Fototranzystor to półprzewodnikowy element optoelektroniczny, który łączy funkcję detektora światła z tranzystorowym wzmocnieniem sygnału. Padające promieniowanie steruje prądem kolektora, dlatego element znajduje zastosowanie zarówno w prostych barierach optycznych, jak i w układach automatyki, pomiarów oraz transmisji danych.
Wprowadzenie – czym jest fototranzystor?
Fototranzystor jest najczęściej tranzystorem bipolarnym typu NPN, którego obudowa umożliwia doprowadzenie promieniowania do światłoczułego obszaru bazy. Złącze kolektor–baza działa podobnie jak fotodioda: padające światło generuje prąd fotoelektryczny, który zastępuje elektryczny prąd sterujący bazą.
Natężenie światła wpływa na prąd kolektora, który dzięki wewnętrznemu wzmocnieniu może być wielokrotnie większy od pierwotnego prądu fotoelektrycznego. Fototranzystory stosuje się między innymi w:
- czujnikach ruchu i systemach alarmowych,
- licznikach, enkoderach i układach zliczających,
- transoptorach oraz interfejsach optycznych,
- czytnikach kart, taśm i kodów.
Budowa i zasada działania fototranzystora
Budowa
Typowy fototranzystor wyróżnia się następującą konstrukcją:
- Struktura półprzewodnikowa – najczęściej jest to tranzystor bipolarny typu NPN;
- Światłoczułe złącze – złącze kolektor–baza jest przystosowane do pochłaniania promieniowania i generowania nośników ładunku;
- Przezroczysta obudowa – okno lub soczewka kieruje światło na obszar aktywny;
- Wyprowadzenia – element może mieć kolektor, emiter i bazę, choć wiele modeli nie ma wyprowadzonej bazy i jest sterowanych wyłącznie światłem.
Okno w obudowie umieszcza się tak, aby promieniowanie docierało bezpośrednio do obszaru bazy lub złącza kolektor–baza. To właśnie tam powstają nośniki ładunku: elektrony i dziury.
Polaryzacja i działanie elektryczne
Podczas typowej pracy złącze kolektor–baza jest spolaryzowane zaporowo. Nośniki generowane przez światło tworzą prąd fotoelektryczny, który wywołuje przepływ znacznie większego prądu kolektora.
Przy braku oświetlenia i określonym napięciu kolektor–emiter UCE przez fototranzystor płynie niewielki prąd ciemny ICE(0). Po oświetleniu elementu zachodzą trzy podstawowe zjawiska:
- w obszarze bazy i złącza kolektor–baza powstają nośniki ładunku,
- pojawia się prąd fotoelektryczny zależny od natężenia promieniowania,
- prąd fotoelektryczny steruje wzmocnionym prądem kolektora.
Całkowity prąd kolektora obejmuje prąd ciemny oraz wzmocnioną składową fotoelektryczną zależną od natężenia światła. Wewnętrzne wzmocnienie może w wybranych elementach osiągać wartość kilkuset, co zapewnia fototranzystorowi większą czułość niż standardowej fotodiodzie.
Intuicyjne rozumienie działania
Działanie fototranzystora można przedstawić w trzech etapach:
- w ciemności przez element płynie jedynie niewielki prąd, więc fototranzystor pozostaje praktycznie wyłączony;
- padające światło generuje w obszarze bazy prąd fotoelektryczny zależny od natężenia promieniowania;
- struktura tranzystora wzmacnia sygnał, wytwarzając użyteczny prąd kolektora.
W popularnym układzie z rezystorem podciągającym jasno oświetlony fototranzystor zaczyna przewodzić i obniża napięcie wyjściowe do wartości bliskiej 0 V. W ciemności pozostaje wyłączony, dlatego napięcie wyjściowe wzrasta do poziomu zasilania, na przykład 5 V.
Tryby pracy fototranzystora
Fototranzystor może pracować w trybie przełączającym, w którym rozróżnia stan jasny i ciemny, albo w trybie aktywnym, w którym dostarcza sygnał analogowy zależny od natężenia światła.
