г. Нижний Новгород, 2006

Нижегородский Государственный Технический Университет

Оптроны

Методические указания и учебное пособие

г. Нижний Новгород, 2006

 

Оптроны. Описание, задания и методические указания к лабораторной работе по курсу «Электронные приборы».

Приводится описание лабораторной установки для экспериментального исследования работы оптрона на постоянном и переменном токе. Излагается последовательность выполнения измерений при снятии характеристик оптрона. Даются методические указания, необходимые для лучшего усвоения физических процессов, протекающих в оптроне и его элементах.

Составители:

методические указания – Г.М. Бугров

учебное пособие – В.В. Маланов

 

Научный редактор В.В. Маланов

Редактор И.И. Морозова

Технический редактор Н.А. Гуськова

 

 

Определение и назначение оптрона.

Оптроном называется полупроводниковый прибор, состоящий из электрически, оптически или электрооптически связанных между собой полупроводниковых приемника и управляемого источника света.

Оптроны предназначены для выполнения различных преобразований электрических или оптических сигналов. В зависимости от структуры и применяемой оптронной пары (приемника и источника света) оптроны отличаются характеристиками и параметрами. Что позволяет собирать из них разнообразные оптоэлектронные схемы и системы.

 

1. Полупроводниковые приемники света.

Полупроводниковые приемники света относятся к классу фотоэлектрических приборов, предназначенных для преобразования световой энергии в электрическую. Они основаны на внутреннем фотоэффекте, под которым понимается процесс ионизации атомов кристаллической решетки вещества или примеси в ней квантами света, сопровождающийся образованием подвижных носителей заряда. Интенсивность фотоионизации определяется энергией квантов света, их потоком и спектром поглощения полупроводника. При ионизации атомов основного вещества фотоэффект называют собственным. Если же ионизируются атомы примеси, то фотоэффект называют примесным. В полупроводниках собственный фотоэффект проявляется значительно сильнее примесного.

Из всех полупроводниковых приемников света наиболее широко применяются фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы и фототиристоры.

 

1.1. Фоторезисторы

Фоторезистор является наиболее простым и универсальным фотоэлектрическим прибором. Он представляет собой объем полупроводника, заключенный между двумя электродами, проводимость которого изменяется под действием падающего на него света. Последнее обусловлено тем, что поток фотонов вызывает ионизацию атомов полупроводника и создает в нем значительное количество подвижных носителей заряда – электронов и дырок. В результате электрическая проводимость полупроводника резко возрастает.

Если к фоторезистору приложить внешнее напряжение (рис.1), то при изменении интенсивности светового потока Ф будет изменяться ток в цепи фоторезистора и напряжение на резисторе R_н его нагрузки.

По отношению к электрической цепи фоторезистор представляет собой двухполюсник, переменным параметром которого является его импеданс

Z_ф = f (l, Ф, F, t, T°),

где l - длина волны облучающего света, Ф – световой поток, F – частота следования импульсов облучающего света, t – время и T° - абсолютная температура. Отсюда следуют основные характеристики фоторезистора: спектральная, световая, частотная, переходная и температурная.

Спектральная характеристика фоторезистора, устанавливающая связь между протекающим через него током и длиной волны облучающего света при неизменном напряжении на фоторезисторе, определяется примененным для его изготовления материалом. Практически применяются сернистый свинец, селенид кадмия и сернистый кадмий. Спектральные характеристики фоторезисторов на основе этих материалов приведены на рис.2.

Из них следует, что фоторезисторы на основе сернистого свинца наиболее пригодны для использования в инфракрасной области, а фоторезисторы на основе селенида кадмия и сернистого кадмия – в видимых областях света.

Вид световой характеристики фоторезистора легко установить. Количество электронов n_ген, ежесекундно освобождаемых фотонами, пропорционально световому потоку, т.е. n_ген = aФ. Количество электронов n_рек, исчезающих ежесекундно вследствие рекомбинации, пропорционально концентрации электронов и дырок, т.е. n_рек = b*n*р. Но так как p = n, то n_рек = b*n . Здесь a и b - коэффициенты пропорциональности.

