15 Оптоэлектронные приборы
Оптронными приборами (оптронами) называют такие полупроводниковые приборы, в которых имеются источник и приемник излучения (светоизлучатель и фотоприемник) с тем или иным видом оптической связи между ними.
Принцип действия оптронов любого вида основан на следующем. В излучателе энергия электрического сигнала преобразуется в световую, а в фотоприемнике, наоборот, световой сигнал вызывает электрический отклик (сигнал). 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.Наличие оптической связи обеспечивает электрическую изоляцию между входом (излучателем) и выходом (фотоприемником).
Таким образом, в электронной цепи такой прибор выполняет функцию элемента связи, в котором в то же время осуществлена электрическая (гальваническая) развязка входа и выхода.
Применение оптоэлектронных приборов достаточно разнообразно: для связи блоков аппаратуры, между которыми имеется значительная разность потенциалов; для защиты входных цепей измерительных устройств от помех и наводок, оптическое, бесконтактное управление сильноточными и высоковольтными цепями (твердотельные реле), запуск мощных тиристоров, симисторов, управление электромеханическими релейными устройствами.
Создание "длинных" оптронов (приборов с протяженным гибким волоконно-оптическим световодом в качестве оптического канала) открыло совершенно новое направление применения изделий оптронной техники - связь на расстояниях по волоконной оптике.
Оптоэлектронные приборы 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.
У
словно-графические
обозначения основных типов оптронов
приведены на рис.15.1.
15.1 Классификация оптоэлектронных приборов
Оптоэлектронные приборы классифицируются по следующим признакам.
По типу используемого излучателя оптроны подразделяются на:
с излучателем на миниатюрных лампочках накаливания. Оптроны на таких излучателях инерционны, и в настоящее время практически не используются, хотя находят применение в резисторных оптронах
с излучателем на неоновых лампочках, в которых используется свечение электрического разряда газовой смеси неон-аргон. Этим видам излучателей свойственны невысокая светоотдача, низкая устойчивость к механическим воздействиям, ограниченная долговечность, большие габариты, полная несовместимость с интегральной технологией. Тем не менее, в отдельных видах оптронов они могут находить применение.
с излучателем на электролюминесцентных ячейках.Электролюминесцентные ячейки имеют невысокую эффективность преобразования электрической энергии в световую, низкую долговечность (особенно - тонкопленочные), сложны в управлении (например, оптимальный режим для порошковых люминофоров ~220 В при f =400 ... 800Гц). Основное достоинство этих излучателей - конструктивно-технологическая совместимость с фоторезисторами, возможность создания на этой основе многофункциональных, многоэлементных оптронных структур. В настоящее время находят ограниченное применение.
с излучателем на светодиодах и лазерных диодах. Основным наиболее универсальным видом излучателя, используемым в оптронах, является полупроводниковый инжекционный светоизлучающий диод - светодиод. Это обусловлено следующими его достоинствами: высокое значение КПД преобразования электрической энергии в оптическую; узкий спектр излучения (квазимонохроматичность); широта спектрального диапазона, перекрываемого различными светодиодами; направленность излучения; высокое быстродействие; малые значения питающих напряжений и токов; совместимость с транзисторами и интегральными схемами; простота модуляции мощности излучения путем изменения прямого тока; возможность работы, как в импульсном, так и в непрерывном режиме; линейность ватт-амперной характеристики в более или менее широком диапазоне входных токов; высокая надежность и долговечность; малые габариты; технологическая совместимость с изделиями микроэлектроники.
По типу используемого фотоприемника оптроны подразделяются на:
Оптроны на основе фоторезисторов,свойства которых при освещении меняются по заданному сложному закону, что позволяет моделировать математические функции, и является шагом на пути создания функциональной оптоэлектроники. Однако, фоторезисторные оптроны инерционны.
Оптроны на основе фотодиодов;
Оптроны на основе фототранзисторов;
Оптроны на основе фототиристоров.
Последниетри являются наиболее универсальными фотоприемниками, работающими с открытым р - n-переходом. В подавляющем большинстве случаев они изготовляются на основе кремния, и область их максимальной спектральной чувствительности находится вблизи λ=0,7...0,9 мкм.
По типу используемого оптического канала оптроны подразделяются на:
Оптроны с открытым оптическим каналом. В таких оптронах излучатель и фотоприемник разделены воздушным зазором. Они широко применяются для определения числа оборотов крутящихся валов, синхронизации передвижения механических систем, как датчики положения и т.п. Оптроны с открытым каналом в свою очередь подразделяются на оптроны, работающие на отражение и пропускание.
Оптроны с закрытым оптическим каналом. В них оптический канал защищен от любых внешних воздействий. Такие оптроны применяются для гальванической развязки входных и выходных электрических цепей. Если в качестве выходной цепи используются мощные силовые приборы (тиристоры, симисторы, полевые MOSFET-транзисторы), то такие оптроны называют твердотельными реле. Такие реле в настоящее время являются альтернативой электромагнитных реле и их технология непрерывно совершенствуется.
Оптроны с “удлиненным” оптическим каналом. В таких оптронах излучатель и фотоприемник могут находиться на значительном расстоянии. В них оптический канал, связывающий излучатель и фотоприемник могут представляет собой волоконный световод. Такие оптоэлектронные приборы широко применяются для передачи информации в локальных сетях ЭВМ.
По спектральному диапазону оптического канала оптроны подразделяются на:
Оптроны видимого диапазона с длиной волны оптического излучения от 0,4 до 0,75 мкм.
Оптроны ближнего ИК-диапазона с длиной волны оптического излучения от 0,8 до 1,2 мкм. Этот вид излучения особенно эффективен для оптоэлектронных приборов с открытым каналом.
По конструктивно-технологическому признаку оптроны подразделяются на:
Опопары (элементарные оптроны), которые содержат один излучатель и один элементарный фотоприемник. В зависимости от типа используемого фотоприемника они могут быть резистивными, диодными, транзисторными, тиристорными и т.п.
Оптоэлектронные (оптронные) интегральные микросхемы, в которых помимо элементарного оптрона содержатся дополнительные электронные устройства: усилители, компараторы, логические схемы и т. п. В таких интегральных микросхемах входы и выходы гальванически развязаны.
Специальные виды оптронов: дифференциальные оптроны, которые содержат несколько излучателей и фотоприемников; оптоэлектронные датчики присутствия, задымленности, датчики положения и т.д.