Оптроны и их применение. Что такое оптроны и их назначение? Стабилизатор с контрольным оптроном
Оптрон — это функциональное устройство, которое состоит из фотоизлучателя, фотоприемника и световода и осуществляет при работе преобразования оптических сигналов в электрические, а электрических в оптические.
Назначения. В электрической схеме оптрон выполняет функцию элемента связи, в одном из звеньев которого информация передается оптически. Это основное назначения оптрона. Если между элементами оптрона обеспечить обратную связь, то оптрон становится оптическим прибором, пригодным для усиления и генерирования электрических и оптических сигналов.
Класификация. Оптроны чаще всего классифицируют по виду оптической связи. Различают оптроны с внутренней и внешней оптической связью. Оптроны с внутренней оптической связью еще разделяют по виду внутренней связи. Различают оптроны с внутренной прямой оптической связью и оптроны с внутренной обратной оптической связью. Еще их классифицируют по виду обратной связи. Бывают оптроны с внутренной положительной обратным оптической связью и оптроны с внутренной отрицательной обратной оптической связью. Как будет показано ниже, основным элементом, который определяет функциональные возможности оптрона, является фотоприемник. Поэтому оптроны еще классифицируют по виду фотоприемников. Различают резисторные, диодные, транзисторные, тиристорные и комбинированные оптроны.
Рис. 1. Условные изображения оптронов: а — транзисторный; б — диодный; в — резисторный; г — с составным транзистором; д — тиристорный; е — дифференциальный; ж- диодно-транзисторный
Условные изображения и обозначения.
Условные изображения оптронов на схемах приведены на рис. 1. Условные обозначения оптронов в текстах объединяют семь символов, обозначающих
материал, класс и подкласс устройства, частотный диапазон работы, порядковый номер разработки, разделение на параметрические группы. Например, обозначение АОД130А означает: арсенидгалиевый оптрон диодный, частотный диапазон работы 1, порядковый номер разработки 30, параметрическая группа А.
Рис. 2. Основные элементы оптронов с внутренним (а) и внешним (б) оптическими связями
Строение.
Оптрон с внутренной оптической связью представляет собой четырехполюсник (рис. 2, а), который состоит из трех основных элементов: фотоизлучателя (источники света) 1, световода 2 и приемника света (фотоприемника) 3, помещенных в общий герметичный светонепроницаемый корпус. Оптрон с внешней оптической связью представляет собой двухполюсник, который имеет один оптический вход и один оптический выход (рис. 2, б). Он состоит из фотоприемника 3, усилителя 4, фотоизлучателя 1 и не имеет световода. В современных оптронах как фотоизлучатели преимущественно используют инжекционные диоды (светодиоды), реже — люминесцентные конденсаторы, а как фотоприемники-фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы, фототиристоры. Для достижения высоких
значений параметров недостаточно использовать высокоэффективные фотоизлучатели и фотоприемники. Необходимо обеспечить их согласование по спектральным характеристикам, быстродействием,
габаритами, температурными характеристиками. Согласованными опттронными парами есть элементы, приведенные в табл. 3.4. Световод оптрона (оптическая среда) имеет тройное назначение: свести к минимуму потери при передаче энергии от фотоизлучателя к фотоприемнику, обеспечить высокие значения параметров гальванической развязки, создать конструктивно целостный прибор. Как оптическая среда преимущественно используют полимерные оптические клеи и лаки, которые имеют высокую адгезию до полупроводниковых кристаллов, добрые диэлектрические свойства, высокую эластичность, низкую стоимость. Одновременно они имеют существенные недостатки: коэффициенты преломления этих материалов (n
≈ 1,5) существенно отличаются от коэффициентов преломления кремния и арсенида галлия (n
≈ 3,2-3,4) спектральные характеристики полимеров имеют в ближней ИК-области много провалов, обусловленных резонансным поглощением групп ОН, СH 3 , СH 2 , NН, что при значительных размерах световода может влиять на светоотдачу; для полимерных световодов характерно старение.
Таблица 3.4. Согласованные пары «фотоизлучатель-фотоприемник»
Если жесткость оптрона обеспечивается элементами конструкции, то как оптическая среда могут использовать вазелиноподобные силиконовые смазки, которые не засыхают. Перспективными с точки зрения улучшения оптической связи между фотоизлучателем и фотоприемником, является халькогенидное стекло (n ≈ 1,8..3,0). Его недостатком является низкая адгезия к полупроводникам, высокая хрупкость, плохие изолирующие свойства (p = 10 9 … 10 11 Ом см), низкая устойчивость к термоциклов. Реальные конструкции оптронов (рис.3) призваны не только обеспечить предельно высокие значения определяющих параметров, но и расширить функциональные возможности этих приборов.
Робота. Работу оптрона с внутренной прямой оптической связью можно проиллюстрировать с помощью его электрической схемы (рис. 4, а), с которой видно, что входной и выходной сигналы оптрона являются электрическими. Между его элементами отсутствует электрический, но имеющийся оптическая связь. При подаче на вход оптрона электрического сигнала возбуждается фотоизлучитель, световой поток которого по световоду попадает в фотоприемник. На его выходе формируется электрический сигнал, который свидетельствует о том, что в оптроне состоялось преобразования по схеме электрический сигнал — оптический — электрический.
