Система обозначений фотоэлектронных и оптоэлектронных приборов. Оптоэлектронные приборы - реферат. Новые разрабатываемые технологии

Оптоэлектронные приборы
Основные характеристики светоизлучающих диодов видимого диапазона
Основные характеристики светоизлучающих диодов инфракрасного диапазона
Оптоэлектронные приборы в широком понимании
Список использованных источников

Оптоэлектронные приборы
Работа оптоэлектронных приборов основана на электронно-фотонных процессах получения, передачи и хранения информации.
Простейшим оптоэлектронным прибором является оптоэлектронная пара, или оптрон. Принцип действия оптрона, состоящего из источника излучения, иммерсионной среды (световода) и фотоприемника, основан на преобразовании электрического сигнала в оптический, а затем снова в электрический.
Оптроны как функциональные приборы обладают следующими преимуществами перед обычными радиоэлементами:
полной гальванической развязкой «вход – выход» (сопротивление изоляции превышает 10 12 – 10 14 Ом);
абсолютной помехозащищенностью в канале передачи информации (носителями информации являются электрически нейтральные частицы – фотоны);
однонаправленностью потока информации, которая связана с особенностями распространения света;
широкополосностью из-за высокой частоты оптических колебаний,
достаточным быстродействием (единицы наносекунд);
высоким пробивным напряжением (десятки киловольт);
малым уровнем шумов;
хорошей механической прочностью.
По выполняемым функциям оптрон можно сравнивать с трансформатором (элементом связи) при реле (ключом).
В оптронных приборах применяют полупроводниковые источники излучения – светоизлучающие диоды, изготовляемые из материалов соединений группы А III B V , среди которых наиболее перспективны фосфид и арсенид галлия. Спектр их излучения лежит в области видимого и ближнего инфракрасного излучения (0,5 – 0,98 мкм). Светоизлучающие диоды на основе фосфида галлия имеют красный и зеленый цвет свечения. Перспективны светодиоды из карбида кремния, обладающие желтым цветом свечения и работающие при повышенных температурах, влажности и в агрессивных средах.

Светодиоды, излучающие свет в видимом диапазоне спектра, используют в электронных часах и микрокалькуляторах.
Светоизлучающие диоды характеризуются спектральным составом излучения, который достаточно широк, диаграммой направленности; квантовой эффективностью, определяемой отношением числа испускаемых квантов света к количеству прошедших через p -n -переход электронов; мощностью (при невидимом излучении) и яркостью (при видимом излучении); вольт-амперными, люмен-амперными и ватт-амперными характеристиками; быстродействием (нарастанием и спадом электролюминесценции при импульсном возбуждении), рабочим диапазоном температур. При повышении рабочей температуры яркость светодиода падает и снижается мощность излучения.
Основные характеристики светоизлучающих диодов видимого диапазона приведены в табл. 1, а инфракрасного диапазона – в табл. 2.

Таблица 1 Основные характеристики светоизлучающих диодов видимого диапазона

Таблица 2. Основные характеристики светоизлучающих диодов инфракрасного диапазона

В качестве когерентных источников излучения применяют лазеры, обладающие высокой стабильностью, хорошими энергетическими характеристиками и эффективностью. В оптоэлектронике для конструирования компактных устройств используют полупроводниковые лазеры – лазерные диоды, применяемые, например, в волоконно-оптических линиях связи вместо традиционных линий передачи информации – кабельных и проводных. Они обладают высокой пропускной способностью (полоса пропускания единицы гигагерц), устойчивостью к воздействию электромагнитных помех, малой массой и габаритами, полной электрической изоляцией от входа к выходу, взрыво- и пожаробезопасностью. Особенностью ВОЛС является использование специального волоконно-оптического кабеля, структура которого представлена на рис. 5. Промышленные образцы таких кабелей имеют затухание 1 – 3 дБ/км и ниже. Волоконно-оптические линии связи используют для построения телефонных и вычислительных сетей, систем кабельного телевидения с высоким качеством передаваемого изображения. Эти линии допускают одновременную передачу десятков тысяч телефонных разговоров и нескольких программ телевидения.

