Phototransistors Circuit Conception et fonctionnalité

Un phototransistor est un dispositif semi-conducteur conçu pour convertir la lumière en énergie électrique, fonctionnant de manière similaire à un transistor standard, mais avec la lumière comme mécanisme de contrôle au lieu du courant électrique.Proposée pour la première fois par William Shockley en 1951, les phototransistors ont évolué en composants largement accessibles et abordables dans les circuits électroniques.Au fil du temps, ils ont été intégrés dans une gamme d'appareils, servant de capteurs d'éclairage efficaces pour diverses applications.Cet article explore la construction, les types, l'exploitation, les avantages et les inconvénients des phototransistors, fournissant un aperçu complet pour comprendre ce composant électronique.

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Comprendre les phototransistors

Un phototransistor est un composant électronique qui agit à la fois comme un commutateur et un amplificateur de courant, en fonction de l'exposition à la lumière.Lorsque la base du phototransistor est éclairée, elle génère un flux proportionnel de courant inversé.Contrairement aux transistors réguliers, qui sont contrôlés par le courant électrique, les phototransistors sont activés par la lumière, ce qui les rend idéaux pour les applications qui nécessitent une détection de lumière et une conversion en signaux électriques.Leur gain élevé et leur abordabilité les rendent largement utilisés dans diverses industries.Ils opèrent de manière similaire à un photorésistance mais ont la capacité supplémentaire de générer à la fois le courant et la tension, contrairement aux photorésistants, qui produisent principalement le courant en raison de changements de résistance.

Les phototransistors sont généralement fabriqués à partir de matériaux semi-conducteurs, y compris le silicium, qui sont sensibles à la lumière visible et infrarouge.La borne de base de l'appareil est exposée à la lumière, et plutôt que de nécessiter un courant électrique pour l'activer, le phototransistor s'appuie sur des photons entrants pour moduler le flux de courant.La construction de l'appareil lui permet de répondre à un large éventail de lumière, du rayonnement visible à l'infrarouge, ce qui le rend polyvalent pour de nombreuses applications en électronique et technologie de détection.

Conception et structure d'un phototransistor

La construction d'un phototransistor implique un transistor de jonction bipolaire (BJT) avec sa région de base exposée à la lumière.L'appareil est généralement fabriqué en deux configurations: P-N-P et N-P-N, la configuration d'émetteur commune étant la plus fréquemment utilisée.Contrairement à un transistor standard, un phototransistor présente des régions de base et de collection plus grandes pour améliorer sa sensibilité à la lumière.

Historiquement, les phototransistors ont été construits à l'aide de matériaux de semi-conducteurs uniques comme le silicium et le germanium.Cependant, les versions modernes utilisent des matériaux tels que l'arséniure de gallium pour une meilleure efficacité.Le phototransistor se compose de trois terminaux: l'émetteur, le collecteur et la base.En l'absence de lumière, un petit courant circule dû aux paires d'électrons de trous générés thermiquement, provoquant une légère chute de tension à travers la résistance de charge.Lorsque la lumière frappe la jonction, le flux de courant augmente, entraînant une amplification.La jonction collectrice du transistor est particulièrement sensible à la lumière, et son fonctionnement dépend fortement de l'intensité de la lumière qu'elle reçoit.Cela conduit à des gains actuels qui peuvent aller de centaines à des milliers.

Différents types de phototransistor

Les phototransistors peuvent être divisés en deux types principaux: le transistor à jonction bipolaire (BJT) et le transistor à effet de champ (FET).

Bjt phototransistor

Un phototransistor BJT fonctionne avec une faible fuite entre le collecteur et l'émetteur en l'absence de lumière, généralement autour de 100NA.Cependant, l'exposition à la lumière permet au phototransistor de gérer des courants beaucoup plus élevés, jusqu'à 50 mA.Cette capacité de courant élevée distingue le phototransistor BJT des photodiodes, qui ne peuvent gérer que des niveaux de courant beaucoup plus bas.

Phototransistor

Le phototransistor FET fonctionne avec deux bornes internes qui se connectent via son collecteur et émetteur ou source et s'écoulent dans le cas d'un FET.La borne de base du phototransistor est sensible à la lumière, qui régule le flux de courant entre ces terminaux.

Circuit de phototransistor

Le fonctionnement d'un phototransistor dans un circuit est similaire à celui d'un transistor régulier, amplifiant le courant de base pour produire un courant de collecteur.Cependant, le courant de base dans un phototransistor est contrôlé par la lumière plutôt que par un signal électrique externe.Cela permet aux phototransistors de fonctionner comme des commutateurs ou des amplificateurs sensibles à la lumière dans diverses applications.

