Элементная база электронной аппаратуры

ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА ЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ

 

Лабораторный практикум

 

для студентов специальностей

«Электронно-оптические системы и технологии», «Проектирование и производство РЭС». «Медицинская электроника», «Технические средства защиты информации», «Инженерно-психологическое обеспечение информационных технологий»

дневной формы обучения

 

Минск БГУИР 2009

 

УДК 004.382.7(075.8)

ББК 32.973.26я73

Д 13

 

Авторы:

Дик С.К., Давыдов М.В., Костюкевич А.А., Смирнов А.В.

 

Давыдов М.В.

Д 13

Элементная база электронной аппаратуры: лабораторный практикум для студ. спец. «Электронно-оптические системы и технологии», «Проектирование и производство РЭС». «Медицинская электроника», «Технические средства защиты информации», «Инженерно-психологическое обеспечение информационных технологий» днев. форм обуч. / Дик С.К., Давыдов М.В., Костюкевич А.А., Смирнов А.В. – Минск: БГУИР, 2009. – 55 с.: ил. ISBN

 

Лабораторный практикум составлен в соответствии с программами дисциплин «Электрорадиоэлементы, узлы функциональной микроэлектроники и технология РЭС», «Элементная база радиоэлектронных средств», «Электронные компоненты», «Электронные компоненты и биомедицинские сенсоры», «Функциональная электроника и микросистемная техника»и включает изучение фильтров на поверхносных акустических волнах, реле, оптопар икатушек индуктивности.

 

	УДК 004.382.7(075.8) ББК 32.973.26я73
ISBN	ã Дик С.К., Давыдов М.В., Костюкевич А.А., Смирнов А.В., 2009 ã «Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники», 2009

 

 Лабораторная работа №1

ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЛЬТРОВ НА ПОВЕРХНОСТНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛНАХ (ПАВ)

 

Цель работы

Изучить назначение, конструкции и основы технологии фильтров на поверхностных акустических волнах (ПАВ), а также их основные характеристики. Исследовать амплитудно-частотные характеристики предложенных фильтров на ПАВ.

 

Теоретические сведения

Классификация устройств на ПАВ

Исходя из возможных применений и принципов работы, ПАВ-устройства можно разбить на четыре общих группы:

· Пассивные резонаторы и резонаторные фильтры. В данную группу входят: дуплексоры (от 1 до 4 Вт) для абонентских станций подвижных систем связи; RF-фильтры для межкаскадной связи; резонаторные фильтры для односторонних и двухсторонних пэйджеров; резонаторы и резонаторные фильтры для экстренной помощи: скорой медицинской и МЧС; резонаторы и резонаторные фильтры для радиоидентификации автомобилей; резонаторы и резонаторные фильтры для замков и защиты от несанционированного доступа.

· Пассивные устройства с малым уровнем вносимых потерь. В данную группу входят фильтры с малым вносимым затуханием для оконечных каскадов приёмоперадющих устройств систем и средств связи; фильтры промежуточной частоты (IF) с малым вносимым затуханием для систем и средств связи; многомодовые частотно-избирательные генераторы для широкополосных систем и средств связи двойного назначения; линии задержки с малым вносимым затуханием для маломощных приёмников с радиоразнесением во времени.

· Пассивные устройства, использующие двунаправленные ВШП. В данную группу входят: фильтры Найквиста для цифрового телевидения и цифровой радиосвязи; генераторы, управляемые напряжением (VCOs); линии задержки; дисперсионные линии задержки для ШПС; Дисперсионные линии задержки для ППРЧ; линии задержки для кодового разделения каналов с многодистанционным доступом - CDMA (Code-Division-Multiple-Access); линии задержки для временного разделения каналов с многостанционным доступом - TDMA (Time-Division-Multiple-Access); фильтры для волоконно-оптической связи (Clock-recovery filters for fiber-optics communi-cation repeater stages).

· Нелинейные устройства. В данную группу входят: синхронный и асинхронный конвольверы для широкополосных систем и средств связи (конвольвер это шестиполюсник, формирующий свертку двух сигналов: входного и опорного, используя нелинейные свойства среды распространения упругих волн).

