Запитання для самоперевірки

1. Де застосовують мультивібратори?

2. Від чого залежать частота і щільність імпульсів мультивібратора?

3. Де застосовують тригери?

4. У чому відмінність у роботі синхронних тригерів від асинхронних і Т-тригерів від D-тригерів?

5. Де застосовують лічильники імпульсів?

6. У якій системі числення працюють лічильники імпульсів?

7. Які особливості мають підсумовуваючі, віднімаючі і реверсивні лічильники імпульсів?

8. Чим відрізняються синхронні й асинхронні лічильники імпульсів?

9. Як улаштований і працює двоїчний трирозрядний цифровий лічильник імпульсів на D-тригерах?

10. Як улаштований і працює двоїчно-десятковий цифровий лічильник імпульсів на ІМС?

РОБОТА 6

Фото-оптоелектронні прилади та пристрої

Мета роботи

1. Вивчити типи, властивості та схеми вмикання фото- і оптоелектронних приладів.

2. Ознайомитися з принципом дії і побудовою вимірювальних фото-оптоелектронних пристроїв.

3. Досліджувати роботу фотоелектронного аналізатора прозорості різних матеріалів.

Основні теоретичні положення

Дія фотоелектронних приладів, що перетворять оптичне випромінювання ультрафіолетового, видимого та інфрачервоного спектрів, засновано на використанні зовнішнього і внутрішнього фотоефектів.

Зовнішній фотоефект або фотоелектронна емісія супроводжується виходом електронів з поверхні провідника під впливом енергії оптичного випромінювання, що використовують у вакуумних і газорозрядних приладах.

Внутрішній фотоефект – зміна концентрації вільних носіїв заряду в напівпровідниках за рахунок енергії випромінювання. Це викликає зміну провідності однофазних напівпровідників – резистивний чи фотоефект і виникнення фото-ЕРС на p-n переході – фотогальванічний ефект. Прилади, що використовують ці явища, називають фотоперетворювачами, чи фотоприймачами, що можуть працювати в утворювальному чи генераторному режимах.

Фоторезистори - напівпровідникові фотоприймачі, опір яких залежить від освітленості. Основою фоторезистора є смужка напівпровідникового матеріалу 1 із двома зовнішніми кінцівками 2, яка встановлена в діелектричному корпусі 4 із прозорим вікном 3 (рис. 6.1, а).

При відсутності світлового потоку Ф концентрація носіїв у напівпровідниковому шарі мала і, відповідно, опір фоторезистора великий. Збільшення світлового потоку Ф викликає ріст концентрації зарядів у напівпровіднику за рахунок внутрішнього фотоефекта і, відповідно, фотоструму в колі I_ф (рис. 6.1, б), що випливає з ампер-вольтних характеристик I_ф(U) при Ф = const та світловій чи люксамперній характеристики I_ф(Е) при U = const (рис. 6.1, в, г).

а б в г

Рис. 6.1. Фоторезистор:

а - будова; б - схема вмикання; в - ампер-вольтні характеристики; г – світлова характеристика.

Фоторезистори володіють инерційністю при зміні світлового потоку, а їх опір залежить від температури.

Фотодіоди – двошарові напівпровідникові фотоприймачі з одним р-n переходом, у якому світловий потік Ф керує їхнім зворотним струмом. Наявність в корпусі фотодіода прозорого вікна 1, через яке світловий потік Ф влучає в область р-n переходу, викликає генерацію додаткових носіїв заряду та збільшення фотоструму I_ф (рис. 6.2, а).

+

а б в

Рис. 6.2. Фотодіод: а – пристрій; б – умовне позначення; в – схема вмикання.

Рис. 6.3. Схема вмикання фотоелемента.

Фотодіод може працювати в утворювальному режимі з зовнішнім джерелом живлення, які вмикають зворотною полярністю до р-n переходу (рис. 6.2, в), або у генераторному режимі, коли енергія світлового потоку Ф перетворюється в електричну без зовнішнього джерела, і їх називають фотоелементами (рис. 6.3). Виникаюча при цьому фото-ЕРС Е_ф залежить від світлового потоку Ф и матеріалу напівпровідника. Фотоелементи застосовують як сонячні перетворювачі - батареі з ККД, що досягає декількох десятків відсотків. Сонячні батареї збирають з окремих фотоелементів, що з'єднують між собою для забезпечення необхідної напруги і струму навантаження.

Фототранзистори – тришарові напівпровідникові фотоприймачі з двома р-n переходами, фотострум яких під дією ЕРС джерела живлення залежить від світлового потоку Ф (рис. 6.4). Фототранзистори можуть бути біполярними і польовими. Вони відрізняються від звичайних транзисторів наявністю прозорого вікна для освітлення світловим потоком області бази або затвора, у яких утворюються нові носії заряду, створюючи фотострум I_ф колектора або стока.

+

а б в

Рис. 6.4. Схема вмикання фототранзистора.

Рис. 6.5. Фототиристор: а – умовне позначення; б – схема вмикання; в - ампер-вольтні характеристики.

Фототиристори – чотиришарові напівпровідникові фото­прий­мачі, керовані світловим потоком. За аналогією з керованими тиристорами у фототиристорах світловий потік Ф, створює нові носії зарядів, що сприяє його вимиканню при напругах U, які менші за напругу вмикання U_вм при відсутності світлового потоку Ф = 0 (рис. 6.5, а, б, в).

Фототиристори використовують в автоматичних системах вмикання електричних кіл світловими сигналами при відсутності електричного зв'язку між колами керування і приймачами.

