Порядок выполнения лабораторной работы

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6

ИЗУЧЕНИЕ ОПТРОНОВ

 

 

Лабораторная работа №

«Изучение оптронов»

Цель работы: изучение устройства и принципа работы оптронов, измерение основных характеристик и определение параметров оптронов осциллографическим методом.

Введение

Оптроны и оптронные микросхемы эффективно применяются для передачи информации между устройствами, не имеющими замкнутых электрических связей. Традиционно сильными остаются позиции оптоэлектронных приборов в технике получения и отображения информации. Самостоятельное значение в этом направлении имеют оптронные датчики, предназначенные для контроля процессов и объектов, весьма различных по природе и назначению. Заметно прогрессирует функциональная оптронная микросхемотехника, ориентированная на выполнение разнообразных операций, связанных с преобразованием, накоплением и хранением информации.

Теоретическая часть

Оптронами называются такие оптоэлектронные приборы, в которых имеются излучатели и фотоприемники, оптически и конструктивно связанные друг с другом.

Принцип действия любого оптрона основан на двойном преобразовании энергии. В излучателях энергия электрического сигнала преобразуется в оптическое излучение, а в фотоприемниках, наоборот, оптический сигнал вызывает электрический ток или напряжение. Таким образом, оптрон представляет собой прибор с электрическими входными и выходными сигналами (связь оптрона с внешней схемой электрическая). Внутри оптрона связь входа с выходом осуществляется с помощью оптических сигналов. В электрической схеме такой прибор выполняет функцию выходного элемента – фотоприемника с одновременной электрической изоляцией (гальванической развязкой) входа и выхода.

В резисторной оптопаре (рисунок 1) в качестве фотоприемника использу­ется полупроводниковый резистор, сопротивление которого уменьшается при воздействии видимых световых и невидимых инфракрасных лучей. Уменьшение сопротивления фоторезистора происходит за счет генерации светом пар свободных носителей заряда - электронов и дырок, увеличивающих электропроводность полупроводника.

 

 

Рисунок 1 - Схема измерения выходной характеристики резисторного оптрона

 

 

К видимому свету наиболее чувствительны фоторезисторы, токопроводящие элементы которых представляют собой таблетки из селенида кадмия или сернистого кадмия. Тонкие слои сернистого или селенистого свинца, нанесенные на стеклянную или ситаловую подложки, более чувствительны к инфракрасному излучению. В резисторной оптопаре в качестве излучателей могут применяться сверхминиатюрные лампочки накаливания, но чаше всего – инжекционные излучательные диоды или инфракрасные диоды. Общим требованием к оптронам является согласованность излучателя и приемника по спектральным характеристикам. Фоторезистор и излучатель объединены внутри корпуса оптрона оптически прозрачной средой (клеем) с большим сопротивлением изоляции. Поэтому цепь излучателя надежно изолирована от входной цепи оптрона-фотоприемника.

Параметры оптопары зависят от температуры. Повышение температуры фоторезистора приводит к уменьшению его светового сопротивления, снижению фототока и в то же время повышает его темновой ток, снижая темновое сопротивление. Характеристики резисторной оптопары показаны на рисунках 2 - 4.

 

 

Рисунок 2 - Входная характеристика резисторного оптрона

 

 

 

Рисунок 3 - Выходная характеристика резисторного оптрона

 

 

Рисунок 4 - Зависимость светового сопротивления от входного тока для резисторных оптронов ЭОП1, ЭОП2

 

Для определения зависимости светового сопротивления от входного тока необходимо иметь семейство статических выходных характеристик:

Iвых=f(Uвых) при Iвх=const

с помощью которых нетрудно определить для каждого значения входного тока световое сопротивление прибора (рисунок 3):

и построить зависимость: .

В диодной оптопаре в качестве фотоприемника используется фотодиод на основе кремния, а в качестве излучателя — инфракрасный излучающий диод.

 

 

Рисунок 5 - Схема измерения выходной характеристики диодного

оптрона в фотодиодном режиме

 

Максимум спектральной характеристики излучения диода приходится на длину волны около I мкм. Излучение с такой длиной волны вызывает гене­рацию электронно-дырочных пар носителей заряда в полупроводнике. Элек­троны и дырки экстрагируются электрическим полем контактной разности потенциалов перехода фотодиода и заряжают р-область положительно, а n-область отрицательно. На выводах фотодиода появляется фото-ЭДС. Такой режим работы фотодиода называется фотогенераторным, или фотовен­тильным, коэффициент передачи тока КI = Iвых /Iвх в диодных оптронах со­ставляет единицы процентов.

В общем случае выходной ток фотодиода записывается:

где Ф — световой поток светоизлучательного диода, образующего входную цепь; S∑— интегральная чувствительность фотодиода.

Для фотогенераторного режима при холостом ходе на выходе оптрона выходной ток равен нулю, т.е. Iвых=0 и Uвых = [Uвых]хх = Еф

 

или

где Е – фото-ЭДС.

где ηф — коэффициент полезного действия светодиода

(1)

Для короткого замыкания на выходе оптрона ЕФ = 0, поэтому в соотноше­нии (1) вместо теплового тока I0 необходимо подставить значение фототока при коротком замыкании фотодиода:

Тогда коэффициент передачи по току оптрона в фотогенераторном режи­ме при коротком замыкании на выходе определится соотношением

(2)

Фотогенераторный режим фотодиода описывается его вентильными вольтамперными характеристиками, Еф=f(Iф) (рисунок 6). Параметрами этих характеристик является Еф.x.x— фото-ЭДС холостого хода при заданном входном токе оптрона.

