Главная

Категории:

ДомЗдоровьеЗоологияИнформатикаИскусствоИскусствоКомпьютерыКулинарияМаркетингМатематикаМедицинаМенеджментОбразованиеПедагогикаПитомцыПрограммированиеПроизводствоПромышленностьПсихологияРазноеРелигияСоциологияСпортСтатистикаТранспортФизикаФилософияФинансыХимияХоббиЭкологияЭкономикаЭлектроника






Элементная база и устройство оптронов


 

Элементную основу оптронов составляют фотоприемники и излучатели, а также оптическая среда между ними.

Общие требования, которые предъявляются к оптронам: малые габариты и масса, высокая долговечность и надежность, устойчивость к механическим и климатическим воздействиям, технологичность, низкая стоимость.

Наиболее универсальными являются фотоприемники с р - n-переходами (диоды, транзисторы и т.п.), в подавляющем большинстве случаев они изготовляются на основе кремния и область их максимальной спектральной чувствительности находится вблизи (0,7...0,9) мкм. Эти фотоприемники обеспечивают выполнение основных требований: эффективность преобразования энергии квантов излучения в энергию подвижных электрических; наличие и эффективность внутреннего встроенного усиления; высокое быстродействие; широта функциональных возможностей.

Спектральная чувствительность - в видимой и ближней инфракрасной области.

Требования, которые предъявляются к излучателям оптронов: спектральное согласование с выбранным фотоприемником; высокая эффективность преобразования энергии электрического тока в энергию излучения; преимущественная направленность излучения; высокое быстродействие; простота и удобство возбуждения и модуляции излучения.

В оптронах используются следующие разновидности излучателей:

- Миниатюрные лампочки накаливания.

- Неоновые лампочки, в которых используется свечение электрического разряда газовой смеси неон-аргон. Этим видам излучателей свойственны невысокая светоотдача, низкая устойчивость к механическим воздействиям, ограниченная долговечность, большие габариты, полная несовместимость с интегральной технологией. Тем не менее, в отдельных видах оптронов они могут находить применение.

- Порошковая электролюминесцентная ячейка использует в качестве светящегося тела мелкокристаллические зерна сульфида цинка (активированного медью, марганцем или другими присадками), взвешенные в полимеризующемся диэлектрике. При приложении достаточно высоких напряжений переменного тока идет процесс предпробойной люминесценции.

- Тонкопленочные электролюминесцентные ячейки. Свечение здесь связано с возбуждением атомов марганца "горячими" электронами. И порошковые, и пленочные электролюминесцентные ячейки имеют невысокую эффективность преобразования электрической энергии в световую, низкую долговечность (особенно - тонкопленочные ), сложны в управлении (например, оптимальный режим для порошковых люминофоров ~220 В при f =400 ... 800 Гц). Основное достоинство этих излучателей - конструктивно-технологическая совместимость с фоторезисторами, возможность создания на этой основе многофункциональных, многоэлементных оптронных структур.

- Основным наиболее универсальным видом излучателя является полупроводниковый инжекционный светоизлучающий диод - светодиод. Это обусловлено его достоинствами: высокое значение КПД преобразования электрической энергии в оптическую; узкий спектр излучения (квазимонохроматичность); широта спектрального диапазона, перекрываемого различными светодиодами; направленность излучения; высокое быстродействие; малые значения питающих напряжений и токов; совместимость с транзисторами и интегральными схемами; простота модуляции мощности излучения путем изменения прямого тока; возможность работы, как в импульсном, так и в непрерывном режиме; линейность ватт-амперной характеристики в более или менее широком диапазоне входных токов; высокая надежность и долговечность; малые габариты; технологическая совместимость с изделиями микроэлектроники.

Общие требования, предъявляемые к оптической иммерсионной среде оптрона: высокое значение показателя преломления nим; высокое значение удельного сопротивления rим; высокая критическая напряженность поля Еим кр, достаточная теплостойкость Dqим раб; хорошая адгезия с кристаллами кремния и арсенида галлия; эластичность (это необходимо для обеспечения согласования элементов оптрона по коэффициентам термического расширения); механическая прочность (так как иммерсионная среда в оптопаре выполняет не только светопередающие, но и конструкционные функции).

