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

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.

Фотоэлектрическими приборами называют электронные приборы, способные изменять те или иные свои характеристики под действием света. Значение этих устройств практически во всех областях радиотехники и электроники переоценить сложно, поэтому сегодняшнюю беседу посвятим им.

Фоторезисторы. В принципе, название прибора говорит само за себя — они под действием света изменяют свое сопротивление. Обычно затемненный резистор имеет сопротивление порядка 1 – 200 МОм, при освещении эта цифра уменьшается на 2-3 порядка. Главное преимущество фоторезистора – практически линейная зависимость сопротивления от освещенности, поэтому их удобно использовать в аналоговых приборах – датчиках и измерителях освещенности.

Недостатки же фоторезисторов следующие: достаточно высокие сопротивления (как темновое, так и световое), с которыми не всегда удобно работать. К примеру, ТТЛ микросхемы цифровой техники напрямую не смогут управляться таким резистором – слишком «грубые» их входы не смогут работать с делителями, собранными на сопротивлениях большого номинала:

На это способны только микросхемы КМОП, собранные на полевых транзисторах. Следующий недостаток – достаточно низкая (по сравнению, конечно, с другими типами фотоэлементов) чувствительность. И главный недостаток, который делает применение фоторезисторов в цифровой технике нецелесообразным – низкая скорость реакции на свет. При частоте световых импульсов выше килогерца форма электрического сигнала на фоторезисторе неудовлетворительна, а если увеличить частоту еще, то резистор вообще перестанет видеть, что свет «мигает».

Если вспомнить, на каких частотах работает сегодняшняя цифровая техника, то будет очевидно, что фоторезистор в качестве «глаз» для цифрового устройства – плохой вариант. Фоторезистор – прибор неполярный, а потому следить за тем, какой вывод куда подключать, надобности нет.

Фотодиоды. Этот полупроводниковый прибор по своим характеристикам очень напоминает диод обычный, поэтому следить за полярностью его включения придется.

При обратном включении (на катод подается «плюс» источника питания) фотодиод ведет себя так же, как фоторезистор, но в отличие от последнего имеет гораздо более низкое световое сопротивление и в состоянии выдерживать приличный ток. Это позволяет управлять мощными транзисторами и ТТЛ микросхемами напрямую, без дополнительных усилителей:

Еще одно достоинство фотодиода – достаточно высокая скорость реакции, благодаря чему эти приборы широко используются для передачи цифровой информации. Компьютерная ИК-связь, пульты ДУ для радио – и телеаппаратуры – все это фотодиоды. По диапазону чувствительности фотодиоды различают на инфракрасные и приборы видимого излучения. Первые «видят» в основном ИК-излучение и мало чувствительны к видимому участку излучения, вторые наоборот – хорошо видят тот свет, который видит и наш глаз, но «слеповаты» в ИК-диапазоне.

И еще одно интересное свойство фотодиода – при прямом включении он способен работать как генератор. Если осветить фотодиод, то на его выводах появится напряжение. Его можно усилить, если прибор работает как датчик света, а можно использовать и для питания аппаратуры, соединив множество светодиодов в солнечную батарею.

Фототранзистор. По сути это обычный транзистор, но без крышки в буквальном смысле. Крышка, закрывающая кристалл прибора, конечно, есть, но она выполнена из прозрачного материала и видимый свет может попадать на кристалл. Для чего? Прежде всего, вспомним, .

Подавая на базу некоторое напряжение, можно управлять сопротивлением перехода эмиттер-коллектор. Но оказывается, сопротивлением перехода можно управлять и обычным светом. Итак, фототранзистор – это обычный транзистор, который имеет еще одну, дополнительную «базу» – световую. Освещаем – открываем транзистор. В таком включении вывод базы фототранзистора можно вообще не использовать – его роль выполняет свет.

Но, подавая на базу то или иное напряжение смещения, можно изменять чувствительность фототранзистора (специалисты обычно говорят «сдвинуть,сместить его рабочую точку»), приоткрывая его в той или иной степени, а значит регулировать параметры всей схемы:

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.

