ОПТОПАРЫ (Оптроны)

Общие сведения

Оптоэлектроника – одно из наиболее развитых направлений в функциональной микроэлектронике. В понятие “оптоэлектроника” включают и такие недавно возникшие направления, как лазерная техника, волоконная оптика, голография и другие.

В настоящее время оптоэлектронный прибор определяется как:

1) прибор чувствительный к электромагнитному излучению в видимой, инфракрасной или ультрафиолетовой областях спектра;

2) прибор излучающий и преобразующий некогерентное или когерентное излучение в этих же спектральных областях;

3) прибор, использующий электромагнитное излучение для своей работы.

Оптоэлектроника основана на электронно-оптическом принципе получения, передачи, обработки и хранения информации, носителем которой является электрически нейтральный фотон.

Изготовление ПП элементов оптоэлектроники оптронов совместимо с интегральной технологией, поэтому их создание может быть включено в единый технологический цикл производства интегральных микросхем.

Рассмотрим основные технологические средства оптоэлектроники. Основным элементом является оптрон , или оптопара

Оптопара – оптоэлектронный прибор, содержащий фотоизлучатель и фотоприёмник, оптически и конструктивно связанные друг с другом.

Рис.1. Структурная схема оптрона

1– источника излучения (фотоизлучателя);

2 – световода (оптического канала);

3 – приёмника излучения (фотоприёмника), заключённого

в герметичный светонепроницаемый корпус.

Классификация оптронов:

Тип и название оптрона определяется типом используемого в нем фотоприемника. По этому признаку оптроны бывают:

– резисторные (фотоприёмник – фоторезистор);

– диодные (фотоприёмник – фотодиод);

– транзисторные (фотоприёмник – фототранзистор);

– тиристорные (фотоприёмник – фототиристор);

Применение в электронных цепях :

– переключение;

– усиление;

– согласование;

– преобразование;

– индикация и др.

Определение и принцип действия

Принцип действия оптопары основан на двойном преобразовании энергии т.е.

1) В излучателях энергия электрического сигнала преобразуется в оптическое излучение, а в фотоприёмниках наоборот;

2) Оптический сигнал вызывает электрический ток или напряжение. Следовательно, оптопара – это прибор с электрическими входными и выходными сигналами, т.е. связь с внешней схемой электрическая. А вот внутри оптопары связь входа с выходом осуществляется с помощью оптических сигналов.

Рассмотрим различные типы оптопар, различающихся друг от друга фотоприёмниками.

Резисторные оптопары

Имеют в качестве излучателя сверхминиатюрную лампочку накаливания или светодиод, дающий видимое или инфракрасное излучение. Приёмником излучения является фоторезистор , который может работать как на постоянном, так и на переменном токе.

Рис.16. Схема включения резисторной оптопары

У данной оптопары выходная цепь питается от источника постоянного или переменного напряжения Е и имеет нагрузку R н. Напряжение U упр подаваемое на светодиод, управляет током в нагрузке. Цепь управления хорошо изолирована от фоторезистора, который может быть включён в цепь переменного тока напряжением 220 В.

Резисторные оптопары применяются для автоматического регулирования усиления, связи между каскадами, управления бесконтактными делителями напряжения, модуляции сигналов, формирования различных сигналов и т.д.

Диодные оптопары

Данный тип обычно имеет в своём составе инфракрасный светодиод и кремниевый фотодиод. Применение их весьма разнообразно. На их основе создаются импульсные трансформаторы, не имеющие обмоток, что важно для микросхем. Также они используются для передачи сигналов между блоками сложной радиоэлектронной аппаратуры, для управления работой ИМС, особенно тех, у которых входной ток очень мал.

Транзисторные оптопары

Имеют в своём составе в качестве излучателя - светодиод, а приёмника излучения – биполярный кремниевый фототранзистор типа n-p-n . Оптопары этого типа работают главным образом в ключевом режиме и применяются в коммутаторных схемах, устройствах связи различных датчиков с измерительными блоками, в качестве реле т.д. Для повышения чувствительности оптопары в ней может быть использован составной транзистор.

