|
| |
|
Слаботочка Книги зависимость коллекторного тока /„ неосвещенного фототранзистора от разности потенциалов [/бэ на эмиттерном р-п-переходе, а также две зависимости базового тока hiUa)-одна для неосвещенного фототранзистора, а другая (сдвинутая по оси ординат вниз ка величину фототока /ф) для освещенного прибора. Здесь же вычерчена прял1ая линия статической нагрузки эмиттерного перехода 1 =-lJ(,alR6, отражающая отбор базового тока в цепь с резистором Rb по мере повышения потенциала [/бэ- Если фототракзистор не освещен, то благодаря резистору /?б потенциал f/бэ фиксирован на невысоком уровне, базовый ток /б (в точкеМ) равен-/ко, коллекторный ток /к (в точке М) близок к минимальному уровню --/ко. что в совокупности и обеспечивает стабильность электрического состояния каскада. При освещении фототранзистора рабочая точка М сдвигается в положение (рис. 3.12,s). Потенциал базы повышается до уровня Uc-,m, что заметно увеличивает отбор фототока /ф в цепь с резистором R. Отмеченные потери несущественны, если UaNJRb-h- свою очередь, стабилизация рабочей точки оказывается эффективной, если IkuRUubn- Оба представленных условия можно уверенно выполнить при /ф;$>/ко; лишь в этом случае стабилизация режима фототранзистора по схеме рис. 3.12,6 не связана с существенным уменьшением усилительных возможностей каскада. В более общих случаях вопросы стабилизации электрического режима фотоприемников, особенно существенные для аналоговых оптоэлектронных устройств, успешно решаются введением специальных каналов отрицательных обратных связей. В схеме, представленной на рис. 3.12,г, стабилизация статических токов оптоэлектронного каскада обеспечивается благодаря глубокой обратной связи, действующей меж,ч,у эмиттером и базой фототракзистора [6]. Относительно медленные (например, температурные) изменения эмиттерного потенциала усиливаются секцией У и, поступая уже в противофазе на базу фотвтранзистора, «подавляют» предполагаемые колебания статического режима. На коэффициент усиления переменного сигнала, поступающего по оптическому каналу с частотой 5 кГц, цепи отрицательной обратной связи, шунтированные конденсаторами С/ и С2 значительной емкости, не влияют. Определенные технические Трудности возникает обычно при стабилизации статического режима оптронов с составными фототранзисторами. Практическую ценность в этом плаке представляет схема стабилизации [7], показанная на рнс. 3.13,а. Дополнительное усиление эмиттерного тока транзистора Т1 может быть обеспечено транзистором Т2. Однако в статическом состоянии (при невозбужденном оптроне ОТ) транзистор Т2 бездействует. В этом режиме транзистор ТЗ насыщен Вход   Рис. 3.13. Фотоприемиики в силовых электрических цепях по цепи с резистором R1 и надежно закорачивает эмиттерный р-п-переход транзистора Т2. Поскольку эмиттерный ток закрытого транзистора Г/ весьма невелик, насыщение транзистора ТЗ устойчиво сохраняется в широком температурном диапазоне. Ситуация резко изменяется при освещении фототранзистора. Эмиттерный ток транзистора Т1 существенно возрастает, транзистор ТЗ быстро выходит из режима насыщения и усилительные возможности транзистора Т2 полностью восстанавливаются. По данным [7], рассматриваемая схема сохраняет работоспособность до ЮОХ, Значительные электрические перегрузки испытывают -фототиристоры, действующие в высоковольтных преобразователях напряжения. Особенно опасным оказывается режим, в котором тиристорные оптроны коммутируют индуктивную нагрузку. При выключении фототиристора в цепи с индуктивностью возникает ЭДС самоиндукции, препятствующая спаду тока. На этой стадии переходных процессов напряжение на аноде фототиристора может существенно превышать напряжение (рис. 3.13,6). За-щита фототиристора от подобных перегрузок осуществляется полупроводниковым диодом, шунтирующим индуктивную нагрузку. 13. МОДЕЛИ Й СХЕМЫ БЫСТРОГО ПЕРЕКЛЮЧЕНИЙ МАЛОИНЕРЦИОННЫХ ОПТРОНОВ К малоинерционным оптронам можно с достаточным основанием отнести лишь оптопару светодиод - фотодиод. Высокими динамическими показателями обладают светодиоды с арсенидогаллиевой гетероструктурой. В качестве малоинерционных фотоприемников успешно используются р-I-л-фотодиоды. Вместе с тем резисторным оптронам из-за существенной инерционности фоторезисторов свойственно невысокое быстродействие. Фототранзисгоры и фототиристоры также заметно уступают по быстродействию однотипным приборам . с электрическим управлением. В дальнейшем изложении станут очевидными естественные параллели между транзисторными оптронами и диодными оптронами с транзисторными усилителями фототока. На первых порах, однако, основное внимание уделяется быстродействующим ключевым элемен-та.