Fototransistor: licht omzetten in een versterkt elektrisch signaal
Een fototransistor is een elektronisch onderdeel dat licht direct omzet in een elektrisch signaal — en dat signaal meteen versterkt. Het is in feite een gewone transistor (het schakelende bouwsteentje dat in vrijwel alle elektronica zit) waarbij het lichtgevoelige deel de rol overneemt van de elektrische stuuringang. Valt er licht op, dan gaat er stroom lopen; hoe meer licht, hoe meer stroom. Je vindt fototransistoren in infraroodontvangers van tv-afstandsbedieningen, in rookmelders, in lichtsensoren die het scherm van een laptop dimmen bij fel licht, en in allerlei industriële sensoren.
Een handige analogie: stel je een tuinslang voor met een kraan die niet met de hand wordt opengedraaid, maar door een klein hefboompje dat reageert op zonlicht. Hoe feller de zon erop schijnt, hoe verder het hefboompje de kraan opendraait en hoe meer water er stroomt. Bij een fototransistor werkt het vergelijkbaar: het "hefboompje" is een lichtgevoelig kristaloppervlak, en de "waterstroom" is elektrische stroom. Het bijzondere is dat een klein beetje licht — vergelijkbaar met het zachte duwtje dat het hefboompje nodig heeft — een veel grotere stroom kan vrijgeven, omdat de transistor dat signaal intern versterkt. Daardoor is een fototransistor gevoeliger dan een kale lichtsensor zonder versterking.
Wat is het precies?
Een gewone transistor heeft drie aansluitingen: de basis (stuuringang), de collector en de emitter. Een klein stroompje op de basis bepaalt hoeveel stroom er tussen collector en emitter kan vloeien, en die verhouding — de versterkingsfactor, vaak aangeduid als hFE — ligt meestal tussen de 10 en enkele honderden keer. Bij een fototransistor wordt de basis niet (alleen) elektrisch aangestuurd, maar door licht dat op de overgang tussen basis en collector valt.
Als fotonen (lichtdeeltjes) die overgang raken, maken ze binnen het halfgeleidermateriaal elektron-gatparen los. Dat levert een klein stroompje op, alsof er een basisstroom wordt ingevoerd. De transistor versterkt dat stroompje vervolgens op dezelfde manier als bij een normale elektrische besturing. Het resultaat: een relatief zwak lichtsignaal wordt omgezet in een goed meetbaar elektrisch signaal, zonder dat er een aparte versterkerschakeling nodig is. Veel fototransistoren hebben daarom maar twee aansluitingen (collector en emitter); de basispoot is dan intern weggelaten of onaangesloten, omdat licht zelf de sturing doet.
Fototransistoren worden vaak vergeleken met fotodiodes, een verwant maar eenvoudiger onderdeel. Een fotodiode levert een stroom die vrijwel recht evenredig is met de hoeveelheid licht, reageert snel, maar geeft geen versterking. Een fototransistor is gevoeliger dankzij die ingebouwde versterking, maar reageert trager — doordat het versterkingsproces en de inwendige capaciteit van de overgang tijd kosten — en de respons is minder lineair. Voor toepassingen waar snelheid of precisie belangrijker is dan gevoeligheid, kiest men daarom vaak voor een fotodiode met externe versterker.
Voor extra gevoeligheid bestaat de Darlington-fototransistor: twee transistortrappen achter elkaar, waardoor de versterking nog veel hoger wordt (soms duizenden keren), ten koste van een nog tragere reactietijd. Fototransistoren worden meestal gebouwd in een behuizing met een lensvormig, lichtdoorlatend (vaak infrarood-transparant) kunststofkapje dat het licht op de gevoelige overgang bundelt, en zijn verkrijgbaar als los onderdeel (bijvoorbeeld in een 5-mm ledachtige behuizing), als oppervlaktemontage-component, of ingebouwd in een module samen met een infraroodled voor reflectiesensoren.
Wat wil men ermee bereiken?
Het belangrijkste doel van een fototransistor is eenvoud en lage kosten: licht meten of detecteren zonder dat er een aparte versterkerschakeling nodig is, wat het aantal onderdelen en de kostprijs van een product verlaagt. Dat maakt het onderdeel aantrekkelijk voor massaproducten waarin licht- of infrarooddetectie nodig is, maar waar geen hoge precisie wordt gevraagd.
Een tweede belangrijke toepassing is elektrische scheiding tussen twee circuits. In een zogeheten optocoupler (ook optokoppelaar genoemd) zit een ledje dat licht uitzendt naast een fototransistor die dat licht opvangt. Zo kan een signaal van het ene circuit naar het andere worden doorgegeven zonder directe elektrische verbinding — handig voor veiligheid, ruisonderdrukking en bescherming tegen spanningsverschillen, bijvoorbeeld tussen een computer en industriële apparatuur.
