Светоизлучающие и фотоприемные приборы. Оптроны – Цифровая техника

July 21, 2015 by admin Комментировать »

Большинство информации об окружающем мире здоровый человек, и радиолюбители в том числе, воспринимает с помощью органа зрения. Причем глаза — приоритетный орган чувств: в первую очередь мозг анализирует информацию от глаз и только потом от всех остальных органов чувств. Поэтому светоизлучающие устройства, на свет от которых реагируют только глаза, получили наиболее широкое распространение в индикаторах состояния аппаратуры. Кроме того, они являются и самыми простыми индикаторами как по устройству, так и по применению.

В современной аппаратуре в основном используется только два вида светоизлучающих приборов — лампы накаливания (их иногда называют просто лампочками — не совсем правильно, но серьезной ошибки здесь нет) и светодиоды. Кроме них, существуют еще разнообразные газонаполненные и люминесцентные лампы, жидкокристаллические панели и многое другое. Но они находят весьма ограниченное применение из-за дороговизны и (или) сложности управления ими.

Как устроена лампа накаливания, наверное, знает каждый из вас. В герметичный стеклянный баллон заключена спираль из тонкой проволоки тугоплавкого металла, которая обладает некоторым сопротивлением. При подаче некоторого напряжения к концам этой спирали она начинает разогреваться. Как известно из физики, всякое нагретое тело, температура которого выше абсолютного нуля (т. е. выше 273°С), испускает световые волны. При температуре спирали ниже 700°С она излучает преимущественно в инфракрасной области. Это излучение человеческий глаз «не видит», поэтому нам кажется, что лампочка не светится (т. е. не излучает свет — это по-научному), хотя и потребляет от источника питания некоторый ток. При увеличении напряжения на выводах лампочки ее свечение сдвигается в красную (уже видимую) область диапазона электромагнитных волн (свет — это одновременно и частица (фотон), и волна; подробнее двойственная природа света изучается в высших учебных заведениях), а при дальнейшем увеличении напряжения растягивается вплоть до фиолетовой области, «захватывая» при этом и ультрафиолетовый (невидимый) диапазон. Смесь всех цветов дает белый свет, поэтому при увеличении напряжения на лампочке ее цвет свечения из красного через желтый «превращается» в белый, и чем больше протекающий через спираль лампочки ток, тем «белее» она светится. Но увеличивать ток до бесконечности нельзя — спираль может разогреться вплоть до температуры плавления и расплавиться, — лампочка перегорит.

Так как все лампочки светят не только в видимом диапазоне, но и «захватывают» невидимую инфракрасную и ультрафиолетовую области, их коэффициент полезного действия невелик и не превышает 7…10%. Ультрафиолетовое излучение у ламп накаливания довольно слабое, и оно практически никак себя не проявляет. Инфракрасное излучение гораздо сильнее, именно из-за него лампочки и греются. Вообще любое тепло, исходящее от нагретого предмета — от печи, радиатора, лампочки, — это не что иное, как инфракрасное излучение; в отличие от нагретого воздуха, это излучение распространяется во всё стороны, а не только вверх. Чем чернее поверхность нагретого тела, тем активнее оно излучает тепло; белые или зеркальные поверхности тел тепло практически не излучают. Поэтому радиаторы — теплоотводы — обычно красят в темные цвета, а чайники и кастрюли, задачей которых Является сохранение тепла, — в светлые тона. Поэтому «серебрить» радиаторы ни в коем случае нельзя — в таком случае теплоотдача его резко снизится и от этого пострадает как ваше устройство, так. возможно, и вы лично.

Светодиод, в отличие от лампочки, полупроводниковый прибор. Любой р -п-переход, находящийся в прямом смешении, излучает свет. Только обычные полупроводники излучают свет в длинноволновом (инфракрасном) диапазоне, поэтому такое «свечение» вызывает только нагрев кристалла. Диапазон излучаемых полупроводником волн очень узок, он зависит только от толщины р-п-перехода.

