Електроніка для дітей фототранзистор керує двигуном. Фотореле на транзисторах. Області застосування фотоелектронних приладів
або
Як виготовити фототранзистор самостійно
У багатьох радіоаматорських конструкціях зустрічається такий елемент як фототранзистор. Він потрібен в основному в оптичних пристроях: у тих де якийсь пристрій має реагувати на світло (фототир, наприклад...).
Фототранзистор, звичайно, можна і купити, але можна зробити його і самостійноз звичайного транзистора.
Відомо що p-n перехід реагує на зовнішні фактори-температуру та освітлення.
Саме ця властивість і стала підставою для створення таких радіоелементів як терморезистори, фоторезистори (вони хоч і мають назву резистори, але в їх основі міститься напівпровідник), фотодіоди та фототранзистори.
Весь сенс фототранзистора полягає в тому, що при зовнішньому освітленні у нього починає відкриватися перехід Колектор-Емітер і тому фототранзисторивиготовляються у прозорому корпусі.
Прості транзистори мають, навпаки, закритий корпус щоб уникнути цього фотоефекту. Але ж його можна і спиляти...!
Найкраще для цього підходять транзистори виконані в металевому корпусі. З вітчизняних "малогабаритних" це КТ342, КТ3102. З супер-давніх це серія МП (МП25, МП35, МП40 і так далі).
Отже, виготовляємо фототранзистор із простого транзистора
Беремо будь-який відповідний у металевому корпусі (наприклад КТ342) і спилюємо з нього верхівку. При цьому потрібно бути акуратніше, щоб не пошкодити сам кристал.
Підключаємося мультиметром до висновків Колектор і Емітер в режимі вимірювання опору і бачимо, що цей перехід став проводити струм:
У освітленому вигляді цей перехід має опір 3,29 кОм, а якщо його закрити папірцем то опір піднімається до 373 кОм. Все працює!
Тепер потрібно вжити заходів, щоб захистити кристал від пилу. Для цього можна залити його епоксидною смолою або каніфоллю (до речі це навіть ще й збільшить фотоефект, тому що в результаті ми отримаємо своєрідну лінзу).
Примітки
Погортавши різну літературу і пробігшись по форумах я з'ясував що найкращі результати при самостійне виготовлення фототранзисторадають вітчизняні малопотужні кремнієві, причому бажано щоб коефіцієнт посилення у них був більшим.
p align="justify"> Робота різних напівпровідникових приймачів випромінювання (фоторезистори, фотодіоди, фототранзистори, фототиристори) заснована на використанні внутрішнього фотоефекту, який полягає в тому, що під дією випромінювання в напівпровідниках відбувається генерація пар носіїв заряду - електронів і дірок. Ці додаткові носії збільшують електричну провідність. Така додаткова провідність, обумовлена дією фотонів, отримала назву фотопровідності. У металів явище фотопровідності практично відсутня, тому що у них концентрація електронів провідності величезна (приблизно 1022 см -3) і не може помітно збільшитись під дією випромінювання. У деяких приладах за рахунок фотогенерації електронів і дірок виникає ЕРС, яку називають фото-ЕРС, і тоді ці прилади працюють як джерела струму. А в результаті рекомбінації електронів і дірок у напівпровідниках утворюються фотони, і за деяких умов напівпровідникові прилади можуть працювати як джерела випромінювання.
Фототранзистор - фоточутливий напівпровідниковий приймач випромінювання, за структурою подібний до транзистора і забезпечує внутрішнє посилення сигналу. Його можна уявити, що складається з фотодіода і транзистора. Фотодіодом є частина переходу, що висвітлюється, база-колектор, транзистором - частина структури, розташована безпосередньо під емітером. Так як фотодіод і колекторний перехід транзистора конструктивно об'єднані, фотострум підсумовується з колекторним струмом. Напруга живлення підводять так, щоб колекторний перехід був закритий, а емітерний - відкритий. База може бути вимкненою.
На відміну від біполярного транзистора, фототранзистор відсутній електричний контакт до бази, а управління струмом бази здійснюється шляхом зміни її освітленості. З цієї причини конструктивно фототранзистор має лише два висновки – емітер та колектор.
Малюнок 2.1 – а) Схема фототранзистора зі структурою p-n-p;
б) зонна діаграма фототранзистора в активному режимі роботи
На рис. 2.1 показані схема включення фототранзистора та зонна діаграма в активному режимі роботи.
При попаданні світлового потоку на n-область бази у ній генеруються нерівноважні електрони та дірки. Дірки будуть неосновними носіями, збільшення їхньої концентрації призведе до зростання дрейфової компоненти струму з бази в колектор. Величина первинного «затравального» фотоструму виражатиметься такими ж співвідношеннями, як і фотострум діода на основі p-n-переходу. Відмінність тільки в тому, що нерівноважні носії, що беруть участь у фотоструму у фототранзисторі, збираються з області бази, ширина якої W менше, ніж дифузійна довжина L p . Тому щільність первинного «затравного» фотоструму буде:
Внаслідок того, що нерівноважні дірки йдуть з бази в колектор, база заряджена негативно щодо емітера, що еквівалентно прямому зміщенню емітерного переходу фототранзистора. При прямому зміщенні емітерного p-n-переходу утворюється інжекційна компонента струму з емітера в основу. При коефіцієнті передачі емітерного струму б у базі рекомбінують (1-б) інжектованих носіїв або в раз менше, ніж число інжектованих носіїв. В умовах стаціонарного струму число носіїв, що прорекомбінували, в базі повинно дорівнювати їх числу, що пішло з початковим фотострумом. Тому інжекційний струм повинен бути в раз більше, ніж первинний фотострум. Струм колектора I К складатиметься з трьох компонентів: первинного фотоструму I ф, інжекційного I ф і теплового I К0 струму .