В оптронах в качестве диэлектрической среды используется воздух воздух, стекло, пластмасса, волоконный световод. Основным видом иммерсионной среды, используемой в оптронах, являются полимерные оптические клеи. Для них типично nим =1,4... 1,6, rим > 1012... 1014 Ом см, Еим кр =80 кВ/мм, Dqим раб = - 60 ... 120 C. Клеи обладают хорошей адгезией к кремнию и арсениду галлия, сочетают высокую механическую прочность и устойчивость к термоциклированию. Используются также незатвердевающие вазелиноподобные и каучукоподобные оптические среды.

Виды оптронов

Диодные оптроны. На рисунках 5.1а, б иллюстрируется обозначение диодного оптрона и его структура. Источником света служит светодиод из арсенида галлия, а фотоприемником кремниевый фотодиод. Диодные оптопары в большой степени, чем какие-либо другие приборы, характеризуют уровень оптронной техники.

 

Рисунок 5.1 - Условные обозначения оптронов:

диодный (а) и его структура (б); транзисторный (с); тиристорный (г);

с двухэмиттерным фототранзистором (д); с фоторезистором (г)

 

По величине коэффициента передачи тока Кi можно судить о достигнутых КПД преобразования энергии в оптроне; значения временных параметров позволяют определить предельные скорости распространения информации. Оптрон используется в качестве ключа и может коммутировать ток с частотой 106…107 Гц. Темновое сопротивление в закрытом состоянии – 108…1010 Ом, в открытом – от сотен ом до нескольких килом. Сопротивление между входной и выходной цепями – 1013…1015 Ом. Диодный оптрон позволяет практически полностью гальванически развязать между собой входную и выходную цепи и обеспечивает хорошие характеристики переключения. Так как в структуре оптрона предусмотрен воздушный зазор между источником излучения и фотоприемником, для минимизации потерь за счет внутреннего отражения на границе сред с разными коэффициентами (n=1 для воздуха; n=3,6 для GaAs) источник света делают сферической формы.

Диодные оптопары могут работать как в генераторном, так и в фотодиодном режиме. Значение обратного фототока практически линейно возрастает с увеличением силы света излучающего диода.

Транзисторные оптопары (рисунок 5.2с) по ряду своих свойств выгодно отличаются от других видов оптронов. Это, прежде всего схемотехническая гибкость, проявляющаяся в том, что коллекторным током можно управлять как по цепи светодиода (оптически), так и по базовой цепи (электрически), а также в том, что выходная цепь может работать и в линейном и в ключевом режиме. Механизм внутреннего усиления обеспечивает получение больших значений коэффициента передачи тока Кi, так что последующие усилительные каскады не всегда необходимы. Важно, что при этом инерционность оптопары не очень велика и для многих случаев вполне допустима. Выходные токи фототранзисторов значительно выше, чем, например, у фотодиодов, что делает их пригодными для коммутации широкого круга электрических цепей. Транзисторные оптопары благодаря большей чувствительности фотоприемника экономичнее диодных. Однако быстродействие их меньше, максимальная частота коммутации обычно не превышает 105 Гц. Также как и диодные, транзисторные оптроны имеют малое сопротивление в открытом состоянии и большое в закрытом и обеспечивают полную гальваническую развязку.

Если в фототранзисторе имеется два эмиттера с внешними выводами (рисунок 5.2д), то получается ключевая цепь, позволяющая коммутировать малые измерительные сигналы как постоянного, так и переменного токов. Фототранзистор в этом случае представляет компенсированный ключ. От обычного компенсированного ключа на биполярных транзисторах (транзисторного прерывателя) он отличается только способом управления и имеет симметричную выходную вольтамперную характеристику (рисунок 5.2а).

