Лекции ЭУПО / Глава1 / оптрон

1.14. ОПТРОННЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Оптронами называются оптоэлектронные приборы, имеющие излучатели и фотоприемники и в которых используются оптические и электрические связи, и которые конструктивно объеденены друг с другом. Некоторые разновидности оптронов называются опто-парами или оптоизоляторами.

Принцип действия любого оптрона основан на двойном преобразовании энергии. В излучателях энергия электрического сигнала преобразуется в оптическое излучение, а в фотоприемниках, наоборот, оптический сигнал вызывает электрический ток или напряжение или приводит к изменению его сопротивления. Наибольшее распространение получили оптроны с внешними электрическими входными и выходными сигналами и внутренними оптическими сигналами, рис. 1.70. В электрической схеме такой прибор выполняет функцию выходного элемента – фотоприемника с одновременной электрической изоляцией (гальванической развязкой) входа и выхода. Излучатель является источником фотонов, в качестве которого может быть использован светодиод или миниатюрная лампа накаливания. Оптической средой может служить воздух, стекло, пластмасса или волоконный световод. В каче­стве фотоприемников используются фотодиоды, фототранзисторы, фототиристоры и фоторезисторы. Очень часто применяются интегральные фотодиодно-транзисторные структуры. Различные комбинации этих элементов позволяют получить весьма разнообразные входные, выходные и передаточные характеристики

С конструкторско-технологической точки зрения излучатель и фотоприемник являются равноправными. Эффективность преобразования энергии и срок службы оптрона в основном определяются излучателем. При разработке излучателя для оптрона главная трудность заключается в оптимизации согласования с фотоприемником. К параметрам, подлежащим оптимизации, относятся коэффициент усиления, ширина полосы частот, размеры оптического окна, электрические характеристики. Поскольку желательно иметь малое последова­тельное сопротивление, наилучшим вариантом служит излучатель на основе GaAs. Требования к виду оптического окна излучателя оптрона и обычного светодиода значительно отличаются друг от друга. Светодиоды изготавливают с кольцевой излучающей областью площадки, чтобы получить высокий коэффициент отношения видимой излучающей области к фактической. Для оптрона излучающая область должна быть настолько малой, насколько это совместимо с допустимой плотностью тока, а контактная площадка размещается так, чтобы минимально затемнить излучающую область. Это обеспечивает лучшую связь с приемником. Малый размер излучающей области позволяет уменьшить бесполезные краевые потери, как тока, так и излучения и обеспечить постоянство условий связи независимо от разброса величины зазора и точности совмещения с чувствительной областью фотоприемника у различных образцов оптронов.

При выборе оптической среды ее изолирующие свойства играют определяющую роль, если расстояние между излучателем и приемником очень мало. Если же расстояние достаточно велико, например, при использовании волоконной оптики, линз или другой среды (отражающей или пропускающей), изолирующие свойства становятся менее важными. Зато большое значение приобретает спектр пропускания, особенно, если применяются пластмассы. В большинстве оптронов для уменьшения потерь на френелевское отражение от поверхности излучателя и приемника используют просветляющие покрытия. При этом одновременно создается изоляция, так как материалы покрытий не являются проводниками электрического тока. Во многих типах оптронов для создания хорошей изоляции между излучателем и приемником применяют слой пленки из прозрачного фторо­пласта. Оптическая изоляция позволяет иметь прибор, обеспечивающий оптическую связь сигналов двух раздельных электронных схем, несмотря на то, что последние гальванически развязаны. Напряжение изоляции таких приборов может достигать тысяч вольт.

Принципиальные физические достоинства оптронов, как уже отмечалось выше, обусловленные использованием фотонов в качестве носителей информации, заключаются в обеспечении очень высокой электрической изоляции входа и выхода, однонаправленности потока информации, отсутствии обратной связи с выхода на вход и широкой полосе пропускания.

