Лекція 6. ЗАСТОСУВАННЯ ОПТРОНІВ

Застосування оптронів у цифрових та лінійних схемах.

Керування процесами в високовольтних колах.

Отримання інформації оптичним методом за допомогою оптронів.

Інші застосування оптронів.

6.1.Застосування оптронів у цифрових та лінійних схемах

Використання оптронів (перш за все – діодних та транзисторних) у цифрових та імпульсних пристроях пов’язано з можливістю їх швидкого перемикання із стану з низьким рівнем сигналу на виході в стан з високим рівнем, і навпаки. Як приклад можна привести оптоелектронні елементи, які дозволяють реалізувати основні логічні функції у пристроях цифрових систем. Так схема подана на рис. 6.1, а і моделює операцію логічного множення (І), а схема на рис. 6.1, б – операцію логічного додавання (АБО).

Рис. 6.1 – Схема логічного множення (а) та додавання (б)

На рис. 6.1, а вхідна напруга U2 підтримується на високому рівні, близькому до рівня Е1 лише тоді, коли обидва фототранзистори ФТ1 та ФТ2 увімкнені і через них проходить струм, близький до насичення. У протилежному випадку U2 є малою. На рис. 6.2, б напруга U2 підтримується на високому рівні (U2 ~ Е1), якщо хоча би один із фототранзисторів вийшов на насичення.

63

Ще одним прикладом використання оптронів у цифрових пристрояхможебутиоптоелектроннамікросхемасерії249ЛП1 (рис. 6.2).

При протіканні колом арсенід-галієвого світлодіода номінального вхідного струму в колі фотоприймача (кремнієвого фотодіода) виникає фотострум, який одночасно є базовим для транзистора Т1 і є достатнім для його вимкнення. Струм емітера транзистора Т1 надходить у базу транзистора Т3 і переводить його в режим насичення. При цьому напруга на виході мікросхеми рівна падінню напруги на насиченому транзисторі (~ 0,3 В). Якщо вхідний струм оптрона менший номінального, то через фотоприймач тече лише темновий струм і транзистор Т1 закритий. У цьому випадку напруга на виході є різницею між напругою Е1 і базовою напругою на транзисторі Т2 та діоді Д1. Для мікросхеми цього типу вона складає 2,5...3,5 В.

Рис. 6.2 – Електрично-принциповасхемаперемикаючоїмікросхеми249ЛП1

Одним із важливих параметрів, за якими оптрони можуть програвати однотипним пристроям (діоди, тріоди, мікросхеми) без оптичного зв’язку, є швидкодія, яка визначається головним чином бар’єрними ємностями джерела випромінювання та фотоприймача. Програш у швидкодії може бути ще більшим, якщо не приймати спеціальних заходів для зниження часу перезарядки бар’єрної ємності світлодіода (С1~ 20...300 пФ). Перезарядку такої ємності форсують, наприклад, подаючи на вхід світлодіода струм значної амплітуди. Зменшен-

64

ня часу перезарядки вихідної ємності фотоприймача (С2 ~ 5–15 пФ) можна досягти ізолюючи ємність або шляхом зменшення амплітуди напруги вхідного сигналу. Оптимізуючи конструкцію та режим роботи оптопар, час перемикання вдається знизити, для деякого типу оптопар, до наносекунд.

Вхідний сигнал оптрона, після перетворення в випромінювання попадає на базу фототранзистора, здійснюючи тим самим керування амплітудою струму на виході оптопари та напругою на опорі навантаження R. Коефіцієнт підсилення всього пристрою визначається значенням kІ для цього транзисторного оптрона.

В аналогових пристроях використовують діодні, резисторні та транзисторні оптопари. Вимоги до аналогових оптронів визначаються конкретними умовами їх використання і тому загального критерію якості немає. Тим не менше, для збереження форми сигналу, який подається, необхідна лінійна залежність передаточної характеристики, тобто kІ повинен бути постійним, принаймні в якомога більшому інтервалі струмів I1. Цій вимозі в найбільший мірі відповідають діодні оптрони, незважаючи на те, що інтервал значень I1 при яких kІ постійний, не дуже великий. Так, наприклад, в оптопарі АОД101 навіть при постійній температурі передача аналогового сигналу з нелінійністю ~ 2 % може витримуватись лише при 2–3-крат- ній зміні I1. Це означає, що при проектуванні аналогових пристроїв, в яких використані оптрони, необхідно передбачити додаткові заходи для “спрямлення” передаточної характеристики.

