|
| |
|
Слаботочка Книги значительным (ускоряющим) током; однако в области крутого участка ВАХ светодиода управляющий ток резко спадает, что уменьшает, инерционный эффект накопления избыточного заряда в базе излучателя. Влияние емкостей Сф и Сн не проявляется заметно в модели с весьма низкоомной (короткозамкнутой) цепью нагрузки (рис. 3.15,а). Выходным сигналом переключателя в этом случае является перепад тока U(t) =1ф(1)- Рабочая точка фотодиода передвигается в ходе переключения по вертикальной линии MN токовой нагрузки (рис. 3.15,г). Важно, однако, учитывать, что по логике функционирования многих цифровых устройств переключение оптрона должно приводить к формированию выходного перепада напряжения С/н(0 достаточно большой амплитуды. В тако.м режиме переключения скорость изменения выходного сигнала существенно ограничивается емкостями фотодиода (Сф) и нагрузки (Ся). При быстром включении фотодйо-
Рис. 3.16. Каскодное взаимодействие диодных оптронов да максимально быстрая зарядка емкостей достигается при высоко- омной нагрузке Rs\ именно в таких условиях фототок /ф отбирается в емкостные цепи без заметных потерь. Однако при выключении фотодиода емкости Сф и Сн по высокоомным цепям нагрузки разряжаются весьма медленно. Отмеченное противоречие устраняется при соединении фотоприемников по каскодной схеме (рис. 3.16,а). Такое соединение особенно полезно при значительной емкостной нагрузке Сн. Диодные оптроны, действующие в переключателе (рис. 3.16,а), возбуждаются сигналами тока попеременно (рнс. 3.16,6). При возбуждении оптрон ОД/ генерирует ток /ф1 и заряжает емкость нагрузки Сн. Разрядка емкости Сн достигается током /фг при включении оптрона 0Ц2. Наиболее полный отбор фототоков в емкостные цепи обеспечивается при высокоомной активной нагрузке переключателя [9]. В быстродействующих оптоэлектронных устройствах важное пр.актическое значение имеют переключатели, построенные на базе схемной комбинации диодный оптрон - биполярный транзистор. В такой комбинации транзистор совмещает функции усилителя фототока и коммутатора электрической цепи. В типичной схеме транзисторного переключателя с оптическим кяня.ютм управления, показанной иа рис. 3.17,а, коммутируемая /?„Сн-цепь соединена с коллектором транзистора, причем включение транзистора достигается осве- щением фотоприемной части диодного оптрона- Особенности перемещения рабочей точки транзистора в схеМб рис. 3.17,а иллюстрируются диаграммой на рис. 3.17,6. Предельным является цикл MNNM. По этому циклу рабочая точка транзистора движется при мгновенном (скачкообразном) нарастании и спаде коллекторного тока /к и относительно медленном (из-за емкости Ся) изменении коллекторного потенциала я. В реальных ситуациях сказывается инерционность оптического тракта и входной цепи тран-,, зистора; поэтому траектории переключения транзистора (показанные иа рис. 3.17,6 кривыми линиями) проходят внутри цикла MNNM. Диодный оптрон эффективно взаимодействует с биполярным транзистором в ключевой схеме рнс. 3.17,0, где фотодиод помещен между базой и коллектором транзистора. В таком включении комбинация фотодиод - биполярный транзистор подобна фототранзистору.   Е и» Су,  Рнс. 3.17. Транзисторные переключатели с оптическим управлением Випо-чяриый транзистор, управляемый по оптическому каналу, достаточно быстро коммутирует электрические цепн и в схеме с фиксированным потенциалом коллектора (рис. 3.17,г); ЛяСя - нагрузка в такой схеме питается эмнттерньш током транзистора. Оценивая возможности ускоренного переключения биполярных транзисторов по оптическим каналам, отметим очевидную особенность развития переходных процессов в рассматриваемых схемах (рис. 3,17), особенно существенную при значительной емкостной нагрузке Сн. При освещении фотодиодов транзисторы открываются н в цепях нагрузки оптоэлектронных переключателей (рис. 3.17,о, « и г) возникают значительные токи, способные быстро перезарядить емкости Сн. Ответвление коллекторного (в схемах рис 3 17,а и в) В эмиттерного (в схеме рис. 3.17,?) тока в электрические цепи с ре- зисторами Rs снижает скорость включения транзисторов (см. также диаграмму на рис. 3.17,6). Сохранение высокой скорости развития переходных процессов при включении транзисторов достигается использованием сравнительно высокоомных компонентов Rs- Однако при значительном их сопротивлении существенно возрастает длительность выключения оптоэлектронных каскадов (рис. 3.-17), пропорцио-, нальная постоянной времени RnCs. Рис. 3.18. Схемы быстрого пер ключения биполярных транзист ров по оптическим каналам  Специальное внимание следует уделить условиям быстрого Переключения транзисторов по базовым цепям. Включение эмиттерного р-га-перехода эффективно форсируется фототоком /ф; однако при спаде этого тока фотодиод перестает играть заметную роль и не может обеспечить выключение эмиттерного р-га-перехода. В схемах, показанных на рис. 3.17, этим целям служат резисторы Ra относительно небольшого сопротивления. Очевидно, однако, что использование низкоомных базовых резисторов Re затрудняет быстрое включение транзисторов. Более эффективны.