40) Фоторезисторы. Фотодиоды. Фототранзисторы. Особенности применения. Характеристики.
Фотоэлектронные (фотоэлектрические) приборы предназначены для преобразования световой энергии в электрическую.
Все полупроводниковые фотоэлектрические приборы основаны на внутреннем фотоэффекте — возбуждении атомов и росте концентрации свободных носителей заряда под воздействием светового излучения. При этом в полупроводнике растет проводимость, а на p-n переходах появляется ЭДС.
К фотоэлектронным приборам относятся фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы и фототиристоры.
Фоторезистор — это полупроводниковый фотоэлектрический прибор, сопротивление которого изменяется под действием светового излучения. На рис. 1 показана схема включения фоторезистора и его характеристики.
Рис.2. Схема включения фоторезистора (а), УГО (б), энергетическая (в) и вольт-амперная (г) характеристики фоторезистора.
Фоторезисторы, как и другие фотоэлектрические приборы, характеризуются световой характеристикой, т.е. зависимостью фототока , протекающего через прибор от светового потока . Она нелинейная и это является недостатком фоторезистора. ВАХ фоторезистора линейны, а их наклон зависит от величины светового потока.
Фоторезисторы могут работать и на переменном токе. Фоторезисторы являются самыми простыми и дешевыми фотоэлектрическими приборами.
Фотодиод — это полупроводниковый фотоэлектрический прибор, основанный на внутреннем фотоэффекте, содержащий один p-n переход и имеющий два вывода.
Фотодиоды могут работать в двух режимах: без внешнего источника электроэнергии (режим фотогенератора) и с внешним источником (режим фотопреобразователя). На рис. 2, а, б показаны схемы включения.
Излучающий диод (слева) должен быть включен в прямом направлении, а фотодиод — в прямом (режим фотогенератора) или в обратном направлении (режим фотопреобразователя).
ВАХ фотодиода в темноте не отличаются от ВАХ p-n перехода (рис. 2 г), а при освещении опускается вниз. Режиму фотопреобразователя соответствуют участки в третьем квадранте, а режиму фотогенератора — в четвертом.
Фотодиоды имеют большее быстродействие, чем фоторезисторы (работоспособны при частоте 1 гГц и выше), но менее чувствительны.
С целью повышения чувствительности вместо фотодиодов применяют фототранзисторы.
Фототранзистор — фотоэлектронный прибор, имеющий трехслойную структуру, как обычный транзистор, в котором ток зависит от освещения базы. Схема включения Рис. 3. Схема включения фототранзистора показана на рис. 3. Они имеют линейную световую характеристику, а выходные ВАХ аналогичны ВАХ обычного транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, но в качестве параметра вместо тока базы выступает световой поток. Чувствительность фототранзисторов достигает 1 А/лм. Параметры фототранзисторов существенно зависят от температуры.
41.Оптоволоконные датчики
Волоконно-оптические датчики (так же часто именующиеся оптические волоконные датчики) это оптоволоконные устройства для детектирования некоторых величин, обычно температуры или механического напряжения, но иногда так же смещения, вибраций, давления, ускорения, вращения (измеряется с помощью оптических гироскопов на основе эффекте Саньяка), и концентрации химических веществ. Общий принцип таких устройств в том, что свет от лазера (чаще всего одномодового волоконного лазера) или суперлюминесцентного оптического источника передается через оптическое волокно, испытывая слабое изменение своих параметров в волокне или в одной или нескольких брэгговских решетках, и затем достигает схемы детектирования, которая оценивает эти изменения.
волокно-оптические датчики обладают следующими преимуществами:
· Они состоят из электрически непроводящих материалов (не требуют электрических кабелей), что позволяет использовать их, например, в местах с высоким напряжением.
· Их можно безопасно использовать во взрывоопасной среде, потому, что нет риска возникновения электрической искры, даже в случае поломки.
