Сдвоенный фототранзистор. Совершенствуем систему освещения, используя схему фотореле своими руками
Фототранзистор - оптоэлектронный полупроводниковый прибор, вариант биполярного транзистора. Отличается от классического варианта тем, что область базы доступна для светового облучения, за счёт чего появляется возможность управлять усилением электрического тока с помощью оптического излучения.
При освещении фототранзистора в его базе генерируется электронно-дырочные пары. Неосновные носители зарядов переходят в область коллектора и частично в область эмиттера. При этом потенциалы эмиттера и коллектора относительно базы изменяются. Эмиттерный переход смещается в прямом направлении, и даже небольшое изменение его потенциала вызывает большое изменение тока коллектора, то есть фототранзистор является усилителем. Ток коллектора освещенного фототранзистора оказывается достаточно большим - отношение светового потока к темновому велико (несколько сотен). Фототранзисторы обладают значительной большей, чем фотодиоды, чувствительностью - порядка сотни миллиампер на люмен. Биполярный фототранзистор подобен обычному биполярному транзистору, между выводами коллектора и базы которого включен фотодиод. Таким образом, ток фотодиода оказывается током фототранзистора и создает усиленный в n раз ток в цепи коллектора. Если на фототранзистор подается только электрический сигнал, его параметры почти не отличаются от параметров обычного транзистора.
Нарис схемку.
а) активный режим – на эмиттерный переход подано прямое напряжение, а на коллекторный переход – обратное;
б) режим отсечки – на оба перехода поданы обратные напряжения (транзистор заперт);
в) режим насыщения – на оба перехода поданы прямые напряжения (транзистор полностью открыт);
г) инверсный активный режим – напряжение на эмиттерном переходе обратное, на коллекторном – прямое.
Основные характеристики и параметры фототранзисторов.
Вольт-амперные характеристики фототранзистора напоминают выходные характеристики обычного транзистора в схеме ОЭ, но параметром здесь служит не ток, а световой поток Ф. Крутой начальный участок этих характеристик соответствует режиму насыщения: при малых Uкэ коллекторный переход, как и в биполярном транзисторе, за счет накопления дырок в коллекторе открывается. Наклон характеристик к оси абсцисс в их пологой части объясняется, так же как и для биполярного транзистора, эффектом модуляции ширины базы.
Энергетические характеристики фототранзисторов, как и фотодиода, линейны. С увеличением напряжения фототок несколько увеличивается вследствие модуляции ширины базы.
Спектральные характеристики аналогичны подобным характеристикам фотодиодов
Частотные свойства фототранзисторов определяются в основном диффузионным движением носителей в базе прибора и процессами заряда емкостей переходов. С увеличением частоты модуляции светового потока фототок уменьшается так же, как и в фотодиодах.
Параметры. Фототранзисторы; так же как фоторезисторы и фотодиоды, используются в качестве фотодетекторов - приборов для обнаружения и регистрации световых сигналов. Поэтому для характеристики работы фототранзистора в качестве фотодетектора используются те же параметры, что и для фоторезисторов: пороговый поток Фп, обнаружительная способность D и др.
Одним из важнейших параметров фототранзистора служит коэффициент усиления по фототоку фототранзистора - отношение фототока коллектора фототранзистора при отключенной базе к фототоку освещаемого р-п перехода, измеренному в диодном режиме.
Вольтовая чувствительность
Тоновая чувствительность фототранзистора - это отношение изменения электрического тока на выходе фототранзистора к изменению потока излучения при холостом ходе на входе и коротком замыкании на выходе по переменному току.
Фототранзистор и фотодиод - это электронные приборы, реагирующие на свет.
Фототранзисторы относятся к классу оптоэлектронных компонентов, также как фотодиоды, фоторезисторы и светодиоды .При попадании света на фототранзистор его ток увеличивается, что позволяет использовать фоторанзисторы в качестве датчиков света, которые одновременно с преобразованием светового сигнала в электрический усиливают последний.
Основой фототранзистора служит полупроводниковый монокристалл, который заключают в прозрачный защитный корпус, либо в корпус с прозрачным окном. Прозрачность корпуса обеспечивает доступность базы фототранзистора для светового облучения, за счёт чего появляется возможность управлять прохождением электрического тока с помощью света.
При отстутствии падающего на базу света через фототранзистор протекает незначительный ток, который обычно не превышает десятков наноампер (нА). Такой ток называют темновым током. Кроме величины темнового тока фототранзисторы характеризуются интегральной чувствительностью - отношением фототока к величине падающего света.
Фототранзисторы могут иметь три или два вывода, в последнем случае используется только коллектор и эмиттер. Подключение двухвыводного фототранзистора похоже на включение обычного фотодиода, которые также достаточно часто используют в качестве основы для фотодатчиков у роботов.