Светодиоды «устроены» так, что они светят преимущественно в видимой области, хотя существуют и «инфракрасные светодиоды». Так как толщина их р-п-перехода невелика, то цвет свечения у них не зависит от протекающего тока, температуры и давления. Наиболее распространены красные световоды, желтые и зеленые светодиоды применяются несколько реже, а синие и белые далеко не всем по карману из-за своей дороговизны. Кроме того, существуют обычные, яркие и лазерные светодиоды. Обычные светодиоды не обладают направленностью свечения, и угол обзора у них достигает 120°. В яркие светодиоды встроена линза, поэтому угол обзора у них не превышает 30…45°, т. е. они светят «пятном», и яркость свечения в центре пятна довольно значительна — в десятки раз больше, чем у обычных светодиодов при той же потребляемой мощности. Лазерные светодиоды — это уже не светодиоды, а миниатюрные полупроводниковые лазеры, самый дешевый такой светодиод стоит около десятка долларов (в 100 раз дороже обычных и ярких светодиодов). Лазерный светодиод испускает свет в виде очень тонкого пучка — угол рассеивания (угол обзора) не превышает 1…2°. Из-за своей дороговизны лазерные светодиоды используются очень редко. В отличие от остальных видов светодиодов, лазерные бывают только красного и очень редко желтого цветов.

Так как светодиоды светят (именно светят, а не горят — как лампочки) в узком диапазоне волн и испускание ими невидимых волн в нормальном режиме при исправном кристалле полностью исключено, то их теоретический КПД близок к 100%. Но на самом деле не все то излучение, в которое «трансформировался» ток источника питания, «выходит» наружу (часть его отражается пластмассовым корпусом светодиода, а часть поглощается кристаллом), поэтому реальный КПД светодиодов — около 70% (в 10 раз больше, чем у лампочки). Именно по причине столь высокого КПД, а также из-за дешевизны, однотонности цвета свечения, высокой надежности (они не горят, а светятся, следовательно, они не греются. То есть перегорания — единственной неисправности, которая бывает у светоизлучающих приборов, — можно не бояться; но это только в том случае, если не нарушаются допустимые нормативы), малогабаритности и «разноцветности» светодиоды на сегодняшний день практически полностью вытеснили лампочки из разнообразных индикаторов. Лампочки «вышли» только там, где нужно получить очень большой уровень освещенности. Такие лампочки называют осветительными.

Так как светодиоды обладают р-п-переходом, то они светятся только при определенной полярности приложенного к их переходам напряжения. Светодиоды светятся только тогда, когда они прямо смещены; при обратном смещении ток через р-п-переход не течет и света нет. В схемах светодиоды обычно включаются через токоограничивающий резистор (рис. 1.29), один из выводов светодиода чаще всего соединяют с общим проводом, но иногда его соединяют и с «плюси-

вой» шиной питания. Падение напряжения на светящемся светодиоде равно 1,7…2,5 В (его можно использовать в качестве низковольтного стабилитрона); резистор R1 должен иметь такое сопротивление, чтобы через светодиод тек ток, равный 10… 15 мА для красных и синих светодиодов с диаметром корпуса 5 мм, или 15…25 мА для белых, желтых и зеленых светодиодов с таким же диаметром. Для светодиодов с диаметром корпуса 10 мм эти цифры нужно удвоить.

Рис. 1.29. Схема включения светодиода

При подаче обратного напряжения светодиод не светится. Если амплитуда обратного напряжения превышает несколько десятков вольт, то может произойти пробой р-п-перехода, из-за чего светодиод выходит из строя (резко снижается яркость свечения при номинальном токе, или светодиод не светится совсем). Поэтому при питании светодиода от источника переменного тока большой амплитуды нужно позаботиться о защите перехода светодиода. Основные схемы защиты приведены на рис. 1.30, резистор R1 на всех рисунках — токоограничивающий, его сопротивление соответствует напряжению 220 В; сопротивление на рис. 1.30, б, в желательно уменьшить до 47 кОм, но при этом увеличится рассеиваемая на нем мощность (до 1 Вт).

В схеме на рис. 1.30, а светодиод включен последовательно с высоковольтным диодом, максимальное обратное напряжение которого должно превышать

где UnHT — переменное сетевое напряжение.

Преимущество такой схемы включения — ток через резистор R1 течет только при положительной полуволне сетевого напряжения, а при отрицательной полуволне он равен нулю. Недостаток этой схемы — нужен высоковольтный диод VD.

В схеме на рис. 1.30, б диод подключен параллельно и ограничивает обратное напряжение на светодиоде на безопасном для него уровне — 0,6 В. Обратное напряжение на диоде равно прямому напряжению на светодиоде и не превышает 3 В. Поэтому диод в этой схеме можно использовать любой, а не только высоковольтный. Диод можно заменить другим светодиодом (рис. 1.30, в), такое включение называется «встречно-параллельное соединение» светодиодов.

