Fototranzystory - co warto o nich wiedzieć?
| TechnikaFototranzystory to komponenty czułe na światło. Są obok fotodiod, z którymi się je najczęściej porównuje, popularnymi detektorami optycznymi. W artykule przedstawiamy ich budowę, parametry oraz układy pracy.
Fototranzystory to tranzystory, w których po naświetleniu obszaru bazy, w zależności od natężenia światła, zmienia się prąd kolektora. By było to możliwe, w obudowie umieszcza się przezroczyste okienko, przez które obszar światłoczuły jest oświetlany i soczewkę, która skupia światło.
Chociaż wszystkie tranzystory wykazują taką właściwość, fototranzystory są specjalnymi komponentami o konstrukcji, którą zoptymalizowano pod kątem czułości na światło. Żeby ją polepszyć, zwiększa się powierzchnię złącza baza-kolektor w porównaniu z tą w zwykłych tranzystorach. To poprawia sprawność konwersji światła na prąd. Oprócz tego kontakty rozmieszcza się tak, aby do obszaru światłoczułego docierała maksymalna ilość światła.
Złącze pn może być wykonane jako homo- lub heterozłącze. W pierwszym przypadku wykorzystuje się jeden materiał, zazwyczaj krzem lub german. Heterostruktury natomiast wykonuje się z różnych materiałów po obu stronach złącza pn, przeważnie półprzewodników z grup III–V, na przykład arsenku galu. Fototranzystory z heterozłączem mają lepsze parametry (wzmocnienie rzędu kilku tysięcy w porównaniu ze wzmocnieniem od kilkudziesięciu do kilkuset w przypadku homozłączy), ale te z homozłączem są tańsze. Tytułowe komponenty są przeważnie wykonywane jako tranzystory bipolarne typu npn albo pnp.
Główne parametry fototranzystorów
Prąd kolektora jest miarą czułości i określa maksymalne dopuszczalne obciążenie fototranzystora. W przypadku przekroczenia tej wartości może dojść do uszkodzenia fototranzystora. Prąd bazy jest wprost proporcjonalny do natężenia światła. Jeżeli rozmiar tego obszaru fototranzystora zostanie podwojony, ilość generowanego fotoprądu również zwiększy się dwukrotnie. Ważny parametr to również długość fali, przy której fototranzystor jest najbardziej czuły.
Napięcie przebicia między kolektorem a emiterem to maksymalne dopuszczalne napięcie na tym złączu. Typowo napięcie przebicia kolektor-emiter jest rzędu kilkudziesięciu woltów, a emiter-kolektor kilku woltów. Ich przekroczenie powoduje trwałe uszkodzenie fototranzystora.
Prąd ciemny to natomiast prąd o niewielkim, mierzonym w miliamperach, natężeniu, który płynie przez fototranzystor nawet wtedy, gdy jego baza nie jest oświetlona. Jest to prąd upływu złącza kolektor-baza zwiększony przez wzmocnienie prądowe tranzystora. Rośnie wraz z temperaturą. Istotne parametry fototranzystorów to również: czas reakcji na zmianę natężenia światła i liniowość charakterystyki prądu kolektora w funkcji natężenia światła.
Układy pracy
W fototranzystorze, jak w zwykłym tranzystorze bipolarnym, prąd wyjściowy, czyli prąd kolektora, jest równy prądowi wejściowemu, tj. prądowi bazy, pomnożonemu przez wewnętrzne wzmocnienie. Dzięki temu ostatniemu prąd bazy zależny w fototranzystorze od natężenia światła, a przez to o dość małym natężeniu, zostaje silnie wzmocniony. Typowo w porównaniu z fotoprądem fotodiod prąd wyjściowy fototranzystorów jest 50 do 100 razy większy.
Działanie fototranzystora można zobrazować przez analogię do pracy zwykłego tranzystora bipolarnego z fotodiodą podłączoną do jego bazy (rys. 1). Wówczas jego prądem wejściowym jest fotoprąd, który jest generowany przez fotodiodę, dla którego tranzystor zapewnia bardzo duże wzmocnienie. Dzięki temu w przypadku fototranzystorów, inaczej niż dla fotodiod, które zazwyczaj pracują w układzie ze wzmacniaczem transimpedancyjnym, nie jest wymagany dodatkowy wzmacniacz.
