Основы электротехники. Учебник для высшего профессионального образования вт. Еременко, А. А. Рабочий, А. П. Фисун и др под общ ред вт. Еременко. Орел фгбоу впо Госуниверситет унпк, 2012. 529 с
 Скачать 7.28 Mb.
|
|
Семейство ВАХ тиристора и резистора при изменении тока управления Тиристор открывается, что соответствует переходу изображающей точки из положения (а) в положение (б. Напряжение на тиристоре становится малыми равным оста максимальное значение тока I ограничено сопротивлением резистора R. Чтобы выключить тиристор, нужно либо уменьшить ток в его главной цепи до значения тока удержания (I < I уд ) путем понижения напряжения до U 2 после отключения цепи управления, либо создания вцепи УЭ управляющего тока противоположной полярности. Этот процесс на рис. 11.12 характеризует линия нагрузки, проведённая параллельно первой через точку уди отсекающая от оси токов участок U 2 / R. При этом рабочая точка из положения (б) перейдет в положение (а, а при восстановлении напряжения – в положение (а. В настоящее время тиристоры используются преимущественно в силовой электронике, как мощные управляемые коммутаторы силовых электрических цепей. Применяются тиристоры не только с односторонней проводимостью с управлением по катоду либо по аноду, но и симметричные (симисторы, проводящие ток в обоих направлениях. УГО некоторых видов тиристоров показаны на рис. 11.13. Рис. 11.13. Условные графические изображения тиристоров управляемый по аноду (а, по катоду (б, симметричный (в, запираемый (г) К основным параметрам тиристора относятся допустимые значения токов и напряжений, скорости их изменения, время включения – выключения. 12. КОМПОНЕНТЫ ОПТОЭЛЕКТРОНИКИ Оптоэлектроника – раздел электроники, изучающий использование эффекта взаимодействия электромагнитных волн оптического диапазона (3·10 11 - 3· Гц, (мм - 1· 10 -3 мкм) с электронами в веществах и методы создания оптоэлектронных приборов (ОЭП) и устройств, использующих это взаимодействие для генерации, передачи, хранения, обработки и отображения информации [18]. Длина волны излучения определяется соотношением C 300· 10 мс мс Время возникновения идей оптоэлектроники (ОЭЛ) – е годы ХХ века. Как самостоятельный раздел науки и техники ОЭЛ начала формироваться в е годы (появление лазеров и излучающих диодов. С х годов возникла интегральная оптика. Большинство современных ОЭП и устройств работает в диапазоне волн (0,5 - мкм, (6 ·10 14 - 2·10 14 ) Гц. Работа этих устройств основана на использовании различных видов люминесценции (холодное свечение, продолжающееся после исчезновения облучения, электро-магнито-акусто-оптических эффектов, фотоэлектрических явлений. Достоинства и преимущества ОЭЛ [18] по сравнению с традиционной полупроводниковой электроникой обусловлены - электрической нейтральностью квантов оптического излучения – фотонов - высокой частотой световых колебаний - малой расходимостью светового луча (дои возможностью его фокусировки. Электрическая нейтральность фотонов обеспечивает невосприимчивость оптических каналов связи к воздействиям электромагнитных полейте. обеспечивает высокую помехозащищенность полную гальваническую развязку входных и выходных цепей двойную (пространственную и временную) модуляцию потока оптического излучения. Высокая частота световых колебаний обеспечивает высокую информационную емкость оптических каналов связи. Малая расходимость светового луча позволяет передать энергию оптического излучения с минимальными потерями. Основными оптоэлектронными элементами являются а) источники когерентного (связанного, при сложении усиливающегося) излучения (полупроводниковые лазеры) и некогерентного излучения (излучающие диоды (ИК, УФ, светодиоды б) оптические среды (активные, пассивные в) приемники оптического излучения (фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы, фототиристоры г) оптические элементы (линзы, призмы, зеркала, поляризаторы - волоконно-оптические элементы (жгуты, фоконы (фокус, конус- селфоки (self focusing); - интегрально-оптические элементы оптические зеркала, фильтры. Широкое применение находят в электронно-вычислительных средствах излучающие диоды, оптоэлектронные пары, оптоэлектронные переключатели, оптроны, различные классы индикаторов. 