I К = I ф+в I ф = (+1) I ф + I К0 (2.2)
Використовуючи вираз для коефіцієнта посилення базового струму через конструктивно-технологічні параметри біполярного транзистора, отримуємо:
Величина первинного фотоструму I Ф виражається через параметри світлового потоку та характеристики напівпровідникового матеріалу стандартним чином:
При освітленні бази у ній з'являються електронно-діркові пари. Так само як і у фотодіоді, пари, що досягли в результаті дифузії колекторного переходу, розділяються полем переходу, неосновні носії з бази рухаються в колектор, при цьому струм його збільшується. Основні носії залишаються в основі, знижуючи її потенціал щодо емітера. При цьому на емітерному переході створюється додаткова пряма напруга, що викликає додаткову інжекцію з емітера в базу і збільшення струму колектора.
Рисунок 2.2 – Енергетична діаграма фототранзистора (а) та вольтамперні характеристики фототранзистора за різних рівнів освітлення (б).
Робота фототранзистора із загальним емітером
Розглянемо, наприклад, роботу фототранзистора у схемі із загальним емітером при відключеній базі. Фотострум колекторного переходу сумується зі зворотним струмом колектора, тому у формулі для струму транзистора замість J К0 слід поставити
J К0 + J Ф / J = (J К0 + J Ф) / (1-б).
При J До 0>> J Ф J = J Ф / (1-б)? вJ Ф, тобто. фотострумів фототранзистора посилюється в раз порівняно струмом фотодіода. Відповідно в раз збільшується і чутливість. Струм може бути посилений у 1000 разів, тому чутливість фототранзистора у багато разів більша за чутливість фотодіода. Однак оскільки добуток коефіцієнта посилення на смугу частот величина стала, то гранична частота зменшується в раз.
Малюнок 2.3 – Еквівалентна схема фототранзистора.
Наявність дифузії носіїв зумовлює значну інерційність приладу ф = 10-5-10-6 с. При звуженні бази час дифузії зменшується, але зменшується чутливість. Для германієвих фототранзисторів SI = 0,2-0,5 А/лм, V раб = 3, I темн = 300 мкА, ф = 0,2 мс. У корпусі приладу передбачено прозоре вікно, через яке світловий потік зазвичай потрапляє на базову область фототранзистора. Площа фоточутливого майданчика становить 1-3 мм2.
Життя для людини стає з кожним днем комфортнішим. З'являються нові винаходи, пристрої, які виконують без людини. Таким пристроєм служить найпростіше фотореле. Його купують у магазині, зробити фотореле своїми руками – економніше та цікавіше. Під руками завжди знайдуться потрібні інструменти та деталі.
Зберемо фотореле своїми руками.
Я купив польовий транзистор. Цю схему я використовував для підсвічування гаража. Працює вже близько двох місяців, проблем немає. Працює від одного акумулятора через , що підвищує. Використовуючи два акумулятори, припаяв їх до DC перетворювача, виставив на ньому 12 вольт. На виході зараз 12 вольт, підключаємо світлодіодну стрічку, вона спалахує.
Переходимо до схеми фотореле. Зробимо, щоб працювала світлодіодна стрічка, ми вимикаємо світло. А коли вмикаємо, вона гаснутиме.
Як зібрати схему, яка працюватиме? Жодних хитромудрих схем з радіоелектроніки ми використовувати не будемо, тому що в них нічого не зрозуміло. Ми будемо використовувати свою схему фотореле, більш зрозумілу кожній людині.
Схема фотореле складається з транзистора, блока живлення, резистора (опір), світлодіодна стрічка та фоторезистор. Беремо транзистор і підписуємо його ніжки. Крайня ліва ніжка – це затвор, крайня права – це виток, середня – стік. Відкладаємо транзистор убік. Наш фоторезистор підключається до затвора та витоку. Мінусовий дріт від світлодіодної стрічки підключається на витік, плюсовий дріт стрічки під'єднуємо на резистор. Плюсовий провід також йде із блока живлення на резистор. Тобто, до резистора підключатимуться два дроти: від світлодіодної стрічки та від блоку живлення плюсові.
Далі, дріт від резистора провід йде на затвор транзистора. Тобто, до затвора транзистора підходитимуть провід від фоторезистора, від резистора (два дроти). Мінусовий провід від блока живлення ми підключаємо до початку. Це схема для роботи підсвічування у темряві, а при включенні світла вимикалася.
