Транзисторни оптрони. Устройство и принцип на действие на оптрони

Оптрон (наричан още оптрон) е електронно устройство, предназначено да преобразува електрически сигнали в светлина, да ги предава през оптични канали и да преобразува сигнала обратно в електрически. Дизайнът на оптрона предполага наличието на специален излъчвател на светлина (в модерни устройстваЗа тази цел се използват светлинни диоди; предишните модели са оборудвани с малки лампи с нажежаема жичка) и устройство, отговорно за преобразуване на получения оптичен сигнал (фотодетектор). И двата компонента са комбинирани с помощта на оптичен канал и общ корпус.

Класификация на видовете оптрони

Има няколко характеристики, според които моделите оптрони могат да бъдат разделени на няколко групи.

В зависимост от степента на интеграция:

елементарен оптрон - включва 2 или повече елемента, обединени от общ корпус;
интегрална схема на оптрона - дизайнът се състои от един или повече оптрона и в допълнение може да бъде оборудван с допълнителни елементи (например усилвател).

В зависимост от вида на оптичния канал:

Оптичен канал от отворен тип;
Затворен оптичен канал.

В зависимост от вида на фотодетектора:

Фоторезистор (или просто резисторни оптрони);
Фотодиодни оптрони;
Фототранзисторни (с използване на конвенционален или композитен биполярен фототранзистор) оптрони;
, или фототриак оптрони;
Оптрони, работещи с помощта на фотоволтаичен генератор (слънчева батерия).

Дизайнът на устройства от последния тип често се допълва с транзистори с полеви ефекти, като същият генератор е отговорен за управлението на портата.

Фототриак оптроните или тези, оборудвани с транзистори с полеви ефекти, могат да бъдат наречени „опторела“ или „“.

Фиг. 1: Оптронно устройство

Оптоелектронните устройства работят по различен начин в зависимост от това към кой от двата типа направления принадлежат:

Електрооптичен.

Работата на устройството се основава на принципа, според който светлинната енергия се преобразува в електрическа. Освен това преходът се осъществява чрез твърдо тяло и протичащите в него вътрешни фотоелектрични процеси (изразени в излъчването на електрони от веществото под въздействието на фотони) и ефекта на сияние под въздействието на електрическо поле.

Оптичен.

Устройството работи чрез финото взаимодействие на твърди частици и електромагнитно излъчване, както и с помощта на лазерни, холографски и фотохимични устройства.

Фотонните електронни компютри се сглобяват с помощта на една от двете категории оптични елементи:

Оптрони;
Квантово-оптични елементи.

Те са модели на устройства съответно от електронно-оптично и оптично направление.

Дали оптронът ще предава сигнала линейно се определя от характеристиките, които има вграденият в конструкцията фотодетектор. Най-голяма линейност на предаване може да се очаква от резисторни оптрони. В резултат на това процесът на работа на такива устройства е най-удобен. Стъпка по-ниско са моделите с фотодиоди и единични биполярни транзистори.

За осигуряване на работа импулсни устройстваоптрони се използват на биполярни, или полеви транзистори, тъй като няма нужда от линейно предаване на сигнала.

Накрая се монтират фототиристорни оптрони за осигуряване на галванична изолация и безопасна работа на устройството.

Приложение

Има много области, в които е необходимо използването на оптрони. Тази широта на приложение се дължи на факта, че те са елементи с много различни свойства и всяко тяхно качество има отделна област на приложение.

Фиксиране на механично въздействие (използват се устройства, оборудвани с оптичен канал от отворен тип, който може да се затваря (извършва механично въздействие), което означава, че самото устройство може да се използва като сензор):
- Детектори за присъствие (откриване на наличие/липса на хартиени листове в принтера);
- Детектори за крайна (начална) точка;
- броячи;
- Дискретни скоростомери.
Галванична изолация (използването на оптрони дава възможност за предаване на сигнал, който не е свързан с напрежение; те също така осигуряват безконтактно управление и защита), което може да се осигури от:
- Оптрон (в повечето случаи се използва като предавател на информация);
- Оптореле (най-вече подходящо за управление на сигнални и силови вериги).

