Теоретическая часть

Исследование интегральных оптронов

Выполнил студент гр. С03-201-1

Проверил Демаков Ю. П.

Ижевск, 2012г.

Цель работы:Изучить особенности работы и методики измерения параметров оптронов.

Приборы и принадлежности:n-канальный транзистор КП303, мультиметр, источник питания, соединительные провода.

Теоретическая часть

Простейший диодный оптрон состоит из трех элементов (рис. 1): фотоизлучателя 1, световода 2 и фотоприемника 3, заключенных в светонепроницаемый герметичный корпус.

Рис. 1

При подаче на вход электрического сигнала возбуждается фотоизлучатель. Световой потом по световоду попадает в фотоприемник, в котором вырабатывается выходной электрический сигнал. Существенной особенностью оптрона является то, что его элементы связаны оптически, а электрически вход и выход изолированы друг от друга. Благодаря этому легко обеспечивается согласование высоковольтных и низковольтных, а также высокочастотных и низкочастотных цепей. Условное обозначение диодного оптрона приведено на рис. 2, а его конструкция – на рис 3.

Рис. 2

Рис. 3

1, 2 – p и n области фотодиода; 3, 4 – n и p области светодиода; 5 – световод на основе селенового стекла; 6,7 – контакты светодиода; 8, 9 – контакты фотодиода.

В качестве фотоизлучателей оптронов получили распространение инжекционные светодиоды, в которых испускание света определяется механизмом рекомбинации электронов и дырок.

Известно, что физическое явление, лежащее в основе принципа действия светодиода, называется электролюминесценсцией. Его сущность заключается в том, что в некоторых полупроводниковых материалах процесс рекомбинации электронов и дырок сопровождается излучением кванта света. В кремении и германии энергия рекомбинирующих частиц рассеивается на колебаниях решетки (акустических фононах).

Для преобразования световых сигналов в электрические в основном используются фотодиоды (а также фоторезисторы, фототранзисторы и фототиристоры).

Фотодиод представляет собой обычный p-n-переход, чаще всего на основе кремния или германия, обратный ток которого определяется скоростью генерации носителей заряда порождаемых действием падающего света. Данное явление называется внутренним фотоэффектом.

Существет два режима использования фотодиода: без внешнего питания – вентильный или фотовольтаический режим и с внешним питанием – фотодиодный режим. Фотодиоды, предназначенные для преобразования световой энергии в электрическую без внешнего питания, называют вентильными фотоэлементами. Возникновение фото-ЭДС связано с разделением генерированных систем электронно-дырочных пар полем p-n-перехода. При этом происходит накопление дырок в p-области и электронов в n-области, за счет чего, на n-p-переходе создается добавочная разность потенциалов. Величина фото-ЭДС зависит от уровня оптического сигнала и величины сопротивления нагрузки. Типичные вентильные характеристики вентильного фотоэлемента приведены на рис. 4.

В фотодиодном режиме за счет источника внешнего напряжения фототок примерно равен току короткого замыкания вентильного элемента, а падение напряжения от фототока на нагрузке при любом сопротивлении нагрузки больше по величине. Зависимости напряжения сигнала от мощности оптического излучения для фотодиода (1) и вентильного элемента (2) при одинаковом сопротивлении нагрузки приведены на рис. 5.

Рис. 5

Эффективность фотоэлектрического преобразования принято характеризовать вольт-ваттной и ампер-ваттной чувствительностью. Линейность световых характеристик , , позволяющая применять их в оптических линиях связи. Вентильные элементы в основном используются в качестве преобразователей энергии (солнечные батареи).

Управление током с помощью света можнот быть получено и в биполярном транзисторе, причем с существенно большей чувствительностью, чем в фотодиодах, за счет усиления тока базы. Оптическая генерация носителей в базе фоторезистора эквивалента введению в базу носителей от внешнего источника. В результате фототок транзистора усиливается в раз по сравнению с фотодиодом, где - статический коэффициент усиления тока базы фототранзистора.