Тиристорные оптопары

Имеют в качестве фотоприёмника кремниевый фототиристор и используется исключительно в ключевых режимах. Применяется для формирования импульсов, управления мощными тиристорами, управления и коммутации различных устройств с мощными нагрузками.

Параметры

В системе параметров можно выделить четыре группы:

– входные параметры (излучателя);

– выходные параметры (фотоприёмника);

– передаточные параметры (параметры передачи сигнала со входа на

– параметры изоляции.

Входные параметры

1. Номинальный входной ток I вх.ном –значение тока, рекомендуемое для оптимальной эксплуатации оптопары и используемое при измерении её основных параметров .

2. Входное напряжение U вх - падение напряжения на излучающем диоде в прямом направлении при заданном значении прямого тока (обычно при I вх.ном).

3. Входная ёмкость С вх – ёмкость между входными выводами оптопары в заданном режиме.

Выходные параметры

1. U ВЫХ.ОБР – максимальное значение обратного напряжения любой формы, которое допускается прикладывать к выходу оптопары.

2. I ВЫХ –максимальное значение тока, который допускается пропускать через фотоприёмник во включённом состоянии оптопары.

3. I УТ – ток утечки на выходе оптопары при I вх =0 и заданном значении полярности U вых.

4. U ОСТ – выходное остаточное напряжение на включённом фототиристоре или фоторезисторе в режиме насыщения.

5. С ВЫХ – выходная ёмкость фотоприёмника.

Передаточные параметры – характеризуют эффективность передачи электрического сигнала с входа оптопары на выход.

Коэффициент передачи по току – характеризует передачу сигнала со входа оптопары на выход для всех типов оптопар (кроме тиристорных) .

Временные параметры – характеризуют быстродействие или скорость передачи сигнала.

1. t НАР – время нарастания выходного тока от уровня (0,1-0,9) I вых,max

2. t ЗАД – время задержки при включении, т.е. время от момента подачи t 0 импульса входного тока до момента нарастания выходного тока до уровня0,1 I ВЫХ MAX .

3. t ВКЛ = t НАР + t ЗАД – время включения оптопары.

4. t ПЕР = t ВКЛ + t ВЫКЛ – время переключения.

Параметры изоляции

1. U ИЗ.ПИК. – максимально допустимое пиковое напряжение изоляции определяет возможности оптопары как элемента электрической изоляции.

2. U ИЗ –статическое напряжение изоляции между входом и выходом .

3. R ИЗ –сопротивление изоляции (R из » 10 12 Ом).

Параметры определяющие стойкость оптопары к скачкам напряжения:

4. С ПР – проходная ёмкость (ёмкость между входом и выходом).

5. – максимально допустимая скорость нарастания выходного напр.

Оптопарой называют оптоэлектронный полупроводниковый прибор, содержащий источник и приемник оптического излучения, которые оптически и конструктивно связаны между собой, и предназначенный для выполнения различных функциональных преобразований электрических и оптических сигналов.

Источниками излучения могут быть лампы накаливания, газоразрядные лампы, полупроводниковые излучатели, светодиоды. В интегральных оптоэлектронных схемах источником оптического излучения является инжекционный светодиод, обеспечивающий высокое быстродействие оптопар. Фотоприемниками могут быть: фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы, фототиристоры. Сочетание в одном конструктивном элементе светодиода с одним из этих фотоприемников позволило создать ряд оптопар с различными характеристиками: резисторных, диодных, транзисторных, тиристорных (рис. 5.19). Связывающим звеном между источником излучения и фотоприемником служит пассивная или активная оптическая среда, выполняющая функции световода.

Рис.8.18. Виды оптопар: резисторная (а), диодная (б), транзисторная (в), тиристорная(г),

Принцип действия оптопары основан на двойном преобразовании энергии. В источниках излучения энергия электрического сигнала преобразуется в оптическое излучение, а в фотоприемниках оптический сигнал преобразуется в электрический сигнал (ток или напряжение). Оптопара представляет собой прибор с электрическими входными и выходными сигналами.

