Что такое оптроны и их назначение?

Оптрон — это функциональное устройство, которое состоит из фотоизлучателя, фотоприемника и световода и осуществляет при работе преобразования оптических сигналов в электрические, а электрических в оптические.

Назначения. В электрической схеме оптрон выполняет функцию элемента связи, в одном из звеньев которого информация передается оптически. Это основное назначения оптрона. Если между элементами оптрона обеспечить обратную связь, то оптрон становится оптическим прибором, пригодным для усиления и генерирования электрических и оптических сигналов.

Класификация.  Оптроны чаще всего классифицируют по виду оптической связи. Различают оптроны с внутренней и внешней оптической связью. Оптроны с внутренней оптической связью еще разделяют по виду внутренней связи. Различают оптроны с внутренной прямой оптической связью и оптроны с внутренной обратной оптической связью. Еще их классифицируют по виду обратной связи. Бывают оптроны с внутренной положительной обратным оптической связью и оптроны с внутренной отрицательной обратной оптической связью. Как будет показано ниже, основным элементом, который определяет функциональные возможности оптрона, является фотоприемник. Поэтому оптроны еще классифицируют по виду фотоприемников. Различают резисторные, диодные, транзисторные, тиристорные и комбинированные оптроны.

Условные изображения оптронов

Рис. 1. Условные изображения оптронов: а — транзисторный; б — диодный; в — резисторный; г — с составным транзистором; д — тиристорный; е — дифференциальный; ж- диодно-транзисторный

Условные изображения и обозначения. Условные изображения оптронов на схемах приведены на рис. 1. Условные обозначения оптронов в текстах объединяют семь символов, обозначающих
материал, класс и подкласс устройства, частотный диапазон работы, порядковый номер разработки, разделение на параметрические группы. Например, обозначение АОД130А означает: арсенидгалиевый оптрон диодный, частотный диапазон работы 1, порядковый номер разработки 30, параметрическая группа А.

Основные элементы оптронов с внутренним (а) и внешним (б) оптическими связями

Рис. 2. Основные элементы оптронов с внутренним (а) и внешним (б) оптическими связями

Строение. Оптрон с внутренной оптической связью представляет собой четырехполюсник (рис. 2, а), который состоит из трех основных элементов: фотоизлучателя (источники света) 1, световода 2 и приемника света (фотоприемника) 3, помещенных в общий герметичный светонепроницаемый корпус. Оптрон с внешней оптической связью представляет собой двухполюсник, который имеет один оптический вход и один оптический выход (рис. 2, б). Он состоит из фотоприемника 3, усилителя 4, фотоизлучателя 1 и не имеет световода. В современных оптронах как фотоизлучатели преимущественно используют инжекционные диоды (светодиоды), реже — люминесцентные конденсаторы, а как фотоприемники-фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы, фототиристоры. Для достижения высоких
значений параметров недостаточно использовать высокоэффективные фотоизлучатели и фотоприемники. Необходимо обеспечить их согласование по спектральным характеристикам, быстродействием,
габаритами, температурными характеристиками. Согласованными опттронными парами есть элементы, приведенные в табл. 3.4. Световод оптрона (оптическая среда) имеет тройное назначение: свести к минимуму потери при передаче энергии от фотоизлучателя к фотоприемнику, обеспечить высокие значения параметров гальванической развязки, создать конструктивно целостный прибор. Как оптическая среда преимущественно используют полимерные оптические клеи и лаки, которые имеют высокую адгезию до полупроводниковых кристаллов, добрые диэлектрические свойства, высокую эластичность, низкую стоимость. Одновременно они имеют существенные недостатки: коэффициенты преломления этих материалов (n ≈ 1,5) существенно отличаются от коэффициентов преломления кремния и арсенида галлия (n ≈ 3,2-3,4) спектральные характеристики полимеров имеют в ближней ИК-области много провалов, обусловленных резонансным поглощением групп ОН, СH3, СH2, NН, что при значительных размерах световода может влиять на светоотдачу; для полимерных световодов характерно старение.

