Коммутацияспомощьюпоследовательного колебательногоконтура LC, включенного последовательно с тиристором (рис. 3.51, б), происходитследующимобразом: вмоментоткрытиятиристораVS1 заряжается конденсатор С и в цепи идет колебательный процесс. При спадании тока LC-контура до нуля происходит естественное включение тиристора. Резистор R служит для заряда конденсатора

кмоменту очередного включения.

Всхеме рис. 3.51, в процесс коммутации протекает в две ступени: вначале запирается рабочий тиристор; после заряда, или перезаряда конденсатора включается вспомогательный. Данная схема коммутации представляет собой тиристорный аналог полностью управляемого вентиля. Применение вспомогательного тиристора позволяет в широких пределах регулировать длительность открытого состояния основного тиристора.

3.12. Полупроводниковые фотоприборы

Классификация фотоэлектрических приборов

Электронные приборы, предназначенные для преобразования светового излучения в электрический ток, называют фотоэлектрическими. Их классифицируют по виду рабочей среды и по функциональному назначению. По виду рабочей среды фотоэлектрические приборы подразделяют на электровакуумные (электронные и ионные фотоэлементы, фотоумножители ) и полупроводниковые

76

с однородными структурами — фоторезисторы; с p-n переходами (фотодиоды, фототранзисторы, фототиристоры).

По функциональному назначению фотоэлектрические приборы подразделяют на три группы:

—фотоприёмники — преобразователи светового сигнала в электрический, применяемые в аппаратуре связи, устройствах считывания информации, в вычислительной технике и ряде других областей;

—фотодатчики— преобразователиизмеряемыхвеличинвэлектрическийсигнал: датчикиосвещенности, координат, деформации, используемые в автоматических устройствах железнодорожного транспорта;

—фотоэлектрическиепреобразователисветовойэнергиивэлектрическую в источниках аппаратуры.

Индикаторные(излучающие) приборы— электронные приборы, непосредственно преобразующие электрическую энергию в световое излучение, — относятсякодномуизклассовэлектросветовыхприборов.

По виду рабочей среды индикаторы подразделяют на электровакуумные, газоразрядные, полупроводниковые ижидкокристаллические.

По форме представления сигнала различают индикаторы: светосигнальные, отображающиесигналсвечениеминдикатора; цветосигнальные, отображающиекаждыйсигнализгруппыбук-

вой, цифрой или другим определённым символом; экранные, представляющие принятую за определённый интер-

вал времени совокупность сигналов в виде черно-белого или цветного изображения;

шкальные, которые отображают поступивший сигнал местоположением светового пятна или границы светящейся линии.

На базе современных фотоприёмников и излучающих приборов развивается оптоэлектроника — научно-техническое направление, использующеедляпередачи, обработкиихраненияинформациикак электрические, так и оптические средства и методы.

Фоторезисторы

Полупроводниковый прибор, электрическое сопротивление которого изменяется в широких пределах в зависимости от интенсивности и спектрального состава воздействующего на него светового потока, называют фоторезистором (ФР).

77

Рис. 3.53. Характеристики фоторезистора: а — вольт-амперные; б — световые

78

ристикуневлияет. При Ф = 0 наклон вольт-амперной характеристики зависит от темнового сопротивления Rт. С увеличением светового потока крутизна вольт-амперной характеристики растёт, а сопротивление уменьшается в 105—106 раз.

Световая характеристика Iφ(Ф) при U = const (рис. 3.53, б) линейна лишь в области небольших значений потока Ф. С увеличением Ф возрастает концентрация свободных носителей и вероятность их рекомбинации, подвижность носителей снижается и поэтому рост тока уменьшается.

Ток фоторезистора

где k — коэффициент; Iт — темновой ток, обусловленный наличием в полупроводнике при световом потоке Ф = 0 свободных носителей заряда.

Нелинейность зависимости Iφ(Ф) — существенный недостаток ФР, ограничивающий их использование.

Сернисто-кадмиевыеФРимеютмаксимальнуючувствительность ввидимойчастиспектра, селенисто-кадмиевые— вкраснойиинфракрасной; сернисто-свинцовые— тольковинфракрасной. Сизменением температуры спектральная характеристика, в зависимости от видаполупроводникового материала, смещаетсявлевоиливправо.

