Продолжение предыдущего урока 15 о нелинейных сопротивлениях, начнем с фоторезисторов.
Фоторезисторы
Чтобы избежать необходимости применения силового трансформатора питания схемы, через мост на диодах V6-V9 пропускается ток включенного в сеть конденсатора С2 емкостью 0,5 мкФ (это около 30 мА), и напряжение на нагрузке стабилизируется на уровне 18 В двумя последовательно включенными стабилитронами ДHf,jnf 809. (снижается. Ниже пример внешнего вида фоторезисторов ФСК-1 (слева, в пластмассовом корпусе) и ФСК-Г1 (справа, в металлическом корпусе).
Фоторезисторы обычно применяются в автоматах включения местного освещения с наступлением темноты. Ниже схема автомата, отключающего уличное освещение с наступлением рассвета и включающего с наступлением темноты.
В темное время суток через фоторезистор R1 типа ФСК-1 (обратите внимание - раз это резистор, то и нумерация общая с прочими резисторами) протекает маленький темновой ток, транзистор V1 (эмиттерный повторитель) заперт, реле К1 находится в несработавшем состоянии, и через НЗ (нормально закрытые) контакты реле лампа уличного освещения Н1 подключена к сети 220 В.
По мере поднятия освещенности ток через фоторезистор увеличивается, открывается транзистор V1, срабатывает реле К1 и освещение выключается.
Чтобы избежать необходимости применения силового трансформатора питания схемы, через мост на диодах V6-V9 пропускается ток включенного в сеть конденсатора С2 емкостью 0,5 мкФ (это около 30 мА), и напряжение на нагрузке стабилизируется на уровне 18 В двумя последовательно включенными стабилитронами Д809. (Работа схемы стабилизатора на стабилитроне описана в уроке 10).
Диодный ограничитель
Вернемся к п/п диодам - они ведь тоже нелинейные сопротивления. С одним из свойств диода (помимо основного назначения - выпрямления или детектирования переменного напряжения) - ограничением напряжения - мы познакомились в уроке 10, рассматривая схему ограничителя, применявшимся радиолюбителями для повышения коэффициента модуляции при установлении радиосвязи.
Ниже в расширение темы еще одна схема диодного ограничителя на германиевых диодах Д9Б в схеме микрофонного усилителя любительского трансивера (устройства, работающего и как приемник, и как передатчик).
ВАХ германиевого диода более округлая, чем у кремниевого, и обеспечивает более плавный переход в ограничение, с меньшим количеством гармоник. (Здесь, в отличие от ранее рассматривавшейся в уроке 10 схемы, после ограничителя не стоит фильтр НЧ с частотой среза 3 кГц). Сигнал ограничивается до уровня 100-200 мВ.
Дополнительная регулировка уровня выходного сигнала от нуля до порога ограничения диодов производится переменным резистором R4. Налаживание микрофонного усилителя сводится к подбору значения сопротивления резистора R2, при котором на коллекторе транзистора VT1 напряжение равно 1/2 Uпит и подбору R6, при котором на эмиттере транзистора VT2 напряжение также равно 1/2 Uпит.
Влияние резисторов в цепи базы транзисторов на ток коллекторе рассматривалось нами в уроке 11, как и необходимость их индивидуального подбора при отсутствии строгой фиксации режима.
Последний каскад усилителя - эмиттерный повторитель (Урок 13), чтобы не нагружать выход ограничителя нагрузкой (входным сопротивлением последующего каскада).
Обратите внимание на новое для нас схемное решение. Входное сопротивление ограничителя на 2 встречно-параллельно включенных диодах Д9Б низкое, и требует разделительного конденсатора большой емкости, порядка 5 мкФ. Чтобы избежать установки в схему габаритного бумажного (неполярного) конденсатора, 2 полярных электролитических конденсатора по 10 мкФ включены встречно-последовательно (что делает сборку неполярной).
Подробнее о подобном включении электролитических конденсаторов можно прочитать по ссылкам:
Все о встречно-последовательном соединении электролитических конденсаторов
Дополнение. Встречное включение электролитических конденсаторов
Далее содержание будет посвящено оптоэлектронике.
Оптоэлектроника
Оптоэлектроника - это сплав оптики и электроники. Оптоэлектронные приборы работают в видимой, инфракрасной (ИК) и ультрафиолетовой (УФ) областях спектра электромагнитных волн.
Физическая основа оптоэлектроники:
- преобразование оптических сигналов в электрические;
- преобразование электрических сигналов в оптические.
Фотодиоды
Фотодиод - это п/п приемник оптического излучения, преобразующий падающий на его фоточувствительную область свет в электрический заряд за счет процессов в p-n переходе. Ниже внешний вид одного из типов фотодиодов.
Ниже ВАХ фотодиода.
У фотодиодов существуют 2 режима работы - собственно фотодиодный и фотовольтаический (фотогальванический). В фотодиодном режиме на p-n переход фотодиода подается запирающее напряжение, и в темноте ток через запертый переход мал. Ток резко возрастает при освещении фотодиода, чем и пользуются на практике.
В фотовольтаическом режиме напряжение на фотодиод не подается - оно само возникает при его освещении светом. Фотовольтаический эффект применяется для измерения интенсивности падающего света или для получения электричества в солнечных батареях.
Фотодиоды используются в устройствах бытовой электроники, таких как проигрыватели компакт-дисков, детекторы дыма, медицинские приборы, а также в приемниках инфракрасных устройств дистанционного управления, используемых для управления оборудованием от телевизоров до кондиционеров.