Работа различных полупроводниковых приемников излучения (фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы, фототиристоры) основана на использовании внутреннего фотоэффекта, который состоит в том, что под действием излучения в полупроводниках происходит генерация пар носителей заряда -- электронов и дырок. Эти дополнительные носители увеличивают электрическую проводимость. Такая добавочная проводимость, обусловленная действием фотонов, получила название фотопроводимости. У металлов явление фотопроводимости практически отсутствует, так как у них концентрация электронов проводимости огромна (примерно 1022 см -3) и не может заметно увеличиться под действием излучения. В некоторых приборах за счет фотогенерации электронов и дырок возникает ЭДС, которую принято называть фото-ЭДС, и тогда эти приборы работают как источники тока. А в результате рекомбинации электронов и дырок в полупроводниках образуются фотоны, и при некоторых условиях полупроводниковые приборы могут работать в качестве источников излучения .

Фототранзистор - фоточувствительный полупроводниковый приемник излучения, по структуре подобный транзистору и обеспечивающий внутреннее усиление сигнала. Его можно представить состоящим из фотодиода и транзистора. Фотодиодом является освещаемая часть перехода база-коллектор, транзистором - часть структуры, расположенная непосредственно под эмиттером. Так как фотодиод и коллекторный переход транзистора конструктивно объединены, то фототок суммируется с коллекторным током. Напряжение питания подводят так, чтобы коллекторный переход был закрыт, а эмиттерный - открыт. База может быть отключенной.

В отличие от биполярного транзистора, у фототранзистора отсутствует электрический контакт к базе, а управление током базы осуществляется путем изменения ее освещенности. По этой причине конструктивно фототранзистор имеет только два вывода -- эмиттер и коллектор.

Рисунок 2.1 - а) Схема фототранзистора со структурой p-n-p;

б) зонная диаграмма фототранзистора в активном режиме работы

На рис. 2.1 показаны схема включения фототранзистора и зонная диаграмма в активном режиме работы.

При попадании светового потока на n-область базы в ней генерируются неравновесные электроны и дырки. Дырки будут являться неосновными носителями, увеличение их концентрации приведет к росту дрейфовой компоненты тока из базы в коллектор. Величина первичного «затравочного» фототока будет выражаться такими же соотношениями, как и фототок диода на основе p-n-перехода. Отличие только в том, что неравновесные носители, участвующие в фототоке в фототранзисторе, собираются с области базы, ширина которой W меньше, чем диффузионная длина L p . Поэтому плотность первичного «затравочного» фототока будет :

Вследствие того что неравновесные дырки уходят из базы в коллектор, база заряжена отрицательно относительно эмиттера, что эквивалентно прямому смещению эмиттерного перехода фототранзистора. При прямом смещении эмиттерного p-n-перехода появляется инжекционная компонента тока из эмиттера в базу. При коэффициенте передачи эмиттерного тока б в базе рекомбинируют (1-б) инжектированных носителей или в в раз меньше, чем число инжектированных носителей. В условиях стационарного тока число прорекомбинировавших носителей в базе должно быть равно их числу, ушедшему с первоначальным фототоком. Поэтому инжекционный ток должен быть в в раз больше, чем первичный фототок. Ток коллектора I К будет состоять из трех компонент: первичного фототока I ф, инжекционного вI ф и теплового I К0 тока .

I К = I ф+в I ф =(в+1) I ф + I К0 (2.2)

Используя выражение для коэффициента усиления в базового тока через конструктивно-технологические параметры биполярного транзистора, получаем:

Величина первичного фототока I Ф выражается через параметры светового потока и характеристики полупроводникового материала стандартным образом:

При освещении базы в ней возникают электронно-дырочные пары. Так же как и в фотодиоде, пары, достигшие в результате диффузии коллекторного перехода, разделяются полем перехода, неосновные носители из базы движутся в коллектор, при этом его ток увеличивается. Основные носители остаются в базе, понижая ее потенциал относительно эмиттера. При этом на эмиттерном переходе создается дополнительное прямое напряжение, вызывающее дополнительную инжекцию из эмиттера в базу и соответствующее увеличение тока коллектора.