· Они не подвержены электромагнитным помехам (EMI), даже вблизи разряда молнии, и сами по себе не электризуют другие устройства.
· Их материалы могут быть химически инертны, то есть не загрязняют окружающую среду, и не подвержены коррозии.
· Они имеют очень широкий диапазон рабочих температур (гораздо больше, чем у электронных устройств).
· Они имеют возможность мультиплексирования; несколько датчиков в одиночной волоконной линии может быть интегрировано с одним оптическим источником (см. ниже).
работа в жестких условиях, таких как зондирование в устройствах с высоким напряжением, или в СВЧ печах. Сенсоры на основе брэгговских решеток могут также быть использованы, например, для мониторинга условий, внутри крыльев самолетов, в ветровых турбинах, мостах, больших плотинах, нефтяных скважинах, и трубопроводах.
Фототранзистор. Принцип работы и схема включения
Фототранзистор представляет собой твердотельное полупроводниковое устройство с внутренним усилением, которое используются для обеспечения аналоговых или цифровых сигналов. Фототранзисторы используются практически во всех электронных устройствах, функционирование которых, так или иначе, зависит от света, например, детекторы дыма, лазерные радары, системы дистанционного управления.
Фототранзисторы способны реагировать не только на обычное освещение, но и на инфракрасное и ультрафиолетовое излучение. Фототранзисторы более чувствительные и создают больший ток по сравнению с фотодиодами.
Конструкция фототранзистора
Как известно, самым распространенным видом транзистора является биполярный транзистор. Фототранзисторы, как правило, биполярные устройства NPN типа.
Несмотря на то, что и обычные биполярные транзисторы достаточно чувствительные к свету, фототранзисторы дополнительно оптимизированы для более четкой работы с источником света. Они имеют большую зону базы и коллектора по сравнению с обычными транзисторами. Как правило, они имеют непрозрачный темный корпус с прозрачным окошком для света.
Большинство фототранзисторов производят из полупроводникового монокристалла (кремний, германий), хотя встречаются фототранзисторы, построенные и на основе сложных типов полупроводниковых материалов, например, арсенид галлия.
Принцип работы фототранзистора
Обычный транзистор состоит из коллектора, эмиттера и базы. В работе фототранзистора, как правило, вывод базы остается отключенным, так как свет генерирует электрический сигнал, позволяющий току протекать через фототранзистор.
При отключенной базе, коллекторный переход фототранзистора смещен в обратном, а эмиттерный переход — в прямом направлении. Фототранзистор остается неактивным до тех пор, пока свет не попадает на базу. Свет активирует фототранзистор, образуя электроны и дырки проводимости — носители заряда, в результате чего через коллектор — эмиттер протекает электрический ток.
Усиление фототранзистора
Диапазон работы фототранзистора напрямую зависит от интенсивности его освещения, поскольку от этого зависит положительный потенциал базы.
Базовый ток от падающих фотонов усиливается с коэффициентом усиления транзистора, который варьируется от нескольких сотен до нескольких тысяч единиц. Следует отметить, что фототранзистор с коэффициентом усиления от 50 до 100 более чувствителен, чем фотодиод.
Дополнительное усиление сигнала может быть обеспечено с помощью фототранзистора Дарлингтона. Фототранзистор Дарлингтона представляет собой фототранзистор, выход которого (эмиттер) соединен с базой второго биполярного транзистора. Схематическое изображение фототранзистора Дарлингтона:
Это позволяет обеспечить высокую чувствительность при низких уровнях освещения, так как это дает фактическое усиление равное усилению двумя транзисторами. Два каскада усиления может образовать коэффициент усиления до 100 000 . Однако необходимо учесть, что фототранзистор Дарлингтона имеет более медленную реакцию, чем обычный фототранзистор.
Основные схемы включения фототранзистора
Схема усилителя с общим эмиттером
В данном случае формируется выходной сигнал, который переходит из высокого состояния в низкое в момент освещения фототранзистора.