 

Рисунок 5.2 – Выходная характеристика двухэмиттерного транзисторного оптрона (а), диодный оптрон с усилителем (б):

 

Во включенном состоянии остаточное напряжение на фототранзисторе (напряжение между выводами выходной цепи при Iвых = 0) достаточно мало и составляет сотни микровольт - несколько десятков милливольт при динамическом сопротивлении в несколько десятков ом. В выключенном состоянии сопротивление фототранзистора велико - более 106…108 Ом. Эти оптроны позволяют исключить в схемах громоздкие навесные трансформаторы, неизбежные при использовании транзисторных прерывателей на обычных биполярных транзисторах.

Тиристорные оптопары (рисунок 5.2,г). Замена фототранзистора на кремниевый фототиристор позволяет увеличить импульс выходного тока до 5 А и более. При этом время включения менее 10-5с, а входной ток включения не превышает 10 мА. Тиристорные оптроны наиболее перспективны для коммутации сильноточных высоковольтных цепей: по сочетанию мощности, коммутируемой в нагрузке, и быстродействию они явно предпочтительнее Т2-оптопар. Оптопары могут использоваться в качестве бесконтактных ключевых элементов в различных радиоэлектронных схемах: в цепях управления, усилителях мощности, формирователях импульсов и т. п.

Резисторные оптопары (рисунок 5.2е) принципиально отличаются от всех других видов оптопар физическими и конструктивно-технологическими особенностями, а также составом и значениями параметров.

В основе принципа действия фоторезистора лежит эффект фотопроводимости, т. е. изменения сопротивления полупроводника при освещении. Темновое сопротивление резисторных оптронов может достигать 107…109 Ом. При освещении сопротивление снижается до нескольких сотен ом – нескольких килом. Быстродействие их невелико, а максимальная рабочая частота без принятия специальных мер повышения быстродействия ограничена несколькими килогерцами.

Дифференциальные оптроны. В качестве важного альтернативного варианта прибора для применения в аналоговых схемах, устраняющего недостатки резисторных оптронов, могут быть использованы дифференциальные оптроны. Этот тип оптроны построен по трехэлементной схеме и содержит один излучатель и два фотоприемника, что обеспечивает двухканальную оптическую связь. В приборе используется подобие выходных характеристик обоих каналов, при этом один канал (информационный) используется непосредственно для неискаженной передачи аналоговых сигналов, в то время как другой (опорный) необходим для реализации цепи отрицательной ОС, благодаря которой осуществляется коррекция температурных, деградационных изменений мощности излучателя.

Оптоэлектронные микросхемы представляют собой один из наиболее широко применяемых, развивающихся, перспективных классов изделий оптронной техники. Это обусловлено полной электрической и конструктивной совместимостью оптоэлектронных микросхем с традиционными микросхемами, а также их более широкими по сравнению с элементарными оптронами функциональными возможностями. Как и среди обычных микросхем, наиболее широкое распространение получили переключательные оптоэлектронные микросхемы.

Устойчивой тенденцией в создании оптоэлектронных устройств является выполнение оптронов и электронных преобразователей на одной подложке (рисунок 5.3б, в). Это позволяет уменьшить размеры преобразователей, снизить их стоимость, повысить надежность и улучшить характеристики преобразования. Роль фотодиода 7 в оптоэлектронном импульсном усилителе играют подложка р- и n - область, полученная диффузионным путем в одном технологическом цикле с коллекторами транзисторов р- n-электронного усилителя 5. Светодиод 3 выполнен плоским и связан с фотоприемником световодом из селенового стекла 4. Для устранения электрической емкости между излучателем и фотоприемником введен оптически прозрачный слой р (2), изготовленный диффузионным путем и электрически соединенный с подложкой. Он выполняет роль электростатического экрана, и снижает емкость до 4...5 пФ. Весь усилитель представляет собой твердотельный блок, вход и выход которого гальванически развязаны между собой.

Специальные виды оптронов резко отличаются от традиционных оптопар и оптоэлектронных микросхем. К ним относятся, прежде всего, оптроны с открытым оптическим каналом. В конструкции этих приборов между излучателем и фотоприемником имеется воздушный зазор, так что, помещая в него те или иные механические преграды, можно управлять световым потоком и тем самым выходным сигналом оптрона. Таким образом, оптроны с открытым оптическим каналом выступают в качестве оптоэлектронных датчиков, фиксирующих наличие (или отсутствие) предметов, состояние их поверхности, скорость перемещения или поворота и т. п.