Рисунок 2.2 - Энергетическая диаграмма фототранзистора (а) и вольтамперные характеристики фототранзистора при разных уровнях освещения (б).

Работа фототранзистора с общим эмиттером

Рассмотрим, например, работу фототранзистора в схеме с общим эмиттером при отключенной базе. Фототок коллекторного перехода суммируется с обратным током коллектора, поэтому в формуле для тока транзистора вместо J К0 следует поставить

J К0 + J Ф /J = (J К0 + J Ф)/(1-б).

При J К 0>>J Ф J =J Ф /(1-б) ? вJ Ф, т.е. фототок фототранзистора усиливается в в раз по сравнению током фотодиода. Соответственно в в раз увеличивается и чувствительность. Ток может быть усилен в 1000 раз, поэтому чувствительность фототранзистора во много раз больше чувствительности фотодиода. Однако поскольку произведение коэффициента усиления на полосу частот величина постоянная, то предельная частота уменьшается в в раз.

Рисунок 2.3 - Эквивалентная схема фототранзистора.

Наличие диффузии носителей обуславливает значительную инерционность прибора ф = 10- 5 -10- 6 с. При сужении базы время диффузии уменьшается, но уменьшается и чувствительность. Для германиевых фототранзисторов SI= 0,2-0,5 А/лм, V раб = 3 В, I темн = 300 мкА, ф = 0,2 мс. В корпусе прибора предусмотрено прозрачное окно, через которое световой поток попадает обычно на базовую область фототранзистора. Площадь фоточувствительной площадки составляет 1-3 мм 2 .

Фоторезисторы изготавливают из полупроводниковых материалов, которые изменяют своё сопротивление в зависимости от степени освещённости. Основное их отличие от других фотоэлектрических приборов заключается в высокой стабильности параметров и линейности изменения сопротивления в достаточно широком диапазоне. Последнее свойство позволяет использовать фоторезисторы не только в цифровой автоматике, но и в аналоговой технике, например, в качестве гальванически изолированных регуляторов громкости звука.

Фоторезисторы являются относительно инерционными элементами с гораздо более низким (единицы килогерц) быстродействием по сравнению с фотодиодами и фототранзисторами. После резких перепадов освещённости, их сопротивление изменяется не скачком, а «плывёт» в течение некоторого времени. Это надо учитывать в практической работе и выдерживать для адаптации к свету небольшие паузы. Насколько «небольшие», подскажет эксперимент.

В зависимости от спектральной чувствительности фоторезисторы делятся на две большие группы: для работы в видимой и инфракрасной части спектра. Электрические схемы включения у них совпадают (Рис. 3.44, а…м). Единственное, что надо предварительно узнать по даташиту, - это максимально допустимое рабочее напряжение. В частности, на фоторезисторы СФ2-5, СФЗ-4А/Б, СФЗ-5 нельзя подавать питание больше, чем 1.3…2 В. Подавляющее же большинство фоторезисторов могут работать при напряжениях 5…50 В. Их темновое сопротивление составляет 1…200 МОм, а в освещенном состоянии - на два-три порядка меньше.

Рис. 3.44. Схемы подключения фоторезисторов к МК {начало)-.