Рис. 3. Разновидности оптронов: оптрон в DIP-корпусе (а), высоковольтный (б), энергетический (в), оптрон с пластмассовой полусферой (г), оптоперыватель (д), отражающий оптрон (е): 1 -фотоизлучатель; 2 — фотоприемник; 3 — световод; 4 — корпус; 5 — внешние выводы; Ме — металлические электроды
Рис. 4. Электрическая схема (а) и передаточная характеристика (б) оптрона с внутренной прямой оптической связью
В оптроне с внутренним обратной положительной связью фотоприемник и источник света соединены последовательно (рис. 5, а). В нем два входа (оптический и электрический) и два аналогичных выхода.
Рис. 5. Электрическая схема (а) и вольт-амперная характеристика (б) оптрона с внутренной обратной положительной оптической связью
Между его элементами являются электрическая связь. Конструктивно оптрон выполнен так, что часть исходного светового потока попадает обратно в фотоприемник. Это приводит к уменьшению сопротивления, увеличение яркости свечение, дальнейшего уменьшения сопротивления. Этот процесс имеет нарастающий характер и продолжается до тех пор, пока изменение сопротивления не будет существенно влиять на величину тока или напряжения, которые подводятся к источнику света. Для этого достаточно, чтобы выполнялось условие:
когда,
где, и — минимальное сопротивление фотодиода и сопротивление источника света; и — входной и входной максимальный токи оптрона; и — исходная и
выходная максимальная яркость свечения.
На практике такой режим работы оптрона называется состоянием «Включен». Состоянию «выключено» соответствует условие:
Переход оптрона из состояния «выключено» в положение «вкл» происходит скачком и сопровождается лавинообразным изменением тока и яркости в электрическом и оптическом кругах.
В оптроне с внутренной обратной отрицательной оптической связью фотоприемник и источник света соединены параллельно (рис. 6, а). Он тоже имеет два входа (электрический и оптический) и два аналогичных выхода. Между его элементами тоже есть электрическая связь. Конструктивно оптрон выполнено так, что часть исходного светового потока падает обратно в фотоприемник. Это приводит к уменьшению сопротивления фотоприемника и все большего шунтирование ним источники света, в результате этого начинает слабее светить.
В оптроне с внешной оптической связью входной и выходной сигналы являются оптическими. Его элементы соединены между собой электрической связью.
Рис. 7. Электрическая схема (а) и передаточная характеристика (б) оптрона с внешной оптической связью
При подаче на вход оптрона оптического сигнала уменьшается сопротивление фотоприемника, вследствие чего возрастает ток через фотоизлучатель и соответственно растет яркость его свечения.
Свойства.
Свойства оптронов определяют их характеристики и параметры. Различают входящие, исходящие, вольт-амперные и передаточные характеристики, их вид в значительной степени определяется электрической схеме оптрона и характером имеющихся оптических связей. Для оптронов с внутренной прямой оптической связью информативным является передаточная характеристика, выражающая
зависимость выходного электрического сигнала от входного. Для них любое изменение тока или напряжения фотоизлучения сопровождается соответствующими изменениями яркости его свечения, сопротивления фотоприемника и выходного тока оптрона. Поэтому его передаточная характеристика, выражающая зависимость выходного тока от входного, имеет вид, изображенный на рис. 4, б. Видно, что оптрон с внутренной прямой оптической связью можно рассматривать как элемент переменного сопротивления, величина которого определяется входным током или входным напряжением. Для оптронов с внутренной обратной положительной оптической связью основной является входная вольт-амперная характеристика, ее специфическая особенность заключается в наличии участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением, на которой напряжение падает, а ток возрастает. По внешнему виду она напоминает вольт амперные характеристики, электромагнитного реле или триггера (рис. 5, б).
Для оптронов с внутренной обратной отрицательной оптической связью основной тоже есть входная вольт-амперная характеристика. Ее вид приведен на рис. 6, б. Анализ формы кривой показывает, что при одинаковом спектральном составе входного и выходного излучений наблюдается монохроматическое усиления светового потока. Если же спектральный состав входного и выходного излучений разный, то наблюдается преобразования излучения. Оптрон с внешной оптической связью играет роль усилителя оптических сигналов (рис. 7).
Система параметров оптронов содержит параметры четырех групп:
1.
Параметры, описывающие входную характеристику оптронов.
2.
Параметры, которые описывают исходную характеристику оптронов.
3.
Параметры, описывающие передающую характеристику оптронов.
4.
Параметры, описывающие гальваническую развязку оптронов.
