Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Омский государственный технический университет»

Кафедра «Технология электронной аппаратуры»

Курсовое проектирование

на тему:

«Оптопары светодиодные»

Выполнил:

студент гр. РЭБ-310

Цехош П.И

Проверил:

доцент, к.т.н. Шкаев А.Г.

Омск 2012

Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Омский государственный технический университет»

Кафедра «Технология электронной аппаратуры»

Специальность 210100.62 – «Промышленная электроника»

Задание

На курсовое проектирование по дисциплине

«Твердотельная электроника»

Студент группы РЭБ-310 Цехош Павел Иванович

Тема проекта: «Оптопары светодиодные»

Срок сдачи законченного проекта - 15 неделя 2012 г.

Содержание курсового проекта:

1. Пояснительная записка.

2. Графическая часть.

Содержание расчетно-пояснительной записки:

Техническое задание.

Аннотация.

Содержание.

Введение.

1. Классификация оптопар .

2. Принцип действия оптопар

3. Зонные диаграммы в равновесном состоянии и при внешнем смещении.

4. Аналитическое и графическое представление вольтамперной характеристики светодиодов.

5. Выбор и описание работы типовой схемы включения оптопар.

6. Расчёт элементов выбранной схемы.

Заключение.

Библиографический список.

Приложение.

Дата выдачи задания 10 сентября 2012 г.

Руководитель проекта _________________Шкаев А.Г.

Задание принято к исполнению 10 сентября 2012 г.

Студент группы РЭБ-310 _________________ Цехош П.И.

Аннотация

Оптронами называют такие оптоэлектронные приборы, в которых имеются источник и приемник излучения (светоизлучатель и фотоприемник) с тем или иным видом оптической и электрической связи между ними, конструктивно связанные друг с другом.

Принцип действия оптронов любого вида основан на следующем. В излучателе энергия электрического сигнала преобразуется в световую, в фотоприемнике, наоборот, световой сигнал вызывает электрический отклик.

Практически распространение получили лишь оптроны, у которых имеется прямая оптическая связь от излучателя к фотоприемнику и, как правило, исключены все виды электрической связи между этими элементами.

По степени сложности структурной схемы среди изделий оптронной техники выделяют две группы приборов. Оптопара (говорят также "элементарный оптрон") представляет собой оптоэлектронный полупроводниковый прибор, состоящий из излучающего и фотоприемного элементов, между которыми имеется оптическая связь, обеспечивающая электрическую изоляцию между входом и выходом. Оптоэлектронная интегральная микросхема представляет собой микросхему, состоящую из одной или нескольких оптопар и электрически соединенных с ними одного или нескольких согласующих или усилительных устройств.

Таким образом, в электронной цепи такой прибор выполняет функцию элемента связи, в котором в то же время осуществлена электрическая (гальваническая) развязка входа и выхода.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение.

1. Классификация оптопар .

2. Принцип действия оптопар

3. Зонные диаграммы в равновесном состоянии и при внешнем смещении.

4. Аналитическое и графическое представление вольтамперной характеристики оптопар.

5. Выбор и описание работы типовой схемы включения оптопар.

6. Расчёт элементов выбранной схемы.

7. Заключение.

8. Библиографический список.

9. Приложение.

Введениепульс сигнал техника

Различные оптопары (диодные, резисторные, транзисторные) находят применение в радиотехнических схемах модуляции, автоматической регулировки усиления и др. Воздействие по оптическому каналу используется для вывода схемы в оптимальный рабочий режим, для бесконтактной перестройки режима и т. п.

В качестве элементов гальванической развязки оптопары применяются: для связи блоков аппаратуры, между которыми имеется значительная разность потенциалов; для защиты входных цепей измерительных устройств от помех и наводок и т.д.

Другая важнейшая область применения оптопар – оптическое, бесконтактное управление сильноточными и высоковольтными цепями. Запуск мощных тиристоров, симисторов, управление электромеханическими релейными устройствами.

1. Классификация оптопар.

Резисторные оптопары

Рис. 1.1. Резисторные оптопары и их передаточные характеристики

В резисторных оптопарах источником является излучающий диод либо миниатюрная лампа накаливания (см. схему оптопары ОЭП-2 на рис. 1.1), а приемником служит фоторезистор, чаще всего на базе селенида кадмия.