Фотодиод представляет собой диод, в котором обеспечена возможность воздействия света на полупроводниковый переход. Воздействие света вызывает напряжение на выводах фотодиода или протекание тока в цепи, в которую включен фотодиод.
 Обозначения фотодиодов на схемах |
В отличие от фототранзисторов, фотодиоды только преобразуют свет в электрический ток, но не усиливают его. Кроме того, фототранзисторы обладают большей, чем фотодиоды, чувствительностью - порядка сотни миллиампер на люмен.
Важной характеристикой фототранзисторов и фотодиодов является диапазон спектра, в котором они имеют наибольшую чувствительность. Помимо фототранзисторов, работающих в видимом диапазоне световых волн, достаточно распространенными являются фототранзисторы инфракрасного диапазона (ИК-фототранзисторы).
Фоторезисторы – полупроводниковые резисторы, сопротивление которых изменяется под воздействием электромагнитного излучения оптического диапазона.
Светочувствительный элемент у таких приборов представляет собой прямоугольную или круглую таблетку спрессованную из полупроводникового материала, или тонкий слой полупроводника, нанесённого на стеклянную пластинку - подложку. Полупроводниковый слой с обеих сторон имеет выводы для подключения фоторезистора в схему. На принципиальных схемах фоторезистор обозначается знаком резистора в кружке с боковыми стрелками.
Электропроводность фоторезистора зависит от освещенности. Чем ярче освещение прибора, тем меньше сопротивление фоторезистора и больше ток цепи.
Данные приборы используются в схемах автоматического регулирования.
Фотодиоды являются разновидностью полупроводниковых диодов. Пока фотоэлемент не освежён, запирающий слой препятствует взаимному обмену электронов и дырок между слоями полупроводника. При облучении свет проникает в слой «р» и выбивает из него электроны. Освободившиеся электроны проходят в слой «n» и там нейтрализуют дырки. Между выводами фотодиода возникает разность потенциалов, которая может быть усилена электронной схемой для включения устройств автоматики и телемеханики.
Из фотодиодов собираются батареи питания в быту и на космических кораблях.
Фототранзисторы - фотоэлементы, основой которого служат транзисторы. В данном фотореле освещения применён фототранзистор прямой проводимости. Для поступления светового потока на полупроводниковый кристалл крышка транзистора удаляется простым снятием кусачками.
Фотореле на рисунке выше служит для автоматического отключения или включения исполнительных устройств при изменении освещения.
Резистор R1,R2 и фототранзистор VT1 представляют делитель напряжения на базе транзистора VT2. При освещении фототранзистора VT1 напряжение на базе транзистора VT2 понижается, транзистор VT2 закрывается, а VT3 открывается.
Реле К1 срабатывает от прохождения тока и размыкает контакты К 1-2, питание нагрузки прекращается. Диод VD2 защищает транзистор VT3 от импульсных помех, которые возникают при переключениях тока в обмотке реле К1.
Контакты реле могут использоваться для переключений исполнительных устройств автоматики и телемеханики.
Резистором R1 устанавливается порог чувствительности, а R4 порог освещённости.
Светодиод HL1 индицирует включение питания и режим срабатывания реле К1. Конденсатор С1 устраняет срабатывание реле при наличии помех. Питание схемы реле стабилизировано аналоговой микросхемой DA1. Конденсаторы С2,С3 входят в сглаживающий фильтр. Диодный мост VD1 выбран на ток до 1 ампера и напряжение 50-100 Вольт.
Устройство снабжено выключателем электросети S1 и предохранителем F1.
Конструкция фототранзистора VT1 простая: удаляется «шапка» транзистора кусачками, транзистор приклеивается к гайке М.8,а гайка с транзистором к кусочку стекла и крепится на прибор.
|
Наименование |
Замена |
Количество |
Примечание |
||
|
Фототранзистор |
по рисунку |
||||
|
Транзистор |
|||||
|
Транзистор |
|||||
|
Резисторы |
Переменные тип-А |
||||
|
Конденсаторы |
Элекролиты |
||||
|
Стабилизатор |
Правильно собранное устройство должно работать сразу. При верхнем положении движка резистора R1 и среднем положении резистора R4,при подаче освещения на фототранзистор VT1 реле К1 должно срабатывать. Предварительно реле проверить прямым включением питания 12 вольт. Резистором R1 "подогнать" чувствительность фотореле при заданном освещении R4.