Поскольку на входе оптронов являются светодиоды или электролюминесцентные конденсаторы, а на выходе — фотодиоды, фототранзисторы, фоторезисторы, фототиристоры, то специфическим для оптронов есть только параметры двух последних групп. Степень влияния фотоизлучателя на фотоприемник (передающая характеристика) определяется:
— коэффициентом передачи тока применяемый для диодных и транзисторных оптронов;
— отношением темнового сопротивления к световому: или величиной светового сопротивления , которые применяют для резисторных оптронов;
— минимальным входным током, который обеспечивает выпрямлены входные характеристики , что применяют для тиристорных оптронов.
К ним относятся и параметры, характеризующие инерционность оптрона в импульсном режиме (время включения и выключения и ) и в высокочастотном (предельная частота ). Качество гальванической развязки в статике и динамике определяется заданием напряжения и сопротивления гальванической развязки (связи) и и проходной емкости (емкости связи).
Транзисторные оптроны характеризуются наибольшей схемотехнической гибкостью, имеют высокое значение коэффициента передачи тока, но по сравнению небольшое быстродействие (). Особенно большие значения , (до 600 … 800%) достигают в оптроне с составным транзистором. Диодные оптроны, производящих преимущественно с использованием р-
и n
-фотоприемников, отмечаются большим быстродействием , но значение для них составляет единицы процентов, поэтому необходимо усиление видеоизображений.
Диодные интегрированные оптроны, которые изготавливают по планарной технологии с применением GaAs
-свитлодиодив и Si — p — i — n
-фотодиодов, разделенных иммерсионной средой из стекла (n
= 2,7), подобно диодных неинтегрированных оптронов, имеют высокое быстродействие и малый коэффициент передачи тока (единицы процентов). Расположение их передающих характеристик на координатной плоскости, которыми определяют коэффициент передачи тока, существенно зависит от температуры (рис. 8). Сопротивление изоляции между выходом и входом, которым определяется степень развязки по постоянному току, составляет 10 8 … 10 12 Ом. Качество решения по переменным током зависит от проходной емкости, составляет единицы nФ
.
Рис. 8. Температурная зависимость передающих характеристик диодного оптрона с внутренной оптической связью
Рис. 9. Выходная характеристика оптрона в фотовентильном режиме (— точка выделения mах мощности)
Одна из важных особенностей диодных оптронов — способность работать в фотовентильном режиме без подачи внешнего напряжения на фотоприемник (Рис. 9). Оптрон выступает как управляющий изолированный источник питания. Серийные оптроны в фотовентильном режиме имеют, как правило, невысокий КПД (<0,5 … 1%), но достижения на лабораторных образцах КПД 10 … 15% и
возможность батарейного соединения оптронов служат основой для создания специфической группы маломощных (U ≈ 0,5 … 5 В, I ≈ 0,5..50 мА
) вторичных источников питания. Резисторные оптроны характеризуются линейностью и симметричностью исходной вольтамперной характеристики, отсутствием внутренних ЭДС, высокой кратностью отношение . Поэтому, несмотря на свою очень большую инертность и широкое развитие диодных и транзисторных оптронов, резисторные оптроны сохраняют важное самостоятельное значение. Тиристорные оптроны очень удобны в «силовой» оптоэлектронике. Они с одинаковым успехом пригодны для коммутации сильноточных цепей радиотехнического и электротехнического назначения. Управляя настолько большими мощностями в нагрузке, тиристорные оптроны за входом практически совместимы с ИМС (Значение Iвх составляет десятки миллиампер). Кроме рассмотренных разновидностей оптронов, которые распространены в промышленности, определенный интерес представляют и такие, в которых как фотоприемники используют МОН — варикапы, полевые транзисторы с диэлектрической затвором и с управляющим p-n
-переходом, однопереходные транзисторы, лавинные диоды и транзисторы, диоды с барьером Шоттки.
Очень перспективными для аналоговой техники является дифференциальные оптроны, в которых один фотоизлучатель работает на два идентичных фотоприемника (Рис. 1, е). К элементарным относятся и многоканальные оптроны, которые представляют собой набор одинаковых оптронов в одном корпусе.
Применение.
Оптроны с внутренним оптической связью широко применяются в различных отраслях радиотехники и электроники, вычислительной техники, автоматики, электротехники. В цифровых устройствах их используют для связи устройств, изготовленных на различной основе (например, для сопряжения биполярных ИМС с униполярными, туннельно-диодных и транзисторных схем и т.д.), их используют для управления силовыми цепями двигателей и реле постоянного и переменного токов от низковольтных маломощных логических схем; для связи логических схем с периферийным оборудованием ЭВМ; как элементы развязки от земли в источниках питания; как маломощные реле в электролюминесцентных системах отображения информации; в контрольно-измерительных устройствах,
непосредственно подключаются к сильноточным цепям переменного тока.
Оптроны, которые пригодны для передачи аналоговых сигналов, применяют как коммутирующие элементы в линиях телефонной связи; в кругах связи различных датчиков с ЭВМ; в медицинской электронике.
