Những điều cần biết về Transistor quang
1. Transistor quang là gì?
2. Nguyên lý hoạt động của Transistor quang
3. Các chế độ hoạt động Transistor quang
4. Phân loại Transistor quang
5. Thông số kỹ thuật cần chú ý
6. Ưu điểm và nhược điểm của Transistor quang
7. Ứng dụng của Transistor quang
1. Transistor quang là gì?
Transistor quang là một thành phần chuyển mạch điện tử và khuếch đại dòng điện dựa vào việc tiếp xúc với ánh sáng để hoạt động. Khi ánh sáng chiếu vào đường giao nhau, dòng điện ngược sẽ chạy tỷ lệ thuận với độ chói. Transistor quang được sử dụng rộng rãi để phát hiện các xung ánh sáng và chuyển đổi chúng thành tín hiệu điện kỹ thuật số. Chúng được vận hành bằng ánh sáng chứ không phải dòng điện. Cung cấp một lượng khuếch đại lớn, chi phí thấp và các Transistor quang này có thể được sử dụng trong nhiều ứng dụng.
Transistor quang (Phototransistor) là một linh kiện bán dẫn ba lớp có vùng cực gốc (B) nhạy cảm với ánh sáng. Phần cực nền (cực B – Base) cảm nhận ánh sáng và chuyển nó thành dòng điện chạy giữa vùng thu (cực C – Collector) và vùng phát (Cực E -Emiter).
Ký hiệu của Transistor quang
Ký hiệu của phototransistor tương tự như ký hiệu của transistor thông thường. Sự khác biệt duy nhất là của hai mũi tên cho thấy ánh sáng tới trên cực B của phototransistor.
Ký hiệu của Transistor quang
Ký hiệu của phototransistor tương tự như ký hiệu của transistor thông thường. Sự khác biệt duy nhất là của hai mũi tên cho thấy ánh sáng tới trên cực B của phototransistor.
2. Nguyên lý hoạt động của Transistor quang
Transistor quang được tạo thành từ vật liệu bán dẫn . Khi ánh sáng chiếu vào vật liệu, các electron / lỗ trống tự do của vật liệu bán dẫn gây ra dòng điện chạy trong vùng cơ bản. Cực gốc (Base) của phototransistor sẽ chỉ được sử dụng để phân cực transistor. Trong trường hợp Transistor NPN , dòng điện chạy từ C về E, và trong Transistor PNP, dòng điện chạy từ E về C..
Ánh sáng đi vào vùng cực gốc của phototransistor tạo ra các cặp electron-lỗ trống. Sự tạo cặp electron-lỗ trống chủ yếu xảy ra theo xu hướng ngược nhau. Hiểu đơn giản là lớp nào nhiều electron thì đẩy bớt đi và ngược lại. Sự chuyển động của các electron dưới tác dụng của điện trường gây ra dòng điện trong vùng cực gốc. Khi có dòng IB thì làm Phototransistor thông và xuất hiện dòng IC. Hạn chế chính của phototransistor là chúng có đáp ứng tần số thấp.
Transistor quang được tạo thành từ vật liệu bán dẫn . Khi ánh sáng chiếu vào vật liệu, các electron / lỗ trống tự do của vật liệu bán dẫn gây ra dòng điện chạy trong vùng cơ bản. Cực gốc (Base) của phototransistor sẽ chỉ được sử dụng để phân cực transistor. Trong trường hợp Transistor NPN , dòng điện chạy từ C về E, và trong Transistor PNP, dòng điện chạy từ E về C..
Ánh sáng đi vào vùng cực gốc của phototransistor tạo ra các cặp electron-lỗ trống. Sự tạo cặp electron-lỗ trống chủ yếu xảy ra theo xu hướng ngược nhau. Hiểu đơn giản là lớp nào nhiều electron thì đẩy bớt đi và ngược lại. Sự chuyển động của các electron dưới tác dụng của điện trường gây ra dòng điện trong vùng cực gốc. Khi có dòng IB thì làm Phototransistor thông và xuất hiện dòng IC. Hạn chế chính của phototransistor là chúng có đáp ứng tần số thấp.