Световод обеспечивает гальваническую развязку входной и выходной цепей (сопротивление изоляции может достигать 10 12 …10 14 Ом, а емкость связи 10 -2 пФ) и однонаправленность передачи сигналов от источника излучения к фотоприёмнику, что характерно для оптических линий связи.

Достоинствами оптопар является:

1. отсутствие электрической связи между входом и выходом, а также обратной связи между фотоприёмником и источником излучения.

2. широкая полоса пропускания электрических колебаний, что позволяет передавать сигналы в диапазоне частот от 0 до 10 14 Гц.

3. высокая помехозащищённость оптического канала, что обусловлено невосприимчивостью фотонов к воздействию внешних электромагнитных полей.

4. простота совмещения оптопар с микросхемами в различных устройствах телекоммуникации.

Оптопары используются в качестве:

а) элемента электрической развязки в цифровых и импульсных устройств, а так же аналоговых устройств.

б) бесконтактного управления высоковольтными источниками питания в различных системах автоматики.

в) ключа для формирования и коммутации мощных импульсов, а так же для связи датчиков с измерительными устройствами и блоками.

Резисторные оптопары наиболее универсальны. Они могут использоваться в аналоговых и ключевых устройствах, имеют широкий диапазон изменения сопротивления (десятки–сотни МОм в неосвещенном и сотни Ом в освещенном состояниях), низкий частотный диапазон. В резисторной оптопаре в качестве излучателя применяются светодиоды, работающие в широком оптическом диапазоне. Для получения энергетических параметров необходимо согласовать излучатель и приемник по спектральным характеристикам.

Резисторные оптопары описываются следующими параметрами входной и выходной цепей:

1. Максимальный входной ток I вх. макс - это максимальное значение среднего входного или постоянного тока.

2. Входное напряжение U вх - это прикладываемое ко входным зажимам излучателя постоянное или эффективное напряжение при рабочем входном токе.

3. Выходной коммутирующий ток I вых. ком - это номинальный выходной ток управляемый нагрузкой.

4. Максимальный выходной ток - это значение тока при котором резисторный оптрон работает длительное время.

5. Максимальное выходное коммутируемое напряжение - это максимальное значение напряжения на выходе оптопары.

6. Максимальная мощность рассеяния на выходе оптопары при которой обеспечивается длительная работоспособность устройства.

7. Выходное темновое и выходное световое сопротивления.

8. Проходная емкость С пр - между входом и выходом оптопары.

9. Сопротивление изоляции R из - это сопротивление между входом и выходом оптопары.

10. Максимальное напряжение изоляции - это максимальное напряжение при котором сохраняется прочность и надежность изделия, прикладываемого между входом и выходом оптотары.

Примерами резисторных оптопар могут быть: ОЭП-16, ОЭП-1, ОЭП-2, ОЭП-9.

Диодные оптопары используются в качестве ключа и могут коммутировать ток с частотой 10 6 …10 7 Гц. Темновое сопротивление достигает 10 8 …10 10 Ом, а при освещении снижается до сотен Ом. Сопротивление между входной и выходной цепями 10 13 …10 15 Ом. В качестве излучателя в диодных оптопарах используется светодиод, работающий в инфракрасной области излучения, и в качестве фотоприемника - кремневый фотодиод. Светодиод имеет максимум спектральной характеристики на длине волны около 1мкм.

