Лабораторная работа № 2 исследование диодных оптопар

Цель работы: познакомиться с принципом действия и техническими характеристиками диодных оптопар.

Пояснения к работе

Оптопара состоит из двух элементов – излучающего диода и фотоприемника, электрически изолированных друг от друга оптически прозрачной средой и связанных только через световое излучение. Передача сигнала с входа на выход оптопары происходит посредством последовательных преобразований: электрический ток – свет – электрический ток.

Во входной цепи современных оптопар используется инфракрасный излучающий диод, максимум спектральной характеристики которого приходится на длину волны около 1 мкм. Поэтому входные характеристики оптопар различных типов примерно одинаковы.

Характеристики выходной цепи оптопары зависят от примененного в ней фотоприемника (фотодиод, фототранзистор, фототиристор и др.). В диодной оптопаре в качестве фотоприемника используется фотодиод на основе кремния. При облучении фотодиода в нем возникает генерация пар носителей заряда – электронов и дырок. Интенсивность генерации пропорциональна мощности излучения, а следовательно, входному току оптопары.

Для повышения быстродействия фотодиоды создаются со структурой p-i-n, где i обозначает слой кремния собственной проводимости между легированными областями p- и n-типа. Время нарастания и спада фототока в таких структурах может составлять единицы и даже доли наносекунд. Из всех видов оптопар диодные обладают наименьшей инерционностью.

Фотоприемник может работать в фотодиодном или генераторном (фотовентильном) режимах. В первом случае к фотодиоду прикладывается обратное напряжение более 0,5 В, вызывающее протекание обратного (темнового) тока. Электроны и дырки, генерированные излучением, создают дополнительный фототок, увеличивающий обратный ток фотодиода. Значение обратного фототока практически линейно возрастает с увеличением мощности излучения Р_Ф (рис. 6, а). Отношение фототока к току во входной цепи оптопары называют коэффициентом передачи тока. У диодных оптопар коэффициент передачи тока мал и имеет порядок 1…5 %.

Фототок протекает и при смещении диода в прямом направлении, однако уже при небольших напряжениях он оказывается намного меньше прямого тока, вследствие чего его выделение оказывается затруднительным. Поэтому рабочей областью вольт-амперных характеристик фотодиода является третий квадрант.

Если к фотодиоду не прикладывается внешнее напряжение, он работает в генераторном режиме. Свободные электроны и дырки, вызванные внешним излучением, разделяются электрическим полем перехода фотодиода и заряжают p-область положительно, а n-область – отрицательно. Вследствие этого на выводах фотодиода появляется фотоЭДС порядка 0,55…0,7 В. Вольт-амперные характеристики фотодиода в генераторном режиме при работе на нагрузку R_H показаны на рис. 6, б. Характерными точками этих характеристик являются ЭДС холостого хода Uхх и ток короткого замыкания Iкз.

Рис. 6. Вольт-амперные характеристики фотоприемника в фотодиодном (а)

и фотовентильном (б) режимах

Таблица 1 – Параметры некоторых диодных оптопар

Параметры при Токр = 25 оС	АОД101Б	АОД107А	3ОД129Б	АОД130А	3ОД140А
Входное напряжение при Iвх = 10 мА, не более, В	1,5	1,5	1,5	1,5	1,5
Максимальный входной постоянный ток, мА	20	20	20	20	20
Коэффициент передачи тока при Iвх = 10 мА, не менее, %	1,5	5	2	1	1
Максимальное выходное обратное напряжение, В	100	15	100	30	10
Время нарастания (спада) выходного импульса при Iвх = 10 мА, не более, нс	500	500	30	100	100
Напряжение изоляции, В	–	–	500	1500	3000

Основными параметрами диодных оптопар являются (табл. 1):

- входное напряжение – постоянное прямое напряжение на излучающем диоде при заданном входном токе;

- максимальный входной ток – максимальное значение входного тока, при котором обеспечивается заданная надежность при длительной работе;

- максимальное выходное обратное напряжение – максимальное напряжение, приложенное к выходной цепи оптопары, при котором обеспечивается ее надежная работа;

- статический коэффициент передачи тока – отношение токов в выходной и входной цепях оптопары;

- время нарастания (спада) выходного сигнала – интервал времени, в течение которого при скачкообразном изменении входного сигнала выходной сигнал оптопары изменяется от 0,1 до 0,9 (от 0,9 до 0,1) максимального значения;

- напряжение изоляции – максимальное напряжение, приложенное между входной и выходной цепями оптопары, при котором обеспечивается электрическая прочность изоляции.