3. Các chế độ hoạt động Transistor quang
Transistor quang giống như BJT có thể hoạt động ở hai chế độ tức là chế độ tuyến tính hoặc hoạt động hoặc chế độ chuyển đổi.
• Chế độ tuyến tính hoặc hoạt động: trong khi hoạt động ở chế độ tuyến tính, dòng điện đầu ra tỷ lệ thuận với cường độ của ánh sáng tới. Tuy nhiên, trên thực tế, phản hồi không tuyến tính lắm và tạo thành một đường cong. Do đó, chế độ này được gọi chính xác là Chế độ hoạt động.
Chế độ này được sử dụng cho hệ số khuếch đại của nó. Dòng cơ sở được tạo ra được khuếch đại tùy thuộc vào mức tăng của bóng bán dẫn.
• Chế độ chuyển đổi: trong hoạt động ở chế độ chuyển đổi, phototransistor có hai trạng thái tức là trạng thái “Tắt” và trạng thái “Bật” giống như một công tắc. Do đó, chế độ chuyển đổi tên. Chế độ này thường được sử dụng do phản ứng phi tuyến tính của phototransistor với ánh sáng.
Khi không có ánh sáng, không có dòng điện cơ bản và thiết bị được cho là ở trạng thái “Tắt”. Với sự gia tăng cường độ ánh sáng, dòng điện đầu ra tăng lên. Cuối cùng, đạt đến điểm mà sự gia tăng cường độ ánh sáng không ảnh hưởng đến dòng điện đầu ra và thiết bị đã bão hòa. và Thiết bị được cho là ở trạng thái “Bật”.
Giống như một công tắc kỹ thuật số, nó hoạt động ở hai cấp độ. Do tính chất phi tuyến tính của vùng hoạt động, chế độ này được sử dụng để giải mã, gửi, phát hiện đối tượng, chuyển đổi tín hiệu, v.v.
Transistor quang giống như BJT có thể hoạt động ở hai chế độ tức là chế độ tuyến tính hoặc hoạt động hoặc chế độ chuyển đổi.
• Chế độ tuyến tính hoặc hoạt động: trong khi hoạt động ở chế độ tuyến tính, dòng điện đầu ra tỷ lệ thuận với cường độ của ánh sáng tới. Tuy nhiên, trên thực tế, phản hồi không tuyến tính lắm và tạo thành một đường cong. Do đó, chế độ này được gọi chính xác là Chế độ hoạt động.
Chế độ này được sử dụng cho hệ số khuếch đại của nó. Dòng cơ sở được tạo ra được khuếch đại tùy thuộc vào mức tăng của bóng bán dẫn.
• Chế độ chuyển đổi: trong hoạt động ở chế độ chuyển đổi, phototransistor có hai trạng thái tức là trạng thái “Tắt” và trạng thái “Bật” giống như một công tắc. Do đó, chế độ chuyển đổi tên. Chế độ này thường được sử dụng do phản ứng phi tuyến tính của phototransistor với ánh sáng.
Khi không có ánh sáng, không có dòng điện cơ bản và thiết bị được cho là ở trạng thái “Tắt”. Với sự gia tăng cường độ ánh sáng, dòng điện đầu ra tăng lên. Cuối cùng, đạt đến điểm mà sự gia tăng cường độ ánh sáng không ảnh hưởng đến dòng điện đầu ra và thiết bị đã bão hòa. và Thiết bị được cho là ở trạng thái “Bật”.
Giống như một công tắc kỹ thuật số, nó hoạt động ở hai cấp độ. Do tính chất phi tuyến tính của vùng hoạt động, chế độ này được sử dụng để giải mã, gửi, phát hiện đối tượng, chuyển đổi tín hiệu, v.v.