Данная схема получается путем подключения резистора между источником питания и коллектором фототранзистора. Выходное напряжение снимается с коллектора.
Схема усилителя с общим коллектором
Усилитель с общим коллектором формирует выходной сигнал, который при освещении фототранзистора, переходит из низкого состояния в высокое состояние.
Схема создается путем подключения резистора между эмиттером и минусом источника питания (земля). Выходной сигнал снимается с эмиттера.
В обоих случаях фототранзистор может быть использован в двух режимах, в активном режиме и в режиме переключения.
- Работа в активном режиме означает, что фототранзистор генерирует выходной сигнал пропорциональный степени его освещенности. Когда количество света превышает определенный уровень, фототранзистор насыщается, и выходной сигнал уже не будет увеличиваться, даже при дальнейшем увеличении освещения. Этот режим работы фототранзистора полезен в устройствах, где необходимо различить для сравнения два порога освещенности.
- Работа в режиме переключения означает, что фототранзистор в ответ на его освещение будет либо «выключен» (отсечка), либо включен (насыщенные). Этот режим полезен, когда необходимо получить цифровой выходной сигнал.
Изменяя сопротивление резистора нагрузки в цепи усилителя, можно выбрать один из двух режимов работы. Необходимое значение резистора может быть определено с помощью следующих уравнений:
- Активный режим: Vcc> R х I
- Переключатель режима: Vcc <R х I
Для работы в режиме переключения обычно используют резистор сопротивлением 5 кОм или выше. Выходное напряжение высокого уровня (лог.1) в режиме переключения будет равно напряжению питания. Выход низкого уровня (лог.0) должно быть не более 0,8 вольт.
Фотодиод и фототранзистор: в чем разница?
Фотодиоды являются двунаправленными светодетекторами, которые могут преобразовывать свет в электричество. Они часто применяются для детектирования света, измерения интенсивности света или для светодиодных дисплеев. Фотодиоды также используются в системах управления освещением, в системах автоматического регулирования яркости и в системах безопасности. Фотодиоды имеют высокую скорость реакции и могут детектировать свет в широком диапазоне длин волн.
Фототранзисторы являются более чувствительными к свету, чем фотодиоды, благодаря наличию у них дополнительной внутренней усилительной структуры. Они используются в качестве усилителей, если требуется усилить очень слабый световой сигнал. Фототранзисторы также применяются в автоматических системах с отключением инфракрасного излучения, системах автоматического управления освещением, в фотометрах и устройствах ночного видения.
Таким образом, как фотодиоды, так и фототранзисторы могут преобразовывать свет в электричество. Однако они имеют различные характеристики и свойства, что позволяет использовать их в различных сферах применения. Надеемся, что данная статья поможет более глубоко понять разные технологии фоточувствительных элементов и выбрать наиболее подходящий для ваших нужд.
Фотодиод: определение и работа
Определение фотодиода
Фотодиод — это источник тока, который генерирует свой собственный ток под воздействием света. Это электронное устройство, которое применяется в таких областях, как фотометрия, оптические коммуникации, системы видео и многих других.
Работа фотодиода
Фотодиод работает на основе принципа фотоэффекта, когда свет взимодействует с материалом, высвобождая электроны. Когда свет попадает на материал полупроводника в фотодиоде, энергия фотона передается электронам валентной зоны, и они переходят в зону проводимости, что создает генерацию тока в полупроводнике.
Как только свет попадает на активную область фотодиода, его проводимость увеличивается, что приводит к увеличению тока, протекающего через него. Ширина активной области в фотодиоде зависит от способа его изготовления, а также от материала, используемого в качестве полупроводника.
Фотодиоды могут быть светодиодными или несветодиодными, и они могут быть диффузионно-затравочными, PIN, Avalanche и другими. Каждый тип фотодиода имеет свои уникальные свойства, что делает его подходящим для определенных приложений в различных областях.
Определение и работа фототранзистора
Что такое фототранзистор?
