Пьезоэффект и датчики на его основе
Эффект Холла и устройства, выполненные на его основе
Если через две торцевые параллельные стороны тонкой прямо-угольной пластинки полупроводника (рис. 1.1) пропустить ток I, а саму её поместить в магнитное поле напряженностью Н, перпендикулярное плоскости пластинки, то на двух других торцевых сторонах возникает электродвижущая сила (ЭДС) Е:
(1.1)
где k = kx/d – коэффициент, зависящий от материала и толщины пластины d, а kx – постоянная Холла.
Рис. 1.1
Возникновение ЭДС Холла связано с тем, что на движущиеся в магнитном поле заряды действует сила Лоренца. Под действием магнитного поля заряды смещаются перпендикулярно направлению своего движения. Вследствие этого вдоль одной из продольных сторон возникает избыток зарядов одного знака (электронов), а вдоль другой, параллельной первой, накапливается заряд другого знака (дырок). Величина ЭДС Холла, как видно из равенства (1.1), зависит от протекающего через пластину тока I, напряженности H магнитного поля, в котором находится пластина, от её размеров и материала, из которого она сделана. Эффект Холла имеет место как в проводниках, так и в полупроводниках. Но в проводниках величина ЭДС очень мала, что объясняется малой скоростью электронов вследствие их большой концентрации. В чистых полупроводниках обеспечивается более высокая скорость перемещения носителей зарядов и ЭДС Холла в них во много раз больше. Для датчиков Холла используют примесные полупроводники и в зависимости от их электропровод-ности устанавливается та или иная полярность ЭДС Е на выводах пластины (рис. 1.1). В качестве материалов для изготовления кристаллических датчиков Холла применяются различные соединения индия (InAs, InP, InSb), а также германий и кремний. Помимо кристаллических датчиков изготавливаются пленочные, толщина которых в сотни раз меньше и составляет порядка 10–30 мкм. Материалом для таких датчиков служат соединения ртути с селеном (HgSe) и теллуром (HgTe).
|
|
|
Поскольку величина ЭДС Холла пропорциональна произведению тока на магнитную индукцию, то на этом эффекте основаны датчики Холла. Они применяются: для измерения магнитных полей, в качест-ве измерителей тока в системах автоматики, в качестве фазочувствительных детекторов, преобразователей механических перемещений (линейных или угловых) в электрический сигнал и т.д. Датчик Холла в последнее время стал широко применяться в бесконтактной системе зажигания автомобиля. В любой системе зажигания необходим датчик, информирующий о моменте искрообразования. В обычных, контактных системах зажигания эту функцию выполняет механический прерыватель. В современных бесконтактных системах зажигания все большее применение находят датчики Холла, обладающие рядом достоинств, не присущих другим.
|
|
|
Во-первых, малые габариты.
Во-вторых, изменение частоты оборотов двигателя, и следовательно, изменение частоты срабатывания не вызывает сдвиг момента искрообразования.
В-третьих, малое время релаксации (порядка 10–12 – 10–13 с) позволяет формировать выходные сигналы прямоугольной формы и устойчиво работать до частот порядка сотен ГГц.
В-четвертых, величина и форма сигнала достаточно стабильны, он не имеет характерных для контактных систем выбросов и пиков.
В-пятых, независимость энергии искрообразования от частоты вращения коленчатого вала двигателя и колебаний напряжения питания.
Конечно, у датчика Холла имеются и недостатки, к числу каковых можно отнести его чувствительность к электромагнитным помехам, возникающим в цепи питания, относительная дороговизна и недостаточная надежность, повышающаяся, правда, по мере совершенствования конструкции и технологии.
Рассмотрим принцип действия датчика Холла по его упрощенной конструкции в системе зажигания автомобиля (рис. 1.2). Датчик Холла имеет щелевую конструкцию. По одну сторону щели располагается полупроводниковая кремниевая пластина, совмещенная с микросхемой, обрабатывающей сигнал. С другой стороны щели находится постоянный магнит, создающий поле напряженностью Н. При прохождении через кремниевую пластину тока, равного примерно 30 мА, на выводах пластины возникает ЭДС Холла величиной около 2 мВ. Это напряжение поступает в микросхему, которая осуществляет формирование и усиление сигнала. На выходе микросхемы напряжение достигает большой величины, отличающейся от напряжения питания, примерно на минус 3 В. В щели между магнитом и кремниевой пластиной располагают стальной цилиндрической формы экран с прорезями. Число прорезей соответствует числу рабочих цилиндров двигателя. При вращении экрана, когда его металлическая часть оказывается в щели, магнитный поток замыкается через нее и ЭДС индукции Ex равна нулю. Сигнал на выходе датчика (зеленый провод) в этот момент относительно массы (черный провод) имеет высокий уровень, близкий к напряжению питания.