Диодные оптопары описываются следующими параметрами входной и выходной цепями:

1. U вх - входное напряжение определяется при заданном входном токе, протекающем через светодиод;

2. I вх. макс - это максимальное значение постоянного тока или импульсного тока, при котором обеспечивается долговременная надежная работа оптопары;

3. U вх. обр. макс - это максимальное входное обратное напряжение прикладываемое ко входу оптопары, при котором обеспечивается долговременная надежная работа оптопары;

4. I т - выходной (тепловой) ток фотодиода при отсутствии входного (фотопотока);

5. I вых. обр - выходной обратный ток при заданном напряжении на выходе и отсутствие входного тока.

6. U вых. макс. обр - максимальное обратное напряжение выходной цепи, при котором фотодиод работает надежно и долговременно;

7. t нр - время нарастания выходного сигнала, при котором амплитуда выходного напряжения изменяется от 0,1 до 0,5 U вых. макс;

8. t сп - время спада выходного сигнала. За этот промежуток времени выходное напряжение уменьшается от 0,9 до 0,5 своего максимального значения.

Примерами диодных оптопар являются АОД101А...АОД101Д, АОД107, ЗОД107А и др.

Транзисторные оптопары имеют большую чувствительность, чем диодные. Быстродействие не превышает 10 5 Гц. В транзисторной оптопаре используется светодиод с длиной волны излучения около 1 мк м, а в качестве фотоприемника - кремниевый фототранзистор n-p-n-типа.

Если отсутствует оптическое излучение, то в цепи коллектора фототранзистора всегда протекает небольшой обратный ток (темновой ток), величина которого сильно зависит от температуры. Для снижения величины темнового тока включается внешний резистор между выводами базы и эмиттера величиной порядка 0,1...1,0 М Ом.

Транзисторная оптопара описывается параметрами входной и выходной цепей. Учитывая что в диодных и транзисторных оптопарах используются практически одинаковые светодиоды, то входные параметры транзисторных оптопар такие же как и у диодных оптопар.

Транзисторный оптрон описывается следующими параметрами выходной цепи:

1. U ост - остаточное выходное напряжение на выходе оптопары, когда фототранзистор открыт;

2. I ут.вых - ток протекающий в выходной цепи при закрытом фототранзисторе (ток утечки);

3. P ср. макс - средняя максимальная мощность рассеяния при которой оптопара сохраняет долговременную надежную работу;

4. I вых. макс - максимальный выходной ток фототранзистора при надежной его работе;

5. t нр - время нарастания выходного сигнала, при котором выходное напряжение изменяется от 0,9 до 0,1 своего максимального значения.

6. t сп - время спада выходного напряжения, при котором выходное напряжение увеличивается от 0,1 до 0,9 максимального значения.

7. t вкл - время включения - это время с момента подачи входного сигнала до момента, когда входной сигнал достигает 0,1 U вх. макс. или это время стада - t сп выходного напряжения до уровня 0,1 U вых. макс.

8. t выкл - время выключения - это время за которое входной сигнал уменьшается до 0,9 U вх.макс. или это t нр - время нарастания выходного напряжения до 0,9 U вых.макс.

9. Максимальное напряжение изоляции U из - напряжение, которое может быть приложено между входом и выходом и при котором сохраняется электрическая прочность оптопары.

Примерами транзисторных оптопар являются: АОТ123А, ЗОТ123Б, АОТ110(А,Б,В), ЗОТ123А, АОТ123Т и др.

Тиристорные оптопары применяются в ключевых режимах, для формирования и коммутации мощных импульсов. Излучателем в тиристорной оптопаре служит светодиод, а приемником - кремневый фототиристор. Фототиристор сохраняет включенное состояние даже при прекращении излучения светодиода. Всвязи с этим управляющий световой сигнал от светодиода может подаваться только на время необходимое для отпирания тиристора. Все это позволяет снизить энергию, необходимую для управления фототиристорной оптопарой. Для запирания фототиристора необходимо снять внешнее напряжение. Все это отличает тиристорную оптопару от транзисторной. Тиристорная оптопара описывается следующими параметрами:

1. Ток включения I вкл (входной ток срабатывания I вх, сраб) - постоянный прямой ток оптопары, который переводит оптопару в открытое состояние при заданном режиме на входе;

2. Импульсный ток включения I вкл. им - амплитуда входного импульса тока заданной длительности, которая включает оптопары в открытое состояние;