 

Характеристики оптронов

 

Все характеристики и параметры оптронов можно разделить на четыре группы:

входные параметры (характеризуют входную цепь оптрона);

выходные параметры (характеризуют выходную цепь);

параметры передаточной характеристики (параметры, характеризующие степень воздействия излучателя на фотоприемник и связанные с этим особенности прохождения сигнала через оптрон как элемент связи);

параметры гальванической развязки (значения которых показывают, насколько приближается оптрон к идеальному элементу развязки).

Особенности функционального использования во многом определяют основные параметры оптронов: гальваническая развязка (способность подавлять паразитный сигнал), изоляция (напряжение пробоя), быстродействие (частотный диапазон, задержку распространения сигнала), обратная связь (помеха по цепи заземления) и прямая связь (коэффициент передачи по току, нагрузочная способность).

Важнейшим параметром диодной и транзисторной оптопар является коэффициент передачи тока К, который определяется как отношение выходного и входного тока, обычно выражается в процентах и максимальной скоростью передачи информации F. Практически вместо F измеряют длительности нарастания и спада передаваемых импульсов tнар(сп) или граничную частоту (рисунок 1.4).

Рисунок 5.3 - Параметры оптопар

 

Отсчетными уровнями при измерении параметров tнар(сп), tзд и tвкл(выкл) обычно служат уровни 0,1 и 0,9, полное время логической задержки сигнала определяется по уровню 0,5 амплитуды импульса.

Если оптрон применяется в цифровой схеме, то этот коэффициент указывается для минимального коллекторного напряжения. Коэффициент передачи тока не является постоянным для всех уровней входного тока. Частично это связано с нелинейностью ВАХ СИД, хотя главным образом он связан с изменением коэффициента усиления выходного усилителя. Коэффициент передачи тока является характеристикой, наиболее подверженной влиянию деградации.

Параметрами гальванической развязки оптопар являются: максимально допустимое пиковое напряжение между входом и выходом Uразв п max; сопротивление гальванической развязки Rразв; проходная емкость Cразв; максимально допустимая скорость изменения напряжения между входом в выходом (dUразв/dt)max. Важнейшим является параметр Uразв п max. Именно он определяет электрическую прочность оптопары и ее возможности как элемента гальванической развязки.

Для аналоговых сигналов коэффициент развязки оценивается по относительному воздействию на выходной ток полезного сигнала ег и помехи епм в соответствии с соотношением:

Кразв.=(∂Iк/∂eг)/(∂Iк/∂пм). (5.1)

 

Отношение фототока к току СИД и емкость развязки Сразв. являются собственными свойствами оптрона, в то время, как коэффициент развязки можно повышать, уменьшая Rs и dUсд/dIсд. Следует отметить также, что этот параметр снижается с увеличением частоты синусоидального сигнала в цепи развязки.

В связи с тем, что на коэффициент развязки влияют параметры внешних цепей для корректного задания этого параметра необходимо оговаривать значения Iсд, Rs и fразв.

При оценке характеристик электрической изоляции оптрона следует учитывать такое явление как коронный разряд, характеризуемое таким параметром, как напряжение коронного разряда Uкор. Функционирование прибора при напряжении выше Uкор приводит к увеличению скорости деградации изоляции.

Важной характеристикой гальванической развязки является сопротивление утечки, составляющее для многих оптронов величину 1012 Ом и определяемое при высоком напряжении порядка 3000 В.

Быстродействие оптронов существенно зависит от схемы включения, его можно повысить введением ОС и форсированием переходных процессов.

В аналоговых схемах выходной транзистор оптрона должен функционировать в активной области, не попадая в области насыщения и отсечки. Соответственно амплитуду входного сигнала и номинал резисторов на рисунке 1.5 следует выбирать с учетом диапазона изменения тока СИД так, чтобы всегда в пределах изменения тока СИД выполнялись неравенства 0 « Uк « Uип.