В последнее время интенсивно разрабатываются и получают распространение оптические интегральные схемы (ОИС), все элементы которых формируются осаждением на подложку необходимых материалов.
Перспективными в оптоэлектронике являются приборы на основе жидких кристаллов, широко используемые в качестве индикаторов в электронных часах. Жидкие кристаллы представляют собой органическое вещество (жидкость) со свойствами кристалла и находятся в переходном состоянии между кристаллической фазой и жидкостью.
Индикаторы на жидких кристаллах имеют высокую разрешающую способность, сравнительно дешевы, потребляют малую мощность и работают при больших уровнях освещенности.
Жидкие кристаллы со свойствами, схожими с монокристаллами (нематики, наиболее часто используют в световых индикаторах и устройствах оптической памяти. Разработаны и широко применяются жидкие кристаллы, изменяющие цвет при нагревании (холестерики). Другие типы жидких кристаллов (смектики) используют для термооптической записи информации.
Оптоэлектронные приборы, разработанные сравнительно недавно, получили широкое распространение в различных областях науки и техники, благодаря своим уникальным свойствам. Многие из них не имеют аналогов в вакуумной и полупроводниковой технике. Однако существует еще много нерешенных проблем, связанных с разработкой новых материалов, улучшением электрических и эксплуатационных характеристик этих приборов и развитием технологических методов их изготовления.

Оптоэлектронный полупроводниковый прибор - полупроводниковый прибор, действие которого основано на использовании явлений излучения, передачи или поглощения в видимой, инфракрасной или ультрафиолетовой областях спектра.

Оптоэлектронные приборы в широком понимании представляют собой устройства , использующие оптическое излучение для своей работы: генерации, детектирования, преобразования и передачи информационного сигнала. Как правило, эти приборы включают в себя тот или иной набор оптоэлектронных элементов. В свою очередь, сами приборы можно подразделить на типовые и специальные, считая типовыми те из них, которые серийно производятся для широкого применения в различных отраслях промышленности, а специальные устройства выпускаются с учетом специфики конкретной отрасли - в нашем случае, полиграфии.

Все многообразие оптоэлектронных элементов подразделяют на следующие группы изделий: источники и приемники излучения, индикаторы, элементы оптики и световоды, а также оптические среды, позволяющие создавать элементы управления, отображения и запоминания информации. Известно, что любая систематизация не может быть исчерпывающей, но, как верно отметил наш соотечественник, открывший в 1869 г. периодический закон химических элементов, Дмитрий Иванович Менделеев (1834-1907), наука начинается там, где появляется счет, т.е. оценка, сравнение, классификация, выявление закономерностей, определение критериев, общих признаков. Учитывая это, прежде чем приступить к описанию конкретных элементов, следует хотя бы в общих чертах дать отличительную характеристику оптоэлектронных изделий.
Как было сказано выше, главным отличительным признаком оптоэлектроники является связь с информацией. К примеру, если в какой-то установке для закалки стальных валов используется лазерное излучение, то вряд ли закономерно относить эту установку к оптоэлектронным устройствам (хотя сам источник лазерного излучения имеет на это право).
Было также отмечено, что к оптоэлектронным относят обычно твердотельные элементы (в Московском энергетическом институте издано учебное пособие по курсу «Оптоэлектроника» под названием «Приборы и устройства полупроводниковой оптоэлектроники»). Но это правило не очень жесткое, так как в отдельных изданиях по оптоэлектронике подробно рассматривается работа фотоумножителей и электронно-лучевых трубок (они относятся к типу электровакуумных приборов), газовых лазеров и других устройств, которые не являются твердотельными. Однако в полиграфии упомянутые устройства широко используют наравне с твердотельными (в том числе и полупроводниковыми), решая схожие задачи, поэтому в данном случае они имеют полное право на рассмотрение.
и т.д.................

Классификация и система обозначений тиристоров

Выпускаемые с 1980 года тиристоры имеют классификацию и систему обозначений, установленные ГОСТ 20859.1-89. В основу обозначений тиристоров положен буквенно-цифровой код, состоящий из девяти элементов.

Первый элемент (буква или буквы) обозначает вид прибора: Т – тиристор; ТЛ – лавинный тиристор; ТС – симметричный тиристор (симистор); ТО – оптотиристор; ТЗ – запираемый тиристор; ТБК – комбинированно выключаемый тиристор; ТД – тиристор-диод.