а) резисторы /?У, образуют делитель напряжения. При освещении фоторезистора /?Уего сопротивление уменьшается. Резистор J служит защитой на случай полного замыкания под- строечного резистора и ошибочного перевода линии МКв режим выхода с ВЫСОКИМ уровнем. Если резистор R2 постоянный, то резистор R3 можно заменить перемычкой;

в) подключение фоторезистора /?2к МК с привязкой к общему проводу, а не к цепи питания. При освещении фоторезистора R2 напряжение на входе МК снижается;

Рис. 3.44. Схемы подключения фоторезисторов к МК (продолжение):

г) экономичное «реле Турченкова» на германиевых транзисторах VTI, К72 разной проводимости. Резистором уста на вливают порог срабатывания;

д) фоторезистор RI определяет ток базы транзистора УТ1, поскольку он входит в верхнее плечо делителя RI, R2. Следует установить движок переменного резистора в такое положение, чтобы ток базы транзистора УТ1 не превысил норму при яркой освещённости фоторезистора;

е) в исходном состоянии фоторезистор /?2освещён, транзистор УТ1 закрыт, светодиод НИ погашен. Когда уровень освещённости фоторезистора понизится до определённого порога (регулируется резистором R3), то транзистор открывается, светодиод загорается и на входе МК устанавливается НИЗКИЙ уровень;

ж) регистратор коротких вспышек света или приёмник импульсно-модулированных сигналов. Транзистор VTI находится в режиме отсечки. Конденсатор С/устраняет ложные срабатывания от медленных изменений освещённости фона, например, при смене дня ночью;

з) транзистор VTI повышает чувствительность фотодатчика R2, что позволяет использовать обычную линию порта МК, а не только вход АЦП. Резистор задаёт положение рабочей точки транзистора УТ1\

и) если оба фоторезистора R2, освещены, то на входе МК присутствует НИЗКИЙ уровень (регулируется резистором R1). Если один (любой) из фото рези сто ров будет затемнён, то суммарное «фотосопротивление» резко увеличится и на входе МК появится ВЫСОКИЙ уровень. Фоторезисторы выполняют логическую функцию «световое И»;

Рис. 3.44. Схемы подключения фоторезисторов к МК {окончание):

к) резистором R3 регулируют порог срабатывания ОУ DAI (компаратор напряжений). Сопротивление резистора R2 выбирается примерно таким же, как RI в «неактивном» состоянии. При значительном удалении фоторезистора следует экранировать его соединительные провода;

л) конденсаторы С/, С2 повышают стабильность измерений, устраняют импульсные помехи и создают небольшой гистерезис при резких колебаниях освещённости;

м) внутренний аналоговый компаратор МК используется для оценки уровня освещённости. Используется метод сравнения измеряемого напряжения с «пилой», которую вырабатывает сам МК на отрицательном выводе компаратора (линия входа временно становится выходом).

Фотодиоды в схемах на МК

Фотодиоды относятся к классу полупроводниковых приборов, в основе работы которых лежит внутренний фотоэффект При облучении /?-А7-перехода фотонами возникает генерация носителей тока внутри полупроводника. Изменение тока эквивалентно изменению сопротивления, что легко зафиксировать и измерить.

Фотодиоды широко применяются для регистрации световых излучений. Их достоинство, по сравнению с фоторезисторами и фототранзисторами, заключается в высоком быстродействии и хорошей чувствительности.

Различают два основных режима работы фотодиодов:

Диодный (фотодиодный, фоторезисторный) с обратным смещением;

Генераторный (фотогальванический, фотовольтаический) без смещения.

Диодный режим используется чаще и характеризуется широким диапазоном

изменения обратного сопротивления и хорошим быстродействием. Генераторный режим имеет следующие недостатки: большая эквивалентная ёмкость и высокая инерционность. Достоинство - малый уровень собственных шумов.

Фотодиоды выпускают фирмы: Vishay, OSRAM, Hamamatsu Photonics, «Кварц» и др. Типовые параметры: длина волны 850…950 нм, токовая чувствительность 10…80 мкА, ширина диаграммы направленности 15…65°, время нарастания/спада 2… 100 нс, рабочая температура -55…+ 100°С. Чувствительность фотодиодов снижается с повышением температуры и напряжения. Темновой ток возрастает в 2…2.5 раза на каждые 10°С, из-за чего в схему часто вводят термокомпенсацию.

На Рис. 3.45, а…ж показаны схемы непосредственного подключения фотодиодов к МК. На Рис. 3.46, а…е показаны схемы с усилителями на транзисторах. На Рис. 3.47, а…о - с усилителями на микросхемах.