3. U вх - входное напряжение на входе светодиода при заданном входном токе включения;

4. I вх - входной постоянный ток светодиода;

5. I вх. им - входной импульсный ток оптопары;

6. I вых. закр - выходной ток в закрытом состоянии, который протекает в выходной цепи при закрытом состоянии фототиристора и заданном режиме;

7. I вых. обр - выходной обратный ток протекающий при закрытом состоянии фототиристора;

8. U ост - выходное напряжение на открытом фототиристоре;

9. I вых. уд - ток удержания - наименьший ток фототиристора в открытом состоянии;

10. U вых.мин - минимальное постоянное выходное напряжение на фототиристоре при котором обеспечивается включение оптопары при заданном сигнале на входе;

11. U вых.обр - максимальное выходное напряжение при котором обеспечивается заданная надежность;

12. t вкл - время включения - это интервал времени между входным импульсом тока на уровне 0,5 и выходным током на уровне 0,9 максимального значения;

13. t выкл - время выключения - это промежуток времени от момента окончания выходного тока до момента начала следующего выходного тока, под действием которого фототиристор не переключается в открытое состояние.

14. C вых - выходная емкость на выходе тиристорной оптопары в закрытом состоянии.

Примеры тиристорных оптопар: АОУ103А, ЗОУ103А, АОУ103В, ЗОУ103Б.

Оптронами называют такие оптоэлектронные приборы, в которых имеются источник и приемник излучения (светоизлучатель и фотоприемник) с тем или иным видом оптической и электрической связи между ними, конструктивно связанные друг с другом.

Принцип действия оптронов любого вида основан на следующем. В излучателе энергия электрического сигнала преобразуется в световую, в фотоприемнике, наоборот, световой сигнал вызывает электрический отклик.

Практически распространение получили лишь оптроны, у которых имеется прямая оптическая связь от излучателя к фотоприемнику и, как правило, исключены все виды электрической связи между этими элементами.

По степени сложности структурной схемы среди изделий оптронной техники выделяют две группы приборов. Оптопара (говорят также "элементарный оптрон") представляет собой оптоэлектронный полупроводниковый прибор, состоящий из излучающего и фотоприемного элементов, между которыми имеется оптическая связь, обеспечивающая электрическую изоляцию между входом и выходом. Оптоэлектронная интегральная микросхема представляет собой микросхему, состоящую из одной или нескольких оптопар и электрически соединенных с ними одного или нескольких согласующих или усилительных устройств.

Таким образом, в электронной цепи такой прибор выполняет функцию элемента связи, в котором в то же время осуществлена электрическая (гальваническая) развязка входа и выхода.

В структурной схеме на рис. 1 входное устройство служит для оптимизации рабочего режима излучателя (например, смещения светодиода на линейный участок ватт-амперной характеристики) и преобразования (усиления) внешнего сигнала. Входной блок должен обладать высоким КПД преобразования, высоким быстродействием, широким динамическим диапазоном допустимых входных токов (для линейных систем), малым значением "порогового" входного тока, при котором обеспечивается надежная передача информации по цепи.

Рис 1. Обобщенная структурная схема оптрона

Назначение оптической среды - передача энергии оптического сигнала от излучателя к фотоприемнику, а также во многих случаях обеспечение механической целостности конструкции.

Принципиальная возможность управления оптическими свойствами среды, например, с помощью использования электрооптических или магнитооптических эффектов, отражена введением в схему устройства управления, В этом случае мы получаем оптрон с управляемым оптическим каналом, функционально отличающийся от "обычного" оптрона: изменение выходного сигнала может осуществляться как по входу, так и по цепи управления.

В фотоприемнике происходит "восстановление" информационного сигнала из оптического в электрический; при этом стремятся иметь высокую чувствительность и высокое быстродействие.

