Qué es un fototransistor: Esquema del circuito y su funcionamiento

El concepto de fototransistor se conoce desde hace muchos años. La primera idea fue propuesta por William Shockley en el año 1951, tras el descubrimiento de un transistor bipolar normal. Al cabo de dos años, se demostró un fototransistor. Después de eso, se utilizó en diferentes aplicaciones, y día a día se continuó su desarrollo. Los fototransistores se pueden obtener ampliamente y a bajo coste en los distribuidores de componentes electrónicos para utilizarlos en diferentes circuitos electrónicos. Un dispositivo semiconductor como un fototransistor se utiliza para detectar los niveles de luz y cambia el flujo de corriente entre los terminales emisor y colector en función del nivel de luz que recibe. Este artículo trata de una visión general de los fototransistores.


¿Qué es un fototransistor?

A Fototransistor es un componente electrónico de conmutación y amplificación de corriente que depende de la exposición a la luz para funcionar. Cuando la luz incide sobre la unión, fluye una corriente inversa que es proporcional a la luminancia. Los fototransistores se utilizan mucho para detectar pulsos de luz y convertirlos en señales eléctricas digitales. Funcionan con luz y no con corriente eléctrica. Proporcionan una gran ganancia, un bajo coste y estos fototransistores pueden utilizarse en numerosas aplicaciones.

Símbolo de fototransistor

Es capaz de convertir la energía luminosa en energía eléctrica. Los fototransistores funcionan de forma similar a las fotorresistencias comúnmente conocidas como LDR (resistencia dependiente de la luz), pero son capaces de producir tanto corriente como tensión, mientras que las fotorresistencias sólo son capaces de producir corriente debido al cambio de resistencia.

Los fototransistores son transistores con el terminal de la base expuesto. En lugar de enviar corriente a la base, los fotones de la luz que incide activan el transistor. Esto se debe a que un fototransistor está hecho de un semiconductor bipolar y se concentra en la energía que pasa a través de él. Se activan mediante partículas de luz y se utilizan en prácticamente todos los dispositivos electrónicos que dependen de la luz de alguna manera. Todos los fotosensores de silicio (fototransistores) responden a toda la gama de radiación visible, así como a la infrarroja. De hecho, todos los diodos, transistores, Darlington, TRIAC, etc. tienen la misma respuesta básica de frecuencia de radiación.

El estructura de la fototransistor está optimizado específicamente para aplicaciones fotográficas. En comparación con un transistor normal, un fototransistor tiene una mayor anchura de base y colector y se fabrica mediante difusión o implantación de iones.

Construcción

A fototransistor no es más que un transistor bipolar ordinario en el que la región de la base está expuesta a la iluminación. Está disponible en los tipos P-N-P y N-P-N con diferentes configuraciones, como emisor común, colector común y base común, pero generalmente el emisor común configuración se utiliza. También puede funcionar con la base abierta. En comparación con el transistor convencional, tiene más áreas de base y colector.

Los antiguos fototransistores utilizaban materiales semiconductores simples, como el silicio y el germanio, pero hoy en día los componentes modernos utilizan materiales como el galio y el arseniuro para conseguir niveles de alta eficiencia. La base es el conductor responsable de la activación del transistor. Es el dispositivo controlador de la puerta para la alimentación eléctrica mayor. El colector es el conductor positivo y la alimentación eléctrica mayor. El emisor es el conductor negativo y la salida del suministro eléctrico mayor.

Construcción del fototransistor
Construcción de fototransistores

Sin que la luz incida sobre el dispositivo, habrá un pequeño flujo de corriente debido a los pares agujero-electrón generados térmicamente, y la tensión de salida del circuito será ligeramente inferior al valor de alimentación debido a la caída de tensión a través de la resistencia de carga R. Cuando la luz incide sobre la unión colector-base, el flujo de corriente aumenta. Con la conexión de la base en circuito abierto, la corriente colector-base debe fluir en el circuito base-emisor, por lo que la corriente que fluye se amplifica por la acción normal del transistor.

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La unión colector-base es muy sensible a la luz. Su estado de funcionamiento depende de la intensidad de la luz. La corriente de la base procedente de los fotones incidentes es amplificada por la ganancia del transistor, lo que da lugar a ganancias de corriente que van de cientos a varios miles. Un fototransistor es de 50 a 100 veces más sensible que un fotodiodo con un nivel de ruido menor.

¿Cómo funciona un fototransistor?

Un transistor normal incluye un emisor, una base y un colector. El terminal de colector está polarizado positivamente en relación con el terminal de emisor y la unión BE está polarizada inversamente.

Un fototransistor se activa una vez que la luz incide en el terminal base & la luz activa el fototransistor permitiendo la configuración de pares agujero-electrón así como el flujo de corriente a través del emisor o colector. Cuando la corriente aumenta, se concentra y se transforma en tensión.
Generalmente, un fototransistor no incluye una conexión de base. El terminal de la base está desconectado, ya que la luz se utiliza para permitir el flujo de corriente que se suministra a través del fototransistor.

Tipos de fototransistores

Los fototransistores se clasifican en dos tipos: BJT y FET.

Fototransistor BJT

En la carencia de luz, el fototransistor BJT permite una fuga entre colectores así como un emisor de 100 nA por lo demás bajo. Una vez que este transistor se expone al rayo, rinde hasta 50mA. Esto lo distingue del fotodiodo, que no permite mucha corriente.

Fototransistor FET

Este tipo de fototransistor incluye dos terminales que se conectan en su interior a través de su colector y emisor, o bien fuente y drenaje dentro del FET. El terminal base del transistor reacciona a la luz y controla el flujo de corriente entre los terminales.

Circuito de fototransistor

Un fototransistor funciona igual que un transistor normal, en el que la corriente de la base se multiplica para dar la corriente del colector, salvo que en un fototransistor, la corriente de la base está controlada por la cantidad de luz visible o infrarroja en la que el dispositivo sólo necesita 2 pines.

Circuito de fototransistor
Diagrama del circuito del fototransistor

En el circuito simplesuponiendo que no hay nada conectado a Vout, la corriente de la base controlada por la cantidad de luz determinará la corriente del colector, que es la corriente que pasa por la resistencia. Por tanto, la tensión en Vout se moverá hacia arriba y hacia abajo en función de la cantidad de luz. Podemos conectar esto a un op-amp para aumentar la señal o directamente a una entrada de un microcontrolador.

La salida de un fototransistor depende de la longitud de onda de la luz incidente. Estos dispositivos responden a la luz en una amplia gama de longitudes de onda, desde el ultravioleta cercano, pasando por el visible, hasta la parte cercana al infrarrojo del espectro. Para un determinado nivel de iluminación de la fuente de luz, la potencia de un fototransistor viene definida por el área de la unión colector-base expuesta y la ganancia de corriente continua del transistor

Los fototransistores están disponibles en diferentes configuraciones, como optoaislador, interruptor óptico o sensor retro. Optoaislador es similar a un transformador, ya que la salida está aislada eléctricamente de la entrada. Un objeto se detecta cuando entra en el hueco del interruptor óptico y bloquea la trayectoria de la luz entre el emisor y el detector. El sensor retro detecta la presencia de un objeto generando luz y buscando su reflectancia en el objeto a detectar.

Amplificación

El rango de funcionamiento de un fototransistor depende principalmente de la intensidad de luz aplicada, ya que su rango de funcionamiento depende de la entrada de la base. La corriente del terminal de la base procedente de los fotones incidentes puede amplificarse a través de la ganancia del transistor, lo que da lugar a una ganancia de corriente que oscila entre 100 y 1000. Un fototransistor es más sensible en comparación con un fotodiodo por su menor nivel de ruido.
Se puede suministrar una amplificación adicional mediante un transistor de tipo fotodarlington.

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Se trata de un fototransistor que incluye una salida de emisor que se conecta al terminal base del siguiente transistor bipolar. Ofrece una alta sensibilidad dentro de los niveles de luz baja, ya que proporciona una ganancia de corriente equivalente a la de los dos transistores. La ganancia de las dos etapas puede ofrecer ganancias netas superiores a 100.000 A. Un transistor fotodarlington incluye una respuesta menor en comparación con un fototransistor normal.

Modos de funcionamiento

En los circuitos de fototransistores, los modos básicos de funcionamiento incluyen dos como el activo y el de interruptor, donde el modo de funcionamiento más utilizado es el de interruptor. Explica una respuesta no lineal hacia la luz; una vez que no hay luz, no hay flujo de corriente en el transistor. La corriente comienza a suministrarse a medida que aumenta la exposición a la luz. El modo interruptor funciona en un sistema ON/OFF. El modo activo también se denomina lineal y reacciona de forma proporcional al estímulo de la luz.

Especificaciones de funcionamiento

La selección del fototransistor puede hacerse en función de diferentes parámetros y especificaciones como las siguientes

  • Corriente de colector (IC)
  • Corriente de base (Iλ)
  • Longitud de onda máxima
  • Tensión de ruptura colector-emisor (VCE)
  • Tensión de ruptura colector-emisor (VBRCEO)
  • Tensión de ruptura emisor-colector (VBRECO)
  • Corriente oscura (ID)
  • Disipación de potencia (PD o Ptot)
  • Tiempo de subida (tR)
  • Tiempo de caída (tF)

Parámetros de diseño

Los materiales seleccionados, así como la composición, desempeñan un papel esencial en la sensibilidad de este tipo de transistores. El nivel de ganancia de los dispositivos de homoestructura o de un solo material oscila entre 50 y varios cientos. Son fototransistores normales que se diseñan frecuentemente con silicio. Los dispositivos de heteroestructura o de configuración de varios materiales pueden incluir niveles de ganancia de hasta 10k, pero son menos comunes debido a los altos costes de producción.

  • La gama de longitudes de onda electromagnéticas de los distintos materiales es la siguiente
  • Para el material de Silicio (Si), el rango de longitud de onda electromagnética es de 190 a 1100 nm
  • Para el material de Germanio (Ge), la gama de longitudes de onda electromagnéticas es de 400 a 1700 nm
  • Para el material de arseniuro de indio y galio (InGaAs), el rango de longitud de onda electromagnética es de 800 a 2600 nm
  • Para el material de sulfuro de plomo, la gama de longitudes de onda electromagnéticas es de <1000 a 3500
  • Para el buen funcionamiento de un fototransistor, la tecnología de montaje desempeña un papel fundamental.

