Что такое оптрон и как он работает

Оптроны. Виды и устройство. Работа и применение. Особенности

Оптроны (оптопары) — электронные приборы, служащие для преобразования сигнала электрического тока в световой поток. Их световой сигнал передается через каналы оптики, а также происходит обратная передача и преобразование света в электрический сигнал.

Устройство оптрона состоит из излучателя света и преобразователя светового луча (фотоприемника). В качестве излучателя в современных приборах используют светодиоды. В старых моделях применялись маленькие лампочки накаливания. Две составные части оптопары объединены общим корпусом и оптическим каналом.

Виды и устройство оптронов

Существует несколько признаков, по которым можно классифицировать оптроны по группам. При разделении на классы оптронных изделий необходимо учитывать два фактора: тип фотоприемника и особенности общей конструкции прибора.

Первый признак классификации оптронов обуславливается тем, что у всех оптопар на входе расположен светодиод, поэтому возможности функционирования определяются свойствами устройства фотоприемника. Вторым признаком является исполнение конструкции, определяющее особенности использования оптрона.

Применяя такой смешанный принцип разделения, можно выделить три группы оптронных устройств:

Группы содержат в себе множество видов приборов. Для популярных оптопар применяются некоторые обозначения:

Система свойств оптронных устройств основывается на системе свойств оптопар. Эта система создается из четырех групп свойств и режимов:

Основными оптронными параметрами считаются свойства передачи и гальванической развязки. Важной величиной транзисторных и диодных оптронов считается коэффициент передачи тока.

Показателями гальванической развязки оптронов являются:

Первый параметр является наиболее важным. По нему определяют электрическую прочность оптрона, а также его способности применения в качестве гальванической развязки.

Эти параметры оптронов применимы и для интегральных микросхем на основе оптопар.

Обозначения оптопар на схемах

Диодные оптопары

Оптроны на диодах (рис. а) больше других устройств показывают уровень развития оптронной технологии. По значению коэффициента передачи определяют полезное действие преобразования энергии в оптопаре. Величины временных значений свойств дают возможность определить наибольшие скорости передачи информации. Соединение с диодным оптроном усилителей позволяет создать эффективные устройства передачи информации.

Транзисторные оптроны

Эти приборы (рис. с) отличаются некоторыми свойствами от других видов оптопар. Одним из таких свойств является возможность оптического управления по цепи светодиода, и по основной электрической цепи. Цепь выхода может также действовать в режиме ключа и линейном режиме.

Принцип внутреннего усиления дает возможность получения больших величин коэффициента передачи тока. Поэтому дополнительные усилители не всегда нужны. Важным моментом является небольшая инерционность оптопары, что допускается для многих режимов. Фототранзисторы имеют выходные токи намного больше, чем фотодиоды. Поэтому они применяются для коммутации различных электрических цепей. Все это достигается простой технологией транзисторных оптронов.

Тиристорные оптроны

Такие оптопары (рис. b) имеют большую перспективу для коммутации мощных силовых цепей высокого напряжения: по мощности, нагрузке, скорости они более подходящие, чем Т 2 оптопары. Оптроны марки АОУ 103 служат для применения в качестве бесконтактных выключателей в разных электронных схемах: усилителях, управляющих цепях, источниках импульсов и т.д.

Резисторные оптроны

Такие устройства (рис. d) называют фоторезисторами. Они значительно различаются от других типов оптронов своими особенностями конструкции и технологией изготовления. Основным принципом работы фоторезистора является эффект фотопроводности, то есть, изменения величины сопротивления при воздействии светового потока.

Дифференциальные

Рассмотренные выше оптопары способны передавать цифровые данные по гальванической развязке цепи. Важной проблемой является передача аналогового сигнала при помощи оптронов, то есть, создание линейности свойств передачи «вход-выход». Только при наличии таких свойств оптопар можно передавать аналоговые данные по гальванической развязке цепи без цифрового вида и импульсной передачи.

Такая задача решается диодными оптопарами, имеющими качественные шумовые и частотные характеристики. Трудность в решении этой задачи заключается в узком интервале линейности передающей характеристики и линейности диодных оптопар. Такие приборы только начинают прогрессировать в развитии, но за ними большое будущее.

Оптронные микросхемы

Эти микросхемы являются наиболее популярными классами моделей оптронных устройств, благодаря конструктивной и электрической совместимости оптронных микросхем с простыми видами, а также намного большей функциональности. Широкое применение получили коммутационные оптронные микросхемы.

Специальные оптроны

Такие образцы имеют значительные отличия от стандартных моделей приборов. Они выполнены в виде оптопар с оптическим каналом открытого вида. В устройстве таких моделей между фотоприемником и излучателем находится воздушный промежуток. Поэтому, при размещении в нем механических препятствий можно управлять светом и сигналом выхода. Оптроны с открытым каналом оптики используются вместо оптических датчиков, которые фиксируют наличие предметов, их поверхность, поворот, перемещение и т.д.

