FOTOTRANSISTORES

FOTOTRANSISTORES
Los fototransistores combinan en un mismo dispositivo la detección de luz y la ganancia. Su
construcción es similar a la de los transistores convencionales, excepto que la superficie superior
se expone a la luz a través de una ventana o lente como se muestra en la Figura 27.
(a)
(b)
(c)
Figura 27. Fototransistor (a) Símbolo. (b) Circuito equivalente. (c) Corte.
Los fotones incidentes generan pares electrón-hueco en la proximidad de la gran unión CB.
Las tensiones de polarización inversa de la unión CB, llevan los huecos a la superficie de la base
y los electrones al colector. La unión BE polarizada directamente, hace que los huecos circulen de
base a emisor mientras que los electrones fluyen del emisor a la base. En este punto la acción
convencional del transistor se lleva a cabo con los electrones inyectados del emisor cruzando la
pequeña región de la base y alcanzando el colector que es más positivo. Este flujo de electrones
constituye una corriente de colector inducida por la luz. Los pares electrón-hueco fotoinducidos
contribuyen a la corriente de base y si el fototransistor se conecta en configuración de emisor
común, la corriente de base inducida por la luz, aparece como corriente de colector multiplicada
por β ó hfe.
La Figura 28 muestra los datos de un fototransistor típico. La sensibilidad de radiación
colector a emisor (SRCEO) de la Fig.28, se define como la corriente de salida de colector por
unidad de irradiancía incidente con la base abierta. La correspondiente sensibilidad SRCBO se
refiere a la corriente de la base por unidad de irradiancia incidente con el emisor abierto. Así
pues, SRCBO se refiere a la pequeña corriente de base generada por los fotones y SRCEO incluye el
factor multiplicador β del fototransistor. β puede calcularse de;
S RCEO
1mA
=β =
S RCBO
2 µA
(mW )(cm 2 ) = 500
(mW )(cm 2 )
para el transistor de la Fig. 28. De la definición de SROEO, se observará que:
Ic = SRSEO (densidad de flujo)
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Figura 28. Hoja de datos de un Fototransistor.
Puede pensarse que la combinación de detección de luz y la función de amplificación en un
solo dispositivo, es ya el sensor perfecto, pero esto no es cierto en muchas aplicaciones. Primero,
es importante tener en cuenta que en el fototransistor la corriente oscura (ICBO) también se
multiplica por β, como la fotocorriente de base. Una buena prueba de este hecho es una
comparación de la irradiancia cuando Iluz = Ioscura para varios fotodetectores. La respuesta en
frecuencia de los fototransistores es menor que la de 1a combinación fotodiodo-amplificador.
Esto es debido a la gran capacidad base-colector del fototransistor que toma una carga elevada
que sólo puede descargarse por la corriente oscura, relativamente baja (Figura 5-22(d).
Las Figuras 29 y 30, muestran que la región de funcionamiento lineal del fototransistor es
varios órdenes de magnitud menor que en los fotodiodos. El problema de la linealidad y muchas
otras limitaciones del fototransistor, se deben a la variación de β con el nivel de corriente y la
temperatura.
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Figura 29. ICB en función de la radiación.
A la vista de las desventajas mencionadas del fototransistor, su uso se restringe generalmente
a aplicaciones ON-OFF, en que su ganancia propia puede eliminar la necesidad de amplificación
posterior. De hecho, el mayor mercado para el fototransistor es para las aplicaciones de mayor
velocidad donde es mejor fotoconductores de una pieza y más ganancia que un fotodiodo, con lo
cual se elimina la necesidad de una amplificación posterior
Figura 30. IB en función de la radiación.
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Figura 31. Interruptor simple con fototransistor.