В состоянии динамического равновесия n_рекn_ген, т.е. bn =aФ. Отсюда

.

Так как проводимость полупроводника пропорциональна концентрации подвижных носителей заряда, то и ток в цепи фоторезистора при наличии внешнего источника питания будет пропорционален концентрации этих носителей заряда, т.е.

I = c Ф + I_т,

где с – коэффициент пропорциональности, а I_т – темновой ток, обусловленный наличием проводимости у неосвещенного полупроводника.

Таким образом, световая характеристика фоторезисторов нелинейна. Недостатком фоторезисторов является также их значительная инерционность, обусловленная большим временем жизни неравновесных носителей заряда. Кроме того, параметры фоторезисторов сильно зависят от температуры окружающей среды.

 

1.2. Фотодиоды

Пусть p – n – переход и прилегающие к нему части p- и n – областей p – n – структуры облучаются светом (рис.3).

При этом в p – и n – областях образуются электроны и дырки. Часть из них, не успев рекомбинировать, достигает в результате хаотического теплового движения границ перехода. Неосновные носители заряда, для которых поле перехода является ускоряющим, перебрасываются им через переход. Иначе говоря, электроны из p – области перебрасываются в n – область. Основные носители заряда задерживаются полем перехода в своих областях. Под воздействием света электроны и дырки образуются и в переходе. Электроны выбрасываются его полем в n – область, а дырки – в p – область. Если p – и n – области структуры не замкнуты внешней цепью, то в них будут накапливаться основные носители и образовываться заряды – положительный в p – области и отрицательный в n – области. Эти заряды частично компенсируют пространственные заряды акцепторной и донорной частей перехода. Потенциальный барьер перехода снижается и увеличивается протекающий через него диффузионный ток основных носителей. Устанавливается новое равновесное состояние перехода, соответствующее меньшему потенциальному барьеру j_к - u_ф, при котором поток неосновных носителей через переход, возникающий за счет облучения p – n –структуры, уравновешивается дополнительным встречным потоком основных носителей. Разность потенциалов u_ф, на величину которой снижается потенциальный барьер перехода, называется фотоэлектродвижущей силой. Она зависит от светового потока и свойств полупроводника. Но максимальное её значение не может быть больше контактной разности потенциалов j_к.

Если на облучаемую светом p – n –структуру подать напряжение U, то через неё потечет ток

,

где I₀ – обратный ток насыщения неосвещенного p – n –перехода, а I_ф – фототок, появившийся под воздействием света.

Фототок пропорционален световому потоку, т.е. I_ф = mФ, где m – интегральная чувствительность фотодиода. Значит световая характеристика фотодиода I_ф = f(Ф) линейна.

На рис.4 представлено семейство вольтамперных характеристик фотодиода при различных значений Ф. Особенностью рабочей области этих характеристик, расположенной левее оси токов, является почти полная независимость тока фотодиода от приложенного напряжения.

Внутреннее дифференциальное сопротивление фотодиода в рабочем режиме весьма велико и может достигать нескольких десятков мегом.

Важной для фотодиода является спектральная характеристика, показывающая зависимость его интегральной чувствительности от длины волны облучающего света. На рис.5 в качестве примера приведена типичная спектральная характеристика германиевого фотодиода.

Схема включения фотодиода (рис.6) содержит источник питания и резистор нагрузки. Здесь фотодиод работает как обычный фоторезистор. Однако его чувствительность значительно выше, чем фоторезистора. Интегральная чувствительность большинства фотодиодов составляет несколько десятков миллиампер на люмен.

Фотодиоды имеют существенно большее быстродействие, чем фоторезисторы. Инерционность фотодиода определяется процессом разделения полем перехода электронно-дырочной пары. Возникающей при поглощении света, а также RC – параметрами перехода и нагрузки.

