Тема 6. Оптроны

6.1. Принцип действия оптронов, структурные схемы и свойства.

6.1.1. Принцип действия оптронов

Оптоэлектроника, как научно-техническое направление электроники, получила свое развитие с изобретением оптрона. Оптрон - это оптоэлектронный прибор, содержащий источник и приемник оптического излучения, которые оптически и конструктивно связаны между собой. Первые образцы таких устройств появились в 1961 г. в США и содержали один излучатель и один приемник. Они получили название оптопары.

Принцип действия оптронов основан на двойных преобразованиях "электрический сигнал - свет" и "свет - электрический сигнал". Для первого преобразования в оптронах используются оптические излучатели (ОИ), для второго - фотоприемники (ФП). В качестве источников излучения в основном применяются полупроводниковые светодиоды (СИД) и лазеры, а в качестве ФП используются фотоприемники различных типов: фоторезисторы (ФР), p-n или p-i-n фотодиоды, (ФД), фототранзисторы (ФТР) и фототиристоры (ФТИР). Оптроны могут представлять собой приборы как с электрическими входами и выходами, так и с оптическими. В последней модификации оптический сигнал подается на вход оптрона, а с его выхода излучается также оптический сигнал.

Преимущества оптронов перед электронными соединительными устройствами состоят в следующем.

1. Высокая помехозащищенность, которая обеспечивается использованием вместо электрических соединений оптического канала, не подверженного влиянию внешних электромагнитных воздействий.

2. Обеспечение высокой гальванической развязки между входными и выходными электрическими цепями.

3. Возможность оптического (бесконтактного) управления электронными устройствами и системами.

4. Широкая полоса частот пропускания оптического канала до десятков-сотен МГц и высокая пропускная способность до десятков-сотен Мбит/с.

5. Возможность управления выходными сигналами оптронов с помощью воздействия на оптический канал, что открывает возможности для создания различных типов датчиков, систем передачи и обработки информации, а также систем контроля и управления.

6. Высокое быстродействие  до единиц нс.

7. Совместимость с устройствами полупроводниковой микроэлектроники.

Основные недостатки оптронов:

• низкий КПД вследствие двойного преобразования "электрический сигнал- свет - электрический сигнал";

• значительная потребляемая мощность из-за больших токов излучателя;

• температурная зависимость параметров.

6.1.2. Структурные схемы оптронов

В зависимости от указанных выше модификаций основное распространение получили два типа обобщенных структурных схем, которые представлены на рис.31 и рис.32.

Рис.32

рис.31

На рис.31 изображена схема оптрона с внутренней оптической связью, состоящая из ОИ, оптического канала (ОК) и ФП. В представленной схеме I₁, U₁- входные ток и напряжение; I₂, U₂ - выходные ток и напряжение;  и Ф - длина волны света и энергетический поток, передаваемый по ОК. К оптическому излучателю и фотоприемнику могут придаваться периферийные электронные устройства для усиления, кодирования или декодирования передаваемых сигналов. Внутри таких оптронов связь между входом и выходом обеспечивается с помощью светового канала, благодаря чему обеспечивается гальваническая развязка (электрическая изоляция) между электронными устройствами и системами различного функционального назначения, включая как маломощные интегральные микросхемы (ИМС) микроэлектронной аппаратуры, так и аппаратуру силовой электроники.

На рис.32 представлена структурная схема оптрона с внешней оптической связью, где λ₁ и λ₂ - длина световой волны соответственно входного и выходного ОК, Ф₁ и Ф₂ - энергетические потоки соответственно входного и выходного ОК, УСР - усилитель-регенератор, обеспечивающий усиление и регенерацию передаваемых по ОК оптических сигналов. В оптроне реализуется внутренняя электрическая связь между ФП и ОИ через УСР. Возможны следующие основные варианты использования таких оптронов.

1. В качестве преобразователей-регенераторов оптических сигналов, осуществляющих наряду с усилением-регенерацией преобразование входной оптических сигналов с длиной волны λ₁ в выходные световые сигналы с длиной волны λ₂ ≠ λ₁.

2. В качестве усилителей-регенераторов оптических сигналов, работающих на одной длине волны λ₁= λ₂.

Оптроны со схемными решениями рис.32 используются, в основном, в оптических системах передачи информации с открытыми (воздушными) и закрытыми (волоконно-оптическими) физическими каналами для усиления-регенерации, а также для преобразования передаваемых оптических сигналов с одной длины волны на другую.