Fototransistorių grandinės dizainas ir funkcionalumas

Fototransistorius yra puslaidininkių įtaisas, skirtas paversti šviesą į elektrinę energiją, veikiančią panašiai kaip standartinis tranzistorius, tačiau su šviesa yra jo valdymo mechanizmas, o ne elektros srovė.Pirmą kartą William Shockley pasiūlė 1951 m., Fototransistoriai išsivystė į plačiai prieinamus ir prieinamus komponentus elektroninėse grandinėse.Laikui bėgant, jie buvo integruoti į įvairius įrenginius, kurie tarnavo kaip veiksmingi šviesos jutikliai įvairioms programoms.Šiame straipsnyje nagrinėjamos fototransistorių konstrukcijos, tipai, veikimas, pranašumai ir trūkumai, pateikiant išsamią šio elektroninio komponento supratimo apžvalgą.

Katalogas

Fototransistorių supratimas

Fototransistorius yra elektroninis komponentas, veikiantis kaip jungiklis ir srovės stiprintuvas, atsižvelgiant į šviesos ekspoziciją.Kai apšviečiamas fototransistoriaus pagrindas, jis sukuria proporcingą atvirkštinės srovės srautą.Skirtingai nuo įprastų tranzistorių, kuriuos kontroliuoja elektros srovė, fototransistoriai suaktyvina šviesą, todėl jie yra idealūs pritaikymams, kuriems reikalingas šviesos aptikimas ir virsmas į elektrinius signalus.Dėl didelio jų pelno ir įperkamumo jie plačiai naudojami įvairiose pramonės šakose.Jie veikia panašiai kaip fotorezistorius, tačiau, skirtingai nuo fotorezistorių, turi papildomą sugebėjimą generuoti srovę ir įtampą, o tai pirmiausia sukuria srovę dėl atsparumo pokyčių.

Fototransistoriai paprastai gaminami iš puslaidininkių medžiagų, įskaitant silicį, jautrią matomai ir infraraudonųjų spinduliams.Įrenginio bazinis gnybtas yra veikiamas šviesos, o ne reikalaujant, kad suaktyvintų elektrinę srovę, fototransistorius remiasi įeinančiais fotonais, kad moduliuotų dabartinį srautą.Įrenginio konstrukcija leidžia jam reaguoti į platų šviesos spektrą - nuo matomos radiacijos iki infraraudonųjų spindulių, todėl ji yra universali daugybei elektronikos ir jutimo technologijos pritaikymų.

Fototransistoriaus dizainas ir struktūra

Fototransistoriaus konstrukcija apima bipolinio jungiamojo tranzistorių (BJT), kurio bazinis regionas veikiamas šviesos.Įrenginys paprastai gaminamas dviem konfigūracijomis: P-N-P ir N-P-N, o dažniausiai naudojama bendra emitterio konfigūracija.Skirtingai nuo standartinio tranzistoriaus, fototransistorius pasižymi didesnėmis bazės ir kolektorių sritimis, kad padidintų jo jautrumą šviesai.

Istoriškai fototransistoriai buvo pastatyti naudojant atskiras puslaidininkines medžiagas, tokias kaip silicis ir germanis.Tačiau šiuolaikinėse versijose naudojamos tokios medžiagos kaip „Gallium Arsenide“, kad pagerintų efektyvumą.Fototransistorių sudaro trys terminalai: emiteris, kolekcininkas ir bazė.Nesant šviesos, maža srovė teka dėl termiškai sugeneruotų skylių elektronų porų, todėl per apkrovos rezistorių sukelia nedidelį įtampos kritimą.Kai šviesa smogia į sankryžą, padidėja srovės srautas, todėl amplifikacija.Tranzistoriaus kolektoriaus bazės sankryža yra ypač jautri šviesai, o jos veikimas labai priklauso nuo gaunamos šviesos intensyvumo.Tai lemia dabartinį pelną, kuris gali svyruoti nuo šimtų iki tūkstančių.

