Основные характеристики и параметры фототранзисторов

Вольтамперные характеристики аналогичны выходным характеристикам биполярного транзистора, включенного по схеме с ОЭ, где параметром является не ток базы, а световой поток или фототок при I_б=const (рис. 5.15,в). Энергетические и спектральные характеристики такие же, как у фотодиода.

Основные параметры фототранзистора следующие.

1. Рабочее напряжение (10…15 В).

2. Темновой ток (до сотен мкА).

3. Рабочий ток (до десятков мА).

4. Максимально допустимая мощность рассеяния (до десятков мВт).

5. Статический коэффициент усиления по фототоку К=1+h_21э. Измеряется как отношение фототока коллектора транзистора с плавающей базой к фототоку коллекторного перехода при отключенном эмиттере и постоянном световом потоке, составляет порядка (1…6)´10².

6. Интегральная чувствительность – отношение фототока к падающему световому потоку, составляет 0,2…2 А/лм и выше в (h_21э+1) раз по сравнению с чувствительностью эквивалентного диода.

7. Граничная частота – частота, при которой интегральная чувствительность уменьшается в раз по сравнению со своим статическим значением (10⁴…10⁵ Гц). Большую граничную частоту имеют полевые фототранзисторы (10⁷…10⁸ Гц).

Недостатками фототранзисторов является меньшая граничная частота по сравнению с фотодиодами, что ограничивает их применение в волоконно-оптических системах, сравнительно высокий уровень собственных шумов и сильная зависимость темнового тока от температуры.

Фототиристоры

Фототиристор – это четырехслойная полупроводниковая структура, управляемая световым потоком подобно тому, как триодные тиристоры управляются напряжением, подаваемым на управляющий электрод. Они применяются в качестве бесконтактных ключей для коммутации световым сигналом электрических сигналов большой мощности. Принцип действия фототиристора аналогичен обычному тиристору, при этом увеличение коэффициентов передачи эмиттерных переходов и достигается за счет освещения баз тиристора – n₁– и p₂–областей (рис. 8.13).

Рис.8.13. Структурная схема фототиристора

Оптический сигнал, попадая на базовые области, вызывает генерацию неравновесных носителей, которые диффундируют к обратно-смещенному коллекторному переходу П2 (рис. 5.17). Неосновные носители (дырки) n₁–области экстрагируют через коллекторный переход в p₂–область, а неосновные носители p₂–области (электроны) перебрасываются в n₁–область. За счет этого происходит перераспределение внешнего напряжения U_вн, приложенного к тиристору; напряжение на коллекторном переходе П2 несколько уменьшается, а напряжения на эмиттерных переходах П1 и П3 несколько увеличиваются, что повышает инжекцию носителей из эмиттеров в базы. Эмиттерные токи возрастают, что приводит к увеличению коэффициентов и . В связи с этим процесс включения фототиристора происходит так же, как и при подаче напряжения на управляющий электрод тиристора.

Чем больше световой поток, действующий на тиристор, тем при меньшем напряжении включается фототиристор. Вольтамперная характеристика фототиристора представлена на рис. 5.18.

Рис.8.18. Вольт амперная характеристика фототиристора

Фототиристор остается во включенном состоянии после окончания импульса светового потока. Для выключения фототиристора необходимо уменьшить напряжение или ток до значений, меньших напряжения или тока удержания. Сопротивление фототиристора во включенном состоянии единицы и доли Ом, а в выключенном – сотни кОм. Время переключения лежит в пределах 10^-5…10^-6 с.

Если у фототиристора имеется вывод от одной из базовых областей, то подавая на управляющий электрод напряжение, смещающее соответствующий эмиттерный переход в прямом направлении, можно понижать напряжение включения. Само включение фототиристора по-прежнему будет осуществляться действием светового потока. Достоинствами фототиристоров является: малое потребление мощности во включенном состоянии, малое время включения, отсутствие искрения, малые габариты.

Основными параметрами фототиристоров являются: напряжение включения U_вкл; ток включения I_вкл, соответствующий напряжению включения; напряжение выключения U_выкл и ток выключения I_выкл, при которых фототиристор переходит из открытого состояния в закрытое; темновой ток I_Т; пусковой поток Ф_пуск; минимальный управляющий (пороговый) световой поток; интегральная чувствительность; время выключения t_выкл; номинальный ток открытого фототиристора I_ном; максимально допустимое обратное анодное напряжение U_{обр макс}.

Оптопары

Оптопарой называют оптоэлектронный полупроводниковый прибор, содержащий источник и приемник оптического излучения, которые оптически и конструктивно связаны между собой, и предназначенный для выполнения различных функциональных преобразований электрических и оптических сигналов.

Источниками излучения могут быть лампы накаливания, газоразрядные лампы, полупроводниковые излучатели, светодиоды. В интегральных оптоэлектронных схемах источником оптического излучения является инжекционный светодиод, обеспечивающий высокое быстродействие оптопар. Фотоприемниками могут быть: фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы, фототиристоры. Сочетание в одном конструктивном элементе светодиода с одним из этих фотоприемников позволило создать ряд оптопар с различными характеристиками: резисторных, диодных, транзисторных, тиристорных (рис. 5.19). Связывающим звеном между источником излучения и фотоприемником служит пассивная или активная оптическая среда, выполняющая функции световода.