Высоким быстродействием обладает p – i – n фотодиод (рис.7). В нем между p – и n – областями расположена толстая i – область собственного кремния с большим удельным сопротивлением. Это обусловливает большую толщину области пространственного заряда w_pn»10^{-2 см и её высокую электрическую прочность. Облучение} p – i - n – структуры осуществляется со стороны n - области. Так как её толщина мала, то световой поток почти полностью проникает в толстую i – область и поглощается в ней. В i - области образуются электроны и дырки.

Применяя источник питания с высоким напряжением. Можно создать в области пространственного заряда сильное электрическое поле и резко уменьшить время, необходимое для выбрасывания из неё образовавшихся под действием света электронов и дырок. Все это позволило создать фотодиоды с быстродействием 10^-10 – 10^-11 с.

Добротность p – i - n – фотодиодов, под которой понимается произведение полосы пропускания на коэффициент усиления фотоносителей, имеет величину порядка 10⁹ Гц. Применение p – i – n – фотодиодов решает проблему быстродействия. Но при этом остается еще нерешенной проблема усиления фототока. Одним из путей её решения является использование лавинного усиления фотоносителей заряда внутри p – n – перехода при обратных напряжениях на нем, близких к пробойным. Оно определяется коэффициентом размножения

,

где I_ф – фототок диода с учетом размножения, I_ф0 – фототок диода при напряжении на нем ниже напряжения лавинообразования, U_p-n – напряжение на переходе, U_np – пробивное напряжение, n – коэффициент, зависящий от материала полупроводника, легирующего профиля и длины волны облучающего света. Для n – кремния n = 3-4, а для р – кремния n=1,5-2.

По теоретическим оценкам добротность кремниевых лавинных фотодиодов может иметь величину порядка 10¹⁴ – 10¹⁷ Гц. Практически достигнуты значения порядка 10¹² – 10¹³ Гц.

 

1.3. Фототранзисторы.

Для усиления тока фотодиода можно использовать транзисторные структуры. Фототранзистор p – n – р типа представлен на рис. 8. Облучению в нем подвергается база. Причем со стороны коллекторного перехода, имеющего небольшую площадь. Питающее напряжение включается так, что коллектор имеет относительно эмиттера отрицательный потенциал. При этом эмиттерный переход смещается в прямом направлении, а коллекторный переход – в обратном. База остается свободной. Значит, фототранзистор работает в активном режиме по схеме с общим эмиттером при разомкнутой цепи базы.

При полном затемнении через коллекторный переход протекает обратный ток неосновных носителей. Такой же по величине ток протекает и через эмиттерный переход. Это обусловлено тем, что заряд дырок, инжектированных из эмиттера в базу и не выведенных из неё через коллекторный переход, не компенсируется полностью электронами, имеющимися в базе и поступившими в неё из коллектора. Нескомпенсированный заряд дырок в базе поддерживает высоким потенциальный барьер эмиттерного перехода и тормозит инжекцию дырок через него. Устанавливается динамическое равновесие, при котором эмиттерный ток будет равен обратному току коллекторного перехода.

Под воздействием света в базе у коллекторного перехода генерируются дырки и электроны. Дырки достигают за счет диффузии коллекторного перехода, увлекаются его полем и выбрасываются в коллектор, увеличивая ток его внешней цепи. Электроны же остаются в базе и диффундируют к эмиттерному переходу. Их отрицательный заряд воздействует на эмиттерный переход, смещая его в прямом направлении, что приводит к усилению инжекции дырок из эмиттера в базу. Небольшая их часть рекомбинирует в базе с электронами, появившимися под воздействием света. Остальные дырки достигают коллекторного перехода и дополнительно увеличивают ток коллектора. Возникающие под воздействием света электроны играют роль управляющего тока базы, вызывая в b₀ раз большее приращение тока коллектора. Поскольку в базе генерируется равное количество дырок и электронов, то полное приращение коллекторного тока будет в 1+b₀ раз больше его приращения за счет дырок, появившихся под воздействием света. Это означает, что интегральная фоточувствительность фототранзистора в 1+b₀ раз больше, чем у фотодиода.

Семейство выходных характеристик фототранзистора при различных значениях Ф приведено на рис.9.