Оптрони

Използването на транзисторни или интегрирани оптрони е особено важно, ако е необходимо да се осигури галванична изолация в сигнална верига или верига с нисък управляващ ток. Ролята на управляващ елемент могат да изпълняват триелектродни полупроводникови устройства, схеми, управляващи дискретни сигнали, както и схеми със специална специализация.

Фиг.2: Оптрони 5000 Vrms 50mA.

Параметри и особености на работа на оптрони

Въз основа на точния дизайн на устройството може да се определи неговата електрическа якост. Този термин се отнася до стойността на напрежението, което възниква между входните и изходните вериги. По този начин производителите на оптрони, които осигуряват галванична изолация, демонстрират редица модели с различни корпуси:

SSOP;
Miniflat-lead.

В зависимост от вида на корпуса, оптронът генерира едно или друго изолационно напрежение. За да се създадат условия, при които нивото на напрежение, достатъчно да предизвика пробив на изолацията, е достатъчно високо, оптронът трябва да бъде проектиран така, че следните части да са разположени достатъчно далеч една от друга:

и оптичен рекордер;
Вътрешна и външна страна на кутията.

В някои случаи можете да намерите оптрони от специализирана група, произведени в съответствие с международен стандартсигурност. Нивото на електрическа якост на тези модели е с порядък по-високо.

Друг важен параметър на транзисторния оптрон се нарича "коефициент на пренос на ток". Според стойността на този коефициент устройството се класифицира в една или друга категория, което се отразява в името на модела.

Няма ограничения по отношение на нивото на долната работна честота на оптроните: те функционират добре във верига с постоянен ток. А горната граница на работната честота на тези устройства, участващи в предаването на сигнали с цифров произход, се изчислява в стотици мегахерци. За оптрони от линеен тип тази цифра е ограничена до десетки мегахерца. За най-бавните конструкции, включително лампа с нажежаема жичка, най-типичната роля играят нискочестотни филтри, работещи при честоти, които не достигат 10 Hz

Транзисторен оптрон и шумът, който произвежда

Има две основни причини, поради които работата на транзисторна двойка е придружена от шумови ефекти:

За да преодолеете първата причина, ще трябва да инсталирате специален екран. Вторият се елиминира чрез правилно избран режим на работа.

Оптореле

Оптореле, известно още като твърдотелно реле, обикновено се използва за регулиране на работата на верига с големи управляващи токове. Ролята на управляващия елемент тук обикновено се изпълнява от два MOSFET транзистора с гръб-към-гръб връзки; тази конфигурация осигурява възможност за работа в условия на променлив ток.

Фиг. 3: Оптореле KR293 KP2V

Класификация на видовете опторелета

Дефинирани са три типа топологии за опто-релета:

Нормално отворенПредполага се, че управляващата верига ще се затвори само когато управляващото напрежение се приложи към клемите на светлинния диод.
Нормално затворенПредполага се, че управляващата верига ще се отвори само когато управляващото напрежение се приложи към клемите на светлинния диод.
ПревключванеТретата топология включва комбинация от нормално затворени и нормално отворени канали.

Опторелето, подобно на оптрона, има характеристика на електрическа якост.

Видове опторелета

Стандартен тип модели;
Модели с ниско съпротивление;
Модели с нисък CxR;
Модели с ниско преднапрежение;
Модели с високо изолационно напрежение.

Области на приложение на опторелета

модем;
Измервателен уред;
Интерфейс с актуатора;
Автоматични телефонни централи;
Електромер, топломер, газ;
Сигнален превключвател.

Напишете коментари, допълнения към статията, може би съм пропуснал нещо. Разгледайте, ще се радвам ако намерите още нещо полезно при мен.

Какво е оптрон

Оптронът е оптоелектронно устройство, чиито основни функционални части са източник на светлина и фотодетектор, галванично несвързани помежду си, но разположени в общ запечатан корпус. Принципът на действие на оптрона се основава на факта, че подаденият към него електрически сигнал предизвиква блясък на предавателната страна и под формата на светлина сигналът се приема от фотодетектора, инициирайки електрически сигнал на приемащата страна. Тоест сигналът се предава и получава чрез оптична комуникация в електронния компонент.

Оптрон - най-много просто разнообразиеоптрон. Състои се само от излъчваща и приемаща части. По-сложен тип оптрон е оптоелектронна микросхема, която съдържа няколко оптрона, свързани към едно или повече съвпадащи или усилващи устройства.

