6.4 Электрическая модель оптрона

Рассмотрим динамическую модель диодной оптопары: во-первых, диодная оптопара содержит в своем составе два оптоэлектронных прибора – излучаю­щий диод и фотоприемник (фотодиод); соответственно мо­дель оптопары состоит из моделей компонентов; во-вторых, диодная оптопара в классе оптоэлектронных приборов об­ладает наилучшими параметрами изоляции и быстродейст­вием, что определило ее широкое применение.

Динамическая модель излучающего дио­да состоит из источника тока I_д, динамического сопротив­ления диода r_дин (определяется сопротивлениями базы ди­ода, омических контактов и выводов), сопротивления утеч­ки r_ут и емкости диода С_д (в соответствии с рис. 6.7, а.

Источник тока I_д, управляемый напряжением U для излучающего диода обычно описывается выражением, соответствующим кусоч­но-линейной аппроксимации ВАХ диода (в соответствии с рис. 6.7, б. Участок ВАХ ди­ода для напряжений 0<U<U₀ необходимо учитывать в излучающем диоде, из-за сильного влияния барьерной ем­кости диода С_бар1 при этих значениях напряжения U иног­да для снижения значения С_бар1 вводят постоянное прямое напряжение смещения (в соответствии с рис. 6.7, б).

В качестве динамической модели излучающего диода обычно используют модель Эберса-Молла или зарядоуправляемую модель.

Для модели Эберса-Молла имеем соответственно схеме замещения на рисунке 6.6,а.

;

;

;

, (6.2)

где _т = 0,026 В (при Т = 25°С);

 = 0,7  0,75 В.

r_из

Рис. 6.7. Динамическая модель диодной оптопары (а)

и аппроксимация ВАХ излучающего диода (б)

Параметры модели I₀, m, _т можно вычислить из усло­вия аппроксимации статической ВАХ излучающего диода по выражению

, (6.3)

j = 1, 2, 3...,N.

где I_j, U_j – соответствующие j-й экспериментальной точке ВАХ диода значения тока и напряжения диода;

N – число экспериментальных точек.

Вычисления проводят, напри­мер, методом наименьших квадратов.

Модель фотоприемника для фотодиодного режима ра­боты состоит из источника фототока I_ф = k_II_д, источника тока p-n – перехода, управляемого напряжением, I = I₀ехр[(U/m_т)-1] и барьерной емкости фотодиода С_Б2. Следует подчеркнуть, что быстродействие оптопары за­метно ограничивается барьерными емкостями С_Б1, С_Б2. Даже у малоинерционных излучающих диодов С_Б1 = (50  200) пФ; значения емкости фотодиода С_Б2 сущест­венно меньше (1 пФ ÷ 10 пФ), однако она заряжается малым током I_ф, и ее влияние на скорость переключения оптопа­ры также оказывается значительным.

Параметры электрической изоляции оптопары описыва­ются проходной емкостью С_пр и сопротивлением изоляции r_из. Особенно важную роль в динамике работы оптопар иг­рает емкость С_пр. Емкостный ток в цепи изоляции оптопары зависит от скорости изменения напряжения как на входе оптопары, так и на выходе, т. е. возможна электриче­ская обратная связь через проходную емкость и соответст­венно ложное переключение или самовозбуждение устрой­ства.

Разновидностью оптронов является волстрон (в соответствии с рис. 6.8).

Это прибор, содержащий излучатель и фотоприемник, между которыми располагается волоконный световод (длина которого может составлять десятки-сотни метров), представляющий единую конструкцию.

Рис. 6.8. Устройство волстрона