Давайте її зберемо і побачимо, як вона працює. Беремо транзистор, фоторезистор, припаюємо до ніжок паяльником. Беремо резистор на кілька кілом. Його розмір особливо не важливий, тому що його потрібно підбирати під себе. Можна поставити більше або менше, змінюватиметься чутливість датчика. Залежно від освітлення та опору резистора у нас буде займатися підсвічування. Беремо світлодіодну стрічку, мінусовий провід припаюємо до стоку, тобто до середньої ніжки. Припаюємо плюсовий провід до резистори до іншого його кінця.
Такий вид нашого проміжного результату складання схеми фотореле своїми руками:
Ми припаяли фоторезистор до крайніх ніжок транзистора. Мінусовий контакт від світлодіодної стрічки припаяли до середньої ніжки. Плюсовий контакт через резистор припаяли до крайньої лівої ніжки (затвора).
Беремо блок живлення, мінусовий контакт, припаюємо його до крайньої правої ніжки (витоку). Плюсовий контакт від блоку живлення ми припаюємо до резистори, туди ж, куди припаяли плюсовий контакт від світлодіодної стрічки. Така схема у вас має вийти за раніше намальованою схемою.
Перевіримо роботу схеми фотореле своїми руками. Закриваємо фоторезистор, спалахує підсвічування. Ця схема є елементарною, дуже дешевою. Радіодеталі стоять справжні копійки.
Сфера застосування фотореле.
Цей прилад використовується у різні періоди доби, на садовій ділянці. З його допомогою відкривають жалюзі, охороняють будинок.
Схема фотореле.
Схема фотореле включає два транзистора, опір, діод, фоторезистор. Транзистор застосовується КТ315Б, що включений як складовий. Навантаження у нього – обмотка реле. Це дає посилення входу, що дозволяє включення зі значним опором.
При підвищенні світла фоторезистор, який включений між базою 1-го транзистора, відкривається 1-й транзистор і №2. З'являється струм колектора 2-го транзистора, реле спрацьовує, контакти замикаються і підключають навантаження. Так працює механізм дії приладу.
Щоб захистити схему від електрорушійної сили індукції під час вимкнення реле підключений діод КД522. Щоб налаштувати потрібну чутливість 1-го транзистора, підключається транзистор з номінальним опором 10 кілоом.
Фотореле служить для освітлення, приміщень, будинків. Схема залежить від багатьох висновків до навантажень.
В електричному щиті ставлять автоматичні вимикачі від замикання та перевантаження.
Джерелом живлення такого реле виробляється від постійного струму від 5 до 15 вольт. Якщо джерело напруги розраховане на 6 вольт, то застосовується фотореле РЕМ-9.
Щоб спаяти схему, краще зробити платню. На платі закріпити корпус, деталі, просвердлити отвори, зробити шляхом паяння.
Для налаштування реле потрібно зайти до темної кімнати, де можна вмикати світло. Підбирається необхідний поріг включення світла резистором змінної величини. Натомість ставлять постійний резистор.
Метод складання фотореле.
Складними приладами роблять фотореле своїми руками із трьох складових. Таким приладом є з вбудованим в нього струм якого 4 ампера, напруга 600 вольт. Схема складається з Q6004LT, резистора, фоторезистора. Напруга – 220 вольт. На світлі фоторезистор дає невеликий опір. На електроді управління існує невелика напруга. Струм на навантаження не йде. При згасанні світла фоторезистор дає збільшення опору, підвищуються імпульси. Коли напруга досягне 40 вольт, симистор відкривається, світло вмикається.
Налаштовується схема резистором. Перший опір дорівнює 47 кілоом. Воно підбирається від освітленості та фоторезистора. Марка фоторезистора може бути будь-якою.
Прилад Q6004LT дозволяє приєднувати до реле потужність 0,5 кВт і більше з додатковим охолодженням. Існують прилади з більш потужними характеристиками.
Перевагою такої схеми є невелика кількість радіодеталей, немає необхідності підключати блок живлення, можна використовувати навантаження великої потужності.
Установка такої схеми не складна, оскільки включає мало елементів. Налагодження також не становить складності, і полягає в тому, щоб встановити ступінь спрацьовування схеми освітлення.
Висновки:
- Багато системах регулювання застосовується фотореле.
- Є безліч схем та систем фотореле з датчиками: фототранзисторами, фотодіодами, фоторезисторами.
- Самому своїми руками можна створити схеми фотореле з найменшою кількістю елементів.
Ремонт фотореле IEK ФР-602.
Попередньо розбираємо корпус, робимо ремонт фотореле. Реле спрацьовує залежно від освітленості, і має включатись освітлення. У нас не працює фотореле. Усередині корпусу схема на фото:
Два проводки я підпаяв сам, знайшов несправний елемент. Це на 24 вольти. Він був пробитий в обох напрямках. Це можна перевірити мультитестером.
Коли я випаяв стабілітрон, почав розбиратися зі схемою. Намагався увімкнути лампочку, без стабілітрона. Там є датчик, який реагує на світ. Ми його прикриваємо, лампочка спалахує. Далі, коли відкриваємо датчик світла, то нічого не відбувається, тому що стабілітрон пробитий, не працює фотореле. Змінюватимемо стабілітрон. Так як зростала напруга в точці стабілітрону, де стоїть конденсатор на 100 мкФ на 50 вольт. Цей конденсатор теж вирішив замінити. Напруга зростала більше, ніж 50 вольт. Якщо темно, то напруга падає у цій точці до 18 вольт, а якщо світло, то піднімається до 80-90 вольт. Стабілітрон мав стабілізувати цю напругу. Тому конденсатор нагрівся і роздувся.
