Регулирующие устройства на фотоэлектрических преобразователях Текст научной статьи по специальности «Физика»

ИЗВЕСТИЯ

ТОМСКОГО ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО ; ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА

231

1971

РЕГУЛИРУЮЩИЕ УСТРОЙСТВА НА ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯХ

Ю. М. ФОМИЧЕВ

(Представлена научным семинаром кдфедры радиотехники)

Одним из узловых элементов в системах автоматического регулирования источников калиброванного напряжения является регулирующее устройство (РУ), которое изменяет амплитуду выходных колебаний в соответствии с законом управляющего сигнала.

Устройства, пригодные для осуществления этой операции, можно разделить по времени выполнения ее на инерционные и безынерционные,, и по связи между входным и управляющим сигналами на РУ с гальванической связью и без гальванической связи.

Наилучшими характеристиками из современного арсенала инерционных электрически управляемых элементов обладают фотоэлектрические преобразователи (ФП). ФП характеризуются большим коэффициентом передачи, отсутствием гальванической связи между управляемой и управляющей цепями, способностью работать в цепях постоянного и переменного токов, хорошей кратковременной- и приемлемой I долговременной стабильностью, сравнительно малой ^инерционностью.

.Основные характеристики источников света и фоторезисторов, выпускаемых отечественной промышленностью, пригодных для составления ФП, приведены в табл. 1, 2.

Регулирующие устройства на ФП строятся в виде электрически управляемого делителя. В цепь управления включаются источник света, а в управляемую — фотосопротивление (рис. 1).

Основными характеристиками, определяющими возможность применения РУ в источниках калиброванного напряжения, являются крутизна регулирования и вносимые им в основной сигнал искажения. Характеристики ФП, от которых зависит крутизна регулирования, достаточно полно рассмотрены в работах [1, 2]. Здесь же мы остановимся на втором, не менее важном, параметре РУ. При построении РУ в виде управляемого делителя (рис. 1) появление в цепи высших гармонических составляющих и их амплитуда будут определяться свойствами фо-

Рис. 1.

№№ п/п Тип ламп Световые и электрические параметры ламп

в ма вт лм\св

1 2 3 4 5 6

1 НСМ 1,2—25 1,2 25 0,03 -0,05

2 НСМ1,5—50 1,5 50 0,075 0,15

3 НСМ1,5—50—2 1,5 50 0,075 0,15

4 НСМ2—40 2 40 - 0,08 0,1

5 НСМ6-90 6 90 0,5 1,0

6 НСМ6-90-2 6 90 0,5 1,0

7 НСМ6,3—20 6.3 20 0,12 0,2

8 НСМ6,3—20—2 6,3 20 0,12 0,2

9 НСМ9-60 9 60 0,5 ... 1,5

10 НСМ9-60—2 9 60 0,5 1,5

11 НСМ 10 —55 10 55 0,5 0,8

12 НСМ10-55—2. 10 55 0,5 0,8

Таблица 1

Габаритные ра шеры

Продолжительность длина Конструкция Конструкция

горения диаметр лампы общая цоколя ламп

колбы без длина

цоколя

часы мм мм мм

7 8 9 10 11 12

80 2 5 5 — Односторон.

20 3,2 9 14 Резьбовой Односторон.

с купол.

20 3,2 9 9 — «

200 3,2 7 7 — Односторон.

2000 3,2 7 9 Штифтовый «

2000 3,2 7 . 7 „ к

500 3,2 7 9 Штифтовый и

500 3,2 7 7 — ((

300 3,2 7 9 Штифтовый и

300 3,2 7 7 — «

1000 3,2 7 9 — «

1000 3,2 7 7 Штифтовый Односторон.