Оптроны с гибким световодом применяют для контроля высоковольтных линий электропередач; в измерительных системах, предназначенных для работы в условиях сильных помех (СВЧ-помехи, искрение) в устройствах управления и контроля высоковольтных электровакуумных приборов (клистронов, ЭЛТ, ЭОП, тому подобное); в технике физического эксперимента. Оптроны с открытым оптическим каналом (оптоперерывающий и отражающий оптроны) незаменимы в устройствах считывания информации с перфоносителей как индикаторы положения объектов и состояния их поверхностей в качестве датчиков вибрации, заполнения объемов жидкостью и т.д.
Описание, характеристики, Datasheet и методы проверки оптронов на примере PC817.
В продолжение темы «Популярные радиодетали при ремонтах импульсных блоков питания» разберем еще одну деталь- оптопара (оптрон) PC817. Он состоит из светодиода и фототранзистора. Между собой электрически никак не связанны, благодаря чему на основе PC817 можно реализовать гальваническую развязку двух частей схемы — например с высоким напряжением и с низким. Открытие фототранзистора зависит от освещенности светодиодом. Как это происходит более подробно я разберу в следующей статье где в экспериментах подавая сигналы с генератора и анализируя его при помощи осциллографа можно понять более точную картину работы оптопары.
Еще в других статьях я расскажу о нестандартном использовании оптрона первая в роли , а во второй . И используя эти схемные решения соберу очень простой тестер оптопар. Которому не не нужны никакие дорогие и редкие приборы, а всего лишь несколько дешевых радиодеталей.
Деталь не редкая и не дорогая. Но от нее зависит очень многое. Она используется практически в каждом ходовом (я не имею ввиду каком нибудь эксклюзивном) импульсном БЛОКЕ ПИТАНИЯ и выполняет роль обратной связи и чаще всего в связке тоже с очень популярной радиодеталью TL431
Для тех читателей, кому легче информацию воспринимать на слух, советуем посмотреть видео в самом низу страницы.
Оптопара (Оптрон) PC817
Краткие характеристики:
Корпус компактный:
- шаг выводов – 2,54 мм;
- между рядами – 7,62 мм.
Производитель PC817 – Sharp, встречаются другие производители электронных компонентов выпускают аналоги- например:
- Siemens – SFH618
- Toshiba – TLP521-1
- NEC – PC2501-1
- LITEON – LTV817
- Cosmo – KP1010
Кроме одинарного оптрона PC817 выпускаются и другие варианты:
- PC827 - сдвоенный;
- PC837 – строенный;
- PC847 – счетверенный.
Проверка оптопары
Для быстрой проверки оптопары я провел несколько тестовых экспериментов. Сначала на макетной плате.
Вариант на макетной плате
В результате удалось получить очень простую схему для проверки PC817 и других похожих оптронов.
Первый вариант схемы
Первый вариант я забраковал по той причине что он инвертировал маркировку транзистора с n-p-n на p-n-p
Поэтому чтобы не возникало путаницы я изменил схему на следующую;
Второй вариант схемы
Второй вариант работал правильно но неудобно было распаять стандартную панельку
под микросхему
Панелька SCS- 8
Третий вариант схемы
Самый удачный
Uf — напряжение на светодиоде при котором начинает открываться фототранзистор.
в моем варианте Uf = 1.12 Вольт.
В результате получилась такая очень простая конструкция.
1. Введение. 2
1.1. Основные определения. 2
1.2. Отличительные особенности оптронов. 2
1.3. Обобщенная структурная схема. 3
1.4. Применение. 4
1.5. История. 5
2. Физические основы оптронной техники. 6
2.1. Элементная база и устройство оптронов. 6
2.2. Физика преобразования энергии в диодном оптроне. 7
3. Параметры и характеристики оптопар и оптоэлектронных интегральных микросхем. 13
3.1. Классификация параметров изделий оптронной техники. 13
3.2. Диодные оптопары. 14
3.3. Транзисторные и тиристорные оптопары. 15
3.4. Резисторные оптопары. 15
3.5. Дифференциальные оптопары. 15
3.6. Оптоэлектронные микросхемы. 16
4. Сферы применения оптронов и оптронных микросхем. 16
4.1. Передача информации. 17
4.2. Получение и отображение информации. 18
4.3. Контроль электрических процесов. 18
4.4. Замена электромеханических изделий. 19
4.5. Энергетические функции. 19
5. Литература. 19
1. ВВЕДЕНИЕ
1.1 Основные определения.
Оптронами называют такие оптоэлектронные приборы, в которых имеются источник и приемник излучения (светоизлучатель и фотоприемник) с тем или иным видом оптической и электрической связи между ними, конструктивно связанные друг с другом.
Принцип действия оптронов любого вида основан на следующем. В излучателе энергия электрического сигнала преобразуется в световую, в фотоприемнике, наоборот, световой сигнал вызывает электрический отклик.
Практически распространение получили лишь оптроны, у которых имеется прямая оптическая связь от излучателя к фотоприемнику и, как правило, исключены все виды электрической связи между этими элементами.