Применение оптронных устройств

Контроль электрических процессов

Мощность светового потока от светодиода и величина фототока, который образуется в линейных цепях фотоприемников, напрямую зависит от тока проводимости излучателя. Поэтому по бесконтактным оптическим каналам можно передать информацию о процессах в цепях электрического тока, связанных проводами с излучателем. Наиболее эффективным стало применение излучателей света оптопар в датчиках, электрических изменений в силовых цепях высокого напряжения. Точная информация об аналогичных изменениях имеет важность для своевременной защиты источников и потребителей электроэнергии от чрезмерных нагрузок.

Стабилизатор с контрольным оптроном

Оптроны эффективно работают в стабилизаторах высокого напряжения. В них они образуют оптические каналы обратных связей отрицательной величины. Стабилизатор, изображенный на схеме, является прибором последовательного вида. При этом элемент регулировки выполнен на биполярном транзисторе, а стабилитрон на основе кремния работает в качестве источника эталонного опорного напряжения. Компонентом сравнения является светодиод.

При возрастании выходного напряжения, повышается и проводимость светодиода. На транзистор оптрона оказывает действие фототранзистор, при этом стабилизирует напряжение на выходе.

Достоинства оптронов

Недостатки оптронов

Такие отрицательные моменты оптронов постепенно устраняются по мере развития технологии схемотехники и создания материалов. Большая популярность оптронов вызвана, прежде всего, уникальными свойствами этих устройств.

Источник

Виды и устройство оптронов (оптопар)

Оптрон также называется оптопарой. Он состоит из фотоприемника и непосредственно излучателя. Оба элементы помещаются в герметичный корпус, где создан вакуум. Есть огромное количество разновидностей оптопар. Это диодные виды, резисторные или тиристорные оптопары, но существуют и другие. Ее название зависит от типа фотоприемника. Излучателем служит, как правило, светодиод, основанный на полупроводниковом эффекте. Обычны это инфракрасный свет с длиной волны 0,9-1,2 мКм.

Также существуют светодиоды красного света и даже имеющие в качестве источника света лампы накаливания. В статье будет рассказано о строении таких оптопар, как они устроены и где они применяются. В качестве дополнения, статья содержит два видеоролика и одна научная статья.

Что это такое

Конструкция оптрона подразумевает наличие специального светового излучателя (в современных устройствах для этого применяются световые диоды, прежние модели оснащались малогабаритными лампами накаливания) и устройства, отвечающего за преобразование полученного оптического сигнала (фотоприёмника). Обе эти составляющие объединяются при помощи оптического канала и общего корпуса.

Существует несколько характеристик, в соответствии с которыми можно разделить модели оптопар на несколько групп. В зависимости от степени интеграции:

В зависимости от разновидности оптического канала:

В зависимости от типа фотоприёмника:

Оптопарой (иначе – оптроном) называют электронные прибора предназначенные для преобразования электрических сигналов в световые, их передачи через оптические каналы и повторного преобразования сигнала вновь в электрический.

Конструкция устройств последнего вида зачастую дополняются полевыми транзисторами, за управление затвором которого отвечает тот же генератор. Фотосимисторные оптроны или те, которые оснащены полевыми транзисторами, могут называться «оптореле», либо «твердотельное реле».

Описание устройства

Излучатель – бескорпусный светодиод, – как правило, помещают в верхней части металлического корпуса, а в нижней – на кристаллодержателе – укрепляют кристалл кремниевого фотоприемника, например фототиристора. Все пространство между светодиодом и фототиристором заливают твердеющей прозрачной массой. Эту заливку покрывают отражающим внутрь световые лучи слоем, который препятствует рассеянию света за пределы рабочей зоны. Мало отличается от описанной конструкция резисторного оптрона.

Здесь в верхней части металлического корпуса укреплена сверхминиатюрная лампа накаливания, а в нижней – фоторезистор на основе селенистого кадмия. Фоторезистор изготавливают отдельно, на тонкой подложке из ситалла. На нее напыляют пленку из полупроводникового материала – селенида кадмия, а затем – формообразующие электроды из токопроводящего материала (например алюминия). К электродам приваривают выходные выводы. Жесткое соединение лампы и подложки между собой обеспечивается затвердевшей прозрачной массой. Отверстия в корпусе для выводов оптрона залиты стеклом. Герметичное соединение крышки и основания корпуса обеспечено сваркой.

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) тиристорного оптрона примерно такая же, что и у одиночного тиристора. При отсутствии входного тока (I=0 – темновая характеристика) фототиристор может включиться только при очень высоком значении приложенного к нему прямого напряжения (800…1000 В). Так как практически приложение столь большого напряжения недопустимо, то эта кривая имеет чисто теоретический смысл.

