Опыт 4. Регистрация характеристики транзисторной оптопары

В таблице 4 представлены данные зависимости выходного тока от входного транзисторной оптопары.

IВХ, мА	0,3	0,35	0,4	0,45	0,5	0,55	0,6	0,65	0,7
IВЫХ, мА	0,015	0,02	0,027	0,036	0,045	0,056	0,068	0,079	0,1
IВХ, мА	0,75	0,8
IВЫХ, мА	0,179	0,350

Таблица 4

Рисунок 9 - График зависимости выходного тока от входного тока транзисторной оптопары

Вывод: Характеристика фототранзистора идентична характеристике биполярного транзистора.

Опыт 5. Регистрация характеристики тиристорной оптопары мос3010

В таблице 5 приведены данные открывающего тока управления и остаточного напряжения тиристорной оптопары при прямой и обратной полярности питания.

Таблица 5

Питание нагрузки U, В	Остаточное напряжение Uост, В	Остаточный ток управления, Iоткр.у., мА
+15	1,41	2,56
-15	-1,41	-2,51

Вывод: I_откр.у=2,56 - ток, зафиксированный в момент включения лампы, после достижения этого значения, остаточное напряжение не изменяется, симистор перешел в открытое состояние и при уменьшении тока управления не выключится. Далее при обратной полярности можно наблюдать те же значения тока управления и остаточного напряжения, разница в этих измерениях возникает из-за погрешности лабораторного оборудования.

Общий вывод: в данной лабораторной работе с помощью экспериментов были установлены основные свойства оптопар и определены и построены их характеристики. Говоря о резисторной оптопаре, по ее характеристики видно из закона Ома, что с увеличением выходного сопротивления входной ток уменьшается. Вольтамперная характеристика диодной оптопары в фотогенераторном режиме сильно похожа на вольтамперную характеристику обычного p-n-перехода. В фотодиодном же режиме мы наблюдаем линейную зависимость выходного тока от входного, которая очень похожа на характеристику фототранзистора. Характеристика же фототранзистора идентична характеристике биполярного транзистора. Но если говорить о разнице между фототранзисторами и фотодиодами, то первые имеют большую интегральную чувствительность благодаря усилению фототока. Симисторная оптопара при прямой и обратной полярности имеет одинаковые значения тока управления и остаточного напряжения.

Ответы на контрольные вопросы

1. Какие типы оптопар вы знаете, и чем они отличаются друг от друга?

Резисторные оптопары. Они имеют в качестве излучателя сверхмощную лампочку накаливания или светодиод. Приемником излучения является фоторезистор, который может работать как на постоянном, так и на переменном токе.

Применяются: для коммутации, для автоматического регулирования усиления, для связи между каскадами, для управления бесконтактными делителями напряжения и т. д.

Диодные оптопары. Они содержат обычно кремниевый фотодиод и арсенид-галлиевый светодиод

Транзисторные оптопары имеют в качестве излучателя Ga As-светодиод, а в качестве приемника излучения – биполярный кремниевый фототранзистор

Тиристорные оптопары имеют в качестве фотоприемника кремниевый фототиристор и применяются исключительно в ключевых режимах

Отличие всех оптопар от друг друга в характеристиках, строении и особенностях применения.

2. Как работает опторезистор, какова его основная регулировочная характеристика?

Выходная цепь питается от источника (=) или (~) напряжения Е_и, имеет нагрузку R_н. Напряжение управления U_упр, подаваемое на светодиод, управляет током в нагрузке. Как влияет температура на характеристики оптопар?

3. Как влияет температура на характеристики оптопар?

Параметры оптопар зависят от температуры. Повышение температуры фоторезистора приводит к увеличению его светового сопротивления и снижению фототока. При повышении температуры темновой ток увеличивается, темновое сопротивление уменьшается.

4. Как работает диодная оптопара в фотогенераторном режиме?

Фотодиод может включаться без внешнего источнщса питания - это т.н. преобразовательный (фотогенераторный) режим. Под действием света в р-n переходе происходит генерация пар носителей заряда (электронов и дырок). Накопление основных носителей в областях р и n приводит к возникновению фото-ЭДС. При увеличении облучения генерация пар носителей растет и увеличивается величина фото-ЭДС, до тех пор, пока она не уравновесит внутреннее диффузионное поле р-n перехода.