По степени сложности структурной схемы среди изделий оптронной техники выделяют две группы приборов. Оптопара (говорят также “элементарный оптрон”) представляет собой оптоэлектронный полупроводниковый прибор, состоящий из излучающего и фотоприемного элементов, между которыми имеется оптическая связь, обеспечивающая электрическую изоляцию между входом и выходом. Оптоэлектронная интегральная микросхема представляет собой микросхему, состоящую из одной или нескольких оптопар и электрически соединенных с ними одного или нескольких согласующих или усилительных устройств.
Таким образом в электронной цепи такой прибор выполняет функцию элемента связи, в котором в то же время осуществлена электрическая (гальваническая) развязка входа и выхода.
1.2 Отличительные особенности оптронов.
Достоинства этих приборов базируются на общем оптоэлектронном принципе использования электрически нейтральных фотонов для переноса информации. Основные из них следующие:
Возможность обеспечения идеальной электрической (гальванической);развязки между входом и выходом; для оптронов не существует каких-либо принципиальных физических или конструктивных ограничений по достижению сколь угодно высоких напряжений и сопротивлений развязки и сколь угодно малой проходной емкости;
Возможность реализации бесконтактного оптического управления электронными объектами и обусловленные этим разнообразие и гибкость конструкторских решений управляющих цепей;
Однонаправленность распространения информации по оптическому каналу, отсутствие обратной реакции приемника на излучатель;
Широкая частотная полоса пропускания оптрона, отсутствие ограничения со стороны низких частот (что свойственно импульсным трансформаторам); возможность передачи по оптронной цепи как импульсного сигнала, так и постоянной составляющей;
Возможность управления выходным сигналом оптрона путем воздействия (в том числе и неэлектрического) на материал оптического канала и вытекающая отсюда возможность создания разнообразных датчиков, а также разнообразных приборов для передачи информации;
Возможность создания функциональных микроэлектронных устройств с фотоприемниками, характеристики которых при освещении изменяются по сложному заданному закону;
Невосприимчивость оптических каналов связи к воздействию электромагнитных полей, что в случае “длинных” оптронов (с протяженным волоконно-оптическим световодом между излучателем и приемником) обусловливает их защищенность от помех и утечки информации, а также исключает взаимные наводки;
Физическая и конструктивно-технологическая совместимость с другими полупроводниковыми и микроэлектронными приборами.
Оптронам присущи и определенные недостатки:
Значительная потребляемая мощность, обусловленная необходимостью двойного преобразования энергии (электричество - свет - электричество) и невысокими КПД этих переходов;
Повышенная чувствительность параметров и характеристик к воздействию повышенной температуры и проникающей ядерной радиации;
Более или менее заметная временная деградация (ухудшение) параметров;
Относительно высокий уровень собственных шумов, обусловленный, как и два предыдущих недостатка, особенностями физики светодиодов;
Сложность реализации обратных связей, вызванная электрической разобщенностью входной и выходной цепей;
Конструктивно-технологическое несовершенство, связанное с использованием гибридной непланарной технологии, (с необходимостью объединения в одном приборе нескольких - отдельных кристаллов из различных полупроводников, располагаемых в разных плоскостях).
Перечисленные недостатки оптронов по мере совершенствования материалов, технологии, схемотехники частично устраняются, но тем не менее еще длительное время будут носить достаточно принципиальный характер. Однако их достоинства столь высоки, что обеспечивают уверенную внеконкурентность оптронов среди других приборов микроэлектроники.
1.3 Обобщенная структурная схема (рис. 1.1).
Рис 1.1. Обобщенная структурная схема оптрона. |
Как элемент связи оптрон характеризуется коэффициентом передачи К i , определяемым отношением выходного и входного сигналов, и максимальной скоростью передачи информации F . Практически вместо F измеряют длительности нарастания и спада передаваемых импульсов t нар (сп) или граничную частоту. Возможности оптрона как элемента гальванической развязки характеризуются максимальным напряжением и сопротивлением развязки U разв и R разв и проходной емкостью C разв .
В структурой схеме рис. 1.1 входное устройство служит для оптимизации рабочего режима излучателя (например, смещения светодиода на линейный участок ватт-амперной характеристики) и преобразования (усиления) внешнего сигнала. Входной блок должен обладать высоким КПД преобразования, высоким быстродействием, широким динамическим диапазоном допустимых входных токов (для линейных систем), малым значением “порогового” входного тока, при котором обеспечивается надежная передача информации по цепи.
Назначение оптической среды - передача энергии оптического сигнала от излучателя к фотоприемнику, а также во многих случаях обеспечение механической целостности конструкции.
Принципиальная возможность управления оптическими свойствами среды, например с помощью использования электрооптических или магнитооптических эффектов, отражена введением в схему устройства управления, В этом случае мы получаем оптрон с управляемым
оптическим каналом, функционально отличающийся от “обычного” оптрона: изменение выходного сигнала может осуществляться как по входу, так и по цепи управления.
В фотоприемнике происходит “восстановление” информационного сигнала из оптического в электрический; при этом стремятся иметь высокую чувствительность и высокое быстродействие.
