Полупроводниковый оптрон (оптопара)
ОТЧЕТ
ПО ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ
Полупроводниковый
оптрон (оптопара)
Цель работы и краткая программа измерений
Изучение конструкции и принципов работы
опто-электрических полупроводниковых преобразователей энергии. Наблюдение
специфического отличия статических характеристик таких приборов от просто
полупроводниковых аналогов на примере оптоэлектронной пары (оптронов).
Схема измерительной цепи.
полупроводниковый оптрон
преобразователь
- источник питания
1-15 В; R1 - потенциометр 0-100 Ом;- источник питания 1-50 В; R2
- потенциометр 0-1 кОм;, PA2 - цифровой амперметр; VU - исследуемый
транзистор;, PV2 - цифровые вольтметры.
Предельно допустимые значения токов, напряжений
и мощностей в цепях отдельных электродов прибора.
СИ МАКС = 10 В; P МАКС =
0.12 Вт;С МАКС = 6.6 мА; IЗИ МАКС = 10 мА;
Контрольные вопросы (методическая справка).
В основе работы оптопары лежит двойное
опто-электрическое преобразование. Поступающий входной ток проходя через p-n
переход входного светодиода (источники преобразования электрического тока в
свет могут быть достаточно разнообразны, но нашем случае, как видно из схемы,
используется именно светодиод) вызывает появление фотонов. Процесс
происхождения фотонов обуславливается выделением излишней энергии носителя при
его рекомбинации в базе диода. По большей части эта энергия одинакова для всех
проходящих рекомбинаций, так как процесс протекания тока через полупроводниковый
диод зависит от ширины запрещенной зоны. Запрещенную зону преодолевают носители
с энергией равной близкой к граничным значениям энергии уровней в эмиттере и в
базе, следовательно высвобождаемая энергия зависит от ширины контактной
разности потенциалов. Цветовой спектр такого излучения узок и меняется только
за счет изменения ширины запрещенной зоны подбором различных полупроводников
или внедрения примисей в базовую область.
Работо же фотоэлемента обратна световому диоду.
При облучении
фотодиода (именно он используется в нашей
работе) энергия фотонов передается решетке и происходит генерирование
носителей, которые под действием электрического поля перехода перемещаются в
соответствующие области. Возникает потенциал на электродах диода.
В оптопарах используются как различные приемники
и так и различные излучатели, притом в разнообразном сочетании.
Рисунок 1виды полупроводниковых
оптопар
Рисунок 2Резисторная оптопара
Существуют оптопары с лазерными
излучателями, люминисцентными и тд.
В качестве элементов гальванической
развязки оптроны применяются: для связи блоков аппаратуры, между которыми
имеется значительная разность потенциалов; для защиты входных цепей
измерительных устройств от помех и наводок и т.д.
Специфическую группу управляющих
оптронов составляют резисторные оптроны, предназначенные для слаботочных схем
коммутации в сложных устройствах визуального отображения информации,
выполненных на электролюминесцентных (порошковых) индикаторах, мнемосхемах,
экранах.
Создание "длинных"
оптронов (приборов с протяженным гибким волоконно-оптическим световодом)
открыло совершенно новое направление применения изделий оптронной техники -
связь на коротких расстояниях.
Различные оптроны (диодные,
резисторные, транзисторные) находят применение и в чисто радиотехнических
схемах модуляции, автоматической регулировки усиления и др. Воздействие по
оптическому каналу используется здесь для вывода схемы в оптимальный рабочий
режим, для бесконтактной перестройки режима и т. п.
Возможность изменения свойств
оптического канала при различных внешних воздействиях на него позволяет создать
целую серию оптронных датчиков: таковы датчики влажности и загазованности,
датчика наличия в объеме той или иной жидкости, датчики чистоты обработки поверхности
предмета, скорости его перемещения и т. п.
Достаточно специфическим является
использование оптронов в энергетических целях, т. е. работа диодного оптрона в
фотовентильном режиме. В таком режиме фотодиод генерирует электрическую
мощность в нагрузку и оптрон до определенной степени подобен маломощному
вторичному источнику питания, полностью развязанному от первичной цепи.
Создание оптронов с фоторезисторами,
свойства которых при освещении меняются по заданному сложному закону, позволяет
моделировать математические функции, является шагом на пути создания
функциональной оптоэлектроники.
Универсальность оптронов как
элементов гальванической развязки и бесконтактного управления, разнообразие и
уникальность многих других функций являются причиной того, что сферами
применения этих приборов стали вычислительная техника, автоматика, связная и
радиотехническая аппаратура, автоматизированные системы управления,
измерительная техника, системы контроля и регулирования, медицинская
электроника, устройства визуального отображения информации.
Необходимые расчеты
Снятые данные:
Прямая
передача
|
выходная
характеристика
|
|
Uвх[В]
|
Iвых[мкА]
|
|
Iвх=4мА
|
Iвх=6мА
|
Iвх=8мА
|
Iвх=12мА
|
Iвх=15мА
|
|
0,00
|
0,00
|
Iвых[мкА]
|
Iвых[мкА]
|
Iвых[мкА]
|
Iвых[мкА]
|
Iвых[мкА]
|
|
1,00
|
0,30
|
0,00
|
120,00
|
157,00
|
250,00
|
373,00
|
447,00
|
|
1,10
|
0,60
|
2,00
|
124,00
|
165,00
|
254,00
|
376,00
|
|
1,20
|
3,60
|
6,00
|
|
|
|
377,00
|
|
|
1,30
|
6,70
|
10,00
|
|
|
|
378,00
|
|
|
1,40
|
10,10
|
|
|
|
|
|
|
|
Выходная ВАХ:
Входная ВАХ
Передаточная характеристика по току при
неизменном выходном напряжении:
Коэффициент передачи тока, учитывая явную
линейную зависимость, в результате гальванической развязки входной и выходной
цепи, можно посчитать (исходя из графика) по конечным точкам измерения:
Х1(4мА;124мкА), Х2(15мА;457мкА)
В результате проведения работы было установлено,
что характеристики входной цепи оптрона носят экспоненциальный характер и
совпадают с характеристиками обычного выпрямительного диода. Выходная
характеристика аналогична характеристики транзистора при включении с общей
базой.
Выходные характеристики представляют собой почти
идеальные горизонтальные прямые расположенные под незначительным углов в
сторону роста выходного тока. Вероятнее всего незначительный рост выходного
тока при увеличении обратного напряжения на фотодиоде, связан с увеличением ширины
запрещенной зоны и, как следствие, увеличению выталкивающего поля, т.е.
уменьшению количества рекомбинаций внутри самой зоны.
Был рассчитан коэффициент передачи по току,
составивший 3% от входного, что является не самым лучшим показателем среди
аналогичных приборов. Надо заметить, что снятые показания не соответствуют
заводским электрическим параметрам (коэффициент передачи по току при Iвх=10мА
не менее 1,5% для А0Д101Г). При 10мА входного тока, коэффициент передачи
составил 1.1%, что скорее всего говорит о старении оптического материала и, как
следствие, спектральном рассогласование приемника и передатчика.