Свойства фоторезисторов не зависят от полярности питающего напряжения, поэтому выход резисторной оптопары можно подключить к цепи переменного тока, что иногда имеет существенное значение для схем управления оборудованием в цеховых условиях. Зависимость выходного сопротивления оптопары (передаточная характеристика по сопротивлению) от входного тока (протекающего через источник света), например, для оптопары ОЭП-2 или 3ОР125А (на рис. 1.1 приведена зависимость для одного из четырех сопротивлений этой оптопары) показывает, как резко, на несколько порядков падает сопротивление фоторезистора под действием излучения (следует обратить внимание, что масштаб по шкале сопротивлений для этих зависимостей логарифмический, а для 3ОР125А и по оси абсцисс отложен логарифм входного тока). В то же время коэффициент передачи по току (I_вых /I_вх ) у оптопар на фоторезисторах невелик - порядка 0,3 (см. токовую передаточную характеристику оптопары АОР124А1).

Помимо функций гальванической развязки оптопары могут выполнять функции разветвления сигнала на несколько независимых друг от друга каналов. Это иллюстрирует схема оптопары 3ОР125А - один излучатель передает световой сигнал одновременно на четыре фоторезистора, каждый из которых может быть подключен к своему информационному каналу. С другой стороны, эта оптопара позволяет увеличить коэффициент передачи по току - если запараллелить все четыре фотосопротивления для одного информационного канала.

Все рассмотренные примеры касались оптопар с внутренней передачей сигнала от излучателя к приемнику через иммерсионную среду, в которую они погружены в корпусе оптрона. В этом случае расстояние между передающим и приемным элементами минимально (доли миллиметра), что позволяет минимизировать потери и иметь максимально возможный коэффициент передачи (следует напомнить закономерность, известную из курса физики, что освещенность падает пропорционально квадрату расстояния от источника до приемника).

Однако оптопара может быть не только передатчиком сигнала, но и служить его первоисточником, выполняя функцию датчика информации. Пример такого рода представляет так называемая оптопара с открытым оптическим каналом (см. схему оптопары АОР113А на рис. 1.1). В данном случае свет от источника через рабочее окно в корпусе прибора испускается во внешнюю среду, где, отразившись от специально устанавливаемого отражателя (вогнутого зеркала), возвращается в корпус оптрона и падает на два фоторезистора, которые имеют общую точку и могут электрически составлять одну половину измерительного моста (другая половина составляется из двух постоянных сопротивлений). Конструктивно фотосопротивления расположены в линию, поэтому если между оптопарой и зеркалом поместить какой-либо плоский объект, например край листа бумаги, то можно очень точно следить за его перемещением вдоль этой линии. Приведенная на рис. 1.1 передаточная характеристика оптопары АОР113А показывает, как линейно реагирует ток в измерительной диагонали моста (I_изм ) на перемещения в диапазоне +/-0,2 мм (выделенная на графике зона определяется разбросом параметров).

Такие допусковые пределы на положение кромки листа или бумажного полотна могут контролироваться подобными оптопарами на листовых и рулонных печатных машинах.

Диодные оптопары

Рис. 1.2. Диодные и диодно-транзисторная оптопары и их передаточные характеристики

В диодных оптопарах фотоприемником служит фотодиод на основе кремния, а источником является инфракрасный диод, излучающий на длине волны около 1 мкм. Поскольку фотодиоды могут работать как в диодном, так и фотогенераторном режиме, то выходная цепь при необходимости может работать автономно - без источника питания (например, подавать сигнал непосредственно на измерительную головку, скажем, стрелочный микроамперметр или милливольтметр). Примером работы диодной оптопары в том и другом режиме служат передаточные характеристики I_вых /I_вх для прибора АОД107, приведенные на рис. 1.2 .

Представленные графики показывают, что в фотодиодном режиме зависимость близка к линейной, с коэффициентом передачи по току, близким к 5%, в то время как в фотогенераторном режиме нелинейность зависимости становится все более явной по мере увеличения сопротивления нагрузки выходной цепи (по мере превращения фотоприемника из источника тока в источник напряжения), что одновременно влияет на уменьшение коэффициента передачи по току (по мере снижения выходного тока).

Диодный оптрон АОД134АС представляет набор из двух оптопар в одном корпусе, что создает определенные удобства при реализации на них гальванических развязок в электротехнической аппаратуре. Коэффициент передачи по току порядка 1% типичен для диодных оптопар (на графике показана зона разброса и усредненная кривая).

Существенный рост коэффициента передачи по току достигается в диодно-транзисторных оптопарах (45% для КОЛ201А на рис. 1.2), у которых приемник - фотодиод - выполнен интегрально на одной пластине с n-р-n-транзистором. Они как бы перекидывают мостик к другому типу оптопар - транзисторным.

