6.5. Исследование диодного и транзисторного оптронов.

Краткие теоретические сведения.

Оптроном или оптопарой называется устройство, состоящее из излучателя света и фотоприемника, разделенных оптически прозрачной, изолирующей средой. Излучатель и приемник могут быть помещены в один корпус или разнесены на значительное расстояние друг от друга, но в любом случае связь между ними осуществляется через световой поток.

Так как фотоны являются электрически нейтральными частицами, то такой вид связи очень устойчив к воздействию различного рода электромагнитных помех. Отсутствие непосредственного контакта между излучателем и приемником позволяет использовать оптроны как элементы электрической развязки. В этой ситуации оптрон играет роль разделительного трансформатора, но, в отличие от обычного трансформатора, он может передавать из входной цепи в выходную сигналы постоянного тока.

Обычно в качестве излучателя в оптронах используются инфракрасные светодиоды, реже – лампочки накаливания. Фотоприемниками могут служить практически все виды фоточувствительных приборов, согласованные по спектральным характеристикам с излучателями.

На рис. 5.10 приведены обозначения различных типов оптронов на электрических схемах. Каждый из них характеризуется определенной совокупностью параметров, в состав которых входят: максимальные значения токов и напряжений на излучателях и фотоприемниках; сопротивление электрической изоляции оптоканала; напряжение его пробоя; емкость между приемным и передающими узлами, времена задержки или максимальная частота при передаче сигналов. Кроме того, диодные и транзисторные оптроны характеризуются дополнительным параметром, который называется статическим коэффициентом передачи тока и определяется из соотношения: , где– ток фотодиода при заданном обратном напряжении на нем или ток фототранзистора при соответствующем напряжении коллектор-эмиттер, а– ток через светодиод. Для фототиристорных оптопар вводится параметр, называемый током спрямления по входу. Это минимальный ток светодиода, переводящий фототиристор во включенное состояние при любом значении прямого напряжения.

Если диодные и транзисторные оптроны применяются для передачи аналоговых сигналов, то при расчетах таких устройств используется дополнительный параметр – дифференциальный коэффициент передачи:

. (6.5.1)

На определенных участках вольтамперных характеристик зависимость светового потока от прямого тока через светодиод и зависимость фототока от освещенности фотодиода являются практически линейными функциями. При этом , что обеспечивает возможность передачи аналоговых сигналов с малыми искажениями.

Схема одного из вариантов устройства передачи аналоговых сигналов приведена на рис. 6.5.1.

Рис. 6.5.1. Схема использования диодного оптрона для передачи аналоговых сигналов.

Источник тока используется для задания прямого постоянного тока через светодиод с целью вывода его на линейный участок излучательной характеристики. Резисторопределяет ток сигнала, который суммируется с. Вследствие этого происходит изменение тока через светодиод во времени по закону, определяемому видом сигнала, и пропорциональное ему изменение светового потока. Резисторслужит нагрузкой. На нем при изменении тока фотодиода выделяется выходной сигнал. Так как, то общий коэффициент передачи такого устройства будет равен:

. (6.5.3)

Из полученного соотношения следует, что в зависимости от значений ,икоэффициент передачи может быть как меньше, так и больше единицы. Таким образом, наряду с гальванической развязкой это устройство может осуществлять и усиление сигнала со сколь угодно низкими частотами вплоть до нулевой.

Исследования оптронов проводятся с использованием измерительного и лабораторного стендов к работе № 5 «Исследование оптоэлектронных приборов», а также осциллографа, милливольтметра переменного тока и генератора синусоидальных колебаний.

Для исследования параметров диодного оптрона собрать схему, приведенную на рис. 6.5.2. Установить ручку регулятора напряжения в крайнее левое положение (), ток через светодиод – равным нулю, предел измерения вольтметраPV1 – 15В, миллиамперметра PA1 – 0,1мА.

Рис. 6.5.2. Схема для исследования диодного оптрона.

Задавая напряжение на фотодиоде равным величинам, указанным в таблице на рис. 6.5.4, измерить значения токов через него и занести полученные результаты в первую строку указанной таблицы.

Провести аналогичные измерения при других значениях тока через светодиод (1, 5, 10, 20 и 30мА).

Для исследования характеристик транзисторного оптрона собрать схему, приведенную на рис. 6.5.3.

Рис. 6.5.3. Схема для исследования транзисторного оптрона.

Соединить базу фототранзистора с эмиттером. Устанавливая токи через светодиод и напряжения на коллекторе транзистора равными значениям, указанным в таблице на рис. 6.5.4, измерить величины токов коллектора и записать полученные результаты.

(В) (мА)	0	1	3	6	9	12	15
0
1
5
10
20
30

Рис. 6.5.4. Таблица для записи результатов исследований оптронов.

Разорвать связь базы фототранзистора с его эмиттером и провести цикл аналогичных измерений, используя для записи результатов таблицу, подобную приведенной на рис. 6.5.4.

Для исследования диодного оптрона в режиме передачи аналоговых сигналов собрать схему, представленную на рис. 6.5.5. Установить напряжение источника питания равным 15В, ток светодиода 10мА, частоту генератора синусоидальных колебаний 1кГц, его выходное напряжение 1В, предел измерения милливольтметра 0,3В, чувствительность осциллографа 0,2В/дел.

Определить величину напряжения на выходе устройства. Оценить его форму по осциллографу. Устанавливая уровни входного сигнала в соответствии с указанными в таблице значениями, провести измерения выходного напряжения и полученные результаты занести в соответствующую строку этой же таблицы:

(В)	3	2	1	0,8	0,5	0,3	0,1	0,05	0
(В)

Рис. 6.5.5. Схема для исследования диодного оптрона в режиме передачи аналоговых сигналов.

Обработка экспериментальных результатов.

Построить на одном листе миллиметровки характеристики, отражающие зависимость обратного тока фотодиода от приложенного напряжения для различных значений тока через светодиод. Масштаб по оси напряжений выбрать равным 1,5В/см, а по оси токов 0,01мА/см. Определить по графикам статический и динамический коэффициенты передачи тока диодного оптрона для напряжения на фотодиоде -10В и токов светодиода, при которых снимались характеристики. В качестве принять разность токов светодиода для соседних характеристик. Построить зависимости данных коэффициентов от тока через светодиод.

На одном листе миллиметровки построить графики зависимостей тока коллектора фототранзистора от напряжения между коллектором и эмиттером при разных значениях токов через светодиод и базе, соединенной с эмиттером. На другом листе миллиметровки построить аналогичные графики для режима работы фототранзистора с “оторванной” базой. В обоих случаях масштаб по оси напряжений – 1,5В/см, а по оси токов – 1мА/см.

Вычислить для В и различных значений токов светодиода величины статических и динамических коэффициентов передачи тока транзисторного оптрона. Построить графики зависимостей этих коэффициентов от тока фотодиода.