Ток через резистор R1 в этих схемах течет в оба полупериода сетевого напряжения, и в схеме на рис. 1.30, б он «замыкается» несветящимся диодом. Поэтому КПД схемы на рис. 1.30, в в 2 раза больше, чем у схемы на рис. 1.30, б. В схеме на рис. 1.30, в можно использовать (для красоты) светодиоды разных цветов свечения или сдвоенный разноцветный светодиод, у которого два светодиода (обычно красный + зеленый) соединены по схеме на рис. 1.30, в уже внутри корпуса. В таком случае при малейшей несимметричности обоих полупериодов сетевого напряжения суммарный (смешанный) цвет свечения обоих светодиодов изменится. Такие светодиоды обычно включают так, чтобы при положительной полуволне светился красный светодиод.

Кроме обычных, существуют также мигающие светодиоды. От обычных они, как это ясно из названия, отличаются тем, что при подаче прямого напряжения не постоянно светятся, а моргают.

Рис. 1.30. Схемы включения светодиода в высоковольтную (220 В) цепь переменного тока: а — с высоковольтным диодом; б — с низковольтным диодом; в — встречно-параллельное соединение двух светодиодов

Внутри корпуса такого светодиода можно увидеть два кристалла: собственно светодиод и микросхему, управляющую им. Мигающие светодиоды, как правило, яркого свечения, основные цвета — красный и зеленый; некоторые светодиоды двухцветны и чередуют свою окраску с красной на зеленую и обратно.

Частота «моргания» таких светодиодов около 2 Гц (два «моргания» в секунду).

Внешне мигающие от немигающих светодиодов отличить может только специалист — по количеству кристаллов и их расположению внутри корпуса (а гениальный специалист может также предсказать цвет свечения светодиода).

Если вы к таковым не относитесь, то все это можно узнать, подключив светодиод к источнику питания (см.

рис. 1.29). В большинстве мигающих светодиодов токоограничивающий резистор R1 установлен внутри корпуса (кроме него, там есть еще и защитный диод, как на рис. 1.30, б), поэтому напряжение питания светодиода может быть в пределах 3…9 В. Но в некоторых светодиодах резистора нет, и они работают так же, как и обычные: начинают мигать при напряжении питания более 1,7 В и перегорают — когда оно выше 3 В. В некоторых светодиодах нет защитного диода, и при обратном включении они ведут себя как стабилитроны с напряжением стабилизации 5… 10 В.

Перейдем к обычным, немигающим светодиодам. Так как они не горят, а светятся и температура кристалла не повышается более чем на 10°С, то их инерционность оказывается очень небольшой (можно не учитывать время разо? грева спирали (у лампочки) от комнатной температуры до нескольких тысяч градусов) и, следовательно, быстродействие огромно. Оно ограничивается лишь емкостью перехода (около сотни пикофарад) и выходным сопротивлением источника, управляющего светодиодом. Максимальная рабочая частота для обычных световодов — несколько мегагерц, для специальных высокочастотных светодиодов она еще в сотни раз больше. Благодаря этой особенности с помощью светодиодов (ярких и лазерных) можно без проводов передавать информацию на некоторое, не очень большое расстояние, в том числе можно передавать и звук, ведь максимальная частота, которую слышит человек (0,02 МГц), в сотни раз меньше максимальной для большинства, даже самых дешевых, светодиодов.

Но мало передать информацию, ее еще нужно принять. Слушать телевизор с помощью глаз и без сурдоперевода получается у немногих, поэтому, чтобы услышать передаваемую светодиодом информацию, нужен специальный фотоприемник, который преобразует свет обратно в электричество; а в усилении электрического сигнала и преобразовании его в звук особых трудностей нет.

В отличие от излучателей света, названия излучателей начинается с приставки «свето», например светодиод, а приемников — с приставки «фото». Фотоприемников существует великое множество: фотоприемником может быть открытый для света кристалл любого полупроводникового прибора (при этом действие света на прибор ничем не отличается от управляющих электрических сигналов — фототранзисторы открываются, фототиристоры включаются…). Кроме того, существуют такие фоторезисторы (под воздействием света их сопротивление может уменьшиться в миллионы раз; их единственный недостаток — высокая инерционнасть (максимальная частота — сотни… тысячи герц), преимущество — самая большая чувствительность среди всех фотоприемников), а Также фоточувствительные электронные лампы.

Наибольшим быстродействием среди всех фотоприемников обладают фотодиоды (до десятка мегагерц у обычных фотодиодов и в десятки… сотни раз больше у специальных фотодиодов), их недостаток — низкий КПД (коэффициент усиления), не превышающий единиц,., десятков процентов (чем «шустрее»”фото·1 диод, тем ниже его КПД).