Схема измерений

Рисунок 6 – Схема снятия АЧХ фильтров

Порядок выполнения работы

1. Снять АЧХ трёх фильтров.

Для этого изменяя частоту сигнала генератора на 6 диапазоне (4-10 МГц) для фильтров 1,3 и на 8 диапазоне(20-50 МГц) для фильтра 2 снять зависимость амплитуды выходного сигнала фильтра от частоты.

2. Исследовать влияние температуры на форму АЧХ и уход цент­ральной частоты.

Для этого необходимо получить АЧХ фильтра 4, помещенного в термостат, при комнатной и повышенной температуре на 6 диапазоне (4-10 МГц) генератора.

2.1.Снять АЧХ фильтра 4 при комнатной температуре.

2.2. Установить максимально возможную амплитуду на выходе фильтра 4. Записать значения центральной частоты и амплитуды сигнала. Тумблер "Нагрев" включить. Загорится лампочка на макете. Нагреть на 30°С от комнатной температуры (соответствует маленьким 5 делениям на встроенном индикаторе макета). Снова найти и записать значения центральной частоты и амплитуды сигнала на выходе фильтра.

2.3. Снять АЧХ фильтра 4 при повышенной температуре.

3. Методика получения данных.

Установить максимально возможную амплитуду на выходе фильтра изменением частоты на выходе генератора. Записать значения центральной частоты и амплитуды сигнала. Изменить частоту на генераторе в меньшую и большую сторону от центральной до момента получения амплитуды сигнала на выходе фильтра 0,707 от максимальной амплитуды. Записать значения этих частот. Эти данные используются для расчета добротности и полосы пропускания фильтра. Провести дополнительно 10-15 измерений в указанном диапазоне частот для качественного построения АЧХ фильтра.

 

6. Контрольные вопросы

1. Назовите основные принципы работы акустоэлектронных устройств.

2. Какие существуют области применения устройств на ПАВ?

3. Приведите классификацию устройств на ПАВ.

4. Перечислите основные элементы фильтра на ПАВ.

5. Каким образом идет преобразование сигнала в фильтре на ПАВ?

6. Какие существуют разновидности встречно-штыревых преобразователей? Каковы их особенности?

7. Назовите особенности распространения ПАВ на плате фильтра.

8. Чему равна задержка между входным и выходным сигналом?

9. Какие искажения влияют на работу фильтра?

10 Из каких этапов состоит упрощенный расчет топологии фильтра на ПАВ?

 

Содержание практической части отчета

1 Функциональная схема лабораторного исследования. Приборы, их основные параметры и погрешности измерений. Конструктивные и электрические параметры исследуемых фильтров.

2 Таблицы экспериментальных и расчетных данных.

3 Графики АЧХ фильтров.

4 Расчет добротности и полосы пропускания фильтров.

5 Выводы с анализом результатов.

 

Лабораторная работа №2

ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ
ХАРАКТЕРИСТИК ОПТОПАР

 

Цель работы

Цель работы: изучить классификацию, функциональные параметры, устройство, и особенности применения оптопар.

Теоретические сведения

Оптоэлектронный прибор определяется как прибор, использующий оптическое излучение для своего функционирования, т.е. для генерации, детектирования, преобразования и передачи оптических сигналов.

Приборы, в которых выполняется лишь один вид преобразования (излучатели, индикаторы, фотоприёмники, модуляторы и др.), рассматриваются как элементы оптоэлектронных приборов и систем.

Приборы, в которых содержатся излучатели и приемники, взаимодействующие друг с другом в единой конструкции, называются оптопарами или оптронами. Важным признаком является конструктивное исполнение оптрона: если в конструкции создать воздушный зазор между излучателем и фотоприемником, то прибор может быть использован для считывания информации с перфоносителей; если излучатель и фотоприемник соединены гибким стекловолоконным светопроводником, то прибор становится аналогом электрического кабеля. Следовательно, конструкция оптопары, при одинаковой электрической схеме, определяет функциональное назначение прибора.

