Оптрон— це функціональний пристрій, який складається з фотовипромінювача, фотоприймача та світловода і здійснює під час роботи перетворення оптичних сигналів на електричні, а електричних на оптичні.

Призначення.В електричній схемі оптрон виконує функцію елемента зв'язку, в одному з ланок якого інформація передається оптично. Це головне призначення оптрона. Якщо між елементами оптрона забезпечити зворотний зв'язок, то оптрон стає оптичним приладом, придатним для посилення та генерування електричних та оптичних сигналів.

Класифікація.Оптрони найчастіше класифікують на вигляд оптичного зв'язку. Розрізняють оптрони з внутрішнім та зовнішнім оптичним зв'язком. Оптрони з внутрішнім оптичним зв'язком ще поділяють на вигляд внутрішнього зв'язку. Розрізняють оптрони з внутрішнім прямим оптичним зв'язком і оптрони з внутрішнім зворотним оптичним зв'язком. Ще їх класифікують за видом зворотного зв'язку. Бувають оптрони з внутрішнім позитивним зворотним оптичним зв'язком і оптрони з внутрішнім негативним зворотним оптичним зв'язком. Як показано нижче, основним елементом, який визначає функціональні можливості оптрона, є фотоприймач. Тому оптрони ще класифікують на вигляд фотоприймачів. Розрізняють резисторні, діодні, транзисторні, тиристорні та комбіновані оптрони.

Мал. 1. Умовні зображення оптронів: а - транзисторний; б - діодний; в - резисторний; г - зі складеним транзистором; д - тиристорний; е - диференціальний; ж-діодно-транзисторний

Умовні зображення та позначення. Умовні зображення оптронів на схемах наведено на рис. 1. Умовні позначення оптронів у текстах поєднують сім символів, що позначають
матеріал, клас та підклас пристрою, частотний діапазон роботи, порядковий номер розробки, поділ на параметричні групи. Наприклад, позначення АОД130А означає: арсенідгалієвий діодний оптрон, частотний діапазон роботи 1, порядковий номер розробки 30, параметрична група А.

Мал. 2. Основні елементи оптронів із внутрішнім (а) та зовнішнім (б) оптичними зв'язками

Будова.Оптрон з внутрішнім оптичним зв'язком є ​​чотириполюсником (рис. 2, а), який складається з трьох основних елементів: фотовипромінювача (джерела світла) 1, світловода 2 і приймача світла (фотоприймача) 3, поміщених в загальний герметичний світлонепроникний корпус. Оптрон із зовнішнім оптичним зв'язком є ​​двополюсником, який має один оптичний вхід і один оптичний вихід (рис. 2, б). Він складається з фотоприймача 3, підсилювача 4, випромінювача 1 і не має світловода. У сучасних оптронах як фотовипромінювачі переважно використовують інжекційні діоди (світлодіоди), рідше – люмінесцентні конденсатори, а як фотоприймачі-фоторезистори, фотодіоди, фототранзистори, фототиристори. Для досягнення високих
значень параметрів недостатньо використовувати високоефективні фотовипромінювачі та фотоприймачі. Необхідно забезпечити їх узгодження за спектральними характеристиками, швидкодією,
габаритами, температурними характеристиками. Узгодженими оптронними парами є елементи, наведені в табл. 3.4. Світловід оптрона (оптичне середовище) має потрійне призначення: звести до мінімуму втрати при передачі енергії від фотовипромінювача фотоприймачу, забезпечити високі значення параметрів гальванічної розв'язки, створити конструктивно цілісний прилад. Як оптичне середовище переважно використовують полімерні оптичні клеї та лаки, які мають високу адгезію до напівпровідникових кристалів, добрі діелектричні властивості, високу еластичність, низьку вартість. Одночасно вони мають суттєві недоліки: коефіцієнти заломлення цих матеріалів ( n≈ 1,5) суттєво відрізняються від коефіцієнтів заломлення кремнію та арсеніду галію ( n≈ 3,2-3,4) спектральні характеристики полімерів мають у ближній ІЧ-області багато провалів, обумовлених резонансним поглинанням груп ВІН, СH 3 , СH 2 , NН, що при значних розмірах світловоду може впливати на світловіддачу; для полімерних світловодів характерне старіння.

Таблиця 3.4. Узгоджені пари «фотовипромінювач-фотоприймач»

Якщо жорсткість оптрон забезпечується елементами конструкції, то як оптичне середовище можуть використовувати вазеліноподібні силіконові мастила, які не засихають. Перспективними з точки зору поліпшення оптичного зв'язку між фотовипромінювачем і фотоприймачем є халькогенідне скло ( n≈ 1,8..3,0). Його недоліком є ​​низька адгезія до напівпровідників, висока крихкість, погані ізолюючі властивості ( p= 10 9 … 10 11 Ом см), низька стійкість до термоциклів. Реальні конструкції оптронів (мал.3) покликані як забезпечити гранично високі значення визначальних параметрів, а й розширити функціональні можливості цих приладів.