Оно аналогично семейству выходных характеристик обычного транзистора с общим эмиттером.

У фототранзисторов со свободной базой низкая стабильность. Поэтому они имеют обычно вывод базы, что позволяет схемным путем стабилизировать их работу.

Граничная частота фототранзисторов примерно в b₀ раз меньше, чем у фотодиодов. Они имеют относительно высокий уровень собственных шумов.

 

1.4. Фототиристоры.

Фототиристор (рис.10) является фотоэлектрическим аналогом управляемого тиристора. Питающее напряжение подается на него в такой полярности, что оба эмиттерных перехода (1ЭП, 2 ЭП) смещаются в прямом направлении, а коллекторный переход (КП) – в обратном. Облучению подвергается тонкая р – база со стороны наружной n – области, имеющей небольшую площадь.

Семейство вольт – амперных характеристик фототиристора при различных значениях Ф приведено на рис.11.

Для фототиристора возможны два устойчивых состояния: закрытое (ветвь оа вольтамперной характеристики) и открытое (ветвь бв). Если фототиристор не облучается (Ф=0), то напряжение U_n его переключения из закрытого состояния в открытое имеет большую величину. При облучении р- базы в её наружных слоях генерируются электроны и дырки и начинается их диффузионное перемещение к коллекторному переходу (рис.10). Электроны, избежавшие рекомбинации и достигшие коллекторного перехода. Перебрасываются его полем в n – базу и задерживаются в ней тормозящим полем второго эмиттерного перехода. Дырки же задерживаются тормозящим полем коллекторного перехода в р – базе. В результате потенциальный барьер коллекторного перехода снижается. Накопление дырок в р – базе уменьшает. Кроме того, потенциальный барьер первого эмиттерного перехода и усиливает инжекцию через него электронов из наружной n – области в р – базу. Все это приводит к уменьшению напряжения переключения фототиристора из закрытого состояния в открытое. Чем больше световой поток, тем меньше напряжение переключения.

Инерционность фототиристора при включении определяется временем нарастания фототоков в базах до значений, при которых развивается регенеративный процесс, и временем развития лавины. Время включении фототиристора лежит в пределах 10^-7 - 10^-8 с.

Инерционность фототиристора при включении определяется временем рассасывания избыточных носителей заряда в базах, пропорциональным току фототиристора во включенном состоянии. Для маломощных быстродействующих фототиристоров это время имеет величину порядка 10^-5 – 10^-6 с.

 

2. Полупроводниковые управляемые источники света.

К управляемым источникам света в полупроводниковой электроники предъявляются требования миниатюрности. Малой потребляемой мощности, высокой эффективности и большого срока службы. Им в наибольшей степени удовлетворяют электролюминесцентные источники света. Это электролюминесцентные конденсаторы, свечение электролюминофора возникает в сильных электрических полях, а также инжекционные светодиоды, излучение которых обусловлено рекомбинацией инжектированных через p – n переход носителей заряда. Излучение конденсаторов и светодиодов отличается высокой монохроматичностью.

 

2.1. Электролюминесцентные конденсаторы.

В качестве электролюминофора излучающих конденсаторов широко применяется сернистый цинк, активированный марганцем, алюминием, медью. Его свечение лежит в видимой части спектра.

Электролюминесцентный конденсатор (рис.12) представляет собой многослойную систему, состоящую из прозрачной стеклянной подложки 1, прозрачного проводящего электрода 2, электролюминофора 3, защитного диэлектрического слоя 4 и металлического электрода 5. Между металлическим и прозрачным проводящим электродами создается переменное электрическое поле, возбуждающее электролюминесценцию. Вывод света осуществляется через стеклянную подложку.

Электролюминофор конденсатора представляет собой либо взвесь мелкодисперсного порошка в диэлектрике (порошковый электролюминофор), либо тонкую однородную пленку (пленочный электролюминофор). По оптическим параметрам пленочные электролюминофоры примерно на порядок лучше порошковых.

Для оценки эффективности источников видимого излучения применяют величину

h_n = .