Фототранзисторы можно представить как фотодиод со встроенным эмиттерным повторителем, их чувствительность в несколько раз выше, чем у фотодиодов, но, к сожалению, быстродействие снижается и не превышает сотен килогерц (1000 кГц = 1 МГц). Если у фототранзистора использовать только базовый переход, то транзистор «превращается» в диод и его быстродействие увеличивается при уменьшении КПД.

В качестве фотодатчиков (т. е. датчиков освещенности, так же как термометртермодатчик) используются только фоторезисторы, фототранзисторы и фотодиоды, так как у этих приборов напряжение на выходе линейно зависит от уровня освещенности. Основные схемы включения таких приборов нарисованы на рис. 1.31.

Фоторезисторы практически всегда включают по схеме, изображенной на рис. 1.31, а. Основное отличие фоторезисторов от всех полупроводниковых фотодатчиков — от воздействия света разность потенциалов на его выводах не изменяется (при отсутствии источника смещения, т. е. резистора R1 на рис. 1.31, о), изменяется (уменьшается) только его сопротивление.

Так как сопротивление фоторезистора в зависимости от уровня освещенности может изменяться от сотен мегом До единиц килоом, то сопротивление резистора R1 в каждом конкретном случае нужно подбирать индивидуально так, чтобы при «среднем» уровне освещенности напряжений на выходе фотодатчика было Примерно равно половине напряжения питания. Обычно его сопротивление находится в пределах 100 кОм…1 МОм.

Фоторезистор — идеальный фотодатчйк в тех случаях, коТДа от Него не требуется высокое быстродействие. Среди всех фзтодатчиков уровень шумов у фо-

Рис. 1.31. Схемы включения фотоприемников и их характеристики: а — фоторезистора; б — фотодиода; в, г — фототранзистора («<х>« — знак бесконечности; ϋγ — темповое сопротивление)

торезисторов наименьший, поэтому его часто используют в качестве регулятора громкости, изменяя его сопротивление с помощью малогабаритной лампочки (под термином «быстродействие» подразумевается скорость изменения параметра, т. е. сопротивления, а не максимальная частота, которую можно через него «пропускать». Поэтому при максимальной частоте переключения 100 Гц он может «пропускать» через себя сигналы с частотой в тысячи раз большей). Также фоторезистору абсолютно безразлична полярность приложенного к его выводам напряжения; он, наверное, единственный фотодатчик, который может управлять переменным током. Вообще, по всем параметрам он очень похож на обычный резистор, нужно только ограничивать напряжение (не более десятков… сотен вольт — для каждого типа фоторезистора оно разное, — иначе может произойти электрический пробой) и ток, а точнее, мощность, так как при нагреве его сопротивление изменяется; максимально допустимая рассеиваемая мощность для большинства фоторезисторов не превышает 0,125…0,5 Вт.

Для работы с более высокочастотными сигналами управления используются фотодиоды и фоторезисторы. Так как у фотодиодов низкая чувствительность, ничтожный выходной ток и очень небольшая разность потенциалов на их выводах, то для того, чтобы все это ненароком вообще не уменьшить до нуля, фотодиоды включают как «батарейки» (рис. 1.31, б), и нагрузкой фотодиоду обычно служит входное сопротивление предварительного усилителя (его чаще всего собирают на основе полевых транзисторов или операционных усилителей, и RBX составляет 1.4.10 МОм и более), к которому подключают «свободный» вывод фотодиода. Чем больше входное сопротивление предварительного усилителя, тем больше разность потенциалов на выводах фотодиода, но при этом уменьшается его быстродействие, так как р-п-переход фотодиода обладает некоторой емкостью (единицы… десятки пикофарад), скорость заряда/разряда которой обратно пропорционально зависит от входного сопротивления (нагрузки фотодиода). Поэтому, если нужно высокое быстродействие (частоты до десятков… сотен мегагерц), сопротивление нагрузки фотодиода уменьшают до 10… 100 кОм, при этом амплитуда сигнала уменьшается практически до нуля. Но ничто не дается даром.

Амплитуда сигнала на выводах фотодиода (при бесконечном сопротивлении нагрузки) не превышает 0,6…0,7 В — напряжение прямого смещения. Превысить эту величину оно никак не может — при таком напряжении открывается р η-переход фотодиода, и избыток напряжения уничтожается внутри кристалла диода, вызывая его нагрев. Так как чувствительность фотодиода очень мала и ток фотоэффекта у лучших экземпляров не превышает единиц миллиампер, то кристалл в таком режиме нагревается всего на десятые… сотые доли градуса. То есть нагрев фотодиода под действием света и соответственно изменение его параметров из за нагрева можно не учитывать.