Продолжениетабл. 1

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

13 НСМ12-5 12 5 0,06 0,002 1000 3,2 7 7 — — » — 1

14 НСМЗ,5хбО 3,5 60 0,2 2,0 100

15 НСМбх 150 6 150 0,9 4,0 200 3,3 10 10 ™ Софитная

Тип •», светодиода Цвет свечения Прямой ток 1Пр(ма) Яркость при прямом токе В (нит) не менее Прямое напряжение ипр {в) V Максимал. допустим, ампл. обр. напряж. Температур, диапазон

АЛ 102 А красный 5 5 3,2 6 ~60°+70°С

АЛ 102 Б красный 20 40 4,5 6 —600+70°С

АЛ 102 В зеленый 30 50 5 6 —60°-К0°С

оо-00

Таблиц а 2

Параметры

ФСК—2Н ФС-2 ФС—3—2 ФСК—Г7 СФ2-5

60С—4—681-010

Допустим, мощность рассеив. (вт)

0,125 0,05 0,1 0,35 0,25 0,25

Рабоч. напряж. (в)

100 2 5

50 2 10

Световой ток (мка)

1000 М00. 2000 2000

Темновой ток {мка)

10

0,5—0,2

0,5

5

/?г//?св при 200° лк

100 3000 4000 .400 101—юз 104—103

ом

3,3-Юз 2-103 * 5-106 5-10з 107 107—109

Интегр. чувствит. а\лк

0,5 0,36

0,7

Пост, времени мсек

120 80 40 15

Величина шумов мкв\гц\

1—4 1-4

1—4

Примечание

справочные

опытные

Отношение

для фоторезисторов ОС—4—681—010 определено для освещенности 100 лк.

тоэлектрического преобразователя. Уравнение, связывающее фототок с напряжением и световым потоком, имеет вид [3]

/ф = £).г/тф:фв, 0)

где D — постоянная, определяемая свойствами материала и конструкцией фоторезистора, у и а — коэффициенты нелинейности вольт-амперной и световой характеристик.

Рассмотрим подробнее это выражение. Вначале примем a = = 1, тогда появление высших составляющих в фототоке возможно только при условии модуляции светового потока с частотой 2, кратной частоте приложенного напряжения (ш). Например, если ¿Уф = U cos а Ф = Ф0 -f Фт cos то при 2 = со

/ф = I эиФт + ^¿7Фо cos a>* + i- DU<5>m cos 2< 2 2 ,

т. е. в фототоке появляется составляющая с частотой 2оз,' при £2=2а> с частотой 3 со и т. д. Действительно, в широкополосных ИКН это явление наблюдается в области низких частот, когда работа фильтров в цепи управляющего сигнала становится менее эффективной, а постоянная времени преобразователей соизмерима с периодом основного сигнала. Более подробно, правда с учетом нелинейности только световой характеристики фотосопротивления, этот вопрос рассмотрен в [2, 4].

На более высоких частотах модуляция светового потока практически будет отсутствовать и можно принять Ф = const, тогда выражение (1) преобразуется в уравнение вольт-амперной характеристики фоторезистора:

где В = ПФа.

Вносимые же искажения будут определяться показателем нелинейности у.

Отклонение вольт-амперной характеристики от линейной наблюдается у фотосопротивлений на двух участках, в области напряжения, значительно меньших, чем рабочее, из-за неомичности контактов. На этом участке наибольшего значения у=2 достигает у прессованных сернисто-кадмиевых и селенисто-кадмиевых сопротивлений типа ФСК, ФСД. Второй случай отклонения встречается при очень больших напряжениях, из-за изменения концентрации или подвижности носителей тока. Здесь у может принимать значения 0,2—0,4 [4]. У пленочных фотосопротивлений, особенно для типов СФ 2-2, СФ 2-3, СФ-2-5, это явление наблюдается в значительно меньшей мере, однако несмотря на это при жестких требованиях к нелинейным искажениям РУ (в прецизионных источниках /Сг<0,01 -г- 0,03%) нелинейность вольтамперной характеристики этих фоторезисторов приходится учитывать, а в ряде случаев принимать специальные меры по линеаризации.

Для анализа нелинейных искажений РУ на ФП воспользуемся методикой, базирующейся на исследовании степени изменения мгновенного коэффициента передачи под действием мгновенного напряжения сигнала [5].