Второй элемент (буква) – подвид тиристора по коммутационным характеристикам: Ч – высокочастотный (быстро включающийся) тиристор; Б – быстродействующий; И – импульсный.

Третий элемент (цифра от 1 до 9) обозначает порядковый номер модификации (разработки).

Четвертый элемент (цифра от 1 до 9) – классификационный размер корпуса прибора.

Пятый элемент (цифра от 0 до 5) – конструктивное исполнение.

Шестой элемент – число, равное значению максимально допустимого среднего тока.

Седьмой элемент – буква Х для приборов с обратной полярностью (основание корпуса – катод).

Восьмой элемент – число, обозначающее класс по повторяющемуся импульсному напряжению в закрытом состоянии (сотни вольт).

Девятый элемент – группа цифр, обозначающая сочетание классификационных параметров: (du зс /dt ). Аббревиатура «зс» означает запертое состояние.

Пример условных обозначений тиристоров по ГОСТ 20859.1–89:

ТЛ171-320-10-6 – тиристор лавинный первой модификации, размер шестигранника «под ключ» 41 мм , конструктивное исполнение – штыревое с гибким катодным выводом, максимально допустимый средний ток в открытом состоянии 320 А , повторяющееся импульсное напряжение в закрытом состоянии 1000 В (10-й класс), критическая скорость нарастания напряжения в закрытом состоянии 500 В/мкс .

Оптоэлектронными называют приборы, которые чувствительны к электромагнитному излучению в видимой, инфракрасной и ультрафиолетовой областях, а также приборы, производящие или использующие такое излучение.

Излучение в видимой, инфракрасной и ультрафиолетовой областях относят к оптическому диапазону спектра. Обычно к указанному диапазону относят электромагнитные волны с длиной от 1 нм до 1 мм , что соответствует частотам примерно от 0,5·10 12 Гц до 5·10 17 Гц . Иногда говорят о более узком диапазоне частот – от 10 нм до 0,1 мм (~5·10 12 …5·10 16 Гц ). Видимому диапазону соответствуют длины волн от 0,38 мкм до 0,78 мкм (частота около 10 15 Гц ).

На практике широко используются источники излучения (излучатели), приемники излучения (фотоприемники) и оптроны (оптопары).

Оптроном называют прибор, в котором имеется и источник, и приемник излучения, конструктивно объединенные и помещенные в один корпус.

Из источников излучения нашли широкое применение светодиоды и лазеры, а из приемников – фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы и фототиристоры.

Широко используются оптроны, в которых применяются пары светодиод-фотодиод, светодиод-фототранзистор, светодиод-фототиристор.

Основные достоинства оптоэлектронных приборов:

· высокая информационная емкость оптических каналов передачи информации, что является следствием больших значений используемых частот;

· полная гальваническая развязка источника и приемника излучения;

· отсутствие влияния приемника излучения на источник (однонаправленность потока информации);

· невосприимчивость оптических сигналов к электромагнитным полям (высокая помехозащищенность).

Излучающий диод (светодиод)

Излучающий диод, работающий в видимом диапазоне волн, часто называют светоизлучающим, или светодиодом.

Рассмотрим устройство, характеристики, параметры и систему обозначений излучающих диодов.

Устройство. Схематическое изображение структуры излучающего диода представлено на рис. 6.1,а, а его условное графическое обозначение – на рис. 6.2,б.

Излучение возникает при протекании прямого тока диода в результате рекомбинации электронов и дырок в области p-n -перехода и в областях, примыкающих к указанной области. При рекомбинации излучаются фотоны.

Характеристики и параметры . Для излучающих диодов, работающих в видимом диапазоне (длина волн от 0,38 до 0,78 мкм , частота около 10 15 Гц ), широко используются следующие характеристики:

· зависимость яркости излучения L от тока диода i (яркостная характеристика);

зависимость силы света I v от тока диода i .

Рис. 6.1. Структура светоизлучающего диода (а )

и его графическое изображение (б )

Яркостная характеристика для светоизлучающего диода типа АЛ102А представлена на рис. 6.2. Цвет свечения этого диода – красный.

Рис. 6.2. Яркостная характеристика светодиода

График зависимости силы света от тока для светоизлучающего диода типа АЛ316А представлен на рис. 6.3. Цвет свечения – красный.