12.1. Излучающие диоды Излучающий диод – это диод, содержащий полупроводниковый р – переход, в котором при прохождении электрического тока генерируется оптическое излучение в инфракрасной (ИК, видимой или ультрафиолетовой (УФ) области спектра. Распространены инфракрасные и излучающие в видимой части спектра диоды (светодиоды. Прохождение тока через р-n-переход в прямом направлении в светодиодах сопровождается рекомбинацией инжектированных носителей заряда. В определенных материалах (GaAs, GaSb, InAs, InSb и т.д.) процесс рекомбинации сопровождается выделением кванта света – фотона, при этом возникает некогерентное свечение люминисценции. Цвет свечения зависит от материала примеси полупроводника примесь О – красный цвет, азот N – зеленый, (ZnO + N) – желтый, оранжевый. Основные характеристики светодиода – ВАХ и характеристика яркости показаны на рис. 12.1. Рис. 12.1. ВАХ и характеристика яркости светодиода Характеристика яркости имеет нелинейный начальный участок, на котором яркость мала, и линейный участок, в пределах которого яркость изменяется в десятки раз (см. рис. 12.1). Именно этот участок чаще всего используется. На этом участке яркость свечения В = В (I d – пор (12.2) где В – чувствительность по яркости I d – ток светодиода пор – пороговый ток – ток, при котором возможна линеаризация характеристики, пор ≈ (0,1 - 2,5) мА. Аналитическое выражение ВАХ: I d = т [ (ехр (т) – 1], (12.3) где т тепловой ток, т – тепловой потенциал, М. На рис. 12.2 показаны конструкция, условно-графическое отображение и эквивалентная схема светодиода. Рис. 12.2. Конструкция а УГО б и эквивалентная схема в светодиода В эквивалентной схеме обозначено R – омическое сопротивление кристалла полупроводника и контактов д – сопротивление p – n- перехода, зависящее оттока д – емкость p – перехода, зависящая оттока. Материалы для светодиодов – арсенид галлия GaAs, фосфид галлия GaP и другие. Основные параметры светодиодов 1. Сила света – световой поток, приходящийся на единицу телесного угла в заданном направлении. Единица измерения – Вт/ср (ватт/стерадиан) или мКд (миликанделла), (яркость измеряется в Кд/м 2 ). Для светодиодов сила света составляет (0,1 – 10) мКд. 2. Цвет свечения (длина волны излучения. 3. Постоянное прямое напряжение – падение напряжения приза- данном токе, равное (2 – 4) В. 4. Угол излучения – плоский угол, в пределах которого сила света составляет не менее половины ее максимального значения. 5. Характеристики яркости, ВАХ, кпд преобразования. 12.2. Фоторезисторы В фоторезисторах используется явление изменения сопротивления вещества под действием излучения. Под действием света в фоторезисторе возрастает концентрация подвижных носителей заряда за счет того, что кванты электромагнитного излучения возбуждают электроны и переводят их из валентной зоны в зону проводимости. Фотопроводимость ф характеризуется изменением электропроводности кристалла по сравнению сего затемненным состоянием ф = q(Δnµ n + Δpµ p ) , (12.4) где Δn , Δp – приращения концентраций зарядов в результате облучения подвижности отрицательных и положительных зарядов. Рис. 12.3. Конструктивное представление и УГО фоторезистора Конструктивно фоторезистор (ФР) представляет собой пленку полупроводника, сформированную на основании и имеющую отводы, укрепленные в корпусе (рис. 12.3). Свет может облучать поверхность либо параллельно, либо перпендикулярно токоотводя- щим поверхностям. Основные характеристики и параметры фоторезисторов показаны на рис. 12.4. Рис. 12.4. ВАХ аи энергетическая характеристика фоторезистора б Фоторезистор – пассивный элемент, ток в нём возникает только при подаче на него напряжения питания U, но величина тока зависит и от величины светового потока Ф, падающего на его поверхность. Ток фоторезистора общ имеет две составляющих ф – фототок, обусловленный наличием светового потока т – темновой ток (при Ф = 0), общ = т + ф Энергетическая характеристика в области малых потоков линейна, затем рост тока замедляется из-за увеличения рекомбинаций носителей заряда. Основные параметры фоторезистора 1. Важный параметр ФР – чувствительность – это отношение выходной величины к входной. Обычно используют для ФР токовую чувствительность – отношение приращения фототока к вызвавшему его приращению величины, характеризующей излучение а) токовая чувствительность к световому потоку ф диф = Δ I ф /ΔФ; б) токовая чувствительность к освещенности ЕЕ диф = Δ ф / Е. Освещенность Е измеряется в Люксах (Кд*ср/м 2 ).