Робота.Роботу оптрона з внутрішнім прямим оптичним зв'язком можна проілюструвати за допомогою його електричної схеми (рис. 4, а), з якої видно, що вхідний і вихідний сигнали оптрона є електричними. Між його елементами відсутня електричний, але оптичний зв'язок. При подачі на вхід оптрон електричного сигналу збуджується фотовипромінювач, світловий потік якого по світловоду потрапляє у фотоприймач. На його виході формується електричний сигнал, який свідчить, що в оптроні відбулося перетворення за схемою електричний сигнал — оптичний — електричний.

Мал. 3. Різновиди оптронів: оптрон в DIP-корпусі (а), високовольтний (б), енергетичний (в), оптрон з пластмасовою напівсферою (г), оптопірувач (д), що відображає оптрон (е): 1 -фотовипромінювач; 2 - фотоприймач; 3 - світловод; 4 - корпус; 5 - зовнішні висновки; Ме - металеві електроди

Мал. 4. Електрична схема (а) і передатна характеристика (б) оптрона з внутрішнім прямим оптичним зв'язком

В оптроні з внутрішнім зворотним позитивним зв'язком фотоприймач і джерело світла послідовно з'єднані (рис. 5, а). У ньому два входи (оптичний та електричний) та два аналогічні виходи.

Мал. 5. Електрична схема (а) і вольт-амперна характеристика (б) оптрона з внутрішнім зворотним позитивним оптичним зв'язком

Між його елементами є електричний зв'язок. Конструктивно оптрон виконаний так, що частина вихідного світлового потоку потрапляє у фотоприймач. Це призводить до зменшення опору, збільшення яскравості свічення, подальшого зменшення опору. Цей процес має наростаючий характер і продовжується до тих пір, поки зміна опору не суттєво впливатиме на величину струму або напруги, які підводяться до джерела світла. Для цього достатньо, щоб виконувалася умова:

коли,

де, і - Мінімальний опір фотодіода і опір джерела світла; і - вхідний та вхідний максимальний струми оптрона; і - вихідна і
вихідна максимальна яскравість свічення.
Насправді такий режим роботи оптрона називається станом «Включен». Стану «вимкнено» відповідає умова:

Перехід оптрона зі стану "вимкнено" в положення "вкл" відбувається стрибком і супроводжується лавиноподібною зміною струму та яскравості в електричному та оптичному колах.
В оптроні з внутрішнім зворотним негативним оптичним зв'язком фотоприймач і джерело світла з'єднані паралельно (рис. 6, а). Він теж має два входи (електричний та оптичний) та два аналогічні виходи. Між його елементами також є електричний зв'язок. Конструктивно оптрон виконано так, що частина вихідного світлового потоку падає у фотоприймач. Це призводить до зменшення опору фотоприймача і все більшого шунтування ним джерела світла, внаслідок чого починає слабше світити.

В оптроні із зовнішнім оптичним зв'язком вхідний та вихідний сигнали є оптичними. Його елементи з'єднані між собою електричним зв'язком.

Мал. 7. Електрична схема (а) та передавальна характеристика (б) оптрона із зовнішнім оптичним зв'язком

При подачі на вхід оптрона оптичного сигналу зменшується опір фотоприймача, внаслідок чого зростає струм через фотовипромінювач і зростає яскравість його свічення.

Властивості.Властивості оптронів визначають їх характеристики та параметри. Розрізняють вхідні, вихідні, вольт-амперні та передавальні характеристики, їх вигляд значною мірою визначається електричною схемою оптрона та характером наявних оптичних зв'язків. Для оптронів з внутрішнім прямим оптичним зв'язком інформативним є передатна характеристика, що виражає
залежність вихідного електричного сигналу від вхідного. Їх будь-яка зміна струму чи напруги фотовипромінювання супроводжується відповідними змінами яскравості його світіння, опору фотоприймача і вихідного струму оптрона. Тому його передатна характеристика, що виражає залежність вихідного струму від вхідного, має вигляд, зображений на рис. 4, б. Видно, що оптрон з внутрішнім прямим оптичним зв'язком можна розглядати як елемент змінного опору, величина якого визначається вхідним струмом або вхідною напругою. Для оптронів з внутрішнім зворотним позитивним оптичним зв'язком основним є вхідна вольт-амперна характеристика, її специфічна особливість полягає в наявності ділянки з негативним диференціальним опором, на якій напруга падає, а струм зростає. На вигляд вона нагадує вольт амперні характеристики, електромагнітного реле або тригера (рис. 5, б).
Для оптронів з внутрішнім зворотним негативним оптичним зв'язком основною також є вхідна вольт-амперна характеристика. Її вигляд наведено на рис. 6, б. Аналіз форми кривої показує, що при однаковому спектральному складі вхідного та вихідного випромінювань спостерігається монохроматичне посилення світлового потоку. Якщо спектральний склад вхідного і вихідного випромінювань різний, то спостерігається перетворення випромінювання. Оптрон із зовнішнім оптичним зв'язком грає роль підсилювача оптичних сигналів (рис. 7).