Так же как и светодиоды, все полупроводниковые фотодатчики чувствительны не ко всему спектру падающего на них света, а только к его очень узкой части. Большинство фотодатчиков чувствительны к инфракрасной, красной или, очень редко, желтой части диапазона. Фиолетовых и ультрафиолетовых фотодиодов к моменту написания книги не существовало. Поэтому при работе с фотодатчиками нужно согласовать длину волны света передатчика и приемника Бессмысленно управлять инфракрасным фотодиодом с помощью желтого свето диода — он попросту ничего не «увидит».

То же самое относится и к фоторезисторам. Но у них из-за отсутствия р η-переходов область наибольшей чувствительности гораздо шире, чем у фотополупроводников, и для большинства используемых радиолюбителями фоторезисторов она соответствует видимому свету — области наибольшей чувствительности человеческого глаза. Поэтому здесь особых проблем с согласованием нет Лучше всего управлять фоторезистором с помощью лампочки

Фототранзисторы, так же как и обычные транзисторы, можно включать по схеме или с общим коллектором, или с общим эмиттером (подразумеваются би полярные фототранзисторы). Какой-либо принципиальной разницы между этими двумя схемами включения нет — падение напряжения в обеих схемах на пере ходах освещенного транзистора близко к нулю, а неосвещенного к напряжению питания. Но чувствительность и инерционность у схемы с общим коллектором больше, чем у схемы с общим эмиттером.

Большинство ныне существующих фототранзисторов по неизвестным мне причинам имеют структуру п-р-п, поэтому в дальнейшем рассматриваться будут только они.

Схема включения фототранзистора по схеме с ОК дана на рис. 1.31, в, а по схеме с ОЭ — на рис. 1.31, г. Большинство современных фототранзисторов обладают значительным коэффициентом усиления Ь2|Э, поэтому нагрузку, потребляющую ток до нескольких десятков миллиампер, можно подключать непосредственно к выводам фототранзистора, без дополнительных усилителей тока. Но в большинстве случаев, при слабом световом сигнале или мощной нагрузке, усилители (схема с ОК) нужны.

У большинства фототранзисторов есть вывод базы. Подавая на него открывающее положительное напряжение, можно приоткрыть транзистор, а соединив через резистор эмиттер и базу — немножко закрыть его (при неизменном начальном уровне освещения). Но в обоих этих режимах световой коэффициент усиления снижается, поэтому злоупотреблять ими нельзя. Лучше всего базу ни с чем не соединять («оторвать»). При уменьшении сопротивления резистора между базой и эмиттером увеличивается быстродействие (уменьшается инерционность) фототранзистора. При нулевом сопротивлении этого резистора фототранзистор «превращается» в фотодиод.

При работе с фотодатчиками необходимо также учитывать засветку — действия на фотодатчик лучей солнца или осветительных ламп. Бороться с этим можно двумя путями — «обходным» и «в лоб». Обходной путь заключается в том, что частота полезного сигнала, как правило, выше частоты освещения (для солнца она близка к 0 Гц, для осветительных ламп — 50…60 Гц), поэтому эти две частоты можно разделить с помощью дифференцирующей цепочки на основе конденсатора (при увеличении частоты сигнала емкостное сопротивление конденсатора уменьшается и сигнал с более высокой частотой имеет большую амплитуду).

Но этот способ непригоден в тех случаях, когда частота полезного сигнала также близка к нулю. В таких случаях нужно действовать «в лоб», т. е. защищать фотоприемник от воздействия засветки — нет засветки, нет и проблемы.

Все светодиоды (исправные) излучают свет в очень узком диапазоне частот, т. е. практически неизменного цвета. Существуют также окрашенные пластинки — светофильтры, которые пропускают свет только одного цвета (того, в который они окрашены), а все остальные цвета они задерживают. Если мы прикрепим светофильтр к фотоприемнику, то мы значительно уменьшим засветку, так как в солнечном спектре все цвета равномерно смешаны (смесь всех цветов дает белый свет), а большинство фотоприемников довольно широкополосны и реагируют одновременно на несколько цветов. Светофильтр же из этой смеси выделяет один-единственный цвет.

