«Определение основных характеристик оптопар»

Цель работы:

изучение основных свойств оптопар и определение их характеристик.

Оборудование:

источник переменного напряжения, амперметр, вольтметр, омметр,

соединительные провода, резисторная оптопара ОЭП13, диодная оптопара ЗОД101Б, симисторная оптопара МОС3010, лампочка и набор сопротивлений

(22 кОм и 100 Ом).

Исследуемые схемы:

Рисунок 1 - Принципиальная схема резисторной оптопары

Рисунок 2 - Принципиальная схема диодной оптопары в фотогенераторном режиме

Рисунок 3 - Принципиальная схема диодной оптопары в фотодиодном режиме.

2

Рисунок 4 - Принципиальная схема транзисторной оптопары

Рисунок 5 - Принципиальная схема симисторной оптопары

Эксперементы:

Опыт 1: «Регистрация характеристики RВЫХ = f(IВХ) резисторной оптопары ОЭП13»

В данном опыте, изменяя входной ток регулятором напряжения, мы проследили за изменением сопротивления фоторезистора. Полученные данные занесены в таблицу 1.

3

Опыт 2: «Регистрация характеристик диодной оптопары ЗОД101Б в фотогенераторном режиме» В таблице 2 представлена зависимость выходного напряжения диодной

оптопары от входного тока в фотогенераторном режиме.

Таблица. 2

Рисунок 7 - Зависимость выходного напряжения от входного тока диодной оптопары в фотогенераторном режиме

4

Вывод: вольтамперная характеристика диодной оптопары в фотогенераторном режиме по форме схожа с ВАХ p-n-перехода.

Опыт 3: «Регистрация характеристики диодной оптопары ЗОД101Б в фотодиодном режиме»

В таблице 3 представлена зависимость выходного тока от входного диодной оптопары в фотодиодном режиме.

Вывод: Зависимость входного тока от выходного в фотодиодном режиме линейная.

Опыт 4: «Регистрация характеристики транзисторной оптопары АОТ110А»

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

Таблица. 4

Опыт 5: «Регистрация характеристики симисторной оптопары МОС3010»

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

Вывод: Iоткр.у= 2,5- 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.

6

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 арсенидгаллиевый 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 Еи, имеет нагрузку Rн. Напряжение управления Uупр, подаваемое на светодиод, управляет током в нагрузке.

7

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 источника 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 неподключенным к схеме, то такое включение биполярного фототранзистора ничем не будет отличаться от схемы включения фотодиода. При поглощении квантов света в базовой и коллекторной областях образуются неравновесные пары

8

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

9

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)

10