Как сделать фотодиод из транзистора. Оптические датчики

Фототранзистор и фотодиод - это электронные приборы, реагирующие на свет.

Фототранзисторы относятся к классу оптоэлектронных компонентов, также как фотодиоды, фоторезисторы и светодиоды .

При попадании света на фототранзистор его ток увеличивается, что позволяет использовать фоторанзисторы в качестве датчиков света, которые одновременно с преобразованием светового сигнала в электрический усиливают последний.

Основой фототранзистора служит полупроводниковый монокристалл, который заключают в прозрачный защитный корпус, либо в корпус с прозрачным окном. Прозрачность корпуса обеспечивает доступность базы фототранзистора для светового облучения, за счёт чего появляется возможность управлять прохождением электрического тока с помощью света.

При отстутствии падающего на базу света через фототранзистор протекает незначительный ток, который обычно не превышает десятков наноампер (нА). Такой ток называют темновым током. Кроме величины темнового тока фототранзисторы характеризуются интегральной чувствительностью - отношением фототока к величине падающего света.

Фототранзисторы могут иметь три или два вывода, в последнем случае используется только коллектор и эмиттер. Подключение двухвыводного фототранзистора похоже на включение обычного фотодиода, которые также достаточно часто используют в качестве основы для фотодатчиков у роботов.

Фотодиод представляет собой диод, в котором обеспечена возможность воздействия света на полупроводниковый переход. Воздействие света вызывает напряжение на выводах фотодиода или протекание тока в цепи, в которую включен фотодиод.

Обозначения фотодиодов на схемах

Условное обозначение фотодиода на схемах очень похоже на обозначение обычного диода с двумя направленными на него стрелками. Не стоит путать обозначение фотодиода с обозначением светодиода, у которого стрелки направлены от него.

В отличие от фототранзисторов, фотодиоды только преобразуют свет в электрический ток, но не усиливают его. Кроме того, фототранзисторы обладают большей, чем фотодиоды, чувствительностью - порядка сотни миллиампер на люмен.

Фоторезисторы также применяются при построении датчиков света. Сопротивление фоторезистора уменьшается при воздествии на него света. Основным недостатком фоторезисторов является их достаточно большая инерционность, влияющая на скорость работы датчиков, в основе которых используется фоторезистор.

Важной характеристикой фототранзисторов и фотодиодов является диапазон спектра, в котором они имеют наибольшую чувствительность. Помимо фототранзисторов, работающих в видимом диапазоне световых волн, достаточно распространенными являются фототранзисторы инфракрасного диапазона (ИК-фототранзисторы).

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.

Это полупроводниковый прибор, который преобразует оптическое излучение (видимое или невидимое) в электрический сигнал с одновременным усилением. У фототранзистора коллекторный ток изменяется в зависимости от интенсивности падающего излучения. Чем сильнее облучается фототранзистор (базовая зона), тем больше коллекторный ток.

Фототранзистор может работать в двух режимах: в режиме фотодиода с плавающей базой и в транзисторном режиме с источником смещения в базовой цепи. В режиме с плавающей базой используют только два вывода фототранзистора: вывод эмиттера и вывод коллектора. При подключении фототранзистора в режиме с источником смещения используются все выводы и дополнительный резистор подключенный непосредственно к базовому выводу.

Разобравшись с определениями можно продвигаться дальше. Далее будет приведена технология изготовления фототранзистора из биполярных транзисторов серии МП14-МП42.
На фото.2. Конструктивно биполярный транзистор состоит из:цельнометаллического корпуса, выводов (коллектор, эмиттер, база), изоляторов.

На фото.3. Внутри корпуса, в центре закреплён кристаллодержатель(1), который представляет собой прямоугольник значительных размеров. На кристаллодержателе закреплён полупроводниковый материал(2) (полупроводниковый кристалл), с двух сторон с ним контактируют проволочки(3) (подводящие проводники) идущие от выводов эмиттера(4) и коллектора(4). Вывод базы припаян непосредственно к корпусу транзистора. А выводы эмиттера и коллектора подведены через стеклянные изоляторы (5).

Чтобы не воспроизводить ошибки при изготовлении фототранзистора запомните простые правила, как не нужно делать фототранзистор !

1. Не допустимо спиливать крышку у транзистора сверху! Это приведёт к неминуемому сдвигу кристаллодержателя и порче кристалла или обрыву подводящих проводников. Вероятность порчи изготавливаемого фототранзистора достигает почти 100 процентов! При удачном исходе (спиливания крышки сверху) фототранзистор практически ничего не "видит", потому что свет не попадает на базовую зону кристалла!

2. Ни когда не отрезайте базовый вывод после изготовления фототранзистора, так как есть схемы которые используют именно этот вывод.

3. Не заливайте пропиленное окно фототранзистора прозрачным пластиком или чем то иным, для обеспечения герметизации. Это приведёт к термической порче кристалла полупроводника.

2.Изготовление фототранзистора.

На фото.4. Транзистор типа МП42 имеет три вывода: эмиттер(1), коллектор(2), база (3). Базовый вывод припаян к корпусу(4), а выводы коллектора и эмиттера проходят внутрь корпуса через стеклянные изоляторы(5).

фото.4.нажимайте фото для просмотра в полном размере

На фото.5. Чтобы определить выводы транзистора из серий МП13-МП42, его нужно перевернуть вверх выводами. При этом отогнуть вывод базы на себя, тогда по левую сторону окажется коллектор, а по правую сторону будет эмиттер.

фото.5.нажимайте фото для просмотра в полном размере

Биполярные германиевые транзисторы серии МП, могут иметь как прямую проводимость (p-n-p), так и обратную проводимость (n-p-n). В зависимости от проводимости будет отличаться и схема подключения к источнику напряжения. Из серии МП прямой проводимостью обладают следующие транзисторы: МП13,МП14,МП16,МП26,МП38,МП39,МП40,МП41,МП42. Транзисторы с обратной проводимостью: МП35,МП36,МП37,МП38. НЕ ЗАБУДЬТЕ, ЧТО ИЗГОТОВЛЕННЫЙ ФОТОТРАНЗИСТОР НАСЛЕДУЕТ ВСЕ СВОЙСТВА БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА И ДОЛЖЕН ПОДКЛЮЧАТЬСЯ С УЧЁТОМ ПРОВОДИМОСТИ!

На фото.6. Удерживайте монтажными плоскогубцами транзистор за область(3). Проведите спиливание с помощью напильника боковой поверхности корпуса (1) в месте над выводом эмиттера(2) . Спиливание необходимо проводить умеренно, чтобы легче определить глубину спиливания приводится дополнительное фото.6. Красной стрелкой помечена глубина спиливания.

На фото.7. И так, спиливание корпуса выполняют сбоку, это значительно уменьшает вероятность задеть полупроводниковый кристалл и самое главное, свет от источника будет попадать в ту зону (базовую) в которой накапливаются парные носители зарядов. Иначе говоря эффективность фототранзистора по преобразованию оптического излучения в ток будет максимальным.

На фото.8. Удерживайте корпус фототранзистора с помощью монтажных плоскогубцев. В верхнем углу пропила (показан красной стрелкой) аккуратно проделайте шилом отверстие. Затем используйте шило как консервный нож опираясь о бортик выполните разрезание тонкого металлического покрытия оставшегося после спиливания.
По данной методике автором статьи за короткий промежуток времени было изготовлено семь фототранзисторов из биполярных транзисторов серии МП42. При этом ни один из них не был испорчен во время изготовления. А проверка цифровым тестером показала их приемлемую работоспособность в режиме с плавающей базой. При освещении от настольной лампы из-за увеличивающегося тока коллектора было надёжно зафиксировано снижение сопротивления перехода эмиттер-коллектор. Фототранзистор также способен работать в режиме генератора тока. Изготовленный по выше приведённой методике фототранзистор освещаемый настольной лампой выдавал до 0,1 вольта между выводом базы и коллектором.

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.

или

Как изготовить фототранзистор самостоятельно

Во многих радиолюбительских конструкциях встречается такой элемент как фототранзистор . Он нужен в основном в оптических устройства: в тех где какое-то устройство должно реагировать на свет (фототир , например...).

Фототранзистор, конечно, можно и купить, но можно сделать его и самостоятельно из обыкновенного транзистора .

Известно что p-n переход реагирует на внешние факторы- температуру и освещение.
Именно это свойство и послужило основанием для создания таких радиоэлементов как терморезисторы, фоторезисторы (они хоть и имеют название резисторы, но в их основе содержится полупроводник), фотодиоды и фототранзисторы.

Весь смысл фототранзистора заключается в том что при внешнем освещении у него начинает открываться переход Коллектор-Эмиттер и поэтому фототранзисторы изготавливаются в прозрачном корпусе.
Обыкновенные-же транзисторы имеют, напротив, закрытый корпус чтобы избежать этого фотоэффекта. Но ведь его можно и спилить...!

Лучше всего для этих целей подходят транзисторы выполненные в металлическом корпусе. Из отечественных "малогабаритных" это КТ342, КТ3102. Из супер- древних это серия МП (МП25, МП35, МП40 и так далее).

Итак, изготавливаем фототранзистор из простого транзистора

Берем любой подходящий в металлическом корпусе(например КТ342) и спиливаем с него верхушку. При этом нужно быть по-аккуратнее чтобы не повредить сам кристалл.

Подключаемся мультиметром к выводам Коллектор и Эммитер в режиме измерения сопротивления и видим что этот переход стал проводить ток:

В освещенном виде этот переход имеет сопротивление 3,29 кОм,а если его закрыть бумажкой то сопротивление поднимается до 373 кОм. Все работает!

Теперь нужно принять меры чтобы защитить кристалл от пыли. Для этого можно залить его эпоксидной смолою или канифолью (кстати это даже еще и увеличит фотоэффект так как в результате мы получим своеобразную линзу).

Примечания
Полистав различную литературу и пробежавшись по форумам я выяснил что лучшие результаты при самостоятельном изготовлении фототранзистора дают отечественные маломощные кремниевые, причем желательно чтобы коэффициент усиления у них был по-больше.