4. Phân loại Transistor quang
Transistor quang được phân thành hai loại là BJT và FET.
Transistor quang BJT
BJT Transistor quang được sử dụng phổ biến hơn. Nó có sẵn trong cả hai thiết kế NPN và PNP. Nguồn sáng điều khiển dòng thu. Nhược điểm của nó là cho phép dòng rò trong điều kiện tối. Tuy nhiên, nó có thể dẫn một dòng điện lớn vì dòng điện là do cả hạt mang điện tích đa số và thiểu số (vì có tên là lưỡng cực). Nó không thể thực hiện ở tần số cao nhưng cho phép dòng điện lớn với mức tăng cao.
Transistor quang FET
Transistor quang FET là một bóng bán dẫn hiệu ứng trường không có mối nối và một kênh nhạy cảm với ánh sáng. Kênh có thể là kênh N hoặc kênh P. Nó có hai thiết bị đầu cuối có tên là nguồn và cống. Về mặt xây dựng, cống và nguồn giống nhau, chúng có thể hoán đổi cho nhau. Cống là dương đối với nguồn. Đèn sự cố kiểm soát dòng thoát. Nó có tốc độ chuyển mạch cao cho phép sử dụng cho các ứng dụng tần số cao. Nhưng nó cho phép dòng điện thấp và mức tăng thấp.
Transistor quang được phân thành hai loại là BJT và FET.
Transistor quang BJT
BJT Transistor quang được sử dụng phổ biến hơn. Nó có sẵn trong cả hai thiết kế NPN và PNP. Nguồn sáng điều khiển dòng thu. Nhược điểm của nó là cho phép dòng rò trong điều kiện tối. Tuy nhiên, nó có thể dẫn một dòng điện lớn vì dòng điện là do cả hạt mang điện tích đa số và thiểu số (vì có tên là lưỡng cực). Nó không thể thực hiện ở tần số cao nhưng cho phép dòng điện lớn với mức tăng cao.
Transistor quang FET
Transistor quang FET là một bóng bán dẫn hiệu ứng trường không có mối nối và một kênh nhạy cảm với ánh sáng. Kênh có thể là kênh N hoặc kênh P. Nó có hai thiết bị đầu cuối có tên là nguồn và cống. Về mặt xây dựng, cống và nguồn giống nhau, chúng có thể hoán đổi cho nhau. Cống là dương đối với nguồn. Đèn sự cố kiểm soát dòng thoát. Nó có tốc độ chuyển mạch cao cho phép sử dụng cho các ứng dụng tần số cao. Nhưng nó cho phép dòng điện thấp và mức tăng thấp.
5. Thông số kỹ thuật cần chú ý
Có một số tham số xác định hiệu suất của Transistor quang. Các tham số này phải được ghi nhớ khi chọn một phototransistor để cung cấp hiệu suất hiệu quả về chi phí.
Dòng điện cực thu Ic: chính là dòng tải cực đại cho phép (dòng điện cực thu). Vượt quá lượng dòng tải giới hạn này có thể làm hỏng vĩnh viễn phototransistor.
Dòng điện cơ sở: dòng điện cơ sở cho biết dòng điện được tạo ra từ ánh sáng tới. Nó phụ thuộc vào diện tích của vùng cơ sở. Tuy nhiên, việc tăng diện tích của vùng cơ sở sẽ làm tăng điện dung, ảnh hưởng đến tốc độ chuyển mạch.
Dòng rò ID: là dòng rò giữa cực thu và cực phát khi không có ánh sáng. Nó rất nhỏ tính bằng milliamp. Lý tưởng nhất là nó không dẫn dòng điện. Nhưng do nhiệt độ, nó không bao giờ tắt hoàn toàn. Dòng điện tối ảnh hưởng ngược đến hiệu suất.