Система параметрів оптронів містить параметри чотирьох груп:
1. Параметри, що описують вхідну характеристику оптронів.
2. Параметри, що описують вихідну характеристику оптронів.
3. Параметри, що описують передавальну характеристику оптронів.
4. Параметри, що описують гальванічну розв'язку оптронів.

Оскільки на вході оптронів є світлодіоди або електролюмінесцентні конденсатори, а на виході — фотодіоди, фототранзистори, фоторезистори, фототиристори, специфічним для оптронів є лише параметри двох останніх груп. Ступінь впливу фотовипромінювача на фотоприймач (передавальна характеристика) визначається:
- Коефіцієнтом передачі струму застосовується для діодних та транзисторних оптронів;

- Відношенням темнового опору до світлового: або величиною світлового опору, які застосовують для резисторних оптронів;
- Мінімальним вхідним струмом, який забезпечує випрямлені вхідні характеристики, що застосовують для тиристорних оптронів.

До них відносяться і параметри, що характеризують інерційність оптрона в імпульсному режимі (час включення та вимикання і) і високочастотному (гранична частота). Якість гальванічної розв'язки в статиці та динаміці визначається завданням напруги та опору гальванічної розв'язки (зв'язку) та прохідної ємності (ємності зв'язку).
Транзисторні оптрони характеризуються найбільшою схемотехнічною гнучкістю, мають високе значення коефіцієнта передачі струму, але порівняно невелика швидкодія ( ). Особливо великі значення (до 600 ... 800%) досягають в оптроні зі складеним транзистором. Діодні оптрони, що виробляють переважно з використанням р-і n-фотоприймачів, що відзначаються великою швидкодією , але значення для них становить одиниці відсотків, тому потрібне посилення відеозображень.
Діодні інтегровані оптрони, які виготовляють за планарною технологією із застосуванням GaAs-світлодіодів і Si - p - i - n-фотодіодів, розділених імерсійним середовищем зі скла ( n= 2,7), подібно до діодних неінтегрованих оптронів, мають високу швидкодію та малий коефіцієнт передачі струму (одиниці відсотків). Розташування їх характеристик, що передають, на координатній площині, якими визначають коефіцієнт передачі струму, істотно залежить від температури (рис. 8). Опір ізоляції між виходом і входом, яким визначається ступінь розв'язки постійного струму, становить 10 8 … 10 12 Ом. Якість рішення по змінному струму залежить від прохідної ємності, що становить одиниці nФ.

Мал. 8. Температурна залежність передавальних характеристик діодного оптрона з внутрішнім оптичним зв'язком

Мал. 9. Вихідна характеристика оптрона у фотовентильному режимі (— точка виділення mах потужності)

Однією з важливих особливостей діодних оптронів є здатність працювати у фотовентильному режимі без подачі зовнішньої напруги на фотоприймач (Рис. 9). Оптрон виступає як керуючий ізольований джерело живлення. Серійні оптрони у фотовентильному режимі мають, як правило, невисокий ККД (<0,5 … 1%), но достижения на лабораторных образцах КПД 10 … 15% и
можливість батарейного з'єднання оптронів є основою для створення специфічної групи малопотужних ( U ≈ 0,5 … 5 В, I ≈ 0,5..50 мА) вторинних джерел харчування. Резисторні оптрони характеризуються лінійністю та симетричністю вихідної вольтамперної характеристики, відсутністю внутрішніх ЕРС, високою кратністю відношення . Тому, незважаючи на свою дуже велику інертність та широкий розвиток діодних та транзисторних оптронів, резисторні оптрони зберігають важливе самостійне значення. Тиристорні оптрони дуже зручні в «силовій» оптоелектроніці. Вони з однаковим успіхом придатні для комутації сильноточних ланцюгів радіотехнічного та електротехнічного. призначення. Керуючи настільки великими потужностями в навантаженні, тиристорні оптрони за входом практично сумісні з ІМС (Значення Iвх становить десятки міліампер). Крім розглянутих різновидів оптронів, які поширені в промисловості, певний інтерес становлять і такі, в яких як фотоприймачі використовують МОН — варикапи, польові транзистори з діелектричним затвором та керуючим. p-n-переходом, одноперехідні транзистори, лавинні діоди та транзистори, діоди з бар'єром Шоттки.
Дуже перспективними для аналогової техніки є диференціальні оптрони, в яких один фотовипромінювач працює на два ідентичні фотоприймачі (Рис. 1, е). До елементарних відносяться і багатоканальні оптрони, які є набором однакових оптронів в одному корпусі.