Быстродействие оптронов обычно не ограничивается исключительно быстро- действием СИД. Тем не менее, этот фактор играет важную роль. Многочисленными исследованиями установлено, что параметры, улучшающие мощностные характеристики СИД, одновременно снижают его быстродействие. В том случае, когда СИД лимитирует быстродействие схемы, оно может быть улучшено за счет форсирования переходных процессов.

В цифровом режиме оптрон должен переключаться из одного логического состояния в другое, при этом в состоянии низкого уровня ток СИД должен быть достаточно большим с тем, чтобы напряжение Uк смогло превысить пороговый уровень. Таким образом, быстродействие оптрона будет определяться временем, в течение которого Uк достигнет порогового уровня, и, как следствие, быстродействие будет характеризоваться задержкой распространения или уменьшением скорости передачи данных. На величину времени задержки оказывают влияние основные параметры оптрона, в том числе коэффициент передачи по току и емкости схемы на рисунке 4. К уменьшению времени задержки включения приводит увеличение тока СИД, увеличение Rн, но одновременно с этим увеличение Rн сопровождается возрастанием времени задержки выключения.

Оптроны практически исключают связь контуров заземления по постоянному току, так как обладают сопротивлением гальванической развязки на уровне 1012Ом, но, тем не менее, они допускают прохождение переменного тока в цепи заземления из-за внутренней емкости между входной и выходной цепями.

 

Применение

В качестве элементов гальванической развязки оптроны применяются: для связи блоков аппаратуры, между которыми имеется значительная разность потенциалов; для защиты входных цепей измерительных устройств от помех и наводок и т.д.

Другая важнейшая область применения оптронов - оптическое, бесконтактное управление сильноточными и высоковольтными цепями. Запуск мощных тиристоров, симисторов, управление электромеханическими релейными устройствами.

Специфическую группу управляющих оптронов составляют резисторные оптроны, предназначенные для слаботочных схем коммутации в сложных устройствах визуального отображения информации, выполненных на электролюминесцентных (порошковых) индикаторах, мнемосхемах, экранах.

Создание "длинных" оптронов (приборов с протяженным гибким волоконно-оптическим световодом) открыло совершенно новое направление применения изделий оптронной техники - связь на коротких расстояниях.

Различные оптроны (диодные, резисторные, транзисторные) находят применение и в чисто радиотехнических схемах модуляции, автоматической регулировки усиления и др. Воздействие по оптическому каналу используется здесь для вывода схемы в оптимальный рабочий режим, для бесконтактной перестройки режима и т. п.

Возможность изменения свойств оптического канала при различных внешних воздействиях на него позволяет создать целую серию оптронных датчиков: датчики влажности и загазованности, датчики определения наличия в объеме жидкости, датчики чистоты обработки поверхности предмета, скорости его перемещения и т. п.

Достаточно специфическим является использование оптронов в энергетических целях, т. е. работа диодного оптрона в фотовентильном режиме. В таком режиме фотодиод генерирует электрическую мощность в нагрузку и оптрон до определенной степени подобен маломощному вторичному источнику питания, полностью развязанному от первичной цепи.

Создание оптронов с фоторезисторами, свойства которых при освещении меняются по заданному сложному закону, позволяет моделировать математические функции, является шагом на пути создания функциональной оптоэлектроники.

Универсальность оптронов как элементов гальванической развязки и бесконтактного управления, разнообразие и уникальность многих других функций являются причиной того, что сферами применения этих приборов стали вычислительная техника, автоматика, связная и радиотехническая аппаратура, автоматизированные системы управления, измерительная техника, системы контроля и регулирования, медицинская электроника, устройства визуального отображения информации.

Оптроны в цифровых схемах

Цифровые схемы с использованием оптронов многочисленны и разнообразны. Тем не менее, при расчете входной цепи оптронов в цифровых схемах можно выделить ряд общих моментов:

- в выключенном состоянии ток излучателя очень мал или имеет отрицательное значение (СИД смещен в обратном направлении);

- во включенном состоянии прямой ток излучателя фиксирован на постоянном уровне, соответствующем заданным требованиям:

- в пороговом состоянии ток излучателя имеет промежуточное значение.