По този начин, оптрона е електронен компонент, осигуряващ предаване на оптичен сигнал във верига без галванична връзка между източника на сигнала и неговия приемник, тъй като е известно, че фотоните са електрически неутрални.

Устройство и характеристики на оптроните

Оптроните използват фотодетектори, които са чувствителни в близката инфрачервена и видимата област, тъй като тази част от спектъра се характеризира с източници на интензивно излъчване, които могат да работят като фотодетектори без охлаждане. Фотодетекторите с p-n преходи (диоди и транзистори), базирани на силиций, са универсални, областта на тяхната максимална спектрална чувствителност е близо до 0,8 микрона.

Оптронът се характеризира главно с коефициента на предаване на ток CTR, т.е. съотношението на входния и изходния ток на сигнала. Следващият параметър е скоростта на предаване на сигнала, по същество честотата на прекъсване fc на оптрона, свързана с времената на нарастване tr и времената на прекъсване tf за предаваните импулси. И накрая, параметрите, характеризиращи оптрона от гледна точка на галваничната изолация: изолационно съпротивление Riso, максимално напрежение Viso и пропускателен капацитет Cf.

Входното устройство, включено в структурата на оптрона, е предназначено да създава оптимални условияработа на емитер (LED), за изместване на работната точка към линейната зона на характеристиката ток-напрежение.

Входното устройство има достатъчна скорост и широк диапазон от входни токове, осигуряващи надеждно предаване на информация дори при нисък (прагов) ток. Вътре в корпуса се намира оптичната среда, през която се предава светлина от емитера към фотодетектора.

В оптроните с контролиран оптичен канал има допълнително устройство за управление, чрез което е възможно да се повлияе на свойствата на оптичната среда с помощта на електрически или магнитни средства. От страната на фотодетектора сигналът се възстановява, като бързо се преобразува от оптичен в електрически.

Изходното устройство от страната на фотодетектора (например фототранзистор, включен във веригата) е предназначено да преобразува сигнала в стандартна електрическа форма, удобна за по-нататъшна обработка в блоковете, следващи оптрона. Оптронът често не съдържа входни и изходни устройства, така че изисква външни вериги, за да създаде нормална работа във веригата на конкретно устройство.

Приложение на оптрони

Оптроните се използват широко в устройства с различно оборудване, където има вериги с ниско и високо напрежение, управляващите вериги са отделени от силовите вериги: управление на мощни триаци и тиристори, релейни вериги и др.

В радиотехническите схеми за модулация и автоматично регулиране на усилването се използват диодни, транзисторни и резисторни оптрони. Чрез експониране през оптичния канал веригата се настройва безконтактно и се привежда в оптимален режим на работа.

Оптроните са толкова многофункционални, че дори просто като елементи на галванична изолация и безконтактно управление те се използват в такова разнообразие от индустрии и в толкова много уникални функции, че е невъзможно да бъдат изброени всички.

Ето само няколко от тях: компютърни технологии, комуникационни технологии, автоматизация, радио оборудване, автоматизирани системи за управление, измервателни уреди, системи за контрол и регулиране, медицинско оборудване, устройства за визуално показване и много други.

Предимства на оптроните

Приложение на оптрони на печатни платкиви позволява да постигнете идеална галванична изолация, когато изискванията за съпротивление за изолация на високоволтови и нисковолтови, входни и изходни вериги са изключително високи. Напрежението между предавателната и приемната верига на популярния оптрон PC817 е например 5000 V. Освен това с помощта на оптична изолация се постига изключително нисък пропускателен капацитет от порядъка на 1 pF.

С помощта на оптрони много лесно се реализира безконтактно управление, като същевременно се запазва възможност за уникални дизайнерски решения по отношение на вериги за директно управление. Тук също е важно, че няма абсолютно никаква реакция от приемника към източника, тоест информацията се предава еднопосочно.

Най-широката честотна лента на оптрона елиминира ограниченията, наложени от ниските честоти: с помощта на светлина можете да предавате постоянен сигнал или импулсен сигнал и с много стръмни ръбове, което е фундаментално невъзможно да се постигне с помощта на импулсни трансформатори. Комуникационният канал вътре в оптрона е абсолютно имунизиран срещу ефектите на електромагнитните полета, така че сигналът е защитен от смущения и смущения. И накрая, оптроните са напълно съвместими с други електронни компоненти.