Оптоелектронні прилади – комбіновані напівпровідникові прилади з світловипромінювачем і фотоприймачем. Світловипромінювач перетворює електричний вхідний сигнал у світловий, котрий впливає на фотоприймач і створює в ньому електричний вихідний сигнал оптоелектронного приладу. Зв'язок входу з виходом здійснюється світловими сигналами, чим виключається електричний зв'язок між ними. Коло світловипромінювача є керуюче, а коло фотоприймача – кероване. Електричні сигнали перетворюються у світлові світловипромінювальними діодами.

Світловипромінюючі діоди або світлодіоди - двошарові напівпровідникові прилади з одним р-n-переходом, які перетворюють електричну енергію в енергію електромагнітного випромінювання видимого, інфрачервоного або ультрафіолетового діапазону.

Світлодіод складається з кристала напівпровідника, у якому концентрація електронів у n-області більше концентрації дірок у р‑області (рис. 6.6, а).

Рис. 6.6. Світлодіод:

а – пристрій; б – схема вмикання.

При вмиканні світлодіода в електричне коло через р‑n‑пере­хід виникає прямий струм I_пр, обумовлений в основному еле­к­т­ро­­нами (рис. 6.6, б). Частина електронів рекомбінують у p‑області з дірками, що супровод­жу­ється виділенням енергії у виді фотонів світла - оптичного випро­мі­ню­вання визначеного спектрального складу, що залежить від матеріа­лу напівпровідника. Для повного збору світлового пучка заданої спрямованості з базової n‑області напівпровідник поміщають у напів­сферичний корпус з фокусуючими лінзами. Застосовують світлодіоди, що випромінюють жовтий, червоний і зелений колір, яскравість світіння яких залежить від прямого струму. Існують світлодіоди кольорового світіння, які змінюють та перетворюють колір і яскравість в залежності від співвідношення струмів через переходи.

Оптоелектронні прилади виконують у виді єдиної конструк­тивної пари зі світловипромінювача і фотоприймача, називаної оптопарою або оптроном. У залежності від типу використовуваного фотоприймача, оптопари бувають резисторні, діодні, транзисторні, тиристорні й т. ін. (рис. 6.7). В оптронах випромінювач і фотоприймач розташовують в одному або в різних корпусах. В останніх вони з'єднуються між собою волоконо-оптичним кабелем.

а б в г

Рис. 6.7. Умовне позначення оптронів з оптопарами:

а – резисторної; б – діодної; в – транзисторної; г – тиристорної.

У резисторній оптопарі світлодіод-фоторезистор на світло­діод подається напруга вхідного сигналу U_вх, що викликає зміну його світлового потоку, яка, впливаючи на фоторезистор, керує його фотострумом I_ф і, отже, вихідною напругою (рис. 6.8). Фоторезисторні оптрони мають лінійну вихідну ампер-вольтну характеристику, але відрізняються знач­ною інерційністю.

Рис. 6.8. Схема вмикання резисторної оптопари.

Фототранзисторні оптрони мають велику швидкодію і коефіцієнт передачі струму. Фототиристорні оптрони використовують як безконтактні комутатори силових ланцюгів.

Істотно підвищити чутливість і швидкодію оптопар можливо за рахунок застосування лазерів як випромінювачей, оптоелектронних інтегральних мікросхем, а також оптронів з керованими оптичними каналами.

Фото-оптоелектронні вимірювальні прилади складаються з оптичного і вимірювального каналів, у яких перетворення неелектричних величин в електричні здійснюють фото-оптоелектронні перетворювачі. Оптичний канал складається з оптичного випромінювача лампи розжарювання або світловипромінюючого діода, фокусируючей оптичної системи і фотоперетворювача. Вимірювальний канал підсилює електричний сигнал фотоперетворювача пропорційно вимірюваній неелектричній величині.

Фото-оптоелектронні вимірювальні прилади застосовують для контролю параметрів різних технологічних процесів. Розрізняють методи поглинання і відображення світлового потоку Ф. Розташування контрольованого об'єкта в оптичному каналі залежить від використовуваного методу виміру світлового потоку.

Методи поглинання використовують залежність світлового потоку Ф від оптичної прозорості F(D), положення, переміщення в просторі і геометричних розмірах непрозорих об'єктів і змін світлового потоку випромінювача від напруги живлення F(U), (рис. 6.9, а, б).

.

а б в

Рис. 6.9. Фотоелектронні пристрої, що використовують методи:

а, б – поглинання; в – відображення.

Відображений світловий потік характеризує зміни здатності об'єктів, що відображає. Цим методом визначають засміченість, скловидність зерна, білизну або стан поверхні матеріалів після механічної обробки й ін. (рис. 6.9, в).

На характеристики фотоперетворювача має суттєвий вплив навколишнє середовище: температура, запиленість, вібрація і т. ін. Для його зниження застосовують світловоди, волоконо-оптичні кабелі, по яких світловий потік, що пройшов або був відображений, передається у фотоперетворювач, вилучений з контрольованої зони.

Світловий потік випромінювача Ф₀, проходячи скрізь контрольоване середовище з різною оптичною прозорістю D = Ф/Ф₀, зменшується за рахунок поглинання або відображення. У результаті на фотоперетворювач влучає потік Ф і викликає в ньому фотострум I_ф

I_ф = S Ф = S D Ф₀,

де S – інтегральна чутливість фотоперетворювача, .

Фотострум I_ф вимірюється і перетворюється у вимірювальному каналі у вихідну напругу

U_вих = К S D Ф₀ = А D,

де А = К S Ф₀ = const – інтегральна характеристика перетворення фото-оптоелектронного приладу,

К – коефіцієнт підсилення вимірювального каналу.

Це дозволяє шкалу реєструючого приладу градуювати у відносних величинах параметрів, що контролюються, використовуючи еталонні фільтри різної оптичної прозорості D.