|
|
|
Рис. 1.2
Когда в щели оказывается прорезь экрана, магнитный поток, пронизывая кремниевую пластину, создает в ней максимальное значение ЭДС Холла, а на выходе датчика имеет место низкий, менее 0,4 В уровень напряжения. Образование искры происходит в момент, когда задняя кромка прорези достигает середины пластины датчика. Длительность каждого импульса при конкретной частоте следования определяется размером прорези по окружности экрана. Прорезь, соответствующая первому цилиндру, шире остальных, что позволяет фиксировать начало отсчета.
|
|
|
С помощью датчика Холла и электронной схемы, обрабатывающей его выходной сигнал, могут быть определены три главных входных параметра для системы зажигания. К ним относятся: частота вращения коленчатого вала, его положение относительно верхней мертвой точки для любого цилиндра в произвольный момент времени и положение точки отсчета. Безынерционность датчика и стабильность параметров сигнала позволяют реализовать управление углом опережения зажигания в каждом такте, то есть для каждого цилиндра в отдельности.
Датчики Холла изготавливаются практически только двумя фирмами: Honeywel (Хонивелл) (США) и Siemens (Сименс) (Германия), которые обеспечивают их поставку на все автомобильные заводы в мире.
Кроме датчиков, предназначенных для систем зажигания автомобилей, фирма Honeywel серийно выпускает датчики на основе эффекта Холла, которые применяются в бесколлекторных электродвигателях, измерителях различных величин, сварочном оборудовании, компьютерах и различных приборах бытового назначения.
Пьезоэффект и датчики на его основе
Работа пьезоэлектрических датчиков основана на физическом явлении, называемом пьезоэлектрическим1 эффектом. Этот эффект состоит в том, что при сжатии кристалла в определенном направлении на его гранях возникают электрические заряды разных знаков.
Пьезоэффект был открыт в 1880 г. П. и Ж. Кюри, наблюдавшими его у кварца и некоторых других кристаллов. В настоящее время существует свыше 1500 элементов и соединений, обладающих пьезоэлектрическим эффектом. Различают прямой пьезоэлектрический эффект – возникновение электрической поляризации под действием механического напряжения и обратный пьезоэлектрический эффект – деформация (сжатие или растяжение) кристалла под влиянием электрического поля. Простейшим пьезодатчиком является пластина из пьезоэлектрического материала, зажатая между двумя металлическими обкладками, к которым прикладывается измеряемое усилие.
Возникающая между обкладками ЭДС пропорциональна механическому напряжению (усилию). В вырезанной пластинке кристалла кварца в форме параллелепипеда можно выделить три взаимно перпендикулярные оси симметрии: электрическую, механическую и оптическую (рис. 1.3).
Под действием силы Fх вдоль электрической оси на каждой из граней, перпендикулярной оси Х, появляются электрические заряды. Отметим, что суммарный заряд qx не зависит от размеров пластины, а определяется величиной силы Fx:
(1.2)
где к0 – пьезоэлектрическая постоянная материала, или пьезоэлектрический модуль. Полярность заряда зависит от направления силы по оси Х (сжатие или растяжение). Появление заряда на гранях под действием силы Fx называется продольным пьезоэффектом.
Рис. 1.3
Под действием силы растяжения Fy вдоль механической оси заряд возникает на тех же гранях, что и при действии силы Fx, но знак заряда будет тот же, что при действии силы сжатия Fx. Соответственно сила сжатия Fу вызовет появление заряда на тех же гранях и того же знака, что и сила растяжения Fx. Появление заряда под действием силы Fу называется поперечным пьезоэффектом. Величина заряда под действием Fу уже зависит от размеров пластины:
, (1.3)
где с и d cоответственно длина и толщина пластины. Знак минус означает, что полярность заряда от сил сжатия по осям Х и Y противоположна. Деформации вдоль оптической оси Z не вызывают появления зарядов ни на одной из граней.
Особенностью пьезодатчиков является то, что заряд на гранях исчезает, как только прекращается действие силы. Кроме того, надо иметь в виду, что если сила постоянна, то со временем происходит утечка зарядов. По этой причине пьезоэлектрические датчики используются для оценки динамических процессов, когда переменность механического напряжения вызывает восполнение заряда на гранях.
Малые размеры, безынерционность, активный принцип действия (не требуется внешнего источника электрической энергии) обусловили широкое распространение пьезодатчиков. Они применяются для измерения силы, давления, частоты вращения, ускорения. Рассмотрим схематичное устройство некоторых датчиков.
Датчики давления (усилия) (рис. 1.4) обеспечивают динамическое измерение давления. Конструктивно датчик состоит из кварцевой пластины (2), зажатой между двумя металлическими прокладками (1). Кварцевая пластина отделена от корпуса (4) изолирующей прокладкой (3). Давление, поступающее на крышку, сжимает кварцевую пластинку, на гранях которой появляются заряды. Через контакт (5) снимается возникшая разность потенциалов в виде напряжения U, пропорционального приложенному давлению (усилию):
, (1.4)
где Сд – емкость датчика конденсатора, образованного электродами датчика и кварцевой пластиной; См – емкость монтажа.