б) соединение фотодиода BLI с цепью питания. Нажатие переключателя SI имитирует освещенное состояние фотодиода при тестовых проверках;

в) повыщение общей чувствительности за счёт параллельного включения нескольких фотодиодов BLI…Bin. Фотодиоды выполняют логическую функцию «световое ИЛИ»;

г) параллельное включение нескольких фотодиодов с привязкой к общему проводу;

д) последовательное включение фотодиодов по схеме «световое И». Позволяет обнаружить момент затемнения одного из нескольких освещенных фотоприёмников на конвейере;

е) последовательное включение нескольких фотодиодов с привязкой к общему проводу;

ж) мостовая схема включения фотодиода BLI, обладающая повыщенной чувствительностью и гистерезисом {R6). Требуется предварительное симметрирование моста резистором R3.

а) фотодиод BL1 замещает базовый резистор транзисторного усилителя;

б) мигающий светодиод НИ служит … фотоприёмником. В исходном состоянии НИ генерирует электрические (не световые!) импульсы с частотой «мигания» около 2 Гц. При внешнем освещении генерация срывается, что и фиксирует МК через транзистор VTI\

в) ключ на транзисторе VT1 повышает помехоустойчивость и увеличивает крутизну фронтов сигнала от фотодатчика BLL Конденсатор С/ устраняет помехи от колебаний освещённости;

г) оптоизолированный частотный смеситель. На вход МК поступает сигнал с разностной «световой» частотой модуляции «/, -/2» от двух светодиодов HL1 (/j) и HL2{f2). Контур/1 / должен быть настроен на разностную частоту;

д) повышение чувствительности за счёт параллельного включения двух фотодиодов ВИ, BL2. Транзистор VTI находится в отсечке и не реагирует на медленный дрейф освещённости;

е) вместо ОУ DAI можно использовать аналоговый компаратор МК. Скорость приёма «лазерного» фотодиода - до 5 Мбит/с по оптоволоконному кабелю длиной Юм… 1 км.

а) использование прецизионного усилителя DA1 (фирма Analog Devices) для обеспечения долговременной стабильности сигналов от фотодатчика BLI\

б) нестандартное включение ИК-светодиода НИ в качестве фотоприёмника инфракрасного диапазона длин волн. Резистором регулируется усиление каскада на ОУ DAI\

в) усилитель-формирователь на «телевизионной» микросхеме DA1. Резистором регулируется чувствительность фотодатчика BLI\

г) двухполярное питание ОУ DA /. Конденсатор CI устраняет «звон» на фронтах сигнала, возникающий при резкой смене освещённости. Это стандартный приём и для других схем;

д) для уменьщения внещних помехтрансимпедансный усилитель DA 1.2(это преобразователь «ток-напряжение») охвачен обратной связью через интегратор DAI.3. Питание на ОУ подаётся от выходной линии МК. Опорное напряжение 0.5 В формирует повторитель DAL /;

Рис. 3.47. Схемы подключения фотодиодов к М К через усилители на микросхемах

{продолжение):

е) фотодиоды ВЦ, 5L2 должны освещаться поочерёдно, иначе их суммарное сопротивление может получиться столь низким, что сработает перегрузка по току источника питания;

ж) конденсатор С2 устраняет «звон» при большой собственной ёмкости фотодиода ВИ\

з) измеритель цвета на фотодиоде BL1 (фирма Advances Photonics), который имеет «колоко- лообразную» чувствительность в диапазоне 150…400 нм. Перемычкой ^S/задаётся усиление;

и) стабильные параметры фотоприёма в инфракрасном диапазоне обеспечиваются прецизионной микросхемой Z)/1/ (фирма Analog Devices), фильтром С4, R4…R6 и стабилитроном VDI.

к) связка «усилитель-детектор-формирователь» на ОУ DAI с регулировкой порога {R6)\О

Рис. 3.47. Схемы подключения фотодиодов к МК через усилители на микросхемах

(окончание):

л) компаратор на микросхеме DA1 обеспечивает высокую чувствительность и помехоустойчивость. Резистором J регулируется «световой» порог под конкретный тип фотодиода BL1\

м) резистором регулируется чувствительность и выставляется рабочая точка логического элемента DDI (желательно с характеристикой триггера Шмитта, например, К561ТЛ2);

н) BL1 - трёхцветный RGB-сенсор (фирма Laser Components), DAI - четырёхканальный трансимпедансный усилитель (фирма Promis Electro Optics). Один из четырёх аналоговых каналов усилителя не используется. Сигналы с выходов М К задают режимы работы и усиление DA1\ о) высокочувствительный регистратор фото- или радиационного излучения на специализированном pin-фотодиоде ВИ (подобные изготавливаются фирмой Hamamatsu Photonics). Элемент DA 1.1 выполняет функцию трансимпедансного, а DA1.2 - обычного усилителя сигналов.

Фототранзисторы в схемах на МК

Фототранзистор - это фоточувствительный полупроводниковый прибор, по структуре подобный биполярному или полевому транзистору. Разница заключается в том, что в его корпусе предусмотрено прозрачное окно, через которое световой поток попадает на кристалл. В отсутствии внешнего освещения, транзистор закрыт, ток коллектора ничтожно мал. При попадании лучей света на/?-А7-переход базы, транзистор открывается и резко возрастает его коллекторный ток.

Фототранзисторы, в отличие от фоторезисторов, обладают высоким быстродействием, а в отличие от фотодиодов - усилительными свойствами (Табл. ЗЛО).

Фототранзистор, в первом приближении, можно представить в виде эквивалентного фотодиода, включённого параллельно коллекторному переходу обычного транзистора. Коэффициент усиления фототока прямо пропорционален /7213. следовательно, во столько же раз чувствительность фототранзистора выше, чем у фотодиода.

Главным параметром, за которым надо следить при разработке схем на фототранзисторах, является коллекторный ток. Чтобы не превысить его норму, надо ставить в коллекторе/эмиттере достаточно большие сопротивления.

Фототранзисторы выпускают фирмы: Vishay, Kingbright, Avago Technologies и др. Типовые параметры: длина волны 550…570 или 830…930 нм, ток коллектора в освещенном состоянии 0.5… 10 мА, угол половинной чувствительности 15…60°, время нарастания/спада 2…6 мкс, рабочая температура -55…+ 100°С, проводимость п-р-п.

Существуют двух- и трёхвыводные фототранзисторы. Различаются они между собой в первую очередь отсутствием/наличием отвода от базы.

В двухвыводных фототранзисторах извне имеется доступ только к коллектору и эмиттеру. Это затрудняет стабилизацию рабочей точки и делает фотоприбор зависимым от температуры окружающей среды, особенно при слабом освещении.

Двухвыводные фототранзисторы и малогабаритные фотодиоды визуально похожи как «близнецы-братья». Выяснить, «что есть что», помогает прозвонка выводов омметром. Испытательное напряжение на его зажимах должно быть не менее 0.7 В. Если сопротивление в одном направлении значительно больше, чем в другом, значит это фотодиод. Если большое сопротивление прозванивается в двух направлениях, значит это фототранзистор (или вышедший из строя фотодиод).

Трёхвыводные фототранзисторы встречаются реже двухвыводных. Для их подключения применяют обычную транзисторную схемотехнику, а именно, стабилизируют рабочую точку при помощи делителей на резисторах, вводят обратные связи, термокомпенсацию и т.д.

На Рис. 3.48, а…е показаны схемы непосредственного подключения фототранзисторов к МК. На Рис. 3.49, а…з показаны схемы с транзисторными усилителями, на Рис. 3.50, а…г - с усилителями на микросхемах.