Таблица 3.4. Согласованные пары «фотоизлучатель-фотоприемник»

Согласованные пары "фотоизлучатель-фотоприемник"

Если жесткость оптрона обеспечивается элементами конструкции, то как оптическая среда могут использовать вазелиноподобные силиконовые смазки, которые не засыхают. Перспективными с точки зрения улучшения оптической связи между фотоизлучателем и фотоприемником, является халькогенидное стекло (n ≈ 1,8..3,0). Его недостатком является низкая адгезия к полупроводникам, высокая хрупкость, плохие изолирующие свойства (p = 109… 1011 Ом см), низкая устойчивость к термоциклов. Реальные конструкции оптронов (рис.3) призваны не только обеспечить предельно высокие значения определяющих параметров, но и расширить функциональные возможности этих приборов.

Робота. Работу оптрона с внутренной прямой оптической связью можно проиллюстрировать с помощью его электрической схемы (рис. 4, а), с которой видно, что входной и выходной сигналы оптрона являются электрическими. Между его элементами отсутствует электрический, но имеющийся оптическая связь. При подаче на вход оптрона электрического сигнала возбуждается фотоизлучитель, световой поток которого по световоду попадает в фотоприемник. На его выходе формируется электрический сигнал, который свидетельствует о том, что в оптроне состоялось преобразования по схеме электрический сигнал — оптический — электрический.

Разновидности оптронов

Рис. 3. Разновидности оптронов: оптрон в DIP-корпусе (а), высоковольтный (б), энергетический (в), оптрон с пластмассовой полусферой (г), оптоперыватель (д), отражающий оптрон (е): 1 -фотоизлучатель; 2 — фотоприемник; 3 — световод; 4 — корпус; 5 — внешние выводы; Ме — металлические электроды

%d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9

Рис. 4. Электрическая схема (а) и передаточная характеристика (б) оптрона с внутренной прямой оптической связью

В оптроне с внутренним обратной положительной связью фотоприемник и источник света соединены последовательно (рис. 5, а). В нем два входа (оптический и электрический) и два аналогичных выхода.

Электрическая схема (а) и вольт-амперная характеристика (б) оптрона с внутренной обратной положительной оптической связью

Рис. 5. Электрическая схема (а) и вольт-амперная характеристика (б) оптрона с внутренной обратной положительной оптической связью

Между его элементами являются электрическая связь. Конструктивно оптрон выполнен так, что часть исходного светового потока попадает обратно в фотоприемник. Это приводит к уменьшению сопротивления, увеличение яркости свечение, дальнейшего уменьшения сопротивления. Этот процесс имеет нарастающий характер и продолжается до тех пор, пока изменение сопротивления не будет существенно влиять на величину тока или напряжения, которые подводятся к источнику света. Для этого достаточно, чтобы выполнялось условие:

%d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9

когда, %d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9

где, %d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9 и %d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9 — минимальное сопротивление фотодиода и сопротивление источника света;%d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9 и %d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9 — входной и входной максимальный токи оптрона; %d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9и %d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9— исходная и
выходная максимальная яркость свечения.
На практике такой режим работы оптрона называется состоянием «Включен». Состоянию «выключено» соответствует условие:%d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9

когда, %d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9

Переход оптрона из состояния «выключено» в положение «вкл» происходит скачком и сопровождается лавинообразным изменением тока и яркости в электрическом и оптическом кругах.
В оптроне с внутренной обратной отрицательной оптической связью фотоприемник и источник света соединены параллельно (рис. 6, а). Он тоже имеет два входа (электрический и оптический) и два аналогичных выхода. Между его элементами тоже есть электрическая связь. Конструктивно оптрон выполнено так, что часть исходного светового потока падает обратно в фотоприемник. Это приводит к уменьшению сопротивления фотоприемника и все большего шунтирование ним источники света, в результате этого начинает слабее светить.

Рис. 6. Электрическая схема (а) и вольт-амперная характеристика (б) оптрона с внутренной обратной отрицательной оптической связью

Рис. 6. Электрическая схема (а) и вольт-амперная характеристика (б) оптрона с внутренной обратной отрицательной оптической связью

В оптроне с внешной оптической связью входной и выходной сигналы являются оптическими. Его элементы соединены между собой электрической связью.