Инерционность оптрона связана с процессами в светодиоде и приемнике излучения и описывается с помощью времен нарастания и спада выходного сигнала (рис. 6) при подаче на вход прямоугольного импульса.

Можно выделить следующие основные параметры диодных оптронов:

максимальный входной ток ;

максимальное входное напряжение ;

максимальное выходное обратное напряжение ;

входное напряжение - постоянное входное напряжение, соответсвующее заданному входному току;

выходной обратный темновой ток ;

времена нарастания и спада выходного сигнала – интервалы времени, в течение которых выходной сигнал диодного оптрона изменяется в интервалах 0,1-0,9 и 0,9-0,1 от своего максимального значения (рис. 6);

коэффициент передачи по току - отношение приращения выходного тока к входному .

Рис. 6

Ход работы

1. Собрали схемы исследования (рис. 7). Установили ограничители тока в источниках питания в соответствии с предельными параметрами оптрона.

Предельные параметры оптрона АОД101В: В, мА, В, В.

Рис. 7

2. Изменяя , сняли входную характеристику оптрона . Приняли , так как входное сопротивление светодиода много меньше .

Таб. 1. Входная характеристика оптрона АОД101В. = 1 кОм.

, В	0,05	0,604	0,8	0,9	1,002	1,1	1,2	1,3	1,4
, В	0,05	0,6	0,79	0,88	0,93	0,97	0,99	1,01	1,02
, мА	0,05	0,604	0,8	0,9	1,002	1,1	1,2	1,3	1,4

1,502				10,41	11,15
1,026	1,08	1,13	1,16	1,18	1,18
1,502				10,41	11,15

3. Установили . Изменяя , сняли передаточную характеристику оптрона при использовании фотовольтаического режима .

Таб. 2. Передаточная характеристика оптрона АОД101В. (фотовольтаический режим) = 1 кОм.

, В	0,5		1,5	5,6	5,8	5,9		6,1	6,2	6,3	6,4
, мА	0,01	0,04	0,08	0,12	0,15	0,25	1,23	2,17	3,19	4,44	4,7
, мА	0,5		1,5	5,6	5,8	5,9		6,1	6,2	6,3	6,4

Время спада = 0,15 мкс

Время нарастания = 0,04 мкс

4. . Установили В. Повторили измерения для оптрона при использовании фотодиодного режима.

Таб. 3. Передаточная характеристика оптрона АОД101В. (фотодиодный режим) = 1 кОм.

, В	0,5		1,5		2,5		3,5		4,5		5,5
, мА	0,02	0,05	0,48	0,83	1,3	1,75	2,18	2,67	3,1	3,34	3,9
, мА	0,5		1,5		2,5		3,5		4,5		5,5

Время спада = 0,3 мкс

Время нарастания = 0,64 мкс

5. Время спада и нарастания определили, собрав схему исследования (рис. 8), включив в цепь светодиода генератор импульсов. Установили на выходе генератора амплитуда импульсов 5 В с частотой следования примерно 1 кГц. К измерительному резистору через делитель напряжения 1:10 подключили осциллограф N/ Другой канал осциллографа использован для измерения амплитуды импульсов на выходе генератора. Установили В и по осциллограмме выходного тока (пропорционально падению напряжения на ) измерили времена нарастания и спада . Установили и повторили измерение времени для фотовольтаического режима.

Рис. 8

6. Исследовали характеристики транзисторного оптрона. Собрали схему рис. 9, установили В.

Рис. 9

В этой схеме фотодиод оптрона и внешний транзистор МП37Б имитируют фототранзистор.

Изменяя , сняли передаточную характеристику транзисторного оптрона .

**********

Транзистор МП37Б, n-p-n, Ge, сплавной;

мА

мВт

Таб. 4. Передаточная характеристика транзисторного оптрона.

, В		0,6	0,7	0,9		1,1	1,12	1,13	1,15	1,17	1,18	1,19
, мА	0,07	0,08	0,9	2,57	4,69	7,06	9,62	12,17	14,75		17,31	19,9
, мА		0,6	0,7	0,9		1,1	1,12	1,13	1,15	1,17	1,18	1,19