Фототранзистор схема. Фототранзисторы: принцип работы, типы, характеристики и применение

Что такое фототранзистор и как он работает. Какие бывают виды фототранзисторов. Каковы основные характеристики и параметры фототранзисторов. Где применяются фототранзисторы в электронике и оптоэлектронике. Как выбрать фототранзистор для конкретной задачи.

Что такое фототранзистор и как он работает

Фототранзистор — это полупроводниковый прибор, который преобразует световой сигнал в электрический с одновременным усилением. По своей структуре он похож на обычный биполярный транзистор, но имеет прозрачное окно для попадания света на базовую область.

Принцип работы фототранзистора основан на внутреннем фотоэффекте. При попадании света на базовую область в ней генерируются электронно-дырочные пары. Это приводит к появлению фототока и изменению проводимости базы, что в свою очередь вызывает усиление коллекторного тока.

Основные части фототранзистора:

• Эмиттер — инжектирует носители заряда в базу
• База — область, на которую падает свет
• Коллектор — собирает носители заряда из базы
• Прозрачное окно — для попадания света на базу

Виды и типы фототранзисторов

Существует несколько основных типов фототранзисторов:

1. Биполярные фототранзисторы

Это самый распространенный тип. Имеют структуру p-n-p или n-p-n. Работают за счет инжекции неосновных носителей заряда.

2. Полевые фототранзисторы

Управляются электрическим полем. Бывают с управляющим p-n переходом или изолированным затвором.

3. Фототиристоры

Имеют четырехслойную p-n-p-n структуру. Обладают эффектом переключения.

4. Фотодарлингтоны

Составные фототранзисторы с очень высоким коэффициентом усиления.

Основные характеристики и параметры фототранзисторов

Для оценки свойств и выбора фототранзисторов используются следующие основные характеристики:

Спектральная характеристика

Показывает чувствительность фототранзистора к свету разных длин волн. Обычно имеет максимум в видимой или ближней ИК области.

Световая характеристика

Зависимость фототока от интенсивности падающего света. Как правило, близка к линейной.

Темновой ток

Ток коллектора при отсутствии освещения. Важен для определения порога срабатывания.

Быстродействие

Время нарастания и спада фототока при импульсном освещении. Определяет максимальную рабочую частоту.

Коэффициент усиления

Отношение изменения коллекторного тока к изменению фототока базы. Может достигать нескольких тысяч.

Применение фототранзисторов в электронике и оптоэлектронике

Благодаря своим свойствам фототранзисторы нашли широкое применение в различных областях:

1. Фотоприемники оптических систем связи

Используются для детектирования оптических сигналов в волоконно-оптических линиях связи. Обеспечивают высокую чувствительность и быстродействие.

2. Датчики освещенности

Применяются в системах автоматического управления освещением, фотореле, экспонометрах фотоаппаратов.

3. Оптроны и оптопары

Служат приемниками в оптронных развязках для гальванической изоляции цепей.

4. Фотодатчики промышленной автоматики

Используются в системах позиционирования, счетчиках предметов, охранных системах.

5. Считыватели штрих-кодов

Обеспечивают считывание черно-белых штриховых кодов в торговом оборудовании.

Как выбрать фототранзистор для конкретной задачи

При выборе фототранзистора для применения в конкретном устройстве следует учитывать следующие факторы:

1. Спектральный диапазон чувствительности

Должен соответствовать спектру используемого источника света. Для видимого света подойдут кремниевые фототранзисторы, для ИК-диапазона — на основе GaAs.

2. Требуемая чувствительность

Определяется минимальной интенсивностью света, которую нужно детектировать. При низких уровнях освещенности лучше использовать фотодарлингтоны.

3. Быстродействие

Для высокочастотных применений выбирают фототранзисторы с малой емкостью p-n переходов и тонкой базой.

4. Размер фоточувствительной площадки

Влияет на эффективность сбора света. Для работы с точечными источниками нужны фототранзисторы с малой площадью базы.

5. Корпус и способ монтажа

Выбирается исходя из конструкции устройства. Бывают в корпусах для поверхностного и выводного монтажа.

Преимущества и недостатки фототранзисторов

Фототранзисторы обладают рядом достоинств и ограничений по сравнению с другими фотоприемниками:

Преимущества фототранзисторов:

• Высокая чувствительность благодаря внутреннему усилению
• Простота схемы включения
• Низкая стоимость
• Широкий выбор типов для разных применений

Недостатки фототранзисторов:

• Нелинейность световой характеристики
• Зависимость параметров от температуры
• Ограниченное быстродействие
• Высокий уровень шумов

Сравнение фототранзисторов с другими фотоприемниками

Рассмотрим, как фототранзисторы соотносятся по своим характеристикам с другими распространенными типами фотоприемников:

Фототранзисторы vs фоторезисторы

Фототранзисторы обладают намного большей чувствительностью и быстродействием, чем фоторезисторы. Однако фоторезисторы имеют более широкий спектральный диапазон.

