Схемы включения фототранзистора: Фототранзистор. Принцип работы и схема включения

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:

Тестер транзисторов / ESR-метр / генератор

Многофункциональный прибор для проверки транзисторов, диодов, тиристоров…

Подробнее

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.

Блок питания 0…30В/3A

Набор для сборки регулируемого блока питания…

Подробнее

49.Фототранзисторы. Основные схемы включения.

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

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

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

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

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

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

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

фототранзисторных схем: сборка и моделирование | Блог Advanced PCB Design

Вашей следующей электрооптической системе может понадобиться фотодиодная схема.

 

Когда мы думаем об оптических датчиках, мы обычно думаем о чем-то вроде ПЗС, КМОП-датчика или фотодиода. Тем не менее, один очень полезный вариант — схема фототранзистора. Эта схема обеспечивает линейный отклик или стабильное переключение, когда фотоны попадают в область затвора/стока, создавая простой в использовании оптический переключатель для различных приложений. Эти схемы достаточно просты, чтобы их можно было привести к стандартным конфигурациям транзисторов, а их поведение можно легко отрегулировать, подав напряжение база/затвор.

Фототранзисторы и фотодиоды

Прежде чем перейти к фототранзисторам, полезно понять, чем они отличаются от фотодиодов. Фототранзисторы и фотодиоды являются аналогами обычных транзисторов и диодов, хотя фототранзисторы и фотодиоды работают как фотогальванические элементы в том, что они преобразуют свет в электричество. Разница между ними заключается в том, что увеличение выходного тока фототранзисторов и фотодиодов вызывается входящим светом, а не изменением входного напряжения.

Подобно тому, как фотодиоды имеют структуру, аналогичную обычному диоду, фототранзистор имеет структуру, аналогичную любому другому транзистору. Обычно они изготавливаются как биполярные транзисторы NPN или PNP или как полевые транзисторы. База/затвор в этих транзисторах запускается падающим светом, который возбуждает носители заряда в этой области. Когда входящие фотоны имеют большую энергию, чем оптическая ширина запрещенной зоны, носители заряда возбуждаются в области базы/затвора. Это эффективно увеличивает базовый ток в устройстве.

В отличие от фотодиода, фототранзистор требует некоторого внешнего смещения (общий коллектор или общий эмиттер) для извлечения тока. Другими словами, фототранзистор действует как переключатель со встроенным порогом. Когда падающий свет достаточно интенсивен, напряжение база-эмиттер становится достаточно малым, чтобы ток легко протекал через устройство. Такое поведение при переключении делает фототранзисторы полезными в ряде приложений, требующих состояния ВКЛ и ВЫКЛ. Сравните это с фотодиодом, где для извлечения тока не требуется внешнего смещения.

Сборка схемы фототранзистора

В отличие от обычного транзистора, фототранзистор можно использовать либо как 2-контактное, либо как 3-контактное устройство. Третий порт подключен к области базы/затвора, как и в обычном транзисторе. В 2-портовой конфигурации NPN падающие фотоны и возникающие в результате возбужденные носители заряда в базе могут смещать транзистор, который пропускает ток через выход. Это обеспечивает простой оптический переключатель с фиксированным порогом. Один из способов увеличить порог оптического насыщения в этом приложении — поместить перед устройством небольшой кусочек фильтрующего стекла.

Типовые схемы фотодиода с общим эмиттером и общим коллектором показаны ниже. В простой двухвыводной схеме фототранзистора базовый резистор (RB) исключен из модели схемы, а соединение оставлено открытым. Использование базового резистора, как показано ниже, обеспечивает петлю обратной связи, которую затем можно использовать для модуляции, когда фототранзистор достигает насыщения. Другой вариант — разместить источник напряжения между RB и заземлением, что дает управляемый напряжением фототранзистор с регулируемым режимом переключения/насыщения.

 

Схема фототранзистора с общим эмиттером и общим коллектором

 

Существует несколько вариантов вышеуказанных схем в зависимости от требований применения. Одним из примеров является схема фототранзистора на паре Дарлингтона, которая обеспечивает двойное усиление выходного тока. Показанные выше схемы фототранзистора с общим коллектором и общим эмиттером обеспечат более близкое к истинному цифровому переключению поведение, когда в схеме используется более крупный базовый резистор (RB).

Применение и моделирование фототранзисторов

Поведение фототранзистора при переключении делает его идеальным для использования в ряде приложений. Некоторые из них включают:

• Оптоизоляторы

• Обнаружение объектов и другие электронные системы управления

• Оптические реле

• Времяпролетные измерения в лазерных дальномерах

• DVD-плееры

• Инфракрасные приемники (например, в старых пультах дистанционного управления)

• Контроллеры затвора в камерах

• Компараторы уровня ON-OFF

 

Эти системы можно надежно смоделировать, используя стандартные модели для компонентов с фототранзисторами. Некоторые производители выпускают модели SPICE для фототранзисторов или для схем, включающих фототранзисторы. Поскольку поток падающих фотонов нельзя наблюдать напрямую, ток базы/затвора, генерируемый фототранзистором, необходимо моделировать с помощью источника тока.

Чувствительность устройства на определенной длине волны может использоваться для преобразования входного тока базы/затвора обратно в значение интенсивности. Чувствительность является сложной функцией геометрии фототранзистора, свойств материала и профиля легирования. Существует также вопрос ширины запрещенной зоны материала и спектра поглощения. Взгляните на эту статью для получения некоторой информации о различных материалах, используемых в фотодиодах; те же соображения применимы и к фототранзисторам. Спектр чувствительности можно найти в таблицах данных. Типичная имитационная модель схемы фототранзистора NPN показана ниже.