Застосування.Оптрони з внутрішнім оптичним зв'язком широко застосовуються в різних галузях радіотехніки та електроніки, обчислювальної техніки, автоматики, електротехніки. У цифрових пристроях їх використовують для зв'язку пристроїв, виготовлених на різній основі (наприклад, для сполучення біполярних ІМС з уніполярними, тунельно-діодних та транзисторних схем тощо), їх використовують для керування силовими ланцюгами двигунів та реле постійного та змінного струмів від низьковольтних малопотужних логічних схем; для зв'язку логічних схем із периферійним обладнанням ЕОМ; як елементи розв'язки від землі у джерелах живлення; як малопотужні реле в електролюмінесцентних системах відображення інформації; у контрольно-вимірювальних пристроях,
безпосередньо підключаються до сильноточних ланцюгів змінного струму.

Оптрони, які придатні для передачі аналогових сигналів, застосовують як елементи, що комутують, в лініях телефонного зв'язку; у колах зв'язку різних датчиків з ЕОМ; у медичній електроніці.
Оптрони з гнучким світловодом застосовують контролю високовольтних ліній електропередач; у вимірювальних системах, призначених для роботи в умовах сильних перешкод (НВЧ-перешкоди, іскріння) у пристроях управління та контролю високовольтних електровакуумних приладів (клістронів, ЕЛТ, ЕОП тощо); у техніці фізичного експерименту. Оптрони з відкритим оптичним каналом (оптоперервний і відбиває оптрони) незамінні в пристроях зчитування інформації з перфоносітелей як індикатори положення об'єктів та стану їх поверхонь як датчики вібрації, заповнення обсягів рідиною і т.д.

Оптрони (оптопари) - електронні прилади, що служать для перетворення сигналу електричного струму на світловий потік. Їх світловий сигнал передається через канали оптики, а також відбувається зворотна передача та перетворення світла на електричний сигнал.

Пристрій оптрона складається з випромінювача світла та перетворювача світлового променя (фотоприймача). Як випромінювач у сучасних приладах використовують світлодіоди. У старих моделях застосовувалися маленькі лампочки розжарювання. Дві складові частини оптопари об'єднані загальним корпусом та оптичним каналом.

Види та пристрій оптронів

Існує кілька ознак, якими можна класифікувати оптопари по групам. При поділі на класи оптронних виробів необхідно враховувати два фактори: тип фотоприймача та особливості загальної конструкції приладу.

Перша ознака класифікації оптронів обумовлюється тим, що у всіх оптопар на вході розташований світлодіод, тому можливості функціонування визначаються властивостями фотоприймача. Другим ознакою є виконання конструкції, що визначає особливості використання оптрона.

Застосовуючи такий змішаний принцип поділу, можна виділити три групи оптронних пристроїв:

• Елементарні оптопари.
• Оптоелектронні мікросхеми.
• Спеціальні оптопари.

Групи містять безліч видів приладів. Для популярних оптопарів застосовуються деякі позначення:

• Д- Діодна.
• Т- Транзисторна.
• R- Резисторна.
• У- Тиристорна.
• Т 2- Зі складним фототранзистором.
• ДП- Діодно-транзисторна.
• 2Д (2Т)- Діодна диференціальна, або транзисторна.

Система властивостей оптронних пристроїв ґрунтується на системі властивостей оптопарів. Ця система створюється з чотирьох груп властивостей та режимів:

• Характеризує ланцюг входу оптопари.
• Характеризує вихідні параметри.
• Об'єднує ступінь дії випромінювача на приймач світла, та особливості проходу сигналу по оптопарі як компонент зв'язку.
• Поєднує властивості гальванічної розв'язки.

Основними оптронними параметрами вважаються властивості передачі та гальванічної розв'язки. Важливою величиною транзисторних та діодних оптронів вважається коефіцієнт передачі струму.

Показниками гальванічної розв'язки оптронів є:

• Допустима пікова напруга виходу та входу.
• Допустима найбільша напруга виходу та входу.
• Опір розв'язування.
• Прохідна ємність.
• Допустима найбільша швидкість зміни напруги виходу та входу.

Перший параметр є найважливішим. По ньому визначають електричну міцність оптрона, а також його здатність застосування як гальванічної розв'язки.

Ці параметри оптронів можна застосовувати і для інтегральних мікросхем на основі оптопар.

Позначення оптопар на схемах

Діодні оптопари

Оптрони на діодах (мал. а) більше за інші пристрої показують рівень розвитку оптронної технології. За значенням коефіцієнта передачі визначають корисну дію перетворення енергії в оптопарі. Величини тимчасових значень властивостей дають змогу визначити максимальні швидкості передачі. З'єднання з діодним оптроном підсилювачів дозволяє створити ефективні пристрої передачі інформації.