Фототранзисторы vs фотодиоды

Фототранзисторы обеспечивают большее усиление сигнала, но уступают фотодиодам по линейности и быстродействию. Фотодиоды также имеют меньшие шумы.

Фототранзисторы vs фотоумножители

Фотоумножители превосходят фототранзисторы по чувствительности и быстродействию, но значительно дороже и требуют высоковольтного питания.

Схемы включения фототранзисторов

Существует несколько основных схем включения фототранзисторов:

1. Схема с общим эмиттером

Самая распространенная схема. Обеспечивает усиление по току и напряжению. Выходной сигнал снимается с коллектора.

2. Схема с общей базой

Имеет высокое входное сопротивление и хорошее быстродействие. Применяется в высокочастотных схемах.

3. Схема с общим коллектором

Обладает низким выходным сопротивлением. Используется как эмиттерный повторитель для согласования.

4. Дифференциальная схема

Позволяет компенсировать температурную зависимость и повысить линейность. Состоит из двух идентичных фототранзисторов.

Перспективы развития фототранзисторов

Основные направления совершенствования фототранзисторов включают:

• Повышение быстродействия для работы на высоких частотах
• Расширение спектрального диапазона чувствительности
• Улучшение температурной стабильности параметров
• Снижение уровня шумов и темнового тока
• Создание многоэлементных фототранзисторных матриц
• Интеграция с другими оптоэлектронными компонентами

Развитие технологии фототранзисторов позволит расширить области их применения в оптических системах связи, датчиках изображения, системах технического зрения и других перспективных направлениях оптоэлектроники.

ФОТОТРАНЗИСТОРЫ

   Полупроводниковые элементы являются основной части любого прибора, без ниx уже никак не возможно представить работу какого-либо бытового прибора или отдельной микросxемы. Поговорим сегодня о фототранзисторе который нашел широкую область применения в разныx прибораx. Явления фотоэффекта людям известно давно, но никто не мог логично дать обяснение этому. Первым человеком которому все же удалось выяснить в чем же дело был Альберт Эйнштейн. Но не будем отклонятся от нашей темы и рассмотрим практическое устройство с применением фототранзистора. Среди множества полупроводниковыx приборов, которые можно сделать самому, выбрано именно это, на мой взгляд более простое и интересное. Ниже смотрите сxему. 

   Тут использован принцип уменьшение сопротивления кристалла полупроводника под воздействием света. Делаем фототранзистор следующим образом, у обычного транзистора МП39 . . . МП42 аккуратно нужно спилить боковую часть корпуса и собрать указанную сxему. Второй транзистор тоже применен МП39 . . . МП42, он служит для предварительного усиления сигнала. Выxод собранного устройства нужно соединить к вxоду усилителя мощности низкой частоты. Переменной резистор 470 килоом позволяет регулировать работу прибора. В качестве источника света можно использовать фонарик и линзу которая будет сконцентрировать пучок света на фототранзистор Можно применить лазер, или белый светодиод от зажигалки, на нем уже собрана линза. Если в темной комнате установить фонарь и фототранзистор, а между ними установить диск из картона с отверстиями, то поворачивая диск вы можете услышать серию щелчков. Если диск закрепить на электромоторчик (для получения высокиx оборотов), то щелчки сольются в непрерывный звук. Данное устройство можно применять повсюду — лазерная оxранная система, левитрон, сенсорные замки и датчики, детекторы, автоматические выключатели домашнего и уличного освящения и во многом другом. 

   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. 

   Форум по теории для начинающих

    Форум по обсуждению материала ФОТОТРАНЗИСТОРЫ

САМОДЕЛЬНЫЙ ФОТОТРАНЗИСТОР — 5 Октября 2011 — SERVODROID

1.Общие принципы и устройство фототранзистора.

Фототранзистор-это полупроводниковый прибор, который преобразует оптическое излучение (видимое или невидимое) в электрический сигнал с одновременным усилением. У фототранзистора коллекторный ток изменяется в зависимости от интенсивности падающего излучения. Чем сильнее облучается фототранзистор (базовая зона), тем больше коллекторный ток.

Фототранзистор может работать в двух режимах: в режиме фотодиода с плавающей базой и в транзисторном режиме с источником смещения в базовой цепи. В режиме с плавающей базой используют только два вывода фототранзистора: вывод эмиттера и вывод коллектора. При подключении фототранзистора в режиме с источником смещения используются все выводы и дополнительный резистор подключенный непосредственно к базовому выводу.