Оптопарой называют оптоэлектронный прибор, в котором конструктивно объединены в общем корпусе излучатель и фотоприёмник, взаимодействующие друг с другом оптически и электрически. Связи между компонентами оптопары могут быть прямыми или обратными, положительными или отрицательными, одна из связей (электрическая или оптическая) может отсутствовать.

В состав единого прибора вместе с оптопарой или несколькими оптопарами могут входить еще и дополнительные микроэлектронные или оптические элементы. И конструктивно, и функционально такие приборы существенно отличаются от элементарной оптопары, поэтому в литературе принято использовать для их названия термин «оптрон», при этом имеется в виду оптоэлектронный прибор любого произвольного вида с внутренними оптическими связями.

Классификация оптопар

В качестве источника излучения в оптопарах, как правило, используется светодиод. Это обусловлено следующими его достоинствами: высокое значение КПД преобразования электрической энергии в оптическую; узкий спектр излучения (квазимонохроматичность); широта спектрального диапазона, перекрываемого различными светодиодами; направленность излучения; высокое быстродействие; малые значения питающих напряжений и токов; совместимость с транзисторами и интегральными схемами; простота модуляции мощности излучения путем изменения прямого тока; возможность работы как в импульсном, так и в непрерывном режиме; высокая надежность и долговечность; малые габариты; технологическая совместимость с изделиями микроэлектроники. Поэтому при классификации оптопар учитывается только два признака: тип фотоприемного устройства и конструктивные особенности прибора в целом.

По типу фотоприемного устройства оптопары классифицируются:

Д - диодная, Т - транзисторная, R - резисторная, У - тиристорная, Т² - с составным фототранзистором, ДТ - диодно-транзисторная, 2Д (2Т) - диодная (транзисторная) дифференциальная.

По конструктивным особенностям прибора различают:

По степени интеграции

- оптопары (или элементарные оптроны) – состоящие из двух и более элементов (в т. ч. собранные в одном корпусе)

- оптоэлектронные интегральные схемы, содержащие одну или несколько оптопар (с дополнительными компонентами, например, усилителями, или без них).

По типу оптического канала:

- с открытым оптическим каналом

- с закрытым оптическим каналом

Основные виды оптопар

Диодные и транзисторные оптопары применяются главным образом в цепях передачи цифровых информационных сигналов; критерием качества служит комбинированный параметр K_i / t_зд (K_i - коэффициент передачи по току, t_зд - время задержки распространения сигнала). По этому параметру диодные оптопары значительно опережают транзисторные, достигая 10⁷ с^-1; теоретическое предельное значение K_i / t_зд»10⁹ с^-1 (при использовании GaAlAs - световодов и кремниевых p-i-n -фотодиодов). Этим обусловлено наиболее широкое применение диодных оптопар в ЭВМ, в технике обработки и передачи цифровой информации. Диодные оптопары имеют низкий коэффициент передачи тока (K_i = 0,01…0,03) и требуют обязательного усиления выходного сигнала, поэтому они используются либо в составе оптоэлектронных микросхем, либо с дополнительным электронным обрамлением.

Важной разновидностью диодных оптопар являются так на зываемые дифференциальные оптопары - приборы, в которых один излучатель воздействует на два идентичных фотодиода. Подобие выходных характеристик двух каналов такой оптопары позволяет использовать эти приборы для неискажённой передачи аналоговых сигналов: непосредственно для передачи применяется один канал, а другой служит для организации цепи отрицательной обратной связи, корректирующей температурные, деградационные и другие изменения мощности излучателя.

В устройствах бесконтактного управления удобны транзисторные оптопары, а для оптической коммутации высоковольтных сильноточных цепей - тиристорные. Критерий качества таких управляющих оптопар, определяемый отношением коммутируемой мощности в выходной цепи к мощности на входе, достигает 10⁶ …10⁷.

Быстродействие транзисторных и тиристорных оптопар характеризуется временем переключения, типичные значения которого 5...50 мкс, в лучших образцах удается получить 1 мкс. Очевидная перспектива развития транзисторных оптопар связана с использованием в качестве фотоприемников гетеротранзисторов, при этом реально снижение времени переключения до 1...10 нс. Транзисторные оптопары - наиболее массовый тип элементов электрической развязки.