Если приложить к фототиристору прямое рабочее напряжение (от 50 до 400 В, в зависимости от типа оптрона), включение прибора возможно только при подаче входного тока, который теперь является управляющим. Скорость включения оптрона зависит от значения входного тока. Типичные значения времени включения t=5…10 мкс. Время выключения оптрона связано с процессом рассасывания неосновных носителей тока в переходах фототиристора и зависит только от значения протекающего выходного тока. Реальное значение времени выключения находится в пределах 10…50 мкс.

Максимальный и рабочий выходной ток фоторезисторного оптрона резко уменьшается при увеличении температуры окружающей среды выше 40 градусов по цельсия. Выходное сопротивление этого оптрона до значения входного тока 4 мА остается постоянным, а при дальнейшем увеличении входного тока (когда яркость свечения лампы накаливания начинает возрастать) резко уменьшается. Кроме описанных выше, существуют оптроны с так называемым открытым оптическим каналом. Здесь осветителем служит светодиод инфракрасного излучения, а фотоприемником могут быть фоторезистор, фотодиод или фототранзистор.

Отличие этого оптрона в том, что его излучение выходит наружу, отражается от какого-либо внешнего предмета и возвращается в оптрон, к фотоприемнику. В таком оптроне выходным током может управлять не только входной ток, но также изменение положения внешней отражающей поверхности. У оптронов с открытым оптическим каналом оптические оси излучателя и приемника расположены либо параллельно, либо под небольшим углом. Существует конструкции подобных оптронов с соосным расположением оптических осей. Такие приборы называют оптопрерывателями.

Структура и характеристики

В оптопарах применяются фотоприемники, чувствительные в ближней инфракрасной и видимой областях, поскольку именно для данной части спектра характерны источники интенсивного излучения, могущие работать в качестве фотоприемников без охлаждения. Фотоприемники с р-n-переходами (диоды и транзисторы) на основе кремния универсальны, область их максимальной спектральной чувствительности находится вблизи 0,8 мкм.

Оптопара характеризуется в первую очередь коэффициентом передачи по току CTR, то есть отношением токов входного и выходного сигналов. Следующий параметр — скорость передачи сигнала, по сути – граничная частота fc работы оптопары, связанная с временами фронта tr и среза tf для передаваемых импульсов. Наконец, параметры, характеризующие оптопару с точки зрения гальванической развязки: сопротивление развязки Riso, максимальное напряжение Viso и проходная емкость Cf.

В оптронах с управляемым оптическим каналом имеется дополнительное устройство управления, через которое можно с помощью электрических или магнитных средств влиять на свойства оптической среды. На стороне фотоприемника сигнал восстанавливается, с высоким быстродействием преобразуясь из оптического в электрический. Выходное устройство на стороне фотоприемника (например включенный в схему фототранзистор) призван преобразовать сигнал в стандартную электрическую форму, удобную для дальнейшей обработки в следующих за оптроном блоках. Оптопара зачастую не содержит входных и выходных устройств, поэтому ей требуются внешние цепи для создания нормального режима работы в схеме того или иного прибора.

Типы и разновидности

Оптоэлектронные устройства работают по-разному в зависимости от того, к какому из двух видов направлений они относятся:

Работа прибора базируется на принципе, в соответствии с которым происходит преобразование световой энергии в электрическую. Причём, переход осуществляется посредством твёрдого тела и происходящих в нём процессов внутреннего фотоэлектрического эффекта (выражающегося в испускании веществом электронов под воздействием фотонов) и эффекта свечения под действием электрического поля.

Прибор функционирует благодаря тонкому взаимодействию твёрдого тела и электромагнитного излучения, а также используя лазерные, голографические и фотохимические устройства.

Фотонные электронно-вычислительные машины компонуются с использованием одной из двух категорий оптических элементов:

Они являются моделями устройств соответственно электронно-оптического и оптического направлений.

Будет ли оптрон передавать сигнал линейно, определяется теми характеристиками, которыми обладает вмонтированный в конструкцию фотоприёмник. Наибольшую линейность передачи можно ожидать от резисторных оптронов. Как следствие, процесс эксплуатации подобных устройств отличается наибольшим удобством. Ступенью ниже стоят модели с фотодиодами и одиночными биполярными транзисторами. Для обеспечения работы импульсных приборов применяют оптроны на биполярных, либо полевых транзисторах, поскольку там нет необходимости в линейной передаче сигнала. Наконец, фототиристорные оптроны монтируют, чтобы обеспечить гальваническую изоляцию и безопасность эксплуатации устройства.

Применение

Существует множество сфер, в которых необходимо использование оптронов. Такая широта применения обусловлена тем, что они являются элементами, обладающими множеством различных свойств и на каждое их качество приходится отдельная сфера применения.

Использование транзисторных, либо интегральных оптопар особенно актуально, если требуется обеспечить гальваническую изоляцию в сигнальной цепи или цепи с незначительным управляющим током. Роль элемента управления могут выполнять трёхэлектродные полупроводниковые приборы, схемы, управляющие дискретными сигналами, а также цепи с особой специализацией.