Разобравшись с определениями можно продвигаться дальше. Далее будет приведена технология изготовления фототранзистора из биполярных транзисторов серии МП14-МП42.
На фото.2. Конструктивно биполярный транзистор состоит из:

цельнометаллического корпуса, выводов (коллектор, эмиттер, база), изоляторов.

фото.2.нажимайте фото для просмотра в полном размере

На фото.3. Внутри корпуса, в центре закреплён кристаллодержатель(1), который представляет собой прямоугольник значительных размеров. На кристаллодержателе закреплён полупроводниковый материал(2) (полупроводниковый кристалл), с двух сторон с ним контактируют проволочки(3) (подводящие проводники) идущие от выводов эмиттера(4) и коллектора(4). Вывод базы припаян непосредственно к корпусу транзистора. А выводы эмиттера и коллектора подведены через стеклянные изоляторы (5).

фото.3.нажимайте фото для просмотра в полном размере

Чтобы не воспроизводить ошибки при изготовлении фототранзистора запомните простые правила, как не нужно делать фототранзистор!

  1. Не допустимо спиливать крышку у транзистора сверху! Это приведёт к неминуемому сдвигу кристаллодержателя и порче кристалла или обрыву подводящих проводников. Вероятность порчи изготавливаемого фототранзистора достигает почти 100 процентов! При удачном исходе (спиливания крышки сверху) фототранзистор практически ничего не «видит», потому что свет не попадает на базовую зону кристалла!

  2. Ни когда не отрезайте базовый вывод после изготовления фототранзистора, так как есть схемы которые используют именно этот вывод.

  3. Не заливайте пропиленное окно фототранзистора прозрачным пластиком или чем то иным, для обеспечения герметизации. Это приведёт к термической порче кристалла полупроводника.

2.Изготовление фототранзистора.

На фото.4. Транзистор типа МП42 имеет три вывода: эмиттер(1), коллектор(2), база (3). Базовый вывод припаян к корпусу(4), а выводы коллектора и эмиттера проходят внутрь корпуса через стеклянные изоляторы(5).

фото.4.нажимайте фото для просмотра в полном размере
На фото.5. Чтобы определить выводы транзистора из серий МП13-МП42, его нужно перевернуть вверх выводами. При этом отогнуть вывод базы на себя, тогда по левую сторону окажется коллектор, а по правую сторону будет эмиттер.
фото.5.нажимайте фото для просмотра в полном размере
Биполярные германиевые транзисторы серии МП, могут иметь как прямую проводимость (p-n-p), так и обратную проводимость (n-p-n). В зависимости от проводимости будет отличаться и схема подключения к источнику напряжения. Из серии МП прямой проводимостью обладают следующие транзисторы: МП13,МП14,МП16,МП26,МП38,МП39,МП40,МП41,МП42. Транзисторы с обратной проводимостью: МП35,МП36,МП37,МП38. НЕ ЗАБУДЬТЕ, ЧТО ИЗГОТОВЛЕННЫЙ ФОТОТРАНЗИСТОР НАСЛЕДУЕТ ВСЕ СВОЙСТВА БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА И ДОЛЖЕН ПОДКЛЮЧАТЬСЯ С УЧЁТОМ ПРОВОДИМОСТИ!

На фото.6. Удерживайте монтажными плоскогубцами транзистор за область(3). Проведите спиливание с помощью напильника боковой поверхности корпуса (1) в месте над выводом эмиттера(2). Спиливание необходимо проводить умеренно, чтобы легче определить глубину спиливания приводится дополнительное фото.6. Красной стрелкой помечена глубина спиливания.

фото.6.нажимайте фото для просмотра в полном размере

На фото.7. И так, спиливание корпуса выполняют сбоку, это значительно уменьшает вероятность задеть полупроводниковый кристалл и самое главное, свет от источника будет попадать в ту зону (базовую) в которой накапливаются парные носители зарядов. Иначе говоря эффективность фототранзистора по преобразованию оптического излучения в ток будет максимальным.

фото. 7.нажимайте фото для просмотра в полном размере

На фото.8. Удерживайте корпус фототранзистора с помощью монтажных плоскогубцев. В верхнем углу пропила (показан красной стрелкой) аккуратно проделайте шилом отверстие. Затем используйте шило как консервный нож опираясь о бортик выполните разрезание тонкого металлического покрытия оставшегося после спиливания.

фото.8.нажимайте фото для просмотра в полном размере

На фото.9. Продолжайте удерживать корпус фототранзистора. Проведите аналогичные действия слева для получения аналогичного выреза. На выполненные вырезы указывают красные стрелки.

фото.9.нажимайте фото для просмотра в полном размере

На фото.10. Теперь нужно поддеть шилом сверху и осторожно извлечь металлическую пластину (часть корпуса) закрывающую окно фототранзистора. Изготовление фототранзистора закончено!

