m12

выключения излучения. Инерционность излучающего диода определяется процессом перезаряда барьерной емкости и процессами накопления и рассасывания неосновных носителей в активной области диода.

Оптопары

Оптопарой называется оптоэлектронный прибор, содержащий излучатели и фотоприемники, оптически и конструктивно связанные с друг другом.

Принцип действия оптопары основан на двойном преобразовании энергии. В излучателях энергия сигнала преобразуется в оптическое излучение, а в фотоприемниках, наоборот, оптический сигнал вызывает электрический ток или напряжение. Внутри оптопары связь входа с выходом осуществляется с помощью оптических сигналов. В электрической схеме такой прибор может выполнять функцию гальванической развязки входа и выхода. Однако сводить назначение оптопары только к обеспечению электрической изоляции было бы неверно. Введение с помощью оптопары оптического управления позволяет получить электронные устройства с исключительно своеобразными параметрами и характеристиками.

Важными достоинствами оптопар являются:

–возможность бесконтактного (оптического) управления электронными объектами;

–восприимчивость оптических каналов связи к воздействию электромагнитных полей, что обуславливает высокую помехозащищенность, а также исключает взаимные наводки;

–расширение возможностей управления выходным сигналом оптопары путем воздействия на оптический канал и, как следствие этого, создание разнообразных датчиков и приборов для передачи информации.

В качестве источника излучения могут использоваться миниатюрные лампы накаливания, газоразрядные лампы, излучающие диоды. Излучающий диод является в настоящие время наиболее распространенным источником излучения. В качестве фотоприемников в оптопарах, используются фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы, фототиристоры.

Условные графические обозначения оптопар представлены на рис. 2.8.

Обозначение отечественных оптопар состоит из семи элементов. Первые три элемента обозначения – буквы: первая буква определяет материал излучателя, вторая буква (буква О) указывает на принадлежность прибора к классу оптопар, третья буква показывает тип фотопри-

141

емника (Д – фотодиод, Т – фототранзистор, У – фототиристор и т. д.). За тремя буквами в обозначении следует трехзначный порядковый номер и, наконец, буква, определяющая группу приборов данного типа.

Следует отметить отличия в конструкции оптического окна излучателя оптопары по сравнению с обычным излучающим диодом. Для оптопары излучающая область должна быть минимальной по площади, что уменьшает краевые потери излучения. Малый размер излучающей области позволяет обеспечить, кроме того, стабильность условий оптической связи, сделать их практически независимыми от точности совмещения с приемным окном фотоприемника.

Качество оптопары в значительной степени зависит от эффективности передачи энергии от излучателя к приемнику, т. е. от свойств оптического канала.

В оптопарах используют следующие конструктивные виды оптических каналов:

–связь через воздух, которая характеризуется простотой и высокой электрической изоляцией;

–связь через воздух с использованием оптической фокусировки с помощью линз, что обеспечивает лучшую передачу излучения по сравнению с прямой связью через воздух;

–связь с использованием иммерсионной среды, в которой показатели преломления оптической среды и материалов излучателя и фотоприемника одинаковые, что существенно уменьшает потери излучения на отражение;

–связь с использованием отрезка световода, которая необходима при создании оптоизоляторов с допустимым напряжением изоляции свыше 20–50 кВ.

Таким образом, при выборе типа оптического канала необходимо в зависимости от применения оптопары удовлетворить следующие требования:

1) обеспечить заданный уровень электрической изоляции между входом и выходом оптопары;

142

2)согласовать материал оптического канала с излучателем и фотоприемником спектрально, т. е. обеспечить высокую прозрачность для излучения в рабочем диапазоне длин волн;

3)снизить до минимума потери на отражение на границах излучатель – оптический канал и оптический канал– фотоприемник.

Параметры оптопар Параметры оптопар можно разделить на четыре группы: входные

параметры (излучателя), выходные параметры (фотоприемника), передаточные параметры (параметры передачи сигнала с входа на выход) и параметры изоляции.

Для обозначения типа оптопар можно использовать следующие сокращения: R – резисторная, Д – диодная, Т – транзисторная, У – тиристорная, Т–Т – с составным фототранзистором, ДТ – диоднотранзисторная (рис. 2.8.).

Входная цепь оптопар описывается следующими параметрами:

–номинальный входной ток, т. е. значение тока, рекомендуемое для оптимальной эксплуатации оптопары и используемое при измерении ее основных параметров;

–входное напряжение, т. е. падение напряжения на излучающем диоде в прямом направлении при заданном значении прямого тока;

–входная емкость оптопары в заданном режиме;

–максимальный входной ток, т. е. максимальное значение прямого постоянного тока, который допускается при эксплуатации излучающего диода;

–обратное входное напряжение, т. е. максимальное значение обратного напряжения любой формы, которое может быть приложено к входу оптопары в обратном направлении.

