Список літератури. 1. Хоружний В.А. Функціональна мікроелектроніка, опто- та акустоелектроніка / В.А

1. Хоружний В.А. Функціональна мікроелектроніка, опто- та акустоелектроніка / В.А. Хоружний, В.О. Письмецький. - Харків, 1995. - 186 с.

2. Жеребцов И.П. Основы электроники. – Л.: Энерго-атомиздат, 1989. - 242 с.

 

Лабораторна робота 3

ДОСЛІДЖЕННЯ ХАРАКТЕРИСТИК ТИРИСТОРНОЇ ОПТОПАРИ

Мета роботи – вивчити залежність форми вихідного сигналу від величини світлового потоку для тиристорної оптопари.

Елементи теорії. Оптоелектронні прилади - це прилади, принцип дії яких побудований на використанні електромагнітного випромінювання оптичного діапазону. За їх допомогою здійснюють генерацію, перетворення, передачу і збереження інформації. Носіями інформації в оптоелектроніці є нейтральні в електричному розумінні частинки - фотони, нечутливі до впливу електричних і електромагнітних полів, які не взаємодіють між собою і створюють односпрямовану передачу сигналу, що забезпечує високу перешкодозахищеність і гальванічну розв'язку вхідних і вихідних ланцюгів. Оптоелектронні прилади приймають, перетворюють і генерують випромінювання у видимій, інфрачервоній і ультрафіолетовій областях спектра. Принцип дії оптоелектронних приладів базується на використанні зовнішнього або внутрішнього фотоефекту.

Оптопари поділяють на декілька груп: фоторезисторні (фоторезистор - світлодіод); діодні (фотодіод - світлодіод); транзисторні (фототранзистор - світлодіод) і тиристорні (фототиристор - світлодіод).

Фототиристор- це напівпровідниковий прилад, який керується світловим потоком, поєднує у собі властивості тиристора і фотоприймача та перетворює світлову енергію в електричну. Фототиристори мають чотиришарову p-n-p-n -структуру. За відсутності світлового сигналу і керуючого струму фототиристор закритий, і через нього проходить тільки темновий струм. Відкривається фототиристор світловим потоком, що надходить на бази р ₂ і n ₁ через «вікно» у його корпусі (рис. 1). Світловий потік утворює у фототиристорі електронно-діркові пари, створює первинні фотоструми, у результаті чого утворюється загальний фотострум. З цього випливає, що при надходженні світлового потоку на бази р ₂ і n ₁ зростає емітерний струм і коефіцієнт передачі струму від емітера до колектора є функцією освітленості, яка змінює струм p-n -nepexoдів. Опір фототиристорів змінюється в межах від 0, 1 Ом (у відкритому стані) до 10⁸ Ом (у закритому). Час переключення знаходиться в межах від 10^-5 - 10^-6с.

Зі світлової характеристики I_пр = f(Ф) при U_пр=const (рис.2а) видно, що після ввімкнення фототиристора струм через нього зростає до I_пр=Е_пр/R_нагр і більше не змінюється, тобто має два стабільних стани (вимкнений, ввімкнений) та може бути використаний як елемент пам'яті. Із ВАХ I_пр = =f(U_пр) при Ф = const (Ф₂ > Ф₁ > Ф_о) (рис.2б) видно, що зі збільшенням світлового потоку напруга ввімкнення зменшується.

Переваги фототиристорів: висока навантажувальна здатність при малій потужності керуючого сигналу; можливість одержувати необхідний вихідний сигнал без

Рисунок 1 – Структура фототиристора

додаткових каскадів підсилення; наявність пам'яті, тобто підтримка відкритого стану після зняття керуючого сигналу; високі чутливість та швидкодія. Вищеназвані властивості фототиристорів дозволяють спростити схеми, вимкнувши з них підсилювачі і релейні елементи, що є дуже важливим у промисловій електроніці, наприклад у високовольтних перетворювачах.

Рисунок 2 – Характеристики фототиристора: а – світлова; б – вольт-амперна

Галузі використання тиристорних оптопар: схеми для формування потужних імпульсів, керування потужними тиристорами, керування та комутації різноманітних пристроїв з потужними навантаженнями.

Методичні вказівки. У тиристорних оптопарах як приймальний елемент використовується кремнієвий фототиристор. За відсутності вхідного сигналу, що відповідає неопроміненому стану базової n- області, через фототиристор проходить невеликий струм витоку (темновий струм). Значення темнового струму сильно залежить від температури. При підвищенні температури на 10 °С струм приблизно подвоюється.

Для дослідження робочих характеристик тиристорної оптопари використовується лабораторний стенд на основі схеми фазо-імпульсної комутації (рис.3) з використанням тиристорної оптопари АОУ103 (випромінювач - GaAs діод, приймач – Si фототиристор) у металоскляному корпусі. Електричними параметрами оптопари є: вхідний струм спрацьовування фототиристора при U_вих=10 В (не більше 10 мА); вхідний імпульсний струм спрацьовування при τ _и = =10 мкс (не більше 80 мА); вхідна напруга при I_вх =10 мА (не більше 2 В); вихідний струм (100 мкА); вихідна напруга у відкритому стані фототиристора при I_вих = 100 мА (не більше 2 В); вихідний затримувальний струм при U_вих= 10 В (не більше 10 mA); вхідний максимальний струм перешкоди (0, 25 мА); вихідний середній прямий струм при куті горіння 90° (15 мА) та вихідна зворотна стала напруга (400 В).

Схема лабораторного стенда включає 3 основні вузли: вузол живлення (діодний міст VD_1-4, параметричний стабілізатор на КС156); вузол синхронізації та комутації (логічні елементи К155ЛА3) і вузол навантаження (оптопара АОД103, діодний міст, опір R₅). Через опори R_{2, 3} пульсуючий постійний струм (циклоїда) потрапляє на вхід першого логічного елемента К155ЛА3 з подальшим інвертуванням та перетворенням форми на прямокутну. Змінюючи опір резистора, можна підібрати швидкість циклу «заряд-розряд» конденсатора С₂, що і обумовить зміну фази на виході відносно початкової. Вихід з четвертого елемента мікросхеми К155ЛА3 під’єднаний через баластний опір R₄ до світлодіода тиристорної оптопари. Випромінюючи світло з певною часовою затримкою, фототиристор закорочує діодний міст D_7-10, що приводить до «вирізання» частини синусоїди і тим самим змінює діючу напругу U_d.

Підключений до такого стенда осцилограф дасть можливість визначити амплітуду, U_m, та «кут горіння» x тиристорної оптопари. Співвідношення встановлює залежність U_d від вищеназваних величин.

 

Рисунок 3 – Схема лабораторного стенда