Наконец, выходное устройство призвано преобразовать сигнал фотоприемника в стандартную форму, удобную для воздействия на последующие за оптроном каскады. Практически обязательной функцией выходного устройства является усиление сигнала, так как потери после двойного преобразования очень значительны. Нередко функцию усиления выполняет и сам фотоприемник (например, фототранзистор).

Электрические схемы и выходные характеристики оптронов с фоторезистором (а), фотодиодом (б) и фототиристором (в): 1 - полупроводниковый светоизлучающий диод; 2 - фоторезистор; 3 - фотодиод; 4- фототиристор; U и I - напряжение и ток в выходной цепи оптрона. Пунктирные кривые соответствуют отсутствию тока во входной цепи оптрона, сплошные - двум разным значениям входных токов.

Оптопары позволяют решать те же задачи, что и отдельно взятые пары излучатель – фотоприемник, однако на практике они, как правило, более удобны, поскольку в них уже опти­мально подобраны характеристики излучателя и фотоприемника и их взаимное расположение.

Если говорить о наиболее очевидном применении оптопары, не имеющем аналогов среди других приборов, так это элемент гальванической развязки. Опто­пары (или, как их иногда называют, оптроны) применяют в качестве устройств связи между блоками аппаратуры, находящимися под различными потенциала­ми, для сопряжения микросхем, имеющих различные значения логических уров­ней. В этих случаях оптопара передает информацию между блоками, не имею­щими электрической связи, и самостоятельной функциональной нагрузки не несет.

Не менее интересно применение оптопар в качестве элементов оптического бесконтактного управления сильноточными и высоковольтными устройствами.

На оптопарах удобно строить узлы запуска мощных тиратронов, распредели­тельных и релейных устройств, устройств коммутации электропитания и т.п.

Оптопары с открытым оптическим каналом упрощают решение задач конт­роля параметров различных сред, позволяют создавать различные датчики (влажности, уровня и цвета жидкости, концентрации пыли и т.п.).

Одной из важнейших является линейная схема, пред­назначенная для неискаженной передачи по гальваниче­ски развязанной цепи аналоговых сигналов. Сложность этой проблемы связана с тем, что для линеаризации передаточной характеристики в широком диапазоне то­ков и температур необходима петля обратной связи, принципиально не реализуемая при наличии гальваниче­ской развязки. Поэтому идут по пути использования двух идентичных оптронов (или дифференциального оптрона), один из которых выступает в качестве вспо­могательного элемента, обеспечивающего обратную связь (рис. 6.13). В таких схемах удобно использовать диффе­ренциальные оптопары КОД301А, КОД303А.

На рис. 6.14 представлена схема двуступенного транзисторного усилителя с оптоэлектронной связью. Изменение тока коллектора транзистора VT 1 вызы­вает соответствующее изменение тока светодиода оптопары U 1 и сопротивле­ния ее фоторезистора, который включен в цепь базы транзистора VT 2 . На на­грузочном резисторе R 2 выделя

ется усиленный выходной сигнал. Применение оптопары практически полностью устраняет передачу сигнала с выхода на вход усилителя.

Оптопары удобны для межблочной гальванической развязки в радиоэлектронной аппаратуре. Например, в схеме гальванической развязки двух блоков (рис. 6.15) сигнал с выхода блока 1 передается на вход блока 2 через диодную оптопару U1 . Если в качестве второго блока использована интегральная микросхема с малым входным током, необходимость использования уси­лителя отпадает, а фотодиод оптопары в этом случае работает в фотогенера­торном режиме.

Рис. 6.13. Гальваническая развязка аналогового сигнала: 01, 02 – оптроны, У1, У2 – операционные усилители

Рис. 6.14. Двухкаскадный транзисторный усилитель с оптоэлектронной связью

Оптопары и оптоэлектронные микросхемы применяют в устройствах пере­дачи информации между блоками, не имеющими замкнутых электрических свя­зей. Применение оптопар существенно повышает помехоустойчивость каналов связи, устраняет нежелательные взаимодействия развязываемых устройств по цепям питания и общему проводу. Цепи сопряжения с применением оптопар широко используют в вычислительной и измерительной технике, в устройствах автоматики, особенно когда датчики или другие приемные устройства работают в условиях, опасных или недоступных человеку.