1. Tryb przełączania
W trybie przełączania fototranzystor działa jak element dwustanowy. W ciemności pozostaje praktycznie wyłączony: prąd kolektora jest niewielki, a napięcie na wyjściu układu wspólnego emitera pozostaje wysokie. Po dostatecznym oświetleniu element zaczyna przewodzić, a napięcie wyjściowe spada do wartości bliskiej 0 V.
Tryb przełączania znajduje zastosowanie w:
- barierach optycznych i układach wykrywających obecność obiektów,
- czujnikach ruchu oraz systemach alarmowych,
- licznikach impulsów, licznikach monet i enkoderach.
2. Tryb aktywny (analogowy)
W trybie aktywnym prąd kolektora jest w przybliżeniu zależny od natężenia światła, dzięki czemu fototranzystor może pełnić funkcję elementu pomiarowego. Sygnał analogowy można następnie wzmacniać, filtrować lub kierować do przetwornika analogowo-cyfrowego.
Tryb aktywny stosuje się między innymi w:
- układach pomiaru natężenia światła, położenia i prędkości,
- enkoderach oraz precyzyjnych czujnikach położenia,
- czujnikach zbliżeniowych, czujnikach cieczy i wskaźnikach poziomu.
Parametry i charakterystyki fototranzystora
Podczas projektowania układu należy sprawdzić najważniejsze parametry podane w karcie katalogowej elementu:
- Prąd ciemny ICE(0) – prąd kolektora płynący przy braku oświetlenia i określonej polaryzacji;
- Prąd jasny ICE – prąd kolektora mierzony przy określonym natężeniu promieniowania;
- Wzmocnienie prądowe β – określa stopień wzmocnienia prądu fotoelektrycznego i może osiągać wartość kilkuset;
- Dopuszczalne napięcie kolektor–emiter UCE – wyznacza bezpieczny zakres napięcia pracy;
- Czas narastania i opadania – decyduje o szybkości reakcji oraz maksymalnej częstotliwości przetwarzanych sygnałów;
- Charakterystyka prądowo-napięciowa – przedstawia zależność prądu kolektora od napięcia kolektor–emiter przy różnych poziomach oświetlenia;
- Zakres widmowy – wskazuje długości fal, na które reaguje element, na przykład światło widzialne lub promieniowanie podczerwone.
Wartości parametrów zależą między innymi od temperatury, długości fali, kąta padania światła i napięcia zasilania. Fototranzystory czułe na podczerwień są powszechnie używane w systemach zabezpieczających, transoptorach i odbiornikach sygnałów optycznych niewidocznych dla ludzkiego oka.
Symbole graficzne fototranzystora
Symbol fototranzystora wywodzi się ze standardowego oznaczenia tranzystora bipolarnego NPN lub PNP. Uzupełniają go strzałki przedstawiające promieniowanie padające na światłoczułą strukturę.
Fototranzystor z wyprowadzoną bazą przedstawia się jako klasyczny tranzystor z trzema elektrodami. Przy obszarze bazy lub złącza kolektor–baza umieszcza się dwie skośne strzałki skierowane w stronę elementu.
Fototranzystor dwukońcówkowy ma na schemacie jedynie kolektor i emiter. Brak wyprowadzenia bazy oznacza, że element jest sterowany wyłącznie optycznie.
Strzałki w symbolu fototranzystora są skierowane do elementu, ponieważ odbiera on światło z zewnątrz. W symbolu diody LED strzałki wskazują przeciwny kierunek, ponieważ dioda emituje promieniowanie.
Typowe konfiguracje układów z fototranzystorem
1. Układ wspólnego emitera (detektor lub układ logiczny)
Jest to najczęściej stosowana konfiguracja fototranzystora:
- emiter jest połączony z masą,
- kolektor jest połączony z zasilaniem przez rezystor obciążenia,
- napięcie wyjściowe jest pobierane z kolektora.