К достоинствам оптронов относятся:

– возможность бесконтактного (оптического) управления электронными объектами и обусловленные этим разнообразие и гибкость конструкторских решений управления;

невосприимчивость оптических каналов связи к воздействию электромагнитных полей, что в случае оптронов с протяженным оптическим каналом обусловливает высокую помехозащищенность, а также исключает взаимные наводки;

– возможность создания функциональных микроэлектронных устройств с фотоприемниками, характеристики которых под действием оптического излучения изменяются по заданному (сколь угодно сложному) закону;

– расширение возможностей управления выходным сигналом оптрона путем воздействия (в том числе и неэлектрического) на материал оптического канала и, как следствие этого, создание разнообразных датчиков и приборов для передачи информации.

К недостаткам следует отнести:

– низкий КПД, обусловленный необходимостью двойного преобразования энергии (электричество-излучение-электричество), и значительная потребляемая мощность;

– сильная температурная зависимость параметров;

– высокий уровень собственных шумов;

–конструктивно-технологическое несовершенство, связанное в основном с использованием гибридной технологии.

Оптроны можно классифицировать по их главному функциональному назначению:

– оптроны с внешней оптической и внутренней электрической связями, предназначенные для усиления к преобразования излучения;

– оптроны с внутренней оптической связью, используемые в качестве переменных сопротивлений;

– оптроны с электрической связью, используемые в качестве ключевых элементов.

По типу используемого фотоприемника оптроны подразделяются на использующие фотодиоды, одиночные фототранзисторы, составные фототранзисторы, фототиристоры и фоторезисторы. К основным параметрам оптрона относятся: коэффициент передачи тока

(K_i – отношение тока на выходе оптрона к току на входе), сопротивле­ние развязки и быстродействие (суммарное время включения и выключения), табл. 5.

Таблица 5

Основные характеристики оптронов

Тип оптрона	Коэффициент передачи, %	Сопротивление связи, Ом	Быстродействие, с	Rт / Rос
Диодные	0,5…1	1011…1013	10 –8
Транзисторные	10…100 1000…10000 (схема Дарлинтонга)	1011…1013	(2…5)· 10 –6
Тиристорные	100	1011…1013	(20…100)· 10 –6
Резисторные	–		10 –1 …10 –2	104…107
Rт – темновое сопротивление резистора, Rос – сопротивление при освещении

Параметры электрической изоляции оптопары описываются проходной емкостью C_пр и сопротивлением изоляции R. Особенно важную роль в динамике работы оптопар играет емкость С _пр. Емкостный ток в цепи изоляции оптопары зависит от скорости изменения напряжения как на входе оптопары, так и на выходе, т.е. возможна электрическая связь через проходную емкость и соответственно ложное переключение или самовозбуждение устройства.

Оптосимистор представляет собой двунаправленный тиристор с оптическим управление, управлять нагрузкой переменного тока. При коммутации нагрузки целесообразно переключать оптосимистор при изменении полярности переменного напряжения в момент перехода его через ноль. В результате на нагрузке напряжение будет нарастать плавно, а не скачкообразно, если это не выполняется. Поэтому имеются оптосимисторы, содержащие схемы детектирования нулевого потенциала, которые при несоблюдении указанного условия блокирует оптосимистор до следующего перехода напряжения через ноль. Оптосимистор обеспечивает гальваническую развязку электрических цепей. Выпускаются оптосимисторы на номинальные напряжения 400, 600 и 800 В переменного тока со схемой детектирования нулевого напряжения и без нее., имеют электрическая прочность изоляции 2500…5000 В. Ток включения симистора 5…15 мА, прямой ток 50 мА. Оптосимистор органически подходит для коммутации нагрузки, питающейся напряжением переменного тока. К таким нагрузкам относят электромагнитные реле, пускатели, электромагниты, электродвигатели, соленоиды, электромагнитные муфты и т. п. Управление оптосимистором может осуществляться как микросхемами, так и микроконтроллерами, микропроцессорами. На рис. 1.71 приведен пример использования оптосимистора для включения электромагнитного аппарата.

Разновидностью оптронов является волстрон (рис. 1.72). Это прибор, представляющий единую конструкцию и содержащий излучатель и фотоприемник, между которыми располагается волоконный световод (длина которого может составлять десятки-сотни метров).