Например, реализация связи гальванически независимых логических элемен­тов может осуществляться с помощью оптоэлектронного переключателя (рис. 6.16). Оптоэлектронным переключателем может служить микросхема К249ЛП1, в состав которой входят бескорпусная оптопара и стандартный вентиль.

Оптопары позволяют упрощать решение задач сопряжения блоков, разно­родных по функциональному назначе
нию, характеру питания, например испол­нительных механизмов, питаемых от сети переменного тока, и цепей форми­рования управляющих сигналов, питаемых от низковольтных источников по­стоянного тока.

Большую группу задач представляет также согласование цифровых микро­схем с разными видами логики: транзисторно-транзисторной логикой (ТТЛ), эмиттерносвя

занной логикой (ЭСЛ), комплементарной структурой «металл-окисел-полупроводник» (КМОП) и др. Пример схемы со­гласования элемента ТТЛ с МДП с помощью транзисторной оптопары показан на рисунке 6.17. Входная и выходная ступени не имеют общих электрических цепей и могут работать в самых различных условиях и режимах.

Идеальная гальваническая развязка нужна во многих практических случа­ях, например в медицинской диагностической аппаратуре, когда датчик при­креплен к телу человека, а измерительный блок, усиливающий и преобразую­щий сигналы датчика, подключен к сети. При неисправности измерительного блока может возникнуть опасность поражения человека электрическим током. Собственно датчик питается от отдельного низковольтного источника питания и подключается к измерительному блоку через развязывающую оптопару (рис. 6.18).

Оптопары удобны и в других случаях, когда «незаземленные» входные устройства приходится сопрягать с «заземленными» выходными устройствами. Примерами та

ких задач могут служить соединение линии телетайпной связи с дисплеем, «автоматический секретарь», подключаемый к телефонной линии, и т.п. Например, в схеме сопряжения линии связи с дисплеем (рис. 6.19, а ) операционный усилитель обеспечивает требуемый уровень сигналов на входе дисплея. Аналогично можно связать передающий пульт с линией связи (рис. 6.19, б ).

Рис. 6.19. Сопряжение «незаземленных» и «заземленных» устройств

Рис. 6.20. Оптоэлектронные полупроводниковые реле:

а – нормальноразомкнутое, б – нормальнозамкнутое

Усиленные сигналы фотоприемника удобно передавать на исполнительные механизмы (например, электродвигатели, реле, источники света и т.п.) через оптоэлектронную гальваническую развязку. Примерами такой развязки могут служить два варианта наиболее распространенных полупроводниковых реле, разомкнутых и замкнутых, (рис.6.20). Реле коммутирует сигналы постоянного тока. Сигнал, воспринимаемый фототранзистором оптопары, открывает транзисторы VT1 , VT2 и вклю­чает нагрузку

(рис.6.20, а ) или отключает ее (6.20, б ).

Рис 6.21. Оптоэлектронный импульсный трансформатор

Импульсный трансформатор – весьма распространенный элемент современ­ной радиоэлектронной аппаратуры. Его используют в различных генераторах импульсов, усилителях мощности импульсных сигналов, каналах связи, теле­метрических системах, телевизионной технике и т.п. Традиционное конструк­тивное исполнение импульсного трансформатора с применением магнитопровода и обмоток не совмещается с технологическими решениями, используемыми в микроэлектронике. Частотная характеристика трансформатора во многих случаях не позволяет удовлетворительно воспроизводить как низко -, так и высо­кочастотные сигналы.

Практически идеальный импульсный трансформатор мож­но изготовить на базе диодной оптопары. Например, в схеме оптоэлектронного трансфор­матора с диодной оптопарой изображена (рис. 6.21) транзистор VT1 управ­ляет светодиодом оптопары U1 Сигнал, генерируемый фотодиодом, усиливают транзисторы VT2 и VT3 .