Щоб у майбутньому не мати різних сюрпризів, усе перепаяємо. Випаяємо конденсатор, не плутаємо полярність. Мінус позначений білим штрихуванням. Впаюємо новий конденсатор. Вартість ремонту фотореле складає поки що 10 рублів. Тому ремонтувати варто. Конденсатор, на якому піднімалася напруга вище за номінальну, замінений. Далі, продзвонимо новий стабілітрон на справність. В один бік він відкривається, має опір. В інший бік не відкривається, тобто продзвонюється як діод. Він на 24 вольти.
На схемі стабілітрон позначається як Z1. На платі видно злегка підгорілий майданчик стабілітрона. Він грівся. Стабілітрон має чорну смужку. Припаюємо їй до білого ризику на платі. Замість навантаження у нас підключено лампочку для перевірки працездатності фотореле. А також, подивимося, яка напруга в точці стабілітрона при низькій освітленості і при хорошому світлі. Відкушуємо ніжки, які не потрібні. Підключена вилка, яка встромляється в розетку. Перевіряємо правильність припаювання проводів. На мультиметрі ставимо напругу на 200 вольт. Закриваємо датчик від світла, навантаження (лампочка) увімкнулося. Відкриваємо датчик, стає світло, лампа вимкнулася. Схема працює.
Тепер перевіримо тестером, що відбувається із напругою. При відкритому датчику мультитестер показує 26 вольт. При закритому датчику напруга падає до нуля, включається лампа, напруга 18 вольт. При світлі напруга знову зростає, досягає 26 вольт і спрацьовує стабілітрон. Залишається зібрати всі деталі в корпус і ремонт фотореле закінчено. Існує схема фотореле в Інтернеті.
Просте фотореле.
Його можна використовувати для підсвічування DVD-дисків. Існують два типи схеми. В одному включення активується світлом, а в іншому – темрява. Коли світло світить на фотодіод, відкривається транзистор і спалахує світлодіод №2. Резистором підлаштовуємо чутливість. Фотодіод можна використовувати від комп'ютерної мишки. можна взяти будь-який інфрачервоний. Через його застосування не буде перешкод від світла. Замість світлодіода №2 – будь-який або кілька світлодіодів. Можна навіть використовувати лампочку. Нижче показано дві схеми:
У DVD не завжди використовується фотодіод. У ньому є мікросхема. Якщо немає фотодіода, можна використовувати фоторезистор. А якщо цього немає, то знайдіть старі транзистори серії МП42 або МП39, верхню частину корпусу обточіть напилком. Вийде віконце, яке буде фотодіодом. Він має достатню чутливість для такого застосування. Ще можна поставити інфрачервоний діод від пульта керування телевізором.
Пишіть коментарі, доповнення до статті, може, я щось пропустив. Загляньте на , буду радий якщо ви знайдете на моєму ще щось корисне.
Фоторезистори виготовляють із напівпровідникових матеріалів, які змінюють свій опір залежно від ступеня освітленості. Основна їхня відмінність від інших фотоелектричних приладів полягає у високій стабільності параметрів та лінійності зміни опору в досить широкому діапазоні. Остання властивість дозволяє використовувати фоторезистори не тільки в цифровій автоматиці, але і в аналоговій техніці, наприклад, як гальванічно ізольовані регулятори гучності звуку.
Фоторезистори є відносно інерційними елементами з набагато нижчою (одиниці кілогерц) швидкодією порівняно з фотодіодами та фототранзисторами. Після різких перепадів освітленості їх опір змінюється не стрибком, а «пливе» протягом деякого часу. Це треба враховувати у практичній роботі та витримувати для адаптації до світла невеликі паузи. Наскільки «невеликі» підкаже експеримент.
Залежно від спектральної чутливості фоторезистори діляться на великі групи: до роботи у видимої та інфрачервоної частини спектра. Електричні схеми включення вони збігаються (Рис. 3.44, а…м). Єдине, що треба заздалегідь дізнатися по датасіту, - це максимально допустима робоча напруга. Зокрема, на фоторезистори СФ2-5, СФЗ-4А/Б, СФЗ-5 не можна подавати харчування більше, ніж 1.3…2 В. Переважна більшість фоторезисторів можуть працювати при напругах 5…50 В. Їх темновий опір становить 1…200 МОм , а у освітленому стані - на два-три порядки менше.
Мал. 3.44. Схеми підключення фоторезисторів до МК (початок)-.