Параметры и особенности работы устройства

Опираясь на точную конструкцию прибора, можно определить его электрическую прочность. Под этим термином понимается значение напряжения, возникающего между цепями входа и выхода.Так, производители оптопар, обеспечивающих гальваническую изоляцию, демонстрируют целый ряд моделей с различными корпусами:

В зависимости от типа корпуса у оптопары формируется то или иное напряжение изоляции. Чтобы создать условия, в которых уровень напряжения достаточный для пробоя изоляции был достаточно велик, следует сконструировать оптопару таким образом, чтобы следующие детали были расположены достаточно далеко друг от друга:

В отдельных случаях можно обнаружить оптопары специализированной группы, изготавливаемые в соответствии с международным стандартом безопасности. Уровень электрической прочности у этих моделей на порядок выше. Другой значимый параметр транзисторной оптопары носит название «коэффициента передачи тока». Согласно значению этого коэффициента устройство относят к той или иной категории, что и отображается в названии модели.

Относительно уровня нижней рабочей частоты оптронов никаких ограничений нет: они хорошо функционируют в цепи с постоянным током. А верхняя граница рабочей частоты этих приборов, задействованных в передаче сигналов цифрового происхождения, исчисляется в сотнях мегагерц. Для оптронов линейного типа этот показатель ограничивается десятками мегагерц. Для самых медленных конструкций, включающих в себя лампу накаливания, наиболее характерна роль низкочастотных фильтров, работающих на частотах, не достигающих 10 Герц

Существует две основные причины тому, что работа транзисторной пары сопровождается шумовыми эффектами:

Чтобы побороть первую причину, понадобится вмонтировать особый экран. Вторая же устраняется через верно подобранный рабочий режим.

Оптореле

Оптореле, иначе называемое твердотельным реле, обычно используется для регуляции работы цепи с большими управляющими токами. Роль управляющего элемента здесь обычно выполняют два MOSFET транзистора со встречным подключением, подобная конфигурация обеспечивает возможность функционирования в условиях переменного тока.

Классификация видов оптореле

Для оптореле определено три типа топологий:

Оптореле подобно оптопаре имеет характеристику по электрической прочности.

Сфера применения устройства

Используются они в самых различных сферах:

Источник

Оптроны и их применение

Введение

История

Основные определения

Оптронами называют такие оптоэлектронные приборы, в которых имеются источник и приемник излучения (светоизлучатель и фотоприемник) с тем или иным видом оптической и электрической связи между ними, конструктивно связанные друг с другом.

Принцип действия оптронов любого вида основан на следующем. В излучателе энергия электрического сигнала преобразуется в световую, в фотоприемнике, наоборот, световой сигнал вызывает электрический отклик.

Практически распространение получили лишь оптроны, у которых имеется прямая оптическая связь от излучателя к фотоприемнику и, как правило, исключены все виды электрической связи между этими элементами.

По степени сложности структурной схемы среди изделий оптронной техники выделяют две группы приборов. Оптопара (говорят также «элементарный оптрон») представляет собой оптоэлектронный полупроводниковый прибор, состоящий из излучающего и фотоприемного элементов, между которыми имеется оптическая связь, обеспечивающая электрическую изоляцию между входом и выходом. Оптоэлектронная интегральная микросхема представляет собой микросхему, состоящую из одной или нескольких оптопар и электрически соединенных с ними одного или нескольких согласующих или усилительных устройств.

Таким образом, в электронной цепи такой прибор выполняет функцию элемента связи, в котором в то же время осуществлена электрическая (гальваническая) развязка входа и выхода.

Отличительные особенности оптронов

Перечисленные недостатки оптронов по мере совершенствования материалов, технологии, схемотехники частично устраняются, но, тем не менее, еще длительное время будут носить достаточно принципиальный характер. Однако их достоинства столь высоки, что обеспечивают уверенную внеконкурентность оптронов среди других приборов микроэлектроники.

Обобщенная структурная схема

В структурной схеме на рис. 1 входное устройство служит для оптимизации рабочего режима излучателя (например, смещения светодиода на линейный участок ватт-амперной характеристики) и преобразования (усиления) внешнего сигнала. Входной блок должен обладать высоким КПД преобразования, высоким быстродействием, широким динамическим диапазоном допустимых входных токов (для линейных систем), малым значением «порогового» входного тока, при котором обеспечивается надежная передача информации по цепи.

Рис 1. Обобщенная структурная схема оптрона

Принципиальная возможность управления оптическими свойствами среды, например, с помощью использования электрооптических или магнитооптических эффектов, отражена введением в схему устройства управления, В этом случае мы получаем оптрон с управляемым оптическим каналом, функционально отличающийся от «обычного» оптрона: изменение выходного сигнала может осуществляться как по входу, так и по цепи управления.

В фотоприемнике происходит «восстановление» информационного сигнала из оптического в электрический; при этом стремятся иметь высокую чувствительность и высокое быстродействие.