Список радиоэлементов
| Обозначение | Тип | Номинал | Количество | Примечание | Магазин | Мой блокнот |
|---|---|---|---|---|---|---|
| DA1 | Линейный регулятор | LM7812 | 1 | В блокнот | ||
| VT1, VT2 | Биполярный транзистор | МП42Б | 2 | В блокнот | ||
| VT3 | Биполярный транзистор | МП25Б | 1 | В блокнот | ||
| VD1 | Выпрямительный диод | 1N4005 | 4 | В блокнот | ||
| VD2 | Выпрямительный диод | 1N4007 | 1 | В блокнот | ||
| VD3 | Диод | КД512Б | 1 | В блокнот | ||
| С1 | 10 мкФ | 1 | В блокнот | |||
| С2 | Электролитический конденсатор | 1000 мкФ 16 В | 1 | В блокнот | ||
| С3 | Электролитический конденсатор | 100 мкФ | 1 | В блокнот | ||
| R1 | Переменный резистор | 100 кОм | 1 | В блокнот | ||
| R2 | Резистор | 1 кОм | 1 | В блокнот | ||
| R3 | Резистор | 3.3 кОм | 1 | В блокнот | ||
| R4 | Переменный резистор | 100 Ом | 1 | В блокнот | ||
| R5 | Резистор | 1.1 кОм | 1 | В блокнот | ||
| HL1 | Светодиод |
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 . 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.
Спектр
Кроме типа прибора у него еще есть рабочий спектр. Например, фотодетектор заточенный на инфракрасный спектр (а их большинство) практически не реагирует на свет зеленого или синего светодиода. Плохо реагирует на лампу дневного света, но хорошо реагирует на лампу накаливания и красный светодиод, а уж про инфракрасный и говорить нечего. Так что не удивляйся если у тебя фотодатчик плохо реагирует на свет, возможно ты со спектром ошибся.
Подключение
Теперь пора показать как это подключить к микроконтроллеру. С фоторезистором все понятно, тут заморочек нет никаких — берешь и подцепляешь как по схеме.
С фотодиодом и фототранзистором сложней. Надо определить где у него анод/катод или эмитер/коллектор. Делается это просто. Берешь мультиметр, ставишь его в режим прозвонки диодов и цепляешься на свой датчик. Мультиметр в этом режиме показывает падение напряжения на диоде/транзисторе, а падение напряжения тут в основном зависит от его сопротивления U=I*R. Берешь и засвечиваешь датчик, следя за показаниями. Если число резко уменьшилось, значит ты угадал и красный провод у тебя на катоде/коллекторе, а черный на аноде/эмитторе. Если не изменилось, поменяй выводы местами. Если не помогло, то либо детектор дохлый, либо ты пытаешься добиться реакции от светодиода (кстати, светодиоды тоже могут служить детекторами света, но там не все так просто. Впрочем, когда будет время я покажу вам это технологическое извращение).
 |
Теперь о работе схемы, тут все элементарно. В затемненном состоянии фотодиод не пропускает ток в обратном направлении, фототранзистор тоже закрыт, а у фоторезистора сопротивление весьма высоко. Сопротивление входа близко к бесконечности, а значит на входе будет полное напряжение питания aka логическая единица. Стоит теперь засветить диод/транзистор/резистор как сопротивление резко падает, а вывод оказывается посажен наглухо на землю, ну или весьма близко к земле. Во всяком случае сопротивление будет куда ниже 10кОмного резистора, а значит напряжение резко пропадет и будет где то на уровне логического нуля. В AVR и PIC можно даже резистор не ставить, вполне хватит внутренней подтяжки. Так что DDRx=0 PORTx=1 и будет вам счастье. Ну а обратывать это как обычную кнопку. Единственная сложность может возникнуть с фоторезистором — у него не настолько резко падает сопротивление, поэтому до нуля может и не дотянуть. Но тут можно поиграть величиной подтягивающего резистора и сделать так, чтобы изменения сопротивления хватало на переход через логический уровень.
Если надо именно измерять освещенность, а не тупо ловить светло/темно, то тогда надо будет подцеплять все на АЦП и подтягивающий резистор делать переменным, для подстройки параметров.
Есть еще продвинутый тип фотодатчиков — TSOP там встроенный детектор частоты и усилитель, но о нем я напишу чуть попозже.
З.Ы.
У меня тут некоторые запарки, поэтому сайт будет сильно тупить с обновлением, думаю это до конца месяца. Дальше надеюсь вернуться в прежний ритм.
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
где h 21б – 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 I ф и тока I к, инжектированных эмиттером электронов, дошедших к коллекторному переходу и втянутых его электрическим полем в область коллектора. При R к = 0, коэффициент усиления фототока равен
. (8.10)
Фототранзистор увеличивает чувствительность в h 21э +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 I з (ток затвора) создает падение напряжения на резисторе R з, 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.