Наконец, выходное устройство призвано преобразовать сигнал фотоприемника в стандартную форму, удобную для воздействия на последующие за оптроном каскады. Практически обязательной функцией выходного устройства является усиление сигнала, так как потери после двойного пpeобразования очень значительны. Нередко функцию усиления выполняет и сам фотоприемник (например, фототранзистор).
Общая структурная схема рис. 1.1 реализуется в каждом конкретном приборе лишь частью блоков. В соответствии с этим выделяют три основные группы приборов оптронной техники; ранее названные оптопары (элементарные оптроны), использующие блоки светоизлучатель - оптическая среда - фотоприемник; оптоэлектронные (оптронные) микросхемы (оптопары с добавлением выходного, а иногда и входного устройства); специальные виды оптронов - приборы, функционально и конструктивно существенно отличающиеся от элементарных оптронов и оптоэлектронных ИС
Реальный оптрон может быть устроен и сложнее, чем схема на рис. 1.1; каждый из указанных блоков может включать в себя не один, а несколько одинаковых или подобных друг другу элементов, связанных электрически и оптически, однако это не изменяет существенно основ физики и электроники оптрона.
1.4 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, триаков, симисторов, управление электромеханическими релейными устройствами
Инструкция
Если оптрон, исправность которого поставлена под , впаян в плату, необходимо отключить ее , разрядить на ней электролитические конденсаторы, а затем выпаять оптопару, запоминая, как она была впаяна.
Оптроны имеют разные излучатели (лампы накаливания, неоновые лампы, светодиоды, светоизлучающие конденсаторы) и разные приемники излучения (фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы, фототиристоры, фотосимисторы). Также они цоколевкой. Поэтому необходимо найти данные о типе и цоколевке оптопары либо в справочнике или даташите, либо в схеме того прибора, где он был установлен. Нередко цоколевки оптрона нанесена прямо на плату этого прибора.Если прибор современный, можно почти наверняка быть уверенным, что излучателем в нем светодиод.
Если приемником излучения является фотодиод, к нему подключите элемент оптрона включите, соблюдая полярность, в цепочку, состоящую из источника постоянного напряжения в несколько вольт, резистора, рассчитанного таким образом, чтобы ток через приемник излучения не превысил допустимого, и мультиметра, работающего в режиме измерения тока на соответствующем пределе.
Теперь введите излучатель оптопары в рабочий режим. Для включения светодиода пропустите через него в прямой полярности постоянный ток, равный номинальному. На лампу накаливания подайте номинальное напряжение. Неоновую лампу или светоизлучающий конденсатор, соблюдая осторожность, подключите к сети через резистор сопротивлением от 500 кОм до 1 МОм и мощностью не менее 0,5 Вт.
Фотоприемник должен среагировать на включение излучателя резким изменением режима. Попробуйте теперь несколько раз выключить и включить излучатель. Фототиристор и фоторезистор останутся открытыми и после снятия управляющего воздействия вплоть до отключения их питания. Остальные типы фотоприемников будут реагировать на каждое изменение управляющего сигнала.Если оптрон имеет открытый оптический канал, убедитесь в изменении реакции приемника излучения при перекрытии этого канала.
Сделав вывод о состоянии оптрона, экспериментальную установку обесточьте и разберите. После этого впаяйте оптопару обратно в плату либо замените на другую. Продолжите ремонт устройства, в состав которого входит оптрон.
Оптопара или оптрон состоит из излучателя и фотоприемника, отделенных друг от друга слоем воздуха или прозрачного изолирующего вещества. Они не связаны между собой электрически, что позволяет использовать прибор для гальванической развязки цепей.
Инструкция
К фотоприемнику оптопары присоедините измерительную цепь в соответствии с его типом. Если приемником является фоторезистор, используйте обычный омметр, причем, полярность неважна. При использовании в качестве приемника фотодиода подключите микроамперметр без источника питания (плюсом к аноду). Если сигнал принимается фототранзистором структуры n-p-n, подключите цепь из резистора на 2 килоома, батарейки на 3 вольта и миллиамперметра, причем, батарейку присоедините плюсом к коллектору транзистора. В случае, если фототранзистор имеет структуру p-n-p, поменяйте полярность подключения батарейки на обратную. Для проверки фотодинистора составьте цепь из батарейки на 3 В и лампочки на 6 В, 20 мА, подключив ее плюсом к аноду динистора.
В большинстве оптронов излучателем является светодиод либо лампочка накаливания. На лампочку накаливания подайте ее номинальное напряжение в любой полярности. Можно также подать переменное напряжение, действующее значение которого равно рабочему напряжению лампы. Если же излучателем является светодиод, подайте на него напряжение 3 В через резистор на 1 кОм (плюсом к аноду).
Оптопарой называют оптоэлектронный полупроводниковый прибор, содержащий источник и приемник оптического излучения, которые оптически и конструктивно связаны между собой, и предназначенный для выполнения различных функциональных преобразований электрических и оптических сигналов.