Рис.8.18. Виды оптопар: резисторная (а), диодная (б), транзисторная (в), тиристорная(г),

Принцип действия оптопары основан на двойном преобразовании энергии. В источниках излучения энергия электрического сигнала преобразуется в оптическое излучение, а в фотоприемниках оптический сигнал преобразуется в электрический сигнал (ток или напряжение). Оптопара представляет собой прибор с электрическими входными и выходными сигналами.

Световод обеспечивает гальваническую развязку входной и выходной цепей (сопротивление изоляции может достигать 10¹²…10¹⁴ Ом, а емкость связи 10^-2 пФ) и однонаправленность передачи сигналов от источника излучения к фотоприёмнику, что характерно для оптических линий связи.

Достоинствами оптопар является:

1. отсутствие электрической связи между входом и выходом, а также обратной связи между фотоприёмником и источником излучения.

2. широкая полоса пропускания электрических колебаний, что позволяет передавать сигналы в диапазоне частот от 0 до 10¹⁴Гц.

3. высокая помехозащищённость оптического канала, что обусловлено невосприимчивостью фотонов к воздействию внешних электромагнитных полей.

4. простота совмещения оптопар с микросхемами в различных устройствах телекоммуникации.

Оптопары используются в качестве:

а) элемента электрической развязки в цифровых и импульсных устройств, а так же аналоговых устройств.

б) бесконтактного управления высоковольтными источниками питания в различных системах автоматики.

в) ключа для формирования и коммутации мощных импульсов, а так же для связи датчиков с измерительными устройствами и блоками.

Резисторные оптопары наиболее универсальны. Они могут использоваться в аналоговых и ключевых устройствах, имеют широкий диапазон изменения сопротивления (десятки–сотни МОм в неосвещенном и сотни Ом в освещенном состояниях), низкий частотный диапазон. В резисторной оптопаре в качестве излучателя применяются светодиоды, работающие в широком оптическом диапазоне. Для получения энергетических параметров необходимо согласовать излучатель и приемник по спектральным характеристикам.

Резисторные оптопары описываются следующими параметрами входной и выходной цепей:

1. Максимальный входной ток I_{вх. макс} - это максимальное значение среднего входного или постоянного тока.

2. Входное напряжение U_вх - это прикладываемое ко входным зажимам излучателя постоянное или эффективное напряжение при рабочем входном токе.

3. Выходной коммутирующий ток I_{вых. ком} - это номинальный выходной ток управляемый нагрузкой.

4. Максимальный выходной ток - это значение тока при котором резисторный оптрон работает длительное время.

5. Максимальное выходное коммутируемое напряжение - это максимальное значение напряжения на выходе оптопары.

6. Максимальная мощность рассеяния на выходе оптопары при которой обеспечивается длительная работоспособность устройства.

7. Выходное темновое и выходное световое сопротивления.

8. Проходная емкость С_пр - между входом и выходом оптопары.

9. Сопротивление изоляции R_из - это сопротивление между входом и выходом оптопары.

10. Максимальное напряжение изоляции - это максимальное напряжение при котором сохраняется прочность и надежность изделия, прикладываемого между входом и выходом оптотары.

Примерами резисторных оптопар могут быть: ОЭП-16, ОЭП-1, ОЭП-2, ОЭП-9.

Диодные оптопары используются в качестве ключа и могут коммутировать ток с частотой 10⁶…10⁷ Гц. Темновое сопротивление достигает 10⁸…10¹⁰Ом, а при освещении снижается до сотен Ом. Сопротивление между входной и выходной цепями 10¹³…10¹⁵ Ом. В качестве излучателя в диодных оптопарах используется светодиод, работающий в инфракрасной области излучения, и в качестве фотоприемника - кремневый фотодиод. Светодиод имеет максимум спектральной характеристики на длине волны около 1мкм.

Диодные оптопары описываются следующими параметрами входной и выходной цепями:

1. U_вх - входное напряжение определяется при заданном входном токе, протекающем через светодиод;

2. I_{вх. макс} - это максимальное значение постоянного тока или импульсного тока, при котором обеспечивается долговременная надежная работа оптопары;

3. U_{вх. обр. макс} - это максимальное входное обратное напряжение прикладываемое ко входу оптопары, при котором обеспечивается долговременная надежная работа оптопары;

4. I_т - выходной (тепловой) ток фотодиода при отсутствии входного (фотопотока);

5. I_{вых. обр} - выходной обратный ток при заданном напряжении на выходе и отсутствие входного тока.

6. U_{вых. макс. обр} - максимальное обратное напряжение выходной цепи, при котором фотодиод работает надежно и долговременно;

7. t_нр - время нарастания выходного сигнала, при котором амплитуда выходного напряжения изменяется от 0,1 до 0,5 U_{вых. макс};

8. t_сп - время спада выходного сигнала. За этот промежуток времени выходное напряжение уменьшается от 0,9 до 0,5 своего максимального значения.

