Элементы и устройства оптоэлектроники

Оптоэлектроника – это область электроники, в которой в качестве носителя информации используется электромагнитные волны оптического диапазона, т.е 10^-8 … 10^-3 м, что соответствует частотам = 310¹⁶ … 310¹¹ Гц. Видимый свет имеет длину волны 0,410^-6 …0,710^-6 м.

В оптоэлектронике световой луч выполняет те же функции управления, преобразования и связи, что и электрический сигнал в электрических цепях.

Обобщенная схема оптоэлектронной системы включает в себя источник оптического излучения, световод и приемник оптического излучения.

Источники оптического излучения

Источники оптического излучения делятся на:

1. Источники некогерентного излучения в виде ламп накаливания, электролюминесцентных конденсаторов, инжекционные светодиоды, газоразрядные лампы.

2. Источники когерентного (индуцированного) излучения в виде лазера.

Лампы накаливания – наиболее простой излучатель с широким спектром излучения. Применяется в системах промышленной автоматики для счета деталей, защиты частей тела при работе на прессах, металлорежущем оборудовании, метрополитене. Основные недостатки:

• большая инерционность (максимальная частота 10 – 20 Гц);

• низка стабильность параметров;

• большая потребляемая мощность.

Газоразрядные лампы излучают свет сравнительно узкого спектра с максимумом в области в области зеленого, красного, желто-оранжевого цветов.

Быстродействие большое – более 10³ .. 10⁴ Гц, недостатки:

• невысокая стабильность параметров;

• значительные габаритные размеры.

Э лектролюминесцентные конденсаторы – выполнены в виде конденсатора, диэлектриком которого является люминофор. В качестве люминофора может быть применен сернистый цинк или фосфорсодержащие взвеси. Цвет излучения – от голубого до желтого, напряжение питания составляет от 50 до 300 В.

При использовании в качестве диэлектрика поликристаллической пленки из сублимата фосфора, напряжение питания составляет 2 – 2,5 В постоянного тока. Недостатки:

• низкое быстродействие;

• ограниченный срок службы.

Л азеры – генераторы монохроматического когерентного излучения. Принцип действия основан на охвате положительной обратной связи оптического резонансного усилителя, к которому извне подводится энергия. Лазеры подразделяются:

1. твердотельные;

2. газовые;

3. жидкостные;

4. полупроводниковые.

С ветоизлучающие диоды – один из наиболее широко применяемых излучателей в оптоэлектронике. Основными материалами для изготовления светодиодов являются арсенид и фосфиды галлия, индия.

ВАХ светодиода схожа с ВАХ полупроводникового диода. Рабочий участок – прямая ветвь.

; .

Рекомбинация электронов и дырок сопровождается выделением квантов света в окружающее пространство. Быстродействие системы высокое 10^-8 ..10^-9 с.

Приемники оптического излучения

Предназначены для преобразования излучения в световую энергию.

1. Фоторезисторы. Относятся к приборам, сопротивление которых изменяется под действием инфракрасного видимого или ультрафиолетового излучения.

Преимущества:

• в ысокая чувствительность;

• большие значения фототока;

• значительная рабочая площадь фотоприемника.

Недостатки:

• значительная инерционность;

• температурная зависимость;

• влияние влажности.

Применяются в устройствах, реагирующих на видимый свет (устройства сигнализации, фотореле).

2. Фотодиоды. При поглощении фотона с достаточно большой энергией атом кристаллической решетки полупроводника генерируется пара электрон-дырка, кот орые, перемещаясь к противоположным выводам, образуют ток. Фотодиоды могут работать в городских рекламах в режимах:

• фотодиодном (фотопреобразовательном);

• вентильном (фотогенераторном).

В о втором режиме фотодиод включается без источника питания и, под воздействием световой энергии, генерирует фото-ЭДС. В первом режиме к фотодиоду в обратном направлении подключается источник ЭДС и сопротивление нагрузки. Фотодиод включается в обратном направлении.

3. Ф ототранзистор. Это фотоприемник с внутренним усилением (а,б).

4. Фототиристор. Имеет пороговую ключевую характеристику (в);

5. Фотосимистор (г).

Оптроны

Оптрон – оптоэлектронный прибор, содержащий источник и приемник светового излучения, оптически и конструктивно связанные между собой.

Основная особенность оптрона – обеспечивает гальваническую развязку входных и выходных цепей. Сопротивление изоляции: 10¹² … 10¹⁴ Ом. В качестве источников и приемников оптического излучения могут использоваться все выше рассмотренные.

На рис. а) представлена оптронная пара, в которой:

• ИС – источник света;

• ФП – фотоприемник.

На рис. б) представлено условное обозначение оптронной пары «светодиод-фотодиод». Недостатки оптронов: нелинейность их характеристики, зависимость параметров от температуры, относительно большая погрешность преобразования (5…8 %)

Твердотельные реле (на основе полевого транзистора)

Рассматривается схема твердотельного реле на основе симистора.