11.4. Оптроны

Оптрон представляет собой оптоэлектронный прибор, в структуру которого (рис. 11.34) входят источник излучения (ИИ), приемник излучения (ПИ) - фотоприемник, связывающий их оптический канал (ОК) и в некоторых случаях устройство управления оптическим каналом (УУ ОК).

Рис. 11.34

Таким образом, оптрон представляет собой прибор с электрическими входными и выходными сигналами, т.е. осуществляет электрическую связь с внешними по отношению к нему схемами. Внутри оптрона связь входа с выходом осуществляется с помощью оптических сигналов. Таким образом, оптрон осуществляет электрическую изоляцию (гальваническую развязку) входа и выхода.

Принципиальные достоинства оптронов, обусловленные использованием фотонов в качестве носителей информации, заключаются:

- в обеспечении высокой электрической изоляции входа и выхода;

- в однонаправленности потока информации;

- в отсутствии обратной связи с выхода на вход;

- в обеспечении широкой полосы пропускания.

В качестве излучателя в оптронах в основном используется инжекционный излучающий диод. Для создания сверхбыстродействующих и мощных оптронов с протяженным оптическим каналом целесообразно использовать в качестве излучателя полупроводниковый лазер.

Наиболее распространенными типами фотоприемников в оптронах являются p-i-n-фотодиоды, фототранзисторы и фототиристоры. Спектральная характеристика таких фотоприемников охватывает весь видимый диапазон спектра и часть ИК - диапазона.

Качество оптрона в значительной мере зависит от эффективности передачи энергии от излучателя к приемнику, т.е. от свойств оптического канала. В оптронах используют следующие конструктивные виды оптических каналов:

- связь через воздух, которая характеризуется простотой и высокой электрической изоляцией;

- связь через воздух с использованием оптической фокусировки с помощью линз, что обеспечивает лучшую передачу излучения по сравнению с прямой связью через воздух;

- связь с использованием иммерсионной среды, что обеспечивает наилучшие параметры оптического канала. Иммерсионной называется среда, в которой показатель преломления равен показателям преломления материалов излучателя и приемника;

- связь с использованием отрезка световода (протяженный оптический канал).

Условные графические обозначения наиболее распространенных оптронов приведены на рис. 11.35.

резисторный	диодный	транзисторный
тиристорный	с составным транзистором	диодно-транзисторный
Рис. 11.35

В системе параметров оптронов можно выделить четыре группы:

- входные параметры – параметры излучателя;

- выходные параметры – параметры фотоприемника;

- передаточные параметры – параметры передачи сигнала с входа на выход;

- параметры изоляции.

Входная цепь оптрона описывается обычными для излучающих диодов основными параметрами:

- номинальный входной ток – значение тока, рекомендуемое для оптимальной эксплуатации оптрона и используемое при измерении его основных параметров;

- входное напряжение – падение напряжения на излучающем диоде в прямом направлении при заданном значении прямого тока (обычно при);

- входная емкость – емкость между входными выводами оптрона в заданном режиме.

Кроме того, используются предельные входные параметры:

- максимальный входной ток – максимальное значение постоянного прямого тока, который допускается пропускать через излучающий диод оптрона;

- обратное входное напряжение – максимальное значение обратного напряжения любой формы (постоянное, импульсное, синусоидальное и др.), которое может быть приложено к входу оптрона в обратном направлении.

Выходными параметрами оптрона являются параметры фотоприемника:

- максимально допустимое обратное выходное напряжение – максимальное значение обратного напряжения любой формы, которое может быть приложено к выходу оптрона;

- максимально допустимый выходной ток – максимальное значение тока, который допускается пропускать через фотоприемник во включенном состоянии оптрона;

- ток утечки на выходе – ток на выходе оптрона прии заданном значении и полярности;

- выходное остаточное напряжение (напряжение насыщения) – значение напряжения на включенном фотоприемнике в режиме насыщения;

- выходная емкость – емкость между выходными выводами оптрона в заданном режиме.