Чаще всего используют величину удельной интегральной чувствительности, которая характеризует интегральную чувствительность, когда к фоторезистору приложено напряжение Винт ф Ф , (12.5) Чувствительность ФР зависит от материала, из которого они изготовлены, что отражают спектральные характеристики (абсолютная (АСХ) и относительная (ОСХ)). АСХ – это зависимость чувствительности от частоты (длины волны) падающего излучения. ОСХ – это зависимость относительной чувствительности от частоты (длины волны S(λ) = абс (λ) / S абс.мах (λ), где S(λ), абс (λ), S абс.мах (λ) соответственно относительная, абсолютная, максимальная абсолютная чувствительности. Характеристики имеют чётко выраженный максимум, соответствующий определённой длине волны облучения для каждого материала рис. 12.5). Рис. 12.5. Вид спектральных характеристик фоторезистора 2. Граничная частота гр – это частота синусоидального сигнала, модулирующего световой поток, при котором чувствительность фоторезистора уменьшается враз по сравнению с чувствительностью немодулированного потока гр = (10 3 – 10 5 ) Гц. 3. Температурный коэффициент фототока т = ф / Т · 1/ ф, при Ф = Const, т (-10 -3 - 10 -4 ) град. 4. Рабочее напряжение (5 – 100) В. 5. Допустимая мощность рассеяния (0,01 – 0,1) Вт. 12.3. Фотодиоды Фотодиод (ФД) – полупроводниковый диод, обладающий свойством односторонней проводимости, возникающей при воздействии на него оптического излучения. ФД используется для преобразования оптического сигнала в электрический. Наиболее распространены р - диоды, в которых толщина высокоомной области выбирается так, чтобы обеспечить наилучшие свойства (чувствительность и быстродействие) прибора. Р-i-n-структура образуется, если области р и n разделены высокоомным слоем (рис. 12.6) с собственной) проводимостью для снижения напряженности поля в переходе. Рис. 12.6. Структура и УГО фотодиода Действие фотодиода основано на поглощении света вблизи области р – перехода, в результате чего генерируются новые носители заряда (электронно-дырочные пары. Различают два режима работы ФД: а) фотодиодный, когда имеется источник питания, создающий обратное смещение б) вентильный (фотогенераторный), когда такой источник отсутствует. В фотодиодном режиме возникающие в результате фотогенера- ции носители зарядов приводят к возрастанию обратного тока, который зависит от интенсивности падающего излучения и практически не зависит от величины обратного напряжения (рис. 12.7). Рис. 12.7. Схема включения и ВАХ ФД в фотодиодном режиме В вентильном (фотогенераторном) режиме ФД используется как фотогенератор (источник фотоэдс, фотоэлемент. Фотоэдс Е ф зависит от светового потока и свойств полупроводника Е ф ≈ т ℓn (ф / I 0 ) = т ℓn (S инт Ф / I 0 ) , (12.6) где т – тепловой потенциал ф фототок финт Финт интегральная токовая чувствительность I 0 – тепловой ток р – перехода. Основные характеристики и параметры ФД 1. Энергетические характеристики ф = Ф – зависимости фототока от светового потока (рис. 12.8). При работе в генераторном режиме ф = Ф линейна, если н = 0 (короткозамкнутый ФД) (см. рис. 12.7). С ростом н характеристики искривляются. Рис. 12.8. Энергетические характеристики фотодиода 2. Спектральные характеристики фотодиода аналогичны характеристикам фоторезистора 3. Граничная частота – частота, при которой интегральная чувствительность уменьшается враз по сравнению со статическим значением : гр ≈ 10 7 Гц = 10 МГц. (У фоторезисторов гр ≈ (1 – 100) кГц. Сейчас разработаны ФД на основе р–i–n-структур, барьеров Шоттки, лавинные ФД, предназначенные в основном для повышения быстродействия и увеличения чувствительности. 12.4. Фототранзисторы Фототранзистор (ФТ) – транзистор (обычно биполярный, в котором управление коллекторным током осуществляется на основе внутреннего фотоэффекта. ФТ служит для преобразования световых сигналов в электрические с одновременным усилением последних. Включение ФТ во внешнюю электрическую цепь подобно включению транзистора по схеме с общим эмиттером, обычно с нулевым током базы (вывод базы отключен от внешней цепи. Такой режим характерен только для ФТ и носит название режим с плавающей базой Фототранзистор (рис. 12.9) сделан так, что излучение попадает на область базы. В результате поглощения энергии в базе генерируются электронно-дырочные пары, участвующие в создании фототока. При отсутствии облучения (Ф = 0) между коллектором и эмиттером течет темновой ток, те. обратный ток р – перехода. Рис. 12.9. Выходные характеристики а УГО б и схемы включения фототранзистора при наличии в и отсутствии г базового вывода Основные характеристики и параметры фототранзистора. 