фото.10.нажимайте фото для просмотра в полном размере

По данной методике автором статьи за короткий промежуток времени было изготовлено семь фототранзисторов из биполярных транзисторов серии МП42. При этом ни один из них не был испорчен во время изготовления. А проверка цифровым тестером показала их приемлемую работоспособность в режиме с плавающей базой. При освещении от  настольной лампы из-за увеличивающегося тока коллектора было надёжно зафиксировано снижение сопротивления перехода эмиттер-коллектор. Фототранзистор также способен работать в режиме генератора тока. Изготовленный по выше приведённой методике фототранзистор освещаемый настольной лампой выдавал до 0,1 вольта между выводом базы и коллектором.

Фототранзистор | Электроника для всех

Наверняка многим захочется присобачить к AVR фотодетектор, чтобы отслеживать хотя бы наличие или отсутствие света. Это полезно как для роботостроителей, так и для тех кто делает всякую автоматику. Итак, кратко опишу какие бывают фотодетекторы.

Фоторезистор
ИМХО вымирающий вид. Последний раз я его видел еще в детстве. Обычно представляет собой такой металический кругляк со стеклянным окошком, в котором видна этакая сероватая зигзагообразная дорожка. При освещении его сопротивление падает, правда незначительно, раза в три четыре.

Фототранзистор
Последнее время я на них натыкаюсь постоянно, неиссякаемый источник фототранзисторов — пятидюймовые дисководы. Последний раз я, по цене грязи, надыбал на радио барахолке штук 5 платок от дисковертов, там светотранзисторы стоят напротив дырок контроля записи и вращения дискеты. Еще сдвоенный фототранзистор (а может и фотодиод, как повезет) стоит в обычной шариковой мышке.
Выглядит как обычный светодиод, только корпус прозрачный. Впрочем, светодиоды тоже такие же бывают так что перепутать кто из них кто раз плюнуть. Но это не беда, партизан легко вычисляется обычным мультиметром. Достаточно включить омметр между его эмитером и коллектором (базы у него нет) и посветить на него, как его сопротивление рухнет просто катастрофически — с десятков килоом до считанных ом. Тот который у меня в детекторе вращения шестерен в роботе меняет свое сопротивление с 100кОм до 30 Ом. Работает фототранзистор подобно обычному — держит ток, но в качестве управляющего воздействия тут не ток базы, а световой поток.

Фотодиод
Внешне ничем не отличается от фототранзистора или обычного светодиода в прозрачном корпусе. Также порой встречаются древние фотодиоды в металлических корпусах. Обычно это совковые девайсы, марки ФД-чето там. Такой металлический цилиндрик с окошком в торце и торчащими из задницы проводками.

В отличии от фототранзистора, может работать в двух разных режимах. В фотогальваническом и фотодиодном.
В первом, фотогальваническом, варианте фотодиод ведет себя как солнечная батарейка, то есть посветил на него — на выводах возникло слабенькое напряжение. Его можно усилить и применить =). Но куда проще работать в фотодиодном режиме. Тут мы подаем на фотодиод обратное напряжение. Поскольку он хоть и фото, но диод, то в обратную сторону напряжение не пойдет, а значит его сопротивление будет близко к обрыву, а вот если его засветить, то диод начнет очень сильно подтравливать и сопротивление его будет резко падать. Причем резко, на пару порядков, как у фототранзистора.
(далее…)

Read More »

Фототранзистор и фоторезистор

Квантовая и оптическая электроника. Лекция N3

Фототранзистор — это управляемый излучением прибор с двумя или большим числом взаимодействующих между собой электрических переходов. Его применяют в качестве чувствительного к излучению элемента оптоэлектронных пар и фотоприемных устройств, первичного преобразователя измерительных информационных систем, элемента приемного модуля волоконно-оптических линий связи средней пропускной способности и др. Различают биполярные и полевые фототранзисторы. К фототранзисторам также относится фототиристор.

Биполярный фототранзистор. Устройство и принцип действия.

О

Рис. 1

дин 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.

П

Рис.2

ассивная 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.

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 Iфби тока Iкр инжектированных эмиттером дырок, прошедших коллекторный переход.

Коэффициент усиления фототока:

М=(Iфв+Iкр)/Iфб=+1, если Rн0, (1)

где  — 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:

U(+1)IфбRн, (2)

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

что это, принцип работы, классификация и области применения

Фотореле представляют собой разновидность электронных приборов, которые предназначены для дистанционного контроля и управления разнообразными исполнительными устройствами малой и средней мощности. Достоинства современных фотореле (как устройств) — это компактность и простота настройки, поэтому подобная аппаратура широко используется в промышленности и быту.  В частности, они управляют системами включения и защиты крупного металлообрабатывающего оборудования (листоштамповочных прессов, сварочных автоматизированных комплексов или радиально-сверлильных станков), используются для контроля внешнего освещения и тому подобное.

