ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ И УСТРОЙСТВА

ОПТРОНЫ Устройство и принцип действия оптронов

Оптронами называются такие оптоэлектронные приборы, в которых имеются излучатели и фотоприемники, используются оптические и электрические связи, а также конструктивно созданные друг с другом элементы. Некоторые разновидности оптронов называются опто­парами, или оптоизоляторами.

Принцип действия любого оптрона основан на двойном преобразовании энергии. В из­лучателях энергия электрического сигнала преобразуется в оптическое излучение, а в фото­приемниках, наоборот, оптический сигнал вызывает электрический ток или напряжение или приводит к изменению его сопротивления.

Наибольшее распространение получили оптроны с внешними электрическими выхода­ми и выходными сигналами и внутренними оптическими сигналами (рис. 7.1). Конструкция такого опторона имеет вид, показанный на рис. 7.2.

В электрической схеме такой прибор выпол­няет функцию выходного элемента — фотопри­емника с одновременной электрической изоля­цией (гальванической развязкой) входа и выхо­да. Излучатель является источником фотонов, в качестве которого может быть использован све­тодиод или миниатюрная лампа накаливания. Оптической средой может служить воздух, стек­ло, пластмасса или волоконный световод. В каче­стве фотоприемников используются фотодиоды, фототранзисторы, фототиристоры и фоторези­сторы. Очень часто применяются интегральные фотодиодно-транзисторные структуры. Различ­ные комбинации этих элементов позволяют по­лучить весьма разнообразные входные, выход­ные и передаточные характеристики.

На практике применяется и другая разновидность оптронов: использующая внешние входные и выходные оптические сигналы и внутренние электрические сигналы (рис. 7.3). Как правило, такие приборы содержат усилители фототока.

В отдельных случаях применяются оптроны, одновременно использующие оптические и электрические связи (один из возможных вариантов приведен на рис. 7.4).

Иш

Рис. 7.4. Оптроны, одновременно использующие оптические и электрические связи

С конструкторско-технологической точки зрения излучатель и фотоприемник являются равноправными. Эффективность преобразования энергии и срок службы оптрона в основ­ном определяются излучателем. При разработке излучателя для оптрона главная трудность заключается в оптимизации согласования с фотоприемннком. К параметрам, подлежащим оптимизации, относятся коэффициент усиления, ширина полосы частот, размеры оптиче­ского окна, электрические характеристики. Поскольку желательно иметь малое последова­тельное сопротивление, наилучшим вариантом служит излучатель на основе ваАв. Стре­мятся получить и малую величину прямого напряжения, но это менее важно, чем оптимиза­ция усиления и частотной полосы.

Требования к виду оптического окна излучателя оптрона и обычного светодиода значи­тельно отличаются друг от друга. Светодиоды изготавливают с кольцевой излучающей об­ластью площадки, чтобы получить высокий коэффициент отношения видимой излучающей области к фактической. Для оптрона излучающая область должна быть настолько малой, насколько это совместимо с допустимой плотностью тока, а контактная площадка размеща­ется так, чтобы минимально затемнить излучающую область. Это обеспечивает лучшую связь с приемником. Малый размер излучающей области позволяет уменьшить бесполезные краевые потери, как тока, так и излучения и обеспечить постоянство условий связи незави­симо от разброса величины зазора и точности совмещения с чувствительной областью фо­топриемника у различных образцов оптронов.

При выборе оптической среды ее изолирующие свойства играют определяющую роль, если расстояние между излучателем и приемником очень мало.

Если же расстояние достаточно велико, например, при использовании волоконной опти­ки, линз или другой среды (отражающей или пропускающей), изолирующие свойства стано­вятся менее важными. Зато большое значение приобретает спектр пропускания, особенно, если применяются пластмассы. В большинстве оптронов для уменьшения потерь на френе - левское отражение от поверхности излучателя и приемника используют просветляющие по­крытия. При этом одновременно создается изоляция, так как материалы покрытий не явля­ются проводниками электрического тока. Во многих типах оптронов для создания хорошей изоляции между излучателем и приемником применяют слой пленки из прозрачного фторо­пласта. Оптическая изоляция позволяет иметь прибор, обеспечивающий оптическую связь сигналов двух раздельных электронных схем, несмотря на то, что последние гальванически развязаны. Напряжение изоляции таких приборов может достигать тысяч вольт.

Принципиальные физические достоинства оптронов, как уже отмечалось выше, обу­словленные использованием фотонов в качестве носителей информации, заключаются в обеспечении очень высокой электрической изоляции входа и выхода, однонаправленности потока информации, отсутствии обратной связи с выхода на вход и широкой полосе про­пускания.

Кроме того, важными достоинствами оптронов являются:

- возможность бесконтактного (оптического) управления электронными объектами и обусловленные этим разнообразие и гибкость конструкторских решений управления;

- невосприимчивость оптических каналов связи к воздействию электромагнитных по­лей, что в случае оптронов с протяженным оптическим каналом обусловливает высо­кую помехозащищенность, а также исключает взаимные наводки;

- возможность создания функциональных микроэлектронных устройств с фотоприем­никами, характеристики которых под действием оптического излучения изменяются по заданному (сколь угодно сложному) закону;

- расширение возможностей управления выходным сигналом оптрона путем воздейст­вия (в том числе и неэлектрического) на материал оптического канала и, как следст­вие этого, создание разнообразных датчиков и приборов для передачи информации.

Современным оптронам присуши и определенные недостатки:

- низкий кпд, обусловленный необходимостью двойного преобразования энергии (элек­тричество-излучение-электричество), и значительная потребляемая мощность;

- сильная температурная зависимость параметров;

- высокий уровень собственных шумов;

- конструктивно-технологическое несовершенство, связанное в основном с использова­нием гибридной технологии.

Перечисленные недостатки оптронов по мере совершенствования материалов, техноло­гии, схемотехники постепенно устраняются. Широкое применение оптронов определяется прежде всего уникальностью достоинств этих приборов.