2.3.1. Применение оптронов в цифровых и линейных схемах
2.3.2. Управление процессами в высоковольтных цепях
2.3.3. Использование оптронов для получения информации оптическим методом
2.3.1. Применение оптронов в цифровых и линейных схемах
Использование оптронов (прежде всего—диодных и транзисторных) в цифровых и импульсных устройствах связано с возможностью их быстрого переключения из состояния с низким уровнем сигнала на выходе в состояние с высоким уровнем, или наоборот. В качестве примера можно привести оптоэлектронные элементы, позволяющие реализовать основные логические функции в устройствах цифровых систем. Так, схема, представленная на рис. 2.8, а, моделирует операцию логического умножения (И), а схема на рис. 2.3,б — операцию логического сложения (ИЛИ). В первом случае выходное напряжение U2 поддерживается на высоком уровне, близком к напряжению U1, только если оба фототранзистора ФТ1 л ФТ2 включены и через них идет ток, близкий к насыщению (см. рис. 1.10,б), а во втором — при выходе на насыщение вольт-амперной характеристики любого из фототранзисторов ФТ1 или ФТ2. Оптроны могут также с успехом применяться для моделирования и других логических операций.
Еще одним примером использования оптронов в цифровых устройствах может служить оптоэлектронная микросхема серии 249ЛП1 (см. рис. 2.7,а). При протекании по цепи арсенид-галлиевого светодиода номинального входного тока в цепи фотоприемника (кремниевого фотодиода) возникает фототок, одновременно являющийся базовым для транзистора Т1; этот ток достаточен для отпирания транзистора. Эмиттерный ток транзистора Т1 поступает в базу транзистора ТЗ и переводит его в режим насыщения. При этом напряжение на выходе микросхемы оказывается равным падению напряжения на насыщенном транзисторе (примерно 0,3 В). Если же входной ток оптрона меньше номинального, то через его фотоприемник течет лишь малый темновой ток и транзистор Т1 остается запертым. В этом случае через резистор R1 течет базовый ток транзистора Т2, причем его значение таково, что Т2 находится в режиме насыщения. В результате напряжение на выходе оптопары является разностью напряжения Е1, базового напряжения транзистора Т2 и напряжения на диоде Д1; для микросхемы такого типа это 2,5—3,5 В.
Одним из важных параметров, по которым оптроны могут уступать однотипным устройствам (диодам, триодам, микросхемам) без оптических связей, является быстродействие, определяемое главным образом барьерными емкостями источника излучения и фотоприемника. Проигрыш в быстродействии может быть еще выше, если не принимать специальных мер по согласованию режимов работы элементов оптопары. Так, для снижения влияния времени перезарядки барьерной емкости светодиода (20—300 пФ) перезарядку приходится форсировать, например, подавая на вход светодиода ток достаточно большой амплитуды. Уменьшения времени перезарядки выходной емкости фотоприемника (5—15 пФ) можно добиться, изолируя или компенсируя емкостную нагрузку, а также уменьшая амплитуду напряжения выходного сигнала. Оптимизируя конструкцию и режим работы оптопар, время переключения удается заметно снизить, доведя его (для некоторых типов оптопар) до нескольких наносекунд.
К областям применения аналоговых оптронов можно отнести использование их в широкополосных трансформаторных устройствах, в усилителях различных сигналов, в других системах аналогового преобразования. Схема простого усилителя на основе оптрона, обеспечивающего электрическую развязку от остальной части схемы, изображена на рис. 2.9. Входной сигнал, подаваемый на вход оптрона, после преобразования в излучение попадает на базу фототранзистора, осуществляя тем самым управление амплитудой тока на выходе оптопары и напряжением на сопротивлении нагрузки R. Коэффициент усиления всего устройства определяется значением kI используемого транзисторного оптрона.
В аналоговых устройствах используют диодные и резисторные, а также (в некоторых случаях) транзисторные оптопары. Требования к аналоговым оптронам определяются конкретными условиями их применения и поэтому общего критерия качества, подобного тому, который имеет место в случае цифровых оптронов (добротности), для них нет. В то же время для сохранения формы передаваемого сигнала желательна линейность передаточной характеристики (постоянство kI в достаточно широком диапазоне токов). Этому требованию в наибольшей мере отвечают диодные оптроны, хотя и у них интервал значений I1, при которых kI постоянен, не слишком велик. Так, например, у оптопары АОД 101 даже при ее термостатировании передача аналогового сигнала с нелинейностью менее 2% осуществляется лишь при двух-трехкратном изменении I1.