Источниками излучения могут быть лампы накаливания, газоразрядные лампы, полупроводниковые излучатели, светодиоды. В интегральных оптоэлектронных схемах источником оптического излучения является инжекционный светодиод, обеспечивающий высокое быстродействие оптопар. Фотоприемниками могут быть: фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы, фототиристоры. Сочетание в одном конструктивном элементе светодиода с одним из этих фотоприемников позволило создать ряд оптопар с различными характеристиками: резисторных, диодных, транзисторных, тиристорных (рис. 5.19). Связывающим звеном между источником излучения и фотоприемником служит пассивная или активная оптическая среда, выполняющая функции световода.
Рис.8.18. Виды оптопар: резисторная (а), диодная (б), транзисторная (в), тиристорная(г),
Принцип действия оптопары основан на двойном преобразовании энергии. В источниках излучения энергия электрического сигнала преобразуется в оптическое излучение, а в фотоприемниках оптический сигнал преобразуется в электрический сигнал (ток или напряжение). Оптопара представляет собой прибор с электрическими входными и выходными сигналами.
Световод обеспечивает гальваническую развязку входной и выходной цепей (сопротивление изоляции может достигать 10 12 …10 14 Ом, а емкость связи 10 -2 пФ) и однонаправленность передачи сигналов от источника излучения к фотоприёмнику, что характерно для оптических линий связи.
Достоинствами оптопар является:
1. отсутствие электрической связи между входом и выходом, а также обратной связи между фотоприёмником и источником излучения.
2. широкая полоса пропускания электрических колебаний, что позволяет передавать сигналы в диапазоне частот от 0 до 10 14 Гц.
3. высокая помехозащищённость оптического канала, что обусловлено невосприимчивостью фотонов к воздействию внешних электромагнитных полей.
4. простота совмещения оптопар с микросхемами в различных устройствах телекоммуникации.
Оптопары используются в качестве:
а) элемента электрической развязки в цифровых и импульсных устройств, а так же аналоговых устройств.
б) бесконтактного управления высоковольтными источниками питания в различных системах автоматики.
в) ключа для формирования и коммутации мощных импульсов, а так же для связи датчиков с измерительными устройствами и блоками.
Резисторные оптопары наиболее универсальны. Они могут использоваться в аналоговых и ключевых устройствах, имеют широкий диапазон изменения сопротивления (десятки–сотни МОм в неосвещенном и сотни Ом в освещенном состояниях), низкий частотный диапазон. В резисторной оптопаре в качестве излучателя применяются светодиоды, работающие в широком оптическом диапазоне. Для получения энергетических параметров необходимо согласовать излучатель и приемник по спектральным характеристикам.
Резисторные оптопары описываются следующими параметрами входной и выходной цепей:
1. Максимальный входной ток I вх. макс - это максимальное значение среднего входного или постоянного тока.
2. Входное напряжение U вх - это прикладываемое ко входным зажимам излучателя постоянное или эффективное напряжение при рабочем входном токе.
3. Выходной коммутирующий ток I вых. ком - это номинальный выходной ток управляемый нагрузкой.
4. Максимальный выходной ток - это значение тока при котором резисторный оптрон работает длительное время.
5. Максимальное выходное коммутируемое напряжение - это максимальное значение напряжения на выходе оптопары.
6. Максимальная мощность рассеяния на выходе оптопары при которой обеспечивается длительная работоспособность устройства.
7. Выходное темновое и выходное световое сопротивления.
8. Проходная емкость С пр - между входом и выходом оптопары.
9. Сопротивление изоляции R из - это сопротивление между входом и выходом оптопары.
10. Максимальное напряжение изоляции - это максимальное напряжение при котором сохраняется прочность и надежность изделия, прикладываемого между входом и выходом оптотары.
Примерами резисторных оптопар могут быть: ОЭП-16, ОЭП-1, ОЭП-2, ОЭП-9.
Диодные оптопары используются в качестве ключа и могут коммутировать ток с частотой 10 6 …10 7 Гц. Темновое сопротивление достигает 10 8 …10 10 Ом, а при освещении снижается до сотен Ом. Сопротивление между входной и выходной цепями 10 13 …10 15 Ом. В качестве излучателя в диодных оптопарах используется светодиод, работающий в инфракрасной области излучения, и в качестве фотоприемника - кремневый фотодиод. Светодиод имеет максимум спектральной характеристики на длине волны около 1мкм.
Диодные оптопары описываются следующими параметрами входной и выходной цепями:
1. U вх - входное напряжение определяется при заданном входном токе, протекающем через светодиод;
2. I вх. макс - это максимальное значение постоянного тока или импульсного тока, при котором обеспечивается долговременная надежная работа оптопары;
3. U вх. обр. макс - это максимальное входное обратное напряжение прикладываемое ко входу оптопары, при котором обеспечивается долговременная надежная работа оптопары;
4. I т - выходной (тепловой) ток фотодиода при отсутствии входного (фотопотока);
5. I вых. обр - выходной обратный ток при заданном напряжении на выходе и отсутствие входного тока.
6. U вых. макс. обр - максимальное обратное напряжение выходной цепи, при котором фотодиод работает надежно и долговременно;
7. t нр - время нарастания выходного сигнала, при котором амплитуда выходного напряжения изменяется от 0,1 до 0,5 U вых. макс;
8. t сп - время спада выходного сигнала. За этот промежуток времени выходное напряжение уменьшается от 0,9 до 0,5 своего максимального значения.
