5.5.3. Фотоэлектронные реле

Реле называют фотоэлектронным, если на его входе включен элемент, обладающий свойством изменять электропроводность под действием света.

Фотоэлектронные реле служат в автоматике для контроля и измерения оптических величин. Элемент реле, осуществляющий преобразование оптического входного сигнала в электрический, называется фотоприемником. Различают полупроводниковые, электровакуумные и ионные фотоприемники. Наиболее широко применяются полупроводниковые фотоприемники (фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы), имеющие меньшие габариты по сравнению с электровакуумными и ионными.

Основные параметры фоторезисторов:

а) темновое сопротивление, т.е. сопротивление фоторезистора при отсутствии светового воздействия; значения темнового сопротивления различных типов фоторезисторов лежат в пределах от 40 кОм до 10 МОм;

б) удельная интегральная чувствительность, т.е. значение фототока, приходящегося на единицу светового потока, отнесенное к номинальному напряжению. Чувствительность фоторезисторов показывает степень изменения сопротивления при изменении светового потока и имеет значение от 500 до 20 000 мкА/ (лм·В).

Достоинства фоторезисторов: простота и малая стоимость их изготовления; недостаток — малое быстродействие. Постоянная времени переключения фоторезисторов составляет единицы миллисекунд, что ограничивает их применение в схемах фотореле.

Большое быстродействие переключения фотореле можно получить при использовании фотодиодов и фототранзисторов.

Фотодиоды могут работать в вентильном режиме (без внешнего источника питания), когда при освещении фотодиода на его электродах при разомкнутой внешней цепи возникает так называемая фото-ЭДС (рис. 5.28, а)

Uфд = ϕт ln(1+ Iф / I0 ),

где ϕт ≈ 0,025 В — температурный потенциал; Iф — фототок, прямо пропорциональный световому потоку Ф; I0 — обратный темновой ток фотодиода при Ф = 0. Для кремниевых фотодиодов I0 = 1...2 мкА, для германиевых I0 = 10...20 мкА.

244

При подключении к фотодиоду внешнего сопротивления через фотодиод и внешнюю цепь потечет ток нагрузки Iн . В результате напряжение на фотодиоде уменьшится до значения

Таким образом, фотодиод при работе в вентильном режиме можно рассматривать как маломощный источник питания.

Чаще, чем вентильный, применяется фотодиодный режим, когда к фотодиоду прикладывается обратное напряжение Е

(рис. 5.28, б).

Проводя нагрузочную прямую на семействе вольт-ампер-

ных характеристик фотодиода, положение которой соответствует выбранным (или заданным) значениям Rн и Е, можно найти ток в цепи при воздействии некоторого светового потока Ф.

При отсутствии освещения (Ф = 0) в цепи будет протекать ток Iн ≈ I0 и почти все напряжение источника приложено к фотодиоду.

При изменении светового потока по определенному закону рабочая точка А перемещается по нагрузочной прямой, а ток в цепи изменяется в соответствии с законом изменения Ф.

При Ф = Ф3 ток в цепи максимален и равен Iн max = E/Rн. Напряжение батареи Е практически приложено к нагрузке Rн, a падение

напряжения на фотодиоде близко к нулю.

Основной параметр фотодиода — интегральная чувствительность, характеризующая изменение фототока Iф через диод при изменении интенсивности светового потока Ф:

Kф = dIф / dФ .

245

Значение Кф в широких пределах уровней освещенности остается неизменным, т.е. фототок прямо пропорционален световому потоку Ф. Интегральная чувствительность фотодиодов имеет порядок несколько десятков мА/лм.

Интегральную чувствительность фотоприемника можно повысить с помощью фототранзистора, представляющего собой бипо-

Рис. 5.29. Схема фотоэлектронно- лярный транзистор, база которого

го реле, срабатывающего на по- вместо электрического сигнала уп-

вышение уровня светового потока равляется световым потоком.

Интегральная чувствительность фототранзистора достигает значений около 1 А/лм.

За счет высокой интегральной чувствительности выходной ток фототранзистора обычно не требует усиления. Однако темновой ток фототранзистора больше темнового тока фотодиода в (1 + h21э) раз. Так как h21э зависит от температуры, то температурная нестабильность фототранзистора намного выше, чем температурная нестабильность фотодиода.

На рис. 5.29 приведена схема фотоэлектронного реле, реагирующего на уровень светового потока, превышающий заданный.

Висходном состоянии, например при Ф = 0, ток, протекающий через фотодиод, не превышает значения темнового тока фотодиода. Поэтому транзистор закрыт.