Skirtingų tipų fototransistorius

Fototransistoriai gali būti suskirstyti į du pagrindinius tipus: bipolinį jungties tranzistorių (BJT) ir lauko efekto tranzistorių (FET).

BJT fototransistorius

BJT fototransistorius veikia mažu nuotėkiu tarp kolektoriaus ir emiterio, jei nėra šviesos, paprastai apie 100N.Tačiau šviesos poveikis leidžia fototransistoriui valdyti daug didesnes sroves iki 50 mA.Ši didelė srovė išskiria BJT fototransistorių nuo fotodiodų, kurie gali valdyti tik daug mažesnius srovės lygius.

FET fototransistorius

FET fototransistorius veikia su dviem vidiniais gnybtais, kurie jungiasi per jo kolektorių ir emiteris arba šaltinis ir nutekėja FET atveju.Bazinis fototransistoriaus gnybtas reaguoja į šviesą, o tai reguliuoja srovės srautą tarp šių gnybtų.

Fototransistorinė grandinė

Fototransistoriaus veikimas grandinėje yra panašus į įprastą tranzistorių, sustiprinančią bazinę srovę, kad būtų sukurta kolektoriaus srovė.Tačiau fototransistoriaus bazinę srovę kontroliuoja šviesa, o ne išorinis elektrinis signalas.Tai leidžia fototransistoriams veikti kaip šviesai jautriems jungikliams ar stiprintuvams įvairiose programose.

Pagrindinėje grandinėje kolekcininko srovei įtakos turi šviesos lygis, patenkantis į pagrindinį gnybtą, o išėjimo įtampa atitinkamai svyruoja.Ši įtampa gali būti prijungta prie veikimo stiprintuvo, kad būtų padidintas signalas arba nukreipta tiesiai į mikrovaldiklį tolesniam apdorojimui.Fototransistoriai yra jautrūs įvairiems šviesos diapazonams, pradedant nuo UV iki artimos infraraudonųjų spindulių, o jų išėjimas priklauso ir nuo gaunamos šviesos intensyvumo, ir su jų veikiamos kolektoriaus bazės jungties savybėmis.

Charakteristikos ir eksploatavimo režimai

Fototransistoriai siūlo amplifikacijos galimybes.Baziniame terminale esančių fotonų susidarytų srovės kiekis gali būti sustiprintas per tranzistoriaus padidėjimą, o dabartinis padidėjimas svyruoja nuo 100 iki kelių tūkstančių.Palyginti su fotodiodais, fototransistoriai suteikia puikų jautrumą ir mažesnį triukšmo lygį.

Norint dar didesnį jautrumą, gali būti naudojamas fotodarlingtono tranzistorius.Šį tipą sudaro du tandeminiai tranzistoriai, kurie leidžia ypač didelę srovę padidinti iki 100 000 kartų.Tačiau „Photodarlington“ tranzistoriai reaguoja lėtesnį, palyginti su standartiniais fototransistoriais.Fototransistorinės grandinės veikia dviem pirminiais režimais: aktyviais ir jungiklių režimais.

Jungiklio režimas

„Switch“ režime fototransistorius elgiasi dvejetainiu būdu: kai nėra šviesos, nėra srovės srautų;Kai šviesa yra, srovė pradeda tekėti.Šis režimas dažniausiai naudojamas taisose, kai šviesos aptikimas suaktyvina įjungimo/išjungimo būseną.

Aktyvus režimas

Aktyvus ar linijinis režimas leidžia fototransistoriui proporcingai reaguoti į šviesos intensyvumą.Šiuo režimu dabartinis srautas didėja didėjant šviesos intensyvumui, užtikrinant tikslesnį valdymą programoms, kurioms reikalingas analoginis nuo šviesos iki srovės konversijos.

Našumo metrika fototransistoriaus pasirinkimui

Pasinaudojus tinkamo fototransistoriaus pasirinkimu, reikia nuodugniai ištirti įvairią veiklos metriką.Kiekviena metrika suteikia gerą prietaiso efektyvumo perspektyvą konkrečiam naudojimui, leidžiant išsamiai suprasti jų padarinius ir reikalaujamus sudėtingus balansus.

