Зайцев А.П. Общая электротехника и электроника. Учебное пособие: Часть II

Подождите немного. Документ загружается.

При выключении тиристора (например, естественным путем при перехо-

де напряжения источника питания через нуль в схемах управляемых выпря-

мителей) неравновесные заряды из баз постепенно рассасываются, и через

некоторое время, называемое временем выключения, тиристор закрывается.

7.5 ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ

7.5.1 Основные понятия

Оптоэлектронными называют приборы, которые преобразующют лучи-

стую энергию, изменяющую свойства вещества, из которого состоит кон-

кретный прибор. Оптоэлектронные приборы, чувствительные в видимой,

инфракрасной и ультрафиолетовой областях, относятся к оптическому

диапазону электромагнитного излучения.

Оптоэлектронные приборы подразделяются на два типа: с внешним и

внутренним фотоэффектом.

Внешний фотоэффект состоит в том, что при облучении фотокатода

светом в приборе возникает явление фотоэлектронной эмиссии. Ток фото-

эмиссии по закону Столетова пропорционален световому потоку:

(7.7)

где

I – ток фотоэмиссии, мкА; Ф – световой поток, лм; к – чувствитель-

ность фотокатода.

Основные закономерности фотоэффекта были выявлены А. Эйнштей-

ном на основе фотонной теории света, согласно которой энергия излучает-

ся и поглощается квантами (фотонами).

Сущность внутреннего фотоэффекта заключается в том, что в полупро-

воднике при воздействии световой энергии образуются подвижные носи-

тели зарядов – пары электронов и дырок. При образовании таких пар энер-

гия фотона расходуется на перемещение электрона из валентной зоны в

зону проводимости, что приводит к уменьшению сопротивления полупро-

водника.

На практике находят применение источники излучения (излучатели),

приемники излучения (фотоприемники) и оптроны, содержащие как еди-

ное целое излучатель и фотоприемник.

К источникам излучения относятся светодиоды и лазеры, а к приемни-

кам излучения – фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы и фототи-

ристоры.

Оптроны могут состоять из оптопар: светодиод – фотодиод, светодиод –

фототранзистор, светодиод – фототиристор.

К достоинствам оптоэлектронных приборов относятся большая инфор-

мационная емкость оптических каналов передачи информации, потенци-

,кФI

альная развязка источников и приемников излучения, однонаправленность

потока информации, высокая помехозащищенность оптических каналов

связи по причине невосприимчивости к электромагнитным полям.

7.5.2 Светодиод

Светодиод является излучающим прибором, устройство которого пояс-

няет рис. 7.26,

а. Условное графическое обозначение светодиода показано

на рис. 7.26,

б.

Рис. 7.26

При протекании через диод прямого тока возникает излучение фотонов

в области

p-n-перехода в результате рекомбинации электронов и дырок.

Каждый фотон обладает количеством энергии

(7.8)

где

сДж,h ⋅⋅=

−

10666

– постоянная Планка, ν – частота излучения.

7.5.3 Фоторезистор

Фоторезистор представляет собой полупроводниковый прибор, сопро-

тивление которого зависит от электромагнитного излучения в оптическом

диапазоне спектра.

материал

Прозрачный

а)

б)

излучения Поток

,hW

Схема устройства и условное графическое обозначение фоторезистора

показаны на рис. 7.27.

Рис. 7.27

В качестве полупроводникового материала могут быть сульфид свинца,

висмут, соединения сернистого кадмия и др. Световой поток направляется

на полупроводник через прозрачное окно в пластмассовом корпусе. По-

верхность полупроводника покрыта прозрачным стойким лаком. Контакт-

ные площадки (электроды) изготовляют из золота или платины для обес-

печения надежного и не подверженного коррозии контакта.

При освещении фоторезистора в результате внутреннего фотоэффекта

в нем появляются дополнительные пары электрон-дырка, уменьшающие

сопротивление полупроводникового материала.

Рис. 7.28

Разность между световым током

св

и темновым током

называют

фототоком: .III

тсвф

−= Зависимость )Ф(I

показана на рис. 7.28.

б)

а)

излучения Поток

никПолупровод

м,Ф

мкА,I

200

400

600

800

1000

020,

010,

7.5.4 Фотодиод

Фотодиодом называют полупроводниковый диод, у которого обратный

ток изменяется в зависимости от освещенности p-n-перехода. Упрощенная

структура фотодиода и его условное графическое обозначение представле-

ны на рис. 7.29. Фотодиоды состоят из двух примесных полупроводнико-

вых материалов с различными типами проводимости.

