 |
Электрическая модель оптрона
|
|
|
|
Рассмотрим динамическую модель диодной оптопары: во-первых, диодная оптопара содержит в своем составе два оптоэлектронных прибора – излучающий диод и фотоприемник (фотодиод); соответственно модель оптопары состоит из моделей компонентов; во-вторых, диодная оптопара в классе оптоэлектронных приборов обладает наилучшими параметрами изоляции и быстродействием, что определило ее широкое применение.
Динамическая модель излучающего диода состоит из источника тока Iд, динамического сопротивления диода rдин (определяется сопротивлениями базы диода, омических контактов и выводов), сопротивления утечки rут и емкости диода Сд (в соответствии с рис. 6.7, а.
Источник тока Iд, управляемый напряжением U для излучающего диода обычно описывается выражением, соответствующим кусочно-линейной аппроксимации ВАХ диода (в соответствии с рис. 6.7, б. Участок ВАХ диода для напряжений 0<U<U0 необходимо учитывать в излучающем диоде, из-за сильного влияния барьерной емкости диода Сбар1 при этих значениях напряжения U иногда для снижения значения Сбар1 вводят постоянное прямое напряжение смещения (в соответствии с рис. 6.7, б).
В качестве динамической модели излучающего диода обычно используют модель Эберса-Молла или зарядоуправляемую модель.
Для модели Эберса-Молла имеем соответственно схеме замещения на рисунке 6.6,а.
;
;
;
, (6.2)
где jт = 0,026 В (при Т = 25°С);
y = 0,7 ¸ 0,75 В.
|
Рис. 6.7. Динамическая модель диодной оптопары (а)
и аппроксимация ВАХ излучающего диода (б)
Параметры модели I0, m, jт можно вычислить из условия аппроксимации статической ВАХ излучающего диода по выражению
, (6.3)
j = 1, 2, 3...,N.
где Ij, Uj – соответствующие j-й экспериментальной точке ВАХ диода значения тока и напряжения диода;
|
|
|
N – число экспериментальных точек.
Вычисления проводят, например, методом наименьших квадратов.
Модель фотоприемника для фотодиодного режима работы состоит из источника фототока Iф = kIIд, источника тока p-n – перехода, управляемого напряжением, I = I0ехр[(U/mjт)-1] и барьерной емкости фотодиода СБ2. Следует подчеркнуть, что быстродействие оптопары заметно ограничивается барьерными емкостями СБ1, СБ2. Даже у малоинерционных излучающих диодов СБ1 = (50 ¸ 200) пФ; значения емкости фотодиода СБ2 существенно меньше (1 пФ ÷ 10 пФ), однако она заряжается малым током Iф, и ее влияние на скорость переключения оптопары также оказывается значительным.
Параметры электрической изоляции оптопары описываются проходной емкостью Спр и сопротивлением изоляции rиз. Особенно важную роль в динамике работы оптопар играет емкость Спр. Емкостный ток в цепи изоляции оптопары зависит от скорости изменения напряжения как на входе оптопары, так и на выходе, т. е. возможна электрическая обратная связь через проходную емкость и соответственно ложное переключение или самовозбуждение устройства.
Разновидностью оптронов является волстрон (в соответствии с рис. 6.8).
Это прибор, содержащий излучатель и фотоприемник, между которыми располагается волоконный световод (длина которого может составлять десятки-сотни метров), представляющий единую конструкцию.
Рис. 6.8. Устройство волстрона
Резисторные оптопары
В резисторных оптопарах в качестве излучателя используется светоизлучающий диод, ИК-излучающий диод или сверхминиатюрная лампочка накаливания. В качестве фотоприемного элемента используется фоторезистор – полупроводниковый резистор, сопротивление которого уменьшается при воздействии видимых световых или невидимых инфракрасных лучей. Уменьшение сопротивления фоторезистора происходит за счет генерации светом пар свободных носителей заряда – электронов и дырок, увеличивающих электропроводность полупроводника.
|
|
|
Фоторезисторы оптопар обычно изготавливаются на основе селенида кадмия CdSe или сернистого кадмия CdS. Важным требованием является согласованность излучателя и приемника по спектральным характеристикам.
