Фототранзисторы: принцип действия, основные режимы. Оптические датчики. Фоторезисторы в схемах на МК Как сделать фоторезистор из транзистора

Фоточувствительные приборы используются в разных отраслях электроники и радиотехники. Все больше сейчас применяется фототранзистор, у которого более простой принцип работы, нежели у фотодиодов.

Что это такое и где применяется

Фототранзистор – это полупроводниковый прибор оптоволоконного типа, который используется для управления электрическим током при помощи определенного оптического излучения. Эти устройства разработаны на базе обычного транзистора. Их современными аналогами являются фотодиоды, но фототранзисторы лучше подходят для многих современных радио и электронных приборов. По принципу действия, они напоминают также фоторезисторы.

Фото – фототранзистор

В отличие от фотодиодов, у этих полупроводников более высокая чувствительность.

Где используется фототранзистор :

1. Охранные системы (в основном, используются ИК-фототранзисторы);
2. Кодеры;
3. Компьютерные логические системы управления;
4. Фотореле;
5. Автоматическое управление освещения (здесь также используется инфракрасный фото-полупроводник);
6. Датчики уровня и системы подсчета данных.

Нужно отметить, что из-за диапазона Вольт гораздо чаще в подобных системах используются фотодиоды, но фототранзисторы имеют несколько существенных преимуществ :

1. Могут производить больший ток, чем фотодиоды;
2. Эти радиодетали сравнительно очень дешевые;
3. Могут обеспечить мгновенный высокий ток на выходе;
4. Главным достоинством приборов является то, что они могут обеспечить высокое напряжение, чего, к примеру, не сделают фоторезисторы.

При этом данный аналог светодиода имеет существенные недостатки , что делает фототранзистор довольно узкоспециализированной деталью:

1. Многие полупроводниковые устройства выполнены из силикона, они не способны обрабатывать напряжение свыше 1000 вольт.
2. Данные радиодетали очень чувствительны к перепадам напряжения в локальной электрической сети. Если диод не перегорит от скачка напряжения, то транзистор, скорее всего, не выдержит испытания;
3. Фототранзистор не подходит для использования в лампах из-за того, что не позволяет быстро двигаться направленным заряженным частицам.

Принцип работы

Фототранзистор работает так же, как и транзистор, где ток направляется к коллектору, ключевым отличием является то, что в данном приборе, электроток контролируется только двумя активными контактами.

Фото – простой фототранзистор

В простой схеме, при условии, что ничего не подключено к фототранзистору, базовый ток регулируется при помощи определенного оптического излучения, которое определяет коллектор. Электроток попадает на полупроводник только после резистора. Таким образом, напряжение на приборе будет двигаться от высокого к низкому, в зависимости от уровня оптического излучения. Для усиления сигнала можно подключить устройство к специальному оборудованию. Выход фототранзистора зависит от длины волны падающего света. Этот полупроводник реагирует на свет в широком диапазоне волн в зависимости от спектра работы. Выход фототранзистора определяется площадью открытой переходной коллектор-базы и постоянного тока усиления транзистора.

Фототранзистор бывает разного типа действия, про это говорят основные схемы включения устройства. Виды прибора:

1. Оптический изолятор (напоминает по принципу трансформатор, у которого входы заблокированы при помощи электрических контактов);
2. Фотореле;
3. Датчики. Применяются в охранных системах. Это активные приборы, излучающие свет. При формировании и выделении определенного импульса, полупроводниковый прибор сразу же рассчитывает силу его возвращения. Если сигнал не вернулся или вернулся с другой частотой, то срабатывает сигнализация (как в охранных системах ИК).

Маркировки и основные параметры

Фототранзисторы, которые управляются внешними факторами, имеют обозначение аналогичное обычным транзисторам. На рисунке ниже Вы можете видеть, как такой датчик схематически показывается на чертеже.

Фото – обозначение транзисторов

При этом VT1, VT2 – это фототранзисторы и база, а VT3 – без базы (например, из мышки). Обратите внимание, цоколевка показана также, как у обычных транзисторов.

Вместе с прочими приборами полупроводникового типа (n-p-n), использующимися для трансформации излучения, эти устройства являются оптронами. Соответственно, их можно изобразить как светодиод в корпусе либо как оптроны (с двумя стрелками, находящимися под углом 90 градусов к базе коллектора). Усилитель на большинстве таких схем обозначается так же, как и база коллектора.

Основные характеристики фототранзисторов LTR 4206E, ФТ 1К и ИК-SFH 305-2/3:

При этом светосинхронизатор ФТ 1 выполнен из кремния, что дает ему явное преимущество – долговечность и устойчивость к перепадам напряжения. ВАХ представляют собой формулу:

Фото – формула ВАХ

Расчет производится так же, как и у биполярных транзисторов.

В зависимости от потребностей, Вы можете купить фототранзистор SMD PT12-21, КТФ-102А или LTR 4206E (перед тем, как взять деталь, нужно проверить её работоспособность). Цена от 3 рублей до нескольких сотен.

Видео: как проверить работу фототранзистора

Пример использования

Если Вы хотите своими руками сделать устройство, для которого необходим фототранзистор, можно разработать простую интеллектуальную систему. Робот по этой схеме будет реагировать на свет, в зависимости от настройки, он будет от него убегать или наоборот, выходить на источник освещения.