La tecnología SMT o de montaje en superficie utiliza componentes en una PCB (placa de circuito impreso) conectando los terminales de los componentes mediante soldadura, de otro modo, a la cara superior de la placa. Normalmente, la almohadilla de la placa de circuito impreso puede recubrirse con una pasta, como una formulación de soldadura y fundente. Las altas temperaturas, normalmente de un horno de infrarrojos, disolverán la pasta para soldar los terminales del componente hacia las almohadillas de la placa de circuito impreso.

La tecnología THT o de agujeros pasantes es un estilo de montaje comúnmente utilizado. La disposición de los componentes puede hacerse colocando los terminales de los componentes mediante agujeros dentro de la placa de circuito impreso y estos componentes pueden soldarse en la cara opuesta de la placa. Las características de los fototransistores incluyen principalmente un filtro de corte, utilizado para bloquear la luz observable. La detección de la luz en otros puede mejorarse mediante un revestimiento antirreflectante. También se pueden obtener dispositivos que incluyen una lente de cúpula redonda en lugar de una lente plana.

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Fotodiodo frente a fototransistor

El diferencia entre fotodiodo y fototransistor incluye lo siguiente.

Fotodiodo

Fototransistor

El fotodiodo es un diodo de unión PN, utilizado para generar corriente eléctrica una vez que un fotón de luz incide en su superficie.El fototransistor se utiliza para transformar la energía de la luz en energía eléctrica
Es menos sensibleEs más sensible
La respuesta de salida del fotodiodo es rápidaLa respuesta de salida del fototransistor es baja
Produce corrienteProduce tensión y corriente
Se utiliza en la generación de energía solar, en la detección de rayos UV o IR y en la medición de la luz, etc.Se utiliza en reproductores de discos compactos, detectores de humo, láseres, receptores de luz invisible, etc.
Es más reactivo a las luces incidentesEs menos reactivo
El fotodiodo tiene menos corriente oscuraEl fototransistor tiene una corriente oscura elevada
En este caso, se utilizan ambas polarizaciones, como la directa y la inversaEn este caso, se utiliza la polarización hacia delante
El rango de respuesta lineal del fotodiodo es mucho más amplioEl rango de respuesta lineal del fototransistor es mucho menor
El fotodiodo permite una corriente baja en comparación con el fototransistorEl fototransistor permite una corriente elevada en comparación con el fotodiodo
El fotodiodo se utiliza para dispositivos alimentados por batería que consumen menos energía.El fototransistor se utiliza como un interruptor de estado sólido, no como un fotodiodo.

Características

El características de un fototransistor incluyen las siguientes.

  • Fotodetección de bajo coste en el visible y en el infrarrojo cercano.
  • Disponible con ganancias de 100 a más de 1500.
  • Tiempos de respuesta moderadamente rápidos.
  • Disponible en una amplia gama de envases, incluyendo la tecnología de recubrimiento epoxi, moldeado por transferencia y montaje en superficie.
  • Las características eléctricas eran similares a las de los transistores de señal.

Ventajas del fototransistor

Los fototransistores tienen varias ventajas importantes que los separan de otro sensor óptico, algunas de las cuales se mencionan a continuación

  • Los fototransistores producen una corriente mayor que los fotodiodos.
  • Los fototransistores son relativamente baratos, sencillos y lo suficientemente pequeños como para que quepan varios de ellos en un solo chip de ordenador integrado.
  • Los fototransistores son muy rápidos y son capaces de proporcionar una salida casi instantánea.
  • Los fototransistores producen una tensión que los fotorresistentes no pueden producir.

Desventajas del fototransistor

  • Los fototransistores de silicio no son capaces de manejar tensiones superiores a 1.000 voltios.
  • Los fototransistores también son más vulnerables a las sobretensiones y picos de electricidad, así como a la energía electromagnética.
  • Los fototransistores tampoco permiten que los electrones se muevan tan libremente como otros dispositivos, como los tubos de electrones.

Aplicaciones de los fototransistores

Los ámbitos de aplicación del fototransistor son los siguientes

  • Lectores de tarjetas perforadas.
  • Sistemas de seguridad
  • Codificadores – miden la velocidad y la dirección
  • Foto de los detectores IR
  • controles eléctricos
  • Circuitos lógicos de ordenador.
  • Relés
  • Control del alumbrado (carreteras, etc.)
  • Indicación de nivel
  • Sistemas de recuento

Por lo tanto, se trata de una visión general de un fototransistor. Finalmente, de la información anterior podemos concluir que los fototransistores se utilizan ampliamente en diferentes dispositivos electrónicos para detectar la luz, como receptores de infrarrojos, detectores de humo, láseres, reproductores de CD, etc. He aquí una pregunta para ti, ¿cuál es la diferencia entre fototransistor y fotodetector?

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