Темповой ток фоторезистора при отсутствии воздействия света от излучателя обычно составляет единицы микроампер. При облучении проводимость фоторезистора значительно возрастает (в сотни, тысячи раз). Проводимость пропорциональна силе света излучателя. По этому путем изменения тока через излучатель можно управлять проводимостью фоторезистора. Свойства фоторезисторов не зависят от полярности приложенного напряжения, что позволяет включать их в цепь переменного тока.
Фоторезистор и излучатель объединены внутри корпуса оптопары оптически прозрачной средой (клеем) с большим сопротивлением изоляции. По этому цепь излучателя надежно изолирована от выходной цепи оптопары – фотоприемника. Параметры оптопар зависят то температуры. Повышение температуры фоторезистора приводит к увеличению его светового сопротивления и снижению фототока. При повышении температуры темповой ток увеличивается, темповое сопротивление уменьшается. Отрицательным свойством резисторных оптопар является их низкое быстродействие.
Важнейшими характеристиками резисторной оптопары являются входная ВАХ (в соответствии с рис. 6.9, а).
Рис. 6.9. Характеристики резисторной оптопары
Выходная температурная (рис. 6.9, б) и передаточная характеристики – зависимость выходного сопротивления от входного тока (рис. 6.9, в), частотная характеристика (рис. 6.9, г).
Резисторные оптопары применяются преимущественно для бесконтактной коммутации и управления в цепях постоянного и переменного токов.
Достоинствами резисторных оптопар, определяющими их широкое применение является линейность и симметричность выходной характеристики, отсутствие фото-ЭДС, возможность работы при больших значениях напряжений в выходной цепи любой полярности (сотни вольт), высокие значения темнового сопротивления (RТ=106÷1011 Ом).
|
|
|
Диодные оптопары
В диодной оптопаре в качестве фотоприемного элемента используется фотодиод на основе кремния, а излучателем служит инфракрасный излучающий диод. Максимум спектральной характеристики излучающего диода приходится на длину волны около 1 мкм. При облучении в фотодиоде возникает генерация пар носителей заряда – электронов и дырок. Интенсивность генерации пропорциональна силе света, а, следовательно, входному току. Свободные электроны и дырки разделяются электрическим полем перехода фотодиода и заряжают р-область положительно, а n-область отрицательно. Таким образом, на выходных выводах оптопары появляется фото – ЭДС. В реальных приборах она не превышает (0,7÷0,8) В, а КПД составляет около 1 %.
Если к фотодиоду оптопары приложено обратное напряжение более 0,5 В, то электроны и дырки, генерированные излучением, увеличивают обратный ток фотодиода. Такой режим работы приемного элемента оптопары называется фотодиодым. Значение обратного фототока практически линейно возрастает с увеличением силы света излучающего диода.
Для повышения быстродействия создаются фотодиоды со структурой р-i-n. В них между легированными областями р и n типа используется полуизолирующий слой кремния с собственной проводимостью i. Возникающее в i- области сильное электрическое поле приводит к сокращению времени пролета носителей заряда через эту область и к быстрому нарастанию и спаду фототока. Время нарастания и спада фототока в таких фотодиодах может составлять единицы, и даже доли наносекунд. Однако, быстродействие оптопары в целом зависит еще и от быстродействия излучателя, а так же от сопротивления выходной нагрузки. Реальные значения времени задержки сигнала в диодном оптроне составляют около 1 мкс.
Для описания свойств диодных оптопар обычно используют входные и выходные ВАХ, передаточные характеристики в фотогенераторном и фотодиодном режимах.
Выходная характеристика оптопары аналогична обратной ветви ВАХ диода. Обратный ток практически не зависит от напряжения. При большом напряжении возникает электрический пробой фотодиода.
|
|
|
Передаточная характеристика в фотодиодном режиме представляет собой зависимость выходного тока от входного и практически линейна в широком диапазоне входных токов. Коэффициент передачи тока составляет единицы процентов.
Передаточная характеристика в фотогенераторном режиме нелинейна. Фото-ЭДС при увеличении входного тока стремится к насыщению: она не может превышать контактной разности потенциалов на переходе фотодиода и составляет обычно (0,5÷0,8) В.
Зависимости коэффициента передачи диодной оптопары от входного тока, выходного напряжения и температуры приведены на рисунке 6.10, а, б, в, соответственно.
