אחרי שחקרנו את ההתנהגות של נגד תלוי-אור, הגיע תורו של הרכיב ה"מתחרה" – פוטו-טרנזיסטור (Phototransistor). בפוסט זה נראה איך הוא עובד, איך משתמשים בו, כיצד הוא מגיב לשינויים בתאורה, והכי חשוב: מי משני הרכיבים עדיף ובאילו יישומים?

כמו בטרנזיסטור BJT מסוג NPN (צריכים תזכורת?) לפוטו-טרנזיסטור יש Emitter, שהוא פין או פד שמתחבר לאדמה החשמלית של המעגל, ויש Collector שמתחבר לצד החיובי. אבל בניגוד ל-NPN רגיל, כאן אין לנו Base לשליטה חשמלית במעבר הזרם, אלא אלמנט מובנה שקולט אור. מבחינת אופן הפעולה, אור על פוטו-טרנזיסטור הוא כמו זרם חשמלי חיובי ל-Base של NPN: ככל שיש יותר אור, כך הפוטו-טרנזיסטור ייתן ליותר זרם לעבור מה-Collector ל-Emitter.

אבל שימו לב: בעוד שה-NPN הכי מצ'וקמק יכול להעביר כמה עשרות מיליאמפר, הפוטו-טרנזיסטור מגיע רק למיליאמפרים בודדים גם באור שמש ישיר. הוא לא מסוגל "להחזיק" בכוחות עצמו שום עומס ששווה לדבר עליו, רק לתת אינדיקציה חלשה לכמות האור שהוא קולט. כדי לקרוא את המידע הזה, נצטרך להציץ ב-datasheet ולעשות קצת חישובים.

יש הרבה סוגים ודגמים של פוטו-טרנזיסטורים. הדגם שאיתו נעבוד כאן הוא – קחו נשימה עמוקה – ALS-PT19-315C/L177/TR8 מבית Everlight. זהו רכיב קטנטן (מארז 0603, בערך 1.7 על 0.8 מ"מ) ובמבט מבחוץ הוא נראה כמו לד SMD רגיל. מתח העבודה המומלץ שלו 2.5-5.5V, והוא מגיב הכי טוב לאורך גל 630 ננו-מטר, שזה בין כתום לאדום. מדידה של כמות אור באמצעותו טיפה יותר מסובכת מאשר באמצעות LDR, כי הוא לא מתנהג כמו נגד אלא כמו מקור זרם. בעמ' 6 של ה-Datasheet שבקישור יש מעגל לדוגמה, שבו מחברים בטור מתח חיובי -> פוטו-טרנזיסטור -> נגד -> אדמה (נתעלם לרגע מהקבל לייצוב), ומודדים את המתח בנקודה שבין הפוטו' לנגד לעומת האדמה:

המקסימום שאפשר לקבל בנקודה ההיא זה מתח הרוויה של הפוטו', שהוא המתח החיובי שאנחנו נותנים לו פחות 0.4V, ואילו ערכים נמוכים יותר יהיו (בהתאם לחוק אוהם) הזרם שעובר דרכו כפול ערך הנגד. זה אומר שצריך לבחור בתשומת לב את הנגד לפי היישום. ערך נגד גבוה, שייתן לנו רזולוציה גבוהה בעוצמות אור נמוכות, יגיע לרוויה בקלות ולא נוכל להבדיל, למשל, בין אור צהריים לערב מוקדם; ואילו עם ערך נגד נמוך יחסית, שמתאים לזיהוי רמות של אור יום (שימושי במערכת סולארית), הרזולוציה עלולה להיות כה נמוכה עד שלא נוכל כלל להבחין בין תאורה של מסך מחשב לבין חושך מוחלט.

בטווח שבין 100 ל-1000 Lux (תאורה מלאכותית סבירה בתוך הבית, מסכים וכו'), ובמתח "ראשי" של 5V, ה-Datasheet טוען שהזרם הטיפוסי יהיה 15-150 מיקרואמפר. לפי המידע למעלה, נגד של כ-30K אוהם ייתן לנו את יכולת ההבחנה המיטבית בטווח הזה. בהמשך הפוסט אציג מדידות עם נגד 33K (הכי קרוב שהיה לי), אך תחילה, כמה גרפים שהפקתי עם נגד של 1M.

כניסוי ראשון, הצבתי את הפוטו-טרנזיסטור מול אותו מסך מחשב ואותה תוכנה שבהם השתמשתי בפוסט הקודם עם ה-LDR. שם, ל-LDR נדרשו כ-20ms להתייצב בעקבות מעבר מצבע שחור ללבן, וכ-50ms להתייצב על המעבר ההפוך.