Рис. 7.29

Процессы, протекающие в фотодиоде, имеют обратный характер по от-

ношению к процессам в светодиоде. Под действием излучения, направ-

ленного в область p-n-перехода, в переходе и прилегающих к нему облас-

тях возникает генерация пар электрон-дырка. Контактная разность потен-

циалов p-n-перехода (потенциальный барьер) разделяет электроны и дыр-

ки. Неосновные носители электрических зарядов ускоряются электриче-

ским полем и выводятся из области перехода. В итоге в областях p- и n-

типа увеличивается концентрация свободных электронов и дырок соот-

ветственно. Таким образом в n-области возникает избыток электронов, а в

р-области – избыток дырок. На зажимах фотодиода возникает фото-ЭДС

порядка 1 В, равная контактной разности потенциалов. Генерация пар

электрон-дырка является причиной увеличения обратного тока диода, если

к нему приложено обратное напряжение.

Основные же носители электрических зарядов задерживаются полем в

своей области проводимости.

Вольтамперная характеристика фотодиода показана на рис. 7.30.

излучения Поток

перехода

Область

n p

б)

а)

Рис. 7.30

Фотодиоды могут применяться в режиме фотогенератора без внешнего

источника питания (рис. 7.31, а) или в режиме фотопреобразователя с

внешним источником питания (рис. 7.31, б).

Рис. 7.31

0=Ф

)

а)

б)

В режиме фотогенератора фото-ЭДС непосредственно воздействует на

сопротивление нагрузки

r . В этом режиме фотодиоды могут служить эле-

ментами солнечных батарей и фотодатчиков.

В режиме фотопреобразователя фотодиод включается последовательно

с источником ЭДС

Е . При отсутствии светового потока через фотодиод

проходит ничтожно малый темновой ток, как ЭДС

Е включена встречно

проводящему направлению диода. При наличии светового потока прово-

димость фотодиода увеличивается, и через него проходит ток, который оп-

ределятся только значением светового потока и за счет действия ЭДС зна-

чительно больше, чем ток в генераторном режиме.

Фототранзистор обладает свойством усиления фототока в зависимости

от уровня освещения области базы. Под воздействием внешнего источника

излучения в области базы образуются пары электрон-дырка. Неосновные

носители зарядов (дырки) под действием электрического поля источника

питания коллектора перемещаются через коллекторный переход и создают

проходящий через нагрузку фототок. Не прошедшие через эмиттерный

переход электроны остаются в базе, что приводит к снижению потенци-

ального барьера и способствует переходу дырок из эмиттера в базу. Кол-

лекторный фототок при этом увеличивается.

У фототранзисторов выходные характеристики аналогичны характери-

стикам биполярного транзистора, но положение характеристик зависит от

освещенности области базы. Чувствительность фототранзисторов

значительно превышает чувствительность фотодиодов.

Такой же принцип работы имеют и фототиристоры.

7.5.5 Оптрон

Оптрон – полупроводниковый прибор, содержащий в едином конст-

руктивном модуле источник и приемник излучения (рис. 7.32, а). Источник

и приемник между собой могут быть связаны оптически, электрически или

оптически и электрически одновременно.

Широкое распространение получили оптроны с такими приемниками

излучения, как фотодиод, фототранзистор, фототиристор и фоторезистор.

Выходное сопротивление резисторных оптронов под действием излу-

чения фотодиода может изменяться в 10

раз при практически линейной

характеристике )i(Fi

вхвы

= , поэтому резисторные оптроны применяют-

ся преимущественно в аналоговых электронных устройствах. Резисторные

оптроны имеют невысокое быстродействие – 0,01…1 с.

В цифровых и импульсных электронных устройствах линейность вы-

ходной характеристики оптрона не имеет особого значения, а важным по-

казателем является его быстродействие. По этой причине в таких устрой-

ствах применяются диодные и транзисторные оптроны, быстродействие

которых находится в пределах 5…50 мкс.

В сильноточной электронике для коммутации высоковольтных цепей

применяются фототиристоры.

Рис. 7.32

Обратим внимание на то, что в диодном оптроне светодиод должен

быть включен в прямом направлении, а фотодиод – в прямом направлении

в режиме генератора и в обратном направлении в режиме фотопреобразо-

вателя (рис. 7.32, б).

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Какими свойствами обладают полупроводниковые материалы?

2. Почему чистые полупроводниковые материалы не применяются для

производства полупроводниковых приборов?

3. Какие бывают разновидности полупроводниковых диодов?