Транзисторні оптрони

Ці прилади відрізняються деякими властивостями від інших видів оптопар. Однією з таких властивостей є можливість оптичного керування ланцюгом світлодіода, і основним електричним ланцюгом. Ланцюг виходу може також діяти в режимі ключа та лінійному режимі.

Принцип внутрішнього посилення дає можливість отримання більших величин коефіцієнта передачі. Тому додаткові підсилювачі не завжди потрібні. Важливим моментом є невелика інерційність оптопари, що допускається для багатьох режимів. Фототранзистори мають вихідні струми набагато більше, ніж фотодіоди. Тому вони використовуються для комутації різних електричних кіл. Все це досягається простою технологією транзисторних оптронів.

Тиристорні оптрони

Такі оптопари (рис. b) мають більшу перспективу для комутації потужних силових ланцюгів високої напруги: за потужністю, навантаженням, швидкістю вони більш підходять, ніж Т 2 оптопари. Оптрони марки АОУ 103 служать для застосування як безконтактні вимикачі в різних електронних схемах: підсилювачах, ланцюгах, що управляють, джерелах імпульсів і т.д.

Резисторні оптрони

Такі пристрої називають фоторезисторами. Вони значно відрізняються від інших типів оптронів своїми особливостями конструкції та технологією виготовлення. Основним принципом роботи фоторезистора є ефект фотопровідності, тобто зміни величини опору при впливі світлового потоку.

Диференціальні

Розглянуті вище оптопари здатні передавати цифрові дані щодо гальванічної розв'язки ланцюга. Важливою проблемою є передача аналогового сигналу за допомогою оптронів, тобто створення лінійності властивостей «вхід-вихід». Тільки за наявності таких властивостей оптопар можна передавати аналогові дані щодо гальванічної розв'язки ланцюга без цифрового вигляду та імпульсної передачі.

Таке завдання вирішується діодними оптопарами, що мають якісні шумові та частотні характеристики. Труднощі у вирішенні цього завдання полягає у вузькому інтервалі лінійності передавальної характеристики та лінійності діодних оптопар. Такі прилади лише починають прогресувати у розвитку, але за ними велике майбутнє.

Оптронні мікросхеми

Ці мікросхеми є найбільш популярними класами моделей оптронних пристроїв завдяки конструктивній та електричній сумісності оптронних мікросхем з простими видами, а також набагато більшої функціональності. Широке застосування набули комутаційні оптронні мікросхеми.

Спеціальні оптрони

Такі зразки мають значну відмінність від стандартних моделей приладів. Вони виконані як оптопар з оптичним каналом відкритого виду. У пристрої таких моделей між фотоприймачем та випромінювачем знаходиться повітряний проміжок. Тому при розміщенні в ньому механічних перешкод можна керувати світлом і сигналом виходу. Оптрони з відкритим каналом оптики використовують замість оптичних датчиків, які фіксують наявність предметів, їх поверхню, поворот, переміщення і т.д.

Застосування оптронних пристроїв

• Подібні пристрої використовуються для передачі даних між пристроями, які не підключені до електричних проводів.
• Також оптопари використовуються для відображення та отримання інформації в техніці. Окремо необхідно відзначити оптронні датчики, що служать для контролю об'єктів і процесів, що відрізняються за призначенням та природою.
• Помітний прогрес оптронної функціональної мікросхемотехніки, яка орієнтована на вирішення різних завдань щодо перетворення та накопичення даних.
• Корисною ефективністю стала заміна високих недовговічних пристроїв електромеханічного типу приладами оптоелектронного принципу дії.
• Іноді оптронні компоненти використовуються в енергетиці, хоча це досить специфічні рішення.

Контроль електричних процесів

Потужність світлового потоку від світлодіода і величина фотоструму, який утворюється в лінійних ланцюгах фотоприймачів, залежить від струму провідності випромінювача. Тому безконтактними оптичними каналами можна передати інформацію про процеси в ланцюгах електричного струму, пов'язаних проводами з випромінювачем. Найбільш ефективним стало застосування випромінювачів світла оптопар у датчиках, електричних змін у силових ланцюгах високої напруги. Точна інформація про аналогічні зміни має важливість для своєчасного захисту джерел та споживачів електроенергії від надмірних навантажень.

Стабілізатор із контрольним оптроном

Оптрони ефективно працюють у стабілізаторах високої напруги. Вони вони утворюють оптичні канали зворотних зв'язків негативної величини. Стабілізатор, зображений на схемі є приладом послідовного вигляду. При цьому елемент регулювання виконаний на біполярному транзисторі, а стабілітрон на основі кремнію працює як джерело еталонної опорної напруги. Компонентом порівняння є світлодіод.