 

Рисунок 2 – Основные виды оптопар: а - транзисторная; б -диодная; в - резисторная; г - с составным транзистором; д -тиристорная; е - дифференциальная диодная

Резисторные оптопары также получили широкое распространение. Фоторезисторы, в отличие от фотоприемников с р-n-переходами, характеризуются высокой линейностью и симметричностью вольтамперной характеристики, отсутствием внутренних ЭДС, низким уровнем шумов. Их выходное сопротивление при изменении режима входной цепи может изменяться в 10⁷ …10⁸ раз. Это и обусловливает удобство и незаменимость резисторных оптопар в аналоговых устройствах. Недостатки резисторных оптопар - низкое быстродействие (0,01...1 с) и сильная температурная нестабильность параметров - ограничивают применение этих приборов в технике обработки информации.

Оптопары, которые в качестве фотоприемника используют МДП-фототранзисторы, фотоварикапы, лавинные фотодиоды, однопереходные транзисторы, функциональные фоторезисторы и т.д., имеют отличия, свойственные используемому фотоприемнику.

Широкое распространение получили также оптоэлектронные микросхемы, главным образом переключатели, состоящие из быстродействующей диодной оптопары и ключевого усилителя на выходе - этим обеспечивается полное согласование по уровням входных, выходных сигналов со стандартными логическими микросхемами. Удобство применения окупает некоторые потери быстродействия, обусловленные необходимостью значительного усиления сигнала, снимаемого с фотодиода.

Перспективны оптоэлектронные коммутаторы силовой нагрузки - микросхемы или устройства, выполняющие функции реле переменного и постоянного токов и содержащие оптическое звено в цепи управления. В них обычно применяют транзисторные и тиристорные оптопары.

Оптоэлектронные коммутаторы аналоговых сигналов и раз вязывающие усилители также отличаются от своих микроэлектронных аналогов лишь введением электрической развязки - в микросхемах первого типа используются диодные оптопары с большим значением K_i, в микросхемах второго типа - дифференциальные диодные оптопары.

Устройство оптопар

Наиболее распространенная “этажерочная” конструкция оптопары реализуется несколькими способами. Во-первых, это соединение кристаллов излучателя и фотоприемника с помощью оптического клея, который одновременно выполняет функции иммерсионной среды и несущей конструкции (рис. 3,а). Во-вторых, это приклеивание активных кристаллов с разных сторон прозрачной пластинки: слюдяной, стеклянной, фианитовой, сапфировой и др. (рис. 3,б). В-третьих, это предварительное жёсткое закрепление активных кристаллов на специальных площадках деталей корпуса - кристаллы оказываются на требуемом расстоянии друг от друга после сборки (рис. 3,в). В качестве светопроводящей среды в этом варианте обычно применяют вазелиноподобные полимеры, не вызывающие механических напряжений.

Недостаток всех трех разновидностей оптопар - сборка “по вертикали”, не применяемая в традиционной микроэлектронике, преодолевается в “панельной” конструкции (рис. 3,г) с расположением всех активных кристаллов в одной плоскости. Это позволяет использовать существующее высокопроизводительное оборудование для монтажа кристаллов и распайки выводов; в этом случае наблюдается ухудшение передаточных свойств оптопары.

Рисунок 3 – Схематическое расположение кристаллов излучателя 1, фотоприемника 2, иммерсионной среды 3 и микросхемы 4 в оптопарах различной конструкции

 

Оптоэлектронные микросхемы выполняются в виде гибридных сборок одной из двух типичных модификаций: бескорпусные оптопара и микросхема; бескорпусные световод и интегрированный фотоприемник, содержащий на одном кремниевом кристалле фотодиод и микросхему.

Одно из направлений технологического совершенствования оптронов состоит в разработке монолитной оптопары, изготавливаемой в виде интегрированной твердотельной структуры в едином технологическом процессе. Однако пока ни в одном из предложенных и опробованных вариантов (рис. 4) не удалось добиться сочетания всех необходимых параметров, а также долговечности, надёжности и устойчивости к внешним воздействующим факторам.