4. Назовите три основные схемы включения транзистора с нулевым

сопротивлением нагрузки.

5. Чем отличается тиристор от транзистора?

6. Какие бывают типы оптоэлектронных приборов?

7. В каких случаях и для чего применяют оптоэлектронные приборы?

8. Какой физический процесс происходит в излучающем диоде?

9. Что представляет собой оптопара?

б)

а)

вых

вх

вых

кэ

бэ

Rб

вх

U−

Глава 8. ИМПУЛЬСНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

8.1 ТРАНЗИСТОРНЫЕ КЛЮЧИ

Транзисторные ключи являются важнейшими элементами схем им-

пульсной и цифровой электроники. Основной функцией транзисторных

ключей является бесконтактная коммутация ветвей электронных схем с

возможно меньшим вносимым сопротивлением ключа в открытом состоя-

нии и с возможно большим сопротивлением ключа в закрытом состоянии.

По коммутируемым ветвям может проходить как постоянный, так и пере-

менный ток.

Для правильного понимания работы импульсных и цифровых уст-

ройств необходимо знать особенности транзисторных ключей.

8.1.1 Ключи на биполярных транзисторах

Простейший ключ на биполярном транзисторе показан на рис. 8.1, а.

Рис. 8.1

а)

б)

В установившемся режиме до момента времени t

(рис.8.1, б) эмиттер-

ный переход транзистора заперт, и транзистор находится в режиме отсечки.

Для этого режима i

= - I

k 0

- обратный ток коллектора), i

≈ 0. Если

пренебречь током I

k 0

, то можно считать, что i

= i

≈ 0. В этом случае

.E- u Uu 0;uu

кэ2бэ

≈

−

≈

≈≈ ;

В интервале времени

… t

транзистор находится в открытом состоя-

нии. Чтобы напряжение

кэ

было минимальным, напряжение U

выбирают

так, чтобы транзистор находился в режиме насыщения или в режиме,

близком к насыщению.

Токи и напряжения на этом отрезке времени определяются выраже-

ниями

(8.1)

Для определения тока коллектора в режиме насыщения можно вос-

пользоваться приближенной формулой

(8.2)

Напряжение на транзисторе в режиме насыщения находится в пределах

0,08…1 В. Мерой насыщения транзистора служит коэффициент насыще-

ния

нас

, который определяет, во сколько раз реальный ток базы превосхо-

дит минимальное значение тока базы, при котором имеет место режим на-

сыщения. Минимальный ток базы

б нас мин

в режиме насыщения определя-

ется выражением

(8.3)

а коэффициент насыщения определяется как

R/E

R/U

ст

б1

иннасб

нас

≈= (8.4)

Выбирая значение коэффициента насыщения конкретного транзистор-

ного ключа, необходимо руководствоваться следующими соображениями:

• насыщение должно быть обеспечено для всех транзисторов данного

типа в рабочем диапазоне температуры;

, i

кэk

бб

бэ

≈

−

=≈

−

k н н

≈

βR

ст

k н н

б нас мин

=≈

• увеличение тока базы в режиме насыщения снижает величину паде-

ния напряжения на транзисторе между коллектором и эмиттером, что сни-

жает мощность потерь в этой цепи транзистора, но снижение мощности

практически прекращается при

нас

≈ 3;

• увеличение тока базы приводит к увеличению потерь во входной цепи;

• при увеличении тока базы сокращается время включения транзисто-

ра, но возрастает время его выключения.

Временные диаграммы, соответствующие процессу включения транзи-

стора, представлены на рис. 8.2.

Рис. 8.2

На рис.8.2 пороговое напряжение между базой и эмиттером U

бэ пор

соот-

ветствует некоторому малому значению тока базы (например, 10

< I

б нас

Через

k пор

обозначен ток коллектора, соответствующий напряжению U

бэ по

Интервал

…t

называют интервалом задержки включения, интервал

…t

– интервалом формирования фронта, а интервал t

…t

м – интерва-

лом накопления заряда. Разность

– t

называют временем включения.

Длительность интервала формирования фронта определяется током ба-

зы, током насыщения коллектора

k нас

, величиной

транзистора и време-

нем жизни неосновных носителей в базе.

На интервале задержки включения изменяются напряжения на эмит-

терном и коллекторном переходах, и поэтому изменяются объемные не-

скомпенсированные заряды в области этих переходов. Это проявляется в

U−

вх

U−

наскэ

кэ

вкл

зад

наск

порк

бэ

насбэ

порбэ