При зростанні вихідної напруги підвищується і провідність світлодіода. На транзистор оптрона діє фототранзистор, при цьому стабілізує напругу на виході.

Переваги оптронів

• Безконтактне управління об'єктами, гнучкість та різноманітність видів управління.
• Стійкість каналів зв'язку до електромагнітних полів, що дозволяє створити захист від перешкод та взаємних наведень.
• Створення мікроелектронних пристроїв із приймачами світла, властивості яких можуть змінюватись за певними складними законами.
• Збільшення переліку функцій управління сигналом виходу оптронів за допомогою впливу на матеріал каналу оптики, створення приладів та датчиків передачі даних.

Недоліки оптронів

• Малий ККД, внаслідок подвійного перетворення енергії, велика витрата електроенергії.
• Значна залежність роботи від температури.
• Великий власний рівень шуму.
• Технологія та конструкція недостатньо досконалі, оскільки застосовується гібридна технологія.

Такі негативні моменти оптронів поступово усуваються з розвитком технології схемотехніки та створення матеріалів. Велика популярність оптронів викликана насамперед унікальними властивостями цих пристроїв.

Оптронами називають такі оптоелектронні прилади, в яких є джерело та приймач випромінювання (світловипромінювач і фотоприймач) з тим чи іншим видом оптичного та електричного зв'язку між ними, конструктивно пов'язані один з одним.

Принцип діїоптронів будь-якого виду заснований на наступному. У випромінювачі енергія електричного сигналу перетворюється на світлову, у фотоприймачі, навпаки, світловий сигнал викликає електричний відгук.

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.

За рівнем складності структурної схеми серед виробів оптронної техніки виділяють дві групи приладів. Оптопара (говорять також "елементарний оптрон") являє собою оптоелектронний напівпровідниковий прилад, що складається з випромінюючого та фотоприймального елементів, між якими є оптичний зв'язок, що забезпечує електричну ізоляцію між входом та виходом. Оптоелектронна інтегральна мікросхема є мікросхемою, що складається з однієї або декількох оптопар і електрично з'єднаних з ними одного або декількох узгоджувальних або підсилювальних пристроїв.

Таким чином, в електронному ланцюзі такий прилад виконує функцію елемента зв'язку, в якому одночасно здійснена електрична (гальванічна) розв'язка входу і виходу.

У структурній схемі на рис. 1 вхідний пристрій служить для оптимізації робочого режиму випромінювача (наприклад, зміщення світлодіода на лінійну ділянку ватамперної характеристики) і перетворення (посилення) зовнішнього сигналу. Вхідний блок повинен мати високу ККД перетворення, високу швидкодію, широкий динамічний діапазон допустимих вхідних струмів (для лінійних систем), малим значенням "порогового" вхідного струму, при якому забезпечується надійна передача інформації по ланцюгу.

Рис 1. Узагальнена структурна схема оптрона

Призначення оптичного середовища – передача енергії оптичного сигналу від випромінювача до фотоприймача, а також у багатьох випадках забезпечення механічної цілісності конструкції.

Принципова можливість керування оптичними властивостями середовища, наприклад, за допомогою використання електрооптичних або магнітооптичних ефектів, відображена введенням у схему пристрою керування. входу, і по ланцюгу управління.

У фотоприймачі відбувається "відновлення" інформаційного сигналу з оптичного в електричний; при цьому прагнуть мати високу чутливість та високу швидкодію.

Нарешті, вихідний пристрій покликаний перетворити сигнал фотоприймача в стандартну форму, зручну для на наступні за оптроном каскади. Практично обов'язковою функцією вихідного пристрою є посилення сигналу, оскільки втрати після подвійного перетворення є дуже значними. Нерідко функцію посилення виконує сам фотоприймач (наприклад, фототранзистор).

Електричні схеми та вихідні характеристики оптронів з фоторезистором (а), фотодіодом (б) та фототиристором (в): 1 - напівпровідниковий світловипромінюючий діод; 2 – фоторезистор; 3 – фотодіод; 4- фототиристор; Uі I- напруга та струм у вихідний ланцюга оптрона. Пунктирні криві відповідають відсутності струму у вхідному ланцюзі оптрона, суцільні - двом різним значенням вхідних струмів.

Електрична міцність (допустима напруга між вхідним та вихідним ланцюгами) залежить від конструктивного оформлення приладу; для поширених вітчизняних DIP-корпусів гранична напруга між ланцюгами нормується на 500 або 1000 В, при цьому опір ізоляції нормується на рівні 1011 Ом. Реальна напруга електричного пробою такого приладу - близько кількох кіловольт.