Рис. 1.4
Выходное напряжение пьезоэлектрических датчиков составляет от единиц милливольт до единиц вольт. Для усиления выходного напряжения следует применять усилители с весьма большим входным сопротивлением.
Аналогичные пьезодатчики используются в электронно-управляемых дизельных топливных насосах высокого давления для определения начала и конца впрыска (подачи топлива). Датчик регистрирует изменение давления в секции насоса.
Датчик ускорения. На рис. 1.5 представлено схематическое устройство датчика на основе двухслойной пьезокерамики (биморфный упругий элемент). Инерционная масса датчика под действием ускорения вызывает изгибную деформацию, обеспечивающую достаточный по уровню для обработки динамический сигнал.
а) б)
Рис. 1.5
На рис. 1.5,а показано состояние датчика в режиме покоя или равномерного движения. На рис. 1.5,б пластина изгибается, на ее гранях появляется разноименный заряд, определяющий величину разности потенциалов. Такие датчики используются в пусковых устройствах подушек безопасности автомобилей, натяжителях ремней безопасности, устройствах, препятствующих опрокидыванию автомобилей. Предельная частота измерений таким датчиком около 10 Гц.
Датчик детонации1) (рис. 1.6). В качестве таковых также используются датчики ускорения, в основе которых лежит продольный пьезоэффект. Датчик детонации прикрепляется к блоку цилиндров с помощью посадочной втулки в таком месте, чтобы обеспечить оптимальное определение детонации во всех цилиндрах двигателя. Место установки датчика определяется экспериментально на этапе конструкторской разработки двигателя.
Рис. 1.6
Колебания блока цилиндров двигателя при детонации передаются к кольцевому пьезокерамическому элементу, расположенному между двумя металлическими контактами. Инерционная масса в датчике служит для усиления эффекта восприятия вибрационных колебаний. Сигнал с датчика сначала фильтруется и преобразуется в электронном блоке, а затем амплитуда огибающей функции сравнивается с допустимым уровнем для сигнала детонации. При превышении заданного уровня детонации автоматический регулятор зажигания корректирует угол опережения зажигания в нужную сторону. Для увеличения прочности датчика его заливают компаундом2).
Датчики на основе пьезоэлементов простой геометрической формы (прямоугольная пластинка или круглый диск) могут работать в диапазоне частот до десятков килогерц, измерять ускорения от десятых долей до сотен значений ускорений свободного падения.
Поскольку пьезоэлектрический датчик подобен электрическому конденсатору, то в целях снижения утечки зарядов необходимо, чтобы приемник имел большое входное сопротивление. Так, например, если емкость пьезоэлемента составляет десятки пФ, а сопротивление практически реализуемых датчиков имеет порядка десятков – сотен МОм, то для построения входных каскадов усилителей целесообразно использовать полевые транзисторы с изолированным затвором, имеющие входные сопротивления порядка 1010 –1016 Ом.
Коэффициент полезного действия пьезопреобразователей лежит в диапазоне 40–70 %. На автомобиле пьезоэлектрические датчики применяются в системах защиты стекол, системах предотвращения от соударений автомобиля с препятствием и т.д.
Ультразвуковые датчики
Звуковые частоты, лежащие выше порога слышимости, называются ультразвуковыми. Ультразвук занимает диапазон колебаний с частотой 20 кГц – 1 ГГц. Особые свойства ультразвука обусловлены высокой частотой и связанной с ней малой длиной волны. Свойства ультразвука сходны со свойствами света: они могут образовывать строго направленные пучки, для ультразвуковых волн справедливы законы отражения. С помощью вогнутого зеркального рефлектора ультразвуковые волны можно направлять от источника в строго определенном направлении. Ультразвук не дифрагирует и распространяется прямолинейно. Перечисленные свойства ультразвука определяют его применение:
– измерение глубины с помощью эхолота;
– дефектоскопия материалов (используется свойство ультразвука отражаться от границ двух сред);
– пайка алюминия;
– обезгаживание металлических расплавов и жидкостей;
– разрушение биологических клеток и ряд других специфических случаев применения (эмульгирование, массаж).
Ультразвук можно создавать различными способами: механическими, магнитострикционными, электрическими. Последние два получили наибольшее распространение. Магнитострикционные излучатели ультразвука основаны на деформации ферромагнетиков (железо, никель и др.) в переменном магнитном поле. Частоту генерируемых колебаний магнитострикционными излучателями определяют по формуле:
(1.5)
где ℓ – длина стержня; Е – модуль упругости; ρ – плотность материала.