а) резистори /?У, утворюють дільник напруги. При освітленні фоторезистора /? У нього опір зменшується. Резистор J служить захистом у разі повного замикання підстроювального резистора та помилкового переведення лінії МКв режим виходу з ВИСОКИМ рівнем. Якщо резистор R2 постійний, резистор R3 можна замінити перемичкою;
в) підключення фоторезистора /?2к МК із прив'язкою до загального дроту, а не до ланцюга живлення. При освітленні фоторезистора R2 напруга на вході МК знижується;
Мал. 3.44.Схеми підключення фоторезисторів до МК (продовження):
г) економічне «реле Турченкова» на германієвих транзисторах VTI, К72 різної провідності. Резистором уста наливають поріг спрацьовування;
д) фоторезистор RI визначає струм бази транзистора УТ1, оскільки він входить у верхнє плече дільника RI, R2. Слід встановити двигун змінного резистора в таке положення, щоб струм бази транзистора УТ1 не перевищив норму при яскравій освітленості фоторезистора;
е) у вихідному стані фоторезистор /?2освітлено, транзистор УТ1 закритий, світлодіод НІ погашений. Коли рівень освітленості фоторезистора знизиться до певного порога (регулюється резистором R3), транзистор відкривається, світлодіод загоряється і на вході МК встановлюється низький рівень;
ж) реєстратор коротких спалахів світла або приймач імпульсно-модульованих сигналів. Транзистор VTI знаходиться в режимі відсікання. Конденсатор С/усуває помилкові спрацьовування від повільних змін освітленості фону, наприклад, при зміні дня вночі;
з) транзистор VTI підвищує чутливість фотодатчика R2, що дозволяє використовувати звичайну лінію порту МК, а не лише вхід АЦП. Резистор задає положення робочої точки транзистора УТ1
і) якщо обидва фоторезистори R2, освітлені, то на вході МК є низький рівень (регулюється резистором R1). Якщо один (будь-який) з фото резисторів буде затемнений, то сумарний «фотоопір» різко збільшиться і на вході МК з'явиться ВИСОКИЙ рівень. Фоторезистори виконують логічну функцію «світлове І»;
Мал. 3.44. Схеми підключення фоторезисторів до МК (закінчення):
к) резистором R3 регулюють поріг спрацьовування ОУ DAI (компаратор напруги). Опір резистора R2 вибирається приблизно таким самим, як RI в «неактивному» стані. При значному видаленні фоторезистора слід екранувати його проводи;
л) конденсатори С/, С2 підвищують стабільність вимірювань, усувають імпульсні перешкоди та створюють невеликий гістерезис при різких коливаннях освітленості;
м) внутрішній аналоговий компаратор МК використовується з метою оцінки рівня освітленості. Використовується метод порівняння вимірюваної напруги з «пилкою», яку виробляє сам МК на негативному виведенні компаратора (вхідна лінія тимчасово стає виходом).
Фотодіоди у схемах на МК
Фотодіоди відносяться до класу напівпровідникових приладів, в основі роботи яких лежить внутрішній фотоефект. При опроміненні /?-А7-переходу фотонами виникає генерація носіїв струму всередині напівпровідника. Зміна струму еквівалентна зміні опору, що легко зафіксувати та виміряти.
Фотодіоди широко використовуються для реєстрації світлових випромінювань. Їхня гідність, у порівнянні з фоторезисторами та фототранзисторами, полягає у високій швидкодії та хорошій чутливості.
Розрізняють два основні режими роботи фотодіодів:
Діодний (фотодіодний, фоторезисторний) із зворотним зміщенням;
Генераторний (фотогальванічний, фотовольтаїчний) без усунення.
Діодний режим використовується частіше та характеризується широким діапазоном
зміни зворотного опору та гарною швидкодією. Генераторний режим має такі недоліки: велика еквівалентна ємність та висока інерційність. Перевага - мінімальний рівень своїх шумів.
Фотодіоди випускають фірми: Vishay, OSRAM, Hamamatsu Photonics, «Кварц» та ін. , Робоча температура -55 ... + 100 ° С. Чутливість фотодіодів знижується з підвищенням температури та напруги. Темновий струм зростає в 2 ... 2.5 рази на кожні 10 ° С, через що в схему часто вводять термокомпенсацію.
Рис. 3.45, а ... показані схеми безпосереднього підключення фотодіодів до МК. Рис. 3.46, а ... е показані схеми з підсилювачами на транзисторах. Рис. 3.47, а ... про - з підсилювачами на мікросхемах.
б) з'єднання фотодіода BLI з ланцюгом живлення. Натискання перемикача SI імітує освітлений стан фотодіода під час тестових перевірок;
в) підвищення загальної чутливості рахунок паралельного включення кількох фотодіодів BLI…Bin. Фотодіоди виконують логічну функцію «світлове АБО»;
г) паралельне включення кількох фотодіодів із прив'язкою до загального дроту;
д) послідовне включення фотодіодів за схемою світлове І. Дозволяє виявити момент затемнення одного з кількох освітлених фотоприймачів на конвеєрі;
е) послідовне включення кількох фотодіодів із прив'язкою до загального дроту;
ж) бруківка схема включення фотодіода BLI, що має підвищену чутливість і гістерезисом (R6). Потрібне попереднє симетрування моста резистором R3.