м оказывается управление транзисторным каскадом по двум оптическим каналам (рис. 3.18,в). И в этом случае токи iri и 1г2 формируются попеременно. Открытый оптрон 0Д1, обеспечивая фототок /ф1, форсирует включение транзистора; при этом оптрон 0Д2 закрыт. В свою очередь, возбужденный оптрон 0Д2 (при закрытом оптроне 0Д1) создает фототок /ф2, выключающий эмиттерный р-п-переход транзистора.   противоречие подобного плана затрудняет построение быстродействующих оптоэлектронных переключателей с резисторами нагрузки Rm неизменного сопротивления. Более эффективным оказывается применение в цепях нагрузки нелинейных (в первую очередь, транзисторных) компонентов. Обеспечивая быстрое переключение биполярных транзисторов по оптическим каналам, выделим схему (рис. 3.18,а) с низкоомными ; цепями нагрузки. В такой схеме инерционные факторы, связанные с емкостью нагрузки Сн, не проявляются. Выходными сигналами являются перепады эмиттерного и коллекторного токов. При формировании выходного сигнала напряжения С/н(0 быстрое развитие переходных процессов достигается при каскодном со- f единении транзисторов (рис. 3.18,6). Управляющие токи iri и iri J j действуют поперемсипо (как иа рис. 3.16,6). Если формируется ь перепад тока In, то включаются оптрон 0Д1 п транзистор Г/. Значительный эмиттерный ток h\ этого транзистора быстро заряжает емкость нагрузки Сн, и на выходе оптоэлектронного переключателя формируется положительный перепад напряжения С/н(0- При возникновении тока ir2 открываются оптрон 0Д2 н транзистор Т2. Создается большой коллекторный ток /„2, который и форсирует разрядку емкости Сн. Транзистор Т1 в этом случае закрыт и не задерживает развитие переходных процессов. В результате на выходе оптоэлектронного переключателя формируется отрицательный перепад напряжения Un(t). / 3.4. ПЕРЕХОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ ДИОДНЫХ ОПТРОНОВ Переключение диодных оптронов происходит под действием сигналов сравнительно большой амплитуды в непрерывно изменяющихся (нелинейных) условиях. Анализ переходных процессов переключения связан в подобных случаях с определенными математическими и методическими трудностями. Целесообразно, на наш взгляд, исследовать процессы переключения поэтапно, выделяя иа первых порах лишь наиболее важные нелинейные и инерционные факторы. Методика анализа переходных процессов базируется на достаточно общих принципах, обоснованных в работах [8, 9].  Рис. 3.19. Модель быстрого переключения малоинерцивнного светодиода Динамика переключения светодиодов. Исследуем реакцию малоинерционного излучателя на перепады тока h в условиях быстрого развития переходных процессов (рис. 3.19). Процессы переключения в этом случае наглядно иллюстрируются фазовой диаграммой, представленной ранее на рнс. 3.15,6. Рассматривая процесс включения светодиода, будем полагать, что в исходном состоянии М ток проводимости излучателя фиксирован на уровне /овм. Согласно принятой модели (рис. 3.19) переключение светодиода в прямом направлении неизменным током /, развивается по дифференциальному уравнению 10-767 Со вйС/с в /dt+XBindl с в » = /с в м-Ь/г (3.4) 145 Здесь и Далее используем эксиоиенциальное преДсгайлёЙйё вольт-амперной характеристики светодиода в форме /св = /ово[ехр (Усв/Уово)-1], (3.5) содержащей параметрическое напряжение Ucao~tn<fT, пропорциональное температурному потенциалу фт. С учетом (3.5) уравнение (3.4) записывается в виде (3.6) Решением нелинейного дифференциального уравнения (3.6) является функция С постоянной времени feci == Сев У<!во/(/свм-f/eie--/r)- (3.8) Перепад напряжения иа светодиоде в процессе его переключе-иия определяется разностью потенциалов Поэтому ооотиошение (3.7) удобно записать в виде = здсв--Сс. "Т св М + с»о + г (3.9а) содержащем интервал <зд c«=Ce.At/o»/{/ei м-4-/в«о+/г). Елтествеино учитывать, что процесс включения светодиода обычно форсируется значительным тсжом /r>/c>i(. При этом условии функция (3.9,а) упрощается: <.= <з.с.-1-св1п7;+5с.1п77 однако и в этом случае искомую зависимость /св(/) не удается выразить в явной форме. Согласно (З.Эб) крутой перепад тока проводимости светодиода I формируется с характерной задержкой (рис. 3.20,о) и существенно S зависит от соотношения а=Т8св/гссв (рис. 3.20,6). Отметим, что J кривые на рис. 3.20 вычерчены для случая ДС/св=20/ово. Если процессы накопления и рассасывания неосновных носителей заряда весьма кратковременны (tscb<tcob), то из формулы (3.96) j получаем, что ток проводимости светодиода нарастает согласно xa-j рактеристике /св С) = /г / (1 + ехр Ссв (3.10) Параметры „ св = СсвДС/св г и Тссв = Ссв/сво г изменяются обратно пропорционально уровню входного тока h. Поэтому в зависимости от величины /г существенно изменяются и задержка формирования, и длительность фронта крутого перепада /св(0  5 10 (i-hf. с8)Ай  ifO 60 Рис. 3.20. Формирование тока /с. в процессе включения светодиода. В частном случае Твс,=тсв. ток пр»водимвсти светодиода формируется согласно характеристике /св (0 = /г 1 - 1 [у/0.25 -f ехр * J" + 0.5 представленной иа рис. 3.20,а, 10* (3.11) 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 |