Фототранзистор – это электронный прибор, который работает на основе фотоэффекта и позволяет преобразовывать световой поток в электрический сигнал.
Как работает фототранзистор?
Работа фототранзистора основана на использовании полупроводниковых материалов. Внутри прибора имеется транзистор, который усиливает электрический ток. Когда на фоточувствительный элемент поступает световой поток, происходит переход электронов из валентной зоны в зону проводимости.
Это приводит к изменению проводимости между эмиттером и коллектором транзистора, что в свою очередь приводит к изменению тока, который усиливается и используется как выходной сигнал.
Применение фототранзисторов
Фототранзисторы широко используются в различных областях, таких как фотоэлектрические устройства, лазеры, оптоэлектроника, системы безопасности.
Генерация электрического тока в фотодиоде
Фотодиод — это полупроводниковый элемент, работа которого основана на преобразовании энергии света в электрический ток. Фотодиод состоит из двух областей, называемых n-типом и p-типом, которые разделены p-n-переходом.
При освещении фотодиода световыми лучами, фотоэлектроны, содержащиеся в полупроводнике, начинают двигаться к p-n-переходу. При переходе фотоэлектронов через p-n-переход, электрическое поле, образуемое разностью зарядов в p- и n-областях, отводит электроны в сторону n-области.
При этом, у электронов появляется разность потенциалов и они начинают двигаться по направлению к клеммам фотодиода, создавая электрический ток. Этот ток пропорционален интенсивности света, падающего на фотодиод, что позволяет использовать фотодиоды для измерения яркости и детектирования световых сигналов.
Кроме того, фотодиоды широко применяются в фотоэлектронных устройствах, таких как фотонные датчики, оптические коммутаторы, оптические измерительные приборы и другие устройства, где требуется детектирование световых сигналов.
Генерация электрического тока в фототранзисторе
Фототранзисторы являются устройствами, которые преобразуют световую энергию в электрический ток. В отличие от фотодиодов, внутри фототранзистора есть каскад транзисторов, который позволяет усилить получаемый ток.
Когда свет падает на базу фототранзистора, генерируются неосновные носители заряда, которые диффундируют в эмиттер. При достаточно большом количестве фотонов, которые будут попадать на базу, можно получить значительный ток эмиттера. Именно для этого и необходима наличие усилительного каскада внутри фототранзистора.
Число выпущенных электронов зависит прежде всего от интенсивности света и материала, из которого изготовлен фототранзистор. Также важным параметром является спектр света, который попадает на устройство. Для лучшей работы фототранзистора желательно подбирать материал и конструкцию в зависимости от спектра света, который будет использоваться.
- Преимущества фототранзисторов:
- Большой уровень усиления тока;
- Малый размер и высокая чувствительность к свету;
- Хорошая линейность характеристик;
- Низкие шумы и высокая скорость отклика;
- Широкоспектральность работы, что может привести к смещению центра чувствительности в сторону вакуумного ультрафиолета или инфракрасной области спектра;
- Повышенная температурочувствительность, что может привести к дрейфу параметров при изменении температуры;
- Одним из основных недостатков фототранзисторов является также то, что они могут быть нарушены не только светом, но и шумами;
Чувствительность к свету фотодиода и фототранзистора
Фотодиод — это полупроводниковый прибор, который преобразует световой сигнал в электрический. Это осуществляется благодаря особенностям структуры прибора — на его поверхности располагается p-n переход, который является основным элементом фотодиода. Чувствительность фотодиода к свету определяется материалом, из которого изготовлен p-n переход.
Фототранзистор, в отличие от фотодиода, имеет три слоя полупроводников, благодаря чему его чувствительность к свету выше. При попадании света на кристалл сборщика в нем возникает результатом фотоэлектрического эффекта, генерирующего свободных электронов и дырок. Они затем проникают в базу транзистора и управляют током коллектора.