Низкая эффективность излучающих и фоточувствительных структур, плохая светопередача и невысокие изоляционные характеристики оптической среды, невоспроизводимость технологического процесса, неудовлетворительная совместимость используемых материалов - причины, которые порознь или в совокупности не позволяют достигнуть желаемого результата.

Совершенная конструкция оптрона должна сочетать не только монолитность, но и "квазипланарность", т.е. изготовление всех составных элементов в едином технологическом процессе и расположение выводов в одной плоскости, как это принято в устройствах интегральной оптики.

Появление волоконных световодов вызвало создание так называемых длинных оптронов или волстронов, в которых излучатель и фотоприемник неразъемно связаны друг с другом отрезком волоконно-оптического кабеля. Такой прибор выгодно отличается от традиционной волоконно-оптические линии связи (ВОЛС), содержащей пару оптических соединителей, лучшей передаточной характеристикой (выигрыш в K_i достигает 2...5 раз), большей надёжностью, меньшими габаритными размерами и стоимостью.

 

Рисунок 4 – Разновидности монолитных оптопар: а - на GaAs (GaAlAs)-полуизоляторе; б - на структуре GaAs - сапфир; в - на основе кремния с локально выращенной GaAs-областью; г - тонкопленочная с электролюминофором и фотопроводником; СД -излучатель; ФД – фотодиод

 

Волстроны длиной от десятков сантиметров до нескольких метров незаменимы в качестве элементов электрической развязки в сверхвысоковольтной радиоэлектронной и электротехнической аппаратуре, во многих случаях внутриобъектового применения они удобнее, чем короткие ВОЛС.

В оптронах с открытым оптическим каналом (рис. 5) излучатель и фотоприемник смонтированы отдельно друг от друга, и специфика оптопары проявляется лишь в обеспечении наилучшей светопередачи. В оптроне с управляемым оптическим каналом между излучателем и фотоприемником содержится элемент, величина светопропускания которого может регулироваться. Чаще всего это электрооптический (жидкий кристалл, сегнетокерамика) или магнитооптический материал, в котором управление свойствами канала осуществляется электрическим или магнитным полем. Как элемент схемы такой оптрон представляет собой шестиполюсник с двумя входами: по цепи излучателя и по цепи управления оптическим каналом. При его описании кроме параметров оптопар используется ещё модуляционная характеристика вида  при I_вх = const (I_вх I_вых – входной и выходной токи; U_упр, I_упр - напряжение и ток управления). Подобно тому, как это принято для электронной лампы или полевого транзистора, удобно также оперировать таким параметром, как крутизна .

 

Рисунок 5 – Оптопары с открытым оптическим каналом: а -щелевого типа, б - отражательная

 

Светопропускание канала может изменяться и при других формах воздействия: давлении, засветке, нагреве и т.п. В этом случае оптопара с управляемым оптическим каналом, так же как и оптопары с открытым каналом, выступает в качестве сенсорного элемента - датчика.

 

Примеры использования оптопар при разработке медицинской техники

Перспективные направления развития и применения оптронной техники в значительной степени определились. Оптроны и оптронные микросхемы эффективно применяются для передачи информации между устройствами, не имеющими замкнутых электрических связей (рис. 6).

Традиционно сильными остаются позиции оптоэлектронных приборов в технике получения и отображения информации. Самостоятельное значение в этом направлении имеют оптронные датчики, предназначенные для контроля процессов и объектов, весьма различных по природе и назначении. Заметно прогрессирует функциональная оптронная микросхемотехника, ориентированная на выполнение разнообразных операций, связанных с преобразованием, накоплением и хранением информации. Эффективной и полезной оказывается замена громоздких, недолговечных и нетехнологичных (с позиций микроэлектроники) электромеханических изделий (трансформаторов, потенциометров, реле) оптоэлектронными приборами и устройствами (Табл. 1).

Рисунок 6 – Защиты блока управления от помех и электромагнитных наводок, возникающих во внешнем приёмо-передатчике.

 

Замена электрорадиокомпонентов на оптронный аналог        Табл. 1.