Оптронът е оптоелектронно полупроводниково устройство, съдържащо източник и приемник на оптично лъчение, които са оптически и структурно свързани помежду си и са предназначени да извършват различни функционални трансформации на електрически и оптични сигнали.

Източници на радиация могат да бъдат лампи с нажежаема жичка, газоразрядни лампи, полупроводникови излъчватели и светодиоди. В интегрираните оптоелектронни схеми източникът на оптично излъчване е инжекционен светодиод, който осигурява оптрони с висока производителност. Фотодетекторите могат да бъдат: фоторезистори, фотодиоди, фототранзистори, фототиристори. Комбинацията от светодиод с един от тези фотодетектори в един структурен елемент направи възможно създаването на редица оптрони с различни характеристики: резистор, диод, транзистор, тиристор (фиг. 5.19). Свързващата връзка между източника на радиация и фотодетектора е пасивна или активна оптична среда, която изпълнява функциите на световод.

Фиг.8.18. Видове оптрони: резистор (a), диод (b), транзистор (c), тиристор (d),

Принципът на работа на оптрона се основава на двойно преобразуване на енергия. При източниците на радиация енергията на електрическия сигнал се преобразува в оптично лъчение, а при фотодетекторите оптичният сигнал се преобразува в електрически сигнал (ток или напрежение). Оптронът е устройство с електрически входни и изходни сигнали.

Световодът осигурява галванична изолация на входните и изходните вериги (изолационното съпротивление може да достигне 10 12 ... 10 14 ома, а комуникационният капацитет е 10 -2 pF) и еднопосочно предаване на сигнала от източника на радиация към фотодетектора, което е характерни за оптичните комуникационни линии.

Предимствата на оптроните са:

1. липса на електрическа връзка между входа и изхода, както и обратна връзка между фотодетектора и източника на радиация.

2. широка честотна лента на електрически вибрации, което ви позволява да предавате сигнали в честотния диапазон от 0 до 10 14 Hz.

3. висока шумоустойчивост на оптичния канал, която се дължи на имунитета на фотоните към въздействието на външни електромагнитни полета.

4. лекота на комбиниране на оптрони с микросхеми в различни телекомуникационни устройства.

Оптроните се използват като:

а) електрически изолационен елемент в цифрови и импулсни устройства, както и аналогови устройства.

б) безконтактно управление на захранвания с високо напрежение в различни системи за автоматизация.

в) ключ за генериране и комутация на мощни импулси, както и за свързване на сензори с измервателни уреди и блокове.

Резисторните оптрони са най-универсалните. Те могат да се използват в аналогови и ключови устройства, имат широк диапазон от вариации на съпротивлението (десетки до стотици MOhms в неосветени състояния и стотици ома в осветени състояния) и нискочестотен диапазон. В резисторния оптрон като излъчватели се използват светодиоди, работещи в широк оптичен диапазон. За да се получат енергийни параметри, е необходимо да се съгласуват излъчвателят и приемникът по отношение на спектралните характеристики.

Резисторните оптрони се описват със следните параметри на входните и изходните вериги:

1. Максимален входен ток Iin. max е максималната стойност на средния вход или постоянен ток.

2. Входно напрежение Uin е постоянно или ефективно напрежение, приложено към входните клеми на излъчвателя при работен входен ток.

3. Изходен комутационен ток I изх. com е номиналният изходен ток, контролиран от товара.

4. Максималният изходен ток е стойността на тока, при която резисторният оптрон работи дълго време.

5. Максималното изходно комутационно напрежение е максималната стойност на напрежението на изхода на оптрона.

6. Максимално разсейване на мощността на изхода на оптрона, което осигурява дълготрайна работа на устройството.

7. Изходна тъмна и изходна светлоустойчивост.

8. Пропускателен капацитет C pr - между входа и изхода на оптрона.

9. Изолационно съпротивление R от е съпротивлението между входа и изхода на оптрона.

10. Максималното напрежение на изолацията е максималното напрежение, при което се поддържа здравината и надеждността на продукта, приложен между входа и изхода на оптичния контейнер.