Нижня робоча частота оптрон не обмежена - оптрон можуть працювати в ланцюгах постійного струму. Верхня робоча частота оптронів, оптимізованих під високочастотну передачу цифрових сигналів, досягає сотень МГц. Верхні робочі частоти лінійних оптронів значно нижчі (одиниці-сотні кГц). Найбільш повільні оптрони, що використовують лампи розжарювання, є ефективними фільтрами низьких частот з граничною смугою порядку одиниць Гц.

Класифікація

За рівнем інтеграції

• оптопари(або елементарні оптрони) - що складаються з двох і більше елементів (у т. ч. зібрані в одному корпусі)
• оптоелектронні інтегральні схеми, що містять одну або кілька оптопар (з додатковими компонентами, наприклад, підсилювачами або без них).

За типом оптичного каналу

• з відкритим оптичним каналом
• із закритим оптичним каналом

За типом фотоприймача

• з біполярним (звичайним чи складовим) фототранзистором
• з польовим фототранзистором

В даний час в оптоелектроніці можна виділити два напрямки.

1. Електронно-оптичне, засноване на принципі фотоелектричного перетворення, що реалізується у твердому тілі внутрішнім фотоефектом та електролюмінесценцією.
2. Оптичне, засноване на тонких ефектах взаємодії твердого тіла з електромагнітним випромінюванням та використовує лазерну техніку, голографію, фотохімію тощо.

Існують два класи оптичних елементів, які можна використовувати під час створення оптичних ЕОМ:

• Оптрони
• Квантооптичні елементи.

Вони є представниками відповідно електронно-оптичного та оптичного напрямків.

Тип фотоприймача визначає лінійність передавальної функції оптрона. Найбільш лінійні і тим самим придатні для роботи в аналогових пристроях резисторні оптрони, потім оптрони з приймальним фотодіодом або одиночним біполярним транзистором. Оптрони із складовими біполярними транзисторами або польовими транзисторами використовуються в імпульсних (ключових, цифрових) пристроях, у яких лінійність передачі не потрібна. Оптрони з фототиристорами використовуються для гальванічної розв'язки схем керування від ланцюгів керування.

Використання

Оптрони мають кілька сфер застосування, що використовують їх різні властивості:

Механічне вплив

Оптронний координатний лічильник у механічній миші

Оптрони з відкритим оптичним каналом, доступним для механічного впливу (перекриття) використовуються як датчики у всіляких детекторах наявності (наприклад, детектор паперу в принтері), датчиках кінця (або початку), лічильниках та дискретних спідометрах на їх базі (наприклад, координатні лічильники в механічній миші, ареометри).

Гальванічна розв'язка

Дивитись що таке "Оптопара" в інших словниках:

Оптрон Словник російських синонімів. оптопара сущ., кіл у синонімів: 1 оптрон (1) Словник синонімів ASIS. В.М. Тришин. 2013 … Словник синонімів

Оптрон- це напівпровідниковий прилад, у якому конструктивно об'єднані джерело та приймач випромінювання, що мають між собою оптичний зв'язок. У джерелі випромінювання електричні сигнали перетворюються на світлові, які впливають на фотоприймач і створюють знову електричні сигнали. Оптрон з одним випромінювачем та приймачем називається оптопарою. Мікросхема, що складається з однієї або декількох з додатковими узгоджувальними та підсилювальними пристроями, називається оптоелектронною інтегральною мікросхемою. На вході та виході оптрона завжди є електричні сигнали, а зв'язок входу з виходом здійснюється світловими сигналами. Ланцюг випромінювача є керуючою, а ланцюг приймача - керованою. Конструктивно в оптронах випромінювач та приймач випромінювання поміщені в один корпус та пов'язані оптичним каналом.

Всі переваги та недоліки оптоелектронних приладів відносяться і до оптронів. Найголовніше призначення оптронів – передача сигналів за допомогою світлового потоку та гальванічна розв'язка електричних кіл.

Розглянемо різні типи оптронів, що відрізняються один від одного фотоприймачами.

Резистивні оптопари мають як випромінювач світлодіод, що дає видиме або інфрачервоне випромінювання. Приймачем випромінювання є фоторезистор, який може працювати як на постійному, так і змінному струмі.

На рис.6.15 схематично зображена резисторна оптопара, у якої вихідний ланцюг живиться від джерела постійної або змінної напруги Е та має навантаження Rн. Напруга UУПР, що подається на світлодіод, управляє струмом у навантаженні. Ланцюг управління ізольований від фоторезистора, який може бути включений у ланцюг щодо високої напруги.

Рис.6.15. Схема включення резисторної оптопари

В якості параметрів резисторних оптопар зазвичай вказуються максимальні струми та напруги на вході та виході, вихідний опір при нормальній роботі та темновий опір, опір ізоляції та максимальна напруга ізоляції між входом і виходом, прохідна ємність, час включення та вимкнення, що характеризує інерційність приладу. Найважливіша характеристика оптопари - вхідна вольт-амперна та передавальна. Остання показує залежність вихідного опору вхідного струму.