У цьому напрямку перспективним є застосування диференціальних оптронів (з одним джерелом випромінювання та двома фо-

65

топриймачами). Коефіцієнти передачі за струмом між джерелом та першим фотоприймачем, а також між джерелом та другим фотоприймачем однакові. Окрім цього зміна їх параметрів у залежності від температури та вхідних параметрів однакові. Фотоприймачі ввімкнені таким чином, щоб при подачі сигналу вхідний струм одного із них збільшився настільки, наскільки він зменшився в другого. Збільшення kІ одного каналу компенсується зменшенням kІ другого каналу. Але при цьому передаточна характеристика оптопари залишається незмінною.

6.2. Керування процесами в високовольтних колах

Для безконтактного керування процесами в високовольтних (до 1300 В) та високоамперних (до 320 А) колах використовують потужні ключові оптрони, типовими представниками яких є тиристорні та транзисторні оптопари. За своїми технічними показниками оптоелектронні перемикачі успішно конкурують з електромагнітними реле та герканалами (герметизованими перемикачами). Вони переважають їх за надійністю, довговічністю та захищеністю від зовнішніх електромагнітних впливів.

Приклад високовольтного оптоелектронного ключа, в якому тиристорний оптрон, який є перемикачем струму в колі постійної напруги і керується зразу по двох каналах – оптичному та електричному, приведений на рис. 6.4:

Рис. 6.4 – Принципова схема високовольтного оптоелектронного ключа

66

Якщо вхідний транзистор Т1 ввімкнений і працює в режимі насичення, то на виході підсилювача П є високий потенціал і струм тече лише через джерело тиристорної оптопари – фоторезистор увімкнений. Для його вимикання транзистор Т1 закривається, в результаті чого, по-перше, знижується напруга на світловоді тиристорної оптопари і він перестає випромінювати світло. По-друге, на шину нульового потенціалу накоротко замикається керуючий електрод фототранзистора. Замикання обумовлено тим, що після зниження напруги на виході підсилювача-інвертора П світлодіод транзисторної оптопари відкривається, і через фотоприймач проходить струм, який переводить транзистор Т2 у режим насичення. Подібна схема може керувати струмом у колі постійної напруги 50–400 В, швидкість перемикання

~ 5...10 мкс.

Узагальненим параметром, який характеризує якість ключових оптронів, є відношення максимальної потужності комутаційного кола до вхідної потужності, так званої комутаційної добротності, яка для сучасних оптронів складає ~102...106.

Для керування колами високої напруги можуть використовуватись оптопари інших типів. Так, у схемах керування електролюмінесцентними індикаторами, які збуджуються змінною напругою з амплітудою 115...300 В, використовують резисторні оптрони. У мережу живлення індикатора вмикають фоторезистор оптопари: зміну напруги на індикаторі (а відповідно, і яскравість світла) регулюють низьким сигналом на вході оптрона.

У високовольтних колах знаходять широке застосування оп- тоізолятори-оптопари з високою допустимою напругою ізоляції (і, зокрема, з високооптичним каналом). Використання оптронів цього типу в різних системах розподілу струмів, високовольтних, НВЧпристроях не тільки з успіхом замінює традиційні елементи керування, але й стимулює подальший розвиток цієї гілки оптоелектроніки.

6.3. Отриманняінформаціїоптичнимметодомзадопомогоюоптронів

Спеціальні оптрони з відкритим оптичним каналом можуть застосовуватись у безконктатній дистанційній техніці як індикатори положення об’єктів та стану їх поверхні, датчики заповнення посудин рідинами, пристрої для читання інформації на перфоносіях на виході ЕОМ та інше. Виготовляють два типи таких оптронів. Прилади першого типу (оптопереривачі) реагують на попадання в оптичний канал непрозорого предмета, який перериває світловий потік або змінює його інтенсивність, який попадає на фотоприймач. Область

67