Лекції ЕУПО - Глава1 - оптрон
1.14. ОПТРОННІ ЕЛЕМЕНТИ
Оптронаминазиваються оптоелектронні прилади, що мають випромінювачі та фотоприймачі і в яких використовуються оптичні та електричні зв'язки, та які конструктивно поєднані один з одним. Деякі різновиди оптронів називаютьсяопто-парамиабооптоізоляторами.
Принцип дії будь-якого оптрона ґрунтується на подвійному перетворенні енергії. У випромінювачах енергія електричного сигналу перетворюється на оптичне випромінювання, а фотоприймачах, навпаки, оптичний сигнал викликає електричний струм чи напруга чи призводить до зміни його опору. Найбільшого поширення набули оптрони із зовнішніми електричними вхідними та вихідними сигналами та внутрішніми оптичними сигналами, рис. 1.70. В електричній схемі такий прилад виконує функцію вихідного елемента – фотоприймача з одночасною електричною ізоляцією (гальванічною розв'язкою) входу та виходу. Випромінювач є джерелом фотонів, як може бути використаний світлодіод або мініатюрна лампа розжарювання. Оптичним середовищем може бути повітря, скло, пластмаса або волоконний світловод. Як фотоприймачі використовуються фотодіоди, фототранзистори, фототиристори і фоторезистори. Найчастіше застосовуються інтегральні фотодиодно-транзисторні структури. Різні комбінації цих елементів дозволяють отримати дуже різноманітні вхідні, вихідні та передавальні характеристики
З конструкторсько-технологічної точки зору випромінювач та фотоприймач є рівноправними. Ефективність перетворення енергії та термін служби оптрона в основному визначаються випромінювачем. При створенні випромінювача для оптрона основна складність полягає в оптимізації погодження з фотоприймачем. До параметрів, що підлягаютьоптимізації, належать коефіцієнт посилення, ширина смуги частот, розміри оптичного вікна, електричні характеристики. Оскільки бажано мати мале послідовне опір, найкращим варіантом є випромінювач на основіGaAs. Вимоги до виду оптичного вікна випромінювача оптрона та звичайного світлодіода значно відрізняються один від одного. Світлодіоди виготовляють з кільцевою випромінюючою областю майданчика, щоб отримати високий коефіцієнт відношення видимої випромінюючої області до фактичної. Для оптрона випромінююча область повинна бути настільки малою, наскільки це сумісно з допустимою щільністю струму, а контактний майданчик розміщується так, щоб мінімально затемнити випромінювальну область. Це забезпечує кращий зв'язок із приймачем. Малий розмір випромінюючої області дозволяє зменшити марні крайові втрати як струму, так і випромінювання і забезпечити сталість умов зв'язку незалежно від розкиду величини зазору і точності суміщення з чутливою областю фотоприймача у різних зразків оптронів.
При виборі оптичного середовища її ізолюючі властивості грають визначальну роль, якщо відстань між випромінювачем та приймачем дуже мала. Якщо ж відстань досить велика, наприклад, при використанні волоконної оптики, лінз або іншого середовища (відбиває або пропускає), ізолюючі властивості стають менш важливими. Зате великого значення набуває спектр пропускання, особливо якщо застосовуються пластмаси. У більшості оптронів для зменшення втрат на френелівське відбиття від поверхні випромінювача і приймача використовують покриття, що просвітлюють. При цьому одночасно створюється ізоляція, оскільки матеріали покриттів є провідниками електричного струму. У багатьох типах оптронів для створення гарної ізоляції між випромінювачем іприймачем застосовують шар плівки із прозорого фторопласту. Оптична ізоляція дозволяє мати прилад, що забезпечує оптичний зв'язок сигналів двох окремих електронних схем, незважаючи на те, що останні розв'язані гальванічно. Напруга ізоляції таких приладів може сягати тисяч вольт.
Принципові фізичні переваги оптронів, як зазначалося вище, зумовлені використанням фотонів як носіїв інформації, полягають у забезпеченні дуже високої електричної ізоляції входу і виходу, односпрямованості потоку інформації, відсутності зворотний зв'язок з виходу вхід і широкої смузі пропускання.
До переваг оптронів відносяться:
– можливість безконтактного (оптичного) управління електронними об'єктами та обумовлені цим різноманітність та гнучкість конструкторських рішень управління;
несприйнятливість оптичних каналів зв'язку до впливу електромагнітних полів, що у разі оптронів з протяжним оптичним каналом обумовлює високу запобіжну безпеку, а також виключає взаємні наведення;
- Можливість створення функціональних мікроелектронних пристроїв з фотоприймачами, характеристики яких під дією оптичного випромінювання змінюються за заданим (як завгодно складним) законом;
– розширення можливостей керування вихідним сигналом оптрона шляхом впливу (у тому числі і неелектричного) на матеріал оптичного каналу та, як наслідок цього, створення різноманітних датчиків та приладів для передачі інформації.
До недоліків слід віднести:
- низький ККД, обумовлений необхідністю подвійного перетворення енергії (електрика-випромінювання-електрика), і значна споживана потужність;
- сильна температурна залежність параметрів;
- Високийрівень власних шумів;
-Конструктивно-технологічна недосконалість, пов'язане в основному з використанням гібридної технології.
Оптрони можна класифікувати за їх головним функціональним призначенням:
– оптрони із зовнішнім оптичним та внутрішнім електричним зв'язками, призначені для посилення до перетворення випромінювання;
– оптрони з внутрішнім оптичним зв'язком, що використовуються як змінні опори;
– оптрони з електричним зв'язком, які використовуються як ключові елементи.
За типом використовуваного фотоприймача оптрони поділяються на фотодіоди, що використовують, одиночні фототранзистори, складові фототранзистори, фототиристори і фоторезистори. До основних параметрів оптрона відносяться: коефіцієнт передачі струму
(Ki– відношення струму на виході оптрона до струму на вході), опір розв'язки та швидкодія (сумарний час включення та вимкнення), табл. 5.