Примерами диодных оптопар являются АОД101А...АОД101Д, АОД107, ЗОД107А и др.
Транзисторные оптопары имеют большую чувствительность, чем диодные. Быстродействие не превышает 10 5 Гц. В транзисторной оптопаре используется светодиод с длиной волны излучения около 1 мк м, а в качестве фотоприемника - кремниевый фототранзистор n-p-n-типа.
Если отсутствует оптическое излучение, то в цепи коллектора фототранзистора всегда протекает небольшой обратный ток (темновой ток), величина которого сильно зависит от температуры. Для снижения величины темнового тока включается внешний резистор между выводами базы и эмиттера величиной порядка 0,1...1,0 М Ом.
Транзисторная оптопара описывается параметрами входной и выходной цепей. Учитывая что в диодных и транзисторных оптопарах используются практически одинаковые светодиоды, то входные параметры транзисторных оптопар такие же как и у диодных оптопар.
Транзисторный оптрон описывается следующими параметрами выходной цепи:
1. U ост - остаточное выходное напряжение на выходе оптопары, когда фототранзистор открыт;
2. I ут.вых - ток протекающий в выходной цепи при закрытом фототранзисторе (ток утечки);
3. P ср. макс - средняя максимальная мощность рассеяния при которой оптопара сохраняет долговременную надежную работу;
4. I вых. макс - максимальный выходной ток фототранзистора при надежной его работе;
5. t нр - время нарастания выходного сигнала, при котором выходное напряжение изменяется от 0,9 до 0,1 своего максимального значения.
6. t сп - время спада выходного напряжения, при котором выходное напряжение увеличивается от 0,1 до 0,9 максимального значения.
7. t вкл - время включения - это время с момента подачи входного сигнала до момента, когда входной сигнал достигает 0,1 U вх. макс. или это время стада - t сп выходного напряжения до уровня 0,1 U вых. макс.
8. t выкл - время выключения - это время за которое входной сигнал уменьшается до 0,9 U вх.макс. или это t нр - время нарастания выходного напряжения до 0,9 U вых.макс.
9. Максимальное напряжение изоляции U из - напряжение, которое может быть приложено между входом и выходом и при котором сохраняется электрическая прочность оптопары.
Примерами транзисторных оптопар являются: АОТ123А, ЗОТ123Б, АОТ110(А,Б,В), ЗОТ123А, АОТ123Т и др.
Тиристорные оптопары применяются в ключевых режимах, для формирования и коммутации мощных импульсов. Излучателем в тиристорной оптопаре служит светодиод, а приемником - кремневый фототиристор. Фототиристор сохраняет включенное состояние даже при прекращении излучения светодиода. Всвязи с этим управляющий световой сигнал от светодиода может подаваться только на время необходимое для отпирания тиристора. Все это позволяет снизить энергию, необходимую для управления фототиристорной оптопарой. Для запирания фототиристора необходимо снять внешнее напряжение. Все это отличает тиристорную оптопару от транзисторной. Тиристорная оптопара описывается следующими параметрами:
1. Ток включения I вкл (входной ток срабатывания I вх, сраб) - постоянный прямой ток оптопары, который переводит оптопару в открытое состояние при заданном режиме на входе;
2. Импульсный ток включения I вкл. им - амплитуда входного импульса тока заданной длительности, которая включает оптопары в открытое состояние;
3. U вх - входное напряжение на входе светодиода при заданном входном токе включения;
4. I вх - входной постоянный ток светодиода;
5. I вх. им - входной импульсный ток оптопары;
6. I вых. закр - выходной ток в закрытом состоянии, который протекает в выходной цепи при закрытом состоянии фототиристора и заданном режиме;
7. I вых. обр - выходной обратный ток протекающий при закрытом состоянии фототиристора;
8. U ост - выходное напряжение на открытом фототиристоре;
9. I вых. уд - ток удержания - наименьший ток фототиристора в открытом состоянии;
10. U вых.мин - минимальное постоянное выходное напряжение на фототиристоре при котором обеспечивается включение оптопары при заданном сигнале на входе;
11. U вых.обр - максимальное выходное напряжение при котором обеспечивается заданная надежность;
12. t вкл - время включения - это интервал времени между входным импульсом тока на уровне 0,5 и выходным током на уровне 0,9 максимального значения;
13. t выкл - время выключения - это промежуток времени от момента окончания выходного тока до момента начала следующего выходного тока, под действием которого фототиристор не переключается в открытое состояние.
14. C вых - выходная емкость на выходе тиристорной оптопары в закрытом состоянии.
Примеры тиристорных оптопар: АОУ103А, ЗОУ103А, АОУ103В, ЗОУ103Б.