Общая тенденция заключается в том, что чувствительность фототранзистора к свету значительно выше, чем у фотодиода — в среднем в несколько раз. Это делает наиболее предпочтительным выбором таких приборов для многих приложений, где требуется более высокая точность и чувствительность.
Однако следует учитывать, что пик чувствительности фотодиода находится в ультрафиолетовой области спектра, тогда как у фототранзистора — в области видимого света. Также фототранзистор требует более сложной схемы подключения, в то время как фотодиод универсальнее и может использоваться в различных приложениях.
Применение фотодиодов в различных устройствах
Фотодиоды широко используются во множестве устройств, связанных с оптикой и электроникой. Например, в инфракрасных приемниках, зажиганиях газовых плит, системах безопасности и многих других.
Фотодиоды также находят применение в фотоэлементных измерительных устройствах. Они используются для измерения интенсивности света и вычисления оптических параметров различных материалов. Эти устройства используются в медицине, научных исследованиях и промышленности.
Кроме этого, фотодиоды применяются в оптоэлектронике, такой как световоды и считыватели штрих-кодов. Они способны чувствительно реагировать на изменения интенсивности света и преобразовывать его в электрический сигнал. Это позволяет им использоваться в системах автоматической идентификации и сканирования товаров.
Таким образом, фотодиоды играют важную роль в современной технологии и находят применение во многих областях жизни и промышленности.
Применение фототранзисторов в различных устройствах
Фототранзисторы являются важным элементом в многих электронных устройствах, где требуется изменять электрический ток в зависимости от интенсивности света, попадающего на прибор. Одним из преимуществ фототранзисторов перед фотодиодами является более высокая чувствительность к свету.
Один из основных применений фототранзисторов — это в качестве светомеров. Они могут использоваться в фотокамерах для измерения яркости сцены и регулировки экспозиции. А также в фототерапевтических устройствах для регулировки уровня света в соответствии с конкретным лечебным протоколом.
Фототранзисторы используются в системах безопасности и контроля доступа для обнаружения наличия препятствий на проходе и активации сенсорной системы сигнализации. В радиотехнических устройствах, таких как радары и измерительные приборы, фототранзисторы используются для измерения расстояния, скорости и других параметров объектов.
Недавно фототранзисторы стали широко применяться в LED-модуляторах света. Их чувствительность к свету позволяет эффективно регулировать яркость светодиодной подсветки в телевизорах и мониторах.
В заключение, фототранзисторы играют важную роль в широком спектре устройств, где требуется детектирование и регулировка уровня света. Их высокая чувствительность к свету и широкий диапазон применения делает их незаменимыми компонентами в современной электронике.
Фототранзистор: работа, использование, характеристики, плюсы и минусы
Фототранзистор — это преобразователь, способный преобразовывать световую энергию в электрическую. Такие параметры, как длина волн, выравнивание, интерфейсы и т. Д., Должны рассматриваться как более важные при разработке схемы.
Определение фототранзистора:
«Фототранзистор — это полупроводниковое устройство, способное определять уровни света и изменять ток, протекающий между эмиттером и коллектором, в зависимости от уровня получаемого света».
Как следует из названия, фототранзистор — это транзистор, который может воспринимать свет и изменять токи между выводами транзистора.
В целом транзисторы светочувствительны. Это свойство транзисторов используется в фототранзисторах. Фототранзистор типа NPN является одним из таких типов. фототранзистор
Здесь в фототранзисторе свет, падающий на базу, вытесняет напряжение, фактически приложенное к базе, поэтому фототранзистор усиливает диспропорции в соответствии со световым сигналом. Фототранзисторы могут иметь или не иметь в себе базовый вывод. Если он присутствует, базовая область позволяет ему смещать световые воздействия фототранзистора.
- Этот тип транзистора управляется воздействием света. Это похоже на фотодиод, управляющий BJT.
- Фототранзистор может быть любого типа, например, BJT или FET.
