6.4. Оптроны

Оптоэлектронные приборы, в которых имеется источник и приемник излучения с тем или иным видом оптической и электрической связи между ними, конструктивно связанные друг с другом, называются оптронами.

Принцип действия оптронов основан на двойном преобразовании энергии. В излучателе энергия электрического сигнала преобразуется в световую, а в фотоприемнике оптический сигнал снова преобразуется в электрический, вызывая изменение тока, напряжения или сопротивления.

Оптическая связь между источником и приемником излучения обеспечивает ряд принципиальных преимуществ оптронов: очень высокую электрическую изоляцию между входом и выходом; однонаправленность передачи информации; отсутствие обратной реакции фотоприемника на излучатель и взаимных наводок; невосприимчивость оптического канала к воздействию внешних электромагнитных полей. В то же время наличие двойного преобразования сигнала обусловливает низкий КПД, значительную потребляемую мощность и сильную зависимость параметров от температуры.

Обобщенная структурная схема оптрона приведена на рис. 6.8.

Входное устройство обеспечивает согласование источника излучения с предыдущими электронными элементами по току и напряжению.

Источник излучения преобразует электрический сигнал в световой, поэтому к нему предъявляются высокие требования по КПД, быстродействию, направленности излучения и постоянству электрических и оптических параметров.

Связь между излучателем и фотоприемником осуществляется через оптическую среду, которая во многих случаях обеспечивает и механическую целостность конструкции. Оптический канал должен пропускать сигнал с возможно меньшим затуханием, минимальным искажением формы сигнала, минимальным рассеянием излучения в стороны, а также защищать элементы оптрона от внешних световых воздействий. В некоторых системах допускается возможность управления параметрами канала.

В фотоприемнике оптическое излучение преобразуется в оптический сигнал, и для уменьшения потерь его информативности необходимо повышать чувствительность, быстродействие и стабильность параметров приемников.

Мощность и амплитуда сигнала с фотоприемника часто бывают недостаточными для управления последующими электронными схемами, поэтому в состав оптронов включаются выходные устройства. Они обеспечивают усиление сигнала и преобразование его в стандартную, удобную для обработки форму.

Для эффективной работы оптрона все его элементы должны быть согласованы по спектральным и электрическим характеристикам.

При классификации оптронов обычно выделяют три группы приборов: оптопары, оптоэлектронные интегральные микросхемы и специальные оптроны, которые в данном учебнике рассматриваться не будут.

Оптопарапредставляет собой оптоэлектронный полупроводниковый прибор, состоящий из оптического излучателя и фотоприемника, между которыми имеется оптическая связь, конструктивно объединенных в одном корпусе.

В качестве излучателя оптопары могут быть использованы инфракрасный излучающий диод, светоизлучающий диод или полупроводниковый лазер. Наибольшее распространение в настоящее время получил инфракрасный излучающий диод, что объясняется простотой его структуры и высоким КПД. В качестве приемника оптопары находят применение рассмотренные выше фотоэлектрические приборы: фоторезистор, фотодиод, фототранзистор и др. Следует отметить, что оптопара позволила создать аналог разделительного трансформатора, что является особенно актуальным в интегральной микроэлектронике.

Примеры оптопар, включающих различные приемники излучения, и их УГО приведены на рис. 6.9.

Темновое сопротивление фоторезисторных оптронов (рис. 6.9,а) может достигать 10⁷10⁹Ом. При освещении сопротивление снижается до нескольких сотен Омнескольких килоом. Быстродействие их невелико, а максимальная рабочая частота без принятия специальных мер повышения быстродействия ограничена несколькими килогерцами. По сравнению с оптронами других типов, они имеют более широкий динамический диапазон входных сигналов и меньшие значения темновых токов. Оптроны на основе фоторезисторов успешно применяются для различного рода бесконтактных регулировок в цепях автоматического управления. В цепях точного преобразования сигналов их использование ограничено из-за невысокой временной стабильности и зависимости характеристик преобразования от температуры.

Источником света в диодном оптроне (рис. 6.9, б) обычно служит светодиод из арсенида галлия, а фотоприемником – кремниевый фотодиод. Оптрон используется в качестве ключа и может коммутировать ток с частотой 10⁶10⁷Гц. Сопротивление в закрытом состоянии (темновое) 10⁸10¹⁰Ом, в открытом ― порядка сотен омнескольких килоом. Сопротивление между входной и выходной цепями 10¹³10¹⁵ Ом. Таким образом, диодный оптрон позволяет практически полностью гальванически развязать между собой входную и выходную цепи и обеспечивает хорошие характеристики переключения.

Фототранзисторные оптроны (рис. 6.9, в), благодаря большей чувствительности фотоприемника, экономичнее диодных. Однако быстродействие их меньше, максимальная частота коммутации обычно не превышает 10⁵ Гц. Так же как и диодные оптроны, транзисторные имеют малое сопротивление в открытом состоянии и большое в закрытом и обеспечивают полную гальваническую развязку входных и выходных цепей.

Замена фототранзистора на кремниевый фототиристор (рис. 6.9, г) позволяет увеличить импульс выходного тока до 5 А и более. При этом время включения менее 10^–5с, а входной ток включения не превышает 10 мА. Такие оптроны позволяют непосредственно управлять сильноточными устройствами различного назначения.