Используя эту методику, найдем выражение для коэффициентов гармоник выходного напряжения РУ, построенного по схеме рис. 1.

При анализе принимается, что световой поток остается неизменным Ф = const и цепь прохождения основного сигнала безынерционна. Мгновенный коэффициент передачи регулирующего устройства (рис. 1) определится следующим выражением:

к (У)- RiRt + RbM^ + Rz) (2)

' * RziRy+R^+RtaWiR^ + Rz + Rz) '

Из выражения (2) видно, что непостоянство мгновенного коэффициента передачи Кё (и) обусловлено зависимостью от напряжения сигнала параметра /¡?ф(£/). При малых напряжениях на фотосопротивлении зависимость &ф(С1) можно разложить в ряд Тейлора по степеням ¿Уф:

(и) Яф0 + КфУф + ~ /?Ф >

(3)

где — величина^ фотосопротивления, определяемая световым потоком;

Яф — первая производная в точке ¿Уф = 0; /?ф—"вторая производная в этой же точке. Обозначив отношение напряжения на фотосопротивлении (¿Уф) к выходному (¿У2) через коэффициент включения

К,

и,

ЯфО * Я';

и2 Я2-Я3 + Яфо(Я2 +Д3)

и проделав согласно [5] преобразования, получим

Кт2 = (а

ад

Л'гЗ =

12

— (а

2

Я

/?Ф

К,

■ и,

Я

фо

*

Яф<

Л

¿Уф.

(4)

(5)

(6)

где — коэффициент передачи РУ при #ф(*У) = #фо;

а

/?2<Л1+/?з) + Лфо(/?1+Л2 + /?8) #2 (/?! + *«)'+ Лфо(*1 + Я2 + #з)

Полученные выражения (5, 6) показывают, что амплитуда гармонических составляющих выходного напряжения регулирующего устройства возрастает с увеличением напряжения, падающего на фотосопротивлении. При этом третья гармоника растет значительно быстрее, так как зависит от квадрата приложенного к ФС напряжения. Входящий

в оба выражения член ^ 1 — ^ показывает зависимость нелинейных

искажений от режима работы фоторезистора.

Рассмотрим возможности уменьшения нелинейных искажений РУ на фотопреобразователе. Очевидно этого достичь можно уменьшением напряжения на ФС, при неизменном коэффициенте передачи, либо изменением режима работы ФС. Уменьшение ¿Уф при постоянном входном и выходном сигнале достигается введением добавочного сопротивления (7?з ) в цепь ФС. При этом уменьшение будет происходить и за счет изменения ¿Уф и за счет коэффициента включения (Квк )•

Действительно, при Я2 со получим, что = Кс уче-

том этого выражения (5, 6) приводятся к виду

^г2

К

гЗ

. 1_ ч

24

(I -КЛ^-Кп-и

Ль

к^и

ф

фо

где

Уменьшить нелинейные искажения РУ при тех же самых условиях, т. е. £/вх и £/вых = const и неизменной величине /?ф, можно шунтированием его активным сопротивлением (R2). При /?3 = 0, а=Кд., ( R \

( 1 + , а выражения (5, 6) примут вид:

п

1 ( 1 ^ ^ /?i\ ,,2

В случае, когда 7?ф не шунтируется, т. е. в приведен-

ных выражениях будут отсутствовать члены —, установив это, .определим, насколько изменится Кг при введении

п =r '/t r> — ^ __ 1 ~ Ag

КГ2 Аг3 1 _ и _

1 1 ё V п

где /х— число, показывающее во сколько раз уменьшатся нелинейные искажения РУ при шунтировании фотосопротивления. Поскольку введение по отдельности или приводит к изменению входного и выгодного сопротивлений РУ, то часто используют комбинированные включения, как показано на рис. 1, при этом

1 — К л 1

л ---. &__ . _

\ гг I 1 , , \ К»к

1 + 1 - К g ( 1 + ir 4

RJ * V Ro R

Коэффициент включения определяется выражением (4).

Указанные способы линеаризации приводят к изменению других важных характеристик РУ, таких, как динамический диапазон и крутизна регулирования.