При освещении фотодиода световым потоком с интенсивностью, большей заданного уровня, ток через фотодиод, соответствующий току базы транзистора, увеличивается. Транзистор открывается, в его коллекторной цепи появляется ток, вызывающий срабатывание электромеханического реле.

На рис. 5.30 приведена схема бесконтактного фотоэлектронного реле, реагирующегонауровеньсветовогопотока, меньшийзаданного. ПопринципупостроениясхемааналогичнасхеметриггераШмитта.

Висходном состоянии, при освещенном фоторезисторе, транзис-

тор VT1 открыт, a VT2 закрыт. Ток через нагрузку Rк2 = Rн не протекает. Если прервать световой поток или уменьшить его до некото-

246

рого критического уровня, то в схеме происходит лавинообразный процесс, приводящий к запиранию VT1 и отпиранию VT2. Через нагрузку Rк2 протекает ток Iк2 .

При необходимости в коллекторную цепь транзистора VT2 вместо резистора Rн можно включить элект-

ромеханическое реле, срабатывающее при протекании тока через транзистор VT2.

5.5.4. Электронные реле на тиристорах

При протекании больших токов через нагрузку в качестве переключающих элементов бесконтактного реле используются тиристоры, рабочий ток которых может достигать значений десятков и даже сотен ампер.

Промышленность выпускает два вида тиристоров: с двумя электродами, подключаемыми к источнику питания, — динисторы и с тремя, два из которых подключаются к источнику питания, а третий является управляющим, — тринисторы.

Вольт-амперная характеристика динистора приведена на рис. 5.31, б (кривая L). Ее особенность — наличие участка отрицательного сопротивления А′В, в пределах которого рабочая точка занимает неустойчивое положение, что и обусловливает переключательные свойства прибора.

Пусть в схеме рис. 5.31, а сопротивление резистора нагрузки Rн таково, что нагрузочная прямая М (рис. 5.31, б) пересекает вольтамперную характеристику динистора в трех точках: А, С и Д. Предположим, что динистор выключен, т.е. рабочая точка находится в устойчивом положении А. Повысим напряжение питания

247

Рис. 5.31. Схема электронного реле на динисторах (а), ВАХ динистора (б)

Еп до значения Е′п, подав на вход 1 скачком отрицательный сигнал Uвх1 = |Е′п – Еп|. При этом нагрузочная прямая сместится вправо параллельно самой себе, а рабочая точка займет положение А′. Сопротивление динистора становится отрицательным. Это вызывает лавинообразный процесс нарастания тока, в результате которого рабочая точка скачком переходит в положение С′. После снятия входного напряжения рабочая точка займет положение С, соответствующее включенному состоянию динистора. Напряжение на динисторе при его включении упадет до значения Uост, а

ток возрастет до значения Iраб.

Значения напряжений включения зависят от типа выпускаемого прибора и обычно лежат в пределах 25...500 В, но могут достигать и 1000 В.

Остаточное напряжение Uост на включенном приборе обычно

составляет 0,5...2,0 В при рабочем токе Iраб = 0,5...100 А.

Для выключения динистора рабочую точку из положения С необходимо сместить в положение В, соответствующее значениям Iвыкл , Uвыкл .

248

Этого можно достигнуть за счет уменьшения напряжения питания путемподачинавход2 отрицатель-

ногосигналаUвх2 = |Еп – Еп″|. Время выключения динистора

на порядок больше времени включения и составляет обычно единицы или десятки микросекунд.

В качестве резистора нагрузки Rн схемы (на рис. 5.31, а) можно включить обмотку электромеханического контактного реле.

Схема бесконтактного реле на динисторах может иметь об-

щий вход, на который подаются импульсы отрицательной полярности (рис. 5.32).

Состояния диодов VD5 , VD6 в цепи запуска схемы определяются состояниямидинисторов. Например, еслидинисторVD1 закрыт, аVD2 открыт, тодиодVD5 открыт, аVD6 закрыт. Поэтомувходнойимпульс проходиттольковцепьдинистораVD1 , вызываяпереключениесхемы.

Семейство вольт-амперных характеристик тринистора при различных значениях управляющего тока Iy представлено на рис. 5.33. При Iy = 0 характеристика тринистора совпадает с характеристикой динистора.

При наличии тока в цепи управляющего электрода участки 0А′ и А′В вольт-амперной характеристики тринистора становятся короче, а параметр Uвкл уменьшается. Это позволяет включать тринистор путем подачи импульса тока в цепь управляющего электрода.

Амплитуда управляющего импульсанедолжнабытьбольшезначения Iyc , называемого током спрямления, так как при Iy = Iyc вольт-ампер- ная характеристика тринистора подобна характеристике обычного полупроводникового диода, в которой отсутствует участок отрицательного сопротивления.

249