Как сделать фотодиод из транзистора. Оптические датчики

Эта статья заинтересует в первую очередь тех, кто любит и умеет мастерить. Конечно, можно купить различные готовые устройства и приборы, в том числе и изделия солнечной фотовольтаики в сборе или россыпью. Но умельцам намного интереснее создать собственное устройство, не похожее на другие, но обладающее уникальными свойствами. Например, из транзисторов своими руками может быть изготовлена солнечная батарея, на базе этой солнечной батареи могут быть собраны различные устройства, например, датчик освещенности или маломощное зарядное устройство.

Что такое транзистор

Для того, чтобы углубиться в тематику различных видов транзисторов, а конкретно в нашем случае узнать больше о транзисторе Дарлингтона, предлагаю сначала узнать все о самом простом транзисторе. Давайте разберемся, зачем он нужен и как он работает.
Начать хотелось бы с такого понятия, как триод. Это в общем такая лампа, которая может управлять током в цепи. Так вот, транзистор это тоже такой полупроводниковый триод, только уже без лампы. У него есть целых 3 вывода. Для чего оно надо? Транзисторы используются для коммутации и преобразования тока в цепи, при этом питаясь от небольшого входного тока. В электронике они используются очень часто. Например, их применяют во всех управляющих схемах различных электронных устройств (в тех же компьютерных платах). Конечно, иногда их еще можно заменить реле и тиристорами, но у тех тоже есть свои существенные недостатки, но это уже, как вы понимаете, совсем другая история. Вот так выглядит самый обыкновенный транзистор:

Полезные источники

1. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. Том 1. — М.: Мир, 1993.
2. Управление мощной нагрузкой переменного тока
3. Управление мощной нагрузкой постоянного тока. Часть 1
4. Управление мощной нагрузкой постоянного тока. Часть 2
5. Управление мощной нагрузкой постоянного тока. Часть 3
6. Щелкаем реле правильно: коммутация мощных нагрузок
7. Управление мощной нагрузкой переменного тока
8. Управление MOSFET-ами #1
9. Современные высоковольтные драйверы MOSFET- и IGBT-транзисторов
10. Ключ на плечо! – особенности применения высоковольтных драйверов производства IR

Как работает транзистор

Когда мы с вами, друзья мои, разобрались в том, что вообще такое этот транзистор, давайте узнаем, как он работает. Устроен он довольно просто, нужно просто понять принцип. Для этого введем два очень важных понятия: эмиттер и коллектор. Эмиттер (как и в слове эмиссия) выпускает заряды и они двигаются в сторону коллектора. Так вот, в состоянии покоя, когда, грубо говоря, все выключено, ток в транзисторе не протекает, потому что между эмиттером и коллектором есть полупроводниковый переход. Однако, когда подается незначительное напряжение на базу транзистора, ток начинает течь и при этом даже можно его усиливать. Как? Колебания небольшого тока в точности повторяются, но уже с большей амплитудой. Вот схема простого транзистора:

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

Чем отличаются разные транзисторы

На примере простого транзистора мы разобрали его принцип работы, однако их бывает великое множество. Давайте научимся их отличать и узнаем, зачем каждый из них нужен.

Биполярные

Биполярные транзисторы — это самые популярные. В полупроводника в таких транзисторах есть два p-n перехода. Заряд через них переносится дырками и электронами.

Среди них тоже различают несколько подвидов (они зависят от расположения переходов и количества электродов), среди которых:

• составной транзистор pnp тип;
• составной транзистор npn тип;
• более сложные многоэлектродные (может быть сразу 2 эмиттера);
• транзисторы на гетеропереходах.

Лавинные транзисторы

Это поистине интересный вид транзисторов, ведь он работает очень эффективно и при этом очень быстро. Их основные плюсы — это высокие рабочие напряжения и, конечно же, скорость включения, а это очень важно в электронике. Ученые до сих пор ломают голову, как можно использовать эти транзисторы с максимальным КПД, хотя они и сейчас показывают потрясающие результаты.

Однопереходные транзисторы

Существуют в мире и такие транзисторы. Тут всего один переход, поэтому и классификация гораздо проще:

• первый тип это с “p” базой;
• а второй это с “n” базой.

Транзисторы с управляющим переходом

Это тоже очень интересный и необычный вид транзисторов, ведь у него, как и следует из названия, управляемый переход, что делает его еще более универсальным, но и приводит его к удорожанию. На подвидах мы останавливаться не будем, так они все примерно такие же, как и у предыдущих.