Примери за резисторни оптрони могат да бъдат: OEP-16, OEP-1, OEP-2, OEP-9.

Диодните оптрони се използват като превключвател и могат да превключват ток с честота 10 6 ... 10 7 Hz. Тъмното съпротивление достига 10 8 ... 10 10 ома, а при осветяване намалява до стотици ома. Съпротивлението между входните и изходните вериги е 10 13 ... 10 15 ома. Като емитер в диодни оптрони се използва светодиод, работещ в инфрачервената област на излъчване, а като фотодетектор се използва силициев фотодиод. Светодиодът има максимална спектрална характеристика при дължина на вълната около 1 µm.

Диодните оптрони се описват със следните параметри на входните и изходните вериги:

1. U in - входното напрежение се определя при даден входен ток, протичащ през светодиода;

2. Вкарвам. max е максималната стойност на постоянен ток или импулсен ток, при която се осигурява дългосрочна надеждна работа на оптрона;

3. U in. обр. max е максималното входно обратно напрежение, приложено към входа на оптрона, което осигурява дълготрайна надеждна работа на оптрона;

4. I t - изходен (термичен) ток на фотодиода при липса на вход (фотопоток);

5. Аз излизам. обр - почивен ден обратен токпри дадено изходно напрежение и без входен ток.

6. U аут. Макс. rev - максимално обратно напрежение на изходната верига, при което фотодиодът работи надеждно и дълго време;

7. t nr - времето на нарастване на изходния сигнал, при което амплитудата на изходното напрежение се променя от 0,1 до 0,5 U изх. Макс;

8. t sp - време на затихване на изходния сигнал. През този период от време изходното напрежение намалява от 0,9 до 0,5 от максималната си стойност.

Примери за диодни оптрони са AOD101A...AOD101D, AOD107, ZOD107A и др.

Транзисторните оптрони имат по-голяма чувствителност от диодните оптрони. Скоростта не надвишава 10 5 Hz. Транзисторният оптрон използва светодиод с дължина на вълната на излъчване около 1 μm, а като фотодетектор се използва силициев фототранзистор от тип n-p-n.

Ако няма оптично излъчване, тогава в колекторната верига на фототранзистора винаги протича малък обратен ток (тъмен ток), чиято величина силно зависи от температурата. За да се намали тъмният ток, външен резистор от около 0,1...1,0 M Ohm е свързан между клемите на основата и емитера.

Транзисторният оптрон се описва от параметрите на входните и изходните вериги. Като се има предвид, че в диодните и транзисторните оптрони се използват почти еднакви светодиоди, входните параметри на транзисторните оптрони са същите като тези на диодните оптрони.

Транзисторният оптрон се описва от следните параметри на изходната верига:

1. U rest - остатъчно изходно напрежение на изхода на оптрона при отворен фототранзистор;

2. I ut.out - ток, протичащ в изходната верига, когато фототранзисторът е затворен (ток на утечка);

3. P ср. max - средна максимална мощност на разсейване, при която оптронът поддържа дълготрайна надеждна работа;

4. Аз излизам. max - максимален изходен ток на фототранзистора при надеждната му работа;

5. t nr - времето на нарастване на изходния сигнал, при което изходното напрежение се изменя от 0,9 до 0,1 от максималната му стойност.

6. t sp - време на спад на изходното напрежение, при което изходното напрежение нараства от 0,1 до 0,9 от максималната стойност.

7. t on - on time е времето от момента на подаване на входния сигнал до момента, в който входният сигнал достигне 0,1 U вход. Макс. или това е стадното време - t sp на изходното напрежение до ниво 0,1 U out. Макс.

8. t off - off time е времето, през което входният сигнал намалява до 0,9 U вход макс. или е t nr - времето за нарастване на изходното напрежение до 0,9 U изход макс.

9. Максимално изолационно напрежение U от - напрежението, което може да се приложи между входа и изхода и при което се поддържа диелектричната якост на оптрона.

Примери за транзисторни оптрони са: AOT123A, ZOT123B, AOT110(A,B,C), ZOT123A, AOT123T и др.

