Дослідження характеристик оптоелектронних приладів

 

Мета роботи: дослідження характеристик діодного оптрона.

Теоретичні відомості

Оптопара (оптрон) - електронний прилад, що складається з випромінювача світла і фотоприймача, пов'язаних оптичним каналом і як правило об'єднаних в загальному корпусі. Принцип роботи оптрона полягає в перетворенні електричного сигналу у світло, його передачі по оптичному каналу і подальшому перетворенні назад в електричний сигнал.

Класифікація оптронів

За ступенем інтеграції:

· оптопари (чи елементарні оптрони) - що складаються з двох і більше елементів (у т. ч. зібрані в одному корпусі);

· оптоелектронні інтегральні схеми, що містять одну або декілька оптопар (з допоиіжними компонентами, наприклад, підсилювачами, або без них).

За типом оптичного каналу:

· відкритим оптичним каналом;

· із закритим оптичним каналом.

За типом фотоприймача:

· фоторезистором;

· фотодіодом;

· біполярним(звичайним або складеним) фототранзистором;

· фотогальванічним генератором (сонячною батарейкою); такі оптрони зазвичай забезпечуються звичайним польовим транзистором, затвором якого управляє фотогальванічний генератор;

· фототиристором або фотосимістором. Оптрони з польовим транзистором або фотосимістором іноді іменують оптореле або твердотілим реле.

В узагальненій структурній схемі оптрона на рис.6.1 вхідний пристрій служить для оптимізації робочого режиму випромінювача (наприклад, зміщення світлодіода на лінійну ділянку вольт - амперної характеристики) і перетворення (посилення) зовнішнього сигналу. Вхідний блок повинен мати високий ККД перетворення, високу швидкодією, широкий динамічний діапазон допустимих вхідних струмів (для лінійних систем), малим значенням "порогового" вхідного струму, при якому забезпечується надійна передача інформації по ланцюгу.

Рисунок 6.1- Узагальнена структурна схема оптрона

Призначення оптичного середовища - передача енергії оптичного сигналу від випромінювача до фотоприймача, а також у багатьох випадках забезпечення механічної цілісності конструкції.

Принципова можливість управління оптичними властивостями середовища, наприклад, за допомогою використання електрооптичних або магнітооптичних ефектів, відображена введенням в схему пристрою управління, в цьому випадку ми отримуємо оптрон з керованим оптичним каналом, що функціонально відрізняється від "звичайного" оптрона: зміна вихідного сигналу може здійснюватися як по входу, так і по ланцюгу управління.

У фотоприймачі відбувається "відновлення" інформаційного сигналу з оптичного в електричний; при цьому прагнуть мати високу чутливість і високу швидкодію.

Нарешті, вихідний пристрій покликаний перетворити сигнал фотоприймача в стандартну форму, зручну для дії на подальші за оптроном каскади. Практично обов'язковою функцією вихідного пристрою є посилення сигналу, оскільки втрати після подвійного перетворення дуже значні. Нерідко функцію посилення виконує і сам фотоприймач (наприклад, фототранзистор).

Загальна структурна схема рис. 6.1 реалізується в кожному конкретному приладі лише частиною блоків. Реальний оптрон може бути влаштований і складніше, кожен з вказаних блоків може включати не один, а декілька однакових або подібних один до одного елементів, пов'язаних електрично і оптично, проте це не змінює істотно основ фізики і електроніки оптрона.

Переваги цих приладів базуються на загальному оптоелектронному принципі використання електрично нейтральних фотонів для перенесення інформації.

Основні з них наступні:

· можливість забезпечення ідеальної електричної(гальванічною) розв'язки між входом і виходом; для оптронів не існує яких-небудь принципових фізичних або конструктивних обмежень по досягненню скільки завгодно високої напруги і опорів розв'язки і скільки завгодно малій прохідній місткості;

· можливість реалізації безконтактного оптичного управління електронними об'єктами і обумовлені цим різноманітність і гнучкість конструкторських рішень керуючих ланцюгів;

· однонаправленість поширення інформації по оптичному каналу, відсутність зворотної реакції приймача на випромінювач;

· широка частотна смуга пропускання оптрона, відсутність обмеження з боку низьких частот (що властиве імпульсним трансформаторам); можливість передачі по оптронному ланцюгу, як імпульсного сигналу, так і постійної складової;

· можливість управління вихідним сигналом оптрона шляхом дії (у тому числі і неелектричної) на матеріал оптичного каналу, що дає можливість створення різних датчиків, а також різноманітних приладів для передачі інформації;

· можливість створення функціональних мікроелектронних пристроїв з фотоприймачами, характеристики яких при освітленні змінюються за складним заданим законом;

· не чутливість оптичних каналів зв'язку до дії електромагнітних полів, що у разі "довгих" оптронів (з протяжним волоконно-оптичним світлопроводом між випромінювачем і приймачем) обумовлює їх захищеність від перешкод і просочування інформації, а також виключає взаємні наведення;

· фізична і конструктивно-технологічна сумісність з іншими напівпровідниковими та мікроелектронними приладами;

Оптронам властиві і певні недоліки:

· значна споживана потужність, обумовлена необхідністю подвійного перетворення енергії (електрика - світло - електрика) і невисокими ККД цих переходів;

· підвищена чутливість параметрів і характеристик до дії підвищеної температури і проникаючої ядерної радіації;

· більш менш помітна тимчасова деградація(погіршення) параметрів;

· відносно високий рівень власних шумів, обумовлений, як і два попередніх недоліку, особливостями фізики світлодіодів;

· складність реалізації зворотних зв'язків, викликана електричною відокремленістю вхідних і вихідних ланцюгів;

· конструктивно-технологічна недосконалість, пов'язана з використанням гібридної непланарної технології (з необхідністю об'єднання в одному приладі декількох - окремих кристалів з різних напівпровідників, що розташовуються в різних площинах).