Принципы функционирования и базовые компоненты фотореле

Что такое фотореле? Исполнительная схема устройства состоит из следующих компонентов:

1. Датчика, который представляет собой электронный компонент, обнаруживающий присутствие видимого света, инфракрасного излучения и/или источника ультрафиолетового излучения.
2. Усилителя сигнала (иногда — в комплекте с преобразователем одного вида излучаемой энергии в другой).
3. Исполнительного элемента — микроконтроллер, который содержит биполярный полевой фототранзистор.
4. Блока управления.
5. Блока питания.

Фотодатчики

Большинство фотодатчиков — это полупроводники, обладающие свойством, называемым фотопроводимостью. Оно заключается в изменении параметров электрической проводимости в зависимости от интенсивности светового излучения, попадающего на материал.

Как работает фотореле, ясно из рисунка. Фотоэлектрические устройства можно подразделить на две основные категории: те, которые генерируют электричество при освещении — фотоэлектрические или фотоэмиссионные излучатели — и те, которые каким-либо образом изменяют свои электрические характеристики (фоторезисторы или фотопроводники).

Типы фотоэлектрических устройств (слева — полупроводниковое, справа — фотоэмиссионное)

Таким образом, в типовую конструкцию фотореле могут входить следующие исполнения фотодатчиков:

• Фотоэмиссионные ячейки — это устройства, которые выделяют свободные электроны из светочувствительного материала, для чего на световоспринимающую поверхность должен попасть фотон с достаточной энергией. Количество энергии, которое имеют фотоны, зависит от частоты света: чем выше частота, тем больше энергии у фотонов, преобразующих энергию света в электрическую энергию;
• Фотопроводящие элементы, которые изменяют своё электрическое сопротивление при воздействии света. Фотопроводимость возникает в результате попадания света на полупроводниковый материал, который контролирует протекающий через него ток. Наиболее распространенным фотопроводящим материалом является сульфид кадмия, используемый в фотоэлементах LDR;
• Фотоэлектрические элементы. Принцип действия основан на генерировании ЭДС пропорционально полученной энергии лучистого света, что по своему эффекту аналогично фотопроводящим компонентам. Световая энергия попадает на два полупроводниковых материала, расположенных вместе. В результате вырабатывается напряжение не менее 0.5 В. Наиболее распространенным фотоэлектрическим материалом является селен, используемый в солнечных элементах;
• Фотоприёмные устройства. Это — полупроводники (фотодиоды или фототранзисторы), на которые нужно направить свет для управления потоком электронов и дырок через PN-переход. В фотореле используют электронные компоненты, специально разработанные для применения детектора и проникновения света с их спектральным откликом, который настраивается на длину волны падающего света.

Фотореле на базе LDR-элементов с блоком питания

Фоторезистор

Фотопроводящий датчик не вырабатывает электричество, а просто изменяет свои физические свойства при воздействии энергии света. Наиболее распространенным типом фотопроводящего устройства является фоторезистор, который изменяет свое электрическое сопротивление в ответ на изменения интенсивности света.

Фоторезисторы — это полупроводниковые устройства, которые используют энергию света для управления потоком электронов и, следовательно, током, протекающим через них. Обычно этот элемент называется светозависимым резистором или LDR.

Принцип работы фотореле на соответствующем фотодатчике представлен на рисунке:

Устройство и принцип действия фоторезистора

Как следует из его названия, светозависимый резистор (LDR) нужно изготовить из открытого полупроводникового материала, например, сульфида кадмия, который изменяет своё электрическое сопротивление от нескольких тысяч Ом в темноте до нескольких сотен Ом, когда на него падает свет, создавая дырочно-электронные пары в материале.

Эффект заключается в улучшении проводимости фотодатчика с уменьшением сопротивления для увеличения освещения. Фоторезистивные ячейки имеют большое время отклика, которое нужно, чтобы отреагировать на изменение интенсивности света.

Светочувствительные материалы

Материалы, используемые в качестве полупроводниковой подложки — сульфид свинца (PbS), селенид свинца (PbSe), антимонид индия (InSb), которые обнаруживают свет в широком диапазоне волн. Наиболее часто используемым из всех фоторезистивных датчиков света является сульфид кадмия (Cds), потому что его кривая спектрального отклика ближе всего соответствует кривой человеческого глаза, для чего требуется наличие любого источника света. Длина волны пиковой чувствительности для фотоэлемента из сульфида кадмия составляет от 560 до 600 нм в видимом спектральном диапазоне.

В качестве фотодатчика часто используют проводящий элемент ORP12. Этот светозависимый резистор имеет спектральный отклик около 610 нм в области света от жёлтого до оранжевого. Сопротивление элемента, когда он не освещён (темновое сопротивление), очень высокое, около 10 МОм, которое падает до 100 Ом при полном освещении (номинальное сопротивление).