Тиристорните оптрони се използват в ключови режими за генериране и превключване на мощни импулси. Емитерът в тиристорния оптрон е светодиод, а приемникът е силициев фототиристор. Фототиристорът остава включен дори когато LED излъчването спре. В тази връзка контролният светлинен сигнал от светодиода може да се подава само за времето, необходимо за отключване на тиристора. Всичко това дава възможност да се намали енергията, необходима за управление на фототиристорния оптрон. За да изключите фототиристора, трябва да премахнете външното напрежение. Всичко това отличава тиристорния оптрон от транзисторния. Тиристорният оптрон се описва със следните параметри:

1. Ток на включване I on (входен работен ток I вход, работа) - постоянен ток напред на оптрона, който прехвърля оптрона в отворено състояние при даден входен режим;

2. Импулсен комутационен ток I включен. това е амплитудата на входния токов импулс с дадена продължителност, която превръща оптроните в отворено състояние;

3. U in - входно напрежение на входа на светодиода при зададен входен комутационен ток;

4. Вкарвам - вход D.C. LED;

5. Вкарвам. im - вход импулсен токоптрони;

6. Аз излизам. затворен - изходен ток в затворено състояние, който протича в изходната верига при затворен фототиристор и в даден режим;

7. Излизам. връщане - изходен обратен ток, протичащ, когато фототиристорът е затворен;

8. U ост - изходно напрежение на отворен фототиристор;

9. Излизам. ud - ток на задържане - най-малкият ток на фототиристора в отворено състояние;

10. U изход min - минималното постоянно изходно напрежение на фототиристора, при което оптрона се включва при даден входен сигнал;

11. U изход обр - максимално изходно напрежение, при което се осигурява зададената надеждност;

12. t on - време на включване е времевият интервал между входния токов импулс на ниво 0,5 и изходния ток на ниво 0,9 от максималната стойност;

13. t изключване - времето за изключване е периодът от време от момента, в който изходният ток завършва до момента, в който започва следващият изходен ток, под въздействието на който фототиристорът не преминава в отворено състояние.

14. C out - изходен капацитет на изхода на тиристорния оптрон в затворено състояние.

Примери за тиристорни оптрони: AOU103A, ZOU103A, AOU103V, ZOU103B.

Оптрони са тези оптоелектронни устройства, в които има източник и приемник на лъчение (излъчвател на светлина и фотодетектор) с един или друг вид оптична и електрическа връзка между тях, конструктивно свързани помежду си.

Принцип на работаоптрони от всякакъв вид се основават на следното. В излъчвателя енергията на електрическия сигнал се преобразува в светлина, във фотодетектора, напротив, светлинният сигнал предизвиква електрически отговор.

В практиката широко разпространение са получили само оптроните, които имат директна оптична връзка от емитера към фотодетектора и като правило се изключват всички видове електрическа комуникация между тези елементи.

Съгласно степента на сложност на структурната схема, сред оптронните продукти се разграничават две групи устройства. Оптрон (наричан още „елементарен оптрон“) е оптоелектронно полупроводниково устройство, състоящо се от излъчващи и фотоприемащи елементи, между които има оптична връзка, която осигурява електрическа изолациямежду вход и изход. Оптоелектронна интегрална схема е микросхема, състояща се от един или повече оптрони и едно или повече съгласуващи или усилващи устройства, електрически свързани към тях.

По този начин в електронна схема такова устройство изпълнява функцията на комуникационен елемент, в който в същото време се извършва електрическа (галванична) изолация на входа и изхода.

В блоковата схема на фиг. 1 входно устройство се използва за оптимизиране на режима на работа на излъчвателя (например, нагласяне на светодиода към линейния участък на ват-амперната характеристика) и преобразуване (усилване) на външния сигнал. Входният блок трябва да има висока ефективностпреобразуване, висока скорост, широк динамичен диапазон на допустимите входни токове (за линейни системи), ниска стойност на "праговия" входен ток, което осигурява надеждно предаване на информация през веригата.

Фигура 1. Обобщена блокова схема на оптрон

Целта на оптичната среда е да прехвърли енергията на оптичния сигнал от емитера към фотодетектора, а също и в много случаи да осигури механичната цялост на структурата.

Фундаментална управляемост оптични свойствасреда, например чрез използване на електрооптични или магнитооптични ефекти, се отразява чрез въвеждането на управляващо устройство във веригата. В този случай получаваме оптрон с контролиран оптичен канал, функционално различен от “. конвенционален” оптрон: изходният сигнал може да се променя както на входа, така и на управляващите вериги.