Рис. 6.3. Зависимость силы света от тока светодиода

Для излучающих диодов, работающих не в видимом диапазоне, используют характеристики, отражающие зависимость мощности излучения Р от тока диода i . Зона возможных положений графика зависимости мощности излучения от тока для излучающего диода типа АЛ119А, работающего в инфракрасном диапазоне (длина волны 0,93…0,96 мкм ), представлена на рис. 6.4.

Приведем для диода АЛ119А его некоторые параметры:

· время нарастания импульса излучения – не более 1000 нс ;

· время спада импульса излучения – не более 1500 нс ;

· постоянное прямое напряжение при i =300 мА – не более 3 В ;

· постоянный максимально допустимый прямой ток при t <+85°C – 200 мА ;

· температура окружающей среды –60 …+85°С.

Рис. 6.4 . Зависимость мощности излучения от тока светодиода

Для информации о возможных значениях коэффициента полезного действия отметим, что излучающие диоды типа ЗЛ115А, АЛ115А, работающие в инфракрасном диапазоне (длина волны 0,95 мкм , ширина спектра не более 0,05 мкм ), имеют коэффициент полезного действия не менее 10 %.

Система обозначений. Используемая система обозначений светоизлучающих диодов предполагает применение двух или трех букв и трех цифр, например АЛ316 или АЛ331. Первая буква указывает на материал, вторая (или вторая и третья) – на конструктивное исполнение: Л – единичный светодиод, ЛС – ряд или матрица светодиодов. Последующие цифры (а иногда буквы) обозначают номер разработки.

Оптоэлектронными называют приборы, преобразующие электрические сигналы в оптические. К оптоэлектронным приборам относят светоизлучающие диоды, оптопары и волоконно-оптические приборы.

Светоизлучающие диоды

Светоизлучающий диод – это полупроводниковый диод, излучающий энергию в видимой области спектра в результате рекомбинации электронов и дырок. В качестве самостоятельного прибора излучающий диод применяется в световых индикаторах, в которых используется явление излучения света
р-n переходом при прохождении через него прямого тока. Кванты света возникают при рекомбинации инжектируемых р-n переходом в базу диода неосновных носителей с основными носителями заряда (явление люминесценции).

Устройство светодиода и его условное обозначение показаны на рис. 13.9. Часто светодиод снабжают пластмассовой светорассеивающей линзой. В таком виде его используют в качестве светосигнального индикатора. Яркость его свечения зависит от плотности тока, цвет свечения – от ширины запрещенной зоны и типа полупроводника. Цвета свечения: красный, желтый, зеленый. Так, например, светодиод 2Л101А имеет желтое свечение, яркость – 10 кДж /м 2 , ток – 10 мА , напряжение – 5 В .

Оптопары

Оптопара (оптрон) – это оптоэлектронный полупроводниковый прибор, состоящий из излучающего и светоприемного элементов, электрически изолированных друг от друга и имеющих между собой оптическую связь.

Рис. 13.10

Простейший оптрон состоит из светодиода и фотодиода, размещенных в одном корпусе. В качестве светоприемника также могут использоваться фототранзисторы, фототиристоры и фотосопротивления; при этом источник и приемник светового излучения выбирают спектрально согласованными.

Устройство простейшей диодной оптопары и ее условное графическое обозначение приведены на рис. 13.10.

Оптическая среда распространения сигнала может представлять собой прозрачное соединение на основе полимеров или особых стекол. Применяют также длинные волоконные светодиоды, с помощью которых можно разнести излучатель и приемник на значительное расстояние, обеспечив их надежную электрическую изоляцию друг от друга и помехоустойчивость. Это позволяет управлять высокими напряжениями (сотни киловольт) с помощью низких напряжений (несколько вольт).

Важным показателем работы оптрона является его быстродействие. Время переключения фоторезисторных оптопар составляет не более 3 мс .

Оптоэлектроника – это раздел электроники, связанный главным образом с изучением эффектов взаимодействия между электромагнитными волнами оптического диапазона и электро­нами вещества (преимущественно твердых тел) и охватываю­щий проблемы создания оптоэлектронных приборов (в основ­ном методами микроэлектронной технологии), в которых эти эффекты используются для генерации, передачи, обработки, хранения и отображения информации.

