🗊Презентация СИЛОВАЯ И ОПТОЭЛЕКТРОНИКА

СИЛОВАЯ И ОПТОЭЛЕКТРОНИКА

ОСНОВНЫЕ ТЕМЫ ЛЕКЦИИ ТИРИСТОРЫ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ ОПТОПАРЫ ПРИБОРЫ С ЗАРЯДОВОЙ СВЯЗЬЮ

ТИРИСТОРЫ Тиристор (тринистор) – полупроводниковый переключатель, обладающий как высоким напряжением пробоя (до 1000 В и более), так и очень большим коэффициентом усиления тока (до 1000 и более). Слово тиристор происходит от греческого thyra, означающего дверь, и указывает на то, что он может быть открыт (режим насыщения) или закрыт (режим отсечки). Другое название прибора – кремниевый управляемый вентиль (КУВ) – указывает на то, что тиристор ведет себя как диод с дополнительной возможностью управлять мощностью, подаваемой в нагрузку.

Тиристор является четырехслойным кремниевым полупроводниковым прибором (n-p-n-p). Тиристор является четырехслойным кремниевым полупроводниковым прибором (n-p-n-p). Однако его условное графическое обозначение (УГО) выглядит как выпрямительный диод с дополнительным управляющим электродом. Четыре слоя тиристора можно рассматривать как два взаимосвязанных транзистора.

Эквивалентная схема тиристора представляет собой триггер на транзисторах n-p-n и p-n-p – усилитель постоянного тока с глубокой положительной обратной связью (два каскада с ОЭ инвертируют фазу на 360о). Эквивалентная схема тиристора представляет собой триггер на транзисторах n-p-n и p-n-p – усилитель постоянного тока с глубокой положительной обратной связью (два каскада с ОЭ инвертируют фазу на 360о). В исходном состоянии, оба транзистора заперты (находятся в токонепроводящем состоянии отсечки), ток через тиристор определяется очень маленьким тепловым током. При увеличении напряжения между анодом и катодом этот тепловой ток незначительно увеличивается, но все равно остается пренебрежимо малым.

При напряжении на тиристоре, равном пробивному напряжению одного из коллекторно-базовых переходов, ток коллектора этого транзистора протекает через эмиттерно-базовый переход другого транзистора, приоткрывая его. При напряжении на тиристоре, равном пробивному напряжению одного из коллекторно-базовых переходов, ток коллектора этого транзистора протекает через эмиттерно-базовый переход другого транзистора, приоткрывая его. Второй транзистор также открывается, его коллекторный ток протекает через базо-эмиттерный переход первого транзистора, еще больше открывая его. За счет положительной обратной связи происходит лавинообразный процесс открывания двух транзисторов (транзисторы переходят в режим насыщения). В этом состоянии тиристор будет находиться до тех пор, пока напряжение на тиристоре уменьшиться до нуля (или ток через тиристор станет меньше минимального тока удержания состояния насыщения).

На рис. приведена схема включения тиристора, как электронного ключа. На рис. приведена схема включения тиристора, как электронного ключа. Обратный ток управляющего электрода (около 1 мА), протекая через резистор R1 должен создавать падение напряжения, не более «неотпирающего напряжения на управляющем электроде» (примерно 0,2 В).

Прямое напряжение пробоя тиристора (точка 4 на ВАХ) должно быть больше положительного питающего напряжения Е. Прямое напряжение пробоя тиристора (точка 4 на ВАХ) должно быть больше положительного питающего напряжения Е. Для отпирания тиристора необходимо подать на управляющий электрод положительный импульс. Ток через тиристор увеличивается лавинообразно (время включения – единицы мкс) и ограничивается сопротивлением нагрузки (см. точку 1 на ВАХ). Котангенс угла наклона нагрузочных прямых равен сопротивлению нагрузки Rнагр. Падение напряжения на открытом тиристоре 1 ÷ 1,5 В при токе до 10 А. Для запирания тиристора необходимо уменьшить напряжение питания Е.

Для формирования отпирающих импульсов часто используют четырехслойные кремниевые полупроводниковые приборы (n-p-n-p) без управляющего электрода – диодные тиристоры или динисторы. Для формирования отпирающих импульсов часто используют четырехслойные кремниевые полупроводниковые приборы (n-p-n-p) без управляющего электрода – диодные тиристоры или динисторы.