Транзисторы с изолированным затвором

А это еще что за затвор, могли бы вы подумать. Рассказываю. Как я уже писал выше, транзистор начинает работать, когда на него подают небольшое напряжение. Так вот, тот электрод, на которые напряжение подается и называется затвором. Здесь ничего особенного, просто сам затвор изолируется, что дает больше возможностей для управления транзистором и для некоторых задач это, действительно, очень полезно.

Теперь, когда мы знаем достаточно много о транзисторах, предлагаем вам углубиться в историю и узнать, как появился тот самый транзистор Дарлингтона.

История появления транзисторов

На заре прошлых веков конца 19 века ученые физики и практики (Гутри, Браун, Эдисон, Боус, Пикард, Флеминг) разных стран совершили принципиальное открытие и получили патенты на «детектор», «выпрямитель» — так тогда называли диод. Вслед за диодом последовало эпохальное открытие транзистора. Перечисление имен ученых разных стран, приложивших голову и руки к открытию транзистора, заняло бы много строк.

Основными теоретиками считаются Шокли, работавший в Bell Telephone Laboratories, а также его коллеги Бардин и Браттейн.

Слева направо: Шокли, Бардин и Браттейн

В итоге их работ, в 1947 году, получен первый образец работающего точечного германиевого транзистора, и на его основе, в том же году, был разработан первый усилитель, имевший коэффициент усиления 20 (в 10 раз) на частоте 10 Мгц.

Серийный выпуск точечных транзисторов фирмой Western Electric начался в 1951 году и достиг около 10 000 штук в месяц в 1952 году. В СССР первый точечный транзистор был создан в 1949 г. Серийный выпуск точечных транзисторов был налажен в 1952 году, а плоскостных — в 1955 году. Затем последовали следующие открытия в теории и технологиях: транзисторы на выращенных переходах (1950 г.), сплавные транзисторы (1952 г.), диффузные мета-транзисторы (1958 г.), планарные транзисторы (1960 г.), эпитаксиальные транзисторы (1963 г.), многоэмиттерные транзисторы (1965 г.) и т. д.

Как же появился среди них наш герой — транзистор Дарлингтона (далее по тексту ТД)? Дарлингтон (англ. Darlingtone) — город в в Великобритании. Однако и люди могут иметь фамилии по имени городов или наоборот. Таким является сотрудник все той же фирмы Bell — Сидни Дарлингтон

Сидни Дарлингтон

Статью о транзисторе Дарлингтона на англ. языке можно прочитать здесь.

Зачем же потребовалась эта «сладкая парочка»? Дело в том, что первые транзисторы имели весьма посредственные характеристики, если смотреть на сегодняшние успехи. Прежде всего — невысокий коэффициент усиления. Сейчас это кажется странным — подумаешь, каскадное соединение — это элементарно! Но тогда, в 1953 году — это были пионерские работы.

Обозначения параметров транзистора

Давайте договоримся об обозначениях тех или иных параметров, аббревиатурах которые нам будут нужны при обсуждении, расчетах и моделировании схем. Будем использовать для этого общепринятые в даташитах (datasheet — техническое описание или паспорт на радиоэлемент) обозначения.

Аббревиатуры:

Основные параметры транзистора по даташиту:

Параметры (заданные, измеренные или расчетные):

Транзисторные основы

Что мы здесь можем сказать нового? Да ничего! Но повторить основы все же полезно, не так ли?

Основные догмы о биполярном транзисторе:

1. Транзистор — это токовый прибор. Ток базы управляем током коллектора.
2. Транзистор имеет всего три вывода. База (Б), коллектор (К) и эмиттер (Э) и соответственно на англ. B (Base), С (Collector), E (Emitter).
3. Ток эмиттера — это сумма токов коллектора и базы. IЭ =IК +IБ
4. Коэффициент усиления по току в схеме с ОЭ — это отношение приращений тока коллектора к току базы. h21e (β)=ΔIK / ΔIБ .
5. h21e зависит от тока коллектора. При минимальных или максимальных его значениях h21e стремится к нулю.
6. По входу (при обратном напряжении), транзистор напоминает диод в прямом включении.
7. По входу (при обратном напряжении), транзистор напоминает стабилитрон.
8. Транзистор в закрытом состоянии все же поддается и дает ток утечки.
9. Не подключенная никуда база транзистора, которая висит в воздухе — это его смерть. Поэтому надо обязательно садить базу на землю через высокоомный резистор.
10. Транзистор в открытом состоянии обеспечит ненулевое падение напряжения на переходе База-Эмиттер и оно примерно составит сотни миллиВольт, а точнее от 0,5-0,7 Вольт.
11. Транзистор не любит высоких частот. Знаете ли, всякие эффекты Миллера и прочее.
12. При большой мощности нагрузки, корпус транзистора изготавливается определенным образом, чтобы можно было его поставить на радиатор
13. Область безопасной работы (ОБР) — это все транзисторные ограничения при сочетании предельных тока и напряжения
14. Минимальные шумы транзистора достигаются при минимально-оптимальных токах коллектора
15. Максимальное быстродействие транзистора достигается при максимально-оптимальных токах коллектора.

Отлично! Узнав много об истории транзисторов и освежив в голове основы транзисторов мы возвращаемся к транзистору Дарлингтона, ведь мы еще до сих пор не поняли, чем же он так примечателен.

Примеры симисторов

Примеры симисторов приведены в таблице ниже. Здесь — ток удержания, — максимальный ток, — максимальное напряжение, — отпирающий ток.

С точки зрения микроконтроллера, реле само является мощной нагрузкой, причём индуктивной. Поэтому для включения или выключения реле нужно использовать, например, транзисторный ключ. Схема подключения и также улучшение этой схемы было рассмотрено ранее.

Реле подкупают своей простотой и эффективностью. Например, реле HLS8-22F-5VDC — управляется напряжением 5 В и способно коммутировать нагрузку, потребляющую ток до 15 А.

Главное преимущество реле — простота использования — омрачается несколькими недостатками:

• это механический прибор и контакты могу загрязниться или даже привариться друг к другу,
• меньшая скорость переключения,
• сравнительно большие токи для переключения,
• контакты щёлкают.

Часть этих недостатков устранена в так называемых твердотельных реле. Это, фактически, полупроводниковые приборы с гальванической развязкой, содержащие внутри полноценную схему мощного ключа.

Сначала о том, почему составной

Как вы уже поняли, транзистор изобрел инженер Дарлингтон, но в итоге это изобретение получило двойное имя. С одной стороны, это транзистор Дарлингтона, но с другой же, составной транзистор. Так почему же составной? Ведь когда мы говорили о видах, ни о каких составных речи не шло. Все просто, друзья мои. Дарлингтон решил использовать сразу 2 биполярных транзистора. Они были реализованы на одном кристалле, сделанном из кремния и там, естественно было 2 перехода. На Западе это изобретение привыкли называть транзистором Дарлингтона, а у нас его по-простому называют составным. Ну что, давайте узнаем о нем еще больше.

Управление индуктивной нагрузкой

При управлении индуктивной нагрузкой, такой как электродвигатель, или при наличии помех в сети напряжение может стать достаточно большим, чтобы симистор самопроизвольно открылся. Для борьбы с этим явлением в схему необходимо добавить снаббер — это сглаживающий конденсатор и резистор параллельно симистору.

Снаббер не сильно улучшает ситуацию с выбросами, но с ним лучше, чем без него.

Керамический конденсатор должен быть рассчитан на напряжение, большее пикового в сети питания. Ещё раз вспомним, что для 230 В — это 325 В. Лучше брать с запасом.

Есть также модели симисторов, которым не требуется снаббер. Например, BTA06-600C.

Ну и что здесь такого особенного?

Для того, чтобы разобраться в главных преимуществах составного транзистора, нужно вспомнить, зачем вообще нужен транзистор. Конечно, он же усиливает ток. И у каждого транзистора свой коэффициент усиления, то есть во сколько раз усиливается ток данным транзистором. Так вот, представим, что у одного транзистора это число равно 60, а у другого 100. Отмечу, что каждый новый транзистор не суммирует коэффициент, а умножает, а значит в итоге мы получим итоговое усилие в 6000 и это очень больше цифры.