La Figura 31 muestra un fototransistor en su aplicación más general, que es un interruptor
sensible a la luz. En estas aplicaciones, el terminal de la base no está conectado y de hecho
muchos fototransistores no cuentan con terminal de base. El fototransistor está EN CORTE antes
de aplicar la radiación, y por tanto no circula corriente de emisor por RE y la salida es ≈ 0 V. Con
una iluminación adecuada, el fototransistor CONDUCE y una gran corriente de emisor origina
una salida igual a IERE. La salida aumenta cuando RE aumenta; sin embargo, la frecuencia
disminuye debido a la constante de tiempo CCBRL, como muestra la figura 32. Como ejemplo del
uso de los datos del fototransistor de la Figura 28, considérese que Vcc en la Figura 31 es + 20 V,
RE = 1 kΩ y que se desea una salida de 5 V cuando el fototransistor conduzca. Como VSALIDA =
IERE , IE = 5 V /1 kΩ = 5mA. Usando la Ecuación Ic = SRSEO y el valor típico de SRCEO de la
figura 6-22(a), se ve que la densidad de flujo requerida para producir una Ic de 5Ma es:
H=
Ic
S RCEO
=
5ma
= 3.12 mW cm 2
2
1.6ma (mW ) cm
(
)
Figura 32. Respuesta a la frecuencia de un fototransistor en función de resistencia de carga.
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(La Figura 29 muestra un valor algo mayor, Estas irradiancias se obtienen normalmente con
pequeñas lamparitas incandescentes)
La Fig. 32 muestra que la respuesta en frecuencia cae a 50 Hz para una RB de 1 kΩ. Un
método de evitar esta reducción de velocidad reteniendo aproximadamente la misma ganancia, se
demuestra en la Fig. 33. En este caso, la baja impedancia de salida de la etapa en base común
(Q2), está en paralelo con RL y proporciona así una resistencia de carga baja para el fototransistor.
De esta forma, la respuesta en frecuencia se hace prácticamente independiente de la resistencia de
carga. Como la ganancia de corriente de una etapa en base común es aproximadamente la unidad,
la corriente por Rc es aproximadamente la misma que si no existiese Q2. Suponiendo las mismas
condiciones que en el ejemplo anterior de la Figura 31, la respuesta en frecuencia de la Figura 33
aumentaría en la relación de la reducción de la resistencia de carga efectiva:
RL
= 1000 Ω 5Ω
para Ic = 5 mA
r 'e
es decir, 200:1. Como con cualquier transistor conmutador, el tiempo de recuperación del
fototransistor aumenta al estar saturado. Así pues, la entrada óptica debe limitarse a un valor que
produzca una Ic satisfactoria.
El fototransistor tiene una ventaja común con cualquier dispositivo de tres terminales, y es que
la tercera terminal o base, proporciona un medio de control eléctrico o compensación. Por
ejemplo, considérese el aumento de la corriente oscura con la temperatura, inherente a todo
dispositivo con unión.
Figura 33.Circuito para alta frecuencia.
En el fototransistor esto se añade a la corriente de colector, pero puede mantenerse un grado
de estabilización de la corriente del colector con la temperatura empleando las técnicas de
estabilización con termistor en el circuito de polarización de la base, como se muestra en la Fig.
34. La estabilización con termistores es en esencia, un aumento de Ioscura y por tanto de Ic, debido
a la temperatura, se compensa con una reducción de la tensión base-emisor debido a la reducción
de la resistencia del termistor con la temperatura. Esto hace que IB disminuya y por tanto, como
Ic≈IB, la corriente de salida de colector se estabiliza dentro de un margen. Con la corriente de
colector estabilizada por temperatura, el terminal de la base puede usarse para cortar
eléctricamente al fototransistor y su corriente de colector. Entonces se requerirá una cierta
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radiación para hacer que el dispositivo CONDUZCA; de esta forma es posible establecer un
control de umbral. (Aumentando RBE se reduce la sensibilidad.)
Figura 34. estabilización de la temperatura
con termistor.
La figura 35 un detector muy sensible a la luz el cual energiza la carga cuando la luz no irradia
al fototransistor esto es que cuando la luz da al fototransistor el capacitor no se puede cargar
porque la corriente pasa por el fototransistor y en la carga no hay corriente. Cuando la luz no da
al fototransistor este se apaga permitiendo que el capacitor se cargue y el resto del circuito
funciona como un oscilador de relajación llegando corriente a la carga.
Figura 35. Detector de falta de luz de gran sensibilidad.
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La figura 36 muestra dos circuitos de relé manejados por luz, en él (a) el transistor Q2
conduce cuando le da luz al fototransistor pasando corriente por el relé, en él (b) pasa la corriente
por el relé cuando no le da luz al fototransistor.
(a)
(b)
Figura 36 relevadores manejados por luz. (a) Se activa con la luz. (b) Se desactiva con la
luz.