Daarnaast maakt de contactloze werking fototransistoren geschikt voor slijtagevrije sensoren: ze detecteren beweging, positie of aanwezigheid van objecten zonder mechanisch contact, wat de levensduur van sensoren in bijvoorbeeld printers, kopieerapparaten en robots verlengt.
Voorbeelden uit de praktijk
Fototransistoren zitten in ontelbare alledaagse producten. Een paar concrete voorbeelden illustreren de spreiding aan toepassingen:
- 4N35-optocoupler — dit klassieke onderdeel, oorspronkelijk uitgebracht door Fairchild Semiconductor in de jaren zeventig, combineert een infraroodled met een fototransistor in één behuizing en wordt tot op de dag van vandaag geproduceerd door diverse fabrikanten. Het wordt gebruikt om regelcircuits elektrisch te isoleren in industriële besturingen, voedingen en medische apparatuur.
- Vishay TSOP-serie infraroodontvangers — sinds de jaren negentig gebruikt in vrijwel elke consumentenelektronica met een infraroodafstandsbediening, van televisies tot airconditioners. De fototransistor in deze module vangt het gepulste infraroodsignaal van de afstandsbediening op en zet het om in een digitaal signaal.
- TCRT5000-reflectiesensor (Vishay) — een module met een infraroodled en fototransistor naast elkaar, die veel wordt gebruikt in educatieve robotica (bijvoorbeeld in lijnvolgende robots op scholen en hobbyprojecten) en in optische encoders van printers en computermuizen om beweging of rotatie te meten.
- Fotelektrische rookmelders — huishoudelijke rookmelders die sinds de jaren zeventig en tachtig op grote schaal ingang vonden, gebruiken een lichtbron en een lichtgevoelig element (fotodiode of fototransistor) om lichtverstrooiing door rookdeeltjes te detecteren.
- Omgevingslichtsensoren zoals de Vishay TEPT5700 — fototransistoren die in laptops en monitoren worden gebruikt om de schermhelderheid automatisch aan te passen aan het omgevingslicht, wat energie bespaart en het scherm beter leesbaar maakt.
Hoe ver is de techniek?
De fototransistor is een volwassen, decennia-oude technologie. De lichtgevoeligheid van transistorovergangen werd al in 1948 opgemerkt door onderzoekers bij Bell Labs, kort na de uitvinding van de transistor zelf; in de loop van de jaren vijftig kwamen de eerste bruikbare junction-fototransistoren op de markt. Sindsdien is het principe nauwelijks fundamenteel veranderd — de ontwikkeling zit vooral in productieprocessen, miniaturisering en integratie.
Belangrijke trend van de laatste decennia is dat losse fototransistoren voor veel toepassingen worden verdrongen door geïntegreerde sensor-chips: complete lichtsensor-IC's met fotodiode, versterker en analoog-digitaalomzetter op één chipje, die nauwkeuriger en sneller zijn dan een losse fototransistor. Voor toepassingen waar hoge snelheid of precieze lichtmeting nodig is — zoals glasvezelcommunicatie — wordt vrijwel altijd voor fotodiodes gekozen, niet voor fototransistoren, vanwege hun tragere responstijd.
Toch blijft de fototransistor breed in gebruik, vooral omdat hij goedkoop, robuust en "goed genoeg" is voor talloze eenvoudige detectietaken: aanwezigheidsdetectie, infraroodontvangst, optocouplers en basale lichtmeting. Er zijn geen grote doorbraken te verwachten in dit veld; het is eerder een kwestie van geleidelijke verbetering in efficiëntie, formaat en integratie dan van baanbrekend onderzoek.
Wie werken eraan?
Fototransistoren en verwante optische halfgeleiders worden geproduceerd door een handvol gespecialiseerde elektronicafabrikanten wereldwijd. Bekende namen zijn Vishay Intertechnology (Verenigde Staten), onsemi (voorheen ON Semiconductor, Verenigde Staten), ams OSRAM (Duitsland/Oostenrijk, voortgekomen uit Osram Opto Semiconductors), Hamamatsu Photonics (Japan), Everlight Electronics en Kingbright (Taiwan), TT Electronics (Verenigd Koninkrijk), en Broadcom (voorheen Avago) voor optocouplers. Ook Japanse elektronicaconcerns als Toshiba en Sharp hebben een lange geschiedenis in dit soort opto-elektronische componenten.
Fundamenteel onderzoek naar de fysica van lichtgevoelige halfgeleiderovergangen vond historisch vooral plaats bij Bell Labs in de Verenigde Staten. Tegenwoordig ligt de nadruk minder op nieuw fundamenteel onderzoek en meer op toegepaste ontwikkeling bij de genoemde fabrikanten, en op de integratie van optische sensoren in bredere halfgeleiderchips door universiteiten en onderzoeksinstituten die zich richten op fotonica en micro-elektronica.