12.9 Оптоэлектронные приборы
Оптоэлектронными называют приборы, преобразующие электрические сигналы в оптические (лучистую энергию) и передающие эту энергию индикаторам или фотоэлектрическим преобразователям. Самым распространённым типом оптоэлектронных приборов является оптрон, состоящий из источника и приёмника излучения, которые имеют между собой оптическую и электронную связь и которые помещены в один корпус. В электронных устройствах оптроны выполняют функцию элемента связи, информация в котором передаются оптическим путем. Этим достигается гальваническая развязка входных и выходных цепей электронного устройства.
Излучателями в оптронах являются чаще всего светодиоды, а приёмниками излучения – фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы и фототиристоры. В зависимости от типа фотоприёмника классифицируют оптроны, например, фототиристорные оптроны.
в)
Рисунок 12.31 - Эскиз устройства (а), схема включения (б) и вольт-амперные
характеристики фототранзистора
Мощные
высоковольтные фототиристоры применяются
в компенсаторах реактивной мощности,
высоковольтных электроприводах, мощных
импульсных генераторах, различных
силовых установках постоянного и
переменного тока. Отечественный
фототиристор ТФ253-630-60 с диаметром
структуры
56 мм показан на рисунке ниже.
Его техническая характеристика такова: допустимый средний ток 630 А, рабочее блокируемое напряжение 6000 В, оптическая мощность управления 40 мВт, тепловое сопротивление «переход-корпус» 0,021 0С/Вт.
Рисунок 12.32 - Общий вид фототиристора ТФ253-630-60
1 – крышка; 2 – полупроводниковый элемент; 3 – фторопластовое кольцо; 4 – фторопластовая втулка; 5 – втулка; 6 – прокладка; 7 – корпус; 8 – шайба пружинная; 9 – шайба фторопластовая; вывод оптический
Рисунок 12.33 - Эскиз конструкции фототиристора
Фототиристор управляется световым импульсом с длиной волны 940÷980 нм инфракрасного диапазона. Управляющий импульс передаётся по оптоволоконному кабелю к светочувствительной области кремниевой структуры от излучающего светодиода. Известно, что включение мощного тиристора малым по мощности сигналом управления может привести к повреждению кремниевой структуры, поскольку площадь первоначально включённого канала пропорциональна сигналу управления. Поэтому площадь управления структуры выбрана такой, чтобы при включении фототиристора теплота, выделяемая при прохождении тока, распределялась по большой площади и не вызывала перегрева прибора.
Рисунок 12.34 - Условное графическое обозначение фоторезисторного (а), фотодиодного (б), фототранзисторного (в) и фототиристорного (г) оптронов
Фотодиодные оптроны: коэффициент передачи по току невелик (сотые доли %), однако, их быстродействие τвкл (выкл) ≈ 10-8 с. Фототранзисторные оптроны имеют большой коэффициент передачи по току (6-8), но относительно невысокое быстродействие (≈ 2∙10-3 с). Фототиристорные оптроны применяются для коммутации силовых цепей с напряжением до 8 кВ и током до 2000 А.
Чаще всего применяются оптоэлектронные ИМС, содержащие несколько бескорпусных оптронов и типовую ИМС, подключаемую к фотоприемнику оптрона. Причём, оптроны изготавливают с управляемым оптическим каналом между источником и фотоприёмником. Управляющее воздействие может быть механическим, электрическим, магнитным, тепловым, оптическим. Оптический канал подобного оптрона позволяет удалять источник и приемник излучения на практически не ограниченное расстояние от объекта контроля.