Фототиристор принцип действия и конструкция

Датчики бывают совершенно разными. Они отличаются по принципу действию, логике своей работы и физическим явлениям и величинам на которые они способны реагировать. Датчики света используются не только в аппаратуре автоматического управления освещением, они используются в огромном количестве устройств, начиная от блоков питания, заканчивая сигнализациями и охранными системами.

Основные виды фотоэлектронных приборов. Общие сведения

Фотоприёмник в общем смысле – это электронный прибор, который реагирует на изменение светового потока падающего на его чувствительную часть. Они могут отличаться, как по своей структуре, так и принципу работы. Давайте их рассмотрим.

Фоторезисторы – изменяют сопротивление при освещении

Фоторезистор – фотоприбор изменяющий проводимость (сопротивление) в зависимости от количества света падающего на его поверхность. Чем интенсивнее освещенность чувствительной области, тем меньше сопротивления. Вот его схематическое изображение.

Состоит он из двух металлических электродов, между которыми присутствует полупроводниковый материал. Когда световой поток попадает на полупроводник, в нём высвобождаются носители заряда, это способствует прохождению тока между металлическими электродами.

Энергия светового потока тратится на преодоление электронами запрещенной зоны и их переходу в зону проводимости. В качестве полупроводника у фоторезисторов используют материалы типа: Сульфид Кадмия, Сульфид Свинца, Селенит Кадмия и другие. От типа этого материала зависит спектральная характеристика фоторезистора

Интересно:

Спектральная характеристика содержит информацию о том, к каким длинам волн (цвету) светового потока наиболее чувствителен фоторезистор. Для некоторых экземпляров приходится тщательно подбирать излучатель света соответствующей длины волны, для достижения наибольшей чувствительности и эффективности работы.

Фоторезистор не предназначен для точного измерения освещенности, а, скорее, для определения наличия света, по его показаниям можно определить светлее или темнее стала окружающая среда. Вольт-амперная характеристика фоторезистора выглядит следующим образом.

На ней изображена зависимость тока от напряжения при различных величинах светового потока: Ф – темнота, а Ф3 – это яркий свет. Она линейна. Еще одна важная характеристика – это чувствительность, она измеряется в мА(мкА)/(Лм*В). Что отражает, сколько тока протекает через резистор, при определенном световом потоке и приложенном напряжении.

Темновое сопротивление – это активное сопротивление при полном отсутствии освещения, обозначается Rт, а характеристика Rт/Rсв – это кратность изменения сопротивления от состояния фоторезистора в полном отсутствии освещения к максимально освещенному состоянию и минимально возможному сопротивлению соответственно.

У фоторезисторов есть существенный недостаток – его граничная частота. Это величина описывает максимальную частоту синусоидального сигнала, которым вы моделируете световой поток, при которой чувствительность снижается на 1.41 раз. В справочниках это отражается либо значением частоты, либо через постоянную времени. Она отражает быстродействие приборов, которое обычно занимает десятки микросекунд – 10^(-5) с. Это не позволяет использовать его там, где нужно высокое быстродействие.

Фотодиод – преобразует свет в электрический заряд

Фотодиод – элемент, который преобразует свет, попадающий на чувствительную зону, в электрический заряд. Это происходит потому что при облучении в p-n переходе протекают различные процессы связанные с движением носителей заряда.

Если на фоторезисторе изменялась проводимость из-за движения носителей заряда в полупроводнике, то здесь происходит образование заряда на границе p-n перехода. Он может работать в режиме фотопреобразователя и фотогенератора.

По структуре он такой же, как и обычный диод, но на его корпусе есть окно для прохождения света. Внешне они бывают в различных исполнениях.

Фотодиоды с черным корпусом воспринимают только ИК-излучение. Черное покрытие – это что-то похожее на тонировку. Фильтрует ИК-спектр, чтобы исключить возможность срабатывания на излучения других спектров.

У фотодиодов, как и у фоторезисторов есть граничная частота, только здесь она на порядки больше и достигает 10 МГц, что позволяет обеспечить неплохое быстродействие. P-i-N фотодиоды обладают большим быстродействием – 100МГц-1ГГц, как и диоды на основании барьера Шоттки. Лавинные диоды имеют граничную частоту в порядка 1-10 ГГц.

В режиме фотопреобразователя такой диод работает как ключ управляемый светом, для этого его подключают в цепь в прямом смещении. То есть, катодом к точке с более положительным потенциалом (к плюсу), а анодом к более отрицательному (к минусу).

Когда диод не освещается светом – в цепи протекает только обратный темновой ток Iобрт (единицы и десятки мкА), а когда диод освещен к нему добавляется фототок, который зависит только от степени освещенности (десятки мА). Чем больше света – тем больше ток.