Передаточные параметры характеризуют эффективность передачи электрического сигнала с входа оптрона на выход. Эффективность передачи энергии сигнала описывается коэффициентом передачи, а скорость передачи – временными параметрами.

Основным параметром, который характеризует передачу сигнала с входа оптрона не его выход для всех типов оптронов, кроме тиристорных, является коэффициент передачи по току , т.е. отношение тока на выходе оптронак вызвавшему его входному току:. При этом различают статический коэффициент передачии дифференциальный коэффициент передачи, определяемый по формуле.

Зависимость , которая называется передаточной характеристикой, в общем случае является нелинейной. Нелинейность передаточной характеристики связана с нелинейностью излучательной характеристики излучателя оптрона.

Тиристорный оптрон работает только в ключевом режиме, и параметр для него не имеет смысла. Передаточная характеристика в этом случае определяется входным током тиристорного оптрона, при котором фототиристор включается. В паспорте на тиристорный оптрон задается значение тока включения – минимальное значение входного тока, при котором гарантируется надежное отпирание фототиристора. Кроме того, задается максимально допустимый входной ток помехи– максимальное значение входного тока тиристорного оптрона, при котором фототиристор не включается. Параметрхарактеризует помехоустойчивость тиристорного оптрона.

Быстродействие оптронов характеризуют следующие временные параметры переходной характеристики выходного тока , получаемой при подаче на вход прямоугольного импульса с амплитудой(рис. 11.36):
	Рис. 11.36

- время нарастания выходного тока – время нарастания выходного тока от уровнядо уровня;

- время задержки при включении – время от моментаподачи импульса входного тока до момента нарастания выходного тока до уровня.

Сумма времени задержки и времени нарастания при включении составляет время включения оптрона . Аналогичным образом определяют время спада, время задержки при выключениии время выключения(рис. 11.36). Быстродействие оптрона характеризуется временем переключения.

Параметрами электрической изоляции оптронов являются: максимально допустимое пиковое напряжение ; статическое напряжение изоляциимежду входом и выходом; сопротивление изоляции; проходная емкостьи максимально допустимая скорость нарастания выходного напряжения. Пиковое напряжение изоляции- пиковое значение напряжения с заданными параметрами длительности и частоты повторения, которое может быть приложено между входом и выходом оптрона и при котором сохраняется электрическая прочность оптрона. Статическое максимально допустимое напряжение между входом и выходомопределяет электрическую прочность оптрона при постоянном напряжении в статическом режиме. В статическом режиме задается также сопротивление изоляциипри. Параметрыиопределяют стойкость оптрона к скачкам напряжения на выходе.

При таких скачках с высокой скоростью нарастания напряжения через излучатель оптрона может протекать емкостной ток (рис. 11.37), где- проходная емкость оптрона (емкость между входом и выходом оптрона). При достаточном токеможет произойти ложное включение оптрона.
	Рис. 11.37

Обратная связь по постоянному току в оптронах практически исключается, так как сопротивление изоляции . Обратная связь по переменному току может быть значительной, так как проходная емкость.

С учетом всего сказанного ранее эквивалентную схему замещения для диодного оптрона при работе в линейном режиме можно представить следующим образом (рис. 11.38).

Рис. 11.38

В этой схеме приняты следующие обозначения:

сопротивление потерь светодиода ();

дифференциальное сопротивление светодиода (зависит от прямого тока);

дифференциальная (входная) емкость светодиода (тысячипФ);

напряжение отпирания светодиода;

сопротивление изоляции (до10¹² Ом);

проходная емкость (до2 пФ);

коэффициент передачи по току;

обратное сопротивление фотодиода (до10⁶ Ом);

барьерная (выходная) емкость фотодиода (до10 пФ);

обратный (темновой) ток фотодиода ().