Так, например, никелевый стержень длиной ℓ = 100 мм, помещенный в переменное магнитное поле, совершает продольные колебания с частотой ƒ = 24,3 кГц и амплитудой 1 мкм.
Наибольшая частота, на которой удается возбудить достаточно интенсивные колебания, составляет 60 кГц, что соответствует длине стержня 40 мм.
Электрический способ получения ультразвуковых волн основан на использовании пьезоэлемента. В пьезоэлектрическом излучателе используется кварцевая пластина, к которой приложено переменное напряжение Uх, создающее электрическое поле в направлении электрической оси Х (рис. 1.7). Продольный обратный пьезоэффект заключается в деформации кварцевой пластины вдоль оси Х. При этом относительное изменение толщины пластины определяется формулой:
. (1.6)
Из формулы (1.6) следует, что продольная деформация не зависит от размеров (ширины b и длины ℓ) пластины, а определяется только ее толщиной d.
Рис. 1.7
Частота собственных продольных колебаний определяется по формуле:
(1.7)
где d – толщина кварцевой пластины; Ех – модуль упругости пластины кварца в направлении электрической оси Х.
Эффект обратимости в кварцевых или керамических пластинах используется в ультразвуковых датчиках. Приложенное к пластине изменяющееся с некоторой частотой напряжение вызывает колебания электрического поля, что, в свою очередь, создает звуковые волны той же частоты. Эти волны, распространяясь в воздухе со скоростью 340 м/с, достигают препятствия и отражаются от него, возвращаясь к излучателю. Воздействуя на пластину, отраженные волны вызывают появление на ней разности потенциалов. Таким образом, пластина вначале работает как излучатель, а затем как приемник ультразвуковых волн. Диапазон срабатывания датчика регулируется изменением мощности излучаемых волн и промежутком времени ожидания отраженного сигнала.
Пьезокерамические высокочастотные датчики/излучатели, например, серии МА, выпускаемые японской фирмой MURATA, применяются в основном для измерения расстояний и определения уровня жидкостей.
Фотоэлектрические приборы
Когда речь идет о фотоэлектрическом датчике, то подразумевается сочетание источника излучения и приемника соответствующего излучения. Фоточувствительные приемники работают в определенном диапазоне длин волн, поэтому для получения наибольшего сигнала их характеристики должны быть согласованы с параметрами излучателя. Весь диапазон принимаемого оптического излучения можно схематически представить в виде "линейки" длин волн (рис. 1.8).
В качестве источника излучения могут служить различные приборы: простая лампочка накаливания, светодиод, лазер. Оптическое излучение, попадая на чувствительную поверхность приемника, частично от нее отражается (часть полезного сигнала теряется), а остальная часть поглощается.
Рис. 1.8
При поглощении оптического излучения в фоточувствительном слое полупроводникового материала возникают носители зарядов: электроны и дырки, обуславливающие проводимость. Фотопроводимость возникает в том случае, если энергия фотонов
Ефт = h · ν ,
где h1) – постоянная Планка, а ν – частота излучения, превышает некоторую пороговую величину. При поглощении фотона собственно полупроводником значение пороговой энергии определяется шириной запрещенной зоны (0,5…2,0 эВ2)), разделяющей зону проводимости и валентную зону, а в примесном полупроводнике пороговая энергия определяется энергией активации (0,04…0,15 эВ) соответствующего уровня примесного атома (донора или акцептора).
Cвойства фотоприборов определяются системой характеристик и параметров, основные из которых следующие:
– спектральная характеристика чувствительности оценивает реакцию фотоприбора на воздействие излучения с различной длиной волны и определяет спектральную область излучения, в которой может быть применен фотоприбор;
– световая (энергетическая) характеристика отражает зависимость фототока прибора от интенсивности возбуждающего потока излучения;
– вольт-амперная характеристика (ВАХ) определяет зависимость фототока приемника от приложенного к нему напряжения.
Основные параметры фотоприборов:
– рабочее напряжение, Uр;
– максимально допустимое напряжение Umax;
– темновое сопротивление Rт – сопротивление прибора в отсутствие потока излучения, Ф = 0;
– дифференциальное сопротивление rдиф – сопротивление в кон-кретной рабочей точке ВАХ;
– темновой ток Iт – ток, протекающий в приборе, в отсутствие потока излучения, Ф = 0.
Основой полупроводникового фоточувствительного прибора (фотодиода, фототранзистора, фототиристора) является р–n переход.
Фотодиод, упрощенная структура и условное графическое обозначение которого приведены на рис. 1.9, является одним из широко распространенных приборов в автоматических устройствах. Рассмотрим принцип работы этого фотоприемника. Структура фотодиода представляет собой два примесных полупроводника различной электропроводности, область р–n перехода которых подвергается воздействию излучения.