На рис. показана схема регулятора яркости свечения лампы HL на тиристоре VD2. На рис. показана схема регулятора яркости свечения лампы HL на тиристоре VD2. Генератор управляющих импульсов реализован на динисторе VD1. Переменный резистор R2 определяет время заряда конденсатора до пробивного напряжения динистора.

Тиристор управляет мощностью лампы, отрезая начальную часть каждого полупериода (см. третью осциллограмму). Тиристор управляет мощностью лампы, отрезая начальную часть каждого полупериода (см. третью осциллограмму). Эффективное напряжение на лампе HL может изменяться при помощи переменного резистора R2 от нуля до практически полного входного напряжения. Это зависит от времени запаздывания включения тиристора VD2 в каждом полупериоде входного напряжения. Поскольку тиристор и динистор работают от однополярного источника питания, то вся схема запитана от сети переменного тока 220 В через мостовой выпрямитель на диодах VD3…VD6.

Лавинообразное включение тиристора в середине полупериода приводит к большим броскам тока в питающей сети переменного напряжения. Лавинообразное включение тиристора в середине полупериода приводит к большим броскам тока в питающей сети переменного напряжения. Поэтому на входе схемы желательно включать LC-фильтр низких частот для подавления электромагнитных радиопомех. В электрических нагревателях и в других нагрузках с большой инерционностью можно значительно уменьшить помехи, пропуская каждый раз целое число полупериодов, т.е. включая тиристор при переходе через нуль входного переменного напряжения питающей сети. Это позволяет избежать скачкообразных изменений тока, которые и вызывают радиочастотные помехи. Такой способ называют прерывистым запуском или управлением с целым числом периодов. Этот способ, как правило, не подходит для управления яркостью лампы из-за мерцания.

Наличие диодного моста удорожает схему, поэтому более эффективно использовать для регулировки переменного напряжения симметричный тиристор – симистор. В одном корпусе на кристалле кремния реализовано два встречно включенных тиристора. Наличие диодного моста удорожает схему, поэтому более эффективно использовать для регулировки переменного напряжения симметричный тиристор – симистор. В одном корпусе на кристалле кремния реализовано два встречно включенных тиристора.

ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ Фотоэлектрическими называют электронные приборы, преобразующие энергию излучения в электрическую энергию. Такие приборы могут строиться на фотоэффекте как в вакууме или газе, так и в полупроводниках. В современных полупроводниковых фотоэлектри-ческих приборах под действием внешнего света (инфракрасного, видимого диапазона или ультрафиолетового излучения) увеличивается концентрация свободных носителей заряда, а, следовательно, увеличивается проводимость полупроводниковых материалов. Получаемая таким образом проводимость называется фотопроводимостью.

Фоторезистор – полупроводниковый прибор, электрическое сопротивление которого изменяется в зависимости от интенсивности и спектрального состава внешнего светового потока. Фоторезистор – полупроводниковый прибор, электрическое сопротивление которого изменяется в зависимости от интенсивности и спектрального состава внешнего светового потока.

Фотодиод по структуре аналогичен обычному полупроводниковому диоду. Отличие состоит в том, что его корпус снабжен линзой, направляющей световой поток, как правило, перпендикулярно плоскости p-n-перехода. Фотодиод по структуре аналогичен обычному полупроводниковому диоду. Отличие состоит в том, что его корпус снабжен линзой, направляющей световой поток, как правило, перпендикулярно плоскости p-n-перехода. Фотодиод может работать в режиме фотопреобразователя или фотогенератора.

В режиме фотопреобразователя в цепь фотодиода включают источник напряжения Еп для обратного смещения p-n-перехода. В режиме фотопреобразователя в цепь фотодиода включают источник напряжения Еп для обратного смещения p-n-перехода. Если переход не освещен (Ф = 0), то через диод протекает обратный темновой ток. При освещении перехода к темновому току добавляется фототок, значение которого пропор-ционально интенсивности светового потока (Ф) и не зависит от приложенного напряжения.

В режиме фотогенератора фотодиод сам является источником фото-ЭДС, значение которой пропорционально интенсивности светового потока. В режиме фотогенератора фотодиод сам является источником фото-ЭДС, значение которой пропорционально интенсивности светового потока. Типовое значение фото-ЭДС кремниевого фотодиода составляет Uхх = 0,5 ÷ 0,55 В, а значение тока короткого замыкания при среднем солнечном освещении равно Iкз = 20 ÷ 25 мА/см2. На основе последовательного и параллельного соединения фотодиодов строятся солнечные батареи для автономного питания электронной аппаратуры или заряда гальванических аккумуля-торов.

Фототранзистор имеет структуру, аналогичную структуре биполярного транзистора. Фототранзистор имеет структуру, аналогичную структуре биполярного транзистора. Световой поток воздействует перпендикулярно плоскости эмиттерного p-n-перехода, генерируя в базе пары носителей заряда.

Неосновные для базы носители заряда притягива-ются коллекторным переходом, увеличивая коллекторный ток. Уход из базы неосновных зарядов создает в ней нескомпенсированный объемный заряд основных носителей. Неосновные для базы носители заряда притягива-ются коллекторным переходом, увеличивая коллекторный ток. Уход из базы неосновных зарядов создает в ней нескомпенсированный объемный заряд основных носителей. Этот заряд снижает потенциальный барьер эмиттерно-базового перехода. В результате проис-ходит увеличение количества носителей заряда, инжектируемых эмиттером в область базы, а, следовательно, и увеличение коллекторного тока. Вольт-Амперные характеристики фототранзистора, используемого без вывода базы, аналогичны характеристикам биполярного транзистора, включенного по схеме с ОЭ. Отличие состоит в том, что управляющим парамет-ром является не ток базы, а световой поток Ф.

Внутренний фотоэффект в полупроводнике используется для построения фототиристоров и других полупроводниковых фотоприборов. Внутренний фотоэффект в полупроводнике используется для построения фототиристоров и других полупроводниковых фотоприборов. Важной характеристикой всех фотоэлектронных приборов является зависимость фотоэффекта от диапазона частот светового потока. Большинство полупроводниковых фоточувствитель-ных элементов имеют максимальную чувстви-тельность в инфракрасном диапазоне. С меньшей чувствительностью они могут работать и в видимом диапазоне оптического излучения.

ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ Оптоэлектронные приборы построены на основе светоизлучающих диодов (СИД). Рабочим участком СИД является прямая ветвь ВАХ. При протекании через диод прямого тока происходит инжекция неосновных носителей заряда (электронов и дырок) в базовую область диодной структуры. Инжектированные неосновные носители заряда рекомбинируют. При этом они переходят с более высокого энергетического уровня на более низкий, а избыточная энергия выделяется в виде кванта света. Длина волны излучения λ связана с изменением энергии электрона ΔЕ при таком «оптическом» переходе соотношением: λ = h • c / ΔЕ, где: h – постоянная Планка; с – скорость света.

Обычно ΔЕ почти равно энергетической ширине запрещенной зоны Eg полупроводника, на основе которого изготовлен диод. Обычно ΔЕ почти равно энергетической ширине запрещенной зоны Eg полупроводника, на основе которого изготовлен диод. Диапазон длин волн видимого глазом света составляют 450 нм < λ < 680 нм. Поэтому для светоизлучающих диодов используются полупроводниковые материалы со сравнительно большой шириной запрещенной зоны: Eg > 1,8 эВ. Основными материалами для изготовления светоизлучающих диодов являются: фосфид галлия, карбит кремния и твердые растворы, имеющие состав: галлий-мышьяк-фосфор и галлий-мышьяк-аллю-миний. Путем добавления в полупроводниковый материал атомов веществ-активаторов можно изменять в некоторых пределах цвет излучения диода. Например, в зависимости от концентрации цинка и азота в фосфиде галлия цвет свечения может изменяться от красного до зеленного.

Основные параметры светоизлучающих диодов: Основные параметры светоизлучающих диодов: Сила света Iv – излучаемый диодом световой поток, приходящийся на единицу телесного угла в направлении, перпендикулярном к плоскости излучающего кристалла. Указывается при заданном значении прямого тока и измеряется в канделах; Яркость L – величина, равная отношению силы света к площади светящейся поверхности. Измеряется в канделах на квадратный метр при заданном токе через диод; Постоянное прямое напряжение Uпр – значение напряжения на светодиоде при протекании постоянного прямого тока;

Максимально допустимый постоянный прямой ток Iпр_макс – максимальное значение постоянного прямого тока, при котором обеспечивается заданная надежность при длительной работе диода; Максимально допустимый постоянный прямой ток Iпр_макс – максимальное значение постоянного прямого тока, при котором обеспечивается заданная надежность при длительной работе диода; Максимально допустимое обратное напряжение Uобр_макс – максимальное значение постоянного напряжения, приложенного к диоду, при котором обеспечивается заданная надежность при длительной работе диода; Максимум спектрального распределения λмакс – длина волны светового излучения, соответствующая максимуму спектральной характеристики излучения диода.

Вольт-Амперная характеристика светоизлучаю-щего диода аналогична характеристике обычного выпрямительного диода, но типичные значения прямого падения напряжения на светоизлучающем диоде: Uпр = 1,5 ÷ 2,5 В. Вольт-Амперная характеристика светоизлучаю-щего диода аналогична характеристике обычного выпрямительного диода, но типичные значения прямого падения напряжения на светоизлучающем диоде: Uпр = 1,5 ÷ 2,5 В. Светодиоды обладают высоким быстродействием. Излучение нарастает за время менее 10-8с после подачи импульса прямого тока. Светодиоды применяются как элементы индикации, линейные светящиеся шкалы, знакосинтезирующие матрицы, или точечные матрицы для отображения произвольной информации. В настоящее время светодиоды применяются также как осветительное оборудование, имеющее по сравнению с лампами накаливания и электролю-минесцентными лампами практически неограни-ченный ресурс и значительно больший КПД.

ОПТОПАРЫ Оптоэлектронные приборы – оптопары содержат одновременно источник и приемник световой энергии. Для оптопары как входным, так и выходным парамет-ром является электрический сигнал, причем гальваническая связь между входной и выходной цепями отсутствует. В качестве излучателя оптопары могут быть использованы инфракрасный излучающий диод, светоизлучающий диод, люминесцентный излучатель или полупроводниковый лазер. Наибольшее распространение в настоящее время получил инфракрасный излучающий диод, что объясняется простотой его структуры и высоким КПД. В качестве приемника оптопары широко используются фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы, фототиристоры и др.

Отличительным признаком оптопар с открытым оптическим каналом является возможность управления извне количеством излучения, попадающим от излучателя к фотоприемнику. Отличительным признаком оптопар с открытым оптическим каналом является возможность управления извне количеством излучения, попадающим от излучателя к фотоприемнику. Существует две разновидности оптопар с открытым оптическим каналом: с прямым прохождением лучей от излучателя к приемнику и с отражением лучей внешним объектом. В первом случае излучатель и приемник расположены напротив друг друга. В зазоре между ними помещается светоне-проницаемая подвижная преграда, с помощью которой можно управлять световым потоком.

Для оптопары с отражением лучей оптические оси излучателя и фотоприемника расположены под некоторым углом или параллельно друг другу. Для оптопары с отражением лучей оптические оси излучателя и фотоприемника расположены под некоторым углом или параллельно друг другу. При отсутствии отражающего объекта энергия светодиода рассеивается в пространстве, не попадая на фотоприемник. При появлении светоотражающего объекта отраженный луч направляется на приемник, вследствие чего возникает электрический сигнал о появлении объекта с определенными свойствами.

Оптопары с закрытым оптическим каналом осуществляют гальваническую развязку между отдельными узлами или компонентами. Оптопары с закрытым оптическим каналом осуществляют гальваническую развязку между отдельными узлами или компонентами. Отличительной особенностью таких оптопар является однонаправленность распространения сигналов при практически полном отсутствии обратной связи с выхода на вход. По функциональному назначению оптопары с закрытым оптическим каналом можно разделить следующим образом: оптоэлектронные каналы передачи аналоговых или цифровых сигналов с гальванической развязкой;

оптоэлектронные коммутаторы аналоговых сигналов; оптоэлектронные коммутаторы аналоговых сигналов; оптоэлектронные реле, предназначенные для гальванической развязки сигнальных управляющих систем от выходных цепей мощных исполнительных механизмов. Входные цепи этих оптопар обычно согласованы с типовыми логическими сигналами интегральных схем или микропроцессоров, а выходные параметры определяются свойствами исполнительных механизмов или мощных полупроводниковых ключей (тиристоров, симисторов и др.)

ПРИБОРЫ С ЗАРЯДОВОЙ СВЯЗЬЮ ПЗС – полупроводниковый прибор, имеющий большое число близко расположенных и изолирован-ных от подложки затворов, под которым может происходить перенос к стоку информационных пакетов неосновных носителей заряда, либо инжектированных из истока, либо возникших в подложке при воздействии оптического излучения. ПЗС – это полупроводниковый прибор, представляющий собой семейство полевых транзисторов. Так как единый (непрерывный) проводящий канал между истоком и стоком отсутствует, а движение заряда происходит от затвора к затвору, то для реализации такого движения необходимо подавать соответствующие управляющие напряжения.