Сказанное означает, что при проектировании аналоговых устройств, использующих оптроны, необходимо предусматривать дополнительные меры по линеаризации передаточной характеристики. В этой связи перспективным является применение дифференциальных оптронов (с одним излучателем и двумя фотоприемниками), у которых коэффициенты передачи по току между излучателем и первым фотоприемником, а также между излучателем и вторым фотоприемником одинаковы, причем в равной мере меняются в зависимости от условий работы (Т, I1, U1). Фотоприемники включены таким образом, чтобы при подаче сигнала входной ток одного из них увеличивался, а другого в той же мере уменьшался. Увеличение kI первого канала оптрона примерно компенсируется уменьшением kI второго, а общая передаточная характеристика оптопары выравнивается.
2.3.2. Управление процессами в высоковольтных цепях
Для бесконтактного управления процессами в высоковольтных (до 1300 В) и сильнотоковых (до 320 А) цепях используют мощные ключевые оптроны, типичными представителями которых являются тиристорные и транзисторные оптопары. По своим техническим показателям оптоэлектронные переключатели успешно конкурируют с электромагнитными реле и герконами (герметизированными переключателями), превосходя их по надежности, долговечности и помехоустойчивости.
Пример схемного варианта высоковольтного оптоэлектронного ключа, в котором тиристорный оптрон, переключающий ток в цепи с постоянным напряжением, управляется сразу по двум каналам—оптическому и электрическому, приведен на рис. 2.10. Если входной транзистор Т1 открыт и работает в режиме насыщения, то на выходе усилителя у поддерживается высокий потенциал и ток течет лишь через излучатель тиристорной оптопары — фототиристор включен. Для его выключения транзистор Т1 запирается, в результате чего, во-первых, снижается напряжение на светодиоде тиристорной оптопары, и он перестает излучать свет, и, во-вторых, на шину нулевого потенциала закорачивается управляющий электрод фототиристора. Закорачивание обусловлено тем, что после снижения напряжения на выходе усилителя—инвертора у светодиод транзисторной оптопары открывается и через фотоприемник начинает течь ток, переводящий транзистор Т2 в режим насыщения. Подобная схема может управлять током в цепи постоянного напряжения 50—400 В, причем длительность переключения фототиристора составляет 5—10 мкс.
Обобщенным параметром, характеризующим качество ключевых оптронов, является отношение максимальной мощности коммутируемой цепи к входной мощности, необходимой для управления. Это отношение носит название коммутационной добротности и для современных оптронов составляет примерно 102—106.
Для управления цепями высокого напряжения могут применяться и оптопары других типов. Так, в схемах управления электролюминесцентными индикаторами, возбуждающимися переменным напряжением с амплитудой 115— 300 В, используют резисторные оптроны. В цепь питания индикатора включают фоторезистор оптопары; изменение напряжения на индикаторе (а следовательно, и яркость его свечения) регулируют малым сигналом на входе оптрона.
В высоковольтных цепях находят широкое применение оптоизоляторы — оптопары с высоким допустимым напряжением изоляции (и, в частности, с волоконно-оптическими каналами). Использование оптронов этого типа в системах энергораспределения, высоковольтных СВЧ-устройствах, аппаратуре привода, в линиях электропередачи позволяет не только с успехом заменять традиционно использующиеся элементы, но и стимулирует дальнейшее совершенствование вновь разрабатываемых для этих целей приборов.
2.3.3. Использование оптронов для получения информации оптическим методом
Специальные оптроны с открытым оптическим каналов могут применяться в бесконтактной дистанционной технике в качестве индикаторов положения объектов и состояния их поверхности, датчиков заполнения сосудов жидкостью, устройств считывания информации с перфоносителей на входе ЭВМ и т. д. Существуют два типа подобных оптронов. Приборы первого типа (оптопрерыватели) реагируют на попадание в оптический канал непрозрачного предмета, который прерывает (или изменяет) световой поток, падающий на фотоприемник. Область применения оптопрерывателей — индикация положения и счет объектов, сигнализация об изменении параметров воздушной среды между излучателем и фотоприемником (например, при появлении дыма), считывание информации с перфолент и др. Приборы второго типа (отражательные оптроны) регистрируют световой поток, отраженный от исследуемой поверхности. Эти приборы позволяют, например, осуществлять автоматический контроль шероховатости поверхности, ее дефектности.
Из-за наличия воздушного зазора в оптическом канале коэффициент передачи по току таких оптронов мал, причем у отражательных оптронов он еще зависит и от свойств исследуемой поверхности, а также от расстояния до нее. Реально это расстояние не должно превышать нескольких миллиметров.
Пример схемы, в которой используется отражательный оптрон с открытым оптическим каналом, приведен на рис. 2.11. На этой схеме 1—генератор импульсного сигнала, подаваемого на светодиод 3 оптопары, 6—устройство, регистрирующее сигнал с фототранзистора, 4, 2 и 5—усилители входного и выходного сигналов. При изменении интенсивности отраженного от исследуемой поверхности светового потока меняется ток фотоприемника, что фиксируется регистрирующим устройством.
Среди трудностей схемной реализации подобных устройств следует назвать необходимость устранения влияния посторонней внешней засветки и обеспечения точной пространственной ориентации излучателя и фотоприемника. Положение во многом облегчается, если применить оптроны, у которых в качестве оптического канала используют волоконные световоды. Одним концом световоды пристыкованы к излучателю или фотоприемнику; срезы их других концов ориентированы таким образом, чтобы они могли служить чувствительным элементом схемы. Оптоэлектронные зонды этого типа могут использоваться, например, для исследования профиля поверхности, причем применение световодов малого диаметра позволяет регистрировать довольно «тонкие» изменения ее рельефа.
2.3.4. Другие применения оптронов
Как уже отмечалось в 2.2.2, диодные оптроны способны работать в режиме фотоэлементов, выступая в качестве изолированных источников э. д. с. и тока. Полное отсутствие гальванической связи с внешним источником питания дает возможность создавать устройства, обладающие высокой помехозащищенностью. Значение получаемой на выходе оптрона разности потенциалов составляет 0,3—0,4 В, однако батарейное соединение таких оптронов позволяет создавать маломощные источники питания с напряжением до 5 В и током 0,5—50 мА. К сожалению, к. п. д. оптрона, работающего в режиме фотоэлемента, не превышает 1%, хотя в некоторых случаях он может достигать 10—15%.
Введение положительной обратной связи между элементами оптопары позволяет получить устройства, обладающие S-образной вольт-амперной характеристикой. Подобные устройства называют регенеративными оптронами; вариант одной из возможных схем и ее вольт-амперная характеристика приведены на рис. 2.12. При малом напряжении на входе оптрона (рис. 2.12, а) и транзистор Т1, и сама оптопара заперты. После повышения входного напряжения до уровня, достаточного для открывания Т1, его коллекторный ток резко увеличивается, возбуждается излучатель оптопары. Возникающий при этом фототек приемника, в свою очередь, способствует еще большему отпиранию транзистора Т1; этот процесс приводит к возникновению на вольт-амперной характеристике всего устройства участка с отрицательной крутизной (рис. 2.12,б). Таким образом, регенеративные оптроны являются бистабилъными элементами (данному U1 соответствуют два значения I2) и поэтому пригодны для использования в качестве переключателей, усилителей, генераторов оптических и электрических колебаний.
В заключение следует упомянуть о приборах, в которых преобразование энергии происходит по схеме излучение — электрический сигнал — излучение. Примером подобного устройства может служить прибор, схема которого изображена на рис. 2.13.
Поток излучения Ф1, попадая через стеклянную подложку 1 и прозрачный электрод 2 на слой фотопроводника 3 (например, CdS), вызывает изменение его сопротивления, в результате чего происходит перераспределение напряжения, подаваемого на прозрачные электроды 2 и 6, между освещенным участком фотопроводника и прилегающей к нему областью слоя ZnS — электролюминофора 5. Повышение напряжения на люминофорном слое сопровождается возрастанием яркости его свечения; возникающий при этом поток излучения Ф2 выходит сквозь стеклянную пластину 7. Для предотвращения оптической связи между слоями фотопроводника и электролюминофора в устройстве предусмотрен еще один непрозрачный слой 4. Амплитуда управляющего напряжения, яркость, контраст и цвет получаемого изображения зависят от химического состава люминофора и фотопроводника, от толщины их слоев. Подобные структуры могут быть использованы в качестве усилителей и преобразователей изображения (с их помощью можно, например, реализовать устройство, превращающее негатив в позитив, и наоборот), преобразователей инфракрасного излучения в видимое, когерентного— в некогерентное. Особый интерес вызывает применение для этих целей тонкопленочных устройств, обладающих большой яркостью, повышенной крутизной вольт-яркостной характеристики, хорошей разрешающей способностью.
Приведенные примеры далеко не исчерпывают круг приборов, в которых используют оптроны, оптоэлектронные микросхемы и устройства. По мере совершенствования параметров оптронов этот круг все более расширяется.