5. Почему диодную оптопару часто используют в фотодиодном режиме?

Фотодиодный режим обеспечивает ряд преимуществ по сравнению с фотогальваническим: повышенные быстродействие и чувствительность

фотодиода к длинноволновой части оптического спектра, а также более широкий динамический диапазон с линейной характеристикой.

6. Нарисуйте структуру p-n переходов фототранзистора и объясните его работу.

Если подать напряжение между базой и коллектором, сместив коллекторный переход в обратном направлении и оставив эмиттерный вывод неподключен-ным к схеме, то такое включение биполярного фототранзистора ничем не бу-дет отличаться от схемы включения фотодиода. При поглощении квантов света в базовой и коллекторной областях образуются неравновесные пары носителей заряда (электроны и дырки). Неосновные носители (дырки в n-базе и электроны в p-коллекторе для транзистора р-п-р-типа) диффундируют к коллекторному переходу, втягиваются существующим там электрическим полем в коллекторный переход и проходят через него, создавая тем самым фототок.

7. Чем отличается фотосимистор от фототранзистора по структуре и по характеристикам?

Транзисторные оптопары имеют в качестве излучателя Ga As-светодиод, а в качестве приемника излучения – биполярный кремниевый фототранзистор. Основные параметры аналогичны параметрам резисторных оптопар. Дополнительно указываются мах токи, напряжения и мощность, относящиеся к входной цепи, темновой ток фототранзистора, время включения и время выключения. Оптопары этого типа работают обычно в ключевом режиме и применяются в коммутаторных схемах, в устройствах связи различных датчиков с измерительными блоками, в качестве реле. Тиристорные оптопары имеют в качестве фотоприемника кремниевый фототиристор и применяются исключительно в ключевых режимах. Фотосимисторы используются при управлении более мощными тиристорами или симисторами, обеспечивая гальваническую развязку цепей управления. Применяются в качестве ключей переменного тока с изолированным управлением.

8. Каковы условия открытия фотосимистора?

Для понимания принципа работы тиристора нужно обратить внимание на эквивалентную схему. Она может быть составлена из двух полупроводниковых триодов (транзисторов). Вот на ней и удобно рассмотреть процесс отпирания тиристоров. Задается некоторый ток, который протекает через электрод управления тиристора. При этом ток имеет смещение прямой направленности. Этот ток считается базовым для транзистора со структурой п-р-п. Поэтому в коллекторе ток у него будет больше в несколько раз (необходимо значение тока управления умножить на коэффициент усиления транзистора). Далее можно видеть, что это значение тока базовое для второго транзистора со структурой проводимости р-п-р, и он отпирается. При этом коллекторный ток второго транзистора будет равен произведению коэффициентов усиления обоих транзисторов и первоначально заданного тока управления. Симисторы (принцип работы и управление ими рассмотрены в статье) обладают аналогичными свойствами. Далее этот ток необходимо суммировать с ранее заданным током цепи управления. И получится именно то значение, которое необходимо, чтобы поддерживать первый транзистор в отпертом состоянии. В том случае, когда ток управления очень большой, два транзистора одновременно насыщаются. Внутренняя ОС продолжает сохранять свою проводимость даже тогда, когда исчезает первоначальный ток на управляющем электроде. Одновременно с этим на аноде тиристора обнаруживается довольно высокое значение тока.4

9. Какие условия должны быть выполнены, чтобы фотосимистор закрылся?

Переход в запертое состояние тиристора возможен в том случае, если к электроду управления открытого элемента не прикладывается сигнал. При этом ток спадает до определенной величины, которая называется гипостатическим током (или током удержания). Тиристор отключится и в том случае, если произойдет размыкание в цепи нагрузки. Либо когда напряжение, которое прикладывается к цепи (внешней), меняет свою полярность. Это происходит под конец каждого полупериода в случае, когда питается схема от источника переменного тока. Когда тиристор работает в цепи постоянного тока, запирание можно осуществить при помощи простого выключателя или кнопки механического типа. Он соединяется с нагрузкой последовательно и применяется для обесточивания цепи. Аналогичен и принцип работы регулятора мощности на симисторе, правда, имеются в схеме некоторые особенности.

10. Что такое чувствительность оптопары и как её найти экспериментально?

Интегральная чувствительность — отношение изменения напряжения на единицу мощности падающего излучения (при номинальном значении)