- Эти типы транзисторов обычно покрыты пластиковыми материалами, и одна из частей остается открытой или прозрачной для света.
Символ фототранзистора:
Примеры фототранзисторов:
- КДТ00030ТР
- PS5042
- ОП506А, ОП550А, ОП506Б
- ТЕКТ5400С, ТЕМТ1030
- SFH314-2 / 3, SFH 325 FA-Z
- QSE113E3R0
- BPW17N, BPV11F, BPW85C и т. Д.
Принцип работы фототранзистора
Выход фототранзистора снимается с вывода его эмиттера; следовательно, световые лучи попадают в базовую область.
Фототранзистор может быть трех- или двухконтактным в соответствии с нашими требованиями. База фототранзистора используется только для смещения. Для транзистора NPN база сделана + ve по отношению к выводу эмиттера, а в транзисторе PNP вывод коллектора сделан отрицательным по отношению к выводу эмиттера.
Сначала световой луч входит в базовую область фототранзистора и генерирует пары электронных дырок. Этот процесс в основном происходит при обратном смещении. Активная область транзистора этого типа используется для генерации тока. Область отсечки и насыщения используются для работы конкретного транзистора в качестве переключателя.
- Интенсивность фототока будет больше при более высоком усилении постоянного тока.
- Светочувствительность определяется отношением фотоэлектронных токов к падающим световым потокам.
- Если длина волны увеличивается, частота уменьшается.
- Если площадь перехода коллектор-база становится шире, амплитуда фототока, создаваемого фототранзистором, будет выше.
Характеристики фототранзистора:
Здесь ось X — это VCE— обозначает напряжение, приложенное к выводу коллектор-эмиттер, а ось Y — IC — обозначает ток коллектора, который проходит через цепь в мА.
Как мы можем видеть, кривая ясно показывает, что ток увеличивается с интенсивностью излучения, которое находится в базовой области. Здесь ось X обозначает уровень освещенности, а по оси Y на ней нанесен базовый ток.
Преимущества фототранзистора:
- КПД этого типа транзистора больше, чем у фотодиода. Коэффициент усиления по току транзистора также больше по сравнению с фотодиодом; даже если падающий свет такой же, фототранзистор будет производить больше фототока.
- По сравнению с фотодиодом время отклика фототранзистора больше. Таким образом, это означает, что этот тип транзистора имеет более быстрое время отклика.
- Фототранзисторы невосприимчивы к любым шумовым помехам.
- Фототранзисторы дешевле.
- Схема транзистора этого типа менее сложна.
Недостатки фототранзистора:
- Эффективность фототранзистора уменьшается из-за электромагнитного поля.
- На более высоких частотах фототранзисторы не работают должным образом. Из-за этой проблемы он не может эффективно преобразовывать фототок на высокой частоте.
- Электрические шипы случаются часто.
Применение фототранзистора:
- Фототранзисторы используются в счетных системах.
- Этот тип транзисторов используется в вычислительной системе.
- Этот тип транзистора может использоваться для генерации переменного напряжения.
- Эти типы транзисторов используются в.
- Благодаря высокой эффективности преобразования света в ток они широко используются в удаленных печатных машинах.
- Наиболее важным применением этого типа транзистора является его использование в качестве детектора света. Он также может обнаруживать очень мало света.
- Они также играют важную роль в изготовлении перфокарт.
- Этот тип транзисторов является важным оптоэлектронным устройством, которое также используется в оптических волокнах.
Почему фототранзистор имеет обратное смещение?
Фотодиоды подключаются с обратным смещением, чтобы уменьшить площадь зарядов и уменьшить емкость на переходах. Это позволяет увеличить пропускную способность. Свет действует как яB, поэтому в фототранзисторе NPN на коллекторе будет положительное напряжение резистивной нагрузки, а на эмиттере — заземленное. Кредит изображения: Викимедиа, Амапето, Обычный фототразистор против соляристора, CC BY-SA 4.0