%d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9

Рис. 7. Электрическая схема (а) и передаточная характеристика (б) оптрона с внешной оптической связью

При подаче на вход оптрона оптического сигнала уменьшается сопротивление фотоприемника, вследствие чего возрастает ток через фотоизлучатель и соответственно растет яркость его свечения.

Свойства. Свойства оптронов определяют их характеристики и параметры. Различают входящие, исходящие, вольт-амперные и передаточные характеристики, их вид в значительной степени определяется электрической схеме оптрона и характером имеющихся оптических связей. Для оптронов с внутренной прямой оптической связью информативным является передаточная характеристика, выражающая
зависимость выходного электрического сигнала от входного. Для них любое изменение тока или напряжения фотоизлучения сопровождается соответствующими изменениями яркости его свечения, сопротивления фотоприемника и выходного тока оптрона. Поэтому его передаточная характеристика, выражающая зависимость выходного тока от входного, имеет вид, изображенный на рис. 4, б. Видно, что оптрон с внутренной прямой оптической связью можно рассматривать как элемент переменного сопротивления, величина которого определяется входным током или входным напряжением. Для оптронов с внутренной обратной положительной оптической связью основной является входная вольт-амперная характеристика, ее специфическая особенность заключается в наличии участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением, на которой напряжение падает, а ток возрастает. По внешнему виду она напоминает вольт амперные характеристики, электромагнитного реле или триггера (рис. 5, б).
Для оптронов с внутренной обратной отрицательной оптической связью основной тоже есть входная вольт-амперная характеристика. Ее вид приведен на рис. 6, б. Анализ формы кривой показывает, что при одинаковом спектральном составе входного и выходного излучений наблюдается монохроматическое усиления светового потока. Если же спектральный состав входного и выходного излучений разный, то наблюдается преобразования излучения. Оптрон с внешной оптической связью играет роль усилителя оптических сигналов (рис. 7).

Система параметров оптронов содержит параметры четырех групп:
1. Параметры, описывающие входную характеристику оптронов.
2. Параметры, которые описывают исходную характеристику оптронов.
3. Параметры, описывающие передающую характеристику оптронов.
4. Параметры, описывающие гальваническую развязку оптронов.

Поскольку на входе оптронов являются светодиоды или электролюминесцентные конденсаторы, а на выходе — фотодиоды, фототранзисторы, фоторезисторы, фототиристоры, то специфическим для оптронов есть только параметры двух последних групп. Степень влияния фотоизлучателя на фотоприемник (передающая характеристика) определяется:
— коэффициентом передачи тока%d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9 применяемый для диодных и транзисторных оптронов;

— отношением темнового сопротивления к световому:%d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9 или величиной светового сопротивления %d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9, которые применяют для резисторных оптронов;
— минимальным входным током, который обеспечивает выпрямлены входные характеристики %d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9, что применяют для тиристорных оптронов.

К ним относятся и параметры, характеризующие инерционность оптрона в импульсном режиме (время включения и выключения и %d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9) и в высокочастотном (предельная частота %d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9). Качество гальванической развязки в статике и динамике определяется заданием напряжения и сопротивления гальванической развязки (связи) %d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9 и %d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9 и проходной емкости %d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9 (емкости связи).
Транзисторные оптроны характеризуются наибольшей схемотехнической гибкостью, имеют высокое значение коэффициента передачи тока, но по сравнению небольшое быстродействие (%d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9). Особенно большие значения %d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9, (до 600 … 800%) достигают в оптроне с составным транзистором. Диодные оптроны, производящих преимущественно с использованием р- и n-фотоприемников, отмечаются большим быстродействием %d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9, но значение %d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9 для них составляет единицы процентов, поэтому необходимо усиление видеоизображений.
Диодные интегрированные оптроны, которые изготавливают по планарной технологии с применением GaAs -свитлодиодив и Si — p — i — n-фотодиодов, разделенных иммерсионной средой из стекла (n = 2,7), подобно диодных неинтегрированных оптронов, имеют высокое быстродействие %d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9 и малый коэффициент передачи тока %d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9 (единицы процентов). Расположение их передающих характеристик на координатной плоскости, которыми определяют коэффициент передачи тока, существенно зависит от температуры (рис. 8). Сопротивление изоляции между выходом и входом, которым определяется степень развязки по постоянному току, составляет 108 … 1012 Ом. Качество решения по переменным током зависит от проходной емкости, составляет единицы .