Układ wspólnego emitera odwraca logikę sygnału. W ciemności fototranzystor praktycznie nie przewodzi, dlatego napięcie na kolektorze jest zbliżone do napięcia zasilania. Po oświetleniu prąd kolektora rośnie, a napięcie wyjściowe spada.
Konfiguracja dobrze sprawdza się jako wejście cyfrowe sterowane światłem, między innymi w barierach optycznych, enkoderach, czujnikach obecności i czytnikach kodów.
2. Układ wspólnego kolektora (wtórnik)
W układzie wspólnego kolektora kolektor jest połączony z zasilaniem, emiter z masą przez rezystor, a napięcie wyjściowe pobiera się z emitera. Wraz ze wzrostem natężenia światła rosną prąd emitera i napięcie wyjściowe.
Konfiguracja zapewnia niewielkie wzmocnienie napięciowe, ale oferuje niższą impedancję wyjściową. Może więc pełnić funkcję bufora analogowego sygnału z fototranzystora.
3. Praca ze wzmacniaczem operacyjnym (układ transimpedancyjny)
W precyzyjnych zastosowaniach pomiarowych prąd fototranzystora można przekształcić w napięcie za pomocą wzmacniacza transimpedancyjnego. Fototranzystor działa wówczas jak źródło prądu zależne od światła, a wzmacniacz operacyjny z rezystorem w pętli sprzężenia zwrotnego wytwarza proporcjonalny sygnał napięciowy.
Układ transimpedancyjny ułatwia kontrolowanie czułości, zakresu pomiarowego i punktu pracy. Rozwiązanie stosuje się w torach pomiarowych, specjalizowanych czujnikach optycznych oraz układach współpracujących z przetwornikami analogowo-cyfrowymi.
Zastosowania fototranzystorów w systemach elektronicznych
Połączenie dużej czułości, prostej konstrukcji i łatwego dopasowania do układów cyfrowych oraz analogowych sprawia, że fototranzystory są wykorzystywane w wielu urządzeniach.
1. Automatyka i zdalne sterowanie
W automatyce fototranzystory służą przede wszystkim do bezkontaktowego wykrywania obiektów i odbierania sygnałów optycznych. Typowe zastosowania obejmują:
- wykrywanie produktów na liniach transportowych,
- odbieranie sygnałów w układach zdalnego sterowania,
- tworzenie barier optycznych i kurtyn świetlnych,
- kontrolowanie położenia ruchomych części maszyn.
2. Systemy pomiarowe
Fototranzystory przetwarzają wielkości nieelektryczne na sygnał elektryczny. Umożliwiają między innymi:
- pomiar natężenia światła i jasności,
- wyznaczanie położenia oraz przemieszczenia elementów,
- pomiar prędkości obrotowej za pomocą enkoderów i tarcz impulsowych,
- przetwarzanie sygnałów w specjalizowanych układach optoelektronicznych.
3. Interfejsy optyczne i optoizolacja
Fototranzystor jest jednym z podstawowych elementów odbiorczych stosowanych w transoptorach. Dioda LED emituje sygnał, a fototranzystor odbiera go po drugiej stronie bariery izolacyjnej.
Transoptor umożliwia przesyłanie informacji bez bezpośredniego połączenia elektrycznego między obwodami. Zwiększa to bezpieczeństwo urządzenia, pomaga chronić układ sterujący przed przepięciami i ogranicza wpływ części zakłóceń.
4. Czytniki taśm, kart i kodów
W systemach odczytu optycznego fototranzystory rozpoznają zmiany natężenia światła wywołane obecnością otworu, nadruku lub przesuwającego się obiektu. Starsze czytniki kart perforowanych i taśm kodowych wykrywają w ten sposób obecność otworów, natomiast nowoczesne skanery mogą korzystać z matryc elementów światłoczułych.
5. Systemy alarmowe i detekcja ruchu
W systemach bezpieczeństwa fototranzystory wykorzystuje się w:
- barierach wykrywających przerwanie wiązki światła,
- czujnikach zbliżeniowych reagujących na promieniowanie odbite,
- układach alarmowych wykrywających zmianę oświetlenia,
- automatycznych systemach włączających oświetlenie.