м с малоинерционными диодными оптронами. Детальная картина развития переходных процессов в структуре диодного оптрона, связанная с многими электрофизическими и оптическими факторами, оказывается весьма сложной. Целесообразно, однако, учитывать, что с позиций разработчика быстродействующей оптронной техники принципиально важное значение имеют лишь немногие (существенные) статические и динамические свойства оптронов; другие характеристики и зависимости являются частными, второстепенными, незначительными и могут быть исключены или нивелированы без заметного ущерба для дела. Такой рациональный (в известном смысле технический) подход к анализу переходных процессов в ключевых оптронных устройствах дает правильное представление о динамике переключения оптронов несложными методическими приемами. На рис. 3.14,а представлена элементарная схема переключения диодного оптрона импульсом напряжения ег(0. воздействующим на светоизлучатель по цепи с резистором Rr. Сигнал иа выходе оптронного ключа формируется в цепи резистора нагрузки Ra- Конденсатор Сн, шунтирующий Rs, отражает влияние емкости нагрузки. В модели диодного оптрона выделена безынерционная часть, в которую входят источник излучения, возбуждаемого электрическим током 1св[1), канал оптической связи и приемник излучения, генерирующий фототок /ф(0 =-Ki/gb(0- При этом учитывается, что двойное преобразование энергии электрического сигнала /ев(О происходит в малоинерционном диодном оптроне весьма быстро и фототок /ф(0 изменяется синхронно с током проводимости светодиода. Скорость переключения светодиода существенно ограничивает барьерная емкость Сов; даже у малоинерционных приборов эта емкость достигает 50 ... 200 пФ. Барьерная емкость Сф фотодиодов заметно меньше (1 ... 10 пФ); однако в оптронных переключателях емкость Сф заряжается небольшим фототоком /ф; поэтому влияние этой емкости на процесс формирования выходного сигнала <7н(0 оказывается значительным. Отметим также, что компоненты Сев и Сф в модели диодного оптрона могут успешно отражать действие «паразитных» емкостей конструкции, монтажа, связей, шунтирующих светоизлучатель и фотоприемник. При моделировании инерционных факторов, связанных с накоп-лен.ем и рассасыванием неосновных носителей заряда в объеме све-. тодиода, объективной и оправданной является аналогия с полупро- водниковыми диодами общего назначения [8]. Если инжекция носителей в базовую область светоизлучателя происходит относительно медленно, то уровень избыточного заряда Qe ов неосновных носителей в базе приемлемо точно согласуется с уровнем тока проводимости /с в: Q6ob(0=Tsob/cb(0; (3.2) здесь Tscв-эффективное время жизни носителей в базе светодиода. Соотношение (3.2) особенно хорошо выполняется в тех случаях, когда скорость изменения разности потенциалов на выпрямляющем контакте диода существенно ограничивается барьерной емкостью, Диодт/й отттдо»  - S) в) Рис. 3.14. Схема н диаграммы переключения диодного оптрона что вполне типично для светодиодов, применяемых в малоинерционных диодных оптронах. Производная rfQe ов/rf определяет ток смещения, связанный с изменением заряда неосновных носителей в базе светоизлучателя: 18св = Тасв/св/Л. (3.3) В модели диодного оптрона (рис. 3.14,а) действие фактора (3 3) отражается накопителем заряда Sob. Согласно (3.3) такой накопитель препятствует быстрому изменению тока проводимости светодиода. Отмечая свойства малоинерционных диодных оптронов не представленные в модели рис. 3.14,0, выделим, в первую очередь, инер-fUHOHHOCTb процесса рассасывания электронов и дырок, генерируемых в 1-слое р-I-п-фотодиода под действием света. Такое рассасывание оказывается весьма кратковременным, если фотодиод заметно смещен в обратном направлении, что, безусловно, учитывается и ооеспечивается прн проектировании быстролействуюигнх оптронных переключателей. в процессе переключения диодного оптрона барьерные емкости Сов, Сф и коэффициент передачи тока К: не остаются постоянными. Режимные зависимости Ссв(4/св), Сф(г7ф), Ki(Icb) не имеют, однако, принципиального значения для нормального функционирования оптронных переключателей и поэтому относятся к разряду второстепенных. На стадии расчета переходных процессов переключения указанные зависимости, как правило, нивелируются (усредняются) по несложной методике. Заметным может быть влияние проходной электрической емкости между светоизлучателем и фотоприемником. Действие этого «паразитного» емкостного канала рассматривается в дальнейшем особо. Многочисленные «мелкие» дефекты (сопротивление и индуктивность вводов и выводов, токи утечки, несовершенство электрической изоляции и т. п.), свойственные любому реальному полупроводниковому прибору, не оказывают значительного влияния на динамику переключения высококачественных оптронов. По существу, в схеме • иа рис. 3.14,а представлена эталонная модель технически совершенного диодного оптрона, свободная от второстепенных изменений и дефектов. Иллюстрируя процесс быстрого переключения сватодиода, обратимся к диаграмме, показанной на рис. 3.14,6. Первоначально входной потенциал ег = 0 и рабочая точка светодиода фиксирована в положении М. Переключение в прямом направлении (включение) излучателя начинается при скачкообразном повышении входного потенциала на величину Лбг. Напряжение С/с в на светодиоде в начальный момент не изменяется; поэтому ток в цепи управления скачком возрастает до уровня (r=iAer/r. Согласно схеме рис. 3.14,а, входной ток ir распределяется по трем каналам: гг=/св4-ссв--(8св. Разность токов w-/ов = (см определяет реактивный ток смещения /ом = «ссб-Ь(8св, суммирующий токи, ответвляющиеся в барьерную емкость Сев и накопитель заряда Sen- По мгновенному значению (см несложно составить четкое представление о направлении и скорости развития процесса переключения светодиода. Зависнмость тока (см= (Аег-С/св)/i?r-/св (С/св UcB можно определить графическим методом, рис. 3.14,6 мгновенные значения тока смещения i, светодиода) показаны вертикальными линиями. Входной ток !г на первых порах целиком ответвляется в цепь емкости Сов; поэтому включение светодиода начинается с максимальной скоростью dUca/dt - Aer/(RtCok) В дальнейшем, однако, ток управления ("г непрерывно уменьшается, а ток электрической проводимости светодиода нарастает, что в совокупности снижает скорость переходного процесса. При значительном токе /св сказывается влияние накопителя заряда Scb- .В финале переходного процесса рабочая точка светодиода фиксируется в положении N на крутой ветви ВАХ. При резком спаде входного сигнала er(t) начинается процесс выключения светодиода. Ток /св в этом случае быстро уменьшается, а световой поток, излучае.мый светодиодом, гаснет. Однако возвращение рабочей точки светодиода в положение М, связанное с разрядкой емкости Сев, оказывается более медленным и длительным. от напряжения На диаграмме (при включении  Процессы переключения фотодиода в схеме рис. 3.14,а иллюстрируются диаграммой на рис. 3.14,0. Ориентиром в этом случае может служить цикл MNNM, который рабочая точка фотодиода проходит при мгновенном нарастании и спаде фототока /ф. Разность потенциалов на фотодиоде t/ф из-за емкостей Сф и С, в момент быстрого возникновения фототока /ф не изменяется. Поэтому рабочая точка фотодиода, первоначально фиксированная в состоянии М, сдвигается в положение N по вертикальной фазовой траектории. Лишь в дальнейшем, по мере разрядки емкостей Сф и С», рабочая точка фотодиода переходит в состояние N, характеризующее включенный прибор. При резком прекращении фототока /ф рабочая точка поднимается по вертикальной фазовой траектории в положение М. Далее емкости Сф и Сн заряжаются по цепи с резистором Яа И рабочая точка фотодиода по горизонтальной фазовой траектории постепенно сдвигается в состояние М. Рис. 3.15. Модель и диаграммы быстрого переключения диодного оптрона   В реальной схеме (рис. 3.14,а) ии ток светодиода /ов(0, ни фототок /ф(0 не изменяются мгновенно. Поэтому траектории переключения рабочей точки фотодиода (показанные на рис. 3.14,0 кривыми линиями) отличаются от прямоугольных изломов предельного цикла MNNM. Исследуя особенности развития переходных процессов в оптронной схеме (рис. 3.14,а), несложно построить моде.ль быстрого переключения диодного оптрона (рис. 3.15,с). Переключение светодиода "и в прямом и в обратном направлениях целесообразно форсировать перепадами тока (г, поступающего от высокоомного источника электрических сигналов. В таком режиме переключения (рис. 3.15,6) входной ток не уменьшается даже на заключительных стадиях переходных процессов. Рабочую точку М выключенного светодиода полезно сместить в область положительных напряжений Ucs, что уменьшает порог возбуждения излучателя и, как следствие, заряд и длительность его включения. Если накопитель заряда Scb существенно ухудшает быстродействие оптрона, целесообразно ограничивать ток проводимости све-, тадиола. В этом случае излучатель рационально включать по диаграмме рис. 3.15,в: зарядка барьерной емкости Сев форсируется 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 [22] 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 |