Тема. Фотоелектронні прилади

План

1 Призначення фоторезисторів

2 Загальні поняття про фотодіоди

3 Призначення та використання фототранзистора

4 Призначення та використання фототиристора

5 Загальні поняття про світлодіоди

6 Будова,призначення та застосування оптронів

Фоторезистор — напівпровідниковий прилад з внутрішнім фотоефектом, електричний опір якого змінюється під впливом оптичного випромінювання. Вмикається в коло джерела ЕРС (рис. 16.41) послідовно з опором навантаження. За відсутністю освітлення має максимальний опір, що названо темновим. Струм у колі:

I_T = E_ДЖ / (R_T + R_H)

малий, відповідно мала напруга U_ВИХТ = І_T • R_H. При освітленні фоторезистора його опір зменшується до величини R_C Струм у колі І_C і значення U_ВИХС = I_C • R_H зростають. Реєстрацією струму у колі або напруги U_ВИХ можна контролювати (вимірювати) освітленість. У сукупності з джерелом оптичного випромінювання фоторезистори широко використовуються для контролю та рахунку предметів у системах передавання і опрацьовування інформації.

Фотодіод — НП з внутрішнім фотоефектом, що має один р-п перехід і два виводи (рис. 16.42). Працює у двох режимах: а) без зовнішнього джерела електричної енергії (режим фотогенератора) — рис. 16.43, а; б) із зовнішнім джерелом енергії (режим фотоперетворювача) — рис. 16.43,б.

Вольт-амперні характеристики фотодіода, що працює з різними значеннями світлового потоку Ф, наведені на рис. 16.43, в. Коли Ф = 0, вольт-амперна характеристика фотодіода повторює характеристику звичайного напівпровідникового діоду. Режиму фотогенератора відповідає ділянка характеристики у четвертому квадранті (відрізок 0 - б відповідає фото — ЕРС Е_Ф).У селенових і кремнієвих фотодіодів фото-ЕРС сягає 0,5...0,6 В, у фотодіодів з арсеніду галію - 0,87 В. У режимі фотоперетворювача (третій квадрант характеристики рис. 16.43, в) фотодіод є керованим ключем, що передає електроенергію від зовнішнього джерела Е в опір R_H. Чим більший Ф, тим більший І (величина І мало залежить від R_H і напруги, що прикладена).

Фотодіоди в режимі фотогенератора широко використовують в ролі джерел енергії - сонячних батарей для перетворення енергії сонячних променів в електричну (умовне позначення показано на рис. 16.43, в).

В ролі давачів для вимірювання світлового потоку фотодіоди у порівнянні з фоторезисторами є більш швидкодіючими, але мають меншу чутливість.

Фототранзистор— транзистор, що керований світловим потоком. Емітерна область повернена в корпусі приладу в бік скляного вікна, крізь яке світло надходить в область бази транзистора (рис. 16.44, а). При цьому р-п перехід колектор — база є фотодіодом. Еквівалентна схема фототранзистора з урахуванням цього наведена на рис. 16.44, в. Струм у колі бази змінюється в залежності від освітленості І_В = f (Ф). Вихідний струм транзистора І_K = β • І_B за рахунок його підсилювальних властивостей змінюється ще у більшому ступені, тобто фототранзистори відрізняються від фотодіодів значно більшою чутливістю.

Фототиристор— тиристор, напруга вмикання якого зменшується із збільшенням освітлюваності (рис. 16.45). Є аналогом керованого тиристора, вмикання якого можна виконати імпульсом світла. Широко використовуються в схемах автоматики в ролі керованих світлом ключових елементів — реле, а також у силовій перетворювальній техніці, де використання їх натомість звичайних тиристорів спрощує вирішення питання електричної ізоляції кіл керування від силових кіл високої напруги, що комутуються.

Світлодіод — випромінювальний напівпровідниковий прилад, у якому при наявності прямого струму І_ПР відбувається світіння зони р-п переходу (рис. 16.46). Чим більший струм, тим більше світіння. Виготовляють світлодіоди на основі арсеніду-фосфіду галію.

Світлодіоди можуть мати один, або декілька р-п переходів (матричні світлодіоди), що розташовані на одному кристалі. При відповідному вмиканні окремих р-п переходів матричного світло діода можна отримати цифру, букву або знак, що сяють. Використовують також збірки світлодіодів в одному корпусі, де цифра, або літера створюється висвітлюванням визначеної комбінації сегментів — світлодіодів при проходженні ними прямого струму (рис. 16.47). Для цього катоди діодів-сегментів (а, Ь, с, ...g) необхідно з'єднати з негативним виводом джерела через резистори, що обмежують струм. На основі світлодіодів та їхніх збірок (матриць) утворюються різні індикаторні прилади — пристрої візуального відображення інформації від простого, де сяйво є свідоцтвом про стан об'єкта (увімкнено-вимкнено), до літерно-цифрових і матричних дисплеїв у цифрових системах опрацьовування інформації.

