|
| |
|
Слаботочка Книги Важным элементом оптопары является оптический канал между излучателем и фотоприемником. Существуют три его разновидности. Прежде всего это простой светопровод, предназначенный для передачи энергии излучения на фотоприемниК; чаще всего он выполняется в виде прозрачной иммерсионной среды. Возможно и такое конструктивное решение, при котором в зазор между излучателем и приемником имеется доступ извне; в этом случае мы имеем оптопару с открытым оптическим каналом. Наконец, иммерсионная среда может быть выполнена из материала, светопро-пускание которого изменяется при внешних воздействиях; такой прибор называют оптопарой с управляемым оптическим каналом. Математическая модель. Оптрон в общем случае состоит из четырех функциональных частей, для описания которых используются следующие параметры: 5и, Вт/А, - эффективность излучателя, определяемая видом выбранного излучателя, режимом его возбуждения, температурой; 5ф, А/Вт, - чувствительность фотоприемника, зависящая от внутреннего усиления этого прибора; -Копт - передаточная функция оптического канала (например, при использовании обычной иммерсионной среды Кот определяется условиями ввода-вывода излучения, поглощением в среде, геометрическими факторами); Ку.с - передаточная характеристика электронного устройства связи (например, при использовании линейного усилителя Ку.с есть коэффициент его усиления). При расчете линейного режима (малый сигнал) работы оптро-на используются дифференциальные значения перечисленных коэффициентов; расчет режима переключения (большой сигнал) требует знания их интегральных значений. Приведем два примера. Коэффициент передачи тока оптопары на рис. 7.1,а, представляющий отношение выходного и входного токов, kt = SiKou.S (7.1). и для любого конкретного прибора может быть рассчитан с использованием формул, приводившихся ранее для излучателей,, фотоприемников, оптических сред. Коэффициент регенерации оптрона (см. рис. 7.1,е), характеризующий усиление сигнала при прохождении оптоэлектронного кольца, Срвг = S„ -Копт 5 Ку.с- (7.2) При Kperl имеет место полная регенерация, вследствие чего возникают неустойчивости, приводящие к скачкам токов, напряжений, мощности излучения. Поэтому регенеративные оптроны могут выступать ак генераторы и усилители электрических и оптических сигналов, бистабильные и многоустойчивые элементы. Однако реализовать эти богатые потенциальные возможности обычно не удается из-за низкого КПД двукратного преобразования энергии. Заметим в заключение, что приборы вида, приведенного на рис. 7.1,6, без звена оптической связи лишь формально относятся к оптронам - при их работе не проявляется и при расчете не учитывается специфика оптического взаимовлияния компонентов. Оптопары - элементы электрической развязки. В качестве элементов электрической развязки оптопары (см. рис. 7.1,а) получили широкое промышленное распространение благодаря тому, что для их успешного функционирования высокий КПД не является обязательным, а также из-за многочисленных принципи-.альных достоинств этих приборов, таких как идеальная электрическая развязка, высокое напряжение изоляции, однонаправленность распространения информации, широкополосность. К этому следует добавить совместимость оптопар с изделиями микроэлектроникрг - технологическую, эксплуатационную, по уровням входных и выходных сигналов. Среди оптопар, используемых для развязки, наиболее широко представлены такие, у которых в качестве фотоприемника применены фототранзистор, фотодиод, фототиристор, фоторезистор (рис. 7.2). Диодные и транзисторные оптопары применяются главным образом в цепях передачи цифровых информационных сигналов; критерием качества служит комбинированный параметр /СДзд (4д - время задержки распространения сигнала). По этому параметру диодные оптопары значительно опережают транзисторные, достигая 10 с~; теоретически предельное значение Ki/tan - - 10 с~ (при использовании GaAlAs-светодиодов и кремниевых p-t-n-фотодиодов). Этим и обусловлено доминирование диодных оптопар в ЭВМ, в технике обработки и передачи цифровой информации. Следует отметить, что диодные оптопары имеют низкий коэффициент передачи тока (/(, = 1 ... 3%) и требуют обязательного усиления выходного сигнала: поэтому они используются либо в составе оптоэлектронных микросхем (см. ниже), либо с дополнительным электронным обрамлением. Важной разновидностью диодных оптопар являются так называемые дифференциальные оптопары (рис. 7.2,е) - приборы, в которых один излучатель воздействует на два идентичных фотодиода. Подобие выходных характеристик двух каналов дифференциальной оптопары позволяет использовать эти приборы для неискаженной передачи аналоговых сигналов: непосредственно для передачи применяется один канал, а другой служит для организации цепи отрицательной обратной связи, корректирующей температурные, деградационные и другие изменения мощности излучателя. В устройствах бесконтактного управления удобны транзисторные оптопары, а для оптической коммутации высоковольтных сильноточных цепей - тиристорные. Критерий качества таких управляющих оптопар, определяемый отношением коммутируемой мощности в выходной цепи к мощности на входе, достигает 10... ... 10. Быстродействие транзисторных и тиристорных оптопар характеризуется временами переключения, типичные значения 5... 220   Рис. 7.2. Основные виды оптопар: а - транзисторная; б ~- диодная; в - резн-сторная; г - с составным транзистором; д- тиристорная; е- дифференциальная диодная Рис. 7.3. Схематическое расположение кристаллов излучателя (1), фотоприемника (2), иммерсионной среды (5) и микросхемы (4) в оптопарах различной конструкции ... 50 МКС, в лучших образ ах удается получить 1 мкс. Очевидная перспектива развития транзисторных оптопар связана с использованием в качестве фотоприемника гетеротранзисторов на основе твердых растворов АВ - при этом вполне реально снижение времен переключения до 1 ... 10 не. Транзисторные оптопары-наиболее массовый тип элементов электрической развязки. Резисторные оптопары также получили широкое распространение. Фоторезисторы в отличие от всех фо.оприемников с р-п-пе-реходами характеризуются высокой линейностью и симметричностью вольт-амперной характеристики, отсутствием внутренних ЭДС, низким уровнем шумов. В резисторных оптопарах выходное сопротивление при изменении режима входной цепи может изменяться в 10... 10" раз. Все это и обусловливает удобство и неза- 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 [72] 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 |