Согласно этому определению оптоэлектронику как научно-техническое направление характеризуют три отличительные черты.

1. Физическую основу оптоэлектроники составляют явления, методы, средства, для которых принципиальны сочетание и неразрывность оптических и электронных процессов.

2. Техническую основу оптоэлектроники определяют конст­руктивно-технологические концепции современной микроэлек­троники: миниатюризация элементов; предпочтительное разви­тие твердотельных плоскостных конструкций; интеграция эле­ментов и функций; ориентация на специальные сверхчистые материалы; применение методов групповой обработки изделий.

3. Функциональное назначение оптоэлектроники состоит в решении следующих задач: генерации, переносе, преобразо­вании, хранении и отображении информации.

Для решения перечисленных задач в оптоэлектронных при­борах используются информацион­ные сигналы в оптической и электрической формах, но определяющими являются оптиче­ские сигналы – именно этим достигается то качественно новое, что отличает оптоэлектронику.

Оптоэлектронными называют приборы , чув­ствительные к электромагнитному излучению в видимой, инфракрасной и ультрафиолетовой областях, а также при­боры, производящие или использующие такое излучение.

В конкретном оптоэлектронном приборе наличие всех трех составляющих данного выше определения является обяза­тельным, но перечисленные отличительные признаки могут быть воплощены в большей или меньшей степени. Это по­зволяет разделить опто- и фотоэлектронные приборы (фото­электронные умножители, электроннолучевые приборы).

На рис. 2.1 представлена классификация оптоэлектронных при­боров и указаны физические эффекты, лежащие в основе их работы.

На практике широко используются источники излуче­ния (излучатели), приемники излучения (фотоприемни­ки) и оптроны (оптопары).

Излучатель – источник, световой поток или яркость которого является функцией электрического сигнала, поступающего на его вход.

Из источников излучения нашли широкое применение светодиоды и лазеры, а из приемников – фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы и фототиристоры. Широко используются оптроны, в которых применя­ются пары светодиод–фотодиод, светодиод–фототранзистор, светодиод–фототиристор.

По виду используемого излучателя выделяют приборы ко­герентной (с лазерами) и некогерентной (со светоизлучающими диодами) оптоэлектроники.

Как отдельные приборы, так и сложные оптоэлектронные системы создаются из отдельных элементов. Основными оптоэлектронными элементами являются:

· источники когерентного оптического излучения (полупро­водниковый лазер);

· источники некогерентного оптического излучения (светоизлучающий диод);

· активные и пассивные оптические среды;

· приемники оптического излучения (фотодиод);

· оптические элементы (линза);

· волоконно-оптические элементы (волоконно-оптический жгут);

· интегрально-оптические элементы (интегрально-оптическое зеркало).

Как видно из обобщенной структурной схемы оптоэлектронного прибора (ОЭП), приведенной на рис. 2.2, наряду с фо­топриемниками и излучателями важным компонентом ОЭП яв­ляются входные и выходные согласующие электрические схемы, предназначенные для формирования и обработки оптического сигнала. Особенностью этих достаточно сложных, в основном интегральных, схем является компенсация потерь энергии при преобразованиях «электричество – свет» и «свет – электри­чество», а также обеспечение высокой стабильности и устой­чивости работы ОЭП при воздействии внешних факторов.

По функциональному назначению в классе оптоэлектронных приборов, кроме миниатюрных источников излучения и одно- и многоэлементных приемников излучения, следует выделить следующие приборы.

Оптопарой называют оптоэлектронный прибор, в котором конструктивно объединены в общем корпусе излучатель на входе и фотоприемник на выходе, взаимодейст­вующие друг с другом оптически и электрически.

Оптопары широко используются в микроэлектронной и элек­тротехнической аппаратуре для обеспечения электрической развязки при передаче информационных сигналов, бесконтакт­ной коммутации сильноточных и высоковольтных цепей и соз­дания перестраиваемых фотоприемников в устройствах кон­троля и регулирования.