1. ВАХ подобны ВАХ транзистора в схеме с ОЭ, но параметром служит не ток базы, а поток Ф см. риса. Энергетические ф = Фи спектральные S(λ) характеристики подобны характеристикам ФД; 3. Коэффициент усиления по фототоку К уф = (1 + э) 4. Ширина полосы пропускания – (10 4 – 10 5 ) Гц 5. Значение темнового тока (при Ф = 0); 6. Токовая чувствительность S инт = ф / Ф. В качестве высокочувствительных фотоприемников используются полевые фототранзисторы, имеющие более широкую полосу пропускания) Гц. Используются также фототиристоры. 12.5. Оптроны Оптроны – это полупроводниковые приборы, состоящие из излучателя света и фотоприемника, взаимодействующих друг с другом и помещенных в общем корпусе. Оптроны используют для оптической связи отдельных частей радиоэлектронных устройств. С помощью оптронов обеспечивается электрическая развязка между частями устройства (гальваническое разделение цепей. В оптронах между источником излучения и фотоприемником имеется среда, выполняющая функции световода. Эта среда должна иметь большой коэффициент преломления для согласования с большим коэффициентом преломления материалов, служащих источниками света. Среды с большим коэффициентом преломления, называемые иммерсионными, – это свинцовые и селеновые стёкла с коэффициентами преломления соответственно (1,7 – 1,9) и (2,4 – 2,6). Оптроны широко применяются в самых различных устройствах автоматики и электронной техники. Конструкции и параметры оптронов постоянно совершенствуются с целью уменьшения потребления энергии источниками излучения и расширения функциональных возможностей фотоприёмной части. Структуры диодных оптронов с разными световодами приведены на рис. 12.10. Примеры обозначений оптронов показаны на рис. 12.11. Рис. 12.10. Структура диодных оптронов со световодом из стекла(а) и вакуумным (воздушным) световодом б) Рис. 12.11. Условные изображения оптронов разных типов Сопротивление между входной и выходной цепями оптронов составляет) Ом. Диодные, транзисторные и тиристорные оптроны используют в основном в ключевых режимах. Резисторный оптрон чаще всего применяют в усилительных устройствах. Сейчас разработаны оптроны, в которых совмещаются функции простейших оптронов и электронных преобразователей (усилителей, выполняемых на одной подложке [29] (рис. 12.12). Рис. 12.12. Пример УГО оптрона с усилительным элементом на выходе Промышленностью серийно выпускаются оптоэлектронные коммутаторы сигналов, состоящие из арсенид-галлиевого излучателя, кремниевого фотодиода и интегрального усилителя, обеспечивающего выходные уровни напряжения, достаточные для управления логическими элементами ТТЛ-серий (серии К249ЛП1, К262КП1 и др. Входной ток оптоэлектронных коммутаторов не превышает 20 mA, ёмкость между входом и выходом – не более 5 пФ [29]. 13. 14. КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ИНДИКАТОРОВ И ЛАЗЕРОВ Там, где информацию требуется представить в форме, удобной для визуального восприятия часто применяются устройства, называемые индикаторами. Основные компоненты этих устройств – это приборы, обеспечивающие преобразование электрических сигналов в пространственное распределение яркости излучения или в распределение степени пропускания или поглощения светового излучения [9]. Из электрических сигналов в этих приборах получают видимое изображение букв, цифр, геометрических фигур, знаков, полос, мнемосхем и пр. Устройства отображения информации создаются на основе таких активных излучательных компонентов, как – электронно- лучевые трубки, – газонаполненные источники излучения, – электролюминесцентные и накаливаемые приборы. Широко распространены пассивные излучательные компоненты жидкокристаллические, электрохромные, электрофоретические. Цвет пассивных электрохромных компонентов зависит от интенсивности поля. В элекрофоретических приборах под действием электрического поля перемещаются заряженные пигментные частицы. Наиболее часто применяют знакосинтезирующие индикаторы (ЗСИ) и электронно-лучевые трубки (ЭЛТ), дисплеи. Дисплей – это устройство отображения информации, обеспечивающее связь человека с машиной. По виду отображаемой информации ЗСИ делятся – на единичные (точка, запятая, круг, квадрат – цифровые – буквенно-цифровые (+ специальные математические символы – шкальные (информация в виде уровней или значений величин – мнемонические (для изображений фрагментов мнемосхем – графические (графики, символы, спецзнаки). По виду элементов и способу формирования информационного поля |