ЛБ / ЛБ5 электроника
.pdfМИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральноегосударственноеавтономноеобразовательноеучреждениевысшего образования
«НАЦИОНАЛЬНЫЙИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙУНИВЕРСИТЕТ»
Инженерная Школа Энергетики 13.03.02 Электроэнергетика и электротехникаЭлектрические станции
«Определение основных характеристик оптопар»
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5
|
|
по дисциплине: |
|
|
|
|
Электроника 1.1 |
|
|
Исполнитель: |
|
|
|
|
|
|
Кулешов К.Д. |
|
|
Студенты |
|
Плотникова |
|
|
группы |
5А21 |
29.05.2024 |
||
М.Е. |
||||
|
|
|
||
Руководитель: |
|
Паюк Л.А. |
|
|
преподаватель |
|
|
|
Томск-2024
«Определение основных характеристик оптопар»
Цель работы:
изучение основных свойств оптопар и определение их характеристик.
Оборудование:
источник переменного напряжения, амперметр, вольтметр, омметр,
соединительные провода, резисторная оптопара ОЭП13, диодная оптопара ЗОД101Б, симисторная оптопара МОС3010, лампочка и набор сопротивлений
(22 кОм и 100 Ом).
Исследуемые схемы:
Рисунок 1 - Принципиальная схема резисторной оптопары
Рисунок 2 - Принципиальная схема диодной оптопары в фотогенераторном режиме
Рисунок 3 - Принципиальная схема диодной оптопары в фотодиодном режиме.
2
Рисунок 4 - Принципиальная схема транзисторной оптопары
Рисунок 5 - Принципиальная схема симисторной оптопары
Эксперементы:
Опыт 1: «Регистрация характеристики RВЫХ = f(IВХ) резисторной оптопары ОЭП13»
В данном опыте, изменяя входной ток регулятором напряжения, мы проследили за изменением сопротивления фоторезистора. Полученные данные занесены в таблицу 1.
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица. 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Rвых, |
108 |
|
107 |
106 |
105 |
104 |
103 |
|
102 |
Ом |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Iвх, мА |
6,4 |
|
6,5 |
6,6 |
10,7 |
10,9 |
10,93 |
|
- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Введём |
вдоль |
оси RВЫХ логарифмический масштаб и |
построим |
||||||
зависимость IВХ = f(RВЫХ): |
|
|
|
|
|
|
3
Iвх, мА |
10 |
Rвых, Ом |
1 |
Рисунок 6 - График зависимости входного тока резисторной оптопары от выходного |
сопротивления |
Вывод: С ростом выходного сопротивления входной ток нелинейно убывает. |
Опыт 2: «Регистрация характеристик диодной оптопары ЗОД101Б в фотогенераторном режиме» В таблице 2 представлена зависимость выходного напряжения диодной
оптопары от входного тока в фотогенераторном режиме.
Таблица. 2
Iвх,мА |
0 |
0,5 |
1 |
2 |
4 |
6 |
8 |
10 |
12 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Uвых,В |
0,2 |
0,34 |
0,38 |
0,41 |
0,44 |
0,46 |
0,47 |
0,48 |
0,49 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0.6 |
Uвых, В |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0.5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
0.4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
0.3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
0.2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
0.1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
Iвх, мА |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
0.5 |
1 |
2 |
4 |
6 |
8 |
10 |
12 |
Рисунок 7 - Зависимость выходного напряжения от входного тока диодной оптопары в фотогенераторном режиме
4
Вывод: вольтамперная характеристика диодной оптопары в фотогенераторном режиме по форме схожа с ВАХ p-n-перехода.
Опыт 3: «Регистрация характеристики диодной оптопары ЗОД101Б в фотодиодном режиме»
В таблице 3 представлена зависимость выходного тока от входного диодной оптопары в фотодиодном режиме.
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица. 3 |
Iвх,мА |
0 |
2 |
4 |
|
6 |
8 |
10 |
12 |
Iвых,мА |
0,0015 |
0,069 |
0,134 |
|
0,199 |
0,26 |
0,32 |
0,374 |
|
Iвых, мА |
|
|
|
|
|
|
|
|
0.4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
0.35 |
|
|
|
|
|
|
|
|
0.3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
0.25 |
|
|
|
|
|
|
|
|
0.2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
0.15 |
|
|
|
|
|
|
|
|
0.1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
0.05 |
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
Iвх, мА |
|
|
0 |
2 |
4 |
6 |
8 |
10 |
12 |
|
Рисунок 8 - График зависимости выходного тока от входного диодной оптопары в |
||||||||
|
|
|
фотодиодном режиме |
|
|
|
Вывод: Зависимость входного тока от выходного в фотодиодном режиме линейная.
