Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
21. ОПТРОНЫ
Оптрон (ОП) — это прибор, в кото ром светоизлучатель и фотоприемник оптически и конструктивно связаны друг с другом и представляют собой единое конструктивное целое.
В оптроне поступающий электриче ский сигнал преобразуется источником излучения в световой, передается по оптическому каналу от светоизлучателя к фотоприемнику, где он вновь преобра зуется в электрический. При этом цепи входа и выхода полностью отделяются друг от друга. Оптическая связь имеет большие преимущества перед гальва нической. Во-первых, обеспечивается почти идеальная гальвани ческая развязка между источником излучения и приемником, т. е. между входом и выходом. Во-вторых, вследствие электрической нейтральности переносчиков информации (квантов света) обеспе чивается высокая помехоустойчивость.
Конструкции оптопар различны: составные на дискретных элемен тах, пленочные, монолитные. На рис. 7.44 приведены примеры состав ных конструкций оптопар на дискретных элементах. В бескорпусной оптопаре (рис. 7.44, а) СИ — светоизлучатель; ФП — фотоприемник; ОС—оптическая среда; /—выводы светоизлучателя; 2—выводы фо топриемника. Кристаллы светоизлучателя и фотоприемника размещены в оптической иммерсионной среде строго параллельно. В качестве опти ческой среды используются в основном органические полимерные оптические клеи с коэффициентом преломления nф=1,5 и редко халькогенидные стекла (nф>2). Высокий коэффициент преломления, большое удельное сопротивление (1012-1014 Ом-см), высокая пробивная на пряженность электрического поля (Екр=80кВ/мм), широкий диапазон рабочих температур (-~60—+125°С), высокая механическая прочность, хорошая адгезия к материалам светоизлучателя и фотоприемника и тех нологичность полимеров обусловили их широкое использование в оп топарах. Светодиод (рис. 7.44, а) име ет кольцевую излучающую область с расположенным в центре и вы несенным из активной области излучения омическим контактом. В та кой конструкции при минимальной площади свечения светодиода уменьшаются потери энергии излучения из-за затенения и краевых эф фектов, снижаются требования к точности взаимного расположения светодиода и фотоприемника.
Конструкция оптопары в металлостеклянном корпусе приведена на рис. 7.44,б. Для уменьшения емкости развязки до10-3—10-4 пФ в оп тическую среду встраивают заземленную металлическую сетку ЗС или стекло с проводящим покрытием из материалов Sn02, In2O3. Сопро тивление развязки оптопары достигает значения1014-1016 Ом.
Потери на торцевое и обратное излучение светодиода снижены в конструкции оптопары на рис. 7.44, а, где О—отражатель; КВ(М)— металлический кольцевой вывод р-области фотоприемника, изолирован ный от p-области диэлектрическим слоем SiOa. Отражатель направляет лучи светодиода, показанные на рис. 7.44, в линиями со стрелками, на чувствительную площадь фотодиода и увеличивает примерно вдвое коэффициент передачи оптопары. Конструктивное исполнение оптопа ры с гальванической развязкой до нескольких десятков киловольт по казано на рис. 7.44, г. Развязку обеспечивает жесткий стеклянный све товод ОС, помещенный в корпус оптопары К. Волоконный световод представляет со бой нить из специального прозрачного диэлектрика. Световой луч поступает в торец световода, после многократного полного отражения от боковых стенок нити он выходит с другого конца светово да при малом затухании. С помощью волоконного световода можно разместить приемник на значительном расстоянии от излучателя, обеспечив их высокую элект рическую изоляцию друг от друга.
Источником излучения в ОП служит светодиод; в качестве фотоприемников используют фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы и фототиристоры (табл. 11.2). Если оптрон имеет один излучатель и один приемник излучения, то его называют оптопарой или элемен тарным оптроном.
Наиболее распространенные элементы ОП — арсенидогаллиевые светодиоды и фотоприемники из кремния. Их спект ральные характеристики хорошо согла суются между собой. Согласование спек тральных характеристик — одно из ос новных условий, обеспечивающих оп тимальную передачу сигнала с входа ОП на его выход.
Оптическая среда, по которой распро страняется сигнал от светодиода к фото приемнику, должна не вносить заметные потери при передаче излучения и обеспе чивать высокое сопротивление изоляции. Используют три основных варианта пе редающей среды: воздушный или газовый промежуток, различные согласующие среды (полимерные оптические лаки, стекло и др.) и волоконные световоды.
Наименьшее напряжение изоляции между входом и выходом имеют ОП с тонким слоем стекла или лака (100— 1000 В). В оптронах с воздушным про межутком оно составляет 1—5 кВ и ог раничено электрической прочностью кор пуса. В оптронах с волоконными свето водами напряжение изоляции может до стигать 50—150 кВ.
Оптронную пару — излучатель и фо топриемник — или несколько оптронных пар помещают в корпус и гермети зируют, обычно используют корпуса ин тегральных микросхем. Масса ОП в та ком корпусе составляет 0,8—1,5 г.
Светодиоды по сравнению с лазерами могут быть изготов лены из различных полупроводниковых материалов, поэто му перекрывают большую часть рабочего диапазона длин волн. У них более высокий КПД преобразования электри ческой энергии в энергию излучения. Светодиоды работают с меньшими токами и напряжениями, более долговечны, технологичны и дешевы. Использование лазеров в оптопа-рах экономически оправдано только в быстродействующих системах с временем переключения менее10-9-10-10 с.
Оптрон представляет собой четырех полюсник, свойства которого определяются входной, передаточной и выход ной характеристиками. Характеристику обратной связи ОП не рассматривают из-за чрезвычайно высокой изоляции входа от выхода. Входной характеристикой ОП служит вольт-амперная характеристика его светодиода, выходной — соответст вующая характеристика его фотоприем ника при заданном токе на входе оптрона.
Оптроны характеризуют следующие основные параметры: коэффициент пере дачи тока К.i = I2/I1, представляющий собой отношение фототока приемника /2 к току излучателя /1; быстродействие, определяемое граничной частотой fгр и временами нарастания и спада выходно го сигнала до уровня 50 % его амплиту ды; сопротивление изоляции Rиз; про ходная емкость.
Эквивалентная схема замещения оптопары с идеальной гальванической развязкой, составленная с учетом (7.19), приведена на рис. 7.43, а.
Основные параметры различных типов ОП, выпускаемых отечественной про мышленностью, приведены в табл. 11.2. Наибольшее быстродействие, но наи меньший коэффициент передачи тока имеют диодные ОП, коммутацию боль ших токов при сравнительно низком бы стродействии могут реализовать тири-сторные ОП и транзисторные ОП на базе составного фототранзистора.
Влияние изменения температуры на ОП определяется температурными пара метрами светодиода и фотоприемника. Для GaAs-светодиода и Si-фототранзи
стора эти зависимости противоположны по знаку. Уменьшение мощности излу чения светодиода с ростом температуры компенсируется увеличением коэффи циента усиления фототранзистора и ко эффициент передачи К, оптрона в интер вале рабочих температур изменяется не значительно. Однако при увеличении температуры возрастают времена нара стания и спада импульса, это следует учитывать при эксплуатации ОП. Современным ОП присущи некоторые недостатки: значительная потребляемая мощность из-за двойного преобразова ния энергии, высокий уровень собствен ных шумов, сложность технологии.