Във фотодетектора информационният сигнал се „възстановява“ от оптичен в електрически; в същото време се стремят да имат висока чувствителности висока производителност.

И накрая, изходното устройство е проектирано да преобразува сигнала на фотодетектора в стандартна форма, удобна за повлияване на каскади, следващи оптрона. Почти задължителна функция на изходното устройство е усилването на сигнала, тъй като загубите след двойно преобразуване са много значителни. Често функцията за усилване се изпълнява от самия фотодетектор (например фототранзистор).

Електрически схемии изходни характеристики на оптрони с фоторезистор (a), фотодиод (b) и фототиристор (c): 1 - полупроводников диод, излъчващ светлина; 2 - фоторезистор; 3 - фотодиод; 4- фототиристор; UИ аз- напрежение и ток в изходната верига на оптрона. Прекъснатите криви съответстват на липсата на ток във входната верига на оптрона, плътните криви съответстват на две различни стойности на входните токове.

1. Въведение. 2

1.1. Основни определения. 2

1.2. Отличителни чертиоптрони. 2

1.3. Обобщена блокова схема. 3

1.4. Приложение. 4

1.5. История. 5

2. Физически основи на оптронната технология. 6

2.1. Елементна база и дизайн на оптрони. 6

2.2. Физика на преобразуването на енергия в диоден оптрон. 7

3. Параметри и характеристики на оптрони и оптоелектроника интегрални схеми. 13

3.1. Класификация на параметрите на оптронните продукти. 13

3.2. Диодни оптрони. 14

3.3. Транзисторни и тиристорни оптрони. 15

3.4. Резисторни оптрони. 15

3.5. Диференциални оптрони. 15

3.6. Оптоелектронни микросхеми. 16

4. Области на приложение на оптрони и оптронни микросхеми. 16

4.1. Трансфер на информация. 17

4.2. Получаване и показване на информация. 18

4.3. Управление на електрически процеси. 18

4.4. Подмяна на електромеханични изделия. 19

4.5. Енергийни функции. 19

5. Литература. 19

1. ВЪВЕДЕНИЕ

1.1 Основни определения.

Принципът на работа на оптрони от всякакъв тип се основава на следното. В излъчвателя енергията на електрическия сигнал се преобразува в светлина, във фотодетектора, напротив, светлинният сигнал предизвиква електрически отговор.

Според степента на сложност на структурната схема, сред продуктите на оптроните се разграничават две групи устройства. Оптронът (наричан още „елементарен оптрон“) е оптоелектронно полупроводниково устройство, състоящо се от излъчващи и фотоприемащи елементи, между които има оптична връзка, която осигурява електрическа изолация между входа и изхода. Оптоелектронна интегрална схема е микросхема, състояща се от един или повече оптрони и едно или повече съгласуващи или усилващи устройства, електрически свързани към тях.

1.2 Отличителни черти на оптроните.

Предимствата на тези устройства се основават на общия оптоелектронен принцип за използване на електрически неутрални фотони за пренос на информация. Основните са следните:

Възможност за осигуряване на идеална електрическа (галванична) изолация между вход и изход; за оптроните няма фундаментални физически или конструктивни ограничения за произволно постигане високо напрежениеи отделящи съпротивления и произволно малък пропускателен капацитет;

Възможност за реализиране на безконтактно оптично управление на електронни обекти и произтичащото от това разнообразие и гъвкавост на дизайнерските решения за управляващите вериги;

Еднопосочно разпространение на информацията по оптичния канал, без обратна връзка от приемника към излъчвателя;

Широка честотна лента на оптрона, без ограничение от ниски честоти (което е типично импулсни трансформатори); способността за предаване както на импулсен сигнал, така и на постоянен компонент чрез верига на оптрона;

Възможността за управление на изходния сигнал на оптрона чрез въздействие (включително неелектрически) върху материала на оптичния канал и произтичащата от това възможност за създаване на различни сензори, както и различни устройства за предаване на информация;

Възможност за създаване на функционални микроелектронни устройства с фотодетектори, чиито характеристики при осветяване се променят по сложен зададен закон;

Имунитетът на оптичните комуникационни канали към въздействието на електромагнитни полета, което в случай на „дълги“ оптрони (с удължен оптичен световод между излъчвателя и приемника) ги прави защитени от смущения и изтичане на информация, а също така елиминира взаимна намеса;

Физическа, конструктивна и технологична съвместимост с други полупроводникови и микроелектронни устройства.

