Стабилитроны в чистом виде хороши в качестве ограничителей и маломощных источников напряжения, а для формирования действительно стабильного напряжения (например, опорного для АЦП и ЦАП) применяются интегральные стабилизаторы, которые при наличии трех выводов (вход, выход и общий) дают на выходе стабильное напряжение. Они сродни обычным стабилизаторам напряжения, которые мы будем разбирать в главе 4, но значительно более стабильны и мало зависят от температуры. Например, интегральный стабилизатор типа МАХ873, который в диапазоне 4—30 В на входе дает на выходе ровно 2,5 В, обладает еще и весьма высокой стабильностью. Даже если положить на него паяльник (тем самым нагрев его градусов до 200), то напряжение на выходе этого стабилизатора и не шелохнется. В современной интегральной технике источники опорного напряжения обычно встраивают прямо в нужные микросхемы, но часто предусматривают вход и для внешнего такого источника, потому что вы всегда можете захотеть изобрести что-нибудь получше.
Очень многие физические процессы обратимы. Типичный пример— если пластинка кварца изгибается под действием электрического поля, то принудительное изгибание пластинки должно привести к возникновению зарядов на ее концах— как и происходит в действительности, и этот эффект лежит в основе устройства кварцевых резонаторов для реализации высокоточных генераторов частоты (см. главу 9). Не давало покоя физикам и одно из первых обнаруженных свойств полупроводникового p-n-перехода — зависимость его Проводимости от освещения. Этот эффект немедленно стал широко использоваться в различных датчиках освещенности (фотосопротивлениях, фотодиодах, фототранзисторах), которые пришли на замену хоть и весьма чувствительным, но крайне неудобным для широкого применения вакуумным фотоэлементам. Затем появился целый класс устройств — оптоэлектронные Приборы.
Заметки на полях
Кстати, любой полупроводниковый диод в стеклянном корпусе является неплохим датчиком освещенности, его обратный ток сильно зависит от наличия света. Особенно этим отличаются старые германиевые диоды (типа Д2, Д9). Можете попробовать поэкспериментировать, только не забывайте два обстоятельства: во-первых, сам этот ток очень мал (обратное сопротивление диода весьма велико), что потребует хороших высокоомных усилителей, во-вторых, то, что от температуры этот обратный ток зависит еще больше, чем от света.
Оптоэлектроника
В оптоэлектронных приборах (оптронах) через светодиод (обычно инфракрасный, о них мы поговорим далее) пропускается зажигающий его ток, в результате чего в воспринимающем р-/г-переходе фотодиода (или фототранзистора) ток резко возрастает. Между входным светодиодом и выходом при этом имеется изолирующая прокладка, которая позволяет гальванически развязать выводы входа и выхода.
Самый простой вариант такого прибора— диодная оптопара (рис. 3.12), которая обычно служит для электрически изолированной передачи линейных сигналов (например, звуковых колебаний или уровней постоянного тока в регулирующих устройствах). В ней обратный ток (Iвых) приемного диода линейно зависит от управляющего тока через светодиод (Iвх). Обратите внимание, что рабочая полярность для фотодиода обратная, чем для обычного, отчего у таких компонентов, если они выпускаются в отдельном корпусе, плюсом помечен катод, а не анод.
Рис. 3.12.Диодная оптопара
Встречаются и варианты оптоэлектронного реле: так, бесконтактное реле типа D24125 фирмы Crydom позволяет коммутировать переменное сетевое напряжение до 280 В при токе 125 А, путем подачи напряжения 3–5 В при токе 3 мА через управляющий светодиод (т. е. прямо от логической микросхемы). 10 мВт напрямую управляют мощностью примерно в 35 кВт (при полной гальванической развязке) — ей-богу, совершенно беспрецедентный случай, обычным электромагнитным реле недоступный! Тем не менее обычные электромагнитные реле также довольно широко применяются, и мы далее остановимся на них подробнее.
Набиравшая обороты космическая отрасль быстро сосредоточила усилия вокруг реализации другого эффекта: возможности генерации тока в полупроводниковом переходе под действием света, а также картинка искусственного спутника Земли с широко раскинутыми темно-синими панелями солнечных батарей теперь стала уже традиционной. Но вероятно можно таким образом и генерировать свет, если подавать на р-n-переход напряжение? Оказалось, что можно, но это было реализовано далеко не сразу.
Светодиоды
Первым «поддался» инфракрасный (невидимый глазом) и красно-зеленый участок спектра. К началу 80-х годов полупроводниковые светодиоды (LED— Light Emission Diode), излучающие в ИК-диапазоне, уже стали широко использоваться в дистанционных пультах управления, а красненькие и зелененькие сигнальные светодиоды, хоть и были тогда еще куда тусклее традиционных лампочек накаливания, зато намного более долговечными И потребляли существенно меньше энергии.