Типичным представителем диодных оптронов являются оптроны, состоящие из арсенидогаллиевого светоизлучающего диода и кремниевого p-i-nфотодиода, которые связаны кремнийорганической оптической средой. При эксплуатации оптронов такого типа трудно получить, которые приводятся в паспорте таких приборов. В самом деле, при тех малых выходных токах, которые обеспечивает этот оптрон, его нагрузка должна быть, что при собственной выходной емкости оптрона околодает постоянную времени перезаряда, равную примерно. Таким образом, быстродействие такого типа оптронов определяется чаще всего его выходной емкостью. Основные зависимости временных параметров быстродействия диодных оптронов от режима эксплуатации приведены на рис. 11.39.

Рис. 11.39

Изменение входного тока оптрона по-разному влияет на изменение и, т.е.практически не меняется. Характерно, что уже припереходные процессы вp-i-nфотодиоде протекают столь быстро, что быстродействие оптрона определяется в основном излучателем и поэтому от напряжения на фотодиоде не зависит.

Для диодных оптронов характерна относительно слабая температурная зависимость , обусловленная главным образом зависимостью от температуры параметров излучателя. В диапазоне от–60 до +85^оСзависимостьпрактически линейна (рис. 11.40).

Рис. 11.40

Диодные оптроны обладают наиболее линейной передаточной характеристикой среди других типов оптронов и широко применяются для передачи аналогового сигнала.

Типичная передаточная характеристика (рис. 11.41) для диодного оптрона линейна в диапазоне отдо. При малых входных токах излучательная способность излучателя оптрона еще не достигает нормального уровня.
	Рис. 11.41

При больших входных токах начинает сказываться разогрев структуры и, как следствие, температурное изменение параметров. На рис. 11.41 представлена также зависимость коэффициента передачи по току в относительных единицах, где- коэффициент передачи по току на линейном участке передаточной характеристики. Из этой зависимости видно, что на краях рабочего диапазона коэффициент передачи по току уменьшается.

Не смотря на то, что диодные оптроны обладают наиболее линейной передаточной характеристикой среди других типов оптронов, основная трудность передачи аналогового сигнала заключается в узком диапазоне линейности передаточной характеристики и низкой степени этой линейности. Качество передачи аналогового сигнала значительно повышается при использовании дифференциального диодного оптрона (рис. 11.42).

Рис. 11.42

Светодиод СДоптрона облучает два однотипных, имеющих одинаковые параметры фотодиодаФД₁иФД₂. ТокСДв такой схеме определяется не только входным током, но и током обратной связи:

,

где - коэффициент усиления каскадаDA₁;- коэффициент передачи по току оптопарыСД – ФД₁. После преобразований последнего выражения получаем.

При глубокой обратной связи () ток. Тогда фототокфотодиодаФД₂, где- коэффициент передачи по току оптопарыСД – ФД₂. Для однотипных оптопар коэффициентыиодинаковы и изменяются в равной степени. В результатеи не зависит от нелинейности и нестабильности характеристик оптрона. Усиление полезного сигнала обеспечивается каскадомDA₂, причем.

Повышение коэффициента передачи с одновременной температурной стабилизацией достигается в схемах с дополнительным усилителем (рис. 11.43).

Рис. 11.43

В этой схеме общий коэффициент передачи по току равен произведению . Температурная стабилизация достигается за счет того, что коэффициент передачи по токудиодного оптрона уменьшается с ростом температуры, а коэффициент передачи по току каскада с общим эмиттеромувеличивается с ростом температуры.

В транзисторных оптронах в качестве излучателя используются арсенидогаллиевые светоизлучающие диоды, а в качестве фотоприемника – кремниевые планарные n-p-nтранзисторы с внешними выводами только эмиттера и коллектора. Характеристики транзисторного оптрона существенно отличаются от аналогичных характеристик диодного оптрона. Передаточная характеристика по току существенно отклоняется от линейной, причем тем больше, чем выше усилительные свойства самого фототранзистора и чем больше входной ток. Вследствие высокой нелинейности передаточной характеристики транзисторных оптронов, а также сильной температурной зависимости параметров, высокого уровня шумов и узкой полосы рабочих частот транзисторные оптроны относительно редко применяются для передачи аналогового сигнала. Основной режим эксплуатации транзисторных оптронов – ключевой.