Чтобы увеличить темновое сопротивление и, следовательно, уменьшить темновой ток, резистивный путь образует зигзагообразный рисунок на керамической подложке. Фотоэлемент CdS — это очень недорогое устройство, их часто используют для автоматического затемнения, а также для определения времени темноты или сумерек, в фотореле для уличного освещения.

Типовая схема электронного управляющего блока, где используются светопроводящие элементы из сульфида кадмия, приведена на рисунке:

Преимущества фотореле

В отличие от управляющих компонентов контактного типа, например, электромеханических или индукционных реле, описываемые устройства отличаются своей долговечностью. Кроме того, данные устройства на полевых транзисторах (так называемых MOSFEТ-транзисторах) меньше нагреваются, а потому могут быть применены в длительно эксплуатируемых управляющих схемах, например, в фотореле для уличного освещения.

Металлооксидный транзистор с полевым затвором

Применение МДП-транзисторов в качестве устройства для вывода сигнала позволяет использовать их в схемах твердотельных реле, которые функционируют как на переменном, так и на постоянном токе.

Последующее сравнение эффективности изделия с другими типами следящих устройств аналогичного предназначения может быть выполнено по следующим параметрам:

1. Необходимо минимальное монтажное пространство (меньше, чем у реле с подвижными элементами).
2. Надёжность (выше, поскольку при этом отсутствуют подвижные контакты, изнашивающиеся в процессе трения и электрической эрозии).
3. Потребление энергии (меньше из-за отсутствия вспомогательных компонентов; возможна работа от аккумуляторных источников питания).
4. Интенсивность переключения — не зависит от числа включений, ибо нет необходимости в передающих устройствах.

Фотореле выгодно характеризуются также отсутствием шума при работе, высокой скоростью переключения режимов управления, отсутствием звуковых щелчков при работе.

Компактность схемы типового фотореле для уличного освещения иллюстрирует рисунок:

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

Типичные неисправности фотореле

Неудачи в применении фотореле чаще всего вызваны с их неправильным выбором и/или эксплуатацией. Наиболее распространены отказы, превышение ресурса, однако можно перечислить ещё ряд причин:

1. Превышение значения допустимого тока и/или напряжения.
2. Сбои, связанные с длительностью рабочего цикла (особенно, когда реле переключает очень низкие уровни сигнала или, когда реле не срабатывает очень часто, из-за чего контакты окисляются).
3. Загрязнение рабочей поверхности фотодатчиков (особо характерно для фотореле, которые обслуживают промышленное оборудование).
4. Неудовлетворительная вентиляция релейных панелей, что вызывает, перегрев MOSFEТ-транзисторов.

При надлежащем регламентном облуживании все эти проблемы можно предотвратить. Сроки службы реле и его номинальная мощность всегда указываются производителем. Эти параметры определяются для работы фотореле в условиях переключения низкого уровня и соответствуют минимальному количеству операций, которое можно ожидать без механического отказа из-за износа контактов.

Гораздо информативнее, когда разработчик указывает в инструкции по эксплуатации срок службы реле в условиях горячего переключения нагрузки, когда значения тока и напряжения максимальны (при номинальной мощности устройства). В этих случаях реле выходит из строя по факту загрязнения материала контактов, когда для срабатывания приходится увеличивать ток и напряжение: это сопровождается резким возрастанием сопротивления при прохождении управляющего сигнала. Поэтому световоспринимающие поверхности следует очищать возможно чаще, используя для этих целей химически нейтральные очистители.

При интенсивном применении датчик фотореле никогда не работают дольше, чем указано в их технической характеристике. Даже в приложениях с низким уровнем сигнала неисправности в проверяющих устройствах могут вызывать сбои устройства. В результате пусковые токи, вызванные ёмкостными нагрузками, горячим переключением и скачками напряжения ускоряют их старение.

Видео по теме

Хорошая реклама

 

Конфигурации схем и применение фототранзисторов

»Электроника

Фототранзисторы

используются во многих различных приложениях, и используемые схемы обычно представляют собой общий эмиттер или общий коллектор.

---

Фототранзистор Включает:
Основы фототранзистора Приложения и схемы Фотодарлингтон Оптопара / оптоизолятор

---

Фототранзисторы являются идеальными фотодетекторами и могут использоваться во множестве различных приложений.Фототранзисторные схемы обычно относительно просты, особенно детектор требуется только для обнаружения наличия или отсутствия определенного источника света.

Применение фототранзисторов

Фототранзисторы из-за простоты использования и применения используются во многих областях.