Свойства ФР, как и любого другого полупроводникового фотоприёмника, характеризуют параметры чувствительности, а также электрическиеивременныепараметры. Основнойпараметрчувствительности фотоприёмника — интегральный коэффициент чувствительности мА/лм:

3.29

Однако ток ФР зависит от приложенного напряжения U, поэтому свойство ФР оценивают удельной интегральной чувствительностью, отнесённой к 1 В, мА/ (В.лм):

Значение Kинт.уд составляет десятые доли миллиампер на вольт на люмен.

Основные электрические параметры ФР:

рабочее напряжение Uр, которое составляет от нескольких десятков до нескольких сотен вольт;

79

—темновой ток Iт,

—фототок Iφ, протекающий через ФР при указанном напряжении и обусловленный только воздействием потока излучения заданного спектра;

—общий ток

— темновое сопротивление Rт ≈ 105 107 Ом.

Основной параметр временных характеристик ФР — граничная частотаfгр синусоидальногосигнала, модулирующегосветовойпоток, при которой чувствительность прибора падает до значения1/ 2 посравнениюсчувствительностьюпринемодулированномизлучении fгр мало и составляет 102—104 Гц. Это обусловлено значительным временем жизни неосновных носителей заряда в полупроводник. Наиболее инерционны сернисто-кадмиевые ФР. С увеличением температуры и освещённости инерционность уменьшается.

К максимально допустимым параметрам ФР относят:

—Umax — максимальное рабочее напряжение ФР, при котором отклонение его параметров не превышает указанных пределов,

—максимальную мощность рассеяния Pmax. С ростом температуры окружающей среды Pmax снижается.

ФРсвойственно старение — постепенное уменьшение сопротивления, изменение фототока и чувствительности в течение нескольких сотен часов эксплуатации.

ПосравнениюсэлектроннымифотоприёмникамиФРимеютследующие преимущества:

—понижение напряжения питания,

—значительно большая интегральная чувствительность,

—возможностьработывболееширокомспектральномдиапазоне,

—большие допустимые фототоки,

—большая стабильность характеристик,

—меньшие габаритные размеры и масса,

—простота конструкций,

—устойчивость к механическим воздействиям,

—большой срок службы.

Недостатки ФР:

—повышенная инерционность,

—значительная зависимость характеристик и параметров от температуры,

80

Оптроны

Оптрон (ОП) — это прибор, в котором светоизлучатель и фотоприёмникоптическииконструктивносвязаныдругсдругомипредставляют собой единое конструктивное целое.

В ОП поступающий электрический сигнал преобразуется источником излучения в световой, передаётся по оптическому каналу от светоизлучателя к фотоприёмнику, где он вновь преобразуется в электрический. При этом цепи входа и выхода полностью отделяются друг от друга, что необходимо для многих схем железнодорожной автоматики и телемеханики.

Источником излучения в ОП служит светодиод; в качестве фотоприёмников используют фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторыифототиристоры. ЕслиОПимеетодинизлучательиодинприёмникизлучения, тоегоназываютоптопаройилиэлементарнымОП.

НаиболеераспространённыеэлементыОП— арсенидогаллиевые светодиоды и фотоприёмники из кремния. Их спектральные характеристики хорошо согласуются между собой. Согласование спектральных характеристик — одно из основных условий, обеспечивающих оптимальную передачу сигнала с входа ОП на его выход.

Наименьшее напряжение изоляции между входом и выходом имеют ОП с тонким слоем стекла или лака (100—1000 В). В ОП с воздушнымпромежуткомоносоставляет1—5 кВиограниченоэлектрической прочностью корпуса. В ОП с волоконными световодами напряжение изоляции может достигать 50—150 кВ.

Оптронную пару — излучатель и фотоприёмник — или несколько оптронных пар помещают в корпус и герметизируют, обычно используют корпуса интегральных микросхем.

Масса ОП составляет 0,8—1,5 г.

ОПпредставляетсобойчетырехполюсник, свойствакоторогоопределяются входной, передаточной и выходной характеристиками. Характеристику обратной связи ОП не рассматривают из-за чрезвычайно высокой изоляции входа от выхода. Входной характеристикой ОП служит вольт-амперная характеристика его светодиода, выходной — соответствующая характеристика его фотоприёмника при заданном токе на входе оптрона. ОП характеризуют следующие основные параметры:

коэффициент передачи тока Ki = I2 / I1, представляющий собой отношение фототока приёмника I2 к току излучателя I1;

85