Длительность фронта импульсов в значительной степени зависит от быстро­действия оптопары. Наиболее высоким быстродействием обладают фотодиоды p — i — n -ст
руктуры. Время нарастания и спада выходного импульса не превышает нескольких десятков наносекунд.

На основе оптопар разработаны и выпускаются оптоэлектронные микросхемы, имеющие в своем составе одну или несколько оптопар, а также согла­сующие микроэлектронные схемы, усилители и другие функциональные эле­менты.

Совместимость оптопар и оптоэлектронных микросхем с другими стандарт­ными элементами микроэлектроники по уровням входных и выходных сигналов, напряжению питания и другим параметрам определили необходимость нормирования специальных параметров и характеристик.

Электрическая прочность (допустимое напряжение между входной и выходной цепями) зависит от конструктивного оформления прибора; для распространённых отечественных DIP-корпусов предельное напряжение между цепями нормируется на 500 или 1000 В, при этом сопротивление изоляции нормируется на уровне 10 11 Ом . Реальное напряжение электрического пробоя такого прибора - порядка нескольких киловольт.

Нижняя рабочая частота оптрона не ограничена - оптроны могут работать в цепях постоянного тока. Верхняя рабочая частота оптронов, оптимизированных под высокочастотную передачу цифровых сигналов, достигает сотен МГц . Верхние рабочие частоты линейных оптронов существенно ниже (единицы-сотни кГц). Наиболее медленные оптроны, использующие лампы накаливания, фактически являются эффективными фильтрами низких частот с граничной полосой порядка единиц Гц.

Классификация

По степени интеграции

• оптопары (или элементарные оптроны ) - состоящие из двух и более элементов (в т. ч. собранные в одном корпусе)
• оптоэлектронные интегральные схемы , содержащие одну или несколько оптопар (с дополнительными компонентами, например, усилителями, или без них).

По типу оптического канала

• с открытым оптическим каналом
• с закрытым оптическим каналом

По типу фотоприёмника

• с биполярным (обычным или составным) фототранзистором
• с полевым фототранзистором

В настоящее время в оптоэлектронике можно выделить два направления.

1. Электронно-оптическое, основанное на принципе фотоэлектрического преобразования, реализуемого в твердом теле внутренным фотоэффектом и электролюминесценцией.
2. Оптическое, основанное на тонких эффектах взаимодействия твердого тела с электромагнитным излучением и использующее лазерную технику, голографию, фотохимию и т.д.

Существуют два класса оптических элементов, которые можно использовать при создании оптических ЭВМ:

• Оптроны
• Квантооптические элементы.

Они являются представителями соответственно электронно-оптического и оптического направлений.

Тип фотоприёмника определяет линейность передаточной функции оптрона. Наиболее линейны и тем самым пригодны для работы в аналоговых устройствах резисторные оптроны, затем - оптроны с приёмным фотодиодом или одиночным биполярным транзистором. Оптроны с составными биполярными транзисторами или полевыми транзисторами используются в импульсных (ключевых, цифровых) устройствах, в которых линейность передачи не требуется. Оптроны с фототиристорами применяются для гальванической развязки схем управления от цепей управления.

Использование

Оптроны имеют несколько областей применения, использующих их различные свойства:

Механическое воздействие

Оптронный координатный счётчик в механической мыши

Оптроны с открытым оптическим каналом, доступным для механического воздействия (перекрытия) используются как датчики во всевозможных детекторах наличия (например, детектор бумаги в принтере), датчиках конца (или начала), счётчиках и дискретных спидометрах на их базе (например, координатные счётчики в механической мыши , ареометры).

Гальваническая развязка

Синонимы :

Смотреть что такое "Оптопара" в других словарях:

Оптрон Словарь русских синонимов. оптопара сущ., кол во синонимов: 1 оптрон (1) Словарь синонимов ASIS. В.Н. Тришин. 2013 … Словарь синонимов

Софт