Выходные параметры оптопар:

–максимально допустимое обратное выходное напряжение (для Т, Т–Т, Д–Т, Д, У);

–максимально допустимый выходной ток, т. е. максимальное значение тока, который допускается пропускать через фотоприемник во включенном состоянии оптопары (для Т, Т– Т, Д–Т, У);

–ток утечки на выходе, т. е. ток на выходе оптопары при входном токе равном нулю, и заданном значении и полярности выходного напряжения (для Т, Т–Т, Д–Т, Д, У);

143

–выходное остаточное напряжение, т. е. значение напряжения на включенном фоторезисторе или фототранзисторе

врежиме насыщения (для Т, Т–Т, У);

–выходная емкость, т. е. емкость фотоприемника (для всех типов).

Передаточные параметры оптопар:

Передаточные параметры характеризуют эффективность передачи электрического сигнала с входа на выход. Эффективность передачи энергии сигнала описывают коэффициентом передачи (обычно по току), а скорость передачи сигнала – временными параметрами.

Основным параметром, который характеризует передачу сигнала с входа оптопары на ее выход, для всех типов оптопар (кроме тиристор-

ных) является коэффициент передачи по току – kI , т. е. отношение тока на выходе оптопары к вызвавшему его входному току:

При этом различают статический коэффициент передачи, который определяется по формуле (2.12), и дифференциальный коэффициент передачи:

Передаточная характеристика Iвых f (Iвх) для оптопар в общем

случае нелинейная. Нелинейность передаточной характеристики связана с нелинейностью излучательной характеристики излучателя оптопа-

ры, а также с зависимостью kIД фотоприемника от выходного тока. Тиристорная оптопара работает только в ключевом режиме, и па-

раметр kI для нее не имеет смысла. Передаточная характеристика здесь

определяется входным током тиристорной оптопары, при котором фототиристор включается.

Быстродействие оптопар характеризуют следующие временные параметры переходной характеристики выходного тока iвых f (t) , получаемой при подаче на вход прямоугольного импульса тока Iвх :

144

– время нарастания выходного тока tнар – это время нарастания выходного тока от уровня 0,1 Iвыхmax до уровня 0,9

Iвыхmax ;

– время задержки при включении tзд – это время от момента подачи импульса входного тока до момента нарастания выходного тока до уровня Iвыхmax.

Сумма времени задержки и времени нарастания при включении со-

ставляет время включения tвкл оптопары. Аналогичным образом определяются время спада, время задержки при выключении и время вы-

ключения. Таким образом, время переключения tпер tвкл tвыкл . 3. ПРОГРАММА И УКАЗАНИЯ К ВЫПОЛНЕНИЮ РАБОТЫ

3.1.Ознакомиться с основными справочными данными следующих оптоэлектронных приборов: фоторезистора – ФСК-6; фотодиода – ФД-27К; светодиода – АЛ307АМ: оптрона – АОД101Б. Выписать справочные данные исследуемых приборов.

3.2.Собрать схему согласно рис. 3.1. Снять семейство вольтамперных характеристик фоторезистора при различных напряжениях накала лампочки источника света. Перед снятием темновой характеристики

(Uн = 0) следует выключить источник Е1 и выдержать фоторезистор в

темноте в течение одной минуты. При снятии семейства напряжение накала лампы должно иметь следующие фиксированные значения: Uн= 10В; Uн= 15 В; Uн= 20 В; Uн= 25 В. При максимальном напряже-

нии накала измерить ток накала лампы.

3.3. Собрать схему для исследования фотодиода (рис. 3.2). Снять прямые и обратные ветви ВАХ фотодиода при Uн = 0 , 10, 15, 20, 25В.

После снятия семейства ВАХ отключить источник анодного напряжения и соединить резистор 1,5 кОм с анодом фотодиода, как показано на

рис. 3.2 пунктиром. При напряжении накала лампочки U н = 25В измерить напряжение на резисторе и ток через него.

145

тивление при максимальной освещенности, определить кратность изменения сопротивления.

4.3. На основе данных пункта 3.3 построить семейство ВАХ фотодиода при различной освещенности фотоприемника. Определить световой поток при напряжении накала лампы Uн = 25 В и вычислить инте-

гральную чувствительность фотодиода при работе в фотодиодном режиме.

Для максимального напряжения накала (Uн = 25 В) построить в

более крупном масштабе участок ВАХ, соответствующий работе фотодиода в фотогальваническом режиме и определить напряжение холостого хода и ток короткого замыкания. Нанести на график экспериментальную точку, соответствующую сопротивлению нагрузки 1,5 кОм. На этом же графике построить кривую отдаваемой мощности в зависимости от тока нагрузки. Определить оптимальное напряжение и ток, при котором фотодиод отдает в нагрузку максимальную мощность. Вычислить какую мощность имела бы батарея из элементов ФД-27К площадью в 1 м2 .

