Етодические указания для самостоятельной подготовки к занятию. Оптоэлектронными приборами называют устройства, действие которых основано на использовании внешнего или внутреннего фотоэффекта

Оптоэлектронными приборами называют устройства, действие которых основано на использовании внешнего или внутреннего фотоэффекта, или фотогальванического эффекта [3,4,9,10,13].

Примеры оптоэлектронных приборов:

Фоторезисторы – фотоэлектрические полупроводниковые приемники излучения, принцип действия которых основан на эффекте фотопроводимости.

Основные параметры фоторезисторов:

– темновое сопротивление R_т, МОм;

– темновой ток І_т, ма;

– отношение темнового сопротивления к световому R_т/R_св, относит. единицы;

– рабочее напряжение, U_р, В;

– предельная частота f_ГР , кГц;

Основные характеристики фоторезисторов:

– вольт-амперная характеристика;

– энергетическая характеристика;

– спектральные характеристики.

Фотодиоды – фоточувствительные полупроводниковые диоды с открытым p-n переходом. Во время освещения p-n перехода увеличивается концентрация носителей заряда, проводимость диода возрастает и обратный ток увеличивается. Если светового потока нет, то через диод протекает обычный начальный ток I₀, который называется темновым.

Основные характеристики фотодиодов:

– энергетические;

– вольт-амперная;

– спектральные;

– частотная;

Основные параметры фотодиодов:

– рабочее напряжение, U_р, В;

– темновой ток І_т, мкА;

– интегральная чувствительность S_ІНТ, мкА/лк.

Светодиоды – полупроводниковые диоды, у которых при прямом смещении p-n перехода происходит инжекция носителей заряда с эмиттерной области в область базы и возникающей вследствие этого рекомбинации основных носителей заряда с неосновными. Это вызывает генерацию квантов света – фотонов, которые образуют излучение в определенном диапазоне частот.

Основные характеристики светодиодов:

– яркостная характеристика;

– спектральная характеристика;

– вольт-амперная характеристика;

– диаграмма направленности излучения.

Основные параметры светодиодов:

– сила света;

– длина волны излучения;

– постоянное прямое напряжение;

– максимальный допустимый постоянный ток;

– максимально допустимое обратное напряжение.

Оптоэлектронные пары (оптроны) – это полупроводниковые приборы, у которых конструктивно объединенные источник и приемник излучения, с оптической связью между ними.

Основные параметры оптронов:

– напряжение изоляции U_из;

– входной ток І_вх;

– выходной ток І_вых;

– коммутируемое напряжение, U_ком;

– обратное входное напряжение U_{вх обр};

– обратное выходное напряжение U_{вых обр};

– время включения t_вкл;

– время выключения t_выкл.

Оптоэлектронные микросхемы, кроме излучателей и фотоприемников, содержат устройства формирования, усиления и обработки электрических сигналов. Основные параметры оптоэлектронных микросхем:

– коммутируемый ток І_ком;

– напряжение питания оптоэлектронного переключателя U_пит;

– выходной ток высокого уровня оптоэлектронного переключателя ;

– выходный ток низкого уровня оптоэлектронного переключателя ;

– время задержки распространения сигнала t_{зд р};

– сопротивление гальванической развязки R_C;

– потребляемый ток (для разных уровней выходного напряжения) І_пит.

5.3 Контрольные вопросы и задания

1. Назовите основные параметры, характеристики фоторезисторов.

2. Перечислите основные параметры и характеристики светодиодов.

3. Объясните принцип работы фотодиода.

4. Изобразите и объясните ВАХ фотодиода.

5. Назовите основные виды оптоэлектронных пар.

6. Дайте пояснение параметрам оптоэлектронных пар.

7. Для чего применяются оптоэлектронные микросхемы? Дайте пояснение их основным параметрам.

римеры аудиторных задач

Задача1. Применить светодиод для индикации наличия напряжения U_пит =+15B.

Решение. Выбираем светодиод АЛ112Е, его параметры: рабочий ток светодиода І_ном = 10 мА, прямое падение напряжения на диоде U_Д = 2 В. Для формирования номинального значения тока через светодиод применим резистор (рис.5.1):

Выполним расчет величины сопротивления резистора R:

Определим минимальную допустимую мощность рассеяния резистора:

Выберем ближайшее большее значение из стандартного ряда: Р_расс =0.25 Вт.

Задача2. С помощью светодиода обеспечить индикацию логического уровня на выходе схемы, реализованной на ИМС ТТЛ, ТТЛШ: светодиод включен, когда на выходе уровень логического 0 и выключен, когда на выходе уровень логической 1.

Решение. Вариант 1. Выбираем светодиод АЛ307Г, из справочника [1] определяем: рабочий ток светодиода I_ном = 20 мА, прямое падение напряжения на диоде U_Д = 2.8 В. Поскольку стандартные выходные каскады технологий ТТЛ, ТТЛШ не обеспечивают =20 мА, для управления светодиодом применим логический элемент с открытым коллектором (элемент 2И-НЕ микросхемы SN74LS38 , у ЛЭ которой = 24 мА, =0.4 В., U_пит = +5В ± 10%), рис.5.2:

Величина сопротивления R рассчитывается по формуле

В нашем случае R = 90 Ом.

Вариант 2. Недостатком схемы на рис.5.2 является то, что отсутствие свечения светодиода может означать как отсутствие напряжения питания цифровой схемы, так и наличие уровня логического 0 на выходе . Для исключения такой ситуации применим два светодиода, например, красного и зеленого цвета свечения, (рис.5.3):

Рисунок 5.3 – Индикация логических уровней двумя светодиодами

При поступлении на вход схемы уровня лог.1, включается светодиод VD1 красного цвета излучения, а при поступлении уровня логического 0 – светодиод VD2 зеленого цвета излучения.

Схему на рис.5.3. можно упростить, применив двухцветный светодиод (например, трехцветную светодиодную сборку KPF-3236SRSGMBC-PRV фирмы Kingbright, которая содержит 3 независимых светодиода красного, зеленого и синего цветов, параметры которых: I_ном = 20 мА, прямое падение напряжения на U_Д = 2.5 В, U_обр._max = 5В). Для управления светодиодами применим буферный элемент микросхемы SN754410 (рис.5.4), для которого U_{пит 1} = +5В, U_{пит 2} ≤ 36В, = 500мА, =1 В, = 500 мА, =U_{пит 2-1}…54 В,

Рисунок 5.4 – Пример схемы включения двухцветной

светодиодной матрицы

При наличии на выходе элемента DD1 уровня лог.0, включается диод VD1, (зеленого цвета свечения), а при наличии уровня лог.1 включается диод VD2 (красные цвета свечения). Пусть U_{пит 1} = +5В, U_{пит 2} = +5В.

Расчет сопротивления ограничивающих резисторов R1 и R2 выполняется следующим способом:

Задача 3. Построить схему гальванической развязки между цифровыми системами, выполненными на ИМС серии SN74LS

Решение. Воспользуемся оптоэлектронной ИМС К249ЛП1 (рис.5.5)

Параметры ИМС:

U_пит = +5В, величина прямого падения напряжения на светодиоде U_пр._Д = 1.5 В при номинальном токе светодиода I_ном = 10 мА. Значения выходных напряжений соответствуют стандарту ТТЛ.

Для управления светодиодом применим логический элемент 2И-НЕ с «открытым коллектором» ІМС SN74LS38, у ЛЭ которой

= 24 мА, =0.4 В (рис.5.6).

Рассчитаем величину сопротивления резистора R:

.

Задача 4. Построить схему датчика освещения с применением КМОП микросхем. При полном отсутствии освещения на выходе датчика должен быть уровень логического 0, при наличии освещения – уровень логической 1.

Решение. В качестве фоточувствительного элемента применим фоторезистор ФСК-1 с следующими параметрами: темновое сопротивление R_Т = 3,3 МОм; кратность изменения сопротивления К=100.

Для четкого анализа наличия освещения применим триггер Шмитта – один из 4-х в ИМС CD4093, у которого при напряжении питания +15В нижнее пороговое напряжение U_{пор н} = 6В, верхнее пороговое напряжение U_{пор в} = 7,3 В (рис.5.7).

Рисунок 5.7 – Датчик освещения с фоторезистором

Входное напряжение элемента DD1 формируется делителем напряжения, образованного резисторами R1 и R2 (входными токами элемента DD1 можно пренебречь, поскольку они составляют частицы микроампера):

Значения сопротивления R1 должно быть таким, чтобы при отсутствии освещения выполнялось условие U_вх >U_пор.В, отсюда

,

где R2 – темновое сопротивление фоторезистора, то есть R1<3.5 МОм.

Пусть R1=1 МОм. Проверим выполнение условия U_вх < U_{пор Н} при появлением освещения необходимой интенсивности. Величина сопротивления фоторезистора при наличии освещения:

R2= R_T/K=33 кОм

и

= 0.5 В

то есть U_вх < U_{пор н}. Рассчитанное значение сопротивления R1 обеспечит работу фотодатчика.