Электрорадиокомпонент или устройство	Оптронный аналог
Импульсный трансформатор	Диодная и транзисторная оптопары; оптоэлектронный переключатель; оптоэлектронный развязывающий усилитель
Переключатель	Тиристорная, транзисторная и резисторная оптопары; оптоэлектронный коммутатор
Переменный резистор, потенциометр	Резисторная пара и её комбинации
Переменный конденсатор, варикап	Оптопара с фотоварикапом
Электрическая батарея	Диодная оптопара и её наборы
Линия связи	Волстрон
Полевой транзистор, радио лампа	Оптопара с управляемым оптическим каналом
Бистабильное устройство, триггер	Регенеративный оптрон и его комбинации
Датчик (преобразователь неэлектрических воздействий в электрические сигналы)	Оптопара с открытым оптическим каналом, оптопара с управляемым оптическим каналом
Электронно-оптический преобразователь	Оптрон с оптическим входом и выходом

 

Оправданным и полезным является использование оптронных элементов в цепях управления импульсных блоков питания (рис. 7)

Импульсные источники питания широко используются в современных устройствах. Гальваническая развязка является необходимым требованием надежности и безопасности работы таких источников питания. Быстродействующие оптопары используются в качестве гальванической развязки в цепи обратной связи.

Усиленная гальваническая изоляция медицинских приборов. Начиная с ноября 2005 года, любая техника медицинского назначения должна удовлетворять требованиям обновленного стандарта IEC 60601-1-2:2001 EMC. При разработке аппаратуры, осуществляющей передачу цифровых данных, наиболее чувствительные цепи или компоненты, имеющие непосредственный контакт с пациентом, должны быть изолированы от высоковольтных цепей с помощью оптронов или трансформаторов.

 

.

Рисунок 7 – Изоляция в импульсных источниках питания

 

Оборудование должно иметь защиту от электростатического разряда: не менее 8 кВ по воздуху и не менее 6 кВ при контакте. Медицинские приборы должны быть устойчивы к воздействию радиопомех в полосе частот от 80 МГц до 2,5 ГГц и электромагнитных взаимодействий до 10 В/м для аппаратуры жизнеобеспечения и 3 В/м для аппаратуры, не связанной с поддержанием жизнедеятельности. Это важнейшие критерии эффективности и безопасности медицинской техники, при воздействии указанных условий не должно происходить отказов компонентов, изменения установленных параметров или их сброса, а также изменения режимов работы и ложного срабатывания схемы защиты. Высококачественные оптроны имеют более высокую устойчивость к внешним электромагнитным полям, чем изолирующие трансформаторы, поскольку в оптопарах при передаче используется оптический сигнал, излучаемый светодиодом и принимаемый фотодиодом. В качестве примера приведены схемы электрокардиографа (ECG) или дефибриллятора с гальванической оптронной развязной информационных и управляющих сигналов (рис. 8, 9).

Рисунок 8 – Блок схема входного модуля ЭКГ-аппарата с использование оптронной развязки при изолировании электродов пациента от электрической схемы прибора

Рисунок 9 – Блок-схема дефибриллятора с использованием оптической развязки для изоляции высоковольтного импульсного каскада от низковольтной управляющей схемы

 

Порядок выполнения работы

В данной работе исследуются динамические параметры оптопар 0ЭП9, ОЭП10, 0ЭП16, АОТ110 и A0TI28.

Установка состоит из задающего генератора 1, который выдает на выходе прямоугольные импульсные опорные сигналы, поступающие также на первый вход двухлучевого осциллографа 2. Время развертки опорного сигнала выбирается так, чтобы на экране осциллографа наблюдать импульс полностью.

Переключатель П1 служит для коммутации соответствующих емкостей (П1-1), задающих требуемую частоту сигналов при одновременном включении в цепь соответствующей оптопары (П1-3) и подачи на второй вход осциллографа выходного сигнала с этой оптопары (П1-2).

Одновременно с опорным сигналом на экране осциллографа наблюдается входной и выходной импульсы соответствующей оптопары. Изменяя время развертки так, чтобы получить удобную для измерений картину, на экране с помощью измерительной сетки определяют для переднего фронта время задержки τ_з1 и время нарастания импульса τ_нар, а для заднего фронта время задержки τ_з2 и время спада τ_сп (рис. 10).