Опыт 4: «Регистрация характеристики транзисторной оптопары АОТ110А»
В таблице 4 представлены данные зависимости выходного тока от входного транзисторной оптопары.
Таблица. 4
Iвх,мА |
0,3 |
0,35 |
0,4 |
0,45 |
0,5 |
0,55 |
0,6 |
0,65 |
0,7 |
0,75 |
0,8 |
Iвых,мкА |
129,6 |
157,9 |
185,7 |
220 |
225 |
293 |
329 |
374 |
407 |
455 |
505 |
|
|
|
|
|
5 |
|
|
|
|
|
|
Iвых, мкА |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
600 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
500 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
400 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
300 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
200 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
100 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Iвх, мА |
0.3 |
0.35 |
0.4 |
0.45 |
0.5 |
0.55 |
0.6 |
0.65 |
0.7 |
0.75 |
0.8 |
Рисунок 9 - График зависимости выходного тока от входного тока транзисторной |
||||||||||
|
|
|
|
|
оптопары |
|
|
|
|
|
Вывод: Характеристика фототранзистора идентична характеристике |
||||||||||
биполярного транзистора, но из-за погрешности в опыте, график неявный. |
Опыт 5: «Регистрация характеристики симисторной оптопары МОС3010»
В таблице 5 приведены данные открывающего тока управления и остаточного напряжения тиристорной оптопары при прямой и обратной полярности питания.
|
|
Таблица. 5 |
|
|
|
Питание нагрузки U, В |
Остаточное |
Остаточный ток |
|
напряжение Uост, В |
управления, Iоткр.у., мА |
+15 |
1,4 |
2,5 |
-15 |
-1,39 |
2,41 |
Вывод: Iоткр.у= 2,5- ток, зафиксированный в момент включения лампы, после достижения этого значения, остаточное напряжение не изменяется, симистор перешел в открытое состояние и при уменьшении тока управления не выключится. Далее при обратной полярности можно наблюдать те же значения тока управления и остаточного напряжения, разница в этих измерениях возникает из-за погрешности лабораторного оборудования.
6
Общий вывод: в данной лабораторной работе с помощью экспериментов были установлены основные свойства оптопар и определены и построены их характеристики. Говоря о резисторной оптопаре, по ее характеристики видно из закона Ома, что с увеличением выходного сопротивления входной ток уменьшается. Вольтамперная характеристика диодной оптопары в фотогенераторном режиме сильно похожа на вольтамперную характеристику обычного p-n-перехода. В фотодиодном же режиме мы наблюдаем линейную зависимость выходного тока от входного, которая очень похожа на характеристику фототранзистора. Характеристика же фототранзистора идентична характеристике биполярного транзистора. Но если говорить о разнице между фототранзисторами и фотодиодами, то первые имеют большую интегральную чувствительность благодаря усилению фототока. Симисторная оптопара при прямой и обратной полярности имеет одинаковые значения тока управления и остаточного напряжения.
Ответы на контрольные вопросы
1. Какие типы оптопар вы знаете, и чем они отличаются друг от друга?
Резисторные оптопары. Они имеют в качестве излучателя сверхмощную лампочку накаливания или светодиод. Приемником излучения является фоторезистор, который может работать как на постоянном, так и на переменном токе.
Применяются: для коммутации, для автоматического регулирования усиления, для связи между каскадами, для управления бесконтактными делителями напряжения и т. д.
Диодные оптопары. Они содержат обычно кремниевый фотодиод и арсенидгаллиевый светодиод
Транзисторные оптопары имеют в качестве излучателя Ga As-светодиод, а в качестве приемника излучения – биполярный кремниевый фототранзистор
Тиристорные оптопары имеют в качестве фотоприемника кремниевый фототиристор и применяются исключительно в ключевых режимах
Отличие всех оптопар от друг друга в характеристиках, строении и особенностях применения.
2.Как работает опторезистор, какова его основная регулировочная характеристика?
Выходная цепь питается от источника (=) или (~) напряжения Еи, имеет нагрузку Rн. Напряжение управления Uупр, подаваемое на светодиод, управляет током в нагрузке.
7
3. Как влияет температура на характеристики оптопар?
Параметры оптопар зависят от температуры. Повышение температуры фоторезистора приводит к увеличению его светового сопротивления и снижению фототока. При повышении температуры темновой ток увеличивается, темновое сопротивление уменьшается.
4. Как работает диодная оптопара в фотогенераторном режиме?