Логично предположить, что цвет светофильтра должен соответствовать цвету свечения светоизлучателя (или наоборот), так как только при согласованности их цветов луч светоизлучателя не будет ослабляться светофильтром и сможет беспрепятственно пройти к фотоприемнику.

Но и этот способ не лишен недостатков, полностью устранить засветку с помощью светофильтра невозможно. Избавиться от засветки можно, только бели заключить и свегоизлучатель, и фотоприемник в непрозрачный для внешнего света корпус. И эта проблема сразу «отпадает». Получившийся в результате таких манипуляций «тандем» из излучателя и приемника света по-научному называется оптрон.

Оптрон (или оптопара) чаще всего используется для гальванической развязки двух и более напряжений. Например, как это было при объяснении принципа действия тиристоров, нагрузка подключена к высоковольтной сети переменного тока, а управляет тиристором низковольтная довольно сложная схема. Для того чтобы можно было непосредственно, с помощью электрического тока, управлять тиристором, источник управляющего сигнала и тиристор нужно соединить двумя проводами: один — общий и второй — управляющий, по нему передается сигнал относительно общего провода. Так вот. Если один из проводов будет общим и для высоковольтной, и для низковольтной частей схемы, то на общем проводе низковольтной части схемы (а также ее напряжение значительно меньше напряжения питания высоковольтной части, — то и на всех остальных проводах низковольтной части) будет присутствовать высокое, опасное длй Жизни напряжение относительно другого, не общего, провода Если общий провод — «фаза», то при касании к любому проводнику низковольтной управляющей схемы вас дернет так, что вы увидите одновременно и чертиков, и звездочки, и явление НЛО народу. Связано это с тем, что наши электрики для уменьшения количества проводов фазовый вывод от генератора тока (электростанции) соединяют с проводами на вышках, а второй, нулевой, провод от генератора попросту закапывают в землю. Земля — отличный проводник, ее сопротивление даже меньше, чем сопротивление проводов на столбах. А так как ваш дом не изолирован от земли, то на вашем теле присутствует «земляной» потенциал, т. е. тот, который «сидит» на втором, не фазовом выводе розетки. И если вы коснетесь фазового провода, то при плохой изоляции ног от пола может произойти то же самое, что бывает при касании пальцами обоих выводов розетки.

Чтобы полностью исключить возможность таких «фокусов», в Подобных устройствах применяют гальваническую развязку низковольтной и высоковольтной частей схемы. В устройствах, обеспечивающих гальваническую развязку, передача электрического сигнала от управляющей схемы к ее высоковольтной нагрузке осуществляется с помощью другой, не электрической силы — с помощью света у оптронов, электромагнитного поля у трансформаторов, давления у реле, кнопок и переключателей. Так как связующее звено имеет не электрическую природу, то и возможность поражения электрическим током сведена к нулю. Низковольтную и высоковольтную части при этом соединять проводами не надо — они соединены не электрической сплои.

В качестве светонзлучателя в оптронах обычно используется инфракрасный светодиод и очень редко (в резисторных оптрона ) — миниатюрная лампочка накаливания. В качестве фотоприемника в оптронах может использоваться любой полупроводниковый прибор, а также фот резистор. Называются оптроны именно по названию фотоприемника, например, оптрон на основе фототранзистора называется или оптотранзистором, или транзисторным оптроном, или транзисторной оптопарой. Все эти три названия — правильные, они являются синонимами.

Для управления высоковольтной нагрузкой обычно используют олтотиристоры (точнее, оптодинисторы). Наиболее распространенная схема согласования двух приборов изображена на рис, 1.32, а.

Напряжение пробоя дннистора должно быть выше максимального напряжения на тиристоре «+U», поэтому в исходном состоянии, пока не светится светодиод оптопары, динистор и тиристор закрыты и ток через нагрузку не течет. При подаче напряжения (вернее, мощности) на светодиод, последний начинает светиться и напряжение пробоя динистора плавно (в зависимости от яркости свечения светодиода) уменьшается до нескольких вольт (с нескольких сотен вольт). Тиристор открывается, и через нагрузку начинает течь ток.

