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

G1 — источник питания 1−15 В; R1 — потенциометр 0−100 Ом;

G2 — источник питания 1−50 В; R2 — потенциометр 0−1 кОм;

PA1, PA2 — цифровой амперметр; VU — исследуемый транзистор;

PV1, PV2 — цифровые вольтметры.

Предельно допустимые значения токов, напряжений и мощностей в цепях отдельных электродов прибора.

UСИ МАКС = 10 В; P МАКС = 0.12 Вт;

IС 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 т. д.

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.

Другая важнейшая область применения оптронов — оптическое, бесконтактное управление сильноточными и высоковольтными цепями. Запуск мощных тиристоров, триаков, симисторов, управление электромеханическими релейными устройствами.

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:

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) Выводы 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.