Примерами диодных оптопар являются АОД101А...АОД101Д, АОД107, ЗОД107А и др.

Транзисторные оптопары имеют большую чувствительность, чем диодные. Быстродействие не превышает 10⁵ Гц. В транзисторной оптопаре используется светодиод с длиной волны излучения около 1 мк м, а в качестве фотоприемника - кремниевый фототранзистор n-p-n-типа.

Если отсутствует оптическое излучение, то в цепи коллектора фототранзистора всегда протекает небольшой обратный ток (темновой ток), величина которого сильно зависит от температуры. Для снижения величины темнового тока включается внешний резистор между выводами базы и эмиттера величиной порядка 0,1...1,0 М Ом.

Транзисторная оптопара описывается параметрами входной и выходной цепей. Учитывая что в диодных и транзисторных оптопарах используются практически одинаковые светодиоды, то входные параметры транзисторных оптопар такие же как и у диодных оптопар.

Транзисторный оптрон описывается следующими параметрами выходной цепи:

1. U_ост - остаточное выходное напряжение на выходе оптопары, когда фототранзистор открыт;

2. I_ут.вых - ток протекающий в выходной цепи при закрытом фототранзисторе (ток утечки);

3. P_{ср. макс} - средняя максимальная мощность рассеяния при которой оптопара сохраняет долговременную надежную работу;

4. I_{вых. макс} - максимальный выходной ток фототранзистора при надежной его работе;

5. t_нр - время нарастания выходного сигнала, при котором выходное напряжение изменяется от 0,9 до 0,1 своего максимального значения.

6. t_сп - время спада выходного напряжения, при котором выходное напряжение увеличивается от 0,1 до 0,9 максимального значения.

7. t_вкл - время включения - это время с момента подачи входного сигнала до момента, когда входной сигнал достигает 0,1 U_{вх. макс.} или это время стада - t_сп выходного напряжения до уровня 0,1 U_{вых. макс.}

8. t_выкл - время выключения - это время за которое входной сигнал уменьшается до 0,9 U_{вх.макс.} или это t_нр - время нарастания выходного напряжения до 0,9 U_{вых.макс}.

9. Максимальное напряжение изоляции U_из - напряжение, которое может быть приложено между входом и выходом и при котором сохраняется электрическая прочность оптопары.

Примерами транзисторных оптопар являются: АОТ123А, ЗОТ123Б, АОТ110(А,Б,В), ЗОТ123А, АОТ123Т и др.

Тиристорные оптопары применяются в ключевых режимах, для формирования и коммутации мощных импульсов. Излучателем в тиристорной оптопаре служит светодиод, а приемником - кремневый фототиристор. Фототиристор сохраняет включенное состояние даже при прекращении излучения светодиода. Всвязи с этим управляющий световой сигнал от светодиода может подаваться только на время необходимое для отпирания тиристора. Все это позволяет снизить энергию, необходимую для управления фототиристорной оптопарой. Для запирания фототиристора необходимо снять внешнее напряжение. Все это отличает тиристорную оптопару от транзисторной. Тиристорная оптопара описывается следующими параметрами:

1. Ток включения I_вкл (входной ток срабатывания I_{вх, сраб}) - постоянный прямой ток оптопары, который переводит оптопару в открытое состояние при заданном режиме на входе;

2. Импульсный ток включения I_{вкл. им} - амплитуда входного импульса тока заданной длительности, которая включает оптопары в открытое состояние;

3. U_вх - входное напряжение на входе светодиода при заданном входном токе включения;

4. I_вх - входной постоянный ток светодиода;

5. I_{вх. им} - входной импульсный ток оптопары;

6. I_{вых. закр} - выходной ток в закрытом состоянии, который протекает в выходной цепи при закрытом состоянии фототиристора и заданном режиме;

7. I_{вых. обр} - выходной обратный ток протекающий при закрытом состоянии фототиристора;

8. U_ост - выходное напряжение на открытом фототиристоре;

9. I_{вых. уд} - ток удержания - наименьший ток фототиристора в открытом состоянии;

10. U_{вых.мин} - минимальное постоянное выходное напряжение на фототиристоре при котором обеспечивается включение оптопары при заданном сигнале на входе;

11. U_{вых.обр} - максимальное выходное напряжение при котором обеспечивается заданная надежность;

12. t_вкл - время включения - это интервал времени между входным импульсом тока на уровне 0,5 и выходным током на уровне 0,9 максимального значения;

13. t_выкл - время выключения - это промежуток времени от момента окончания выходного тока до момента начала следующего выходного тока, под действием которого фототиристор не переключается в открытое состояние.

14. C_вых - выходная емкость на выходе тиристорной оптопары в закрытом состоянии.

Примеры тиристорных оптопар: АОУ103А, ЗОУ103А, АОУ103В, ЗОУ103Б.