15 Оптоелектронні прилади
Оптронні прилади (оптрони) називають такі напівпровідникові прилади, в яких є джерело і приймач випромінювання (світловипромінювач і фотоприймач) з тим або іншим видом оптичного зв'язку між ними.
Принцип дії оптронів будь-якого виду ґрунтується на наступному. У випромінювачі енергія електричного сигналу перетворюється на світлову, а фотоприймачі, навпаки, світловий сигнал викликає електричний відгук (сигнал). Практично поширення набули лише оптрони, які мають прямий оптичний зв'язок від випромінювача до фотоприймача і, як правило, виключені всі види електричного зв'язку між цими елементами. Наявність оптичного зв'язку забезпечує електричну ізоляцію між входом (випромінювачем) і виходом (фотоприймачем).
Таким чином, в електронному ланцюзі такий прилад виконує функцію елемента зв'язку, в якому одночасно здійснена електрична (гальванічна) розв'язка входу і виходу.
Застосування оптоелектронних приладів є досить різноманітним: для зв'язку блоків апаратури, між якими є значна різниця потенціалів; для захисту вхідних ланцюгів вимірювальних пристроїв від перешкод та наведень, оптичне, безконтактне керування сильноточними та високовольтними ланцюгами (твердотільні реле), запуск потужних тиристорів, симісторів, керування електромеханічними релейними пристроями.
Створення "довгих" оптронів (приладів з протяжним гнучким волоконно-оптичним світловодом як оптичний канал) відкрило зовсім новий напрямок застосування виробів оптронної техніки - зв'язок на відстанях по волоконній оптиці.
Оптоелектронні прилади знаходять застосування і в чисто радіотехнічних схемах модуляції, автоматичного регулювання посилення та ін. Вплив оптичним каналом використовується тут для виведеннясхеми оптимального робочого режиму, для безконтактної перебудови режиму тощо.
Умовно-графічні позначення основних типів оптронів наведено на рис.15.1.
15.1 Класифікація оптоелектронних приладів
Оптоелектронні пристрої класифікуються за такими ознаками.
За типом випромінювачаоптрони поділяються на:
з випромінювачем на мініатюрних лампочках розжарювання. Оптрони на таких випромінювачах інерційні, і зараз практично не використовуються, хоча знаходять застосування в резисторних оптронах
з випромінювачем на неонових лампочках, у яких використовується свічення електричного розряду газової суміші неон-аргон. Ці види випромінювачів властиві невисока світловіддача, низька стійкість до механічних впливів, обмежена довговічність, великі габарити, повна несумісність з інтегральною технологією. Тим не менш, в окремих видах оптронів вони можуть застосовуватися.
з випромінювачем на електролюмінесцентних осередках. Електролюмінесцентні осередки мають невисоку ефективність перетворення електричної енергії у світлову, низьку довговічність (особливо - тонкоплівкові), складні в управлінні (наприклад, оптимальний режим для порошкових люмінофорів
220 при f =400 . 800Гц). Основна перевага цих випромінювачів – конструктивно-технологічна сумісність із фоторезисторами, можливість створення на цій основі багатофункціональних, багатоелементних оптронних структур. Нині знаходять обмежене застосування.
з випромінювачем на світлодіодах та лазерних діодах. Основним найбільш універсальним видом випромінювача, що використовується в оптронах, є напівпровідниковий інжекційний світловипромінюючий діод - світлодіод. Це зумовлено такими його перевагами: високазначення ККД перетворення електричної енергії на оптичну; вузький спектр випромінювання (квазімонохроматичність); широта спектрального діапазону, що перекривається різними світлодіодами; спрямованість випромінювання; висока швидкодія; малі значення напруги живлення і струмів; сумісність з транзисторами та інтегральними схемами; простота модуляції потужності випромінювання шляхом зміни прямого струму; можливість роботи, як у імпульсному, і у безперервному режимі; лінійність ват-амперної характеристики у більш менш широкому діапазоні вхідних струмів; висока надійність та довговічність; малі габарити; технологічна сумісність із виробами мікроелектроніки.
За типом використовуваного фотоприймачаоптрони поділяються на:
Оптрони на основі фоторезисторів, властивості яких при освітленні змінюються за заданим складним законом, що дозволяє моделювати математичні функції, і є кроком на шляху створення функціональної оптоелектроніки. Однак фоторезисторні оптрони інерційні.
Оптрони на основі фотодіодів;
Оптрони на основі фототранзисторів;
Оптрони на основі фототиристорів.
Останні три є найбільш універсальними фотоприймачами, що працюють з відкритим р - n-переходом. У переважній більшості випадків вони виготовляються на основі кремнію, і область максимальної спектральної чутливості знаходиться поблизу λ=0,7. 0,9 мкм.
За типом використовуваного оптичного каналуоптрони поділяються на:
Оптрони із відкритим оптичним каналом. У таких оптронах випромінювач та фотоприймач розділені повітряним зазором. Вони широко застосовуються визначення кількості обертів валів, що обертаються, синхронізації пересування механічних систем, як датчики положення і т.п. Оптрони з відкритим каналом у своючергу поділяються на оптрони, що працюють на відображення та пропускання.
Оптрони із закритим оптичним каналом. Вони оптичний канал захищений від будь-яких зовнішніх впливів. Такі оптрони застосовуються для гальванічної розв'язки вхідних та вихідних електричних кіл. Якщо в якості вихідного ланцюга використовуються потужні силові прилади (тиристори, симістори, польові MOSFET-транзистори), то такі оптрони називають реле твердотілими. Такі реле в даний час є альтернативою електромагнітних реле та їх технологія безперервно удосконалюється.
Оптрони з "подовженим" оптичним каналом. У таких оптронах випромінювач та фотоприймач можуть бути на значній відстані. Вони оптичний канал, що зв'язує випромінювач і фотоприймач можуть бути волоконний світловод. Такі оптоелектронні прилади широко застосовуються передачі інформації у локальних мережах ЕОМ.
За спектральним діапазоном оптичного каналуоптрони поділяються на:
Оптрони видимого діапазону із довжиною хвилі оптичного випромінювання від 0,4 до 0,75 мкм.
Оптрони ближнього ІЧ-діапазону з довжиною хвилі оптичного випромінювання від 0,8 до 1,2 мкм. Цей вид випромінювання є особливо ефективним для оптоелектронних приладів з відкритим каналом.
За конструктивно-технологічною ознакоюоптрони поділяються на:
Опопари (елементарні оптрони), що містять один випромінювач та один елементарний фотоприймач. Залежно від типу використовуваного фотоприймача можуть бути резистивними, діодними, транзисторними, тиристорними тощо.
Оптоелектронні (оптронні) інтегральні мікросхеми, в яких крім елементарного оптрона містяться додаткові електронні пристрої: підсилювачі, компаратори, логічні схеми тощо.мікросхеми входи та виходи гальванічно розв'язані.
Спеціальні види оптронів: диференціальні оптрони, які містять кілька випромінювачів та фотоприймачів; оптоелектронні датчики присутності, задимленості, датчики положення та ін.