6. Przemysł i urządzenia użytkowe
Dodatkowe zastosowania fototranzystorów obejmują:
- liczniki monet i sortery rejestrujące przejście obiektu przez wiązkę światła,
- czujniki papieru i kontrolery marginesów w drukarkach,
- optyczne czujniki cieczy oraz wskaźniki poziomu,
- czujniki obecności stosowane w automatycznych drzwiach i bramach.
Fototranzystor a inne czujniki światła
Dobór detektora zależy przede wszystkim od wymaganej czułości, szybkości, liniowości i sposobu przetwarzania sygnału. Najważniejsze różnice przedstawia poniższe porównanie:
| Cecha | Fototranzystor | Fotodioda | Fotorezystor LDR |
|---|---|---|---|
| Sygnał wyjściowy | prąd sterowany światłem i wewnętrznie wzmacniany | niewielki prąd fotoelektryczny | rezystancja zależna od oświetlenia |
| Czułość | wysoka | umiarkowana bez zewnętrznego wzmacniacza | wysoka przy wolnych zmianach światła |
| Szybkość | średnia | wysoka lub bardzo wysoka | niska |
| Liniowość | ograniczona, zależna od punktu pracy | dobra w odpowiedniej konfiguracji | ograniczona |
| Typowe zastosowania | bariery, enkodery, transoptory i czujniki obecności | szybkie pomiary, komunikacja optyczna i precyzyjne detektory | czujniki zmierzchu i proste regulatory oświetlenia |
Porównanie z fotodiodą
Fotodioda zwykle zapewnia krótszy czas reakcji i lepszą liniowość, ale generuje niewielki prąd, dlatego często wymaga zewnętrznego wzmacniacza. Fototranzystor oferuje wewnętrzne wzmocnienie, co upraszcza wykrywanie słabszego światła, lecz ogranicza szybkość działania.
Fototranzystor dobrze sprawdza się tam, gdzie liczy się duża czułość, a ekstremalnie krótki czas reakcji nie jest wymagany.
Porównanie z fotorezystorem (LDR)
Fotorezystor zmienia rezystancję pod wpływem światła. Jest prosty w użyciu, ale zazwyczaj reaguje znacznie wolniej niż fototranzystor. Z tego powodu LDR wykorzystuje się głównie w czujnikach zmierzchu i nieskomplikowanych regulatorach jasności.
Fototranzystor generuje prąd sterowany światłem, zapewnia większą szybkość i łatwiej współpracuje z wejściami cyfrowymi. Dlatego częściej stosuje się go w barierach optycznych, enkoderach i układach zliczających.
Praktyczne wskazówki projektowe
Podczas projektowania układu warto zwrócić uwagę na następujące kwestie:
- Dobór rezystora obciążenia – zbyt duża rezystancja może ograniczyć zakres pracy i sprzyjać nasyceniu, natomiast zbyt mała zmniejsza zmianę napięcia wyjściowego oraz czułość układu;
- Unikanie głębokiego nasycenia – w układach pomiarowych nasycenie pogarsza liniowość i wydłuża czas powrotu fototranzystora do stanu wyłączenia;
- Filtracja widmowa – filtr przepuszczający wybrany zakres fal, na przykład podczerwień, ogranicza wpływ oświetlenia otoczenia;
- Ekranowanie i optyka – osłony, soczewki i właściwe ustawienie względem nadajnika zwiększają zasięg, selektywność oraz dokładność detekcji;
- Wpływ temperatury – prąd ciemny zwykle rośnie wraz z temperaturą, co może powodować błędy w precyzyjnych układach pomiarowych;
- Modulacja źródła światła – sterowanie nadajnikiem impulsowo i filtrowanie sygnału odbiorczego pomaga odróżnić właściwy sygnał od stałego oświetlenia tła;
- Kontrola parametrów granicznych – napięcie kolektor–emiter, prąd kolektora i moc strat muszą pozostawać w zakresie określonym przez producenta.