Рис. 1.9
При облучении р–n перехода в областях р и n возникают неравновесные носители зарядов обеих полярностей. Концентрация основных равновесных носителей зарядов практически не меняется, а концентрация неосновных – существенно увеличивается. При этом, если излучение поглощается в р области, то генерируемые в ней электроны, находящиеся от р–n перехода на расстоянии, меньшем длины диффузии, подходя к нему, экстрагируются электростатическим полем в n область. То же происходит с дырками, генерируемыми в n области. Неосновные носители, генерируемые в области объемного заряда р–n перехода, перемещаются в области, где они будут основными. Если р–n переход разомкнут, то перенос носителей заряда приводит к накоплению отрицательного заряда в области n и положительного заряда в области р. Суммарный заряд этих основных носителей частично компенсирует заряды ионов запирающего слоя, сужая ширину запирающего слоя и понижая потенциальный барьер. Возникающая в результате разделения неравновесных носителей зарядов ЭДС, получила название фото-ЭДС – Еф. Она зависит от светового потока Ф, облучающего р–n переход и некоторых других факторов, но её максимальное значение не может превысить контактную разность потенциалов.
Фотодиоды могут работать в двух режимах: фотогальваническом (фотогенераторном – рис. 1.10,а ) и фотодиодном (или фотопреобразователя – рис. 1.10,б). В первом случае прибор работает в режиме генерации фото-ЭДС, обеспечивая протекание светового тока Iсв = Iф + Iт в подключенной нагрузке Rн. Фототок Iф есть составляющая светового тока от непосредственно падающего на приемник излучения. Фотогальваническому режиму соответствует IV квадрант вольт-амперной характеристики (ВАХ) фотодиода (рис.1.11).
а) б)
Рис. 1.10
Во втором режиме фотодиод обратно смещен подключенным внешним источником напряжения, и фототок определяется падающим световым потоком. Взаимосвязь тока и напряжения в функции падающего на фотоприемник излучения при таком режиме работы определяется частью ВАХ, расположенной в III квадранте (рис. 1.11).
Рис. 1.11
Последний режим имеет ряд достоинств по сравнению с фотогальваническим режимом: меньшая инерционность, повышенная чувствительность к длинноволновой части оптического диапазона, значительная зона линейности характеристик.
В ряде случаев от фотоприемника требуется высокое быстродействие (несколько наносекунд и менее). Такие приборы необходимы в оптических линиях связи, системах воспроизведения звука с компакт-дисков и т.п. В таких устройствах используются фотодиоды p - i - n cтруктуры и лавинные фотодиоды. Упрощенная структура p - i - n фотодиода приведена на рис. 1.12.
Рис. 1.12
На подложке электронной проводимости n+ повышенной концентрации создан слаболегированный i-cлой и еще слой с дырочной проводимостью р+ повышенной концентрации толщиной порядка 0,3 мкм. При подаче обратного напряжения весь i-слой оказывается сильно обедненным носителями зарядов. В результате емкость перехода уменьшается, расширяется область поглощения падающего излучения и повышается чувствительность прибора. Поглощаемый световой поток Ф в структуре затухает по экспоненте в зависимости от коэффициента поглощения излучения и вызывает появление фотовозбужденных носителей. Электростатическое поле Е обедненного слоя напряженностью ≥ 103 В/см ускоряет их до скорости насыщения дрейфа (около 107 см/с). Эту область называют пространством дрейфа. За пределами обедненного слоя движение носителей заряда имеет диффузионный характер с относительно низкой скоростью (~104 см/с), что снижает быстродействие. Для повышения быстродействия необходимо сконцентрировать поглощение излучения в обедненном слое. С этой целью слой р+ делают очень тонким, а протяженность i-слоя делают большей длины поглощения излучения. Электроны и дырки, возникающие при облучении, мгновенно распределяются по своим областям. Быстродействие резко возрастает и граничная частота fгр достигает порядка 109…1010 Гц. Длина поглощения кремния при длине волны 0,8 мкм примерно 10…20 мкм. Рабочее напряжение, при котором обедненный слой имеет требуемую протяженность, не превышает 10…20 В.
Другой разновидностью быстродействующих фотодиодов являются лавинные. Упрощенная структура и конструкция такого фотодиода приведена на рис. 1.13. В таком фотодиоде излучение Ф также поглощается в обедненном слое.
Рис. 1.13
Для создания условий возникновения ударной ионизации, вызывающей лавинное размножение зарядов фотовозбужденными носителями, рядом с p - n переходом формируют область с высокой напряженностью электрического поля (Е = 105 В/см). Подбором внешнего напряжения и параметров цепи добиваются, чтобы лавинный процесс происходил только при световом потоке. Воспринимаемое фотодиодом излучение приводит к резкому увеличению фототока. Его величина характеризуется коэффициентом лавинного умножения М = Iф / Iф0, где Iф полное значение фототока, а Iф0 начальное значение тока, обусловленное генерацией носителей в основном теплового происхождения. Коэффициент лавинного умножения М достигает десятков тысяч единиц. При обратном напряжении порядка 100…150 В быстродействие лавинного фотодиода примерно составляет 0,3 нс. Быстродействие ограничивается временем пробега возбужденного носителя и постоянной времени τ = RнC, где Rн сопротивление нагрузки, а С емкость диода. При ширине обедненного слоя, равной 100 мкм, и скорости носителей заряда 107 см/с время пробега составит 1 нс. При меньшей ширине емкость диода примерно будет равна 1…2 пФ и при Rн = 50 Ом постоянная времени τ = 0,05…0,1 нс.