4.4.С учетом данных пункта 3.4 программы построить вольтамперную характеристику светодиода.

4.5.По результатам выполнения пункта 3.5 программы построить передаточную характеристику оптрона АОД101Б, определить коэффи-

циент передачи по току (kI Iвых / Iвх ) в процентах и сравнить со справочными данными.

5.КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

5.1.В чем заключается отличие эффекта фотопроводимости в полупроводниках от фотогальванического эффекта? В каких фотоприемниках эти эффекты используются?

5.2.Какова конструкция фоторезистора и в чем заключается принцип его работы?

5.3.Какие характеристики фотоприемников вы знаете, и что они собой представляют?

5.4.Что такое чувствительность фоторезистора и от чего она зави-

сит?

5.5.Что понимают под пороговым потоком фоторезистора и от чего зависит его значение?

148

5.6.Какие процессы протекают в фотодиоде при воздействии на него светового потока? В чем причина возникновения фото-ЭДС в фотодиоде?

5.7.Какой вид имеет семейство ВАХ фотодиода? Какие области ВАХ являются рабочими, и каким режимам работы фотодиода они соответствуют?

5.8.В чем заключается оптимальный режим работы фотодиода при его работе в фотогальваническом режиме?

5.9.От чего зависят частотные свойства фотодиодов?

5.10.Какие основные достоинства излучающих диодов по сравнению с другими видами излучателей некогерентной оптоэлектроники вы знаете?

5.11.Какова структура светодиода и в чем заключается принцип его работы?

5.12.Чем определяется спектральный состав оптического излучения излучающих диодов?

5.13.Почему в обычных диодах невозможна генерация излучения оптического диапазона? От чего зависит цвет свечения излучающих диодов?

5.14.Что представляют собой излучающая и спектральная характеристики излучающего диода?

5.15.В чем отличие ВАХ излучающих диодов от ВАХ обычных?

5.16.От чего зависит быстродействие излучающих диодов?

5.17.Что представляют собой оптопары, и какие преимущества они имеют по сравнению с другими приборами?

5.18.Какие типы оптопар вы знаете? В чем заключаются особенности оптопар того или иного типа?

РИЛОЖЕНИЕ

Параметры ФЭУ-13

Фотоэлектронный умножитель ФЭУ-13 электровакуумный прибор, в котором поток первичных электронов усиливается посредством вторичной электронной эмиссии. Основное назначение ФЭУ заключается в преобразовании световых сигналов в электрические сигналы и усилении слабых фототоков.

Число каскадов усиления (N)………………………………………..12

Номинальное напряжение анод-катод (U ак )……………...........1700В

Темновой ток…………………………………………………...0,4 мкА

149

Интегральная чувствительность фотокатода ( Kфк ).....50 [ мкА/ лм]

Интегральная чувствительность ФЭУ ( KФЭУ )…………….6 [ А/ лм] ( KФЭУ = Kфк M ; M = N ).

Индикаторная лампа ИН-12Б Индикаторная лампа ИН-12Б это многоэлектродный ионный при-

бор тлеющего разряда, предназначенный для работы в качестве визуального цифрового индикатора электрических сигналов. Катоды в лампе выполнены в форме арабских цифр (от 0 до 9) и запятой. Высота цифр 18 мм. Оформление – стеклянное. Индикация производится через купол баллона. Масса 20 г.

Основные параметры:

Напряжение зажигания промежутка анод-катод ……………. 170В Время запаздывания зажигания разряда ………………………... 1с Ток индикации для цифр/ …………………………………… 2.5 мА

Ток индикации для запятой…………………………………. 0.3 мА Напряжение питающей сети……………………………….200 – 250В

Рабочая температура окружающей среды……….от – 60 до +70 С.

Тиратрон ТГ- 0.1/0.3 Тиратрон ТГ- 0.1/0.3 ионный прибор с термокатодом работает в

режиме несамостоятельного дугового разряда, предназначен для работы в импульсных и выпрямительных устройствах. Наполнение – аргоновое. Оформление – стеклянное. Масса 40 г.

Основные параметры при напряжении накала U Н = 6.3 В:

Ток накала……………………………………………….540 – 660 мА Ток сетки…………………………………………………….. 10 мкА Ток анода (среднее значение)……………………………….. 75 мА Напряжение сетки отпирающие:

при U а = 110В…….………………………………. .от – 14 до – 10В при U а = 250В…….…………………………………от – 29 до – 21В

Падение напряжения между анодом и катодом.……………… 20В

Предельные эксплуатационные данные:

Напряжение накала………………………..….……………..5.7 – 6.9В

150