На рис. 16.48 подано деякі приклади фотодіодів: а) представники лінійки надяскравих світлодіодів XPower серій КА-1010 та КА1011, кольори світіння — червоний або жовтий, робочий струм 350 мА при яскравості 30 Кд розміри корпусу 10x10x1,7 мм;

б) світлодіод SMD серії L-С171 для поверхневого монтажу, має розміри корпусу 2x1,25x0,8 мм і випускається на сім кольорів світіння (від помаранчевого до блакитного), при струмі 20 мА напруга живлення складає від 2,1 до 3,3 В, світіння від 6,3 до 40 мКд;

в) світлодіод серії L-180 з аксіальними виводами і малим кутом обзору у , має варіанти кольорів, у тому числі суперсвітіння до 1 і 1,3 Кд при струмі 20 мА; г) світлодіод серії L-955, має кут обзору у та розміри корпусу 3,6x2,8x1,9 мм, але світіння до 0,14 Кд.

На основі надяскравих світлодіодів створюються енергозберігаючі лампи (рис. 16.49) з терміном служби 50 тис. годин (10 років) та кольорами світіння (по вибору) білим, зеленим, червоним, жовтим, блакитним; лампи можуть відрізняться одна від одної кількістю світлодіодів (від 5 до 60), типом цоколю та напругою живлення: 220 або 12 В, їхня споживана потужність від 0,5 до 10 Вт.

Оптрони — прилади, що складаються (рис. 16.50) з випромінювача світла —1, світловода — 2 і фотоприймача — 3, що взаємодіють один з одним і розташовані в одному корпусі. У цьому випадку сигнал з одного електричного кола (випромінювача) передається в друге електричне коло

(приймача) при відсутності між ними електричного зв'язку (гальванічне розв'язування).

В залежності від типу фотоприймача розрізнюють: резисторні (рис. 16.51, а), діодні (рис. 16.51, б), транзисторні (рис. 16.51, в) і тиристорні (рис. 16.51, г) оптрони.

Найбільш універсальні діодні оптрони використовують для гальванічного розв'язування швидкодіючих цифрових пристроїв. Транзисторні і тиристорні оптрони широко використовують в якості безконтактних комутаторів силових кіл (оптичні перемикачі — реле), резисторні — в лінійних радіотехнічних колах (оптично керовані резистори).

Оптоелектронні пари з повітряним проміжком між випромінювачем і фотоприймачем застосовують для рахування інформації з перфоносіїв, а також давачів механічних параметрів: пересувань, швидкості (рис. 16.52).

Подальший розвиток цих ідей обумовив розвиток оптоелектроніки, тобто гілки електроніки, що основана на електронно-оптичному принципі отримання, передавання, та зберігання інформації, носієм якої є електрично нейтральний фотон. Поєднання в оптоелектронних приладах двох способів опрацьовування і передавання інформації — оптичного і електричного — дозволяють досягти великої швидкодії, високої щільності розміщення інформації, що зберігається, створення високоефективних засобів відображення інформації. Дуже важливою перевагою пристроїв оптоелектроніки є оптичний зв'язок, а електрично вони ізольовані між собою. Це забезпечує надійне узгодження різних оптоелектронних кіл, сприяє односпрямова-ності передавання інформації, завадостійкості каналів передавання сигналів. Приклад сучасного оптоприймача було розглянуто на рис. 10.42.

Лінії зв'язку розподіляють на: космічні (використовують проходження випромінювання у наземних шарах атмосфери) і наземні (використовують закриті світловодні канали або волокняно-оптичні лінії зв'язку (ВОЛЗ). Космічні лінії зв'язку використовують штучні супутники Землі на геостаціонарних орбітах, через які можна обмінюватися інформацією між різними точками Землі.

Волокняний світловод є гнучкою ниткою (волокно) з серцевиною з високоміцного діелектрика, що оточується оболонкою з показником переломлення, меншим, ніж у серцевині. Напрямок передавання світлової енергії забезпечується за рахунок явища повного відбиття внутрішнього світла на межі між серцевиною і оболонкою (рис. 16.53).

Оптичний запис інформації засновано на змінюванні парамет­рів оптичного середовища, що запам'ятовує (наприклад, коефіці­єнтів відбиття або пропускання) за умови впливу на нього оптич­ного випромінювання. Він забезпечує високу щільність запису інформації, а також можливість запису (читання) великих маси­вів інформації (одночасно до 109 біт).

Оптичні компакт-диски в останній час набувають найбільш широкого застосування для запису відео і аудіо, а також текстової або графічної інформації у цифровій формі. Ці оптичні диски за­стосовують в пристроях постійної зовнішньої пам'яті персональ­них ЕОМ, у навчальних системах, для створення «електронних» видань довідників, енциклопедій та ін. З розвитком і вдосконален­ням технології виробництва оптоелектронних приладів і пристро­їв поширюються області використання оптоелектроніки, зростає її роль у прискоренні науково-технічного прогресу.