Типовые схемы управления

Рассмотрим типовые схемы включения ИД. Для схемы значение тока I_сд, протекающего через ИД, зависит от сопротивления R_н, напряжения U_п и падения напряжения на ИД:

.

Зная величину тока, который необходимо задать в ИД, можно определить параметры этой схемы. С помощью R_н можно регулировать интенсивность излучения ИД.

Широкое распространение получили импульсные схемы в которых для управления током ИД используются биполярные транзисторы. Для схемы, показанной на рис. 2.16, ток через ИД:

,

где U_кэ.ост – остаточное напряжение на транзисторе в открытом состоянии;

r_д – дифференциальное сопротивление ИД.

Если считать, что U_п>>U_ид; U_п>>U_кэ.ост и R_к>>r_д, то:

.

При этом сопротивление базы R_б должно обеспечивать насыщение транзистора VT: ,

где S=I_б/I_бгр – коэффициент насыщения транзистора;

I_бгр – граничное значение тока базы.

 

 

При управлении ИД от цифровых ТТЛ интегральных микросх ем целесообразно использовать схемы с открытым коллектором, которые способны обеспечить необходимый ток через излучающие диоды. В этом случае ИД непосредственно включаются в выходную цепь ТТЛ микросхемы.

Если ИД должен возбуждаться при “1” на входе ТТЛ микросхемы, то схема включения будет иметь вид, показанный на рисунке.

При этом ток через ИД определяется из выражения:

,где U⁰ – уровень логического нуля на выходе микросхемы.

Если ИД должен возбуждаться при “0” на входе ТТЛ микросхемы, то схема включения имеет вид, показанный на рис.

При этом: ,

где I_ут – выходной ток микросхемы, находящейся в состоянии логической единицы.

В связи с тем, что ИД имеют невысокую квантовую эффективность, то, при непосредственном управлении от ТТЛ интегральных микросхем, уровень излучения будет невысоким. В то же время импульсный характер передачи цифровых сигналов позволяет применять импульсное питание ИД, при котором I_имп может быть в несколько раз больше, чем I_н. В этом случае ТТЛ микросхемы возбуждают ИД через промежуточные транзисторные усилители тока. При этом транзистор можно включать либо по схеме эмиттерного повторителя, либо по схеме с общим эмиттером.

 

Способы компенсации нестабильности излучения

Для ряда применений ИД требуется высокая временная и температурная стабильность мощности излучения. Существует несколько методов стабилизации интенсивности излучения.

Использование термостатирования и изоляции ИД от различного рода дестабилизирующих воздействий позволяет уменьшить температурную нестабильность излучения. Однако эти способы отличаются сложностью и инерционностью.

Наиболее универсальными и простыми являются методы температурной стабилизации, основанные на выборе оптимального рабочего режима ИД.

 

Для определенного установленного режима мощности излучения ИД экспериментально подобрав сопротивление резистора R_{1 ,} можно значительно повысить его температурную стабильность (а). Сопротивление R₁ определяют следующим образом. Устанавливают определенную температуру ИД – t⁰₁, измеряют падение напряжения на ИД – U_д и величину потока излучения Ф₁ при номинальном токе I₁. Затем изменяют температуру до нового значения t₂, выставляют значение напряжения U₂, при котором поток не изменяется и измеряют соответствующее значение тока I₂. Требуемое значение сопротивления определяют по формуле:

.

Выбор сопротивления для каждого конкретного образца ИД является недостатком этого метода.

Еще один метод, основанный на выборе оптимальных значений элементов цепи, показан на (б). Так как с увеличением температуры падение напряжения на ИД уменьшается, то при включении параллельно ИД резистора происходит перераспределение тока в сторону ветви с ИД. Кроме того, увеличивается общий ток, протекающий через параллельно включенную цепь резистор R₂ – ИД. При оптимальном выборе R₂ увеличение температуры приводит к увеличению тока через ИД, тем самым достигается температурная стабилизация мощности излучения. Несмотря на простоту схемной реализации, этот метод требует больших затрат мощности, так как сопротивление компенсационного резистора R₂ получается небольшим.

Введение в цепь питания ИД термочувствительных элементов с обратной температурной характеристикой, таких как терморезисторы, также позволяет увеличить температурную стабильность излучения ИД (в).

Широко используется температурная стабилизация рабочего режима ИД с помощью операционных усилителей. Этот способ основан на введении обратной связи по термозависимому параметру ИД, каковым является прямое падение напряжения на диоде.

Однако рассмотренные методы не позволяют устранить временную нестабильность излучения ИД.

Рассмотрим схему временной стабилизации интенсивности излучения ИД с помощью обратной связи по оптическому каналу.

Для этой схемы можно записать:

,

где К – коэффициент усиления усилителя;

I₁ – ток фотодиода;

I_сд – ток ИД;

r_д – динамическое сопротивление ИД.

Фототок фотодиода будет равен:

,

где Р₀ – мощность излучения ИД;

g – коэффициент преобразования.

Подставив значение фототока в выражение для тока ИД, после преобразования получим: .

Так как произведение R_вх К достаточно большое, то:

.

Следовательно, в первом приближении мощность светового потока определяется только входным током. При этом данная схема позволяет более чем на порядок повышать временную стабильность потока излучения ИД.

Защита излучающих диодов от электрических перегрузок

Во многих практических случаях важно предусмотреть эффективную защиту излучателя от пробоя при подаче отрицательного напряжения и от превышения максимального тока прибора.

Как известно, ИД – это прибор с высокой степенью легирования, имеющий узкую область объемного заряда. Поэтому при приложении обратного напряжения к диоду в ООЗ возникает высокая напряженность поля, способная вывести прибор из строя или значительно уменьшить срок его службы. Для защиты излучателя от пробоя необходимо использовать низкоомный (германиевый или кремниевый) диод, включаемый параллельно ИД, как показано на рисунке.

При воздействии отрицательной полуволны входного напряжения, диод ЗД отпирается и фиксирует обратное напряжение ИД в допустимых пределах.

Ограничение максимального тока в цепи с излучающим диодом эффективно осуществляется с помощью несложных транзисторных каскадов. В схеме, показанной на рисунке, разность потенциалов на эмиттерном переходе транзистора зависит от величины тока ИД.

При номинальном токе излучающего диода величины напряжения U_эб недостаточно для отпирания транзистор, и он не влияет на работу схемы. При увеличении I_ид напряжение U_R2 увеличивается, что приводит к открыванию транзистора и отбиранию части входного тока I_г. В этой схеме ограничение тока ИД наиболее эффективно при R_вх<<R₂ и DI_ид=DI_г/(1+b). Таким образом, в этой схеме ток через ИД фиксируется на уровне I_ид = U_бэ/R₂.