 

Рисунок 10 – Сигналы на входе и выходе оптопары

 

С помощью переключателя П1 подключаем к генератору и второму входу осциллографа соответствующую оптопару и, регулируя время развертки, повторяем измерения переднего и заднего фронтов импульса. Таким образом, измеряем динамические параметры всех оптопар.

 

Содержание отчета

1.Теоретическая часть (принцип действия, конструкция и основные параметры исследуемых оптопар – взять из справочника).

2.Функциональная схема установки.

3.Рисунки опорного сигнала и выходных сигналов оптопар с указанием измеренных динамических параметров на рисунках.

4.4. Выводы по работе.

 

5 Вопросы для подготовки

1.Что такое оптопара, оптрон?

2.Классификация оптопар.

3.Каковы основные функциональные разновидности оптопар?

4.Параметры оптопар и оптронов.

5.Основные виды оптопар.

6.Каковы особенности и назначение диодных и транзисторных оптопар?

7.Каковы особенности и назначение тиристорных и резисторных оптопар?

8.Устройство и конструкция оптопар.

9.Области использования оптопар.

Лабораторная работа №3

Цель работы

Изучить классификацию, конструктивно-технологические и функциональные особенности слаботочных электрических реле. Экспериментально исследовать функциональные параметры бесконтактных полупроводниковых реле, различных видов контактных реле и сравнить их. Изучить схемные решения полупроводниковых реле напряжений и влияние параметров схемы на их характеристики.

Теоретическая часть

Электромагнитные реле

Электромагнитные реле нашли широкое применение в различных областях техники и составляют около 86% всех выпускаемых реле.

Выпускаемые реле различаются по массе, чувствительности, способу управления, роду коммутируемого тока, коммутируемой мощности и степени защиты от воздействия окружающей среды.

Наибольшей чувствительностью (0,007-5 мВт) обладают поляризованные реле. Они предназначены в основном для усиления электрических сигналов в схемах автоматики, измерительных цепях и линиях электросвязи, логических устройствах. Допускают большое число переключений (до 10⁷) и имеют до пяти входов при большом диапазоне входных сопротивлений (от единиц Ом до нескольких кОм). Однако исполнительная система имеет, как правило, одну группу контактов на переключение, коммутируемая мощность не превышает 15 Вт и они не выпускаются в микроминиатюрном и миниатюрном исполнениях.

Нейтральные реле более универсальны. Они обладают широким диапазоном по чувствительности (10-250 мВт), коммутируемым токам и напряжениям. Используются для управления исполнительными устройствами в системах автоматики, сигнализации, контроля и защиты, в программных, кодирующих и запоминающих устройствах, для коммутаций цепей постоянного и переменного тока частотой до 100 МГц. Допустимое число переключений достигает 10⁶, быстродействие в пределах 3-10 мс, возможен дребезг контактов при замыкании.

Реле-переключатели представляют собой модификацию поляризованных или нейтральных реле. Управление кратковременным импульсом существенно снижает потребление энергии и обеспечивает более благоприятные условия работы обмоток, так как практически отсутствует перегрев. В результате повышается надежность работы реле.

Герконовые реле

Герконовые реле создаются на базе магнитоуправляемых контактов (МК). Наиболее распространенная конструкция МК, используемого в реле, схематически показана на рис. 7,а. Она состоит из двух пластин, герметически запаянных (заваренных) в стеклянный баллон. Герметичность является характерной особенностью МК. Отсюда их второе название - герконы (герметические контакты).

Пластины МК изготавливаются из магнитных материалов и совмещают в себе функции магнитопровода и электрической контактной цепи. Поэтому, если к баллону поднести постоянный магнит, то его магнитный поток, сосредотачиваясь в пластинах, создает в воздушном зазоре магнитную силу их взаимного притяжения. При соответствующей магнитодвижущей силе (МДС) магнита пластины притягиваются друг к другу и создают электрический контакт. После снятия магнитного поля пластины возвращаются в исходное положение под действием сил упругости. Этот же принцип используется и в МК на переключение (рис. 7,б.). Неподвижный контакт (1) выполняется из немагнитного материала и в исходном состоянии замкнут с подвижным контактом (3).