Dans un circuit de base, le courant du collecteur est influencé par le niveau de lumière tombant sur la borne de base et la tension de sortie fluctue en conséquence.Cette tension peut être connectée à un amplificateur opérationnel pour augmenter le signal ou directement acheminé vers un microcontrôleur pour un traitement ultérieur.Les phototransistors sont sensibles à un large éventail de lumière, des UV à proche infrarouge, et leur sortie dépend à la fois de l'intensité de la lumière entrante et des caractéristiques de leur jonction de collection exposée.

Caractéristiques et modes de fonctionnement

Les phototransistors offrent des capacités d'amplification.La quantité de courant générée par les photons incidents à la borne de base peut être amplifiée par le gain du transistor, avec des gains de courant allant de 100 à plusieurs milliers.Par rapport aux photodiodes, les phototransistors offrent une sensibilité supérieure et des niveaux de bruit plus faibles.

Pour une sensibilité encore plus grande, un transistor à photodarlington peut être utilisé.Ce type se compose de deux transistors connectés en tandem, ce qui permet un gain de courant exceptionnellement élevé jusqu'à 100 000 fois.Cependant, les transistors Photodarlington présentent des temps de réponse plus lents par rapport aux phototransistors standard.Les circuits de phototransistor fonctionnent en deux modes principaux: les modes actifs et de commutation.

Mode commutateur

En mode commutateur, le phototransistor se comporte de manière binaire: quand il n'y a pas de lumière, pas de flux de courant;Lorsque la lumière est présente, le courant commence à couler.Ce mode est couramment utilisé dans les applications où la détection de lumière déclenche un état ON / OFF.

Mode actif

Le mode actif ou linéaire permet au phototransistor de répondre proportionnellement à l'intensité lumineuse.Dans ce mode, le flux de courant augmente à mesure que l'intensité de la lumière augmente, offrant un contrôle plus précis pour les applications qui nécessitent une conversion de lumière à courant analogique.

Métriques de performance pour la sélection de phototransistor

Placer dans le sujet du choix du bon phototransistor exige une exploration approfondie de diverses mesures de performance.Chaque métrique offre une bonne perspective dans l'efficacité de l'appareil pour des utilisations spécifiques, permettant une compréhension détaillée de leurs implications et des équilibres complexes requis.

Caractéristiques

Les spécifications importantes comprennent:

• Courant de collecteur: Reflète la capacité du phototransistor à gérer le débit de charge électrique, ce qui a un impact sur les performances sous variation de la lumière.

• Longueur d'onde maximale: Offre des conseils sur la sélection des appareils les plus adaptés à des sources lumineuses spécifiques pour une sensibilité améliorée.

• Tensions de panne: Fournit un aperçu de la résilience des appareils contre les surtensions électriques, particulièrement utiles dans les environnements avec une instabilité de tension.

• Temps de réponse: Détermine à quel point le phototransistor s'adapte rapidement aux changements d'intensité de lumière, cruciaux pour les applications rapides.

Paramètres de conception

La sensibilité d'un phototransistor est influencée par les matériaux utilisés dans sa construction.Alors que les dispositifs monomatériaux comme le silicium offrent des gains allant de 50 à quelques centaines, les appareils avec plusieurs matériaux (hétérostructures) peuvent obtenir des gains plus élevés mais sont plus coûteux à produire.Différents matériaux réagissent également à des longueurs d'onde de lumière variables, comme le silicium (190 à 1100 nm), le germanium (400 à 1700 nm) et l'arséniure de gallium d'indium (800 à 2600 nm).

De plus, la technologie de montage joue un grand rôle dans la fonctionnalité d'un phototransistor.La technologie de montage de surface (SMT) et la technologie à travers le trous (THT) sont couramment utilisées pour attacher des phototransistors aux circuits imprimés.Ces composants peuvent inclure des filtres pour bloquer les revêtements légers ou anti-réflexits indésirables pour améliorer la sensibilité.

Différences entre la photodiode et le phototransistor

Photodides et phototransisistors, deux dispositifs semi-conducteurs convertissant la lumière en signaux électriques, fonctionnent de manière unique sur différentes applications.La photodiode est apte à générer du courant lors d'une exposition à la lumière, avec un temps de réponse rapide, ce qui le rend bien adapté aux applications où la précision de synchronisation est importante, comme dans les systèmes de balayage à grande vitesse ou de transmission de données.Sa sensibilité, cependant, a tendance à être plus faible, ce qui peut limiter son utilisation dans des environnements avec la lumière.