Los dos circuitos anteriores e pueden usar para una gran variedad de aplicaciones como son
actuadores para puertas automáticos, alarmas como se muestra en la figura 37. El circuito (a) de
la figura nos muestra al relé desactivado por luz de la figura 36(b) que se usa para disparar un
SCR, cuando no le da iluminación al fototransistor, el relé se energiza pasando corriente hacia el
tiristor provocando que la alarma se active, para desactivar la alarma se usa el switch S1. La
figura (b) nos muestra una modificación al circuito anterior, aquí directamente se activa la alarma
con la falta de iluminación sin necesidad del relé.
(a)
(b)
Figura 37 Alarmas activadas por Luz. (a) Con relevador. (b) Con circuito directo.
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La iluminación producida por una lámpara incandescente es muy dependiente del voltaje RMS
aplicado a ella, Si un fototransistor es sensible a los cambios de iluminación de la lámpara,
entonces podemos usar al fototransistor para controlar con un lazo cerrado el voltaje aplicado a la
lámpara, un circuito con este propósito de muestra en la figura 38.
Figura 38 Regulador de voltaje para una lámpara de un proyector.
El voltaje RMS aplicado a la lámpara es controlado por el disparo del SCR. El ángulo de
disparo del SCR es controlado por el oscilador de relajación en el cual los transistores Q1 y Q2
forman una fuente de corriente para cargar al capacitor C. La magnitud de la corriente de carga y
la posición de R6 determinan el ángulo de disparo del SCR, La regulación se logra con el
fototransistor Q3. La brillantez de la lámpara da el nivel de corriente de Q3, el cual maneja la
cantidad de corriente que llega al C. El potenciómetro R6 se usa para ajustar la brillantez de la
lámpara deseada. Si el voltaje de la línea se incrementa, esto provoca que la iluminación de la
lámpara se incremente, causando que le llegue mas luz al fototransistor aumentando su corriente
lo que hace que la corriente de carga del capacitor disminuya de tal modo que UJT retraza su
disparo y este retraza el del SCR. El retrazo en el SCR provoca que el voltaje RMS aplicado a la
lámpara disminuya lográndose que la brillantez de la lámpara se ajuste al valor deseado.
El circuito de la figura 39 muestra a un flash que funciona como esclavo, esto es que funciona
con la iluminación que viene de un flash principal. Cuando le llega la luz del flash principal el
fototransistor conduce provocando que se dispare el SCR Q2 activando al flash esclavo. La bobina
entre la base y el emisor del fototransistor es para quitarle sensibilidad al fototransistor y no sea
afectado por la iluminación del ambiente.
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Figura 39. Adaptador para un flash esclavo.
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FOTOTRANSISTORES DE EFECTO DE CAMPO
El fotofet es similar a un FET convencional, con la excepción de contar con una lente para
enfocar la luz en la unión de la puerta. Este dispositivo fotofet proporciona una excelente
combinación de unión pn fotosensible con un dispositivo de alta impedancia y amplificadores de
bajo ruido.
Los fotones que penetran en el área de la puerta excitan a los electrones de la banda de
valencia hasta la banda de conducción. Los portadores de corriente fotoexcitados originan un
pequeño cambio (∆IG) de la corriente nominar de puerta ∆IG fluye a través del resistor de puerta
y desarrolla un cambio de tensión puerta-surtidor (∆VGS). La ∆VGS se multiplica por la
transconductancia del fotofet (gfs) y se produce una corriente de drenador ∆ID. La variación de
∆ID varía la caída de tensión en RD alterando así la tensión drenador-surtidor. En resumen;
∆VDS = ∆IGRGgfsRL
La tensión desarrollada en RG por la fotocorriente inducida se amplifica por la acción del
FET.
(a)
(b)
Figura 40. (a) Sección de Un fototransistor de efecto de campo; (b) esquema de un
fototransistor de efecto de campo.
La Figura 41 muestra los datos para un fotofet típico. Comparando estos dispositivos con los
fotodiodos, se ve que el área activa, la sensibilidad, la corriente oscura con 10 V de polarización
inversa, la dependencia de la corriente oscura con la temperatura y el tamaño físico, son
similares. La respuesta espectral relativa del fotofet está ligeramente desplazada hacia el
infrarrojo.
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Figura 41. Datos de un fotofet.
Las ventajas del fotofet, comparado con otros fotodetectores semiconductores, son:
1. Combinación de unión fotosensible y el bajo ruido con la amplificación a alta
impedancia de una unión FET.