• Оптоизоляторы — здесь фототранзистор используется в качестве датчика света, излучатель света расположен относительно близко, но с другим потенциалом.Физический зазор между излучателем света и детектором обеспечивает значительную степень электрической изоляции.
• Определение положения — в этом приложении оптоизолятор может использоваться для определения положения движущегося элемента, часто движущийся элемент имеет свет или прерывает луч света, который обнаруживает фототранзистор.
• Системы безопасности — фототранзистор можно использовать по-разному в системах безопасности, часто обнаруживая, присутствует ли луч света или был нарушен злоумышленником.
• Счетчики монет — фототранзистор можно использовать в монетах и ​​других приложениях для счета. Луч света прерывается каждый раз, когда монета или другой предмет проходит через заданную точку. Количество раз, когда луч прерывается, равно количеству монет или предметов, которые нужно пересчитать.
• Многие другие. . .

Фототранзистор может использоваться в различных схемах и разными способами в зависимости от области применения. Фототранзистор является недорогим устройством, который широко используется в электронных схемах, а также прост в установке.

Конфигурации схем фототранзисторов

Фототранзистор можно использовать в различных схемах. Как и более обычные транзисторы, фототранзистор можно использовать в схемах с общим эмиттером и общим коллектором. Цепи с общей базой обычно не используются, потому что базовое соединение часто остается плавающим внутри и может быть недоступно. Если требуется подключение к базе, то необходимо купить фототранзистор с возможностью подключения базы.

Выбор конфигурации схемы фототранзистора с общим эмиттером или общим коллектором зависит от требований к схеме. Две конфигурации схемы фототранзистора имеют немного разные рабочие характеристики, и они могут определять используемую схему.

Схема фототранзистора с общим эмиттером

Конфигурация схемы фототранзистора с общим эмиттером, вероятно, является наиболее широко используемой, как и ее более обычная схема на прямом транзисторе.На коллектор подается напряжение питания через нагрузочный резистор коллектора, а выходное напряжение снимается с соединения коллектора на фототранзисторе. Схема генерирует выходной сигнал, который переходит из состояния высокого напряжения в состояние низкого напряжения при обнаружении света.

Схема фактически действует как усилитель. Ток, создаваемый светом, влияет на базовую область. Это обычно усиливается за счет усиления тока транзистора.

Схема фототранзистора с общим эмиттером

Схема фототранзистора с общим коллектором

Конфигурация схемы фототранзистора с общим коллектором или эмиттерным повторителем фактически имеет ту же топологию, что и обычная схема транзистора с общим эмиттером — эмиттер заземлен через нагрузочный резистор, а выход схемы берется из эмиттерного соединения устройства. .

Схема генерирует выходной сигнал, который переходит из низкого состояния в высокое при обнаружении света.

Цепь фототранзистора с общим коллектором

Работа цепи фототранзистора

Схемы фототранзистора могут использоваться в одном из двух основных режимов работы. Их называют активным или линейным режимом и режимом переключения.

Работа в «линейном» или активном режиме обеспечивает реакцию, которая очень широко пропорциональна световому раздражителю. В действительности фототранзистор не дает особенно линейного выхода входному стимулу, и именно по этой причине этот режим работы более правильно назвать активным режимом.

Работа схемы фототранзистора в режиме переключения более широко используется ввиду нелинейного отклика фототранзистора на свет. Когда света мало или нет, ток в транзисторе практически не протекает, и можно сказать, что он находится в выключенном состоянии. Однако по мере увеличения уровня света начинает течь ток. В конце концов достигается точка, в которой фототранзистор становится насыщенным и уровень тока не может увеличиваться. В этой ситуации говорят, что фототранзистор насыщен.Таким образом, режим переключения имеет два уровня: — «включено» и «выключено», как в цифровой или логической системе. Этот тип режима фототранзистора полезен для обнаружения объектов, отправки данных или считывания кодировщиков и т. Д.

В большинстве цепей, не использующих базовое соединение (даже если оно доступно), единственный способ изменить режим работы схемы — это изменить номинал нагрузочного резистора. Это устанавливается путем оценки максимального тока, ожидаемого от встречающихся уровней освещенности.

Используя это предположение, можно использовать следующие уравнения:

Активный режим: Vcc> RL x Ic

Режим переключения: VCC

Где:
R _L = нагрузочный резистор (т.е.е. Rc или Re на диаграммах выше).
I _C = максимальный ожидаемый ток.
В _CC = напряжение питания.

Использование базового соединения в схемах фототранзисторов

На некоторых фототранзисторах доступно базовое подключение. Доступ к базовому соединению позволяет более точно настроить условия схемы фототранзистора для некоторых приложений.

Схема фототранзистора с общим эмиттером с использованием базового резистора

Высокие значения базового резистора R _b не позволяют низким уровням света повышать уровни тока в цепи коллектор-эмиттер и, таким образом, обеспечивают более надежный цифровой выход.Все остальные аспекты функции схемы остаются прежними.

Основные концепции схем на фототранзисторах довольно просты. Обычно для них требуется небольшая конструкция, хотя может потребоваться некоторая оптимизация, чтобы минимизировать остаточный ток, а в коммутационных приложениях — малый ток «выключения». Однако схемы обычно надежны и могут быть легко спроектированы.

Что такое фототранзистор? — Схема эквивалента фототранзистора

Фототранзистор по существу такой же, как и обычный транзистор, но он может работать двумя разными способами:

• Как обычный транзистор, используя базовый ток (IB)
• В качестве фототранзистора, используя свет, который освещает этот элемент и действует как базовый ток. (IP).

Спектральный ответ

Выходной сигнал фототранзистора зависит от длины волны падающего света. Эти устройства реагируют на свет в широком диапазоне длин волн от ближнего УФ (ультрафиолета) до видимого и ближнего ИК (инфракрасного) спектра. Если не используются оптические фильтры, максимальная спектральная характеристика находится в ближнем ИК-диапазоне.

Как работает фототранзистор?

Вы можете использовать оба одновременно, хотя в основном он используется с базовым терминалом, который не подключен (IB = 0).Полный базовый ток равен базовому току (как у обычного транзистора) + базовый ток (используя свет как базовый ток / фототок): IBT = IB + IP.

Если вы хотите повысить чувствительность устройства, из-за слабого освещения, которое увеличивает яркость фототранзистора, мы можем увеличить базовый ток (IB), используя внешнее смещение.

Эквивалентная схема

Фототранзистор = фотодиод + транзистор

Фототранзистор — это обычный транзистор с фотодиодом, подключенным между базой и коллектором транзистора, как на изображении выше. Катод должен быть подключен к коллектору, а анод — к базе транзистора. Он широко используется в приложениях для обнаружения света.

Это устройство, как фотодиод, имеет короткое время отклика. Но он может выдерживать гораздо больший ток. На картинке показана эквивалентная схема.

Вы можете видеть, что ток идет от фотодиода к базе транзистора и от базы к эмиттеру транзистора. Ток эмиттера фототранзистора может быть в ß раз больше тока фотодиода.

Примечание: ß — коэффициент усиления транзистора по току.

Статья о фототранзисторе из The Free Dictionary

транзистор, обычно биполярный, в который неосновные носители вводятся на основе внутреннего фотоэлектрического эффекта. Фототранзисторы используются для преобразования световых сигналов в усиленные электрические сигналы.

Фототранзистор состоит из монокристаллической полупроводниковой пластины Ge или Si, в которой с помощью специальных технологических процессов изготовлены три области.Как и в обычном транзисторе, эти области называются эмиттером, коллектором и базой; Как правило, в базе нет свинца. Кристалл помещен в корпус с прозрачным окном. Фототранзистор подключается к внешней цепи так же, как биполярный транзистор с общим эмиттером и нулевым базовым током. Когда свет падает на базу или коллектор, в этой области генерируются пары носителей заряда (электроны и дырки); пары носителей разделены электрическим полем в коллекторном переходе.В результате носители накапливаются в области базы, вызывая уменьшение потенциального барьера в эмиттерном переходе и увеличение или усиление тока через фототранзистор по сравнению с током, который возникает только из-за миграции носителей. генерируется непосредственно действием света.

Как и в случае с другими фотоэлектрическими устройствами, такими как фотоэлементы и фотодиоды, основными параметрами и характеристиками фототранзисторов являются светочувствительность, спектральный отклик и постоянная времени.Светочувствительность — это отношение фотоэлектрического тока к падающему световому потоку. Для лучших образцов фототранзисторов — например, рассеянных планарных устройств — светочувствительность может достигать 10 ампер на люмен. Спектральный отклик, который представляет собой чувствительность к монохроматическому излучению как функцию длины волны, определяет предел длинных волн для использования конкретного фототранзистора; этот предел, который зависит в первую очередь от ширины запрещенной зоны полупроводникового материала, равен 1.7 микрометров для германия и 1,1 микрометра для кремния. Постоянная времени характеризует инерцию фототранзистора и не превышает нескольких сотен микросекунд. Кроме того, фототранзистор характеризуется фотоэлектрическим усилением, которое может достигать 10 ² –10 ³ .

Высокая надежность, чувствительность и временная стабильность фототранзисторов, а также их небольшие размеры и относительно простая конструкция привели к их широкому использованию в системах управления и автоматизации, например, в качестве световых детекторов и компонентов оптоизоляторов ( см. ДЕТЕКТОР ИЗЛУЧЕНИЯ, ОПТИЧЕСКИЙ ДЕТЕКТОР и OPTRON ).Полевые фототранзисторы, аналогичные полевым транзисторам, были разработаны в 1970-х годах.