При использовании диодных оптопар в электронных устройствах реализуется ряд свойств, присущих этому классу оптопар: высокое быстродействие, малый темновой ток в выходной цепи, высокое сопротивление гальванической развязки.
Рис. 6.10. Зависимость коэффициента передачи диодных оптопар от входного тока (а), выходного напряжения (б) и температуры (в)
Транзисторные оптопары
Транзисторная оптопара выполняется с фотоприемным элементом на основе фототранзистора. Обычно в оптопарах используются фототранзисторы со структурой n-p-n на основе кремния, чувствительные к излучению с длиной волны около 1 мкм. Излучателями служат арсенидогаллиевые диоды или диоды на тройном соединении, максимум спектрального излучения которых лежит вблизи области наибольшей чувствительности фототранзистора.
Семейство выходных характеристик транзисторной оптопары приведено на рисунке 6.11.
Рис. 6.11. Выходные характеристики транзисторной оптопары
Излучательный диод конструктивно расположен так, что большая часть света направляется на базовую область фототранзистора. Излучатель и приемник изолированы друг от друга оптически прозрачной средой.
При отсутствии излучения в цепи коллектора фоторезистора, включенного по схеме с общим эмиттером, протекает обратный темновой ток, аналогичный по происхождению и характеристикам току в обычных биполярных транзисторах.
Обратный темновой ток сильно зависит от температуры. При повышении температуры на 10ºС он примерно удваивается. Для уменьшения темнового тока между выводами базы и эмиттера фоторезистора включается внешний резистор с сопротивлением 0,1÷1,0 Мом.
При облучении в базовой области генерируются пары электрон-дырка. Электроны вытягиваются из базы в сторону положительно заряженного коллектора, а дырки остаются в базе и создают положительный заряд. Это эквивалентно возникновению отпирающего тока базы транзистора, вследствие чего ток коллектора также увеличивается.
|
|
|
Соотношение между током базы и коллектора имеет вид:
Iвых = h21э Iф.б,
где Iф.б – генерированный излучением фототок в базе фоторезистора.
Таким образом фоторезистор обладает внутренним усилением фототока KI. Наибольшим внутренним усилением обладают оптопары, использующие составные фототранзисторы. Их коэффициент усиления фототака KI может превышать 1000 единиц, однако они имеют худшие показатели быстродействия. Быстродействие обычных диодно-транзисторных оптопар составляет tп = 2÷4 мкс.
Оптопары можно характеризовать параметром, называемым добротностью:
.
Этот параметр для различных типов оптопар остается постоянным в широком интервале значений входных токов. Значение параметра добротность зависит от напряжения изоляции Uиз. При Uиз = 1÷5 кВ, Q = 0,1÷1% мкс-1.
Основные параметры и характеристики входной цепи транзисторной оптопары аналогичны параметрам диодных оптопар, так как в них используются сходные излучатели. Выходные характеристики существенно отличаются от аналогичных оптопар. Зависимость коэффициента передачи тока от входного тока отклоняется от линейной, причем тем больше, чем больше входной ток, и чем лучше усилительные свойства фоторезистора.
Типичные зависимости KI от входного тока различных транзисторных оптопар приведены на рис. 7.12, здесь кривая 1 соответствует диодно-транзисторной оптопаре, кривая 2 – транзисторной оптопаре, кривая 3 – оптопаре с составным фоторезистором. Нелинейность характеристик объясняется тем, что коэффициент усиления транзистора зависит от тока базы и поэтому не является постоянной величиной.
При больших входных токах коэффициент передачи по току с повышением температуры линейно уменьшается, как и в случае диодных оптопар. В общем случае характер кривых KI = f(T) определяется зависимостью от температуры квантового выхода, как светодиода, так и транзистора. Повышение температуры приводит к возрастанию инерционности транзисторных оптопар. Одновременно увеличивается и темновой ток фотоприемника. Это особенно сильно сказывается в случае оптопар с составными фоторезисторами: при увеличении температуры от 25 до 100°С их темновой ток возрастает в 104÷105 раз, а у обычных оптопар 102÷103 раз.
Рис. 6.12. Зависимости коэффициента передачи по току транзисторных оптопар
от входного тока
Транзисторные оптопары находят применение в аналоговых и цифровых коммутаторах, оптоэлектронных реле, в линиях связи для гальванической развязки и др.