В случае электролюминесцентного конденсатора

h_n = ,

где Ф – световой поток, излучаемый электролюминофором, В – яркость его высвечивания, С – удельная емкость конденсатора, w - частота возбуждаемого напряжения U

Яркостная характеристика конденсатора в диапазоне изменения яркости на два – три порядка хорошо описывается следующим соотношением

В = в(w) U^g,

где в(w) и g - коэффициенты, величина которых определяется применяемым электролюминофором.

Быстродействие конденсатора определяется процессами нарастания и спадания яркости излучения его электролюминофора. Длительность этих процессов у пленочных электролюминофоров составляет примерно 100 мкс и 300 мкс, а у порошковых электролюминофоров – примерно 15 мкс и 30 мкс.

Электролюминесцентные конденсаторы имеют низкую стабильность и сравнительно небольшой срок службы.

 

2.2. Инжекционные светодиоды.

Проблема быстродействия электролюминесцентных источников была решена созданием инжекционных светодиодов на основе арсенида галлия, фосфида галлия, карбида кремния и твердых растворов арсенида и фосфида галлия.

Излучение светодиода вызвано самопроизвольной рекомбинацией носителей заряда, инжектированных через p – n – переход. Она может происходить как в близких к переходу слоях полупроводника, так и в самом переходе. Свечение перехода и прилегающих к нему областей возникает лишь при интенсивной рекомбинации носителей заряда, т.е. при достаточно большой плотности прямого тока через переход.

Структуры светодиодов, получившие наибольшее распространение, приведены на рис.13. Плоская структура является наиболее простой. Но из-за большого внутреннего отражения она имеет низкую эффективность. Эффективность полусферических структур на порядок выше. Во всех структурах вывод излучения осуществляется через n – область, так как она имеет меньший коэффициент поглощения света, чем р – область. С целью повышения эффективности светодиодов применяют просветляющие покрытия их внешней поверхности. При этом выход света увеличивается примерно в 1,5 раза.

Основной для светодиода является яркостная характеристика (рис.14). Она сильно нелинейна вначале и почти линейна в средней части. Относительно линейный участок используется как рабочий.

Параметры светодиода как элемента электрической цепи определяются его вольтамперной характеристикой. Для всех светодиодов она типично диодная с сильно выраженной линейностью в проводящем направлении.

Важным достоинством светодиодов является их высокое быстродействие, которое на четыре – шесть порядков выше. Чем у электролюминесцентных конденсаторов.

 

 

3. Оптроны

Рассмотрим основные структуры оптронов и примеры их выполнения.

 

3.1. Оптрон с внешней оптической и внутренней электрической связями.

Схема оптрона приведена на рис.15. В ней: ПС – приемник света, Z_ПС – его полное сопротивление, ИС – источник света, U₀ – источник постоянного (или переменного) питающего напряжения. Входным сигналом является световой поток Ф_вх. При изменении Ф_вх изменяется сопротивление Z_ПС приемника света, что приводит к изменению тока I_у в последовательной цепи элементов оптрона, напряжение U_l на источнике света и излучаемого им светового потока Ф_вых. Таким образом, всякому изменению Ф_вх соответствует изменение Ф_вых. При DФ_вых > DФ_вх имеет место усиление светового потока. Если и имеют одинаковые спектральные составы, то усиление светового потока осуществляется без его преобразования. При несовпадении спектральных составов Ф_вых и Ф_вх происходит не только усиление светового потока, но и его преобразование. Это означает, что в оптроне можно осуществить преобразование видимого излучения одной длины волны в видимое излучение другой длины волны, невидимого инфракрасное – в видимое и т.п.

Важнейшей для рассматриваемого оптрона является передаточная характеристика, типичный вид которой показан на рис.16.

Оптрон с внешней оптической связью является основным элементом оптоэлектронных усилителей и преобразователей изображений. Если составить матрицу из большого числа таких оптронов, то спроектированное на её вход изображение будет передано в каждой его части своим оптроном на выход матрицы в усиленном или преобразованном в излучение другого спектрального состава виде.