Даже это еще можно улучшить

Один не очень известный инженер, называющий себя Шиклаи увидев, как работает составной транзистор был очень впечатлен. Первое время он думал, что это действительно предел совершенства, но однажды к нему пришло озарение и он придумал, как можно сделать это устройство еще более эффективным. Итоговый транзистор, который назвали комплементарным транзистором Дарлингтона. Он состоит из биполярных транзисторов разной проводимости. Что это дает? Иногда это помогает еще сильнее увеличивать коэффициент усиления, а это как раз то, что нужно. Вот, взгляните на схему:

Плюсы и минусы составного транзистора

Если говорить о плюсах этого замечательного устройства, то это, конечно же, очень высокий коэффициент усиления, который позволяет запускать транзистор даже с очень низким током на базе. Однако, есть и минусы, как и всегда. Казалось бы, что здесь может быть не так, а вот может. Дело в том, что быстродействием здесь и не пахнет, поэтому в основном транзистор Дарлингтона используется в низкочастотных схемах. Обычно их ставят на выходных каскадах схем, а также в блоках управления электродвигателями — там они действительно на своем месте. Также без них не обойтись и многим современным авто, ведь они являются важнейшей частью коммутатора электронных схем в системе зажигания.

Вот такую схему используют радиолюбители, когда делают составной транзистор своими руками (используя транзистор Дарлингтона вместе с электродвигателем):

Виды управления

Будем считать, что нам нужно только включать или выключать нагрузку с низкой частотой. Части схем, решающие эту задачу, называют ключами. ШИМ-регуляторы, диммеры и прочее рассматривать не будем (почти).

Условно можно выделить 3 группы методов:

1. Управление нагрузкой постоянного тока.
   Транзисторный ключ на биполярном транзисторе.
2. Транзисторный ключ на МОП-транзисторе (MOSFET).
3. Транзисторный ключ на IGBT.
4. Управление нагрузкой переменного тока.
   Тиристорный ключ.
5. Симисторный ключ.
6. Универсальный метод.
   Реле.

Выбор способа управления зависит как от типа нагрузки, так и от вида применяемой цифровой логики. Если схема построена на ТТЛ-микросхемах, то следует помнить, что они управляются током, в отличие от КМОП, где управление осуществляется напряжением. Иногда это важно.

Сравним составной транзистор и двухтактный

Рассмотрим предыдущую схему, в которой используется составной транзистор. Если на базу подать ток 1 мА, то эта схема усилит его в 1000 раз, и в итоге на коллектор придет ток в 1000 мА. Отмечу, что вместо электродвигателя мы можем подключить и реле, и лампочку, например, а с помощью них уже можно коммутировать большие нагрузки.

А что, если простого транзистора Дарлингтона мы поставим транзистор инженера Шиклаи? Тогда у нас выйдет что-то вроде двухтактного усилителя. Это так, потому что открытым одновременно может быть только один из двух транзисторов. Составной транзистор схема:

Здесь входное напряжение будет инвертироваться и на выходе будет обратно исходному. Для того, чтобы сделать схему более универсальной, на входе обычно ставят инвертор. Таким образом, ток инвертируется 2 раза.

Монтаж на плате

Чтобы однотранзисторному однодиапазонному приемнику с плавной настройкой конденсатором переменной емкости придать конструктивный вид, смонтируй его на плате из листового гетинакса, .текстолита иди винипласта толщиной 1,5…2 мм (рис. 4), Примерные размеры платы: ширина .80…65 мм, длина 120… 150 мм.

Свободное место на плате в дальнейшем займут детали усилителя НЧ. В качестве монтажных стоек резистора и конденсаторов используй отрезки проволоки диаметром 1…1,5 и длиной 8…10 мм, вбивая их в отверстия в плате (рис. 4). Соединения между монтажными стойками делай проводниками снизу платы и обязательно пропаивай: надежность контактов в местах соединений обеспечивается только пайкой.

Рис. 4. Монтаж схемы приемника на плате, пайка деталей.

Закончив монтаж, проверь (по принципиальной схеме приемника), нет ли ошибок, ненадежных контактов, замыканий между оголенными проводниками. Вели все в порядке, то подключи антенну и заземление, включи питение и прослушав весь диаиазон волн, перекрываемый приемником.

А где еще применяется составной транзистор?

Очень часто используется составной транзистор с транзистором Шиклаи в паре в одной схеме. К примеру, 2 электродвигателя во многих видеомагнитофонах управлялись именно этими транзисторами.

Также на основе схемы Дарлингтона создана микросхема ULN2003A, которая часто используется в сборках радиолюбителей.

Можете еще посмотреть видео, где подробно рассказывают о составных транзисторах: