Передаточные параметры и характеристики оптопар

Основным параметром, характеризующим передачу сигнала со входа на выход оптопары для всех типов оптопар, кроме тиристорных, является коэффициент передачи по току К_I, т.е. отношение выходного тока оптопары I_вых к вызвавшему его входному току I_вх:

(2.13)

Зависимость I_вых = f (I_вх) называется передаточной характеристикой, в общем случае нелинейна. Поэтому различают статический коэффициент передачи К_I (формула (2.13)) и дифференциальный:

(2.14)

Нелинейность передаточной характеристики обусловлена нелинейностью излучательной характеристики излучателя и зависимостью К_Iд фотоприемника от выходного тока.

Тиристорная оптопара работает только в ключевом режиме, поэтому параметр К_I для нее не имеет смысла. Передаточная характеристика определяется входным током тиристорной оптопары, при котором включается фототиристор. Минимальное значение входного тока, при котором гарантировано отпирание фототиристора, называется током включения I_вкл и приводится в паспортных данных.

Быстродействие оптопар определяют параметры переходной характеристики выходного тока i_вых(t), получаемой при подаче на вход оптрона прямоугольного импульса с амплитудой I_вх (рис. 16):

- время нарастания выходного тока t_нар – время, за которое выходной ток увеличивается от значения 0,1 I_{вых max} до уровня 0,9 I_{вых max};

- время задержки при включении t_зд – время от момента t₀ подачи импульса входного тока до момента нарастания выходного тока до уровня 0,1 I_{вых max}.

Сумма времени задержки и времени нарастания при включении составляет время включения t_вкл оптрона t_вкл = t_зд + t_нар. Аналогично определяются время спада t_сп, время задержки при выключении t_зд и время выключения t_вык = t_сп + t_зд. Быстродействие оптрона характеризуется временем переключения t_пер = t_вкл + t_выкл. С временем переключения связаны характеристики быстродействия оптрона: граничная частота f_гр или максимальная скорость передачи информации F.

3. ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ

Лабораторная работа выполняется на стендах, описание которых дано в работах № 1 и 2.

4. РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ

4.1. Выписать из справочника параметры, включая предельно допустимые, и зарисовать схемы и цоколевку диодного оптрона АОД101Б и транзисторного АОТ101БС.

4.2. Пользуясь предельно допустимыми значениями токов и напряжений, значениями напряжения источников питания входной цепи Е₁ = 10 В и выходной Е₂ = 5 В, рассчитать значения ограничительных резисторов во входных и выходных цепях оптронов АОД101Б и АОТ101БС.

5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

5.1. Исследовать характеристики диодного оптрона АОД101Б. Собрать схему для получения характеристик по рис.17. Ограничительные резисторы R1 и R2 подобрать в соответствии с расчетом, выполненным в п. 4.2.

5.2. Снять входную характеристику оптрона . Результаты измерений занести в таблицу 1 (10 – 12 значений). Выходная цепь должна быть разомкнута.

Таблица 1:

Е1, В
UВХ, В
IВХ, mA

5.3. Установить Е₂ =0. Изменяя Е₁ снять передаточную характеристику оптрона в фотогальваническом режиме работы фотоприемника . Результаты измерений занести в таблицу 2.

Таблица 2:

Uвх, В
IВЫХ, mA
IВХ, mA

5.4. Установить Е₂ = 5В. Повторить измерения п. 5.3 для оптрона, фотоприемник которого работает в фотодиодном режиме. Результаты занести в таблицу, аналогичную таблице 2. Для значений выходного тока I_вых.= 0,05, 0,10, 015мА установленных при Е₂ = 5В, определить пределы изменения I_вых. при изменении напряжения источника Е2 от минимально возможного до Е₂ = 10В.

5.5. Измерить времена включения t_вкл. и выключения t_выкл. выходного тока оптрона. Собрать схему исследования, изображенную на рис.18. Подать на вход оптрона с генератора прямоугольные импульсы с частотой следования 25 кГц и амплитудой, удобной для наблюдения с помощью осциллографа (4…8 В). К измерительному резистору R2 подключить один канал осциллографа, а другой канал – к выходу генератора импульсов. Измерить времена t_вкл. и t_выкл. по осциллограмме выходного импульса тока ( пропорционального падению напряжения на R2) при Е₂ = 5 В и Е₂ = 0 В.

5.6. Исследовать характеристики транзисторного оптрона АОТ101 БС. Собрать схему, приведенную на рис. 19, и изменяя напряжение источника Е₁, снять входную ВАХ оптрона. Напряжение источника питания Е₂ = 0 В. Значения сопротивлений резисторов R1 и R2 выбрать близкими по значению рассчитанным в п.4.2. Данные занести в таблицу аналогичную таблице 1.

5.7. В схеме рис.19 вольтметр V2 подключить к точкам 3 – 3^’. Установить напряжение Е₂ = 5 В и, изменяя напряжение источника Е₁, снять передаточную характеристику оптрона . Данные занести в таблицу аналогичную таблице 2.

5.8. Подключить внешний вольтметр к точкам 2−2’ и , изменяя напряжение источника Е1 в пределах, при которых выходной ток оптрона не превышает предельно допустимого, снять выходные характеристики при 5, 10, 15 mA. Для каждого значения входного тока данные занести в таблицу 3 (12…15 значений).

Таблица 3: I_ВХ =

UВЫХ, В
Е1, В
IВЫХ, mA

6. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА И ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ

6.1. Без выполнения расчетной части работы приступать к выполнению экспериментального задания запрещается.

6.2. Снимая входные, выходные и передаточные характеристики весьма полезно сначала пройти весь диапазон изменений входных и выходных токов до их предельно допустимых значений, плавно изменяя напряжение источников питания и обращая внимание на характер изменения токов в различных диапазонах значений напряжения. Это поможет правильно выбрать шаг изменения напряжения в каждом из диапазонов, чтобы измеренных экспериментальных точек было достаточно для построения соответствующих характеристик. После этого предварительного эксперимента можно приступать к повторному, с записью результатов в таблицы.

6.3. В п. 5.2, 5.5 и 5.6 значение Е₂ = 0 В устанавливается коротким замыканием клемм, к которым должен подключаться источник Е₂ (но не клемм самого источника!!!).

6.4. В ходе всех экспериментов, где требуется постоянств о одного из параметров (Е₂ =const или I_ВХ = const ), необходимо следить за этим параметром в течение всего эксперимента.

6.5. При измерении времен включения и выключения (п.5.5) следует выбрать такую длительность развертки, чтобы на экране осциллографа укладывался один импульс. Масштаб развертки по времени следует рассчитать из известной частоты следования и длительности импульса, изображение которого снимается с генератора. Пользуясь этим масштабом и определением времен включения и выключения, как показано на рис.16, следует определить эти величины. Для удобства целесообразно изобразить осциллограмму импульса на миллиметровой бумаге в масштабе, пропорциональном масштабу координатной сетки осциллографа.

6.6. Построить графики всех измеренных зависимостей. По входным характеристикам оптронов определить величину входного напряжения U_ВХ при токе I_ВХ = 10 mA. Сравнить входные характеристики диодного и транзисторного оптронов и сделать выводы по результатам сравнения.

6.7. По передаточным характеристикам АОД101Б определить коэффициенты передачи тока К_I при I_ВХ = 10 mA в диодном и фотогальваническом режимах. Проанализировать результат.

6.8. Рассчитать время переключения в диодном оптроне

t_пер. = t _вкл. + t_выкл.

6.9. По передаточной характеристике транзисторного оптрона рассчитать коэффициент передачи тока К_I при I_ВХ = 10 mA. (В качестве транзисторного оптрона выбрать любую пару в микросхеме АОТ101БС). Сравнить К_I транзисторного и диодного оптронов. Объяснить результат.

6.10. Объяснить ход выходных характеристик транзисторного оптрона.

6.11. Рассчитать входные сопротивления диодного оптрона в фотогальваническом и фотодиодном режимах и транзисторного оптрона. Сравнить их величины и сделать выводы.

7. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

7.1. Справочные данные оптронов.

7.2. Необходимые для работы расчетные формулы.

7.3. Схемы, используемые при проведении экспериментов.

7.4. Таблицы и графики экспериментальных результатов.

7.5. Результаты расчетов и оценок, полученных из графиков.

7.6. Осциллограммы токов и напряжений.

7.7. Анализ полученных результатов и выводы по работе.

8. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Перечислите механизмы поглощения электромагнитного излучения в полупроводниках.

2. Дайте определение внутреннего фотоэффекта. Какие механизмы поглощения соответствуют ему?

3. Объясните физический смысл показателя поглощения света в полупроводнике.

4. Объясните явление люминесценции в полупроводниках.

5. Объясните разницу между фоторезистивным и фотогальваническим эффектами в полупроводниках. Что такое ЭДС Дембера?

6. Почему существует и от чего зависит граничная длина волны для внутреннего фотоэффекта?

7. Объясните принцип работы светодиода.

8. От чего зависят процессы инжекции носителей и рекомбинации при люминесценции?

9. Объясните принцип работы полупроводникового лазера.

10. Каковы условия возникновения лазерного усиления?

11. Как обеспечивается положительная обратная связь в полупроводниковых лазерах?

12. Объясните принцип работы фотодиода. Как образуется фототок диода и от чего зависит его величина?

13. Объясните работу фотодиода в фотогальваническом и фотодиодном режимах.

14. Почему фототок диода в фотодиодном режиме не зависит от напряжения питания и сопротивления нагрузки?

15. Почему чувствительность фототранзистора выше, чем фотодиода?

16. Назовите и опишите основные характеристики фотоприемников.

17. В чем причины инерционности фотодиодов? Какими параметрами она описывается?

18. Какова область применения фототиристоров и тиристорных оптронов?

19. Назовите основные преимущества и недостатки оптопар. Каковы области их применения?

20. Перечислите основные характеристики и параметры оптронов.

9. ЛИТЕРАТУРА

[1], [2], [4], [14], [16].

Лабораторная работа № 8