Оптоэлектронные приборы. Оптроны, основные параметры и характеристики.

Оптоэлектронными называют приборы, которые чувствительны к электромагнитному излучению в видимой, инфракрасной и ультрафиолетовой областях, а также приборы, производящие или использующие такое излучение.

Излучение в видимой, инфракрасной и ультрафиолетовой областях относят к оптическому диапазону спектра. Обычно к указанному диапазону относят электромагнитные волны с длиной от 1 нм до 1 мм, что соответствует частотам примерно от 0,5·1012 Гц до 5·1017 Гц. Иногда говорят о более узком диапазоне частот – от 10 нм до 0,1 мм (~5·1012…5·1016 Гц). Видимому диапазону соответствуют длины волн от 0,38 мкм до 0,78 мкм (частота около 1015 Гц).

На практике широко используются источники излучения (излучатели), приемники излучения (фотоприемники) и оптроны (оптопары).

Оптроном называют прибор, в котором имеется и источник, и приемник излучения, конструктивно объединенные и помещенные в один корпус.

Из источников излучения нашли широкое применение светодиоды и лазеры, а из приемников – фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы и фототиристоры.

Широко используются оптроны, в которых применяются пары светодиод-фотодиод, светодиод-фототранзистор, светодиод-фототиристор.

Основные достоинства оптоэлектронных приборов:

высокая информационная емкость оптических каналов передачи информации, что является следствием больших значений используемых частот;

полная гальваническая развязка источника и приемника излучения;

отсутствие влияния приемника излучения на источник (однонаправленность потока информации);

невосприимчивость оптических сигналов к электромагнитным полям (высокая помехозащищенность).

Оптрон - прибор, состоящий из излучателя света и фотоприёмника, связанных друг с другом оптически и помещенных в общем корпусе. Иногда О. называют также пару «излучатель-фотоприёмник» с любыми видами оптической и электрической связи между ними. О. используют для связи отдельных частей радиоэлектронных устройств (главным образом вычислительной и измерительной техники и автоматики), при которой одновременно обеспечивается электрическая развязка между ними (как в трансформаторе), а также для бесконтактного управления электрическими цепями (аналогично реле). Разработка О. началась в 60-е гг. 20 в.

В излучателе О. входной электрический сигнал преобразуется в световой и передаётся по оптическому каналу в фотоприёмник, где он вновь преобразуется в электрический (рис.). Излучателем обычно служит полупроводниковый Светоизлучающий диод, промежуточной средой оптического канала — оптической клеи, стёкла, волоконные Световоды, воздух, фотоприёмником — Фотодиод, Фоторезистор, Фототранзистор, Фототиристор и др. Тип фотоприёмника определяет выходные характеристики О. К выходу О. подключают усилители и преобразователи сигналов фотоприёмника, обычно в интегральном исполнении. Такое устройство в целом называется оптронной интегральной схемой. Основные свойства О.: практически полная электрическая развязка входных и выходных цепей, высокая электрическая прочность (104—105 в), однонаправленность потока информации, отсутствие обратной реакции приёмника на излучатель, широкая полоса пропускания (начиная от постоянного тока), большой срок службы, малые габариты и масса. См. также Оптоэлектроника.

Электрические схемы и выходные характеристики оптронов с фоторезистором (а), фотодиодом (б) и фототиристором (в): 1 — полупроводниковый светоизлучающий диод; 2 — фоторезистор; 3 — фотодиод; 4 — фототиристор; U и I — напряжение и ток в выходной цепи оптрона. Пунктирные кривые соответствуют отсутствию тока во входной цепи оптрона, сплошные — двум разным значениям входных токов.

Рассмотрим подробнее оптопару светодиод-фотодиод. Излучающий диод (слева) должен быть включен в прямом направлении, а фотодиод – в прямом (режим фотогенератора) или обратном направлении (режим фотопреобразователя). Направления токов и напряжений диодов оптопары приведены на рис.

В режиме фотогенератора работают солнечные элементы, преобразующие свет в электроэнергию. В настоящее время коэффициент полезного действия солнечных элементов достигает 20 %.

Режим фотопреобразователя соответствует ВАХ в третьем квадранте. В этом режиме фотодиод потребляет энергию (u · i > 0) от некоторого обязательно имеющегося в цепи внешнего источника напряжения