Fototranzistor

Obr. 1: Značka

Fototranzistor je tranzistor, ve kterém je možné průchod nosičů náboje řídit intenzitou dopadajícího optického záření. To znamená, že místo vstupního proud přiváděného do báze  běžného bipolárního tranzistoru se k řízení kolektorového proudu využívá světelné energie. Světlo proniká do oblasti přechodu báze-emitor okénkem v pouzdru uzavřeném skleněnou čočkou. Výstupní charakteristiky tranzistoru TESLA KP 101 jsou na obr. 2. Důležitou charakteristickou veličinou je světelná citlivost S = I_C/I_E (E/l_x), která je analogická strmosti y₂₁ běžných tranzistorů. Při vzrůstu osvětlení se citlivost S zvětšuje.

Obr. 2: Výstupní charakteristika tranzistoru

Fototranzistory jsou vyráběny ve dvou základních provedeních:

• bez bázového vývodu (častější provedení, schematická značka je na obr. 2);
• s vyvedenou bází.

Tranzistor s vyvedenou bází je možné, kromě intenzitou optického záření, řídit i velikostí elektrického signálu přivedeného do báze. To umožňuje nastavení citlivosti nebo blokování činnosti fototranzistoru.

Protože je emitorový přechod polarizován v proudném směru, způsobí jakákoliv změna jeho napětí, stejně jako v klasickém tranzistoru, poměrně větší změnu kolektorového proudu. Nosiče náboje vysílané z přechodu emitor-báze získávají v oblasti báze takovou rychlost, že se na své volné dráze dostávají až do blízkosti kolektorového přechodu. Pole v ochuzené vrstvě přechodu je pak vtahuje přes kolektorový přechod a dochází k zesilování fotoelektrického proudu.

Podobnost činnosti fototranzistoru s činností klasického tranzistoru je zřejmá z výstupních charakteristik, které jsou znázorněny na obrázku 2. Parametrem jednotlivých průběhů je velikost osvětlení E, která může být udána v luxech nebo jako energie dopadajícího optického záření v mW/cm². Charakteristiky jsou kresleny v logaritmických souřadnicích.

Vzhledem ke složitější struktuře fototranzistoru narozdíl od fotodiody jsou fototranzistory pomalejší. Doba odezvy fototranzistorů je větší než u fotodiod, řádově o desítky μs.

 

Základní zapojení fototranzistorů

Obr. 3:  Fototranzistor – zapojení se společným emitorem a jeho výstupní charakteristiky

Základní zapojení fototranzistorů jsou obdobná jako zapojení klasických tranzistorů. Obrázek 3 znázorňuje zapojení se společným emitorem.

Fototranzistor může být využit jako zesilovací prvek, přičemž velikost výstupního signálu je od určité intenzity osvětlení úměrná velikosti vstupního signálu. Při překročení této intenzity osvětlení přechází tranzistor do saturace a kolektorový proud se již nezvyšuje.

Tam, kde se jedná pouze o detekci dvou úrovní osvětlení, je fototranzistor využíván ve spínacím režimu – buďto je osvětlen málo a výstupní signál je nulový, nebo přejde při velkém osvětlení do saturace,  teče jím maximální proud a výstupní signál má největší nastavenou hodnotu.

Spektrální charakteristika

Ze spektrální charakteristiky fototranzistoru, která bývá součástí katalogových údajů výrobce, můžeme zjistit, při které vlnové délce má fototranzistor největší citlivost. To je důležité při aplikacích optických vláken, případně při výběru vhodné diody LED, potřebujeme-li vytvořit pár LED – fototranzistor.

Aby fototranzistor nebyl ovlivňován optickým zářením nežádoucích vlnových délek, bývá vybaven světelným filtrem, který omezuje pásmo spektrální citlivosti. Světelný filtr je tvořen epoxidovým pouzdrem.

 

 Realizace fototranzistorů

      

Obr. 4: Příklady vyráběných fototranzistorů

 

Charakteristické vlastnosti fototranzistorů:

• nízká cena pro aplikace v oblastech viditelného a infračerveného optického záření;
• zesílení 100 a více;
• středně silná odezva na změnu osvětlení;
• množství různých provedení pouzder;
• jsou použitelné téměř se všemi zdroji optického záření pracujícími ve viditelné nebo v infračervené oblasti vlnových délek, jako jsou LED diody, fluorescenční zdroje, laserové diody, žárovky apod.

Fototranzistory jsou používány v zařízeních spotřební elektroniky jako miniaturní bezkontaktní spínače, ve čtečkách štítků a karet, v senzorech polohy, v zařízeních pro medicínu, v automobilové elektronice apod.

 

Unipolární fototranzistor

Unipolární fototranzistory mají poměrně krátkou dobu odezvy. Jsou to tranzistory JFET konstrukčně upravené tak, aby dopadající záření bylo zachycováno v prostoru hradla, kde je umístěn izolační PN přechod.  Fototranzistor má vyvedené hradlo pro nastavení pracovního bodu.

Zdroje

• KOUTNÝ, Jaroslav a Ivo VLK. Elektronika I učebnice.  VYTVOŘENO V RÁMCI PROJEKTU: DIGITÁLNÍ ŠKOLA: ICT VE VÝUCE TECHNICKÝCH PŘEDMĚTŮ, REG. Č. CZ.1.07/1.1.04/01.0137, Vyšší odborná škola a Střední průmyslová škola elektrotechnická, Olomouc 2009

Obrázky

• Obr. 1: KOUTNÝ, Jaroslav a Ivo VLK. Značka, Elektronika I učebnice.  VYTVOŘENO V RÁMCI PROJEKTU: DIGITÁLNÍ ŠKOLA: ICT VE VÝUCE TECHNICKÝCH PŘEDMĚTŮ, REG. Č. CZ.1.07/1.1.04/01.0137, Vyšší odborná škola a Střední průmyslová škola elektrotechnická, Olomouc 2009
• Obr. 2: KOUTNÝ, Jaroslav a Ivo VLK. Výstupní charakteristika tranzistoru, Elektronika I učebnice.  VYTVOŘENO V RÁMCI PROJEKTU: DIGITÁLNÍ ŠKOLA: ICT VE VÝUCE TECHNICKÝCH PŘEDMĚTŮ, REG. Č. CZ.1.07/1.1.04/01.0137, Vyšší odborná škola a Střední průmyslová škola elektrotechnická, Olomouc 2009
• Obr. 3: KOUTNÝ, Jaroslav a Ivo VLK. Fototranzistor – zapojení se společným emitorem a jeho výstupní charakteristiky, Elektronika I učebnice.  VYTVOŘENO V RÁMCI PROJEKTU: DIGITÁLNÍ ŠKOLA: ICT VE VÝUCE TECHNICKÝCH PŘEDMĚTŮ, REG. Č. CZ.1.07/1.1.04/01.0137, Vyšší odborná škola a Střední průmyslová škola elektrotechnická, Olomouc 2009
• Obr. 3: KOUTNÝ, Jaroslav a Ivo VLK. Příklady vyráběných fototranzistorů, Elektronika I učebnice.  VYTVOŘENO V RÁMCI PROJEKTU: DIGITÁLNÍ ŠKOLA: ICT VE VÝUCE TECHNICKÝCH PŘEDMĚTŮ, REG. Č. CZ.1.07/1.1.04/01.0137, Vyšší odborná škola a Střední průmyslová škola elektrotechnická, Olomouc 2009