Наконец, выходное устройство призвано преобразовать сигнал фотоприемника в стандартную форму, удобную для воздействия на последующие за оптроном каскады. Практически обязательной функцией выходного устройства является усиление сигнала, так как потери после двойного преобразования очень значительны. Нередко функцию усиления выполняет и сам фотоприемник (например, фототранзистор).

Реальный оптрон может быть устроен и сложнее, чем схема на рис. 1; каждый из указанных блоков может включать в себя не один, а несколько одинаковых или подобных друг другу элементов, связанных электрически и оптически, однако это не изменяет существенно основ физики и электроники оптрона.

Применение

В качестве элементов гальванической развязки оптроны применяются: для связи блоков аппаратуры, между которыми имеется значительная разность потенциалов; для защиты входных цепей измерительных устройств от помех и наводок и т.д.

Специфическую группу управляющих оптронов составляют резисторные оптроны, предназначенные для слаботочных схем коммутации в сложных устройствах визуального отображения информации, выполненных на электролюминесцентных (порошковых) индикаторах, мнемосхемах, экранах.

Различные оптроны (диодные, резисторные, транзисторные) находят применение и в чисто радиотехнических схемах модуляции, автоматической регулировки усиления и др. Воздействие по оптическому каналу используется здесь для вывода схемы в оптимальный рабочий режим, для бесконтактной перестройки режима и т. п.

Возможность изменения свойств оптического канала при различных внешних воздействиях на него позволяет создать целую серию оптронных датчиков: таковы датчики влажности и загазованности, датчика наличия в объеме той или иной жидкости, датчики чистоты обработки поверхности предмета, скорости его перемещения и т. п.

Достаточно специфическим является использование оптронов в энергетических целях, т. е. работа диодного оптрона в фотовентильном режиме. В таком режиме фотодиод генерирует электрическую мощность в нагрузку и оптрон до определенной степени подобен маломощному вторичному источнику питания, полностью развязанному от первичной цепи.

Создание оптронов с фоторезисторами, свойства которых при освещении меняются по заданному сложному закону, позволяет моделировать математические функции, является шагом на пути создания функциональной оптоэлектроники.

Универсальность оптронов как элементов гальванической развязки и бесконтактного управления, разнообразие и уникальность многих других функций являются причиной того, что сферами применения этих приборов стали вычислительная техника, автоматика, связная и радиотехническая аппаратура, автоматизированные системы управления, измерительная техника, системы контроля и регулирования, медицинская электроника, устройства визуального отображения информации.

Физические основы оптронной техники

Элементная база и устройство оптронов

Элементную основу оптронов составляют фотоприемники и излучатели, а также оптическая среда между ними. Ко всем этим элементам предъявляются такие общие требования, как малые габариты и масса, высокая долговечность и надежность, устойчивость к механическим и климатическим воздействиям, технологичность, низкая стоимость. Желательно также чтобы элементы прошли достаточно широкую и длительную промышленную апробацию.

Функционально (как элемент схемы) оптрон характеризуется в первую очередь тем, какой вид фотоприемника в нем используется.

Успешное использование фотоприемника в оптроне определяется выполнением следующих основных требований: эффективность преобразования энергии квантов излучения в энергию подвижных электрических; наличие и эффективность внутреннего встроенного усиления; высокое быстродействие; широта функциональных возможностей.

В оптронах используются фотоприемники различных структур, чувствительные в видимой и ближней инфракрасной области, так как именно в этом диапазоне спектра имеются интенсивные источники излучения и возможна работа фотоприемников без охлаждения.

Многочисленные требования предъявляются и к излучателям оптронов. Основные из них: спектральное согласование с выбранным фотоприемником; высокая эффективность преобразования энергии электрического тока в энергию излучения; преимущественная направленность излучения; высокое быстродействие; простота и удобство возбуждения и модуляции излучения.

Общие требования, предъявляемые к оптической иммерсионной среде оптрона, следующие: высокое значение показателя преломления n_им; высокое значение удельного сопротивления r _им; высокая критическая напряженность поля Е_{им кр}, достаточная теплостойкость D q _{им раб}; хорошая адгезия с кристаллами кремния и арсенида галлия; эластичность (это необходимо, так как не удается обеспечить согласование элементов оптрона по коэффициентам термического расширения); механическая прочность, так как иммерсионная среда в оптопаре выполняет не только светопередающие, но и конструкционные функции; технологичность (удобство использования, воспроизводимость свойств, дешевизна и т. п.).

Физика преобразования энергии в диодном оптроне

E_ф = hn = hc / n l (2.1)

Если плотность потока квантов (т. е. число квантов, пролетающих через единицу площади в единицу времени) равна N_ф, то полная удельная мощность излучения составит:

P_ф = N_ф * E_ф (2.2)

и, как видно из (2.1), при заданном N_ф она тем больше, чем короче длина волны излучения. Поскольку на практике заданной бывает P_ф (энергетическая облученность фотоприемника), то представляется полезным следующее соотношение

N_ф = P_ф / E_ф = 5 * 10 15 l P_ф (2.3)

Рис. 2. Энергетическая диаграмма прямозонного полупроводника (на примере тройного соединения GaAsP)

Механизм инжекционной люминесценции в светодиоде состоит из трех основных процессов: излучательная (и безызлучательная) рекомбинация в полупроводниках, инжекция избыточных неосновных носителей заряда в базу светодиода и вывод излучения из области генерации.