Оптоэлектронные датчики – приборы, преобразующие внешние физические воздействия: температуру, давление, влажность, ускорение, магнитное поле и другие, – в электри­ческие сигналы. Действие этих приборов основано на различных принципах. К датчикам относятся формирователи сигналов изо­бражения и оптопары с открытым оптическим каналом. Осо­бенно интенсивное развитие этого направления связано с по­явлением волоконно-оптических датчиков, в которых внешние воздействия изменяют характеристики оптического сигнала, распространяюще­гося по волокну.

Волоконно-оптические линии связи (ВОЛС) – устройства и системы, содержащие гибкий волоконно-оптический световод (в виде кабеля), сочлененный с излучателем на одном (пере­дающем) конце и с фотоприемником на другом (приемном).

Физическую основу ВОЛС определяют процессы распро­странения оптических сигналов по волоконному световоду, а также светогенерационные и фотоэлектрические явления в из­лучателе и приемнике.

Индикаторы – электрически управляемые приборы для систем визуального отображения информации. Они находят широчайшее применение, начиная от электронных часов и микро-калькуляторов, табло и приборных щитов и кончая дисплеями в системе «человек – ЭВМ». Физическую основу приборов ин­дикаторного типа составляют разные виды электролюминес­ценции (для приборов с активным светящимся растром) и электрооптические явления (для приборов с пассивным светоотражающим растром).

В соответствии с классификацией изделий некогерентной оптоэлектроники ОЭП разделяются: по виду оптоэлектронного пре­образования сигналов (принцип преобразования «электричест­во – свет» реализуется в излучающих приборах), уровню интегра­ции, функциональному применению и конструктивному исполне­нию. Каждая из выделенных групп ОЭП, по-видимому, будет в дальнейшем пополняться новыми приборами и устройствами.

Перечислим основные достоинства оптоэлектронных приборов:

Высокая пропускная способность оптического канала. Частота колебаний на три-пять порядков выше, чем в осво­енном радиотехническом диапазоне. Это значит, что во столько же раз возрастает и пропускная способность оптического ка­нала передачи информации.

Идеальная электрическая развязка входа и выхода. Ис­пользование в качестве носителя информации электрически нейтральных фотонов обусловливает бесконтактность оптиче­ской связи. Отсюда следуют идеальная электрическая развязка входа и выхода; однонаправленность потока информации и отсутствие обратной реакции приемника на источник; помехо­защищенность оптических каналов связи; скрытность передачи информации по оптическому каналу связи.

Как недостатки можно выделить следующие особенности ОЭП:

Малый коэффициент полезного действия. Коэффициент полезного действия преобразований вида E (освещенность) > L (яркость) и L > E в лучших современных приборах (лазеры, светодиоды, p-i-n фо­тодиоды), как правило, не превышает 10...20%. Поэтому если в устройстве осуществляются такие преобразования лишь два­жды (на входе и на выходе), как, например, в оптопарах или волоконно-оптических линиях связи (ВОЛС), то общий КПД падает до единиц процентов. Введение каждого дополнитель­ного акта преобразования информационных сигналов из одной формы в другую ведет к уменьшению КПД еще на порядок или более. Малое значение КПД вызывает рост энергопотребления, что недопустимо из-за ограниченных возможностей источников питания; затрудняет миниатюризацию, поскольку практически не удается отвести выделяющуюся теплоту; снижает эффек­тивность и надежность большинства оптоэлекронных приборов.

Наличие разнородных материалов, применяемых в оптоэлектронных приборах и системах, обусловливает: малый об­щий КПД устройства из-за поглощения излучения в пассивных областях структур, отражения и рассеяния на оптических гра­ницах; снижение надежности из-за различия температурных коэффициентов расширения материалов; сложность общей герметизации устройства; технологическую сложность и высокую стоимость.

Оптоэлектроника использует оптические и электронные явления в веществах и их взаимные связи для передачи, обработки и хранения информации. Элементной базой оптоэлектроники являются оптоэлектронные приборы - оптроны.

Оптроном называется устройство, состоящее из связанных между собой оптически (посредством светового луча) светоизлучателя и фотоприемника и служащее для управления и для передачи информации.

Оптрон представляет собой единую конструкцию, состоящую из источника и приемника излучения, связанных между собой оптическим каналом. Структурная схема оптрона приведена на рис. 8.8.