Zamiast tego pracują one w konfiguracjach typowych dla wzmacniaczy bipolarnych. Popularne są układy wspólnego emitera oraz wspólnego kolektora. Ze względu na swoją specyfikę mają różne zastosowania. Fototranzystory najczęściej pracują w układzie wspólnego emitera (rys. 2), w którym po naświetleniu bazy wyjście przełącza się ze stanu wysokiego na niski. W układzie wspólnego kolektora (rys. 3) natomiast następuje przełączenie odwrotne, ze stanu niskiego na wysoki.
Fotodarlington
Czasem w fototranzystorach dostępne jest też wyprowadzenie bazy (rys. 4). Pozwala ono lepiej skonfigurować obwód do potrzeb pewnych zastosowań. Przykładowo odpowiednio duża wartość rezystancji opornika Rb na rysunku 4 zapobiega wzrostowi prądu kolektora przy niskim poziomie światła, zapewniając stabilniejsze wyjście cyfrowe.
Tytułowe komponenty mogą również pracować w układzie fotodarlingtona. W takiej konfiguracji fototranzystory tworzą standardowy układ Darlingtona, w którym emiter tranzystora wejściowego, który pełni funkcję fotodetektora, jest podłączony do bazy tranzystora wyjściowego, a ich kolektory są zwarte (rys. 5). Zwiększa to wzmocnienie (wypadkowe wzmocnienie pary tranzystorów jest równe iloczynowi ich wzmocnień) i czułość.
Niestety pasmo przenoszenia układu fotodarlingtona jest mniejsze niż pojedynczego fototranzystora (czasy narastania i opadania wynoszą typowo dziesiątki do setek mikrosekund w porównaniu do kilku mikrosekund w przypadku pojedynczych fototranzystorów). By je zwiększyć, w fototranzystor wyjściowy, pomiędzy jego bazę a emiter, włącza się rezystor. Dodatkowo zapobiega on załączaniu fototranzystora wyjściowego przez prąd upływu fototranzystora wejściowego.
Przykłady
Fototranzystory pracują w jednym z dwóch trybów: przełączania lub aktywnym. W drugim wyjście zmienia się proporcjonalnie do natężenia światła, a w pierwszym między stanami włącz/wyłącz. Na rysunkach 5–7 zebrano przykładowe zastosowania fototranzystorów.
Na rysunku 5 przedstawiono obwód przekaźnika sterowanego światłem. Kiedy na fototranzystor T1 pada wystarczająca ilość światła, włącza się on i doprowadza prąd do bazy fototranzystora T2. Załączenie T2 zasila przekaźnik. Dzięki drobnym modyfikacjom obwodu przekaźnika sterowanego światłem można zrealizować przekaźnik załączany przy spadku natężenia oświetlenia (rys. 6). Wówczas fototranzystor T1 zostaje wyłączony. To polaryzuje fototranzystor T2 w taki sposób, że przekaźnik jest zasilony. Z wykorzystaniem fototranzystorów można też zrealizować prosty system fotokomórki (rys. 7). Dopóki światło pada na fototranzystor, jest on załączony, a bramka tyrystora jest w stanie niskim. Dlatego pozostaje on wyłączony. Kiedy, w razie przerwania strumienia świetlnego między jego nadajnikiem a fototranzystorowym detektorem, fototranzystor wyłącza się, tyrystor się załącza. To aktywuje alarm, który można zresetować za pomocą przycisku.
Fototranzystory a fotodiody
Wewnętrzne wzmocnienie jest ważną zaletą fototranzystorów w porównaniu z fotodiodami. Mimo to jednak te pierwsze nie dorównują drugim popularnością. Wynika to stąd, że fototranzystory pod względem kluczowych właściwości jednak fotodiodom ustępują.
Taką jest ograniczona liniowość charakterystyki prądu wyjściowego fototranzystorów w funkcji natężenia oświetlenia. Dyskredytuje je ona w wielu zastosowaniach poza tymi, w których detektor optyczny powinien jedynie przełączać się między dwoma stanami w obecności i przy braku światła.
Ponadto fotodiody mają szersze pasmo przenoszenia, dzięki czemu lepiej się sprawdzają przy większych częstotliwościach przełączania niż fototranzystory, w przypadku których parametr ten jest ograniczony pojemnością złącza kolektor- baza (w przypadku fototranzystorów z homozłączem typowa szerokość pasma przenoszenia wynosi kilkaset kHz, a z heterozłączem – pojedyncze GHz).
Poza tym ich właściwości w większym stopniu zależą od temperatury niż właściwości fotodiod, co stanowi problem w elektronice samochodowej czy sprzęcie wojskowym. W porównaniu z fotodiodami lawinowymi fototranzystory mają jednak mniejszy poziom szumów.
Monika Jaworowska