Фототок Iф равен:

где Sинт – интегральная чувствительность, Ф – световой поток.

Типовая схема включения фотодиода в режиме фотопреобразователя. Обратите внимание на то, как он подключен – в обратном направлении по отношению к источнику питания.

Другой режим – генератор. При попадании света на фотодиод на его выводах образуется напряжение, при этом токи короткого замыкания в таком режиме равняются десятки ампер. Это напоминает работу элементов солнечной батареи, но имеют малую мощность.

Фототранзисторы – открываются от количества падающего света

Фототранзистор – это по своей сути биполярный транзистор у которого вместо вывода базы есть в корпусе окошко для попадания туда света. Принцип работы и причины этого эффекта аналогичны с предыдущими приборами. Биполярные транзисторы управляются количеством тока протекающего через базу, а фототранзисторы по аналогии управляются количеством света.

Иногда на УГО еще дополнительно изображается вывод базы. Вообще напряжения на фототранзистор подают также как и на обычный, а второй вариант включения – с плавающей базой, когда базовый вывод остаётся незадействованным.

В схему включают фототранзисторы подобным образом.

Или меняют местами транзистор и резистор, смотря, что конкретно вам нужно. При отсутствии света через транзистор протекает темновой ток, который образуется из тока базы, который вы можете задать сами.

Задав необходимый ток базы, вы можете выставить чувствительность фототранзистора подбором его базового резистора. Таким образом, можно улавливать даже самый тусклый свет.

В советское время радиолюбители делали фототранзисторы своими руками – делали окошко для света, спилив обычному транзистору часть корпуса. Для этого отлично подходят транзисторы типа МП14-МП42.

Из вольтамперной характеристики видна зависимость фототока от освещения, при этом он практически не зависит от напряжения коллектор-эмиттер.

Кроме биполярных фототранзисторов существуют и полевые. Биполярные работают на частотах 10-100 кГц, то полевые более чувствительны. Их чувствительность достигает нескольких Ампер на Люмен, и более «быстрые» — до 100 мГц. У полевых транзисторов есть интересная особенность, при максимальных значениях светового потока напряжение на затворе почти не влияет на ток стока.

Области применения фотоэлектронных приборов

В первую очередь следует рассмотреть более привычные варианты их применения, например автоматическое включение света.

Схема, изображенная выше – это простейший прибор для включения и выключения нагрузки при определенной освещенности. Фотодиод ФД320 При попадании на него света открывается и на R1 падает определенное напряжение, когда его величина достаточна для открытия транзистора VT1 – он открывается, и открывает еще один транзистор – VT2. Эти два транзистора – это двухкаскадный усилитель тока, необходим для запитки катушки реле K1.

Диод VD2 – нужен для гашения ЭДС-самоиндукции, которое образуется при переключениях катушки. На подводящий контакт реле, верхний по схеме, подключается один из проводов от нагрузки (для переменного тока – фаза или ноль).

У нас есть нормально замкнутый и разомкнутый контакты, они нужны либо для выбора включаемой цепи, либо для выбора включить или отключить нагрузку от сети при достижении необходимой освещенности. Потенциометр R1 нужен для подстройки прибора для срабатывания при нужном количестве света. Чем больше сопротивление – тем меньше света нужно для включения схемы.

Вариации этой схемы используют в большинстве подобных приборов, при необходимости добавляя определенный набор функций.

Кроме включения нагрузки по освещенности подобные фотоприемники используются в различных системах контроля, например на турникетах метро часто используют фоторезисторы для определения несанкционированного (зайцем) пересечения турникета.

В типографии при обрыве полосы бумаги свет попадает на фотоприемник и тем самым даёт сигнал оператору об этом. Излучатель стоит по одну сторону от бумаги, а фотоприемник с обратной стороны. Когда бумага рвётся, свет от излучателя достигает фотоприемника.

В некоторых видах сигнализации используются в качестве датчиков входа в помещение излучатель и фотоприемник, при этом, чтобы излучение не были видны используют ИК-приборы.

Касаемо ИК-спектра, нельзя упомянуть о приемнике телевизора, на который поступают сигналы от ИК-светодиода в пульте дистанционного управления, когда вы переключаете каналы. Специальным образом кодируется информация и телевизор понимает, что вам нужно.

Информация таким образом ранее передавалась через ИК-порты мобильных телефонов. Скорость передачи ограничена, как последовательным способом передачи, так и принципом работы самого прибора.

В компьютерных мышках также используется технология связанная с фотоэлектронными приборами.

Применение для передачи сигналов в электронных схемах

Оптоэлектронные приборы – это приборы которые объединяют в одном корпусе излучатель и фотоприемник, типа описанных выше. Они нужны для связи двух контуров электрической цепи.

