Оптоелектроні прилади. Фотодіоди, фото транзистори, світло діоди, оптрони. Оптоелектроні ключі і схеми гальванічної розв’язки кіл.

Оптоелектронними називають прилади, які перетворюють електричні сигнали в оптичні (випромінювальна енергія), яка передає цю енергію індикаторним фотоелектричним перетворювачам.

Найбільш поширеним типом оптоелектронних приладів є оптрон, який складається з джерела і приймача випромінювання, що має між собою відповідний оптичний і електричний зв’язок і поміщений в один корпус (рис 1). В електронних пристроях оптрони виконують звичайну функцію елемента зв’язку, інформація в якому передається оптично. Цим досягається гальванічна розв’язка вхідних і вихідних кіл електронного пристрою, тощо, відсутність паразитних зворотніх зв’язків, які погіршують стабільність і інші властивості електронних пристроїв.

Вперше оптрони були запропоновані в 1955 р. для використання їх в пристроях накопичення і збереження інформації, регістрах і інших пристроях обчислювальної техніки.

При проектуванні оптронів спектральний склад випромінювання приймача і спектральні властивості приймача намагаються налаштуватися так, щоб максимум чутливості фотоприймача відповідав діапазону довжин хвиль з найбільшою інтенсивністю випромінювання джерела. В якості оптичного середовища, який з’єднує джерело і приймач випромінювання, використовують матеріали (оптичні клеї, лаки, силіконові змазки, які забезпечують малі втрати випромінювальної енергії при передачі від джерела до приймача). Джерелами в сучасних оптронах більш всього являють світло діоди, а приймачами випромінювання – фоторезистори, фотодіоди, фототранзистори і фототеристори.

В залежності від використаного типа фотоприймача розрізняють фоторезисторні, фотодіодні, фототранзисторні і фототеристорні оптрони (рис 2).

Вхідні та вихідні характеристики оптронів залежать від джерел і приймачів випромінювання, які знаходяться в них. Важливим для оптронів є передавальна характеристика. Для фото транзисторних оптронів вона встановлюється відношенням темнового опору до світового R_т/R_св , для фотодіод них і фото транзисторних – коефіцієнт передачі струму К_і=І_вих/І_вх, а для фото тиристорних – мінімальним вхідним струмом, забезпечуючи згладжування характеристики І_{стр вх}. Інерційність оптронів характеризується часом ввімкнення t_вкл і виключенням t_викл в імпульсному режимі роботи і граничної частоти f_гр при роботі в області високих частот.

Гальванічну розв’язки оптронів характеризують напругою U_с, опором R_с і ємкістю С_с зв’язку випромінювача і приймача.

Фоторезисторні оптрони мають лінійну вихідну вольт-амперну характеристику, високе співвідношення R_т/R_св (до 10⁷), але із-за великої інерційності t_{вкл(викл)}=10^-1-10^-2с, їх застосування обмежене.

Набагато ширший розвиток отримали фотодіодні і фото транзисторні оптрони. У фотодіод них оптронів коефіцієнт передачі струму К_і невеликий (одиниці відсотку), однак їх швидкодія t_{вкл(викл)}=10^-8с.

Фото транзисторні випромінювачі мають великий коефіцієнт передачі струм К_і=6-8, але відносно невелика швидкодія t_{вкл(викл)}=2•10^-3с. Фототиристорні оптрони можуть використовуватися для комутації ланцюгів з напругами до 1300В і струмами 300А.

Крім розглянутих елементарних оптронів в останній час знаходять все більш широке застосування оптоелетроні інтегральні мікросхеми (ОЕІМС). Вони об’єднуються в одному універсальному для мікросхем корпусі один або декілька елементарних без каркасних оптронів і типову інтегральну мікросхему, приєднану до фотоприймача оптрона.

В якості прикладу на рис.3 приведена оптоелектрона інтегральна мікросхема, яка складається із двох фотодіод них оптронів і двох біполярних транзисторів, приєднаних до виходів фотодіодів оптрона. Ця ОЕІМС являється аналогом імпульсного трансформатора, в ній оптрони працюють в фотовентельному режимі.

В останні роки розробляються і починають застосовуватися оптрони з керованим оптичним каналом між випромінювачем та фотоприймачем. Принцип дії таких оптоелектроних пристроїв базується на керуванні оптичними параметрами середовища, об’єднуючий джерело та приймач випромінювання. Це керування можу виконуватися за допомогою різних чинників: механічного, електричного, магнітного, теплового, оптичного, тощо.

Оптичний канал подібного оптоелектронного пристрою називається керуючим світловодом.

Якщо керуючим параметром є електрична напруга, то в якості керуючого оптичного каналу добре використовувати рідкі кристали. Керуючий світловод в такому випадку може представляти собою два прозорі електроди, між якими поміщена плівка рідкого кристала. Змінюючи напругу прикладену між електродами, можна контролювати інтенсивністю світла, яке проходить через оптичний канал. При відсутності прикладеної напруги рідкий кристал практично прозорий. Такий керуючий світловод може працювати як при постійній, так і при змінній керуючій напрузі.

Оптоелектронні пристрої з керуючою електричною напругою світловода можна представити у вигляді шестиполюсника з двома входами: вхід 1 – керуючий джерелом випромінювання (ДВ), вхід 2 – керуючий оптичним каналом (КОК) і одним виходом в колах фотоприймача (ФП) (рис 4.).

Оптоелектричні пристрої з керуючим світловодом можна використовувати в якості логічних комірок перетворення частоти, в пристроях переключення електролюмінісцентних індикаторах, індикаторах виду рідин, пристроях, які вимірюють малі переміщення, сенсорних пристроях керування роботів, тощо. Ці пристрої володіють високою швидкодією, завадостійкі, можливістю використання в агресивних і вибухонебезпечних середовищах.

В останні роки при виготовленні оптоелектронних пристроїв джерелом і приймачем випромінювання являється можливим видаляти з зони вимірювання (від об’єкта контролю) на десятки метрів з допомогою елементів волоконної оптики – волоконних світловодів ( джгутів з ниток світло волокна).

Оптоелектронні пристрої широко використовуються в обчислювальній техніці, автоматиці, контрольно-вимірювальних пристроях. В подальшому використанні цих пристроїв буде розширюватися по мірі покращення їх характеристик: надійність, довговічності і температурній стабільності.