а) фотодіод BL1 замінює базовий резистор транзисторного підсилювача;
б) миготливий світлодіод НІ служить фотоприймачем. У вихідному стані НІ генерує електричні (не світлові!) імпульси з частотою «блимання» близько 2 Гц. При зовнішньому освітленні генерація зривається, що фіксує МК через транзистор VTI\
в) ключ на транзисторі VT1 підвищує стійкість до перешкод і збільшує крутизну фронтів сигналу від фотодатчика BLL Конденсатор С/ усуває перешкоди від коливань освітленості;
г) оптоізольований частотний змішувач. На вхід МК надходить сигнал з різницевою "світловою" частотою модуляції "/, -/2" від двох світлодіодів HL1 (/j) та HL2 (f2). Контур/1/має бути налаштований на різницеву частоту;
д) підвищення чутливості рахунок паралельного включення двох фотодіодів ВІ, BL2. Транзистор VTI знаходиться у відсіканні і не реагує на повільний дрейф освітленості;
е) замість ОУ DAI можна використовувати аналоговий компаратор МК. Швидкість прийому «лазерного» фотодіода - до 5 Мбіт/с по оптоволоконному кабелю завдовжки 10 км.
а) використання прецизійного підсилювача DA1 (фірма Analog Devices) для забезпечення довготривалої стабільності сигналів від фотодатчика BLI
б) нестандартне включення ІЧ-світлодіода НІ як фотоприймач інфрачервоного діапазону довжин хвиль. Резистором регулюється посилення каскаду на ОУ DAI
в) підсилювач-формувач на "телевізійній" мікросхемі DA1. Резистором регулюється чутливість фотодатчика BLI
г) двополярне харчування ОУ DA/. Конденсатор CI усуває "дзвін" на фронтах сигналу, що виникає при різкій зміні освітленості. Це стандартний прийом для інших схем;
д) для зменшення зовнішніх помехтрансимпедансний підсилювач DA 1.2 (це перетворювач «струм-напруга») охоплений зворотним зв'язком через інтегратор DAI.3. Живлення на ОУ подається від вихідної лінії МК. Опорна напруга 0.5 В формує повторювач DAL /;
Мал. 3.47. Схеми підключення фотодіодів до М К через підсилювачі на мікросхемах
(продовження):
е) фотодіоди ВЦ, 5L2 повинні висвітлюватися по черзі, інакше їхній сумарний опір може вийти настільки низьким, що спрацює перевантаження по струму джерела живлення;
ж) конденсатор С2 усуває «дзвін» за великої власної ємності фотодіода ВІ\
з) вимірювач кольору на фотодіоді BL1 (фірма Advances Photonics), який має «дзвоноподібну» чутливість у діапазоні 150…400 нм. Перемичкою ^S/задається посилення;
і) стабільні параметри фотоприйому в інфрачервоному діапазоні забезпечуються прецизійною мікросхемою Z)/1/ (фірма Analog Devices), фільтром С4, R4…R6 та стабілітроном VDI.
к) зв'язка «підсилювач-детектор-формувач» на ОУ DAI з регулюванням порога (R6)\
Мал. 3.47. Схеми підключення фотодіодів до МК через підсилювачі на мікросхемах
(закінчення):
л) компаратор на мікросхемі DA1 забезпечує високу чутливість та завадостійкість. Резистором J регулюється світловий поріг під конкретний тип фотодіода BL1\
м) резистором регулюється чутливість та виставляється робоча точка логічного елемента DDI (бажано з характеристикою тригера Шмітта, наприклад, К561ТЛ2);
н) BL1 – триколірний RGB-сенсор (фірма Laser Components), DAI – чотириканальний трансімпедансний підсилювач (фірма Promis Electro Optics). Один із чотирьох аналогових каналів підсилювача не використовується. Сигнали з виходів М К задають режими роботи та посилення DA1\) високочутливий реєстратор фото- або радіаційного випромінювання на спеціалізованому pin-фотодіоді ВІ (подібні виготовляються фірмою Hamamatsu Photonics). Елемент DA 1.1 виконує функцію трансімпедансного, а DA1.2 – звичайного підсилювача сигналів.
Фототранзистори у схемах на МК
Фототранзистор - це фоточутливий напівпровідниковий прилад, за структурою подібний до біполярного або польового транзистора. Різниця полягає в тому, що в корпусі передбачено прозоре вікно, через яке світловий потік потрапляє на кристал. Без зовнішнього освітлення, транзистор закритий, струм колектора мізерно малий. При попаданні променів світла на /?-А7-перехід бази транзистор відкривається і різко зростає його колекторний струм.
Фототранзистори, на відміну фоторезисторів, мають високу швидкодію, а на відміну фотодіодів - підсилювальними властивостями (Табл. ЗЛО).
Фототранзистор, у першому наближенні, можна подати у вигляді еквівалентного фотодіода, включеного паралельно колекторному переходу звичайного транзистора. Коефіцієнт посилення фотоструму прямо пропорційний /7213. отже, в стільки ж разів чутливість фототранзистора вища, ніж у фотодіода.
Головним параметром, за яким треба стежити під час розробки схем на фототранзисторах, є колекторний струм. Щоб не перевищити його норму, треба ставити в колекторі/емітер досить великі опори.
Типові параметри: довжина хвилі 550...570 або 830...930 нм, струм колектора в освітленому стані 0.5...10 мА, кут половинної чутливості 15...60°, час наростання/с …6 мкс, робоча температура -55…+ 100°З, провідність п-р-п.
Існують дво- та трививідні фототранзистори. Розрізняються вони між собою насамперед відсутністю/наявністю відведення від бази.