Рис.8.8. Структурная схема оптрона

Входной сигнал, например электрический ток I вх, преобразуется в светоизлучателе СИ в световой поток Ф , энергия которого пропор­циональна входному сигналу. По оптическому каналу ОК световой поток направляется в фотоприемник ФП, где преобразуется в пропорциональное световому потоку значение выходного электрического тока I вых. С помощью устройства управления оптическим каналом УОК можно управлять световым потоком путем изменения физических свойств самого оптического канала.

Таким образом, в оптронах осуществляется двойное преобразование энергии: электрической в световую и световой снова в электрическую. Это придает оптронам ряд совершенно новых свойств и позволяет на их основе создавать электронные устройства с исключительно своеобразными параметрами и характеристиками. Так, применение оптронов позволяет осуществить почти идеальную электрическую развязку между элементами устройства (сопротивление до 10 16 Ом, проходная емкость до 10 -4 пФ). Кроме того, могут быть эффективно использованы такие свойства оптронов, как однонаправленность информации, отсутствие обратной связи с выхода на вход, высокая помехозащищенность, широкая полоса пропускание (от нуля до сотен и даже тысяч мегагерц), совместимость с другими (полупроводниковыми) приборами. Это дает возможность использовать оптроны для модулирования сигналов, измерений в высоковольтных цепях, согласования низкочастотных цепей с высокочастотными и низкоомных с высокоомными.

К недостаткам оптронов следует отнести зависимость их параметров от температуры, низкие КПД и коэффициент передачи.

Рисунок 8.9. Устройство оптрона: 1 - выводы: 2 - фотоприемник: 3 - корпус; 4 - оптическая среда; 5 - светодиод

Устройство оптрона показано на рис.8.9 В качестве излучателей в оптронах используют обычно светодиоды на основе арсенида-фосфида галлия GaAsP или алюминий-арсенида галлия GaAlAs, характеризующиеся большой яркостью, высоким быстродействием и длительным сроком службы. Кроме того, они хорошо согласуются по спектральным характеристикам с фотоприемниками на основе кремния. В качестве фотоприемников могут использоваться фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы и фототиристоры.

Фотодиоды и фототранзисторы как приемники излучения получили в оптронах наибольшее распространение, поскольку по своим характе­ристикам и параметрам они могут работать совместно с интегральными микросхемами. Фототиристоры широко применяются в оптронах в качестве ключевых усилителей мощности, управляемых световым излучением. Передача светового излучения в оптронах осуществляется через оптический канал, роль которого могут играть различные среды. Назначение оптического канала - передача максимальной световой энергии от излучателя к приемнику. Передающей средой могут быть воздух, различные иммерсионные среды, а также оптические световоды длиной 1 м и более. Световолоконные оптические линии связи позволяют довести пробивное напряжение изоляции между входом и выходом оптрона до 150 кВ, что дает возможность применять оптроны для измерений в высоковольтных цепях.

Входными параметрами оптронов являются: номинальный вход­ной ток светодиода в прямом направлении I вх.ном и падение напря­жения на нем в прямом направлении U вх при номинальном значении входного тока; входная емкость С вх в заданном режиме; максимально допустимый входной ток I вх.макс; максимально допустимое обратное напряжение на входе U вх.обр.макс.

Выходными параметрами оптронов являются: максимально допус­тимое обратное напряжение U вх.обр.макс, прикладываемое к выходу; максимально допустимый выходной ток I вых.макс; выходная емкость С вых; световое R св и темновое R т выходные сопротивления (для фоторезисторных оптронов).

Из передаточных параметров исходными являются коэффициент передачи тока К I =(I вых / I вх)100, либо дифференциальный коэффици­ент передачи тока К I д = (dI вых / dI вх)100, выраженные в процентах.

Быстродействие оптрона оценивают при подаче на его вход прямоуголь­ного импульса по времени задержки t з д от момента подачи импульса до момента достижения выходным током значения 0,1 I вых.обр.макс, а также по времени нарастания t нар выходного тока от 0,1 до 0,9 его максимального значения. Суммарное время задержки и нарастания называют временем включения t вкл. Быстродействие фотоприемника характеризуется его частотными свойствами, т.е. такой частотой синусоидально модулированно­го светового потока, при которой чувствительность фотоприемника вследствие инерционности уменьшается в раз.