Рисунок 7 – Схематическое устройство магнитоуправляемых контактов: а - МК на замыкание; б - МК на переключение

 

Управление МК можно осуществлять магнитным полем соленоида (рис. 8,а). При пропускании по обмотке соленоида постоянного тока контакты замыкаются, а при отключении - размыкаются. В ряде случаев для управления МК используются комбинации магнитных полей, создаваемых постоянным магнитом и соленоидом (рис. 8,б). Если МДС постоянного магнита недостаточна для замыкания контактов, то они будут находиться в разомкнутом состоянии. Пропуская по обмотке ток в направлении, при котором магнитные поля постоянного магнита и соленоида суммируются, получаем магнитный поток, достаточный для замыкания контактов. После отключения обмотки контакты удерживаются в замкнутом состоянии только полем постоянного магнита. Для размыкания этих контактов достаточно кратковременного импульса тока в обмотке соленоида в обратном направлении. В этом случае имеем реле-переключатель или коммутационный элемент запоминания информации.

Рисунок 8 – Схематическое устройство герконовых реле: а - нейтральное реле; б - поляризованное реле

 

Для повышения электропроводности, получения малого и стабильного переходного сопротивления контакты коммутирующей части покрывают серебром, золотом, родием и др.

Для повышения надежности контактирования контакты обезгаживаются при температурах до 400°С и более. При этом сгорают поверхностные органические пленки, которые являются основной причиной нестабильности сопротивления контактов. Внутри баллона создается вакуум, или он заполняется сухим газом. Состав газа определяется в зависимости от требований к режимам коммутации.

Индивидуальная герметизация и другие конструктивно-технологические мероприятия позволяют довести число коммутаций до 10⁹, быстродействие до 0.8-2 мс, сопротивление контактов до 50-150 мОм, сопротивление изоляции до 10⁹ МОм и существенно уменьшить габариты высоковольтных реле (в 5-6 раз).

Однако токоведущие части МК обладают худшей электропроводностью по сравнению с электромагнитными реле. Поэтому при прочих равных условиях на них теряется большая мощность. Кроме того, газ, вакуум, стекло - плохие проводники тепла и затрудняют рассеивание выделяемой на контактах мощности. Поэтому через пластины МК сечением, равным сечению, например, контактных пружин электромагнитных реле, можно пропускать в 3-5 раз меньший ток. Кроме того, МК более чувствительны к влиянию внешних магнитных полей, более критичны к переходным процессам в коммутируемой цепи. В частности, при (3-5)-кратной токовой перегрузке по отношению к номинальной возможно сваривание контактов.

Отмеченные особенности делают предпочтительными герконовые реле для коммутации слаботочных цепей с токами до 100-250 мА при напряжениях до 30-60 В, в тех случаях, когда необходимо повышение быстродействия и числа коммутаций.

В настоящее время идет поиск новых конструктивных решений, позволяющих при сохранении положительных свойств МК продолжить процесс миниатюризации и улучшения функциональных параметров релейных устройств. Значительные перспективы в этом плане появляются в связи с созданием пружинно-контактных сплавов с магнитной памятью. Применение их позволяет в 5-7 раз уменьшить габариты и массу герконовых реле-переключателей, существенно повысить их быстродействие и чувствительность. Принципиально новым направлением можно считать создание МК с жидкометаллическими контактами. Использование этих МК позволяет получить релейную характеристику с крутизной фронта коммутируемых сигналов <1 пкс, исключить дребезг контактов, обеспечить стабильность Rп контактов до 1-10%. При этом не предвидится ограничений по числу коммутаций.

Бесконтактные реле.

Контактные коммутационные элементы выполняют переключение электрических цепей при непосредственном механическом воздействии для ручного управления и под воздействием электромагнитных сил при автоматическом управлении. Электромагнитные коммутаторы имеют невысокое быстродействие — в лучш