Рис. 3.48. Схемы непосредственного подключения фототранзисторов к МК:

а) фототранзистор 5L/ включается по схеме усилителя с общим эмиттером. Допускается его работа в режиме микротоков коллектора (большое сопротивление резистора RI), но при этом ухудшается температурная стабильность. Вместо входа АЦП МК часто используют обычную цифровую линию порта с пороговой фиксацией состояния «есть свет»/«нет света»;

б) параллельное включение фототранзисторов BL1, 5L2 увеличивает световую чувствительность. Фототранзисторы выполняют логическую функцию «ИЛИ» для сигналов от разных источников света. Конденсатор С/ снижает импульсные помехи. Запараллеленных фототранзисторов может быть больше, чем два;

в) фотоприёмник импульсных и модулированных световых сигналов. На медленные изменения освешённости устройство не реагирует из-за разделительного конденсатора С/. Вместо резистора можно использовать внутренний «pull-up» резистор МК;

г) фототранзистор BLI включается по схеме эмиттерного повторителя. Конденсатор С/ снижает импульсные «световые» помехи и мошные электрические наводки, которые могут «просачиваться» на вход МК, когда фототранзистор находится в закрытом состоянии;

д) втрёхвыводном фототранзисторе BLI отвод базы используется для организации обратной связи через транзистор VTI. Фильтр RI, С1 блокирует сигналы светового потока с частотой модуляцией ниже 100 Гц (для устранения срабатывания датчика от «мерцания» ламп накаливания);

е) конденсатор С/ и транзистор VT1 организуют «световой ФВЧ» для подавления сигналов светового потока с частотой модуляции ниже 80 Гц. Это препятствует прохождению на вход МК помех, вызванных «мерцанием» ламп накаливания сети 50 Гц.

а) входной узел «светового пистолета» от игровой видеоприставки «Dendy». Фототранзистор BL1 направляется на экран телевизора. Резистором /?2 регулируют дальность приёма;

б) полевой транзистор VTI осуществляет согласование сопротивлений RI и R2\

в) двухкаскадный усилитель на транзисторах разной проводимости КГ/, КТ’2 обеспечивает повышенную чувствительность фотодатчика ВИ\

г) улучшенный вариант фотодатчика для «светового пистолета» с авто подстрой кой под разную яркость фона. Элементы VTI, R1, R2, образуют динамический стабилизатор тока;

д) резистором R2 побирается такое положение, чтобы транзистор VTI был открыт при отсутствии освещения фототранзистора BLL Конденсатор С1 фильтрует помехи;

е) триггер Шмитта на полевых транзисторах VTI, КТ’2 определяет порог срабатывания фотодатчика BL1. Конденсатор С1 устраняет импульсные «световые» помехи;

ж) диоды VD1, повышают помехоустойчивость усилителя на транзисторе VTI\0

з) трёхкаскадный усилитель на транзисторах КГ/… с визуальной индикацией приёма посылок от инфракрасного датчика ^L/ светодиодом HL1.

Рис. 3.50. Схемы подключения фототранзисторов к МК через усилители на микросхемах:

а) фототранзисторный датчик BLI с интегральным компаратором DAI wc широким диапазоном регулирования параметров при помощи двух переменных резисторов R2, R3\

б) триггер Шмитта на логической микросхеме DZ)/улучшает помехоустойчивость и увеличивает крутизну фронтов сигналов, поступающих от фоготранзистора ВИ\

в) фототранзистор ^L/для повышения точности срабатывания подключается к внешнему интегральному компаратору DA1. Конденсатор С/ увеличивает крутизну фронтов сигналов;

г) полосовой фильтр на микросхеме тонального декодера DA / (фирма National Semiconductor) обрабатывает им пул ьсно-модулированные световые сигналы, принимаемые фототранзистором BLI. Центральная частота фильтра определяется по формуле /^„[кГц] = 1 / (/?2[кОм]-С4[мкФ]). Полоса пропускания фильтра обратно пропорциональна ёмкости конденсатора С2. Резистором /?/устанавливается оптимальный уровень входного сигнала для DAI в диапазоне 100…200 мВ.