Чтобы самому сделать робота, необходимо приготовить:

1. Микросхему L293D;
2. Небольшой моторчик, можно взять даже от детской игрушки;
3. Любые отечественные фототранзисторы и полевые резисторы с сопротивлением на менее 200 Ом;
4. Кабеля для соединения и корпус, где будет расположен механизм.

Схема робота

Как видно по схеме, фототранзистор здесь – это своеобразный микроконтроллер, как ATMEGA, который определяет источник света, даже его подключение аналогично. Вы можете при использовании паяльника сделать простой механизм, который будет следовать даже за тенью. Подобные импортные приборы выпускает компания BEAM, но, естественно, там более мощная оптопара. Для работы устройства Вам нужно только правильно подключить фототранзистор к схеме и питанию.

На обозначении есть пункты GDR и VCC. Первое – это заземление, второе – питание. Обратите внимание, рядом с питанием стоит значок 5В – это значит, что батарея должна быть минимум на 5 вольт.

Принцип действия такого робота прост: когда свет попадает на фототранзистор, на микросхеме происходит включение мотора. Это реализуется, потому что приемник подал положительный сигнал. Заводится самодельный мотор и прибор начинает двигаться.

Использование резистора в этой схеме необходимо для регулировки электрического тока. Также от сопротивления резистора зависит долговечность оптической детали, если он перегреется – то фототранзистору потребуется замена. Для работы очень важно подключить все провода также, как и на схеме. Выключатель к роботу можно приделать от обычной шариковой ручки, он будет разрывать связь между микросхемой и фототранзистором. Проверка робота производится путем исследования его реакции на свет и тень.

Одним из основных элементов автоматики в уличном освещении, наряду с таймерами и датчиками движения, является фотореле или сумеречное реле. Назначение данного аппарата - автоматическое подключение полезной нагрузки, при наступлении темного времени суток, без участия человека. Это устройство также получило огромную популярность благодаря своей дешевизне, доступности и простоте подключения. В данной статье мы подробно разберем принцип работы сумеречного выключателя и нюансы его подключения, а также расскажем, как сделать фотореле своими руками. Это не отнимет много времени и сил, зато вам будет приятно пользоваться самостоятельно собранным устройством.

Конструкция реле

Основным элементом реле является фотодатчик, в схемах могут применяться , диоды, транзисторы, фотоэлектрические элементы. При изменении освещенности на фотоэлементе соответственно изменяются и его свойства, такие как сопротивление, состояния P-N перехода в диодах и транзисторах, а также напряжения на контактах фоточувствительного элемента. Далее сигнал усиливается и происходит переключение силового элемента, коммутирующего нагрузку. В качестве выходных управляющих элементов используют реле или симисторы.

Почти все покупные элементы собраны по схожему принципу и имеют два входа и два выхода. На вход подается сетевое напряжение 220 Вольт, которое, в зависимости от установленных параметров, появляется и на выходе. Иногда фотореле имеет всего 3 провода. Тогда ноль – общий, на один провод подается фаза, и при нужной освещенности она соединяется с оставшимся проводом.

При необходимо ознакомится с инструкцией, обратить особое внимание на максимальную мощность подключаемой нагрузки, тип ламп освещения (накаливания, газоразрядные, светодиодные лампочки). Важно знать, что реле освещения с тиристорным выходом не смогут работать с энергосберегающими лампами, а также с некоторыми видами из-за конструктивных особенностей. Этот нюанс необходимо учитывать, чтобы не повредить оборудование.

Давайте рассмотрим несколько схем для самостоятельной сборки сумеречного выключателя в домашних условиях. Для примера разберем, как сделать симисторный ночник с фотоэлементом.

Инструкция по сборке

Это самая элементарная схема фотореле из нескольких деталей: симистора Quadrac Q60, опорного резистора R1, и фото элемента ФСК:

При отсутствии света симисторный ключ открывается полностью и лампа в ночнике светит в полный накал. При увеличении освещенности в помещении происходит смещение напряжения на управляющем контакте и меняется яркость светильника, вплоть до полного затухания лампочки.

Обратите внимание, что в схеме присутствует опасное для жизни напряжение. Подключать и тестировать ее необходимо с особой аккуратностью. А готовое устройство обязательно должно быть в диэлектрическом корпусе.

Следующая схема с релейным выходом:

Транзистор VT1 усиливает сигнал с делителя напряжения, который состоит из фоторезистора PR1 и резистора R1. VT2 управляет электромагнитным реле К1, которое может иметь как нормально разомкнутые, так и нормально замкнутые контакты, в зависимости от назначения. Диод VD1 шунтирует импульсы напряжения во время отключения катушки, защищая транзисторы от выхода из строя из-за бросков обратного напряжения. Рассмотрев данную схему, можно обнаружить, что ее часть (выделенная красным) по функционалу близка к готовым сборкам релейного модуля для ардуино.

Слегка переделав схему и дополнив ее одним транзистором и солнечным фотоэлементом от старого калькулятора, был собран прототип сумеречного выключателя - самодельное фотореле на транзисторе. При освещении солнечного элемента PR1, транзистор VT1 открывается и подает сигнал на выходной релейный модуль, который переключает свои контакты, управляя полезной нагрузкой.

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.

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.

Фототранзисторы. 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 , 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.