Specifikacijos

Svarbios specifikacijos apima:

• Kolekcininko srovė: Atspindi fototransistorinio gebėjimą tvarkyti elektros krūvio srautą, darantį įtaką įvairiai šviesai.

• Didžiausias bangos ilgis: Siūlo patarimus, kaip pasirinkti įrenginius, kurie labiausiai pritaikomi prie konkrečių šviesos šaltinių, kad būtų padidintas jautrumas.

• Suskirstymo įtampa: Suteikia įžvalgos apie prietaiso atsparumą elektros bangos, ypač naudingos aplinkose, kuriose nestabilus įtampos.

• Atsakymo laikas: Nustato, kaip greitai fototransistorius prisitaiko prie šviesos intensyvumo poslinkių, lemiamą greitą pritaikymą.

Projektavimo parametrai

Fototransistoriaus jautrumui daro įtaką jo konstrukcijose naudojamos medžiagos.Nors vienos medžiagos prietaisai, tokie kaip „Silicon“, siūlo nuo 50 iki kelių šimtų, prietaisai su keliomis medžiagomis (heterostruktūromis) gali pasiekti didesnį pelną, tačiau juos brangiau gaminti.Skirtingos medžiagos taip pat reaguoja į įvairius šviesos bangos ilgius, tokius kaip silicis (190–1100 nm), germanis (400–1700 nm) ir indio galio arsenidas (nuo 800 iki 2600 nm).

Be to, montavimo technologija vaidina svarbų vaidmenį fototransistoriaus funkcionalume.Paviršiaus montavimo technologija (SMT) ir per skylę (THT) dažniausiai naudojamos fototransistoriams pritvirtinti prie plokščių.Šie komponentai gali apimti filtrus, skirtus blokuoti nepageidaujamas šviesos ar antireflektyvines dangas, kad padidintų jautrumą.

Skirtumai tarp fotodiodo ir fototransistoriaus

Fotodiodai ir fototransistoriai, abu puslaidininkiniai įtaisai, paverčiantys šviesą į elektrinius signalus, vienareikšmiškai veikia skirtingose ​​programose.Fotodiodas yra įgudęs generuoti srovę apšvietimo metu, galintis pasigirti greito reagavimo laiku, todėl jis yra tinkamas pritaikymui, kur svarbus laiko nustatymo tikslumas, kaip ir didelės spartos nuskaitymo ar duomenų perdavimo sistemose.Tačiau jo jautrumas yra mažesnis, o tai gali apriboti jo naudojimą aplinkoje, kurioje šviesa.

Nors tiek fotodiodai, tiek fototransistoriai paverčia šviesą į elektrinius signalus, jie skiriasi keliais būdais.Fotodiodas sukuria srovę, kai veikiama šviesos, tačiau turi mažesnį jautrumą ir greitesnį atsako laiką, palyginti su fototransistoriumi.Priešingai, fototransistorius sukuria tiek srovę, tiek įtampą, didesnį jautrumą šviesai, todėl jis yra tinkamesnis mažo apšvietimo sąlygoms.Fototransistoriai dažniausiai naudojami programose, kuriose reikia amplifikacijos, pavyzdžiui, dūmų detektoriuose ar optiniuose imtuvuose, o fotodiodai geriau tinka saulės energijai ir šviesos matavimui.

Išskirtiniai fototransistorių bruožai

Spektrinis reagavimas ir ekonominis efektyvumas

Fototransistoriai yra švenčiami ekonomiškai efektyviam ir nuosekliam šviesos aptikimui plačiame spektriniame diapazone, nustatant juos kaip kuokštelius daugelyje programų.Jie parodo spektrinį reagavimą, kuris apima platesnį bangos ilgio spektrą nei įprasti fotodiodai.Ši savybė leidžia pritaikyti įvairiuose apšvietimo scenarijuose, padidindamas jų patrauklumą pramonės šakose, siekiančiose suderinti rezultatus su biudžeto aspektais.Jie dažnai randa vaidmenis vartojimo elektronikoje, kur egzistuoja finansiniai suvaržymai, tačiau prioritetas yra teikiamas veiklos efektyvumui.