Як приклад резисторного оптрона можна навести оптрон VTL5C3 для аудіо-додатків виробництва фірми Vactec, що має характеристики: діапазон зміни опору - 1.5кОм - 10МОм, максимальний струм світлодіода - 40мА, напруга ізоляції - 2.5кВ.

Рис.6.16. Резисторний оптрон VTL5C3

Резисторні оптрони застосовуються для схем автоматичного регулювання посилення, зв'язку між каскадами, управління безконтактними дільниками напруги, модуляції сигналів, формування різних сигналів і т.д.

Діодні оптопари (рис.6.17 а) мають зазвичай кремнієвий фотодіод і інфрачервоний арсенідо-галлієвий світлодіод. Фотодіод може працювати у фотогенераторному режимі, створюючи фото-ЕРС до 0.8 В, або у фотодіодному режимі. Багатоканальні діодні оптопари мають в одному корпусі кілька оптопарів.

Рис.6.17. Різні види оптопар

Основні параметри діодних оптопар - вхідні та вихідні напруги та струми для безперервного та імпульсного режиму, коефіцієнт передачі струму, час наростання та спаду вихідного сигналу. Властивості діодних оптопар відображаються вхідними та вихідними вольт-амперними характеристиками та передатними характеристиками для фотогенераторного та фотодіодного режиму.

Застосування діодних оптопарів дуже різноманітне. Наприклад, на основі діодних оптопарів створюються імпульсні трансформатори, що не мають обмоток. Оптопари використовуються передачі інформації між комп'ютерами, керувати роботою різних мікросхем. Різновидом діодних оптопар є оптопари, у яких фотоприймачем служить фотоварікап (рис.6.17, б).

Транзисторні оптопари (рис.6.17, в) мають як приймач біполярний кремнієвий кремнієвий транзистор типу n-p-n. Основні параметри вхідного кола таких оптопар аналогічні параметрам діодних оптопар. Додатково вказуються максимальні струми, напруги та потужність, що відносяться до вихідного ланцюга, темновий струм фототранзистора, час включення та вимкнення, параметри, що характеризують ізоляцію вхідного ланцюга від вихідний. Оптопари цього типу працюють головним чином ключовому режимі і застосовуються в комутаційних схемах, пристроях зв'язку різних датчиків з вимірювальними блоками, якості реле і багатьох інших випадках.

Для підвищення чутливості в оптопарі може бути використаний складовий транзистор (рис.6.17 г) або фотодіод з транзистором (рис.6.17, д). Оптопари зі складовим транзистором мають найбільший коефіцієнт передачі струму, але найменшу швидкодію, а найбільшу швидкодію характерно для діодно-транзисторних оптопар.

Як приклад можна навести чотириканальний транзиторний оптрон PC847 виробництва фірми Sharp (рис.6.18), що має характеристики: напруга ізоляції 5000В, коефіцієнт передачі 50/600%, максимальний вхідний струм 50мА, максимальна напруга колектор - емітер 35В, максимальний увімкнення/вимикання 4мкс.

Рис.6.18. Четвірний транзисторний оптрон РС847

Тиристорні оптопари мають як фотоприймач кремнієвий фототиристор (рис.6.17, е) і застосовуються в ключових режимах. Основна сфера використання - схеми для формування потужних імпульсів, управління потужними тиристорами, управління та комутації різних пристроїв з потужними навантаженнями. Параметри тиристорних оптопар - вхідні та вихідні струми та напруги, що відповідають включенню, робочому режиму та максимальним допустимим режимам, а також час включення та вимкнення, параметри ізоляції між вхідним та вихідним ланцюгами.

Як фотоприймач часто використовуються симетричні тиристори - симістори або тріаки. Як приклад наведено фотосимістор IL 420, що випускається фірмою Infineon (рис.6.19), що має параметри: напруга ізоляції 4.4кВт, вхідний струм 60мА, струм утримання тиристора 2мА, максимальна вихідна напруга 600В.

Рис.6.19. Фотосимістор IL 420

Оптоелектронні інтегральні мікросхеми (ОЕ ІМС) мають оптичний зв'язок між окремими вузлами та компонентами. У цих мікросхемах, виготовлених на основі діодних, транзисторних або тиристорних оптопар, крім випромінювачів і фотоприймачів, містяться ще пристрої для обробки сигналів, отриманих від фотоприймача.

Різні ОЕ ЕМС використовуються головним чином як перемикачі логічних і аналогових сигналів, реле і схем індикації.

Як приклад наведемо оптоелектронну інтегральну мікросхему HSPL2400 фірми AgilentTechnologies, що включає фотодіодну оптопару, компаратор і формувач рівня напруги для логічних мікросхем ТТЛ.

Рис.6.20. Оптоелектронна інтегральна мікросхема HSPL2400