Если принять за динамический диапазон РУ

I J rr

q _ ^вык max _ J g max

II К ивых min g min

= COnst,

то в пределе, при изменяющемся от 0 до оо, получим:

1) Введение Rz ограничивает минимальный коэффициент переда-

чи величиной *

1 R

2) Введение — максимальный Кётах~———.

+ R>

3) При подстановке /?2 и ограничение будет происходить с обеих сторон и

(R2+Rг)(R^ +Л3)

^пред

/?з(/?1+/?а + /?8)

Для выяснения изменения величины крутизны регулирования найдем относительные коэффициенты передачи ■'^А^/Я^ схем с линеаризацией и без нее, а затем возьмем их отношение.

При /?2 00 И = О

йКа Я1

_ё __

К, Я, + ЯФ

ЯФ

Рассмотрим приведенные ранее 3 случая: а) введено добавочное сопротивление Я3.

йК

К,

^ — К

Я[

___ с1Яф

/?;+/?, + /?Ф' яФ

т'

К(

б) фотосопротивление зашунтировано

с1К<

Яг я..

Кг Я1'Я2 + Яф (Я\ + Я-

/С

ЯсЬ

т

в) поставлены Я2 и

йКё\Кё,

/?ф л;

я:

/п"' =

Л

Я. Яр

Ф

Таким образом, если коэффициент передачи после введения линеаризующих сопротивлений остается неизменным, т. е. = = К "ё = = К % и напряжение на фотоспротивлении то же самое, то, во сколько

раз мы выигрываем в нелинейных искажениях, почти во столько же проигрываем в крутизне регулирования. В связи с тем, что в справочной литературе для фоторезисторов приводится линейная во'льт-амперная характеристика и соответственно принимается, что величина Яф не зависит от приложенного к нему напряжения, то количественный расчет нелинейных искажений с помощью полученных выражени й затруднителен*). Снимать же вольтамперные характеристики или зависимость /?ф(^ф), особенно для таких фоторезисторов как СФ 2-2, СФ 2-3', СФ 2-5, СФ 2-8 и др., которые имеют малые отклонения у от единицы, весьма трудоемкий процесс, требующий применения прецизионной аппаратуры, что не всегда возможно и желательно. Кроме того, эти характеристики не идентичны для различных фотосопротивлений даже из одной партии и зависят от степени освещенности фоторезистора.

В этой связи нами были проведены исследования непосредственно нелинейных искажений, возникающих в цепи с фотосопротивлением. Схема эксперимента приведена на рис. 2. Индуктивный делитель с коэффициентом передачи 72, фоторезистор и последовательно включенное

г -гз-зз

С$-С5-2

Рис. 2.

*) Качественная картина описываемого процесса вполне достоверна, об этом сви детельствует и ход экспериментальных кривых (рис. 5).

с ним линейное сопротивление образуют мост. В одну диагональ его включен генератор синусоидальных напряжений (Г), а в другую селективный милливольтметр (СВ). Изменяя величину ФС, мост балансируется по 1-й гармонике. При этом, если отсутствуют фазовые сдвиги, будут скомпенсированы и высшие гармоники генератора. Возникающие же гармонические составляющие за счет нелинейности ФС выделятся в диагонали моста и могут быть замерены селективным вольтметром.

Рис. 3.

Изменяя выходное напряжение генератора, можно снять зависимость Кт — /(£/ф), а устанавливая различные величины (при балансе /?1 зависимость Кг = !(#ф> ^ф)-

Снятые таким образом коэффициенты второй и третьей гармоник в выходном напряжении РУ с фотосопротивлениями типа СФ 2-5 приведены на рис. 3, 4, 5.

' Из приведенных графиков следует,'Что:

1) в цепях с ФС преобладают неч-етные гармоники;

2) при напряжениях, не превосходящих и рабочее, третья гармоника зависит от квадрата приложенного напряжения.

