ИССЛЕДОВАНИЕ ТРАНЗИСТОРНЫХ ОПТОПАР

И ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ РЕЛЕ

Цель работы: познакомиться с принципом действия и техническими характеристиками транзисторных оптопар и оптореле.

Пояснения к работе

Оптопара состоит из двух элементов – излучающего диода и фотоприемника, электрически изолированных друг от друга оптически прозрачной средой и связанных только через световое излучение. Передача сигнала с входа на выход оптопары происходит посредством последовательных преобразований: электрический ток – свет – электрический ток.

Во входной цепи современных оптопар используется инфракрасный излучающий диод, максимум спектральной характеристики которого приходится на длину волны около 1 мкм. Поэтому входные характеристики оптопар различных типов примерно одинаковы.

Характеристики выходной цепи оптопары зависят от примененного в ней фотоприемника (фотодиод, фототранзистор, фототиристор и др.). Транзисторная оптопара, как правило, имеет фотоприемник в виде кремниевого фототранзистора со структурой n-p-n. Излучающий диод конструктивно расположен так, что большая часть света направлена на базовую область фототранзистора.

При отсутствии тока через излучающий диод, фототранзистор находится в запертом состоянии (режим отсечки). Ток в выходной цепи оптопары равен току утечки запертого фототранзистора. Для уменьшения тока утечки и ускорения запирания фототранзистора при переключении между его базовым и эмиттерным выводами включается внешний резистор с сопротивлением 0,1… 1,0 МОм. Необходимо отметить, что не все оптопары имеют вывод базы фототранзистора.

При облучении фототранзистора в его базовой области генерируются пары электрон-дырка. Электроны перемещаются из базы в сторону положительно заряженного коллектора, а дырки остаются в базе и создают положительный заряд. Это эквивалентно возникновению отпирающего тока базы транзистора, вследствие чего ток коллектора начинает расти. Вначале увеличение тока коллектора фототранзистора пропорционально току через излучающий диод (линейный режим). После перехода фототранзистора в режим насыщения значение тока коллектора остается на постоянном уровне.

Основными параметрами транзисторных оптопар являются (табл. 2):

- входное напряжение – постоянное прямое напряжение на излучающем диоде при заданном входном токе;

- максимальный входной ток – максимальное значение входного тока, при котором обеспечивается заданная надежность при длительной работе;

- ток утечки на выходе – ток, протекающий в выходной цепи закрытого фототранзистора при приложенном выходном напряжении;

- максимальный выходной ток – ток фототранзистора, при котором обеспечивается заданная надежность при длительной работе;

- статический коэффициент передачи тока – примерно равен отношению токов в выходной и входной цепях оптопары (существенно зависит от тока через излучающий диод);

- максимальное коммутируемое напряжение на выходе – напряжение, приложенное между выходными выводами оптопары, при котором обеспечивается заданная надежность при длительной работе;

- время нарастания (спада) выходного сигнала – интервал времени, в течение которого напряжение на выходе изменяется от 0,9 до 0,1 (от 0,1 до 0,9) максимального значения.

- напряжение изоляции – максимальное напряжение, приложенное между входной и выходной цепями оптопары, при котором обеспечивается электрическая прочность изоляции.

Таблица 2 – Параметры некоторых транзисторных оптопар при 25 ^оС

Транзисторные оптопары имеют более низкое быстродействие и значительно более высокий коэффициент передачи тока, чем диодные оптопары. Особенно высокий коэффициент передачи тока имеют оптопары с составным фототранзистором. Благодаря удобству применения, транзисторные оптопары применяются чаще, чем диодные.

Оптоэлектронное твердотельное реле (оптореле) содержит инфракрасный излучающий диод, оптически связанный с выходным электронным ключом. В отличие от оптопары, оптореле имеет только два функциональных состояния выходного электронного ключа – «открыт» или «закрыт». Фотоприемник оптопары, например фототранзистор, кроме этих двух состояний может находиться в промежуточном линейном режиме. Оптореле имеет более низкое значение остаточного напряжения и меньшие потери мощности на выходном ключе, чем оптопара.

Различают оптореле постоянного тока, переменного тока, а также реле общего назначения, которые имеют ряд типов, значительно отличающихся предельными значениями коммутируемых токов и напряжений. Реле постоянного тока могут иметь нормально замкнутые, нормально разомкнутые и переключающие «контакты». В качестве выходных ключей в них применяются фототранзисторы МОП или IGBT. Такие оптореле имеют низкое сопротивление в открытом состоянии и малые (менее 100 мкА) токи утечки в закрытом состоянии. В зависимости от типа, они способны коммутировать токи от 1 мкА до нескольких ампер при напряжении не более 400 В.

В лабораторной работе исследуется маломощное оптореле постоянного тока КР293КП2А с нормально разомкнутым выходным ключом. Параметры данного оптореле: максимальный коммутируемый ток – 320 мА; максимальное коммутируемое напряжение – 60 В; время включения (выключения) – 1 мс; напряжение изоляции – 1500 В.

Реле переменного тока в качестве выходного элемента содержат оптосимистор. Диапазон коммутируемых токов для разных типов реле составляет от 1 до 80 А при напряжении до 1200 В. Остаточное напряжение на оптосимисторе не превышает 1,5 В.

Реле общего назначения способны коммутировать цепи как постоянного, так и переменного тока и обладают примерно такими же параметрами, как и реле постоянного тока. Они имеют на выходе пару МОП-транзисторов, соединенных истоками в последовательную цепь.