Изменяя текущий через светодиод ток, можно в небольших пределах (от 50 до 100%) изменять ток в нагрузке. Как уже отмечалось выше, при засветке фотодинистора его напряжение пробоя уменьшается плавно, поэтому, изменяя яркость свечения светодиода, можно добиться, чтобы его напряжение пробоя равнялось нескольким десяткам… сотням вольт, и при этом тиристор будет открываться не сразу с началом нарастания напряжения питания, а через некоторое время, пока напряжение между анодом и управляющим электродом тиристора не превысит напряжение пробоя фотодинистора, после чего тиристор мгновенно (почти) включится (рис. 1.32, б). При этом на нагрузке будут «укороченные» импульсы и мощность нагрузки от этого несколько уменьшится. Как видно из рис. 1.32, б, уменьшить мощность нагрузки более чем на 50% нельзя — в таком случае тиристор должен включаться в то время, когда напряжение на его аноде начинает уменьшаться.

Для управления симистором, который коммутирует переменный ток, можно включить по встречно-параллельной схеме два оптодинистора (рис. 1.32, в) или один оптодинистор в диагональ моста (рис. 1,32, г). Так как оптроны гораздо дороже всех остальных приборов, чаще всего используется, несмотря на большую сложность, последняя схема.

В схеме на рис. 1.32, в каждый динистор коммутирует «свою» полуволну, в то время как другой динистор «отдыхает» (при подаче обратного напряжения динистор превращается в диэлектрик (непроводник) с высоким напряжением пробоя, которое от засветки не зависит). Светодиоды обоих оптронов обычно соединяют последовательно (как на рис. 1.32, в), в таком случае при выходе из

Рис. 1.32. Схемы включения оптронов (а—г — динисторных; д — транзистороного): а — управление тринистором; в — зависимость выходного напряжения от напряжения пробоя динистора (яркости свечения светодиода оптрона): в — управление симистором с помощью двух оптодинисторов; г — то же самое, но с помощью одного оптрона и диодного моста; д — контроль выходного напряжения источника питания с помощью оптотранзистора строя (перегорании) одного светодиода второй также не будет светиться и нагрузка не включится При параллельном соединении светодиодов потребляемый ими ток увеличится в 2 раза; при выходе из строя одного светодиода второй будет продолжать светиться и на нагрузку станет поступать не переменное, а постоянное пульсирующее напряжение. Оно может повредить («сжечь») как нагрузку. так и симистор.

В схеме на рис. 1.32, г динистор включен в диагональ диодного моста. Мостик выпрямляет переменное напряжение На симисторе, поэтому независимо от мгновенной полярности сетевого напряжения, напряжение на аноде динистора всегда будет больше (или равно) напряжения на катоде. При засветке динистора он начинает закорачивать диодный мост, при увеличении напряжения на нем выше напряжения пробоя оптодинистора симистор начинает подавать на нагрузку переменный ток. В этой схеме, так же как и в схеме на рис. 1 32, а, с помощью светодиода оптопары можно в небольших пределах (50…100%) регулировать мощность нагрузки. Так как напряжение прямого смещения диодов диодного моста очень мало и примерно одинаково, то при некотором фиксированном напряжении пробоя оптодинистора он будет открываться в одно и то же время, при превышении сетевым напряжением его напряжения пробоя, независимо от полярности сетевого напряжения. То есть переменное напряжение на нагрузке будет симметричным и его постоянная составляющая будет равна нулю.

Но таким образом нельзя регулировать мощность нагрузки при встречно параллельном соединении двух оптодинисторов (рис. 1.32, в). Оба светодиода оптрона при одинаковом протекающем через них токе могут светиться с разной яркостью; у двух динисторов может быть разная чувствительность к свету Все это приводит к тому, что при одинаковом токе через светодиоды динисторы будут пробиваться разным напряжением и напряжение на нагрузке симистора будет несимметричным, т. е. появится постоянная составляющая. Эта самая составляющая может повредить индуктивные нагрузки (трансформаторы), так как сопротивление их обмоток на постоянном токе очень мало и увеличивается с увеличением частоты тока. А разделительный конденсатор между снмистором и его нагрузкой ставить невыгодно — он имеет большие габариты и дорого стоит. Поэтому при такой схеме включения оптронов они должны быть или полностью открытыми (ток через светодиоды оптопар максимален, а напряжение пробоя обоих фотодинисторов — минимально), или полностью закрытыми (ток через светодиоды не течет). Такой режим работы называется ключевым, и он очень широко распространен в цифровой технике. Подробнее о нем будет говориться чуть дальше.

Оптроны, сопротивление управляемого элемента которых линейно зависит от яркости свечения управляющего элемента (оптотранзисторы и очень редко — оптодиоды и опторезисторы) часто используются в источниках питания для контроля выходного напряжения (рис. 1.32, д).