Reakcijos laikas ir įrenginio dinamika

Žinomi dėl savo pritaikomo pobūdžio, fototransistoriai rodo vidutinio sunkumo reakcijos laiką, darydami įvairius padarinius įgyvendinimui.Galite dažnai įvertinti šiuos laikus pagal sistemos poreikius;Pavyzdžiui, aplinkoje, kurioje laipsniški šviesos svyravimai yra palaipsniui, naudingas fototransistorių laisvalaikis.Atvirkščiai, kai reikia skubiai analizuoti greitą optinių duomenų perėjimų IKE svarbūs IKE.Tai dažna patirtis, kad papildomos grandinės integravimas siekiant padidinti greitį gali palengvinti šiuos apribojimus, pateikiant elegantišką sprendimą.

Konstrukciniai dizainai ir elektros pritaikymas

Fototransistoriai yra daugybė konstrukcinių dizainų, pritaikytų atsižvelgiant į konkrečius fizinius ir veiklos kriterijus.Ši įvairovė sustiprina jų gebėjimą įterpti į sudėtingas sistemas, įskaitant tas, kurios turi erdvės apribojimus ar netradicines formas.Jų struktūrinį dizaino universalumą dar labiau sustiprina jų elektrinis panašumas į standartinius signalo tranzistorius, praplečiant jų pritaikomumą.Šis panašumas padeda sklandžiai pritaikyti grandinę, leidžiančią susipažinti su paprastais tranzistoriais įgyvendinti fototransistorius, be išsamaus peržiūros, tai liudija apie požiūrio efektyvumą ir efektyvumo pramonę.

Fototransistoriaus pranašumai ir apribojimai

Fototransistoriai siūlo daugybę pranašumų, įskaitant:

• Aukšta dabartinė karta, palyginti su fotodiodais

• Įperkamumas ir kompaktiškumas, todėl jie yra tinkami integruoti į kompiuterio lustus

• Greitas veikimas su beveik akimirksniu išėjimu

• Gebėjimas generuoti įtampą, skirtingai nei fotorezistoriai

Nepaisant jų pranašumų, fototransistoriai taip pat turi apribojimų:

• Silicio pagrindu pagaminti fototransistoriai negali valdyti daugiau nei 1000 V įtampų

• Jie yra jautrūs elektriniams bangoms, smaigaliams ir elektromagnetiniams trukdžiams

• Jų elektronų mobilumas yra mažesnis nei kitų komponentų, tokių kaip elektronų vamzdžiai

Fototransistorių naudojimas

Fototransistoriai praturtina įvairias technologines programas, apimančias nuo istorinių perforatorių kortelių skaitytojų iki pažangiausių saugumo sistemų, greitųjų kodavimo įrenginių, infraraudonųjų spindulių (IR) detektorių ir sudėtingų valdymo sistemų.Dėl būdingo sugebėjimo aptikti šviesą nepaprastai jautrumu, jie tampa sklandžiais daugybe šiuolaikinių elektronikos.Fototransistoriai naudojami įvairiose programose, įskaitant:

• „Punch-Card“ skaitytojai

• Apsaugos sistemos

• Koderiai, skirti matuoti greitį ir kryptį

• Fotoelektrinių kontrolės infraraudonųjų spindulių detektoriai

• Kompiuterio logikos grandinės

• Apšvietimo valdymo sistemos (pvz., Greitkelio žibintai)

• Skaičiavimo sistemos

Išvada

Fototransistoriai vaidina didelį vaidmenį aptinkant daugybę elektroninių prietaisų.Dėl jų universalumo, jautrumo ir ekonominio efektyvumo jie tampa būtini programose, pradedant dūmų aptikimu ir baigiant optinio jutimo sistemomis, išskiriant jas kaip vertingą šiuolaikinės elektronikos komponentą.