В настоящее время все основные проблемы решены и освоен фактически весь видимый спектр, включая синий и даже ультрафиолетовый диапазон. Характерная особенность любых светодиодов— они излучают свет одной (точнее, близкой к этой одной) длины волны, из-за чего насыщенность излучаемого света превосходит все чаяния художников. Существует не менее двух десятков разновидностей светодиодов для разных длин волн, охватывающих все цвета видимого спектра (частично они перечислены в табл. 3.1, соответствующей продукции фирмы Kingbright).
Светодиоды бывают обычной и повышенной яркости. Их выбор определяется практическими соображениями. Так, в большинстве случаев повышенная яркость не нужна и только будет слепить глаза, если светодиод установлен в качестве, скажем, индикатора наличия напряжения, причем регулировать такую яркость к тому же непросто. Очень тщательно следует подходить и к выбору корпуса: матовый (диффузный) рассеиватель обеспечивает меньшую яркость, зато светящуюся полусферу видно под углом почти 180° во все стороны.
Со схемотехнической точки зрения все светодиоды, независимо от цвета свечения, представляют собой обычные диоды, за одним исключением — прямое падение напряжения на них превышает обычные для кремниевых р-n-переходов 0,6 В и составляет: для красных и инфракрасных 1,5–1,8 В, для желтых, зеленых и синих — 2–3 В. В остальном их включение не отличается от включения обычных диодов в прямом направлении. Светодиод есть прибор, управляемый током (а не напряжением, как лампа накаливания), поэтому должен иметь токоограничивающий резистор. Значение тока, при котором практически любой светодиод нормально светится, составляет 3–8 мА (хотя предельно допустимое может быть и 40 мА), на эту величину и следует рассчитывать схему управления светодиодами. При этом нужно учитывать, что яркость, воспринимаемая глазом, не зависит линейно от тока, поэтому вы можете и не заметить разницу в свечении при токе 5 или 10 мА, а разница между 30 и 40 мА будет еще менее заметной.
Иногда токоограничивающий резистор встраивают прямо в светодиод (в этом случае яркость свечения уже управляется напряжением, как у обычной лампочки, а не током) — это обычная практика для «мигающих» светодиодов со встроенным генератором частоты. Обычное предельное напряжение для таких светодиодов составляет 12–15 В.
Светодиоды делают разной формы: обычно они круглые, но встречаются также плоские, квадратные и даже треугольные. Широкое распространение сейчас имеют двухцветные светодиоды. Они бывают двух- и трехвыводные. С последними все понятно — это просто два разноцветных светодиода (зеленый и красный) в одном корпусе, управляющиеся раздельно. Подал ток на один — зажегся красный, на другой — зеленый, на оба — желтый (третий вывод общий), а манипулируя величиной токов, можно получить все промежуточные переходы. Но еще интереснее двухвыводный прибор, который представляет собой два разноцветных светодиода, включенные встречнопараллельно. Поэтому в них цвет свечения зависит от полярности тока: в одну сторону красный, в другую — зеленый. Самое интересное получается, если подать на такой светодиод переменное напряжение, тогда он светится желтым! Можно встретить в продаже и светодиоды белого свечения, которые все чаще служат в качестве экономичных и долговечных источников света.
Светодиодные индикаторы
Так как собственное падение напряжения на светодиодах невелико, то их можно включать последовательно, чем пользуются производители цифровых сегментных индикаторов. Но тут дело осложняется тем, что отдельный светодиод представляет собой фактически точечный источник света, и нарисовать с его помощью длинную светящуюся полоску непросто даже при наличии рассеивающей свет пластмассы (причем, как ни парадоксально, чем меньше габариты, тем хуже выглядят плоские светодиоды). Мелкие цифровые индикаторы (с длиной одного сегмента до 5–6 мм) содержат по одному светодиоду в сегменте, а более крупные — по два и более. Это нужно учитывать при проектировании, так как семисегментный цифровой индикатор с высотой цифры 12,7 мм и более имеет падение напряжения на каждом сегменте, превышающее 4 В, и управлять им от пятивольтового контроллера напрямую затруднительно — номинальный запас в несколько десятых вольта легко «сожрется» собственным сопротивлением выхода контроллера и «проседанием» источника питания, отчего ваш индикатор вообще может и не загореться. Для таких случаев приходится идти на заведомые потери и питать индикаторы от повышенного напряжения через транзисторные ключи или специальные схемы управления индикаторами. Красота требует жертв! Набор семисегментных цифровых светодиодных индикаторов в четыре цифры В каком-нибудь мультиметре может потреблять до 100–200 мА тока, зато насколько он выглядит красивее по сравнению с почти не потребляющими, но совершенно «слепыми» черно-белыми жидкокристаллическими панелями!