Рекомбинация носителей заряда в полупроводнике определяется, прежде всего, его зонной диаграммой, наличием и природой примесей и дефектов, степенью нарушения равновесного состояния. Основные материалы оптронных излучателей (GaAs и тройные соединения на его основе GaA1As и GaAsP) относятся к прямозонным полупроводникам, т.е. к таким, в которых разрешенными являются прямые оптические переходы зона-зона (рис. 2). Каждый акт рекомбинации носителя заряда по этой схеме сопровождается излучением кванта, длина волны которого в соответствии с законом сохранения энергии определяется соотношением:

l _изл [мкм] = 1,23 / E_ф [эB] (2.4)

Относительная роль различных механизмов рекомбинации описывается введением понятия внутреннего квантового выхода излучения h _int, определяемого отношением вероятности излучательной рекомбинации к полной (излучательной и безызлучательной) вероятности рекомбинации (или, иначе, отношением числа генерированных квантов к числу инжектированных за то же время неосновных носителей заряда). Значение h _int является важнейшей характеристикой материала, используемого в светодиоде; очевидно, что 0 h _int 100%.

Создание избыточной концентрации свободных носителей в активной (излучающей) области кристалла светодиода осуществляется путем инжекции их р-n-переходом, смещенным в прямом направлении.

Очевидно, что пределы возможного изменения g те же, что и у h _int, т. е. 0 g 100%.

Перейдем к приемному блоку. Принцип действия используемых в оптронах фотприемников основан на внутреннем фотоэффекте, заключающемся в отрыве электронов от атомов внутри тела под действием электромагнитного (оптического) излучения.

Кванты света, поглощаясь в кристалле, могут вызывать отрыв электронов от атомов, как самого полупроводника, так и примеси. В соответствии с этим говорят о собственном (беспримесном) и примесном поглощении (фотоэффекте). Поскольку концентрация примесных атомов мала, фотоэлектрические эффекты, основанные на собственном поглощении, всегда существеннее, чем основанные на примесном. Все используемые в оптронах фотоприемники «работают» на беспримесном фотоэффекте. Для того чтобы квант света вызывал отрыв электрона от атома, необходимо выполнение очевидных энергетических соотношений:

Таким образом, собственный фотоэффект может иметь место лишь при воздействии на полупроводник излучения с длиной волны, меньшей некоторого значения l _гр:

Интенсивность протекания фотоэффекта (в той спектральной области, где он может существовать) зависит от квантового выхода, определяемого отношением числа генерированных пар электрон-дырка к числу поглощенных фотонов. Анализ экспериментальных зависимостей от показывает, что в интересной для оптронов спектральной области b = 1.

В зависимости от характера выходного сигнала (напряжение, ток) говорят о вольтовой или токовой фоточувствительности приемника S, измеряемых соответственно в В/Вт или А/Вт. Линейность (или нелинейность) фотоприемника определяется значением показателя степени n в уравнении, связывающем выходной сигнал с входным: U_вых( или I_вых)

P_{ф min} = / D (2.9)

Рис. 4. Схемы измерения и семейства вольт-амперных характеристик в фотодиодном (а) и фотовентильном (б) режимах работы диода

В применении к оптронам не все перечисленные характеристики оказываются одинаково важными. Как правило, фотоприемники в оптронах работают при облученностях, очень далеких от пороговых, поэтому использование параметров P_{ф min} и D оказывается практически бесполезным. Конструктивно фотоприемник в оптроне обычно, «утоплен» в иммерсионную. среду, соединяющую его с излучателем, поэтому знание оптических характеристик входного окна теряет смысл (как правило, специально такого окна нет). Не очень важно знать и распределение чувствительности по фоточувствительной площадке, так как интерес представляют интегральные эффекты.

Рабочей областью вольт-амперных характеристик фотодиода является III квадрант на рис. 4,а; соответственно этому в качестве важнейшего параметра выступает токовая чувствительность

Система параметров изделий оптронной техники базируется на системе параметров оптопар, которая формируется из четырех групп параметров и режимов.

Важнейшим параметром диодной и транзисторной оптопар является коэффициент передачи тока. Определение импульсных параметров оптронов ясно из (рис. 5). Отсчетными уровнями при измерении параметров t_нар(сп), t_зд, и t_{вкл(выкл)} обычно служат уровни 0.1 и 0.9, полное время логической задержки сигнала определяется по уровню 0,5 амплитуды импульса.