Если оптрон на схеме нельзя нарйсовать заключенным в единый корпус, то его можно «разорвать» так, как это сделано на рисунке. Стрелки возле светодиода и фототранзистора обозначают направление передачи света, т. е. транзистор на этом рисунке принимает свет, а не излучает. Буквами VO обозначаются оптроны (независимо от типа фотоприемника); некоторые авторы транзисторные оптроны обозначают буквами ОТ, а в зарубежной литературе — буквами PC. Единого мнения в этом вопросе пока что не существует. Цифра до точки обозначает порядковый номер оптрона в схеме (т. е. он — первый; порядковые номера обычно даются по принципу и сверху вниз, слева направо; но иногда — «от главного к второстепенному»), а после точки — номер части оптрона. Обычно самой главной части, от которой зависит функционирование других частей, дается первый номер, но, если вы поменяете названия местами и фототранзистор назовете V01.2, то катастрофы не случится и гнилыми помидорами вас закидывать не станут.

Все остальные элементы обозначаются также, меняется только название элемента (первые одна-две буквы; название неполупроводников состоит из одной буквы, полупроводников — из двух). Порядковые номера для каждого типа элементов — свои, начинаются они с цифры «1».

Но вернемся к рис. 1.32, д. Блок А1. изображенный на нем, — стабилизатор переменного напряжения, нагруженный на трансформатор Т1. С вторичной обмотки трансформатора напряжение поступает на диодный мостик Д, выпрямляется на нем, сглаживается конденсатором С1, и через переменный резистор R1 подается на светодиод оптопара V01. Он светится с некоторой небольшой яркостью, и фототранзистор V01.2 немножко приоткрыт. Если напряжение на конденсаторе С1 увеличится, то увеличится яркость свечения светодиода V01.1, сопротивление фототранзистора уменьшится, он станет сильнее шунтировать каскады блока А1, отвечающие за амплитуду (размах) напряжения на первичной обмотке трансформатора, и напряжение на обеих обмотках трансформатора уменьшится. Уменьшится напряжение на конденсаторе С1 и ток через светодиод.

Таким образом, с помощью оптопары V01 напряжение на выходе источника питания поддерживается неизменным и при этом обеспечивается надежная гальваническая развязка. Изменяя сопротивление резистора R1, можно изменять выходное напряжение в широких пределах (чем меньше его сопротивление, тем меньше выходное напряжение).

Описанный выше линейный режим работы фототранзистора используется преимущественно только в аналоговой технике. В цифровой же технике большинство элементов работают в ключевом режиме, т. е. транзистор или полностью закрыт и протекающий через него ток близок к нулю, или полностью открыт и падение напряжения на нем близко к нулю.

Оптроны в цифровой технике часто используются для согласования нескольких микросхем, работающих при разных напряжениях питания. Для этого фогоприемник подключают к управляемой схеме по одной из стандартных схем включения (они были рассмотрены выше), а светоизлучатель через токоограничивающии резистор — к управляющей части. Сопротивление этого резистора подбирают так, чтобы фотоприемник работал в ключевом режиме (т. е. полностью открывался) но при этом нужно стремиться к тому, чтобы его сопротивление было максимально возможным, —- это уменьшит потребляемый ток и продлит время жизни» светоизлучателя.

Самый главный параметр оптрона — напряжение развязки (Up„) или, что то же самое напряжение пробоя изоляции (U113) Для большинства современных оптронов оно более 1000 В Чем оно больше, тем лучше. Также нельзя превышать максимально допустимые напряжения (Um„; UKDM) и ток (lmax; IK0VJ, протекающие чере р-п переходы фотоприемника. Транзисторы и диоды, установленные внутри оптронов — «самые настоящие», и они подчиняются тем же законам, что и обычные приборы, без приставки «фото». Не нужно путать напряжение развязки с максимально допустимым напряжением на переходах — это совершенно разные параметры оптрона.

Максимально допустимый ток через светодиод тиристорных оптронов — до 20…50 мА, в зависимости от мощного тиристора, через светоди ды большинства остальных (за редким исключением) оптронов — 10…20 мА Чем больше ток через светодиод, тем скорее он перегорит; с уменьшением этого тока увеличивает ся инерционность (уменьшается быстродействие) оптрона Поэтому самое главное — найти «золотую середину».

Источник: А. С. Колдунов, Радиолюбительская азбука. Том 1. Цифровая техника. / А. С. Колдунов — М.: СОЛОН-Пресс, 2003. 272 с. — (Серия «СОЛОН — радиолюбителям» Выпуск 18)

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты