|
| |
|
Слаботочка Книги ния сигнала Uh{k<.N) разрешающий потенциал ей фиксирован на высоком уровне, светодиод СДи интенсивно излучает, а оптически связанный с ним фототранзистор ФТи оказывается в режиме насыщения и «подает» сигнал Uh в цепь нагрузки Rn- Последующее представление аналогового сигнала % в цифровой форме осуществляется по стандартной методике [14]. Богатые функциональные возможности интегрированных оптоэлектронных матриц хорошо известны [15]. Однако промышленное производство многоканальных оптронов находится на начальной стадии развития (ука- жем на двухканальные приборы К249КН1, К249КП1 и трехканальный АОД109). 4.3. ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ СОГЛАСОВАНИЕ ОПТРОНОВ С ЦИФРОВЫМИ МИКРОСХЕМАМИ Обязательным условием широкого применения оптро- нов является эффективное согласование светоизлучате-лей и фотоприемников с интегральными элементами цифровой техники, и в первую очередь с весьма распространенными элементами ТТЛ. Управление светодиодами с помощью элементов , ТТЛ организовать технически несложно [1, 16]. Следует лишь учитывать ряд особенностей успешного взаимодействия светодиодов и ключевых ИС. Необходимо четко ограничивать ток проводимости открытого светоизлучателя, что позволяет фиксировать уровень мощности генерируемого светового потока и избежать превышения эксплуатационной нормы тока. Важно также обеспечить достаточную универсальность схем, сопрягающих интегральные элементы и светодиоды. Такие схемы не должны существенно изменять электрический режим и нарушать работоспособность источника переключающих сигналов (интегрального транзисторного элемента). Необходимо предусмотреть возможность замены однотип- /1 ных интегральных элементов, учитывая технологический разброс их параметров. Отмеченным требованиям в значительной степени удовлетворяют схемы управления светодиодами, представленные на рис. 4.9. В простейшей схеме (рис. 4.9,а) светоизлучатель соединен с выходом интегрального логического элемента (ЛЭ) посредством токоограничиваю-щего резистора R. Выходной потенциал выключенного элемента ЛЭ близок к напряжению питания Е, поэтому 178 ток проводимости светодиода невелик. При включении логического элемента напряжение на его выходе резко спадает и практически не ограничивает ток в цепи со светодиодом. В этом состоянии ток возбуждения излучателя фиксируется на уровне In={E-Uсв) IR; здесь DcB=l,2 ... 1,5 В - падение напряжения на арсенидогаллиевой светодиоде, смещенном в прямом направлении. Входные цепи - -кь  Рис. 4.9. Логические элементы в цепях управления светодиодами. В схеме рис. 4.9,6 используется принцип переключения тока /п, заданного в цепи с высокоомным резистором. В качестве диода используется германиевый или кремниевый прибор, обладающий заметно меньшим порогом по напряжению, чем арсенидогаллиевый светодиод. Поэтому при включенном ЛЭ диод открыт, и ток , ответвляется в цепь интегральной транзисторной схемы, минуя излучатель. При выключении ЛЭ диод запирается, а ток In переключается в цепь со светодиодом, генерирующим в этом режиме световой поток стабильной мощности. Максимальный ток нагрузки интегрального элемента и ток проводимости открытого светодиода не I превышают в схеме рис. 4.9,6 уровня /п и, таким образом, четко регламентированы. Интенсивно излучающий светодиод потребляет значительный электрический ток и создает большую на- грузку на управляющий переключатель. В рассмотренных схемах (рис. 4.9,а и б) ЛЭ, непосредственно соединенный со светодиодом, как правило, не способен эффективно управлять однотипными логическими эле-ментами и, таким образом, обладает весьма ограниченными функциональными возможностями. Для восста-j новления энергетических ресурсов (а следовательно, коэффициента разветвления) ЛЭ целесообразно исполь! зовать в цепи его связи с излучателем промежуточные (буферный) транзисторный усилитель тока. Успешно применяется в подобных случаях эмиттер-] ный повторитель (рис. 4.9,в). Транзистор создает в эмиттерной цепи ток In и эффективно возбуждает све- тодиод; вместе с тем ток нагрузки ЛЭ не превышает (0,01 ... 0,03)/п. Следует все же учитывать, что ток воз- 1 бужденного светодиода изменяется в схеме рис. 4.9,8; пропорционально выходному потенциалу выключенного-! ЛЭ и поэтому нестрого фиксирован и стабилен. Замет- Щ ное влияние на ток излучателя (как и в схемах на, рис. 4.9,а и б) оказывает прямое падение напряжения на светодиоде, нестабильное из-за технологического разброса и температурного дрейфа. Отмеченное влияние светодиода на уровень возбуждающего тока /п исключается в схеме рис. 4.9,г, где излучатель помещен в высокоомную коллекторную цепь биполярного транзистора. Следует, однако, учитывать, что разность напряжения питания Е и выходного потенциала выключенного ЛЭ должна превышать падение напряжения на светодиоде, смещенном в прямом направлении; в противном случае транзистор окажется в режиме насыщения. В схеме на рис. 4.9,5 электрическое согласование ЛЭ и светодиода достигается с помощью транзистора р-п-р-типа. Поэтому возбуждение излучателя обеспечивается при включенном ЛЭ. Более сложной оказывается техника сопряжения фотоприемников с интегральными ЛЭ, причем наибольшие трудности возникают, если приемником света является фотодиод. Ток фотоэлектрической проводимости, создаваемый на выходе диодного оптрона, сравнительно невелик (50 ... 200 мкА); поэтому согласование фотоприемников с интегральными транзисторными схемами оказывается приемлемо эффективным лишь с введением межкаскадных усилителей тока. Схемотехника выход- -ых каскадов фотоприемников также не является произвольной или тривиальной: следует использовать выходные компоненты и цепи, четко согласованные с элементами нагрузки по электрическому режиму, энергетическим ресурсам и другим техническим показателям. На рис. 4.10 представлены распространенные схемы электрического согласования диодных оптронов с интегральными ЛЭ [1, 9, 17, 18]. Как правило, такие схемные комбинации (выделенные на рис. 4.10 штриховыми прямоугольниками) выпускаются в виде закончен-  г; , Рис. 4.10. Схемы согласования фотодиодов с логическими элементами ных изделий - оптронных микросхем. Отметим, что принятая на рис. 4.10 единая нумерация выводов оптронных микросхем (/, 2 -анод и катод светодиода, 3 - цепь напряжения питания, - выходная цепь, 5 -«шина» нулевого потенциала, б -цепь управления триггером) необязательно совпадает с номерами контактов, указанных в паспортных данных серийных микросхем. Схема на рис. 4.10,а представляет один из двух независимых оптоэлектронных каналов микросхемы [17]. В состав устройства входят диодный оптрон, транзисторный усилитель, малоинерционный транзистор с коллектором Шоттки. Согласование оптронных микросхем с ЛЭ оказывается принципиально несложным, если усилители фототока строятся на базе логических элементов, однотипных с элементами управления и нагрузки. Простейшая структура такой микросхемы показана на рис. 4.10,6. Отметим, что оптронный инвертор-переключатель отечественного производства (серии К249ЛП1) вьшолнен по схеме рис. 4.10,6. В указанной оптронной микросхеме объединены бескорпусная диодная оптопара и один из вентилей базового кристалла интегральной схемы К155 (или ей подобных). Для эффективного малоинерционного запуска быстродействующих ЛЭ требуются достаточно мощные электрические сигналы с крутыми фронтами. Формирование таких сигналов на выходе оптронных микросхем достигается введением спусковых транзисторных секций (триггеров, одновибраторов), обеспечивающих регенерацию сигналов фототока. В устройствах, показанных на рис. 4.10,8 и г, формирователем крутых перепадов напряжения является триггер Т с эмиттерной связью [18]. Выходным каскадом оптронной микросхемы рис. 4.10,в служит биполярный транзистор с разомкнутой коллекторной цепью (как в схеме рис. 4.10,а). На выходе оптронной микросхемы рис. 4.10,г действует малоинерционный элемент ТТЛ. Конкретные особенности электрического согласования диодных оптронов с ЛЭ наглядно иллюстрируют 1 У X   бходнь/е\ цепи Рис. 4.11. Схемные варианты согласования оптронов с логнче-J скими элементами схемные варианты (рис. 4.11). Управление светодиодом с помощью транзисторного переключателя тока (или элемента эмиттерно-связанной логики) достигается по схеме рис. 4.11,а [20]. В цепи управления введены усилители тока на транзисторах ТЗ и Т4. Если входной потенциал превышает уровень -на 0,5 ... 0,7 В, то закрыт транзистор Т2, а базовый потенциал транзистора Т4 заметно выше потенциала базы транзистора ТЗ. В таком электрическом режиме светодиод смещен в прямом направлении и интенсивно излучает. Если входной потенциал ниже уровня -на 0,5 ... 0,7 В, то закрыт транзистор Tl; напряжение на его коллекторе заметно превосходит коллекторный потенциал открытого транзистора Т2. Светодиод в этом случае закрыт. Диод (кремниевый прибор на 0,5 В) в определенной мере снижает потенциал катода свето- удиода по сравнению с потенциалом эмиттера транзистора ТЗ и, таким образом, ограничивает сдвиг рабочей точки излучателя в обратном направлении, сохраняя его чувствительность к управляющим сигналам достаточно высокой. В качестве усилителя фототока успешно используется . каскад Дарлингтона, содержащий два биполярных транзистора с объединенными коллекторами. Однако согласование такого каскада, действующего на выходе оптронной микросхемы, с элементами ТТЛ затруднительно. Дело в том, что при насыщении транзисторов выходной потенциал каскада Дарлингтона (суммирующий падение напряжения на двух последовательно соединенных транзисторах) составляет 0,7 ... 0,8 В, что не гарантирует надежного запирания элемента ТТЛ. Удачным решением проблемы согласования является разделение коллекторных цепей составного транзистора по схеме рис. 4.11,6 [19]. Теперь напряжение на коллекторе выходного транзистора Т2 составляет в режиме насыщения лишь 0,1 В и оптоэлектронная микросхема обеспечивает запирание элемента ТТЛ в состоянии «О» без технических затруднений. Вариант микросхемы, построенной на базе элемента ТТЛ, с оптическим каналом управления показан на Ьис. 4.11,6. Уровень тока освещенного фотодиода должен быть достаточен для насыщения транзисторов Tl и Т4. Если фотоприемник не освещен, то транзисторы Т2 й ТЗ, открытые по цепи с резистором Rl, фиксируют 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 |