Параметрами гальванической развязки. Оптопар являются: максимально допустимое пиковое напряжение между входом и выходом U_{разв п max}; максимально допустимое напряжение между входом и выходом U_{разв max}; сопротивление гальванической развязки R_разв; проходная емкость C_разв; максимально допустимая скорость изменения напряжения между входом в выходом (dU разв /dt)_max. Важнейшим является параметр U_{разв п max}. Именно он определяет электрическую прочность оптопары и ее возможности как элемента гальванической развязки.

Рассмотренные параметры оптопар полностью или с некоторыми изменениями используются и для описания оптоэлектронных интегральных микросхем.

Диодные оптопары

Рис. 6. Условные обозначения оптопар

Диодные оптопары (рис. 6,а) в большой степени, чем какие-либо: другие приборы, характеризуют уровень оптронной техники. По величине К_i можно судить о достигнутых КПД преобразования энергии в оптроне; значения временных параметров позволяют определить предельные скорости распространения информации. Подключение к диодной оптопаре тех или иных усилительных элементов, весьма полезное и удобное, не может тем не менее дать выигрыша ни по энергетике, ни по предельным частотам.

Транзисторные и тиристорные оптопары

Транзисторные оптопары (рис. 6, c) рядом своих свойств выгодно отличаются от других видов оптронов. Это прежде всего схемотехническая гибкость, проявляющаяся в том, что коллекторным током можно управлять как по цепи светодиода (оптически), так и по базовой цепи (электрически), а также в том, что выходная цепь может работать и в линейном и в ключевом режиме. Механизм внутреннего усиления обеспечивает получение больших значений коэффициента передачи тока К_i, так что последующие усилительные каскады не всегда необходимы. Важно, что при этом инерционность оптопары не очень велика и для многих случаев вполне допустима. Выходные токи фототранзисторов значительно выше, чем, например, у фотодиодов, что делает их пригодными для коммутации широкого круга электрических цепей. Наконец, следует отметить, что все это достигается при относительной технологической простоте транзисторных оптопар.

Резисторные оптопары

Резисторные оптопары (рис. 6, d) принципиально отличаются от всех других видов оптопар физическими и конструктивно-технологическими особенностями, а также составом и значениями параметров.

В основе принципа действия фоторезистора лежит эффект фотопроводимости, т. е. изменения сопротивления полупроводника при освещении.

Дифференциальные оптопары для передачи аналогового сигнала

Сопоставление свойств различных оптопар по параметрам, важным с точки зрения передачи аналоговых сигналов приводит к заключению, что если эта задача и может быть решена, то только с помощью диодных оптопар, обладающих хорошими частотными и шумовыми характеристиками. Сложность проблемы заключается прежде всего в узком диапазоне линейности передаточной характеристики и степени этой линейности у диодных оптопар.

Следует отметить, что в создании приборов с гальванической развязкой, пригодных для передачи аналоговых сигналов, сделаны лишь первые шаги, и можно ожидать дальнейшего прогресса.

Оптоэлектронные микросхемы и другие приборы оптронного типа

Оптоэлектронные микросхемы представляют собой один из наиболее широко применяемых, развивающихся, перспективных классов изделий оптронной техники. Это обусловлено полной электрической и конструктивной совместимостью оптоэлектронных микросхем с традиционными микросхемами, а также их более широкими по сравнению с элементарными оптронами функциональными возможностями. Как и среди обычных микросхем, наиболее широкое распространение получили переключательные оптоэлектронные микросхемы.

Специальные виды оптронов резко отличаются от традиционных оптопар и оптоэлектронных микросхем. К ним относятся, прежде всего, оптроны с открытым оптическим каналом. В конструкции этих приборов между излучателем и фотоприемником имеется воздушный зазор, так что, помещая в него те или иные механические преграды, можно управлять световым потоком и тем самым выходным сигналом оптрона. Таким образом, оптроны с открытым оптическим каналом выступают в качестве оптоэлектронных датчиков, фиксирующих наличие (или отсутствие) предметов, состояние их поверхности, скорость перемещения или поворота и т. п.

Сферы применения оптронов и оптронных микросхем

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. 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. Достаточно специфическим, но во многих случаях оправданным и полезным является использование оптронных элементов в энергетических целях.

Передача информации

При передаче информации оптроны используются в качестве элементов связи, и, как правило, не несут самостоятельной функциональной нагрузки. Их применение позволяет осуществить весьма эффективную гальваническую развязку устройств управления и нагрузки (рис. 7), действующих в различных электрических условиях и режимах. С введением оптронов резко повышается помехоустойчивость каналов связи; практически устраняются «паразитные» взаимодействия по цепям «земли» и питания. Интерес представляет также рациональное и надежное согласование цифровых интегральных устройств с разнородной элементной базой (ТТЛ, ЭСЛ, И2Л, КМОП и т. п).

Рис. 7. Схема межблочной гальванической развязки

Рис. 8. Схема сопряжения ТТЛ и МДП элементов по оптическому каналу

Активно используются оптические связи в телефонных устройствах и системах. С помощью оптронов технически несложными средствами удается подключать к телефонным линиям микроэлектронные устройства, предназначенные для вызова, индикации, контроля и других целей.