Структура ПЗС Структура ПЗС

ПЗС выполнен на подложке из n-кремния и имеет две высоколегированные р+-области, используемые как Исток и Сток. ПЗС выполнен на подложке из n-кремния и имеет две высоколегированные р+-области, используемые как Исток и Сток. Между этими областями расположены семь затво-ров: находящийся непосредственно возле Истока – управляющий затвор и шесть динамических затворов, необходимых для переноса зарядов неосновных носителей от Истока к Стоку. Динамические затворы соединены попарно, образуя три секции переноса. Для нормальной работы ПЗС на секции переноса подаются ступенчатые напряжения, причем уровень одной ступени положительный, а у двух других – отрицательные. Уровни напряжений циклически изменяются, создавая в теле подложки сдвигающиеся вслед за изменением ступенчатого напряжения точечные индуцированные каналы.

В этих микроканалах происходит передача неосновных для подложки носителей заряда (в рассматриваемом случае – дырок). В этих микроканалах происходит передача неосновных для подложки носителей заряда (в рассматриваемом случае – дырок). В момент времени t1 на управляющий затвор подано напряжение Uупр, значение которого определяет величину заряда, передаваемого через индуцированный точечный канал под управляющим затвором от Истока к первому микроканалу переноса. На затвор следующей секции переноса подано положительное напряжение, что препятствует образованию микроканала под этим затвором. Поэтому заряд не может двигаться далее первой секции. В следующий момент времени t2 напряжение с управляющего затвора снимается, а заряд перемещается из первой секции во вторую, потому что в ней индуцирован микроканал с большей проводимостью, чем в первой секции.

В каждый следующий момент времени (t3 и далее) заряд перемещается вправо на одну секцию по индуцированным микроканалам. В каждый следующий момент времени (t3 и далее) заряд перемещается вправо на одну секцию по индуцированным микроканалам. Напряжение на управляющий затвор Uупр для формирования величины очередного заряда подается один раз на три цикла передачи (в моменты времени t1, t4, t7 и т.д.). Через шесть тактов заряд из последней секции передается на вывод Стока. Таким образом ПЗС способен передавать фиксированные порции электрического заряда от Истока к Стоку, причем величина заряда определяется значением управляющего напряжения Uупр, а время задержки передачи зависит от количества секций с динамическими затворами и частоты формирования сигналов переноса.

Выбор этой частоты определяется следующими ограничениями: Выбор этой частоты определяется следующими ограничениями: Очевидно, что хранение заряда в микроканале сопряжено с его потерей вследствие тепловых токов утечки в полупроводнике подложки. Поэтому с понижением частоты сигналов переноса, величина заряда, достигающая стока, уменьшается. Следовательно, с точки зрения увеличения коэффициента передачи частота сдвига должна увеличиваться. Однако увеличение этой частоты наталкивается на ограничения, связанные с конечным временем перетекания объемного заряда из одного микро-канала к другому. Поэтому реальная частота сигналов сдвига имеет ограничения как сверху, так и снизу и лежит в диапазоне от десятков килоГерц до десятков МегаГерц.

В современных ПЗС число секций переноса может превышать миллион. В современных ПЗС число секций переноса может превышать миллион. ПЗС обладают исключительной функциональной широтой: пожалуй, кроме генерации сигналов, они могут выполнять любые действия, связанные с накоплением и преобразованием информации, производить аналоговую и цифровую обработку информации, на ПЗС реализуют линии задержки, фильтры, динамические запоминающие устройства и др. Объединение ПЗС с фоточувствительными элемен-тами позволяет на одном кристалле реализовать преобразование оптического изображения в аналоговый или цифровой видеосигнал.

Фото-ПЗС являются основным чувствительным элементом в цифровых фотоаппаратах, видеокамерах и сканерах. Фото-ПЗС являются основным чувствительным элементом в цифровых фотоаппаратах, видеокамерах и сканерах. Преимущества фото-ПЗС по сравнению электронно-лучевыми трубками: минимальные габариты и малая потребляемая мощность (что позволяет встраивать видеокамеры в даже сотовые телефоны), возможность получения жесткого растра без геометрических искажений, возможность обработки информации непосред-ственно на кристалле, нечувствительность к электромагнитным полям и др.

Вопросы для экспресс-контроля

Вопросы для экспресс-контроля 6. 

ЛЕКЦИЯ ОКОНЧЕНА СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