Температурная зависимость передающих характеристик диодного оптрона с внутреннjq оптической связью

Рис. 8. Температурная зависимость передающих характеристик диодного оптрона с внутренной оптической связью

Выходная характеристика оптрона в фотовентильном режиме (P- точка выделения mах мощности)

Рис. 9. Выходная характеристика оптрона в фотовентильном режиме (%d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9— точка выделения mах мощности)

Одна из важных особенностей диодных оптронов — способность работать в фотовентильном режиме без подачи внешнего напряжения на фотоприемник (Рис. 9). Оптрон выступает как управляющий изолированный источник питания. Серийные оптроны в фотовентильном режиме имеют, как правило, невысокий КПД (<0,5 … 1%), но достижения на лабораторных образцах КПД 10 … 15% и
возможность батарейного соединения оптронов служат основой для создания специфической группы маломощных (U ≈ 0,5 … 5 В, I ≈ 0,5..50 мА) вторичных источников питания. Резисторные оптроны характеризуются линейностью и симметричностью исходной вольтамперной характеристики, отсутствием внутренних ЭДС, высокой кратностью отношение %d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9. Поэтому, несмотря на свою очень большую инертность %d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9 и широкое развитие диодных и транзисторных оптронов, резисторные оптроны сохраняют важное самостоятельное значение. Тиристорные оптроны очень удобны в «силовой» оптоэлектронике. Они с одинаковым успехом пригодны для коммутации сильноточных цепей радиотехнического %d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9 и электротехнического %d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9%d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9 назначения. Управляя настолько большими мощностями в нагрузке, тиристорные оптроны за входом практически совместимы с ИМС (Значение Iвх составляет десятки миллиампер). Кроме рассмотренных разновидностей оптронов, которые распространены в промышленности, определенный интерес представляют и такие, в которых как фотоприемники используют МОН — варикапы, полевые транзисторы с диэлектрической затвором и с управляющим p-n-переходом, однопереходные транзисторы, лавинные диоды и транзисторы, диоды с барьером Шоттки.
Очень перспективными для аналоговой техники является дифференциальные оптроны, в которых один фотоизлучатель работает на два идентичных фотоприемника (Рис. 1, е). К элементарным относятся и многоканальные оптроны, которые представляют собой набор одинаковых оптронов в одном корпусе.

Применение. Оптроны с внутренним оптической связью широко применяются в различных отраслях радиотехники и электроники, вычислительной техники, автоматики, электротехники. В цифровых устройствах их используют для связи устройств, изготовленных на различной основе (например, для сопряжения биполярных ИМС с униполярными, туннельно-диодных и транзисторных схем и т.д.), их используют для управления силовыми цепями двигателей и реле постоянного и переменного токов от низковольтных маломощных логических схем; для связи логических схем с периферийным оборудованием ЭВМ; как элементы развязки от земли в источниках питания; как маломощные реле в электролюминесцентных системах отображения информации; в контрольно-измерительных устройствах,
непосредственно подключаются к сильноточным цепям переменного тока.

Оптроны, которые пригодны для передачи аналоговых сигналов, применяют как коммутирующие элементы в линиях телефонной связи; в кругах связи различных датчиков с ЭВМ; в медицинской электронике.
Оптроны с гибким световодом применяют для контроля высоковольтных линий электропередач; в измерительных системах, предназначенных для работы в условиях сильных помех (СВЧ-помехи, искрение) в устройствах управления и контроля высоковольтных электровакуумных приборов (клистронов, ЭЛТ, ЭОП, тому подобное); в технике физического эксперимента. Оптроны с открытым оптическим каналом (оптоперерывающий и отражающий оптроны) незаменимы в устройствах считывания информации с перфоносителей как индикаторы положения объектов и состояния их поверхностей в качестве датчиков вибрации, заполнения объемов жидкостью и т.д.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

CAPTCHA image
*