Это нужно для гальванической развязки, быстрой передачи сигнала, а также для соединения цепей постоянного и переменного тока, как в случае управления симистором в цепи 220 В 5 В сигналом с микроконтроллера.

Они имеют условно-графическое обозначение, которое содержит информацию о типе используемых внутри оптопары элементов.

Рассмотрим пару примеров использования таких приборов.

Управление симистором с помощью микроконтроллера

Если вы проектируете тиристорный или симисторный преобразователь вы столкнетесь с проблемой. Во-первых, если переход у управляющего вывода пробьет – на пин микроконтроллера попадет высокий потенциал и последний выйдет из строя. Для этого разработаны специальные драйверы, с элементом, который называется оптосимистор, например MOC3041.

Обратная связь с помощью оптопары

В импульсных стабилизированных блоках питания необходима обратная связь. Если исключить гальваническую развязку в этой цепи, тогда в случае выхода из строя каких-то компонентов в цепи ОС, на выходной цепи возникнет высокий потенциал и подключенная аппаратура выйдет из строя, я не говорю о том, что и вас может ударить током.

В конкретном примере вы видите реализацию такой ОС из выходной цепи в обмотку обратной связи (управляющую) транзистора с помощью оптопары с порядковым обозначением U1.

Выводы

Фото- и оптоэлектроника это очень важные разделы в электроники, которые значительно улучшили качество аппаратуры, её стоимость и надёжность. С помощью оптопары можно исключить использование развязывающего трансформатора в таких цепях, что уменьшает массогабаритные показатели. Кроме того некоторые устройства просто невозможно реализовать без таких элементов.

Наименование товара	Цена руб.	Количество
ТФ132-25-10	1570
ТФ132-25-12	1680
ТФ132-25-8	1420

Преимущества и принцип действия фототиристоров

Фототиристор — это полупроводниковый прибор с четырехслойной p-n-p-n структурой, который сочетает в себе свойства тиристора и фотоприемника, при этом способен преобразовывать световую энергию в управляющий импульс. При отсутствии светоизлучающего сигнала, фототиристор закрыт и через него проходит только темновой ток. Открытие происходит при помощи светового потока, который поступает на полупроводниковый p-n слой в корпусе, и создает пары основных носителей электрического заряда. Это приводит к возникновению первичных и общего фототоков. При поступлении освещаемого луча растет эмиттерный ток, а его токовый коэффициент передачи от эмиттера к коллектору является функцией освещенности, которая изменяет ток p-n перехода.

Среди главных достоинств и преимуществ фототиристоров можно выделить следующие особенности:

• высокая нагрузочная способность при малой мощности сигнала управления;
• возможность получать необходимый исходный сигнал без дополнительных каскадов усиления;
• поддержка включенного состояния после снятия сигнала управления;
• увеличенная чувствительность;
• высокое быстродействие.

Световое излучение на p-n-p-n структуру имеет такой же результат, как и действие токового значения управляющего электрода у обычных тиристоров, но световое управление не имеет гальванической связи с силовыми элементами и позволяет использовать управляющий импульс для других целей, например, для установки необходимой чувствительности или температурной стабилизации.

Назначение и выбор фототиристоров ТФ132

Изначально фототиристор ТФ 132, содержащий полупроводниковый компонент оптотиристора ТО132, был разработан для работы в схемах дуговой защиты контактно-распределительного оборудования. Успешное его применение было реализовано в дальнейшем в высоковольтной электроаппаратуре.

Области применения фототиристоров разнообразны: автоматическое управление, контроль производственных процессов, схемы импульсной техники, а также силовые схемы непрерывного действия, которые используют в своем составе фототиристоры. Практически они могут использоваться в любых электрических схемах: мультивибраторы, компенсаторы реактивной мощности, генераторы, усилители, схемы задержки, высоковольтные разновидности электроприводов и тому подобные.

Купить фототиристор ТФ со значением среднего тока в открытом состоянии 25 А и обратным повторяющимся напряжением от 800 В до 1200 В можно на сайте ООО "Компания РУЭЛКОМ" при оформлении заявки на заказ данного товара.

Это тиристоры и симисторы с фотоэлектронным управлением, в которых УЭ заменен оптронной парой (светодиод – фотодиод со схемой управления). Такой прибор потребляет по входу управления ток около 1,5 мА (фирма «Сименс», прибор СИТАК) и коммутирует в выходной цепи ток до 0,3А, при напряжении до 600В. Малое потребление тока управления позволяет подключать СИТАК непосредственно к ТТЛ, МОП-логике (ЛС на рис.4.56) или микропроцессору (МП на рис.4.56) . Пример схемы – на рис.4.56.