Тиристорные оптопары
В тиристорных оптопарах в качестве приемного элемента используется кремниевый фототиристор. Семейство вольт-амперных характеристик фототиристорного оптрона приведено на рисунке 7.13.
Фототиристор, так же как обычный тиристор, имеет четырехслойную структуру p-n-p-n. Конструктивно оптопара выполнена так, что основная часть излучения входного диода направлена на высокоомную базовую область n фоторезистора. К крайним областям – аноду p и катоду n прикладывается внешнее выходное напряжение плюсом к аноду.
Рис. 6.13. Семейство вольт-амперных характеристик фототиристорного оптрона
При облучении в n-базе генерируются пары носителей заряда – электронов и дырок. Электрическим полем центрального (коллекторного) перехода между n- и p-областями носители заряда разделяются. При этом электроны остаются в n-базе, а дырки попадают в p-базу. Происходит инжекция неосновных носителей заряда из крайних переходов структуры, называемых эмиттерными. Лавинообразное нарастание тока через структуру приводит к отпиранию тиристора. Все три перехода оказываются смещенными в прямом направлении, и падение напряжения на фототиристоре в отпертом состоянии получается малым.
Фототиристор, также как и фототранзистор, обладает большим внутренним усилением фототока. В отличие от фототранзистора, включенное состояние фототиристора сохраняется и при прекращении излучения входного диода. Таким образом, управляющий сигнал на тиристорную оптопару может подаваться только в течение небольшого времени, необходимого для отпирания тиристора. Этим достигается существенное уменьшение энергии, необходимой для управления тиристорной оптопарой.
Чтобы запереть тиристор, с него надо снять внешнее напряжение. Если тиристор включается в цепь переменного или пульсирующего напряжения, то выключение тиристора происходит из периодов при уменьшении напряжения и тока через тиристор до значения, при котором не может поддерживаться включенное состояние прибора.
При отсутствии входного сигнала, что соответствует необлученному состоянию базовой n-области, через фототиристор протекает малый темновой ток утечки. Темновой ток сильно зависит от температуры. При повышении температуры на 10°С ток примерно удваивается. Выходные характеристики тиристорной оптопары приведены на рисунке 6.13.
Тиристорные оптопары используют в качестве ключей для коммутации больших токов и высоковольтных цепей, как радиоэлектронного (U = 50÷600 В, I = 0,1÷10,0 A), так и электротехнического (U = 100÷1300 В, I = 6÷320 A) назначения.
Времена переключения тиристорных оптопар находятся в интервале от десятков микросекунд до десятков миллисекунд.
Важным достоинством этих приборов является то, что управляя значительными мощностями в нагрузке, они потребляют малую мощность цепями управления и поэтому совместимы по входу с интегральными микросхемами.
Тестовые вопросы к главе 6 «Оптроны»
6.1. Что называется оптроном:
а) прибор, использующий преобразование электрической энергии в оптическую;
б) прибор, использующий преобразование оптической энергии в электрическую;
в) прибор, использующий преобразование электрической энергии в оптическую и оптической энергии в электрическую;
г) прибор, использующий излучатель и фотоприемник не связанные между собой.
6.2. Используя рис., выберите, какое преобразование реализуется узлом оптрона соответствующий номеру 1:
а) преобразование электрического сигнала в электрический;
б) преобразование электрического сигнала в оптический;
в) преобразование оптического сигнала в электрический;
г) преобразование оптического сигнала в оптический.
6.3. Используя рис., выберите, какое преобразование реализуется узлом оптрона соответствующий номеру 3:
а) преобразование электрического сигнала в электрический;
б) преобразование электрического сигнала в оптический;
в) преобразование оптического сигнала в электрический;
г) преобразование оптического сигнала в оптический.
6.4. Какие известные оптроны могут обладать коэффициентом передачи превышающим 1:
а) диодные;
б) диодно-резисторные;
в) диодно-транзисторные;
г) тиристорные.
6.5. Какая емкость характеризует работу СИД при прямом включении:
|
;
б) 
;
в) 
;
г) 
.
6.6. Какая емкость характеризует работу ФД при прямом включении:
|
;
б) 
.
6.7.
|
6.8. Укажите номер, который указывает на корпус ФД:
|
6.9. Укажите номер, который указывает на световод:
|
6.10.
|
ИНДИКАТОРНЫЕ ПРИБОРЫ
|
|
|
