1.3.4. Оптроны
Оптрон – полупроводниковый фотоэлектрический прибор, состоящий из источника излучения ИИ и фотоприемника ФП, связанных друг с другом оптически и помещенных в общем корпусе (рис.44). В качестве ИИ обычно применяют светодиоды или другие светоизлучающие приборы, в качестве ФП – фоторезисторы, фотодиоды и т. п. Связующим звеном между ними является внешняя или внутренняя (пассивная или активная) оптическая среда (ОС).
К достоинствам оптронов относятся высокая помехоустойчивость от электрических и магнитных воздействий вследствие электрической нейтральности носителей информации – фотонов, а также гальваническая развязка между источником информации и приемником и практически безынерционная передача светового сигнала, что делает оптрон перспективным элементом сложных быстродействующих устройств вычислительной, преобразовательной, релейной и другой радиоэлектронной техники.
Рис. 44. Оптрон (а – устройство; б – передаточная характеристика; в – ключевая характеристика)
Из нескольких разновидностей наиболее часто применяются оптроны с прямой внутренней оптической связью, осуществляющие преобразования вида – электрический сигнал – оптический сигнал – электрический сигнал (рис.44,а). Его передаточная характеристика, определяемая зависимостью выходного параметра фотоприемника от тока или напряжения источника излучения, описывается уравнением
где Iвых – выходной ток оптрона; Iвх1, Iвх2, Iвх3 – значения токов на различных входах оптрона.
Передаточные характеристики таких оптронов могут иметь различный вид в зависимости от используемых элементов. Если источник света, оптическая среда и фотоприемник имеют линейные передаточные характеристики, то характеристика оптрона также будет линейной (рис.44,б). Если в качестве элемента ИИ используются газоразрядные лампы либо светодиоды с S-образной характеристикой, то оптрон будет иметь ключевую характеристики (рис.44,в). В зависимости от типа фотоприемника различают фоторезисторные, фотодиодные, фототранзисторные и фототиристорные оптроны (рис.45). Фоторезисторные оптроны имеют линейную выходную вольтамперную характеристику, однако, из-за большой инерционности их применение ограничено.
Гораздо более широкое развитие получили фотодиодные и фототранзисторные оптроны. У фотодиодных оптронов коэффициент передачи тока Кi - невелик (единицы процента), однако их быстродействие tвкл(выкл)≈10-8с.
Фототранзисторные оптроны имеют большой коэффициент передачи тока (Кi=6÷8), но относительно невысокое быстродействие (tвкл(выкл)≈2∙10-3с). Фототиристорные оптроны могут применяться для коммутации силовых цепей с напряжением до 1300В и токами до 300А.
Помимо рассмотренных элементарных оптронов в последнее время находят все более широкое применение оптоэлектронные интегральные микросхемы (ОЭИМС). Они объединяют в одном унифицированном для микросхем корпусе один или несколько элементарных бескорпусных оптронов и типовую интегральную микросхему, подключаемую к фотоприемнику оптрона.
Рис. 45. Условные графические обозначения фоторезисторного (а), фотодиодного (б), фототранзисторного (в) и фототиристорного (г) оптронов
Рис. 46. Оптоэлектронная интегральная микросхема
В качестве примера на рис.46 приведена оптоэлектронная интегральная микросхема, состоящая из двух фотодиодных оптронов и двух биполярных транзисторов, подключенных к выходам фотодиодов оптронов. Эта ОЭИМС является аналогом импульсного трансформатора, в ней оптроны работают в фотовентильном режиме.
В последнее десятилетие достигнуты огромные успехи в практическом использовании оптронов в системах оптической связи, в которых в качестве оптической среды применяется волоконно-оптический кабель (световод). Широкополосность оптического канала связи огромна (по одной линии может быть одновременно передано 1010 телефонных разговоров или 106 телевизионных программ). Оптическая связь по открытому пространству, особенно дальняя, невозможна в силу атмосферных условий, поэтому основой ее применения становится стекловолокно, в котором потери света крайне малы – рекордное затухание составляет 1,2 дБ/км. Единственный недостаток, ограничивающий построение дальних линий связи – значительное дисперсионное размытие сигнала, однако, огромное число применений не требует особо длинных линий, например, связи между ЭВМ и внутри блоков ЭВМ; внутренний монтаж в кораблях, самолетах, ракетах и т.д; внутриучрежденческая и внутригородская связь с повышенной секретностью; кабельные телевизионные и телефонные сети; контрольно-измерительные комплексы, работающие в условиях сильных электромагнитных и корпускулярных помех; контрольная аппаратура высоковольтных линий передач. Кроме того, здесь реализуются такие замечательные преимущества как гальваническая развязка входа и выхода, однонаправленность, отсутствие коротких замыканий, надежность (обрыв отдельных волокон несуществен), резкое уменьшение массы кабеля по сравнению с медными проводами (на порядок) и потенциально резко меньшая стоимость (замена дорогостоящей меди дешевым стеклом), нечувствительность к электромагнитным помехам. Такие «короткие» линии оптической связи активно разрабатываются во всех странах мира, отрабатываются конструкции разветвлений, смесителей, разъемов и т.д. Создан целый ряд действующих линий. Это направление оптоэлектроники является перспективным, в частности, в практическом использовании в комплексах ЭВМ пятого и будущих поколений [21].