Фотодиоды, изготовленные на основе кремния (Si) работают в диапазоне длин волн 0,5…1,1 мкм, а на основе германия (Ge) – 0,5…1,9 мкм. Граничная частота лавинных фотодиодных приемников достигает 1011…1012 Гц. Некоторые варианты схем включения фотодиодов и небольшие комментарии к ним приводятся ниже. На рис. 1.14, а представлена схема управления состоянием лампочки НL1. В отсутствие светового потока VD1 обладает большим сопротивлением и транзистор VT1 заперт напряжением смещения. При облучении VD1 его сопротивление снижается, потенциал базы возрастает, транзистор VТ1 открывается, обеспечивая загорание лампочки. На рис. 1. 14,б устройством с составным транзистором управляет реле, обмотка "К" которого включена в коллекторную цепь. При облучении фотодиода фототок поступает в базу составного транзистора, где и увеличивается до величины достаточной, чтобы обмотка реле изменила состояние контакта К1 реле. Составной транзистор, обладая большим коэффициентом βсост передачи тока базы (единицы – десятки тысяч), создает большой ток коллектора Iк = βсост∙ Iф.
а) б)
Рис. 1.14
Фототранзисторы в отличие от диодов (кроме лавинных) не только генерируют носителей зарядов, но и усиливают фототок. Принципиальное устройство фототранзистора показано на рис. 1.15.
Рис. 1.15
К эмиттерному переходу подключается прямое напряжение, а к коллекторному – обратное. База остается свободной. Под действием фотона генерируемые в электронно-дырочных переходах носители зарядов распределяются: дырки собираются в базе, а электроны переходят в эмиттер или коллектор. Положительный потенциал базы возрастает, что вызывает инжекцию электронов из эмиттера в базу, тем самым увеличивая фототок. Для улучшения диаграммы направленности излучения многие транзисторы оснащены микролинзой.
Фототранзисторы к усилительным устройствам подключаются аналогично фотодиодам (рис. 1.15).
а) б)
Рис. 1.15
Биполярный фототранзистор обладает наибольшей чувствительностью при облучении базовой области при включении по схеме с общим эмиттером и отключенной базе. Поскольку ток фототранзистора в десятки раз больше тока фотодиода при одинаковой интенсивности облучения, то число каскадов усиления требуется значительно меньше и нагрузку можно включать, как показано на рис. 1.15,а, в цепь эмиттера. Ток нагрузки определяется Iэ = Iф (β + 1), где β – коэффициент передачи тока базы транзистора VT2.
Наличие вывода базы у фототранзистора позволяет использовать не только оптическое, но и электрическое управление фототранзистором (рис. 1.15,б). В отсутствие светового потока резистор RБ фиксирует напряжение смещения на базе за счет протекания обратного тока коллекторного перехода. Ток коллектора близок к нулю, а напряжение на выходе практически равно +Uпит.
Фототиристоры представляют еще одну разновидность фотоприборов. Их выгодно использовать в качестве бесконтактного выключателя при оптическом управлении мощными электрическими цепями постоянного и переменного токов. Фототиристор имеет структуру, сходную с обычным тиристором. Отличительной особенностью структуры и конструкции фототиристора является возможность облучения световым потоком одной из базовых областей (рис. 1.16). Этот прибор обычно работает в управляемых светом выпрямителях и наиболее эффективен в управлении сильными токами при высоких напряжениях. Кроме того, время отклика на облучение светом менее 1 мкс, что позволяет использовать его в быстродействующих системах.
Рис. 1.23
При положительном потенциале на аноде и отрицательном на катоде переходы П1 и П3 прямосмещены, а П2 обратносмещен. При отсутствии облучения и тока в управляющем электроде (УЭ) фототиристор практически закрыт и ток через него не идет. Когда на переход П2 попадает световой поток, в нем возникают электронно-дырочные пары. Носители, генерируемые на расстоянии диффузионной длины от p - n перехода, разделяются электрическим полем и создают фототок. Фототиристор переходит во включенное состояние. Электрический ток быстро растет до значения, определяемого сопротивлением Rн внешней цепи. После прекращения облучения фототиристор остается во включенном состоянии. Чтобы вернуть его в выключенное состояние следует снизить приложенное напряжение. В цепях переменного тока это делается автоматически по достижении определенной величины.
