Транзисторные оптопары
Транзисторная оптопара выполняется с фотоприемным элементом на базе фототранзистора. Как правило, в оптопарах используются фототранзисторы со структурой п-р-п на основе кремния, чувствительные к излучению с длиной волны около 1 мкм. Излучателями служат арсенидо-галлиевые диоды или диоды на тройном соединении, максимум спектрального излучения которых лежит вблизи области наибольшей чувствительности фототранзистора. Семейство выходных характеристик транзисторной оптопары приведено на рис. 7.11.
Излучательный диод конструктивно расположен так, что большая часть света направляется на базовую область фототранзистора. Излучатель и приемник изолированы друг от друга оптически прозрачной средой.
При отсутствии излучения в цепи коллектора фоторезистора, включенного по схеме с общим эмиттером, протекает обратный темновой ток, аналогичный по происхождению и характеристикам току в обычных биполярных транзисторах.
Обратный темновой ток сильно зависит от температуры. При ее повышении на 10 °С он примерно удваивается. Для уменьшения темнового тока между выводами базы и эмиттера фоторезистора включается внешний резистор с сопротивлением 0,1... 1,0 МОм.
При облучении в базовой области генерируются пары электрон-дырка. Электроны вытягиваются из базы в сторону положительно заряженного коллектора, а дырки остаются в базе и создают положительный заряд. Это эквивалентно возникновению отпирающего тока базы транзистора, вследствие чего ток коллектора также увеличивается.
Соотношение между током базы и коллектора имеет вид
Дых — ^21э^ф.6.>
Где /ф 6 — генерированный излучением фототок в базе фоторезистора; И21 — коэффициент усиления тока.
Таким образом, фоторезистор обладает внутренним усилением фототока К). Наибольшим внутренним усилением обладают оптопары, использующие составные фототранзисторы. Их коэффициент усиления фототока К1 может превышать 1000, однако они имеют худшие показатели быстродействия. Быстродействие обычных диодно-транзисторных оптопар /„ = 2... 4 мкс.
Оптопары можно характеризовать параметром, называемым добротностью:
Этот параметр для различных типов оптопар остается постоянным в широком интервале значений входных токов. Значение добротности зависит от напряжения изоляции При ит= 1...5 кВ,{Э = 0,1...1%мкс-1.
Основные параметры и характеристики входной цепи транзисторной оптопары аналогичны параметрам диодных оптопар, так как в них используются сходные излучатели. Выходные характеристики существенно отличаются от аналогичных оптопар. Зависимость коэффициента передачи тока от входного тока отклоняется от линейной, причем тем больше, чем больше входной ток и чем лучше усилительные свойства фоторезистора.
Типичные зависимости К, от входного тока различных транзисторных оптопар приведены на рис. 7.12. Здесь кривая 1 соответствует диодно-транзисторной оптопаре, кривая 2 — транзисторной оптопаре, кривая 3 — оптопаре с составным фоторезистором. Нелинейность характеристик объясняется тем, что коэффициент усиления транзистора зависит от тока базы и поэтому не является постоянной величиной.
Рис. 7.12. Зависимости коэффициента передачи по току от входного тока для транзисторных оптопар |
При больших входных токах коэффициент передачи по току с повышением температуры линейно уменьшается, как и в случае диодных оптопар. В общем случае характер кривых К, =/(7) определяется зависимостью от температуры квантового выхода как светодиода, так и транзистора. Повышение температуры приводит к возрастанию инерционности транзисторных оптопар. Одновременно увеличивается и темновой ток фотоприемника. Это особенно сильно сказывается в случае оптопар с составными фоторезисторами: при увеличении температуры от 25 до 100°С их темновой ток возрастает в 104...105 раз, а у обычных оптопар — в 102... 103 раз.
Транзисторные оптопары находят применение в аналоговых и цифровых коммутаторах, оптоэлектронных реле, в линиях связи для гальванической развязки и др.