Наибольший коэффициент передачи по току (до 100 и более) и наибольшее значение выходного тока и напряжения имеют оптроны с составным транзистором. Однако этот класс транзисторных оптронов обладает наихудшим быстродействием (). Гораздо большее быстродействие имеют диодно-транзисторные оптроны (). При повышении температуры инерционность всех транзисторных оптронов увеличивается, что заставляет снижать предельную рабочую температуру оптрона.

Принципы построения схем с оптопарами

Схема с прямой внутренней оптической связью(рис. 11.44).

	Пример с диодной оптопарой
Рис. 11.44

В этой схеме источник служит для задания рабочего режима фотоприемника. Если фотодиод используется в режиме фотоэлемента, то источникотсутствует. В схеме может присутствовать дополнительный источникдля изменения положения рабочей точки на ВАХ фотодиода. Схема может быть использована для гальванической развязки усилителей, а также в устройствах преобразования напряжений логических уровней для цифровых микросхем.

Схема с прямой электрической связью (последовательное соединение источника и приемника) и положительной обратной оптической связью(рис. 11.45).

	Пример с диодной оптопарой
Рис. 11.45

Схема может иметь электрические вход и выход, оптические вход и выход и другие их сочетания. Изменения яркости свечения излучателя могут происходить как из-за изменения сопротивления приемника под влиянием потока излучения при, так и из-за изменения входного напряженияпри неизменном потоке. Потокназывается потоком обратной связи. При увеличениидо определенного значения, пока, входной ток увеличивается незначительно. При дальнейшем увеличениисветодиод открывается и токувеличивается, что приводит к увеличению потока, который вызывает увеличение фототокафотодиода, а, следовательно, и тока светодиода, что в свою очередь приводит к увеличению потокаи т.д. Процесс продолжается до тех пор, пока не будет достигнут максимально возможный для источника излучения уровень излучения. Если после этого начать уменьшать входное напряжение, то по достижениипроцесс пойдет в обратном порядке. В обоих случаях присутствует оптическая положительная обратная связь, что обеспечивает очень быстрое переключение отдои отдо.

Итоговая характеристика (рис. 11.46), получаемая при определенных условиях, называется триггерной и имеет гистерезис .

Рис. 11.46

Эта схема (рис. 11.45) применяется либо в качестве ключа, либо в качестве триггера, обеспечивая разные варианты управления (оптический или электрический) и разные варианты выходного сигнала (оптический или электрический).

Схема с прямой электрической связью (параллельное соединение источника и приемника) и отрицательной обратной оптической связью(рис. 11.47).

	Пример с диодной оптопарой
Рис. 11.47

Эта схема, как и предыдущая, может иметь электрические вход и выход, оптические вход и выход и другие их сочетания. При увеличении увеличивается общий ток, а следовательно и ток светодиода. Увеличение тока светодиода приводит к увеличению как выходного потокасветодиода, так и потока обратной связи. Увеличение потока обратной связивызывает увеличение тока фотодиодаи уменьшение тока светодиода, что ведет к уменьшению как выходного потокасветодиода, так и потока обратной связи. Таким образом, схема обеспечивает стабилизацию выходного параметра на некотором определенном уровне и имеет нелинейную характеристику. Схема может быть использована как для получения стабильного светового потока, так и для получения элемента с нелинейной ВАХ.

Схема с прямой электрической связью и прямой оптической связью(рис. 11.48)

	Пример с диодной оптопарой
Рис. 11.48

При изменении изменяется сопротивление фотодиода, что приводит к соответствующему изменению тока, а следовательно, тока светодиодаи излучаемого им потока. Поскольку потокиимогут быть с разной длиной волны, то схема может быть использована:

- для усиления света без изменения его спектрального состава;

- для преобразования видимого излучения с одной длиной волны в видимое излучение с другой длиной волны (другого цвета);

- для преобразования невидимого излучения в видимое и наоборот.

236