14.5. Оптоэлектронные приборы

Оптоэлектронными называют приборы, преобразующие электрические сигналы в оптические (лучистую энергию), передающие эту энергию индикаторам или фотоэлектрическим преобразователям.

Наиболее распространенным типом оптоэлектронных приборов является оптрон, состоящий из источника и приемника излучения, имеющих между собой определенную оптическую и электрическую связь и помещенных в один корпус (рис. 191).

Рис. 191

а б в г

Рис. 192

В электронных устройствах оптроны выполняют обычную функцию элемент связи, информация в котором передается оптически. Этим достигается гальваническая развязка входных и выходных цепей электронного устройства. В качестве оптической среды, соединяющей источник и приемник излучения, применяют материалы (оптические клеи, лаки, силиконовые смазки), которые обеспечивают малые потери лучистой энергии при передаче от источника к приемнику. Излучателем в современных оптронах чаще всего являются светодиоды, а приемниками излучения – фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы и фототиристоры (рис.192).

На рис. 192 обозначено изображение: а - фоторезисторного, б - фотодиодного, в - фототранзисторного и г – фототиристорного оптронов.

Простейший фототрнзистор устроен подобно биполярному транзистору p-n-p или n-p-n с двумя переходами: эмиттерным и коллекторным. Базовый слой выполняется очень тонким. Кристалл помещается в корпус, имеющий прозрачное окно для облучения светом базовой области.

а б

Рис. 193

Схема включения фототранзистора показана на рис.193.

Фототранзистор включается в сеть источника питания как обычный биполярный транзистор, так что на эмиттером переходе действует прямое напряжение, а на коллекторном – обратное. Чаще всего используют схему с общим эмиттером (рис. 193, а), используется также и схема со свободной базой, в которой цепь базы разомкнута, причем база может не иметь отдельного вывода (рис. 193, б).

Фототранзистор p-n-p – типа в схеме со свободной базой в части база-коллектор о можно рассматривать как фотодиод, а вместе с эмиттером он получает дополнительные усилительные свойства транзистора, что значительно усиливает его чувствительность при преобразовании световых сигналов в электрические.

При отсутствии светового потока через фототранзистор протекает очень маленький темновой ток I_Т. При облучении базовой n-области светом в ней, как и в фотодиоде, за счет световой энергии появляется фототок I_Ф . Затем этот фототок, как в обычном биполярном транзисторе ток коллектора I_к ,усиливается. В результате ток коллектора (он же ток, протекающий через сопротивление нагрузки R_н) существенно увеличивается

I_К = h_21э I_Ф+ I_Т,

где h_21э – коэффициент усиления по фототоку.

Таким образом, в фототранзисторе наряду с появлением фототока происходит его усиление, за счет чего он имеет гораздо большую интегральную чувствительность, чем фотодиод.

Чувствительность фототранзистора определяется как отношение изменения тока коллектора к вызвавшему его изменению светового потока.

Наряду с биполярными на практике используются и полевые фототранзисторы с управляющим p-n-переходом. Они имеют более высокую чувствительность до нескольких ампер на люмен, допускают большую мощность.

Помимо рассмотренных элементарных оптронов в последнее врем находят все более широкое применение оптоэлектронные интегральные микросхемы. Они объединяют в одном унифицированном корпусе один или несколько элементарных бескорпусных оптронов и типовую интегральную микросхему, подключаемую к фотоприемнику оптрона.