Транзисторные оптопары

Рис. 1.3. Транзисторные оптопары и их передаточные характеристики.

Типовой источник в транзисторных оптопарах - инфракрасный диод, а фотоприемником служит, как правило, кремниевый (n-р-n) одинарный или составной транзистор. Характерные примеры схем транзисторных оптопар и графических зависимостей, связывающих выход со входом, приведены на рис. 1.3 .

Следует отметить, что в справочной литературе не всегда можно найти представляющие интерес зависимости (в частности, передаточные характеристики), поэтому на рис. 1.1-1.4

приведены графики, так или иначе дающие информацию о преобразовании входного сигнала в выходной.

Коэффициент передачи по току у транзисторной оптопары 3ОТ138 (А, Б) намного превышает (50-250%) возможности диодных оптопар (на графике показаны зона разброса и усредненная кривая). Это позволяет усилить слабый токовый сигнал в самой микросхеме оптопары, не рискуя «забить» его шумами и помехами при передаче по сигнальному кабелю. Еще большего усиления добиваются при использовании составных фототранзисторов, как, например, в оптопаре АОТ126 (А, Б). Но, как говорят, медаль имеет две стороны. Повышение коэффициента передачи за счет усиления на транзисторе снижает быстродействие, так как новый элемент привносит свою инерционность за счет межэлектродных емкостей. В литературе приводятся сведения о сравнении этих параметров для оптронов различных типов:

Вид фотоприемника  оптрона	Коэффициент передачи, %	Граничная частота, МГц
Фотодиод	0,1	10
Фототранзистор	30	0,3
Составной фототранзистор	300	0,03

Из приведенных данных следует, что на сколько порядков повышается коэффициент передачи, на столько же падает быстродействие, поэтому приходится выбирать - либо то, либо другое. Диодным оптопарам отдается предпочтение в компьютерных каналах связи, где быстродействие - один из определяющих параметров, а сам сигнальный импульс достаточно чист и уверенно воспринимаем. Транзисторные оптопары более применимы к аналоговым сигналам, а то и используются в виде датчиков, как, например, оптопары с открытым оптическим каналом АОТ146 (отражательного типа) или АОТ151А (щелевого типа).

Датчики на базе оптопар отражательного типа, имея источник инфракрасного излучения, хорошо работают в условиях повышенной запыленности (например, бумажной пыли в печатных машинах ). Оптопары щелевого типа часто используются в качестве концевых выключателей (например, в принтерах, сканерах), когда, скажем, каретка доходит до крайнего положения и необходимо остановить движение или осуществить реверс. При этом заслонка или «флажок», связанный с кареткой, входит в щель оптопары, прерывая световой поток и сообщая тем самым о достижении крайнего положения.

Тиристорные оптопары

Рис. 1.4. Тиристорные оптопары в схеме управления двигателем

В отличие от транзисторных тиристорные оптопары позволяют усиливать информационный сигнал не только по току, но и по мощности, поскольку приспособлены для работы при напряжениях на входе и выходе, отличающихся на порядки - как, например, в случае, иллюстрируемом на рис. 1.4 : на входе сигнал уровня 5 В (компьютерный) превращается на выходе в 220 В переменного тока. Такая тиристорная оптопара в свою очередь может использоваться для управления тиристорами на десятки киловольт или сотни ампер (например, в энергетических сетях).

Представить параметры тиристорных оптопар малой и средней мощности можно на примере характеристик оптопары АОУ115Д (предельные электрические параметры при T_окр = +25°С):

Входной постоянный ток, мА	30
Входной импульсный ток (при длительности импульса 1 мс и скважности 10), мА	60
Входное обратное напряжение, В	2
Выходной постоянный ток, мА	100
Выходное постоянное прямое напряжение на фототиристоре в закрытом состоянии, В	400
Напряжение на изоляции, В	1500
Диапазон рабочей температуры окружающей среды, °С	-45...+55

Из приведенных данных видно, что коэффициент передачи по мощности составляет (400 В×0,1 А/2 В×0,03 А)×100% = 66667%, что существенно выше возможностей других видов оптопар. Кроме того, включенное состояние фототиристора сохраняется и при прекращении излучения входного диода. Следовательно, управляющий сигнал может подаваться только на момент отпирания фототиристора, что экономично, дополнительно повышает коэффициент передачи по мощности и может быть полезно при многоканальном управлении.

В заключение необходимо отметить, что пары оптоэлектронных элементов «источник - приемник» не в виде отдельной микросхемы, а как составная часть более сложного типового прибора используются, например, в преобразователях линейных и угловых перемещений. {4}