Bien que les photodiodes et les phototransisseurs convertissent la lumière en signaux électriques, ils diffèrent de plusieurs manières.Une photodiode produit du courant lorsqu'elle est exposée à la lumière mais a une sensibilité plus faible et des temps de réponse plus rapides par rapport à un phototransistor.En revanche, un phototransistor génère à la fois le courant et la tension, avec une sensibilité plus élevée à la lumière, ce qui le rend plus adapté aux conditions de faible luminosité.Les phototransistors sont couramment utilisés dans les applications nécessitant une amplification, comme dans les détecteurs de fumée ou les récepteurs optiques, tandis que les photodiodes sont mieux adaptées à l'énergie solaire et à la mesure de la lumière.

Caractéristiques distinguées des phototransistors

Réactivité spectrale et rentabilité

Les phototransistors sont célébrés pour une détection de lumière économiquement efficace et cohérente sur une large gamme spectrale, les établissant comme des agrafes dans de nombreuses applications.Ils démontrent une réactivité spectrale qui englobe un spectre de longueur d'onde plus étendue que les photodiodes conventionnelles.Cette caractéristique permet l'adaptabilité à travers divers scénarios d'éclairage, améliorant leur attrait dans les industries s'efforçant d'harmoniser la performance avec les considérations budgétaires.Ils trouvent fréquemment des rôles dans l'électronique grand public, où des contraintes financières existent, mais l'efficacité opérationnelle est prioritaire.

Temps de réaction et dynamique de l'appareil

Connues pour leur nature adaptable, les phototransistors affichent des temps de réaction modérés, présentant diverses implications pour la mise en œuvre.Vous pouvez fréquemment évaluer ces temps conformément aux exigences du système;Par exemple, dans les environnements où les fluctuations de la lumière sont progressives, la réponse tranquille des phototransistors est bénéfique.En revanche, lorsque les réponses rapides sont importantes IKE dans les transitions de données optiques rapides, une analyse minutieuse est nécessaire.C'est une expérience courante que l'intégration de circuits supplémentaires pour améliorer la vitesse peut atténuer ces contraintes, fournissant une solution élégante.

Conceptions structurelles et adaptabilité électrique

Les phototransistors sont disponibles dans un éventail de conceptions structurelles adaptées pour répondre aux critères physiques et opérationnels spécifiques.Cette diversité renforce leur capacité à être intégrée dans des systèmes sophistiqués, y compris ceux qui ont des limitations d'espace ou des formes non conventionnelles.Leur polyvalence de conception structurelle est encore améliorée par leur similitude électrique avec les transistors de signal standard, élargissant leur applicabilité.Cette ressemblance facilite l'adaptation des circuits lisses, permettant à la familiarisation des transistors ordinaires de mettre en œuvre des phototransistors sans réapparition approfondie, un témoignage de l'efficacité et de l'efficacité de l'approche à l'échelle de l'industrie.

Avantages et limites du phototransistor

Les phototransistors offrent de multiples avantages, notamment:

• Génération de courant élevée par rapport aux photodiodes

• Abordabilité et compacité, ce qui les rend adaptés à l'intégration dans les puces informatiques

• Fonctionnement rapide avec une sortie presque instantanée

• Capacité à générer une tension, contrairement aux photorésistants

Malgré leurs avantages, les phototransistors ont également des limites:

• Les phototransistors à base de silicium ne peuvent pas gérer des tensions supérieures à 1 000 V

• Ils sont sensibles aux surtensions électriques, aux pointes et aux interférences électromagnétiques

• Leur mobilité électronique est inférieure à celle des autres composants comme les tubes électroniques

Utilisations de phototransistors

Les phototransistors enrichissent diverses applications technologiques, passant des lecteurs historiques de la carte de punch aux cadres de sécurité de pointe, des encodeurs à grande vitesse, des détecteurs infrarouges (IR) et des systèmes de contrôle complexes.Leur capacité inhérente à détecter la lumière avec une sensibilité remarquable les rend dans le fonctionnement transparent de nombreux électroniques modernes.Les phototransistors sont utilisés dans une grande variété d'applications, notamment:

• lecteurs de cartes de punch

• Systèmes de sécurité

• Encodeurs pour la mesure de la vitesse et de la direction

• Détecteurs infrarouges pour commandes photoélectriques

• Circuits de logique informatique

• Systèmes de contrôle d'éclairage (par exemple, feux de route)

• Comptage des systèmes

Conclusion

Les phototransistors jouent un grand rôle dans la détection de la lumière pour de nombreux appareils électroniques.Leur polyvalence, leur sensibilité et leur rentabilité les rendent indispensables dans des applications allant de la détection de la fumée aux systèmes de détection optique, en les distinguant comme un composant précieux dans l'électronique moderne.