 

Застосування

В якості елементів гальванічної розв'язки оптрони застосовуються: для зв'язку блоків апаратури, між якими є значна різниця потенціалів; для захисту вхідних ланцюгів вимірюючих пристроїв від перешкод і наведень і т. д.

Інша найважливіша сфера застосування оптронів - оптичне, безконтактне управління сильноточними і високовольтними ланцюгами. Запуск потужних тиристорів, триаків, симісторів, керування електромеханічними релейними пристроями.

Специфічну групу керуючих оптронів складають резисторні оптрони, що застосовуються у схемах комутації в складних пристроях візуального відображення інформації, виконаних на електролюмінісцентних (порошкових) індикаторах, мнемосхемах, екранах.

Створення "довгих" оптронів (приладів з протяжним гнучким волоконно-оптичним світловодом) відкрило абсолютно новий напрям застосування виробів оптронної техніки - зв'язок на коротких відстанях.

Різні оптрони (діодні, резисторні, транзисторні) знаходять застосування і в чисто радіотехнічних схемах модуляції, автоматичного регулювання посилення та ін. Дія по оптичному каналу використовується тут для виведення схеми в оптимальний робочий режим, для безконтактної перебудови режиму і т. п.

Можливість зміни властивостей оптичного каналу при різних зовнішніх діях на нього дозволяє створити цілу серію оптронних датчиків: вологості і загазованості, датчика наявності в об'ємі тієї або іншої рідини, датчика чистоти обробки поверхні предмета, швидкості його переміщення і т. п.

Діодні оптопари

У діодній оптопарі як фотоприймальний елемент використовується фотодіод (на основі кремнію), а в якості випромінювача - інфрачервоний випромінюючий діод. Максимум спектральною характеристики випромінювання діода доводиться на довжину хвилі близько 1 мкм. Випромінювання з такою довжиною хвилі викликає генерацію в напівпровіднику (кремній) пар носіїв заряду - електронів і дірок. Ці електрони і дірки розділяються внутрішнім електричним полем переходу фотодіода і заряджають p - область позитивно, а n- область негативно. В результаті на виведеннях фотодіода з'являється фото- ЕРС. Це так званий фото генераторний (вентильний) режим роботи фотодіода. Якщо до фотодіода прикладене зворотне зміщення більше 0.5 В, то електрони і дірки, що генеруються падаючим випромінюванням збільшують зворотний струм фотодіода. Це фотодіодний режим роботи фотоприймального елементу. Діодні оптопари можуть працювати як у фотогенераторному, так і фотодіодному режимах. Значення зворотного фотоструму практично лінійно зростає з збільшенням інтенсивності світла випромінюючого діода. Діоди випромінювача і приймача виготовляються за планарно-епітаксійною технологією. Структури з'єднуються між собою оптично прозорим клеєм, шар якого забезпечує надійну електричну ізоляцію вхідного ланцюга оптопари - випромінювача - від вихідної - фотодіода.

Основними параметрами діодних оптопар є наступні:

· вхідна напруга Uвх - постійна пряма напруга на діоді-випромінювачі при заданому вхідному струмі;

· максимальна вхідна зворотна напруга Uвх.зв.max, прикладене до входу діодної оптопари, при якому забезпечується її надійна робота (для вхідного ланцюга оптопари вказується значення максимального постійного Iвх.max або імпульсного Iвх.іmax вхідного струму, при яких забезпечується надійна робота приладу);

· максимальна вихідна зворотна постійна і імпульсна напруга Uвих.зв.max і Uвих.зв.і max визначають максимальну напругу у вихідному ланцюзі оптопари;

· вихідний зворотний струм (темновий) Iвих.зв.т. - струм, що протікає у вихідному ланцюзі діодної оптопари за відсутності вхідного струму і заданій напрузі на виході;

· час наростання вихідного сигналу tнр - інтервал часу, впродовж якого вихідний сигнал оптопари змінюється від 0,1 до 0,5 максимального значення;

· час спаду вихідного сигналу tсп - інтервал часу, впродовж якого вихідний сигнал змінюється від 0,9 до 0,5 максимального значення;

· статичний коефіцієнт передачі струму КI - відношення різниці вихідного струму до вхідного струму, виражене у відсотках KI ≈ Iвих /Iвх.

 

Порядок виконання роботи

1.Ознайомитися із стендом для дослідження оптронів.

2.Дослідити вольт-амперну характеристику випромінюючого діода.

3. При трьох постійних значеннях прямої напруги і струму, що їй відповідає, які подаються на вхід оптопари виміряти вихідну вольт-амперну характеристику.

4.Розрахувати статичний коефіцієнт передачі струму.

 

Контрольні питання

1. Оптрон. Визначення, призначення, конструкція.

2. Переваги і недоліки оптронів.

3. Класифікація оптронів.

4. Основні характеристики оптронів. Коефіцієнт передачі струму.

5. "Довгі" оптрони. Оптоволокно. Одномодове і багатомодове оптоволокно.

Лабораторная работа № 7