15 Оптоелектронни устройства
Оптрони (оптрони) са такива полупроводникови устройства, в които има източник и приемник на излъчване (излъчвател на светлина и фотодетектор) с един или друг вид оптична връзка между тях.
Принципът на работа на оптроните от всякакъв вид се основава на следното. В излъчвателя енергията на електрическия сигнал се преобразува в светлина, а във фотодетектора, напротив, светлинният сигнал предизвиква електрически отговор (сигнал). 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 връзка между тези елементи.Наличието на оптична връзка осигурява електрическа изолация между входа (емитер) и изхода (фотодетектора).
По този начин в електронна схема такова устройство изпълнява функцията на свързващ елемент, в който в същото време се извършва електрическа (галванична) изолация на входа и изхода.
Използването на оптоелектронни устройства е доста разнообразно: за комуникация на единици оборудване, между които има значителна потенциална разлика; за защита на входните вериги на измервателни устройства от смущения и смущения, оптично, безконтактно управление на вериги с висок ток и високо напрежение (твърдотелни релета), задействане на мощни тиристори, триаци, управление на електромеханични релейни устройства.
Създаването на "дълги" оптрони (устройства с разширен гъвкав оптичен световод като оптичен канал) отвори напълно нова посока за използване на продукти на оптронната технология - комуникация на разстояние чрез оптични влакна.
Оптоелектронните устройства се използват и в чисто радиотехнически схеми за модулация, автоматично регулиране на усилването и др. Въздействието върху оптичния канал се използва тук за извежданевериги до оптимален режим на работа, за безконтактна смяна на режима и др.
Конвенционалните графични обозначения на основните типове оптрони са показани на фиг. 15.1.
15.1 Класификация на оптоелектронни устройства
Оптоелектронните устройства се класифицират според следните критерии.
Според вида на използвания емитер, оптроните се разделят на:
с излъчвател на миниатюрни крушки с нажежаема жичка. Оптроните на такива излъчватели са инерционни и в момента практически не се използват, въпреки че се използват в резисторни оптрони.
с излъчвател на неонови крушки, които използват блясъка на електрически разряд на газова смес неоново-аргон. Тези видове излъчватели се характеризират с ниска светлинна мощност, ниска устойчивост на механични натоварвания, ограничена издръжливост, големи размери и пълна несъвместимост с интегрираната технология. Въпреки това, в някои видове оптрони те могат да се използват.
с емитер върху електролуминесцентни клетки , Електролуминесцентните клетки имат ниска ефективност на преобразуване на електрическа енергия в светлина, ниска издръжливост (особено тънкослойни) и трудно се контролират (например оптималният режим за прахови фосфори
220 V при f \u003d 400. 800Hz). Основното предимство на тези излъчватели е тяхната структурна и технологична съвместимост с фоторезистори, възможността за създаване на многофункционални, многоелементни оптронни структури на тази основа. В момента те са с ограничена употреба.
с излъчвател на светодиоди и лазерни диоди. Основният най-универсален тип емитер, използван в оптроните, е полупроводников инжекционен диод, излъчващ светлина - LED. Това се дължи на следните предимства:стойността на ефективността на преобразуване на електрическата енергия в оптична; тесен спектър на излъчване (квазимонохроматичност); широчина на спектралния диапазон, покрит от различни светодиоди; насоченост на излъчването; висока скорост; ниски стойности на захранващите напрежения и токове; съвместимост с транзистори и интегрални схеми; лекота на модулиране на мощността на излъчване чрез промяна на тока напред; възможност за работа както в импулсен, така и в непрекъснат режим; линейност на ват-амперните характеристики в повече или по-малко широк диапазон от входни токове; висока надеждност и издръжливост; малки размери; технологична съвместимост с микроелектронни продукти.
Според вида на използвания фотодетектор, оптроните се разделят на:
Оптрони на базата на фоторезистори, чиито свойства се променят при осветяване по зададен комплексен закон, което позволява моделиране на математически функции и е стъпка към създаването на функционална оптоелектроника. Фоторезистивните оптрони обаче са инерционни.
Оптрони на базата на фотодиоди;
Оптрони на базата на фототранзистори;
Оптрони на базата на фототиристори.
Последните три са най-универсалните фотодетектори, работещи с отворен p-n преход. В по-голямата част от случаите те са направени на основата на силиций, като областта на максималната им спектрална чувствителност е близо до λ=0,7. 0,9 µm.
Според вида на използвания оптичен канал, оптроните се разделят на:
Оптрони с отворен оптичен канал. При такива оптрони емитерът и фотодетекторът са разделени от въздушна междина. Те се използват широко за определяне на броя на оборотите на въртящи се валове, синхронизиране на движението на механични системи, като сензори за положение и др. Оптрони с отворен канал в тяхот своя страна са разделени на оптрони, работещи върху отражение и предаване.
Оптрони със затворен оптичен канал. При тях оптичният канал е защитен от всякакви външни влияния. Такива оптрони се използват за галванична изолация на входни и изходни електрически вериги. Ако като изходна верига се използват мощни захранващи устройства (тиристори, триаци, MOSFET), тогава такива оптрони се наричат полупроводникови релета. Понастоящем такива релета са алтернатива на електромагнитните релета и тяхната технология непрекъснато се подобрява.
Оптрони с "разширен" оптичен канал. В такива оптрони емитерът и фотодетекторът могат да бъдат разположени на значително разстояние. При тях оптичният канал, свързващ излъчвателя и фотодетектора, може да бъде влакнест световод. Такива оптоелектронни устройства се използват широко за предаване на информация в локални компютърни мрежи.
Според спектралния обхват на оптичния канал, оптроните се разделят на:
Оптрони във видимия диапазон с дължина на вълната на оптичното излъчване от 0,4 до 0,75 микрона.
Оптрони в близкия инфрачервен диапазон с дължина на вълната на оптичното излъчване от 0,8 до 1,2 микрона. Този тип излъчване е особено ефективен за оптоелектронни устройства с отворен канал.
Според конструктивните и технологичните особеностиоптроните се делят на:
Оптрони (елементарни оптрони), които съдържат един емитер и един елементарен фотодетектор. В зависимост от вида на използвания фотоприемник те биват резистивни, диодни, транзисторни, тиристорни и др.
Оптоелектронни (оптрони) интегрални схеми, които в допълнение към елементарния оптрон съдържат допълнителни електронни устройства: усилватели, компаратори, логически схеми и др.входовете и изходите на микросхемите са галванично изолирани.
Специални видове оптрони: диференциални оптрони, които съдържат няколко излъчвателя и фотодетектора; оптоелектронни датчици за присъствие, дим, датчици за положение и др.