Ограничимся лишь несколькими примерами использования оптронов в цифровых схемах. Благодаря возможности подавления помех большое практическое значение получило использование оптронов в системах связи, обеспечивая, например, качественно новый уровень телефонной связи. При передаче цифровых сигналов на значительное расстояние возможно возникновение «паразитных» электрических сигналов по цепям заземления, которые могут быть уменьшены за счет использования оптронов. В этом случае возможны различные варианты схем, включая цепи с резистивными и активными оконечными нагрузками. В отличие от резистивных оконечных нагрузок использование активных нагрузок позволяет четко фиксировать входной ток оптрона, уменьшить порог устройства и обеспечить поглощение вторичных отражений во входной цепи.

Представляет интерес рассмотреть блок-схему линии передачи информации общего пользования с использованием оптронов (рисунок 5.4). Если в линии на передачу работает лишь одно устройство, в то время как остальные устройства работают на прием, то такая система называется симплексной. Если в системе 2 устройства могут работать как передатчик, то система называется дуплексной. Широкое распространение получили мультиплексные системы, в которых любое устройство может работать и как приемник и как передатчик.

 

Рисунок 5.4 – Схема линии передачи общего пользования

 

В схеме на рисунке 5.5 можно одновременно передавать как тактовые, так и информационные сигналы по одной и той же линии. При этом чтобы избежать искажения тактовых импульсов, информационные сигналы следует передавать в паузах между тактовыми сигналами. За счет использования выходных оптронов с большим коэффициентом усиления можно исключить из схемы буферные инверторы. Помимо функции гальванической развязки и подавления помех в системах связи использование оптронов позволяет организовать систематическую регенерацию сигналов. В свою очередь, такие схемы могут быть использованы для построения оптоэлектронных триггеров и генераторов различного назначения. Известным фактом является то, что электронное устройство, охваченное достаточно глубокой положительной ОС обладает ВАХ с падающим участком (область отрицательного дифференциального сопротивления). Наличие такого участка отражает способность устройства усиливать сигналы.

Простые примеры реализации таких схем приведены на рисунке 5.6. Во входной цепи каскада действуют излучатель и резистор. В цепь положительной ОС включены фотоприемник, взаимодействующий с излучателем по оптическому каналу, а также усилитель фототока. В рассматриваемом случае ток обратной связи Iос = К1·Ку·Iсв зависит от коэффициента передачи диодного оптрона и коэффициента усиления усилителя. Разность входных потенциалов распределяется между СИД и резистором, причем падение напряжения на резисторе Uос=(1-К1·Ку)·Iсв существенно зависит от тока обратной связи.

 

 

Рисунок 5.5 – Варианты оптронных схем с отрицательным дифференциальным сопротивлением

 

Сравнительно несложные методы могут быть использованы для реализации с использованием оптронов основных логических функций цифровой техники. Цифровые элементы на основе транзисторных оптронов способны моделировать основные логические функции двух независимых переменных х1, х2, при этом, если переменная х принимает значение 0, то соответствующий фототранзистор не освещен и закрыт. В состоянии с х=1, фототранзистор освещен и находится в насыщенном состоянии. Если выходной потенциал оптоэлектронного ключа находится в состоянии низкого уровня, то логическая функция у двух переменных равна 0, при относительно высоком выходном потенциале функция у имеет значение равное 1. Схемная реализация основных логических функций с использование оптронов иллюстрируется на рисунке 8.

Рисунок 5.6- Схемные варианты реализации с помощью оптронов логических функций конъюнкции, И (а), штриха Шеффера, И-НЕ (б), дизъюнкции, ИЛИ (в), стрелки Пирса, ИЛИ-НЕ (г), штриха Шеффера, И-НЕ (д), импликации (е), запрета (ж), стрелки Пирса, ИЛИ-НЕ (з).

 

Контрольные вопросы

 

1. Назовите и охарактеризуйте основные группы оптронных приборов.

2. Назовите достоинства и недостатки оптронов.

3. Какие виды оптронов нельзя использовать в цифровых схемах и почему?

4. Назовите основные параметры оптронов.

5.

 



Последнее изменение этой страницы: 2016-06-09

headinsider.info. Все права принадлежат авторам данных материалов.