Оптроните също имат някои недостатъци:

Значителна консумация на енергия поради необходимостта от двойно преобразуване на енергия (електричество - светлина - електричество) и ниската ефективност на тези преходи;

Повишена чувствителност на параметрите и характеристиките към въздействието на повишена температура и проникваща ядрена радиация;

Повече или по-малко забележимо временно влошаване (влошаване) на параметрите;

Относително високо нивособствен шум, причинен, подобно на двата предишни недостатъка, от особеностите на физиката на светодиодите;

Сложността на прилагането на обратна връзка, причинена от електрическата изолация на входните и изходните вериги;

Структурно и технологично несъвършенство, свързано с използването на хибридна непланарна технология (с необходимостта от комбиниране на няколко отделни кристала от различни полупроводници, разположени в различни равнини в едно устройство).

Изброените недостатъци на оптроните са частично елиминирани с подобряването на материалите, технологията и дизайна на веригата, но въпреки това те ще останат доста фундаментални за дълго време. Предимствата им обаче са толкова големи, че те гарантират, че оптроните са уверено неконкурентни сред другите микроелектронни устройства.

1.3 Обобщена блокова схема (фиг. 1.1).

Фигура 1.1. Обобщена блокова схема на оптрон.

Като свързващ елемент, оптронът се характеризира с коефициента на предаване K i, определена от съотношението на изходния и входния сигнал и максималната скорост на предаване на информация Е. Почти вместо Еизмерване на продължителността на нарастване и спадане на предаваните импулси t nar (sp)или гранична честота. Характеризират се възможностите на оптрона като елемент за галванична изолация максимално напрежениеи устойчивост на отделяне U развитиеИ R развитиеи пропускателен капацитет C развитие .

В структурната диаграма Фиг. 1.1, входното устройство се използва за оптимизиране на режима на работа на излъчвателя (например, изместване на светодиода към линейната част на ват-амперната характеристика) и преобразуване (усилване) на външния сигнал. Входното устройство трябва да има висока ефективност на преобразуване, висока скорост, широк динамичен диапазон от допустими входни токове (за линейни системи) и ниска стойност на „праговия“ входен ток, което осигурява надеждно предаване на информация през веригата.

Основната възможност за управление на оптичните свойства на средата, например чрез използване на електрооптични или магнитооптични ефекти, се отразява чрез въвеждане на управляващо устройство във веригата. В този случай получаваме оптрон с контролиран

оптичен канал, функционално различен от "конвенционалния" оптрон: изходният сигнал може да се променя както през входа, така и през управляващата верига.

Във фотодетектора информационният сигнал се „възстановява“ от оптичен в електрически; В същото време те се стремят да имат висока чувствителност и висока производителност.

Обща блокова схема на фиг. 1.1 се изпълнява във всяко конкретно устройство само от част от блоковете. В съответствие с това съществуват три основни групи оптронни устройства; по-рано наричани оптрони (елементарни оптрони), използващи светлинен излъчвател - оптична среда - фотодетекторни блокове; оптоелектронни (оптрони) микросхеми (оптрони с добавяне на изходно и понякога входно устройство); специални видове оптрони - устройства, които функционално и структурно се различават значително от елементарните оптрони и оптоелектронни ИС.

Един истински оптрон може да бъде по-сложен от веригата на фиг. 1.1; Всеки от тези блокове може да включва не един, а няколко идентични или подобни елементи, свързани електрически и оптически, но това не променя съществено основите на физиката и електрониката на оптрона.

1.4 Приложение.

Като елементи на галванична изолация оптроните се използват: за свързване на единици оборудване, между които има значителна потенциална разлика; за защита входни вериги измервателни уредиот намеса и намеса; и т.н.

Друга важна област на приложение на оптроните е оптичното, безконтактно управление на вериги с висок ток и високо напрежение. Стартирайте мощни тиристори, триаци, триаци, управление на електромеханични релейни устройства