2. Eliminación de algunas fuentes de ruido, tales como el ruido de recombinación existente
en los transistores bipolares.
3. Umbral de sensibilidad ajustable mediante el terminal de puerta.
4. Compensación de temperatura mediante una polarización adecuada.
5. Tolerancia de radiación superior.
6. Menor tensión de offset, que permite un comportamiento superior como conmutador.
7. Mayor ganancia de potencia que en muchos fototransistores.
8. Superior respuesta en frecuencia que en los fototransistores.
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Las desventajas de los fotofet son:
1. Menor área efectiva sensible.
2. Menor sensibilidad y D* que algunos fotodiodos de área mayor.
3. Mayor mínimo de corriente oscura que en los fotodiodos (baja polarización) y aumento
del Consumo de potencia inherente a la baja tensión puerta-surtidor necesaria para una
alta gfs y baja corriente oscura.
4. Respuesta lenta y mayor ruido térmico y se requiere un resistor de puerta alto para tener
sensibilidad.
5. Margen lineal limitado (características de transferencia).
Como ejemplo de un diseño sencillo con fotofet, con relación a la Figura 40(b), se supondrá lo
siguiente: El fotofet es un P237 (Fig. 41),
VDD= + 12 V
RG = 1 MΩ
RD = 2.7 k Ω
y la irradiancia incidente = 0,1 mW /cm2. Entonces.
I foto ≈
(3µA)
mW cm 2
(0.1 mW
)
cm 2 = 0.3µA
∆VGS≈RG Ifoto ≈ 0.3 V
∆ID = ∆VGS gfs ≈ 0.3 (2x10-3) = 0.6 mA
∆VD = ∆ ID RD = 0.6 mA (2.7 KΩ) = 1.62 V
La relación de ∆IG a IGSS (relación señal-corriente oscura) para VGS = 2 V, es probablemente
mayor de l04.
La Figura 42 muestra un circuito de un amplificador operacional diferencial fotofet, muy útil
en aplicaciones radiométricas lineales de bajo nivel. El segundo fotofet, en la oscuridad, cancela
los desplazamientos de la señal debidos a temperatura y otras causas, porque cualquier grado
razonable de ajuste, hace que las corrientes de pérdida de puerta cambien similarmente con la
temperatura, etcétera, y producen tensiones de surtidor iguales. Como el amplificador diferencial
responde sólo a las diferencias entre las tensiones de entrada, la diferencia entre las salidas de los
fotofet se reducirá por la acción conjunta y mejorará la estabilidad del sistema. El fotofet se
conecta en configuración de seguidor de surtidor, y por tanto, producen una ganancia de tensión
casi unidad y una impedancia de entrada muy alta, permitiendo que toda la fotocorriente fluya
por el resistor de realimentación. El potenciómetro del surtidor permite poner a cero el sistema
y/o un ajuste fino para el punto óptimo de polarización del FET.
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Figura 42. Circuito fotofet diferencial para reducir la desviación.
Los resistores de surtidor (RS1, RS2 y RSP, de la Fig. 42) se escogen de la siguiente forma. La
polarización óptima del fotofet determina la variación con la temperatura de las características ID
en función de VDS, en un trazador de curvas. Esto determina el mejor punto de funcionamiento
para un desplazamiento térmico mínimo. Con relación a Q2, en la Fig. 42, se supone que los
valores óptimos de VGS y de ID son -3 V y 1 mA, respectivamente. Como la caída de tensión en
RG2 es despreciable, V a ≈ 0V, VB = + 3 V para una polarización apropiada y VDS = 9 v.
Suponiendo que el contacto de RSP está centrado, la tensión desde el contacto a S2 es 15 V.
Considerando que ID ≈ IS, el valor óptimo de ID = 1 mA se obtiene cuando:
RS2 + ½ RSP = 15 V /1 mA = 15 kΩ
Escogiendo RSP, RS1 y RS2 de 10 kΩ se cumplen los requerimientos para una resistencia total
desde S1 a S2 de 30 kΩ y RSP es adecuada para ±16% de variación en la polarización.
Las ventajas del FET como conmutador, son tensión de offset cero y alta impedancia de
entrada. Otra ventaja adicional de aislamiento entre la entrada y el conmutador se obtiene
combinando fotofet con lámparas miniatura o con diodos emisores de luz como entrada.
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