магнитного потока.

    В бесщеточном двигателе, когда на клемму двигателя подается электричество, ток течет через неподвижное поле статора и взаимодействует с движущимся постоянным магнитом или движущимся индуцированным магнитным полем внутри ротора / якоря.После того, как движение и силовая нагрузка будут выполнены доступным источником тока, он возвращается к источнику, выходящему из двигателя.

    Ключевые элементы, взаимодействующие для создания движения

    Magnetic Flux - Двигатель может иметь катушку с фиксированной намоткой или статор с постоянным магнитом, а также якорь с подвижной катушкой или ротор с РМ, который будет иметь взаимодействующие поля магнитного потока для создания силы и движения.

    Force - Количество тока, протекающего через электромагнитное поле, пропорционально величине силы взаимодействующего электромагнитного поля, необходимой для достижения противоположной рабочей нагрузки.В дополнение к силе и движению, необходимым для устройства, необходимо учитывать любые потери эффективности при преобразовании электроэнергии в механическую работу (ватт) .


    Обзор шагового двигателя

    Что такое шаговый двигатель
    Шаговые двигатели

    работают не так, как другие двигатели постоянного тока, которые просто вращаются при подаче напряжения. Вращательный шаговый двигатель - это электромеханическое устройство, которое может разделить один полный оборот (360 °) на большое количество ступеней вращения. Шаговые двигатели управляются электронным способом и не требуют дорогостоящих устройств обратной связи.Линейный шаговый двигатель аналогичен вращательному двигателю, за исключением того, что вал движется линейно или продольно. Оба типа имеют два обмоточных устройства для своих электромагнитных катушек: униполярное и биполярное. Униполярный означает, что каждый конец катушки имеет одну полярность. Рекомендуемый стабилитрон используется для быстрого затухания тока в отключенной катушке. Это увеличит крутящий момент двигателя, особенно на высоких частотах.

    Bipolar указывает, что каждый конец катушки имеет обе полярности.Катушка будет положительной и отрицательной в течение каждого цикла движения. Поскольку каждая катушка используется полностью, двигатель имеет более высокий крутящий момент по сравнению с однополюсной катушкой. Биполярный драйвер может включать в себя возможность привода постоянного тока, называемого приводом прерывателя. Это обеспечит повышенный выходной крутящий момент на более высоких частотах и ​​уменьшит влияние колебаний температуры и напряжения питания.

    Основы шагового двигателя

    Шаговый двигатель PM или «консервная банка» - это недорогое решение для ваших задач позиционирования с типичными углами шага 7.5 ° - 15 °. Меньшие углы шага могут быть получены через Microstepping. При подаче электрических управляющих импульсов вал двигателя движется с определенным шагом. Текущая полярность и частота приложенных импульсов определяет направление и скорость движения вала.

    Одним из самых значительных преимуществ шагового двигателя является его способность точно контролироваться в системе с разомкнутым контуром. Управление в разомкнутом контуре означает, что информация обратной связи о положении вала не требуется. Этот тип управления устраняет необходимость в дорогих устройствах обратной связи, просто отслеживая входные шаговые импульсы.Шаговый двигатель - хороший выбор, когда требуется управляемое движение. Они рекомендуются в тех случаях, когда вам необходимо контролировать угол поворота, скорость, положение и синхронизацию. Значения крутящего момента, фиксирующего, удерживающего, выдвигающего и выдвигающего моментов, скорости (об / мин) и числа шагов на оборот (угол шага) характеризуют шаговый двигатель.

    Запускной момент - определяет максимальный крутящий момент, который может быть приложен к обесточенному двигателю, не вызывая его вращения.

    Момент удержания - определяет максимальный крутящий момент, с которым двигатель, находящийся под напряжением, может быть загружен, не вызывая вращательного движения.

    Pull-In - производительность определяет способность двигателя запускаться или останавливаться. Это максимальная частота, с которой двигатель может запускаться или останавливаться мгновенно, с приложенной нагрузкой, без потери синхронизации.

    Pull-Out определяет максимальный крутящий момент при применении рампы ускорения / замедления без потери шагов. Он определяет максимальную частоту, на которой двигатель может работать без потери синхронизма.

    Наш вращающийся шаговый двигатель можно комбинировать с нашей полной линейкой редукторов для увеличения крутящего момента и снижения скорости.

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о