У двовивідних фототранзисторах ззовні є доступ тільки до колектора та емітера. Це ускладнює стабілізацію робочої точки та робить фотоприлад залежним від температури навколишнього середовища, особливо при слабкому освітленні.
Двовисновні фототранзистори та малогабаритні фотодіоди візуально схожі як «близнюки-брати». З'ясувати, що є що, допомагає продзвонювання висновків омметром. Випробувальна напруга на його затисканнях повинна бути не менше 0.7 В. Якщо опір в одному напрямку значно більший, ніж в іншому, це фотодіод. Якщо великий опір продзвонюється у двох напрямках, значить це фототранзистор (або фотодіод, що вийшов з ладу).
Трививідні фототранзистори зустрічаються рідше за двовивідні. Для їх підключення застосовують звичайну транзисторну схемотехніку, а саме стабілізують робочу точку за допомогою дільників на резисторах, вводять зворотні зв'язки, термокомпенсацію і т.д.
Рис. 3.48, а показані схеми безпосереднього підключення фототранзисторів до МК. Рис. 3.49, а ... показані схеми з транзисторними підсилювачами, на Рис. 3.50, а…г – з підсилювачами на мікросхемах.
Мал. 3.48.Схеми безпосереднього підключення фототранзисторів до МК:
а) фототранзистор 5L/ включається за схемою підсилювача із загальним емітером. Допускається робота в режимі мікрострумів колектора (великий опір резистора RI), але при цьому погіршується температурна стабільність. Замість входу АЦП МК часто використовують звичайну цифрову лінію порту з граничною фіксацією стану «є світло»/«немає світла»;
б) паралельне включення фототранзисторів BL1, 5L2 підвищує світлову чутливість. Фототранзистори виконують логічну функцію "АБО" для сигналів від різних джерел світла. Конденсатор С/знижує імпульсні перешкоди. Запаралелених фототранзисторів може бути більше двох;
в) фотоприймач імпульсних та модульованих світлових сигналів. На повільні зміни освітленості пристрій не реагує через розподільний конденсатор С/. Замість резистора можна використовувати внутрішній "pull-up" резистор МК;
г) фототранзистор BLI включається за схемою емітерного повторювача. Конденсатор С/ знижує імпульсні «світлові» перешкоди та мошні електричні наведення, які можуть «просочуватися» на вхід МК, коли фототранзистор перебуває у закритому стані;
д) у трививідному фототранзисторі BLI відведення бази використовується для організації зворотного зв'язку через транзистор VTI. Фільтр RI, С1 блокує сигнали світлового потоку з частотою модуляцією нижче 100 Гц (для усунення спрацьовування датчика від мерехтіння ламп розжарювання);
е) конденсатор С/ та транзистор VT1 організують «світловий ФВЧ» для придушення сигналів світлового потоку з частотою модуляції нижче 80 Гц. Це перешкоджає проходженню на вхід МК перешкод, спричинених мерехтінням ламп розжарювання мережі 50 Гц.
а) вхідний вузол "світлового пістолета" від ігрової відеоприставки "Dendy". Фототранзистор BL1 спрямовується на екран телевізора. Резистором /?2 регулюють дальність прийому;
б) польовий транзистор VTI здійснює узгодження опорів RI та R2\
в) двокаскадний підсилювач на транзисторах різної провідності КГ/, КТ2 забезпечує підвищену чутливість фотодатчика ВІ\
г) покращений варіант фотодатчика для «світлового пістолета» з авто підстроюванням під різну яскравість фону. Елементи VTI, R1, R2 утворюють динамічний стабілізатор струму;
д) резистором R2 збирається таке положення, щоб транзистор VTI був відкритий за відсутності освітлення фототранзистора BLL Конденсатор С1 фільтрує перешкоди;
е) тригер Шмітта на польових транзисторах VTI, КТ'2 визначає поріг спрацьовування фотодатчика BL1. Конденсатор С1 усуває імпульсні світлові перешкоди;
ж) діоди VD1, підвищують завадостійкість підсилювача на транзисторі VTI\0
з) трикаскадний підсилювач на транзисторах КГ/… з візуальною індикацією прийому посилок від інфрачервоного датчика L/ світлодіодом HL1.
Мал. 3.50. Схеми підключення фототранзисторів до МК через підсилювачі на мікросхемах:
а) фототранзисторний датчик BLI з інтегральним компаратором DAI wc широким діапазоном регулювання параметрів за допомогою двох змінних резисторів R2, R3\
б) тригер Шмітта на логічній мікросхемі DZ)/покращує завадостійкість і збільшує крутість фронтів сигналів, що надходять від фоготранзистора ВІ\
в) фототранзистор ^L/для підвищення точності спрацьовування підключається до зовнішнього інтегрального компаратора DA1. Конденсатор З/ збільшує крутість фронтів сигналів;
г) смуговий фільтр на мікросхемі тонального декодера DA / (фірма National Semiconductor) обробляє їм пул ьсно-модульовані світлові сигнали, що приймаються фототранзистором BLI. Центральна частота фільтра визначається за формулою /^„[кГц] = 1/(/?2[кОм]-С4[мкФ]). Смуга пропускання фільтра обернено пропорційна ємності конденсатора С2. Резистором /?/встановлюється оптимальний рівень вхідного сигналу DAI в діапазоні 100...200 мВ.