Рисунок 4.56 – Схема включения прибора СИТАК

Главное достоинство – полная (гальваническая) развязка цепи управления (логической схемы) и силовой исполнительной сети (сеть 220В и больше).

СИТ – транзисторы (ПТ со статической индукцией)

Создан У. Шекли (США) и Нимизава (Япония) в г.

Структура СИТ – транзистора приведена на рис. 4.57а). По сути это ПТУП, но с вертикальным расположением канала.

а) – структура, б) – обозначение с – каналом

Рисунок 4.57 – СИТ – транзистор

1. При эта структура работает, как БТ.

2. При работает, как ПТ.

Выходные ВАХ приведены на рис. 4.58.

Рисунок 4.58 – Выходные ВАХ для СИТ – транзистора.

На одном кристалле размещают большое количество таких структур и при параллельном соединении , т.е. это уже силовой электронный прибор, который можно использовать в энергетической электронике.

БТ с изолированным затвором (БТ ИЗ). IGBТ (фирма Semikron (Германия) и TOSHIBA Semiconductor – Япония)

БТИЗ выполняют, как сочетание входного МОП транзистора и выходного БТ со структурой n-p-n. Имеется много разновидностей, но наибольшее распространение получили приборы IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), где к БТИЗ добавлен еще БТ со структурой p-n-p – рис. 4.59.

Здесь структура из двух БТ ( ) охвачена глубокой ПОС за счет чего резко увеличивается крутизна (пример: для BUP 402 получено значение крутизны ).

Рисунок 4.59 – Схема замещения транзистора IGBT

В основе IGBT находятся МОП с индуцированным каналом, поэтому необходимо (см. ВАХ для БТ ИЗ на рис.4.42).

Вопросы для самопроверки

1. Какие функции выполняют ПП резисторы в цепях ?

2. Варисторы. Их разновидности. Какие функции выполняют фоторезисторы в электронных цепях ?

3. Как классифицируются ПП диоды ?

4. Какая физика работы выпрямительного ПП диода, его ВАХ и параметры ? Как работает однополупериодный выпрямитель ?

5. Какие явления наблюдаются при рассмотрении переходных процессов переключения диода ? Как уменьшить длительность переключения ПП диода ?

6. Какими свойствами и параметрами диод Шоттки отличается от ПП диода ? Что такое транзистор Шоттки ?

7. Какова ВАХ и свойства стабилитрона и как работает параметрический стабилизатор напряжения ?

8. Как устроены и где применяются туннельные диоды, фотодиоды, светодиоды и ПП лазеры ?

9. Как устроены варикапы и где их примененяют ?

10. Принцип работы гипотетического усилителя. Входная ВАХ для УЭ.

11. Выходные ВАХ для УЭ. Как построить линию нагрузки ?

12. Принципы усиления. Чем отличаютя биполярные и униполярные транзисторы ?

13. Каково устройство и принцип действия БТ ?

14. Соотношение между токами в БТ. Какова сущность α, β ? В каких режимах может работать БТ ? Каковы основные схемы включения БТ ?

15. Статические ВАХ для БТ ? Каковы их особенности ?

16. БТ по схеме ОЭ. Назначение элементов и построение линии нагрузки.

17. БТ по схеме ОЭ. Усилительный режим. Какие особенности работы БТ в ключевом режиме ?

18. Усиление напряжения в каскаде ОЭ и особенности переключения БТ.

19. Применение форсирующей цепи для ускорения переключения БТ. Как оцениваются динамические свойства БТ в активном режиме ?

20. Определение ПТ. Разновидности ПТ. Каково устройство и принцип действия ПТУП ?

21. Устройство и принцип действия ПТИЗ. Чем отличаются МДП- и МОП-структуры ?

22. Передаточные ВАХ для ПТ. Крутизна ВАХ. Обозначения ПТ.

23. Какой вид имеют выходные ВАХ для ПТ (на примере ПТУП) ?

24. Усилитель напряжения на ПТ. Как определить коэффициент усиления ?

25. ДХ для ПТ в процессе включения и выключения.

26. МЭТ. Зачем здесь примененяется ДШ ?

27. Составные транзисторы (БТ) по схемам Дарлингтона и Шиклаи.

28. Какова схема и особенности работы комплементарной пары МОП транзисторов (КМОП) ?

29. Силовые ПП приборы. Определение. Требования. Разновидности.

30. Динисторы. Тиристоры. Симисторы.

31. Фототиристоры и фотосимисторы. В чем их особенности ?

32. СИТ-транзисторы и БТ с изолированным затвором (БТИЗ, IGBT).

Дата добавления: 2018-02-15 ; просмотров: 549 ; ЗАКАЗАТЬ РАБОТУ