Обратное включение фотодиода при напряжении, большем 0,5 В, приво­дит к увеличению обратного тока за счет электронов и дырок, генерирован­ных излучением. Такой режим называется фотодиодным, и ему соответствует семейство выходных характеристик оптрона: Iвых = f(Uвых) при Iвх = const — зависимость выходного тока от выходного напряжения при определенном входном токе (рисунок 7). При отсутствии входного тока характеристика про­ходит через начало координат и определяется темновым током р-n-перехода (тепловой ток обратно включенного перехода I0).

 

Рисунок 6 - Вентильные вольтамперные характеристики диодного оптрона в фотогенераторном режиме

 

 

Рисунок 7 - Выходные характеристики диодного оптрона в фотодиодном режиме

Под действием светового потока светодиода, через который протекает ток Iвх, на выходе оптрона появляется фототoк и характеристика смещается вверх, пропорционально входному току. Значение фототока на выходе оп­трона практически линейно возрастает с увеличением светового потока излучающего диода.

Диоды излучателя и приемника изготавливаются по планарной техноло­гии. Структуры соединяются между собой оптически прозрачным клеем, слой которого обеспечивает надежную изоляцию входной цепи оптрона от его выходной цепи.

Кроме выходных характеристик в фотогенераторном и фотодиодном ре­жимах для описания свойств диодных оптронов применяют входные харак­теристики, а также передаточные характеристики в фотогенераторном и фо­тодиодном режимах. Передаточная характеристика в фотодиодном режиме представляет собой зависимость выходного тока от входного тока:

Iвых=f(Iвх) при U=const

и практически линейна в широком диапазоне входного тока.

Передаточная характеристика в фотогенераторном режиме нелинейна, так как фото-ЭДС при увеличении входного тока стремится к насыщению. Фото-ЭДС не превышает контактной разности потенциалов p-n-перехода и состав­ляет 0,5...0,8 В.

В тиристорном оптроне в качестве фотоприемника используется кремниевый фототиристор.

Фототиристор, так же как и обычный тиристор, имеет четырехслойную р-n-p-n- структуру (рисунок 8б). Конструктивно оптопара выполнена так, что основная часть излучения входного светодиода направлена на высокоомную n-базовую область фототиристора.

 

Рисунок 8 - Схемное обозначение (а) и устройство тиристорного оптрона (б)

 

К крайним областям (р-аноду и n-катоду) прикладывается внешнее выходное напряжение плюсом к аноду. При облучении в n-базе генерируется пары носителей заряда — электронов и дырок. Электрическим полем коллекторного перехода носители заряда разделяются между n- и p-областями. Электроны остаются в n-базе, а дырки экстрагируются в р-6азу, заряжая n-базу отрицательно, p-базу положительно и снижая тем самым высоту энергетических барьеров эмиттерных переходов. Возникает инжекция носителей заряда через эмиттерные переходы в р-п-базы, где эти носители оказываются неосновными. Неосновные носители, продиффундировав к коллекторному переходу, затем экстрагируются полем перехода в базы, где становятся основными, что, в свою очередь, приводит к дальнейшему повышеню неравновесных зарядов основных носителей баз, снижению высоты энергетических барьеров эмиттерных переходов и дальнейшему увеличению инжекции. Процесс оказывается регенерационным. Регенерационное нарастание тока через структуру приводит к отпиранию тиристора. Коллекторный переход насыщается подвижными носителями заряда и оказывается смещенным так же, как и эмиттерные переходы, в прямом направлении.

Падение напряжения на фототиристоре в открытом состоянии получается малым. Фототиристор остается открытым и после прекращения действия излучения. Чтобы перевести фототиристор в высокоомное состояние, необходимо снять внешнее напряжение с его электродов.

Если тиристор включается в цепь переменного или пульсирующего на­пряжения, то его выключение происходит в каждый из периодов при сниже­нии напряжения и тока через тиристор до значений, при которых не может поддерживаться включенное состояние структуры.

На рисунке 9 показано семейство выходных вольтамперных характери­стик тиристорного оптрона. Параметром семейства является входной ток излучающего диода Iвх. При отсутствии входного сигнала, что соответствует необлученному состоянию n-базы, через фототиристор протекает темновой ток Iт (ток обратновключенного коллекторного перехода). Повышение выходного напряжения до значения Uвкл переводит тиристор во включенное состояние. Напряжение включения определяется величиной излучения, т.е. входным током оптрона. При некотором значении входного тока (рис. 9 при Iвх = 30 мА) происходит спрямление характеристики, что соответствует включенному состоянию фототиристора.

 

 

Рисунок 9 - Выходные характеристики тиристорного оптрона

 

Этот входной ток называется то­ком спрямления вольтамперной характеристики Iспр.вх и является парамет­ром тиристорного оптрона. При подаче на вход тока Iспр. вх входная характе­ристика становится подобной прямой ветви характеристики инжектирующе­го р-n- перехода.

 

 

Рисунок 10 - Схема измерения выходной характеристики тиристорного оптрона

 

Практическая часть

Приборы и принадлежности: характериограф; осциллограф; резисторные, диодные и тиристорные оптроны.

Порядок выполнения лабораторной работы

1. На характериографе по схеме, представленной на рис 5.1, провести измерение для определения выходной характеристики резисторной оптопары.

2. Для диодной оптопары по схеме (рисунок 5) определить выходные характеристики в фотодиодном режиме.

3. Провести измерения по определению передаточных характеристик диодной оптопары в фотодиодном режиме.

4. Для тиристорной оптопары по схеме (см. рис. 5.10) определить выходные характеристики и ток спрямления вольтамперной характеристики.

 

Вопросы для самоконтроля

 

1 Какова структурная схема оптрона?

2 Какой принцип работы оптрона?

3 Какие существуют типы оптронов?

4 Какие основные характеристики и параметры оптопар?

5 Где применяются оптроны?

 

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: