6.2.1. Входная характеристика

Входная характеристика оптрона представляет собой зависимость входного тока I₁ от входного напряжения U₁ , то есть представляет собой вольт-амперную характеристику (ВАХ) оптрона: I₁ = F(U₁). Так как входным элементом оптрона является ОИ, то ВАХ оптрона представляет собой ВАХ оптического излучателя. В качестве ОИ получили распространение, в основном, СИД. Поэтому входная ВАХ оптрона описывается зависимостью

I₁ = I₀ [exp(qU₁ ∕κΤ) - 1] (3.1)

где I₀ - обратный темновой ток p-n перехода, U₁ - напряжение прямого смещения.

Зависимость I₁ = I(U₁) для СИДа типа АЛ102А (красное свечение) представлена на рис.33.

рис.33

6.2.2. Передаточная характеристика

Передаточная характеристика оптрона представляет собой зависимость выходного тока I₂ от входного тока I₁: I₂ = F(I₁). В общем случае эта зависимость носит нелинейный характер, что является причиной искажения формы выходного сигнала оптрона. Количественным параметром, характеризующим передаточную характеристику, является статический коэффициент передачи по току

K_I = I₂/I₁. (3.2)

Для СИД - фотодиодного оптрона (диодного оптрона) типичный график зависимости K_I от входного тока изображен на рис.34, где K_I0=K_I/K_Imax- нормированный коэффициент передачи.

рис.34

У диодных оптронов параметр K_I остается постоянным в широком диапазоне входных токов. Это обусловлено стабильным во времени значением внешнего квантового выхода ₁ СИД.

Проведем расчет параметра K_I для диодного оптрона. В таких оптронах в качестве ФП применяется p-i-n ФД в паре с арсенид-галлиевым (GaAs) СИДом. Поток Ф₁, который излучается светодиодом, определяется выражением

Ф₁= ₁I₁hν/q, (3.3)

где ₁- внешний квантовый выход СИДа, который определяется числом излучаемых фотонов, приходящихся на один электрон, прошедший через p-n переход светодиода; hν - энергия фотона; q - заряд электрона.

Ток I₂ на выходе ФД определяется внутренним квантовым выходом ФД ₂ и падающим на ФД потоком Ф₂

I₂ = q₂Ф₂/ hν . (3.4)

Определяя из (3.3) значение I₁, получим

K_I = I₂/I₁ = ₁₂Q, (3.5)

где: Q = Ф₂/Ф₁ - коэффициент оптических потерь, вносимых оптическим каналом при распространении света от светодиода до ФД.

Для p-i-n ФД величина ₂ ~ 1, тогда K_I = ₁Q и параметр K_I для диодных оптронов составляет единицы процентов, так как у GaAs-светодиодов ₁~ 10 %, а Q ~ 0,1…0,9.

При использовании в оптронах фототранзисторов с усилением фототока α_I до 10, параметр K_I можно увеличить

K_I = α_I (₁₂Q) (3.6)

до 0,5…0,8.

Для дальнейшего усиления выходных электрических сигналов оптрона применяются электронные усилители.

6.2.3. Выходная характеристика

Выходная характеристика оптрона определяется ВАХ фотоприемника I₂ = I(U₂). При использовании в оптроне фотодиодов ВАХ описывается выражением

I₂ = I₀ [exp(qU₂ ∕κΤ) - 1] - I_ф(Ф), (3.7)

где: I_ф(Ф) = S_IФ - фототок ФД, вызванный потоком Ф; S_I = qγ/hν - интегральная чувствительность ФД; q - заряд электрона;  - внутренний квантовый выход, равный числу электронно-дырочных пар, образуемых одним фотоном; γ - коэффициент рекомбинационных потерь в общем количестве генерируемых светом носителей тока; hν - энергия фотона.

ВАХ при использовании в оптроне ФД, фототранзистора или фототиристора представлены соответственно на рис. 35, 36, 37.

На рис. 35 квадранты 1 , 2 , 3 соответствуют фотодиодной (рабочей) области фотодиода, где выполняется условие I₂ = I_ф(Ф) = S_IФ линейной зависимости фототока от засвечивающего потока Ф, гальваническому режиму работы ФД и не рабочей области ФД. В оптронах используется фотодиодный режим работы, соответствующий области 1.