Điện áp đánh thủng VCE: đó là điện áp tối đa được áp dụng giữa bộ thu và bộ phát. Nếu điện áp đặt vượt quá điện áp đánh thủng, thiết bị sẽ bị hỏng vĩnh viễn.
Điện áp đánh thủng VEC: đó là điện áp tối đa được phép áp dụng giữa bộ phát và bộ thu. Nó tương đối rất thấp so với điện áp đánh thủng VCE
Bước sóng: Các vật liệu quang dẫn khác nhau thể hiện các phản ứng khác nhau đối với phổ bước sóng. Chúng cho thấy độ nhạy cao và hiệu quả chuyển đổi ở dải bước sóng hẹp. Do đó, bước sóng của ánh sáng tới là rất quan trọng để có sự chuyển đổi năng lượng cao hơn.
Độ tuyến tính: Độ tuyến tính có nghĩa là dòng điện đầu ra thay đổi tuyến tính như thế nào với sự thay đổi cường độ ánh sáng. Phản hồi tuyến tính là chính xác và không có lỗi. Do đó cần phải biết độ tuyến tính của thiết bị.
Độ nhạy: Độ nhạy là tỷ lệ giữa sự thay đổi dòng điện đầu ra với sự thay đổi cường độ ánh sáng tới. Để cảm nhận được những thay đổi nhỏ về cường độ ánh sáng, cần có độ nhạy cao. Nó cải thiện hiệu suất của thiết bị.
Thời gian đáp ứng: thời gian đáp ứng xác định dòng điện đầu ra cập nhật nhanh như thế nào với sự thay đổi cường độ ánh sáng tới. Nó được sử dụng để theo dõi những thay đổi đột ngột về cường độ.
Thời gian tăng và giảm: Thời gian tăng TR là thời gian cần từ 10% đến 90% giá trị tối đa trong khi thời gian giảm TF là thời gian cần từ 90% đến 10%. Thời gian tăng giảm nhỏ xác định thời gian đáp ứng nhanh.
Có một số tham số xác định hiệu suất của Transistor quang. Các tham số này phải được ghi nhớ khi chọn một phototransistor để cung cấp hiệu suất hiệu quả về chi phí.
Dòng điện cực thu Ic: chính là dòng tải cực đại cho phép (dòng điện cực thu). Vượt quá lượng dòng tải giới hạn này có thể làm hỏng vĩnh viễn phototransistor.
Dòng điện cơ sở: dòng điện cơ sở cho biết dòng điện được tạo ra từ ánh sáng tới. Nó phụ thuộc vào diện tích của vùng cơ sở. Tuy nhiên, việc tăng diện tích của vùng cơ sở sẽ làm tăng điện dung, ảnh hưởng đến tốc độ chuyển mạch.
Dòng rò ID: là dòng rò giữa cực thu và cực phát khi không có ánh sáng. Nó rất nhỏ tính bằng milliamp. Lý tưởng nhất là nó không dẫn dòng điện. Nhưng do nhiệt độ, nó không bao giờ tắt hoàn toàn. Dòng điện tối ảnh hưởng ngược đến hiệu suất.
Điện áp đánh thủng VCE: đó là điện áp tối đa được áp dụng giữa bộ thu và bộ phát. Nếu điện áp đặt vượt quá điện áp đánh thủng, thiết bị sẽ bị hỏng vĩnh viễn.
Điện áp đánh thủng VEC: đó là điện áp tối đa được phép áp dụng giữa bộ phát và bộ thu. Nó tương đối rất thấp so với điện áp đánh thủng VCE
Bước sóng: Các vật liệu quang dẫn khác nhau thể hiện các phản ứng khác nhau đối với phổ bước sóng. Chúng cho thấy độ nhạy cao và hiệu quả chuyển đổi ở dải bước sóng hẹp. Do đó, bước sóng của ánh sáng tới là rất quan trọng để có sự chuyển đổi năng lượng cao hơn.