3) 2-ая гармоника зависит от £/ф линейно до ¿7ф= С/раб , а при больших напряжениях для некоторых образцов наблюдается даже падающий участок Кг2 (Уф );' •

4) имеется довольно сильная зависимость Кг от выбранного значения Яф0, причем эта зависимость обостряется при увеличении ¿Уф;

5) наблюдается разброс значений Кг Для различных образцов ФС даже из одной партии.

Для определения границ разброса Кг нами были исследованы по 10 образцов фотосопротивлений из трех различных партий СФ 2-5 выпуска 1968—1969 гг. Результаты приведены на гистограммах рис. 6 для второй и третьей гармоники при Уф~ £/раб.

Рис. 4.

Отсюда можно заключить, что основное количество фоторезисторов типа СФ 2-5 имеют нелинейные искажения в пределах 01 --н 0,2% при напряжениях, не превышающих £/раб .

Ранее были рассмотрены несколько схемных вариантов РУ на фотоэлектрических преобра-зователях. Из других воз-- ^ ^ можных построений наи-

Еа ~ распределение по А*гг 3 -распределение по Л'гз Уф-

Ж

более интересным является дифференциальное включение ФП (рис. 7).

802 № Щ ОД 01 0Л № № 0/8 02 022 024 0,20 %

Рис. 6.

Рис. 7.

Рассмотрим эту схему несколько, подробнее. Крутизна регулирования, которая, как отмечалось выше, эквивалентна относительному коэффициенту передачи:

йКк

Я

Фт

Я,

Я,

йЯ

ф2

/?ф5

+

йЯ

Ф1

Ф1 ]

g Т Аф2

и для такой схемы при идентичных преобразователях и Яф\ ~ Яф2 в два раза больше, чем для РУ с одним ФП.

Коэффициенты гармоник, определенные для этой схемы по ранее предложенной методике, равны

К

К

гЗ

]

4

24

(1-/0/С

Я

№

(1

к )к

Яф2 Яф2

а

ф2

Яф2 Яф\

и

ф!

я

^ф2 —

Яф

Яф\ Г р и.

ф2

Яф2 Яф]

Ф1

Из последних выражений следует, что при одинаковых преобразователях, одинаковом режиме (Яф\ — Яф?) и коэффициенте передачи, равном 0,5, возможна полная компенсация вносимых фоторезисторами искажений.

Это положение было проверено экспериментально, в схеме рис. 2, линейное сопротивление было заменено ФП, в остальном порядок остался прежним. Полученные результаты приведены на графике рис. 8, где кривые 1 и 2 отражают ход /Сг3 для Яф\ и^г снятые по описанной ранее методике.

Кривая '3 показывает зависимость /Сг3 от ивых= иф : при дифференциальном включении этих же фотопреобразователей.

В реальных условиях добиться полной компенсации нелинейных искажений конечно нельзя, тем более, что при работе РУ изменения Яф будут происходить в разные стороны. Однако совершенно очевидно, что такое включение при значительном выигрыше в крутизне регулирования не приведет к увеличению КГ, и кроме того в этом случае открываются более широкие возможности линеаризации РУ описанными выше способами, если оставить 5Р как при одном преобразователе.

Частотные свойства регулирующего устройства определяются реак-тнвностями составляющих его элементов и, в частности, реактивностями фоторезистора. При повышенных частотах ФС можно представить как последовательно соединенную индуктивность вводов (£ф) с активным сопротивлением (Яф), зашунтированным емкостью (Сф).

Величина Ьф определяется геометрическими размерами и материалом вводов и мсщет быть рассчитана по известным выражениям [6].

Рис. 8.

Расчет емкости Сф произвести гораздо труднее, поскольку многие необходимые размеры ФС в справочной литературе не приводятся и измерить их практически невозможно.

Нами были проведены измерения емкостей нескольких партий различных фоторезисторов с помощью измерителя емкостей Е12-1; как показали исследования, разброс для однотипных ФС составил 01-03 пф, поэтому для расчетов можно вполне пользоваться средними данными, приведенными в табл. 3.