Фотодиод может включаться без внешнего источника питания - это т.н. преобразовательный (фотогенераторный) режим. Под действием света в р-n переходе происходит генерация пар носителей заряда (электронов и дырок). Накопление основных носителей в областях р и n приводит к возникновению фото-ЭДС. При увеличении облучения генерация пар носителей растет и увеличивается величина фото-ЭДС, до тех пор, пока она не уравновесит внутреннее диффузионное поле р-n перехода.
5. Почему диодную оптопару часто используют в фотодиодном режиме?
Фотодиодный режим обеспечивает ряд преимуществ по сравнению с фотогальваническим: повышенные быстродействие и чувствительность
фотодиода к длинноволновой части оптического спектра, а также более широкий динамический диапазон с линейной характеристикой.
6.Нарисуйте структуру p-n переходов фототранзистора и объясните его работу.
Если подать напряжение между базой и коллектором, сместив коллекторный переход в обратном направлении и оставив эмиттерный вывод неподключенным к схеме, то такое включение биполярного фототранзистора ничем не будет отличаться от схемы включения фотодиода. При поглощении квантов света в базовой и коллекторной областях образуются неравновесные пары
8
носителей заряда (электроны и дырки). Неосновные носители (дырки в n-базе и электроны в p-коллекторе для транзистора р-п-р-типа) диффундируют к коллекторному переходу, втягиваются существующим там электрическим полем в коллекторный переход и проходят через него, создавая тем самым фототок.
7.Чем отличается фотосимистор от фототранзистора по структуре и по характеристикам?
Транзисторные оптопары имеют в качестве излучателя Ga As-светодиод, а в качестве приемника излучения – биполярный кремниевый фототранзистор. Основные параметры аналогичны параметрам резисторных оптопар. Дополнительно указываются мах токи, напряжения и мощность, относящиеся к входной цепи, темновой ток фототранзистора, время включения и время выключения. Оптопары этого типа работают обычно в ключевом режиме и применяются в коммутаторных схемах, в устройствах связи различных датчиков с измерительными блоками, в качестве реле. Тиристорные оптопары имеют в качестве фотоприемника кремниевый фототиристор и применяются исключительно в ключевых режимах. Фотосимисторы используются при управлении более мощными тиристорами или симисторами, обеспечивая гальваническую развязку цепей управления. Применяются в качестве ключей переменного тока с изолированным управлением.
8. Каковы условия открытия фотосимистора?
Для понимания принципа работы тиристора нужно обратить внимание на эквивалентную схему. Она может быть составлена из двух полупроводниковых триодов (транзисторов). Вот на ней и удобно рассмотреть процесс отпирания тиристоров. Задается некоторый ток, который протекает через электрод управления тиристора. При этом ток имеет смещение прямой направленности. Этот ток считается базовым для транзистора со структурой п-р-п. Поэтому в коллекторе ток у него будет больше в несколько раз (необходимо значение тока управления умножить на коэффициент усиления транзистора). Далее можно видеть, что это значение тока базовое для второго транзистора со структурой проводимости р-п-р, и он отпирается. При этом коллекторный ток второго транзистора будет равен произведению коэффициентов усиления обоих транзисторов и первоначально заданного тока управления. Симисторы (принцип работы и управление ими рассмотрены в статье) обладают аналогичными свойствами. Далее этот ток необходимо суммировать с ранее заданным током цепи управления. И получится именно то значение, которое необходимо, чтобы поддерживать первый транзистор в отпертом состоянии. В том случае, когда ток управления очень большой, два транзистора одновременно насыщаются. Внутренняя ОС продолжает сохранять свою проводимость даже тогда, когда
9
исчезает первоначальный ток на управляющем электроде. Одновременно с этим на аноде тиристора обнаруживается довольно высокое значение тока.4
9.Какие условия должны быть выполнены, чтобы фотосимистор закрылся?
Переход в запертое состояние тиристора возможен в том случае, если к электроду управления открытого элемента не прикладывается сигнал. При этом ток спадает до определенной величины, которая называется гипостатическим током (или током удержания). Тиристор отключится и в том случае, если произойдет размыкание в цепи нагрузки. Либо когда напряжение, которое прикладывается к цепи (внешней), меняет свою полярность. Это происходит под конец каждого полупериода в случае, когда питается схема от источника переменного тока. Когда тиристор работает в цепи постоянного тока, запирание можно осуществить при помощи простого выключателя или кнопки механического типа. Он соединяется с нагрузкой последовательно и применяется для обесточивания цепи. Аналогичен и принцип работы регулятора мощности на симисторе, правда, имеются в схеме некоторые особенности.
10.Что такое чувствительность оптопары и как её найти экспериментально?
Интегральная чувствительность — отношение изменения напряжения на единицу мощности падающего излучения (при номинальном значении)
10