Введение оптических связей в электронную измерительную аппаратуру, кроме полезной во многих отношениях гальванической развязки исследуемого объекта и измерительного прибора, позволяет также резко уменьшить влияние помех, действующих по цепям заземления и питания.

Значительный интерес представляют возможности и опыт использования оптоэлектронных приборов и устройств в биомедицинской аппаратуре. Оптроны позволяют надежно изолировать больного от действия высоких напряжений, имеющихся, например, в электрокардиографических приборах.

Бесконтактное управление мощными, высоковольтными цепями по оптическим каналам весьма удобно и безопасно в сложных технических режимах, характерных для многих устройств и комплексов промышленной электроники. В этой области сильны позиции тиристорных оптронов (рис. 9).

Рис. 9. Схема коммутации нагрузки переменного тока

Получение и отображение информации

Оптроны и оптронные микросхемы занимают прочные позиции в бесконтактной дистанционной технике оперативного получения и точного отображения информации о характеристиках и свойствах весьма различных (по природе и назначению) процессов и объектов. Уникальными возможностями в этом плане обладают оптроны с открытыми оптическими каналами. Среди них оптоэлектронные прерыватели, реагирующие на пересечение оптического канала непрозрачными объектами (рис. 10), и отражательные оптроны, у которых воздействие светоизлучателей на фотоприемники всецело связано с отражением излучаемого потока от внешних объектов.

Рис. 10. Оптоэлектронный датчик

Круг применений оптронов с открытыми оптическими каналами обширен и разнообразен. Уже в 60-е годы оптроны подобного типа эффективно использовались для регистрации предметов и объектов. При такой регистрации, характерной в первую очередь для устройств автоматического контроля и счета объектов, а также для обнаружения и индикации различного рода дефектов и отказов, важно четко определить местонахождение объекта или отразить факт его существования. Функции регистрации оптроны выполняют надежно и оперативно.

Контроль электрических процессов

Мощность излучения, генерируемого светодиодом, и уровень фототока, возникающего в линейных цепях с фотоприемниками, прямо пропорциональны току электрической проводимости излучателя. Таким образом, по оптическим (бесконтактным, дистанционным) каналам можно получить вполне определенную, информацию о процессах в электрических цепях, гальванически связанных с излучателем. Особенно эффективным оказывается использование светоизлучателей оптронов в качестве датчиков электрических изменений в сильноточных, высоковольтных цепях. Четкая информация о подобных изменениях важна для оперативной защиты источников и потребителей энергии от электрических перегрузок.

Рис. 11. Стабилизатор напряжения с контролирующим оптроном

Оптроны успешно действуют в высоковольтных стабилизаторах напряжения, где они создают оптические каналы отрицательных обратных связей. Рассматриваемый стабилизатор (рис. 11) относятся к устройству последовательного типа, причем регулирующим элементом является биполярный транзистор, а кремниевый стабилитрон действует как источник, опорного (эталонного) напряжения. Сравнивающим элементом служит светодиод.

Если выходное напряжение в схеме рис. 11 возрастает, то увеличивается и ток проводимости светодиода. Фототранзистор оптрона воздействует на транзистор, подавляя возможную нестабильность выходного напряжения.

Замена электромеханических изделий

В комплексе технических решений, ориентированных на повышение эффективности и качества устройств автоматики, радиотехники, электросвязи, промышленной и бытовой электроники, целесообразной и полезной мерой является замена электромеханических изделий (трансформаторов, реле, потенциометров, реостатов, кнопочных и клавишных переключателей) более компактными, долговечными, быстродействующими аналогами. Ведущая роль в этом направлении отводится оптоэлектронным приборам и устройствам. Дело в том, что весьма важные технические достоинства трансформаторов и электромагнитных реле (гальваническая развязка цепей управления и нагрузки, уверенное функционирование в мощных, высоковольтных, сильноточных системах) свойственны и оптронам. Вместе с тем оптоэлектронные изделия существенно превосходят электромагнитные аналоги по надежности, долговечности, переходным и частотным характеристикам. Управление компактными и быстродействующими оптоэлектронными трансформаторами, переключателями, реле уверенно осуществляется с помощью интегральных микросхем цифровой техники без специальных средств электрического согласования.

Пример замены импульсного трансформатора приведен на рис. 12.

Рис. 12. Схема оптоэлектронного трансформатора

Энергетические функции

В энергетическом режиме оптроны используются в качестве вторичных источников ЭДС и тока. КПД оптронных преобразователей энергии невелик. Однако возможность введения дополнительного источника напряжения или тока в любую цепь устройства без гальванической связи с первичным источником питания дает разработчику новую степень свободы, особенно полезную при решении нестандартных технических задач.

Источник

• ← Что такое оптрон для чего он нужен
• Что такое опу в бухгалтерии →