Фоторезистори – напівпровідникові резистори, опір яких змінюється під впливом електромагнітного випромінювання оптичного діапазону.
Світлочутливий елемент таких приладів являє собою прямокутну або круглу таблетку спресовану з напівпровідникового матеріалу, або тонкий шар напівпровідника, нанесеного на скляну пластинку - підкладку. Напівпровідниковий шар з обох боків має висновки для підключення фоторезистора до схеми. На важливих схемах фоторезистор позначається знаком резистора в гуртку з бічними стрілками.
Електропровідність фоторезистора залежить від освітленості. Чим яскравіше освітлення приладу, тим менше опір фоторезистора і більше струм ланцюга.
Дані прилади використовуються у схемах автоматичного регулювання.
Фотодіоди є різновидом напівпровідникових діодів. Поки фотоелемент не освіжений, шар, що замикає, перешкоджає взаємному обміну електронів і дірок між шарами напівпровідника. При опроміненні світло проникає у шар «р» та вибиває з нього електрони. Електрони, що звільнилися, проходять у шар «n» і там нейтралізують дірки. Між висновками фотодіода виникає різниця потенціалів, яка може бути посилена електронною схемою для включення пристроїв автоматики та телемеханіки.
З фотодіодів збираються батареї живлення у побуті та на космічних кораблях.
Фототранзистори - фотоелементи, основою якого є транзистори. У цьому фоторелі освітлення застосований фототранзистор прямої провідності. Для надходження світлового потоку на напівпровідниковий кристал кришка транзистора видаляється простим зняттям кусачками.
Фотореле на малюнку вище служить для автоматичного вимкнення або увімкнення виконавчих пристроїв при зміні освітлення.
Резистор R1,R2 і фототранзистор VT1 представляють дільник напруги з урахуванням транзистора VT2. При освітленні фототранзистора VT1 напруга з урахуванням транзистора VT2 знижується, транзистор VT2 закривається, а VT3 відкривається.
Реле К1 спрацьовує від проходження струму та розмикає контакти К 1-2, живлення навантаження припиняється. Діод VD2 захищає транзистор VT3 від імпульсних перешкод, які виникають при перемиканні струму в обмотці реле К1.
Контакти реле можуть використовуватись для перемикання виконавчих пристроїв автоматики та телемеханіки.
Резистором R1 встановлюється поріг чутливості, а R4 – поріг освітленості.
Світлодіод HL1 відображає включення живлення та режим спрацьовування реле К1. Конденсатор С1 усуває спрацьовування реле за наявності перешкод. Живлення схеми реле стабілізовано аналоговою мікросхемою DA1. Конденсатори С2, С3 входять у фільтр, що згладжує. Діодний міст VD1 обраний струм до 1 ампера і напруга 50-100 Вольт.
Пристрій має вимикач електромережі S1 і запобіжник F1.
Конструкція фототранзистора VT1 проста: видаляється «шапка» транзистора кусачками, транзистор приклеюється до гайки М.8, а гайка з транзистором до шматка скла і кріпиться на прилад.
|
Найменування |
Заміна |
Кількість |
Примітка |
||
|
Фототранзистор |
за малюнком |
||||
|
Транзистор |
|||||
|
Транзистор |
|||||
|
Резистори |
Змінні тип-А |
||||
|
Конденсатори |
Елекроліти |
||||
|
Стабілізатор |
Правильно зібраний пристрій має працювати одразу. При верхньому положенні двигуна резистора R1 та середньому положенні резистора R4, при подачі освітлення на фототранзистор VT1 реле К1 має спрацьовувати. Попередньо реле перевірити прямим включенням живлення 12 вольт. Резистором R1 "підігнати" чутливість фотореле при заданому освітленні R4.
Список радіоелементів
| Позначення | Тип | Номінал | Кількість | Примітка | Магазин | Мій блокнот |
|---|---|---|---|---|---|---|
| DA1 | Лінійний регулятор | LM7812 | 1 | До блокноту | ||
| VT1, VT2 | Біполярний транзистор | МП42Б | 2 | До блокноту | ||
| VT3 | Біполярний транзистор | МП25Б | 1 | До блокноту | ||
| VD1 | Випрямний діод | 1N4005 | 4 | До блокноту | ||
| VD2 | Випрямний діод | 1N4007 | 1 | До блокноту | ||
| VD3 | Діод | КД512Б | 1 | До блокноту | ||
| З 1 | 10 мкФ | 1 | До блокноту | |||
| С2 | Електролітичний конденсатор | 1000 мкФ 16 В | 1 | До блокноту | ||
| С3 | Електролітичний конденсатор | 100 мкФ | 1 | До блокноту | ||
| R1 | Змінний резистор | 100 ком | 1 | До блокноту | ||
| R2 | Резистор | 1 ком | 1 | До блокноту | ||
| R3 | Резистор | 3.3 ком | 1 | До блокноту | ||
| R4 | Змінний резистор | 100 Ом | 1 | До блокноту | ||
| R5 | Резистор | 1.1 ком | 1 | До блокноту | ||
| HL1 | Світлодіод |