 

3.2. Оптрон с внутренней прямой оптической связью.

В оптроне с внутренней прямой оптической связью (рис.17) преобразование входного электрического сигнала (I_вх, U_вх) в электрический же выходной сигнал (I_вых, U_вых) осуществляется по схеме: электрический сигнал – оптический сигнал – электрический сигнал. Изменение напряжения или тока источника света сопровождается изменением излучаемого им светового потока Ф_у. Это приводит к изменению сопротивления Z_ПС приемника света, выходного тока и выходного напряжения. Оптроны с внутренней прямой оптической связью используются в оптоэлектронике для преобразования электрических сигналов.

 

3.3. Оптроны с электрооптической связью.

Внутренняя оптическая связь в оптроне может выполняться не только прямой, но и обратной. При этом она может быть как положительной, так и отрицательной. Независимо от знака обратную оптическую связь в оптроне можно осуществить только при наличии электрической связи между его элементами. Поэтому такие оптроны называют оптронами с электрооптической связью.

На рис.18 приведена схема оптрона с положительной оптической обратной связью, осуществляемой ветвью Ф_l. Оптрон имеет два входа (оптический Ф_вх и электрический U_вх) и два выхода (оптический Ф_вых и электрический U_вых).

Рассмотрим работу оптрона сначала по оптическому входу. Пусть при заданном U_вх ¹ 0 исходное значение Ф_вх = 0. При этом Z_ПС велико по сравнению с сопротивлением Z_ИС источника света, U_вых» U_вх, I_вх мало и рабочая точка источника света находится на начальном участке его яркостной характеристики с малой крутизной. Значит, Ф_вых и Ф_l также малы.

При увеличении Ф_вх уменьшается Z_ПС и U_вых, растет I_вх и медленно увеличиваются Ф_вых и Ф_l. Рост Ф_l сопровождается небольшим дополнительным уменьшением Z_ПС. Этот медленный процесс будет продолжаться, пока Ф_вх не достигнет порогового значения Ф_вх.пор, при котором I_вх станет значительным и рабочая точка источника света окажется на участке его яркостной характеристики с достаточно большой крутизной. Дальнейшее сколь угодно малое увеличение Ф_вх вызывает развитие регенеративного процесса: уменьшается Z_ПС, увеличивается I_вх и заметно возрастают Ф_вых и Ф_l, что приводит к существенному дополнительному уменьшению Z_ПС, увеличению I_вх и т.д. Регенеративный процесс продолжается до тех пор, пока не прекратится влияние изменения Z_ПС на I_вх. Такое положение наступит, как только начнет выполняться условие Z_ПС «Z_ИС. В результате регенеративного процесса оптрон скачком переходит из закрытого состояния в открытое. Этот переход сопровождается скачкообразным возрастанием I_вх и Ф_вых и скачкообразным уменьшением U_вых (рис.19).

При уменьшении Ф_вх после переключения оптрона Z_ПС и U_вых будут увеличиваться и так как Z_ПС «Z_ИС, то I_вх, Ф_вых и Ф_l будут очень медленно убывать. По мере уменьшения Ф_вх процессы нарастания Z_ПС и U_вых и убывания I_вх, Ф_вых и Ф_l ускоряются. Уменьшение Ф_l приводит к все более быстрому дополнительному увеличению Z_ПС. Как только Ф_вх достигнет порогового значения , при котором Z_ПС станет соизмеримым с Z_ИС, в оптроне развивается регенеративный процесс его переключения в закрытое состояние: при сколь угодно малом уменьшении Ф_вх увеличивается Z_ПС, уменьшаются I_вх, Ф_вых и Ф_l; уменьшение Ф_l приводит к заметному дополнительному увеличению Z_ПС, уменьшению I_вх и т.д. Этот регенеративный процесс продолжается до тех пор, пока рабочая точка источника света не переместится на начальный участок его яркостной характеристики с малой крутизной, когда практически прекратится влияние изменения I_вх на Ф_вых и Ф_l. Переключение оптрона в закрытое состояние сопровождается скачкообразным уменьшением I_вх и Ф_вых и скачкообразным возрастанием U_вых (рис.19).

Обратимся к рассмотрению работы оптрона по электрическому входу. Будем считать = 0. Тогда при U_вх = 0 сопротивление Z_ПС» Z_ИС, I_вх мало и рабочая точка источника света находится на начальном участке его яркостной характеристики.

При увеличении U_вх растет I_вх и сначала очень медленно увеличиваются Ф_вых и Ф_l. По мере увеличения U_вх рост Ф_вых и Ф_l ускоряется, так как рабочая точка источника света на его яркостной характеристике перемещается с большей крутизной. Ускоряющий рост Ф_l сопровождается все более быстрым увеличением Z_ПС и ростом I_вх, что приводит к дополнительному увеличению Ф_l; уменьшению Z_ПС, увеличению I_вх и т.д. Этот процесс приобретает регенеративный характер при U_вх» U_вх.пор, когда рабочая точка источника света на его яркостной характеристике переместится на участок с достаточно большой крутизной. Регенеративный процесс включения оптрона закончится, как только начнет выполняться условие Z_ПС «Z_ИС, и вследствие этого прекратится влияние изменения Z_ПС на I_вх. Включение оптрона сопровождается скачкообразным увеличением I_вх и Ф_вых (рис.20)

Для переключения оптрона в исходное закрытое состояние надо уменьшить U_вх до такой величины , при которой I_вх и Ф_l станут заметно меньше, чем в открытом состоянии оптрона, а Z_ПС окажется соизмеримым с Z_ИС. Процесс выключения оптрона имеет регенеративный характер. Он прекращается в результате перемещения рабочей точки источника света на начальный участок его яркостной характеристики с малой крутизной. При выключении оптрона I_вх и Ф_вых скачкообразно уменьшаются (рис.20)

Оптрон с положительной оптической обратной связью может выполнять функции ключа или триггера.

На рис.21 приведена схема оптрона с отрицательной оптической обратной связью, осуществляемой ветвью Ф_l.

Рассмотрим работу оптрона по электрическому входу. Допустим, что при неизменном Ф_вх напряжение U_вх увеличилось. Если бы ветвь Ф_l отсутствовала, то это привело бы к увеличению напряжения на источнике света, напряжения U_вых и светового потока Ф_вых. При наличии ветви Ф_l увеличение яркости свечения источника света вызовет уменьшение сопротивления Z_ПС. Это будет способствовать дополнительному возрастанию I_вх и U_вых и препятствовать увеличению напряжения на источнике света, а значит и светового потока Ф_вых. Налицо отрицательная обратная связь.

Вольт - амперная характеристика оптрона (рис.22) нелинейна, т.е. оптрон является нелинейным сопротивлением. Его характеристиками можно управлять посредством изменения величины Ф_вх.

 

3.4. Примеры оптронов с прямой оптической связью

В настоящее время наиболее широко применяются оптроны с прямой оптической связью. Рассмотрим несколько видов таких оптронов.

Схема оптрона «светодиод – фотодиод» и его характеристики представлены на рис.23.

Входная характеристика оптрона – это вольт – амперная характеристика светодиода. Входные характеристики оптрона очень похожи на вольт – амперные характеристики фотодиода, но в отличие от них не эквидистантны вдоль оси токов, что является следствием нелинейной яркостной характеристики светодиода.

На рис.24 показано устройство оптрона типа «высоковольтный оптоизолятор». В качестве источника света в нем используется светодиод, а в качестве приемника света – фотодиод или фототранзистор. С целью достижения высокого напряжения гальванической развязки между источником и приемником света введен достаточно длинный жесткий стеклянный моноволоконный светодиод СВ. Изолятор ИЗ служит одновременно и корпусом оптрона.

На рис.25 приведена конструкция оптрона с открытым оптическим каналом, у которого между источником и приемником света имеется воздушный зазор. Помещая в него механическую преграду, можно управлять световым потоком. Такой оптрон называют оптопрерывателем.