Миниатюрные фотодиоды, соединенные в батареи, при солнечном освещении вырабатывают электроэнергию для питания радиоприемников, заряда аккумуляторов. Солнечные батареи, составленные из множества фотодиодов, обеспечивают энергией летательные космические аппараты.
Фототранзисторы
У фототранзисторов в области эмиттерного перехода имеется прозрачное окно для пропускания света. При освещении фототранзистора создается ток базы, который усиливается в 50-200 раз в цепи включенной в цепь коллектора нагрузки. Фототранзистор обладает внутренним усилением и оттого более чувствителен к свету, чем фотодиод.
Фототранзистор имеет всего 2 вывода (коллектора и эмиттера), и в выводе базы не нуждается. Но в некоторых моделях вывод базы имеется и обычно служит для смещения начальной рабочей точки прибора подачей в базу некоторого тока.
Ниже изображен фототранзистор с линзой для концентрации падающего света и ограничения области принимаемого света.
Ниже схема включения мощной нагрузки светом. При падении света на фототранзистор Q1 ток появляется в цепи базы транзистора Q2, реле срабатывает, и своими контактами включает нагрузку. При отключении реле при затемнении транзистор Q2 защищен от пробоя уже известным вам способом (Урок 9) посредством диода D1.
Светодиоды
Светодиод (или светоизлучающий диод, LED) - это п/п прибор, преобразующий электрический ток в световое излучение. Процесс свечения диодов в точке контакта металла с п/п кристаллом наблюдался в 1920-х годах, однако пригодные для применения светодиоды были разработаны лишь в 1960-х годах.
В светодиодах в зависимости от материала и технологии изготовления получают красный, оранжевый, зеленый и синий цвета излучения, также выпускаются и инфракрасные (ИК) светодиоды. Ниже ряд светодиодов с различным цветом излучения.
Ниже примеры ВАХ светодиодов в зависимости от материала полупроводника, правее условное обозначение светодиода.
Прямое падение напряжения светодиодов составляет от 1,6 В до 4,5 В, и оно отличается для светодиодов разных цветов; для желтых и красных светодиодов оно составляет 2-2,5 В, для синих, зеленых и белых 3-3,8 В. Германий используется для производства инфракрасных светодиодов, а кремний для производства инфракрасных и красных светодиодов.
Яркость свечения светодиода зависит от протекающего через него тока, который регламентируется от 5 до 100 мА; мощность светового излучения от долей мВт до 10 мВт.
Как и прочие диоды, светодиоды нельзя включать напрямую на источник напряжения - при малом напряжении он не будет светиться, при большем выйдет из строя вследствие превышения допустимого тока, что определяется напряжением отсечки светодиода, а тем самым материалом полупроводника. Напряжение отсечки светодиодов (напряжение, при котором он диод начинает светиться) указывается в технических характеристиках.
В схему светодиод включается через ограничивающее сопротивление либо иную схему с ограничением тока.
Светодиоды применяются в РЭА в качестве индикаторов, что существенно снижает энергопотребление (ранее применялись миниатюрные лампы накаливания). Применяются они в качестве источников света в фонариках, лампах освещения помещений (где они в 6-7 раз экономичнее прежних ламп накаливания), прожекторах уличного освещения, автомобильных фарах.
Другое применение - в фотометрах (приборах для измерения фотометрических величин, таких как сила света и световой поток, степень освещенности, яркость и пр.) и фотоэкспонометрах (приборах для определения экспозиции при фотосъемке, печати и других видах фоторабот).
Ниже простенькая схема, помогающая понять управление светодиодов транзисторами, и также освежить знания о RC-фильтрах НЧ, ВЧ и полосовых (Урок 4).
Эта схема "цветомузыкальной установки" некогда собиралась подростками. На схеме сверху вниз фильтры ВЧ, полосовой и НЧ. Уровень каждого из сигналов регулируется потенциометром, сигналы управляют оконечными транзисторами VT1-VT3, пара светодиодов диодов каждого канала (LED1-LED6) питается напряжением питания через резисторы (R13-R15) номиналом 680 Ом, и открывающиеся транзисторы VT1-VT3. Было принято, исходя из физиологии цветного зрения, что чем выше частота, тем ближе к синему концу спектра следует смещать излучаемый свет, а чем ниже, тем к красному.
Оптрон
Оптрон (или оптопара) - это пара из объединенных в одном непрозрачном корпусе светодиода и фотодиода или фототранзистора. Оптрон - хороший элемент гальванической развязки.
Гальваническая развязка — это способ изоляции электрических цепей друг от друга таким образом, чтобы между ними отсутствовал прямой электрический контакт, но обеспечивалась передача сигналов или энергии посредством электромагнитных полей, оптического излучения или индуктивности.
Цель гальванической развязки — защита оборудования и пользователей от поражения электрическим током, подавление помех и улучшение устойчивости системы к внешним воздействиям.
Если у оптрона оптический канал открыт, можно прерывать его внешней заслонкой и осуществлять модуляцию светового потока, а тем самым и электрических сигналов на выходе. Оптрон можно использовать для контроля/измерения частоты вращения вала, подсчета деталей на конвейере и пр.
На оптронах создаются оптические линии связи.
Ниже простая схема для проверки оптронов.
Проверяемый оптрон подключается к схеме пробника в составе батареи, резистора, выключателя и пары гнезд для подключения мультиметра или тестера в режиме измерения сопротивления. При включении выключателя и исправности оптрона мультиметр показывает некоторое сопротивление за счет протекания через фототранзистор тока, обеспечиваемого источником питания мультиметра и устройством измерения.
При неисправности любого из элементов оптопары мультиметр будет фиксировать большое сопротивление.