צילום מסך הסקופ הזה נראה הרבה יותר טוב משל ה-LDR: השינוי נראה קרוב ללינארי, ומסתיים תוך כ-7 אלפיות השנייה. מה לגבי שינוי בכיוון ההפוך, מאור לחושך? כמו ב-LDR, גם כאן התגובה להחשכה איטית יותר מאשר להארה, אך עדיין הפוטוטרנזיסטור מהיר יותר – סביבות 20 אלפיות השנייה:

שוב עולה השאלה, כמה מהגרפים האלה נובע מהיכולות של הרכיבים המודדים, וכמה מהיכולות והמגבלות של המסך. כדי לענות עליה, העברתי את הלוח עם הפוטו-טרנזיסטור אל "מתקן החושך" שלי, מול אותו לד כחול מניסויי ה-LDR. שם ראינו, כזכור, זמן עלייה של כ-6ms, וירידה עם זנב ארוך מאוד שנמשכה כ-50ms.

בום! זמן עלייה של כ-80 מיליוניות השנייה בלבד (שימו לב לסקאלת הזמן, משמאל למעלה). בהחלט אומר משהו על היכולות של הרכיב ושל המסך! עם זאת, התמונה קצת פחות מרגשת כשמכבים את הלד:

כ-15ms, קצת יותר טוב מאשר מול המסך ועדיין לא משהו. בדיוק כמו עם ה-LDR, גם הפוטו-טרנזיסטור כביכול "אוהב אור", מגיב לו מהר אך מתקשה להיפרד ממנו.

כל הגרפים למעלה היו, כאמור, עם נגד בעל ערך גבוה מאוד, שמביא את המעגל לרוויה אפילו מול התאורה החלשה יחסית של צבע לבן על מסך מחשב רגיל. אחרי שתיעדתי את הממצאים, החלפתי את הנגד לנגד 33K, שמתאים יותר לעוצמות התאורה האלה. מול הדלקה של הלד, הממצאים היו כמעט זהים למה שקיבלתי עם הנגד הגדול, כולל המתח המרבי – כלומר, גם כאן הפוטוטרנזיסטור הגיע לרוויה. לעומת זאת, התגובה לכיבוי הלד הייתה כעת הרבה יותר מהירה – כ-1.5ms, פי עשרה מקודם!

אגב, אם תסתכלו טוב, המתח המרבי בכל הגרפים עד כה נראה גבוה מדי. הרי ה-datasheet אומר שהמקסימום יהיה מתח האספקה פחות מתח רוויה של 0.4V, וכאן אנחנו רואים אפילו 5V במתח אספקה של 5V. אבל ה-datasheet נוקב במספר 0.4 כערך מקסימלי, לא כערך טיפוסי, אז קשה לדעת אם מה שאנחנו רואים כאן חריג או לא.

כשהוספתי נגד 10K לפני הלד כדי להחליש מאוד את עוצמת האור, המתח המקסימלי בגרפים ירד לכ-0.5V, ומעניין לציין שזמן התגובה לכיבוי נשאר דומה מאוד, אך זמן העלייה התארך לסביבות 0.5ms.

המבחן האחרון היה לנסות את הפוטו-טרנזיסטור עם נגד 33K מול המסך. המתח המרבי ירד, כצפוי, והגיע לסביבות 0.73V. זמן הירידה במעבר מלבן לשחור היה כ-2ms, וזמן העלייה התארך לסביבות 20ms (!) – פתאום הוא כבר לא כל כך אוהב אור…

והיה עוד משהו מעניין:

גם במדידה הזו וגם במדידה מול מסך לבן "סטטי", כל הזמן הופיעו הקפיצות הקטנות האלה. זהו בוודאי אפקט רענון כלשהו של חומרת המסך.

אז איך אפשר לסכם את כל הממצאים האלה? ראשית, בגדול, התגובה של הפוטו-טרנזיסטור מהירה משל ה-LDR, מה שהופך אותו למתאים – אתם יושבים? – ליישומים שדורשים זמן תגובה מהיר, עד כדי תקשורת נתונים (בזהירות עם האור שמסביב, כן?) מצד שני, זמן התגובה של הפוטו-טרנזיסטור תלוי מאוד ברגישות שאנחנו מגדירים למעגל, וכיוון התלות הזו שונה לכיבוי ולהדלקה. אפשר אולי לחשוב על זה ככה: ככל שהנגד ששמים במעגל גדול יותר, כך ה"הגברה" של אור למתח חזקה יותר, ואז אור מזוהה במהירות וחושך לאט – ולהיפך כשהנגד קטן יותר. זה בוודאי לא ההסבר הפיזיקלי המדויק, אך יספיק ככלל-אצבע.

ל-LDR לעומת זאת יש טווח דינמי הרבה יותר גדול, והוא מצוין לזיהוי לא דחוף של רמות תאורה סביבתיות מכל הסוגים.

אבל בשני הרכיבים התגובה לכיבוי האור נמשכת זמן שונה מהתגובה להדלקה, וזה דבר שחייבים לקחת בחשבון. מה שעוד יותר קריטי, לא כל הפוטו-טרנזיסטורים נבראו שווים, ודגמים אחרים רגישים לאורכי גל אחרים ומגיבים בזרמים והגברים אחרים לגמרי. כרגיל, קיראו את ה-datasheet בתשומת לב!