Приведем краткое описание некоторых типов наиболее распространенных промышленных оптронов.

Фотодиодный оптрон. Условное графическое обозначение его приведено на рис. 8.10,а . В качестве излучателя используется светодиод на основе арсенида галлия.

В качестве фотоприемников в диодных оптронах используются кремниевые фотодиоды, которые хорошо согласуются по спектральным характеристикам и быстродействию с арсенид-галлиевыми светодиодами.

Коэффициент передачи тока диодного оптрона мал (K I = 1,0 1,5%), однако диодные оптроны являются самыми быстродействующими.

Как элемент электрической цепи фотоприемник диодного оптрона может работать в двух режимах: фотопреобразователя с внешним источни­ком питания и фотогенератора без внешнего источника питания.

Если учесть зависимость светового потока светодиода оптрона от тока I вх через светодиод, то можно найти зависимость тока I н нагрузочного резистора R н или напряжения U н на нем от входного тока оптрона, т.е. I н = f(I вх ) или U н = φ (I вх ) .

Надо учитывать, что для передачи максимальной энергии требуется согласование нагрузочного резистора с выходным сопротивлением оптрона.

Фототранзисторный оптрон (рис. 8.10, б ).По сравнению с фотодиодным оптроном в качестве фотоприемника в нем используется кремниевый фототранзистор. Являясь усилителем базового тока, фототранзистор имеет существенно более высокую чувствительность, чем фотодиод, поэтому коэффициент передачи тока фототранзисторного оптрона K I = 50 100 %, а оптрона с составным фототранзистором – до 800% и более.

Рисунок 8.10. Условные графические обозначения оптронов: фотодиодного (а), фототранзисторного (б), фоторезисторного (в), фототиристорного (г)

Недостатком фототранзисторов является то, что они по сравнению с фотодиодами гораздо более инерционны и имеют быстродействие 10 -4 – 10 -5 с.

Фоторезисторный оптрон (рис.8.10,в ).В качестве фотоприемника в оптронах иногда используют фоторезисторы на основе селенида или сульфида кадмия (CdSe,CdS), а в качестве излучателя - спектрально согласующиеся с ними светодиоды на основе фосфида или арсенида-фосфида галлия (GaP, GaAsP). Быстродействие фоторезисторных оптронов целиком определяется быстродействием фотоприемника, которое составляет 100-200 мкс.

Фототиристорный оптрон (рис. 8.10,г ) включает в себя фототиристор в качестве фотоприемника. Быстродействие фототиристорного оптрона определяется временем выключения фототиристора, в течение которого прибор переходит из открытого состояния в закрытое, оно составляет десятки микросекунд.

В зависимости от типа фотоприемника оптроны могут применяться в электронных устройствах для переключения, преобразования, согласования, модуляции и т.д. Они могут использоваться также в качестве малогабаритных импульсных трансформаторов, реле для коммутации напряжений и токов, в автогенераторах, цепях обратной связи и т.д.

Оптроны с открытым оптическим каналом служат в качестве раз­личных датчиков (перемещения, «края объекта» и др.). В устройствах передачи информации часто применяют оптоэлектронные интегральные микросхемы, в которых в одном корпусе объединены оптроны и интегральная микросхема. Фотоприемник такой микросхемы может быть изготовлен в том же кристалле кремния, что и транзисторная микросхема, как одно целое.

Оптоэлектронные устройства с управляемым световодом можно использовать в качестве логических ячеек преобразователей частоты, в устройствах переключения индикаторов, индикаторах вида жидкости, устройствах измерения малых перемещений, сенсорных устройствах очувствления роботов и т.д. Эти устройства обладают высоким быстродействием, помехозащищенностью, возможностью применения в агрессивных и взрывоопасных средах.

В последнее время при изготовлении оптоэлектронных устройств источник и приемник излучения оказывается возможным удалять из зоны измерения (от объекта контроля) на десятки метров с помощью элементов волоконной оптики - волоконных световодов (жгутов из нитей стекловолокна).

Оптоэлектронные устройства широко применяют в вычислительной технике, автоматике, контрольно-измерительных устройствах. В дальнейшем применение этих устройств будет расширяться по мере улучшения их характеристик: надежности, долговечности и температурной стабильности.