Реактивности ¿ф и Сф будут приводить к частотной зависимости двух параметров РУ — коэффициента передачи (Kg) и крутизны регулирования (5г> ). Расчет частотной характеристики, т. е. /С^(со), надо проводить в каждом конкретном случае, здесь же мы рассмотрим изменение относительной чувствительности фоторезистора 5ф . Обозначим для постоянного тока

ПЯ

Яф

Согласно эквивалентной схеме

—

5

фо-

¿с ' -£ф 2С +

и

с12ф _ с ______ ¿с•#Ф_ йЯф

— ^сЬсо — ———————-;-———. • • Щ!

гФ [zI (/?ф + гс) + ад] </гФ + ¿с) ЯФ .

Используя эти выражения, найдем, насколько чувствительность фотосопротивления ниже на частоте ш по сравнению с постоянным током

Из этого выражения по заданным значениям А и со, при известных Сф (табл. 3) и Ьф можно определить необходимую величину /?ф.

ТаблицаЗ

Тип фоторезистора Емкость пф Граничная частота, мгц

СФ 2—5 1,8 90

СФ 2-8 и 2,5

СФ 2-2 3,1 5,1

СФ 3—2 2,7 15

ФС—К2 2,2 36

ОС—4—681—010 4,7 68

ФСК—Г7 2,2 6

¡Граничная частота рассчитана по выражению 7 для уровня У 2, Яф взято при освещенности в 200 лк> а Ьф = 0.

Проведенные исследования регулирующих устройств на фотоэлектрических преобразователях позволяют сделать следующие выводы:

1) РУ на ФП строятся в виде электрически управляемого делителя. Управляющую цепь составляет источник света, в качестве которого могут использоваться либо ЛН, либо ПП диоды со светящимся рп-переходом. В состав управляемой цепи входит фоторезистор. Наиболее пригодными для РУ в настоящее время являются фотосопротивления типа СФ 2-5.

2) Максимальный динамический диапазон РУ с одним преобразователем достигает (40—50) дб, а при дифференциальном включении ФП может доходить до 100 дб.

3) Реальная крутизна регулирования для РУ с одним ФП равна 2-н5, а при дифференциальном включении двух преобразователей—4-10.

4). Нелинейность вольт-амперной характеристики фоторезистора приводит к появлению высших составляющих в выходном сигнале РУ. При этом преобладает 3-я гармоника, которая зависит от квадрата приложенного к ФС напряжения.

5). Имеется резкая зависимость Кг от величины сопротивления фоторезистора. Причем, чем больше Яф, тем больше искажения.

6). Возможные способы линеаризации приводят к сужению динамического диапазона и крутизны регулирования. Наиболее эффективным способом уменьшения Кг является уменьшение напряжения на фоторезисторе.

7). Дифференциальное включение ФП при идентичных преобразователях и одинаковых 7?ф может дать полную компенсацию высших составляющих.

7. Заказ 6642.

97

8) Частотная применимость РУ на ФП определяется реактивностя-ми фоторезистора и-величиной Яф0. Наиболее широкополосными в настоящее время являются ФС типа СФ 2-5.

ЛИТЕРАТУРА

1. М. С. Р о й т м а н, Э. И. Цимбалист, А. И. Л ы с о в. Фотоэлектрический преобразователь как управляемый элемент электрической цепи. Изв. вузов — Приборостроение, № 6, 1966.

2. В, Ф. Аники н. Разработка и исследование стабилизирующих устройств переменного напряжения с фотоэлектрическими преобразователями. Диссерация, Томск, 1970.

С. В. Свечников. Фотосопротивления как элементы электрической цепи. Автоматика и телемеханика № 4, 1959.

4. С. Ф. Корндорф и др. Расчет фотоэлектрических цепей. Изд-во «Энергия», М., 1967.

5. В. Д. Иванченко. Нелинейные искажения в усилителях на транзисторах. Полупроводниковые приборьх в технике электросвязи. Сб. статей под редакцией И. Ф. Николаевского, вып. 2, изд-во «Связь», М., 1968.

6. Л. А. Цейтлин. Индуктивности проводов и контуров. Госэнергоиздат, М.—Л., 1950.