Độ tuyến tính: Độ tuyến tính có nghĩa là dòng điện đầu ra thay đổi tuyến tính như thế nào với sự thay đổi cường độ ánh sáng. Phản hồi tuyến tính là chính xác và không có lỗi. Do đó cần phải biết độ tuyến tính của thiết bị.
Độ nhạy: Độ nhạy là tỷ lệ giữa sự thay đổi dòng điện đầu ra với sự thay đổi cường độ ánh sáng tới. Để cảm nhận được những thay đổi nhỏ về cường độ ánh sáng, cần có độ nhạy cao. Nó cải thiện hiệu suất của thiết bị.
Thời gian đáp ứng: thời gian đáp ứng xác định dòng điện đầu ra cập nhật nhanh như thế nào với sự thay đổi cường độ ánh sáng tới. Nó được sử dụng để theo dõi những thay đổi đột ngột về cường độ.
Thời gian tăng và giảm: Thời gian tăng TR là thời gian cần từ 10% đến 90% giá trị tối đa trong khi thời gian giảm TF là thời gian cần từ 90% đến 10%. Thời gian tăng giảm nhỏ xác định thời gian đáp ứng nhanh.
6. Ưu điểm và nhược điểm của Transistor quang
Ưu điểm
Phototransistors tạo ra dòng điện cao hơn so với photodiod.
Phototransistors tương đối rẻ tiền, đơn giản và đủ nhỏ để lắp một vài trong số chúng vào một chip máy tính tích hợp duy nhất.
Phototransistors rất nhanh và có khả năng cung cấp đầu ra gần như tức thời.
Phototransistors tạo ra một điện áp, mà photo-resistors không thể làm như vậy.
Nhược điểm
Các bóng bán dẫn quang làm bằng silicon không có khả năng xử lý điện áp trên 1.000 Vôn.
Các bóng bán dẫn quang cũng dễ bị tổn thương hơn trước các xung điện cũng như năng lượng điện từ.
Transistor quang điện cũng không cho phép các electron di chuyển tự do như các thiết bị khác, chẳng hạn như ống điện tử.
Ưu điểm
Phototransistors tạo ra dòng điện cao hơn so với photodiod.
Phototransistors tương đối rẻ tiền, đơn giản và đủ nhỏ để lắp một vài trong số chúng vào một chip máy tính tích hợp duy nhất.
Phototransistors rất nhanh và có khả năng cung cấp đầu ra gần như tức thời.
Phototransistors tạo ra một điện áp, mà photo-resistors không thể làm như vậy.
Nhược điểm
Các bóng bán dẫn quang làm bằng silicon không có khả năng xử lý điện áp trên 1.000 Vôn.
Các bóng bán dẫn quang cũng dễ bị tổn thương hơn trước các xung điện cũng như năng lượng điện từ.
Transistor quang điện cũng không cho phép các electron di chuyển tự do như các thiết bị khác, chẳng hạn như ống điện tử.
7. Ứng dụng của Transistor quang
Các lĩnh vực ứng dụng cho Transistor quang bao gồm:
• Đầu đọc thẻ đục lỗ.
• Hệ thống an ninh
• Bộ mã hóa – đo tốc độ và hướng
• máy dò hồng ngoại ảnh
• điều khiển điện
• Mạch logic máy tính.
• Rơ le
• Điều khiển chiếu sáng (đường cao tốc, v.v.)
• chỉ báo mức
• hệ thống đếm
Các lĩnh vực ứng dụng cho Transistor quang bao gồm:
• Đầu đọc thẻ đục lỗ.
• Hệ thống an ninh
• Bộ mã hóa – đo tốc độ và hướng
• máy dò hồng ngoại ảnh
• điều khiển điện
• Mạch logic máy tính.
• Rơ le
• Điều khiển chiếu sáng (đường cao tốc, v.v.)
• chỉ báo mức
• hệ thống đếm