При переходе из закрытого состояния в открытое сопротивление фототиристора и ток через него меняется примерно в 106 …107 раз: сопротивление от 108 Ом в закрытом состоянии до 10–1 Ом в открытом и соответственно ток от 10–6 А в закрытом состоянии до 10–1…1 А в открытом. Приведенные выше показатели изменения параметров фототиристора свидетельствуют о его весьма высоком коэффициенте усиления по току и по мощности.
Необходимо обратить внимание на особенности применения фотоприборов дискретного исполнения. В высокочувствительной аппаратуре фотодиоды рекомендуется использовать в фотогальваническом режиме, так как в этом случае уровень шумов ниже.
Применение фотоприборов в схемах автоматики.
Преобразование угол-код. Простым преобразователем угла поворота в последовательность импульсов может служить устройство, представленное на рис. 1.24,а.
а) б)
Рис. 1.24
На валу вдоль его образующих наносят чередующиеся темные и светлые полосы, на которые падает световой поток от светодиода HL1. Отраженные световые импульсы принимаются и преобразуются фототранзистором VT1. Каждому повороту вала на определенный угол в единицу времени соответствует своя кодовая комбинация. Поскольку частота импульсов, возникающих при вращении вала, пропорциональна круговой частоте вала, то подсчет импульсов позволяет измерить число оборотов вала в единицу времени.
Тахометр (рис. 1.24,б), выполненный на базе сочетания излучателя и приемника, дает аналогичный способ измерения числа оборотов вала двигателя автомобиля. На вращающемся диске имеется выступ, который при каждом повороте диска прерывает инфракрасное излучение. Фотоприемник улавливает каждый момент отсутствия сигнала и передает информацию в форме импульса к счетчику, регистрирующему число оборотов.
Большое применение фоточувствительные приборы находят в системах дистанционного управления. Функции передатчика сигналов выполняет инфракрасный светодиод, излучающий кодированную последовательность световых импульсов. Приемником излучения может служить любой из рассмотренных выше фоточувствительных приборов. Воспринятый сигнал после дешифрования и усиления поступает на исполнительные органы, выполняющие различные возложенные на них функции. Примером такого устройства может служить система дистанционного запирания и отпирания дверей автомобиля, отпирания багажника, запуска двигателя и т.п. Подобная система широко используется для управления многочисленными функциями телевизора.
Оптоэлектронная система дистанционного управления может регулировать скорость, изменять направление движения управляемых объектов, подавать другие необходимые команды. По сравнению с управлением по радиоканалу оптоэлектронные системы имеют некоторые преимущества, и прежде всего, простоту её практического выполнения. Система в инфракрасном диапазоне излучения успешно работает при любом освещении и без него, обеспечивая необходимую для практических целей дальность действия.
Оптрон – функционально и конструктивно законченное устройство, объединяющее в одном корпусе излучатель и приемник оптического диапазона. Большинство оптронов, используемых в настоящее время, представляют сочетание светодиод – фотодиод (фототранзистор или фототиристор). Для защиты от внешнего излучения оптическая пара помещается в непрозрачный (чаще в металлический) корпус. Очевидным преимуществом оптронов является то обстоятельство, что при изготовлении оптимально подбираются характеристики излучателя и приемника и их взаимное расположение.
Оптроны имеют множество целей и сфер применения, но отметим те, где наиболее ярко проявляются их особенности:
– для гальванической развязки цепей управления и выходной цепи;
– для сопряжения микросхем, имеющих различные значения логических уровней;
– для бесконтактного управления сильноточными и высоковольтными установками;
– в быстродействующих цифровых интерфейсах, таких, как системные интерфейсы компьютеров, и в периферийных блоках памяти;
– в устройствах автоматического управления объектами различного назначения.
Рассмотрим несколько примеров, иллюстрирующих вышесказанное.
На рис.1.25 приведена схема гальванической развязки двух блоков с помощью диодного оптрона АОД. Фотодиод в данном случае работает в режиме фотопреобразователя.
Рис. 1.25
Оптопары применяются в системах связи, повышая их помехоустойчивость и обеспечивая эффективную развязку по цепям питания и общей шины. Широкое применение оптопары находят в цепях сопряжения вычислительной и измерительной аппаратуры, в устройствах автоматики, особенно когда датчики или приемники работают в условиях опасных или недоступных человеку. Примером обязательной гальванической развязки служит применение оптопар в медицинской диагностической аппаратуре, когда датчик располагается на теле пациента, а измерительный блок, преобразующий и усиливающий сигналы датчика, питается от сети.
На рис. 1.26 приведена схема связи разных микросхем с помощью оптоэлектронного переключателя, в качестве которого используется микросхема К249ЛП1.
С помощью оптронов решаются вопросы согласования цифровых микросхем разного вида логики (ТТЛ, ЭСТЛ, КМОП ).