 

Типичная имитационная модель схемы фототранзистора NPN.

 

Ваша цель в этой схеме — построить линию нагрузки, чтобы можно было определить поток фотонов (т. е. базовое напряжение и ток коллектора), который будет обеспечивать режим переключения и насыщение. При низком потоке фотонов и базовом напряжении ток коллектора очень быстро достигает насыщения, когда нагрузка велика и поток фотонов увеличивается. Если ваше приложение требует большего линейного диапазона, вам следует использовать большее напряжение VCC, меньшую нагрузку на выходе или и то, и другое. Вы можете проверить все эти аспекты вашей схемы фототранзистора, используя развертку постоянного тока.

Независимо от того, какое оптическое приложение вы хотите завоевать, вы можете спроектировать и смоделировать любую схему фототранзистора, используя правильную компоновку печатной платы и программное обеспечение для проектирования для создания вашей печатной платы. Allegro PCB Designer и полный набор инструментов проектирования Cadence включают в себя компоновку, моделирование и инструменты ECAD-MCAD, необходимые для обеспечения того, чтобы ваш следующий оптический продукт работал в соответствии с проектом и чтобы любая схема фототранзистора обеспечивала желаемое поведение.

Если вы хотите узнать больше о том, какое решение у Cadence есть для вас, обратитесь к нам и нашей команде экспертов.

Решения Cadence PCB — это комплексный инструмент для проектирования от начала до конца, позволяющий быстро и эффективно создавать продукты. Cadence позволяет пользователям точно сократить циклы проектирования и передать их в производство с помощью современного отраслевого стандарта IPC-2581.

Подпишитесь на Linkedin

Посетите вебсайт

Больше контента от Cadence PCB Solutions

УЧИТЬ БОЛЬШЕ

9Конфигурации и применение фототранзисторов 0000 » Electronics Notes

Фототранзисторы используются во многих различных приложениях, и используемые схемы, как правило, имеют 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. Схемы фототранзисторов обычно относительно просты, особенно детектор требуется только для обнаружения наличия или отсутствия конкретного источника света.

Применение фототранзисторов

Благодаря простоте использования и возможности применения фототранзисторы используются во многих приложениях.

• Оптоизоляторы — здесь в качестве датчика света используется фототранзистор, излучатель света находится 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 освещается или прерывает луч света, который обнаруживает фототранзистор.
• Системы безопасности — фототранзистор можно использовать по-разному в системах безопасности, часто обнаруживая наличие луча света или его нарушение злоумышленником.
• Счетчики монет — фототранзистор может использоваться для подсчета монет и других приложений. Луч света прерывается каждый раз, когда монета или другой предмет проходит заданную точку. Количество прерываний луча равно количеству монет или предметов, которые нужно подсчитать.
• Многие другие . . .

Фототранзистор можно использовать в различных схемах и различными способами в зависимости от области применения. Будучи недорогим устройством, фототранзистор широко используется в электронных схемах, а также его легко интегрировать.

Конфигурация схемы фототранзистора

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 базовое подключение, то необходимо купить фототранзистор с базовым подключением.

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

Схема фототранзистора с общим эмиттером

Конфигурация схемы фототранзистора с общим эмиттером, возможно, является наиболее широко используемой, как и ее более обычная схема с прямым транзистором. Коллектор подключен к напряжению питания через нагрузочный резистор коллектора, а выход берется из соединения коллектора на фототранзисторе. Схема генерирует выходной сигнал, который переходит из состояния высокого напряжения в состояние низкого напряжения при обнаружении света.

Схема работает как усилитель. Ток, генерируемый светом, воздействует на базовую область. Это усиливается коэффициентом усиления по току транзистора в обычном режиме.

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 подключается к земле через нагрузочный резистор, а выход для схемы берется от эмиттерного соединения устройства. .

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

Схема фототранзистора с общим коллектором

Работа схемы фототранзистора

Схемы фототранзисторов можно использовать в одном из двух основных режимов работы. Они называются активным или линейным режимом и режимом переключения.

Работа в «линейном» или активном режиме обеспечивает реакцию, которая в очень широком смысле пропорциональна световому раздражителю. В действительности фототранзистор не дает особенно линейного выхода на входной стимул, и именно по этой причине этот режим работы правильнее называть активным режимом.

Работа схемы фототранзистора в ключевом режиме более широко используется ввиду нелинейного отклика фототранзистора на свет. Когда света мало или совсем нет, ток в транзисторе практически не течет, и можно сказать, что он находится в «выключенном» состоянии. Однако по мере увеличения уровня света начинает течь ток. В конце концов достигается точка, когда фототранзистор становится насыщенным, и уровень тока не может увеличиваться. В этом случае говорят, что фототранзистор насыщается. 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 чтения энкодеров и т. д.

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

Используя это предположение, можно использовать следующие уравнения:

Активный режим: Vcc > RL x Ic

Режим переключения: VCC < RL x Ic

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

Использование базового соединения в схемах фототранзисторов

На некоторых фототранзисторах доступно базовое соединение. Доступ к базовому соединению позволяет настроить условия схемы фототранзистора более подходящим образом для некоторых приложений.

Схема фототранзистора с общим эмиттером с использованием базового резистора

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

Основные концепции схем фототранзисторов довольно просты. Как правило, они требуют небольшой конструкции, хотя может потребоваться некоторая оптимизация, чтобы гарантировать минимизацию остаточного тока и в коммутационных приложениях, чтобы ток «выключения» был небольшим. Однако схемы, как правило, надежны и могут быть легко спроектированы.