Рис. 1.26
Пример согласования микросхем ТТЛ и МДП с помощью транзисторной оптопары приведен на рис. 1.27.
Рис.1.27
Контрольные вопросы
1. В чем заключается эффект Холла?
2. От чего и как зависит возникающая ЭДС Холла?
3. Где применяются датчики Холла?
4. Перечислите достоинства и недостатки датчиков Холла.
5. В чем заключается пьезоэффект?
6. Каков смысл прямого и обратного пьезоэффектов?
7. Какие оси симметрии различают в кварцевом параллелепипеде?
8. Что такое продольный и поперечный эффект?
9. От чего зависит заряд, возникающий на гранях кварцевой пластины?
10. Какие особенности имеют пьезодатчики, определяющие их эксплуатацию?
11. Для измерения каких физических величин используются
пьезодатчики?
12. Приведите примеры принципиальных конструкций датчиков для
измерения положения объекта, ускорения, давления, усилия.
13. Каков примерный диапазон измерений пьезодатчиками ускорения,
давления, усилия?
14. На каком принципе работают ультразвуковые приборы?
15. Каков диапазон частот и длин волн колебаний используется в
ультразвуковых датчиках?
16. По каким параметрам и характеристикам оцениваются свойства
ультразвуковых датчиков?
17. Каковы области применения ультразвуковых датчиков?
18. Какова примерная точность ультразвуковых датчиков?
19. Каков диапазон длин волн, в котором работают
фотоэлектрические приборы?
20. Перечислите характеристики и параметры фотоприборов и дайте
им определение.
21. Каков принцип устройства и работы фотодиода? В каких режимах
он может работать?
22. Чем отличаются p-i-n и лавинные фотодиоды от обычных
фотодиодов с p-n переходом?
23. Как устроен и работает фототранзистор?
24. Какие функции выполняет электрод базы в фототранзисторе?
25. Как устроен и работает фототиристор?
26. Приведите примеры схем включения фототиристоров?
27. Как можно использовать фотоприборы для создания
преобразователя угол-код; изготовления тахометра?
28. Что такое оптрон? Как классифицируются оптроны?
29. Перечислите возможные области применения оптронов.
Литература к главе 1
1. Автомобильный справочник: Перевод с англ. – М.: За рулем, 1999. –
896 с. – 1-е рус. изд.
2. Архипов C. Применение твердотельных оптоэлектронных реле
средней мощности // Радио. – 2003. – № 1. – С. 42-45.
3. Виноградов Ю. Инфракрасный датчик присутствия // Радио. – 2002.
№ 1.
4. Данов Б.А. Управление моментом зажигания на автомобиле. – М:
Транспорт, 2002.
5. Иванов В. И., Аксенов А.И., Юшин А.М. Полупроводниковые оптоэлектронные приборы: Справочник.– М.: Энергоатомиздат, 1988. – 448 с.: ил.
6. Кайдалов С.А. Фоточувствительные приборы и их применение. Справочник. – М.: Радио и связь, 1995. – 120 с.: ил.
7. Ладик А.И. и др. Изделия электронной техники.
Пьезоэлектрические и электромеханические приборы: Справочное
издание. – М.: Радио и связь, 1993.
11. Носов Ю.Р. Оптоэлектроника. – М.: Радио и связь, 1989. – 360 с.: ил.
12. Оптоэлектронные элементы и устройства / Под ред. В.П. Гуляева. – М.: Радио и связь, 1998. – 336 с.: ил.
13. Пьезоэлектроника / А.А. Ерофеев, А.И. Проклин и др. – М.: Радио и связь, 1994.
14. Рысин В., Филь В., Шоферистов С. Магнитоуправляемые ИС на
основе кремниевых датчиков Холла // Электронные компоненты. –
2000. № 1. – С. 20–22.
15. Справочник по приемникам оптического излучения / Под ред.
Л.З. Криксунова и Л.С. Кременчугского. – Киев: Технiка, 1985. –
216 с.: ил.
16. Шурыгин М. Датчики положения на основе эффекта Холла
/ Электронные компоненты. – 2000. – № 1. – С. 23–24.
17. Электроника. Энциклопедический словарь / Под ред. Колесникова.
– М.: Советская энциклопедия, 1991. – 688 с.: ил.
1) пьеза [от греч. piézō – давлю, сжимаю]
1) детонация [лат. detonare – прогреметь] – чрезмерно быстрое, неправильное сгорание топлива в цилиндре двигателя внутреннего сгорания, сопровождающееся неустойчивой работой, металлическим стуком в цилиндре, неполным сгоранием топлива.
2) компаунд [англ. compound – составной, смешанный] – изоляционный материал, применяемый в электротехнике с целью герметизации электрических выводов и других элементов.
1) h = 6,625·10 –27 эрг· с
2) эВ = 1,60219·10–19 Дж
Дата добавления: 2021-01-21; просмотров: 76; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!