Оптроны и их применение

Оптроны и их применение

СОДЕРЖАНИЕ:

1. Введение. 2

2. Основные определения. 2

3. Отличительные особенности оптронов. 2

4. Обобщенная структурная схема. 3

5. Применение. 4

6. История. 5

7. Физические основы оптронной техники. 6

8. Элементная база и устройство оптронов. 6

9. Физика преобразования энергии в диодном оптроне. 7

10. Параметры и характеристики оптопар и оптоэлектронных

интегральных микросхем. 13

11. Классификация параметров изделий оптронной техники.

13

12. Диодные оптопары. 14

13. Транзисторные и тиристорные оптопары. 15

14. Резисторные оптопары. 15

15. Дифференциальные оптопары. 15

16. Оптоэлектронные микросхемы. 16

17. Сферы применения оптронов и оптронных микросхем. 16

18. Передача информации. 17

19. Получение и отображение информации.

18

20. Контроль электрических процесов. 18

21. Замена электромеханических изделий.

19

22. Энергетические функции.

19

23. Литература. 19

1. ВВЕДЕНИЕ

1.1 Основные определения.

Оптронами называют такие оптоэлектронные приборы, в которых

имеются источник и приемник излучения (светоизлучатель и фотоприемник)

с тем или иным видом оптической и электрической связи между ними,

конструктивно связанные друг с другом .

Принцип действия оптронов любого вида основан на следующем. В

излучателе энергия электрического сигнала преобразуется в световую, в

фотоприемнике, наоборот, световой сигнал вызывает электрический отклик.

Практически распространение получили лишь оптроны, у которых

имеется прямая оптическая связь от излучателя к фотоприемнику и, как

правило, исключены все виды электрической связи между этими элементами.

По степени сложности структурной схемы среди изделий оптронной

техники выделяют две группы приборов. Оптопара (говорят также

“элементарный оптрон”) представляет собой оптоэлектронный

полупроводниковый прибор, состоящий из излучающего и фотоприемного

элементов, между которыми имеется оптическая связь, обеспечивающая

электрическую изоляцию между входом и выходом. Оптоэлектронная

интегральная микросхема представляет собой микросхему, состоящую из

одной или нескольких оптопар и электрически соединенных с ними одного

или нескольких согласующих или усилительных устройств.

Таким образом в электронной цепи такой прибор выполняет функцию

элемента связи, в котором в то же время осуществлена электрическая

(гальваническая) развязка входа и выхода.

1.2 Отличительные особенности оптронов.

Достоинства этих приборов базируются на общем оптоэлектронном принципе

использования электрически нейтральных фотонов для переноса

информации. Основные из них следующие:

- возможность обеспечения идеальной электрической

(гальванической);развязки между входом и выходом; для оптронов не

существует каких-либо принципиальных физических или конструктивных

ограничений по достижению сколь угодно высоких напряжений и

сопротивлений развязки и сколь угодно малой проходной емкости;

- возможность реализации бесконтактного оптического управления

электронными объектами и обусловленные этим разнообразие и гибкость

конструкторских решений управляющих цепей;

- однонаправленность распространения информации по оптическому

каналу, отсутствие обратной реакции приемника на излучатель;

- широкая частотная полоса пропускания оптрона, отсутствие

ограничения со стороны низких частот (что свойственно импульсным

трансформаторам); возможность передачи по оптронной цепи как

импульсного сигнала, так и постоянной составляющей;

- возможность управления выходным сигналом оптрона путем

воздействия (в том числе и неэлектрического) на материал оптического

канала и вытекающая отсюда возможность создания разнообразных датчиков,

а также разнообразных приборов для передачи информации;

- возможность создания функциональных микроэлектронных

устройств с фотоприемниками, характеристики которых при освещении

изменяются по сложному заданному закону;

- невосприимчивость оптических каналов связи к воздействию

электромагнитных полей, что в случае “длинных” оптронов (с

протяженным волоконно-оптическим световодом между излучателем и

приемником) обусловливает их защищенность от помех и утечки информации, а

также исключает взаимные наводки ;

- физическая и конструктивно-технологическая совместимость с

другими полупроводниковыми и микроэлектронными приборами.

Оптронам присущи и определенные недостатки:

- значительная потребляемая мощность, обусловленная необходимостью

двойного преобразования энергии (электричество - свет - электричество)

и невысокими КПД этих переходов;

- повышенная чувствительность параметров и характеристик

к воздействию повышенной температуры и проникающей ядерной радиации;

- более или менее заметная временная деградация (ухудшение)

параметров;

-относительно высокий уровень собственных шумов, обусловленный , как и два

предыдущих недостатка, особенностями физики светодиодов;

- сложность реализации обратных связей, вызванная электрической

разобщенностью входной и выходной цепей;

- конструктивно-технологическое несовершенство, связанное с

использованием гибридной непланарной технологии, (с необходимостью

объединения в одном приборе нескольких - отдельных кристаллов из

различных полупроводников, располагаемых в разных плоскостях).

Перечисленные недостатки оптронов по мере совершенствования

материалов, технологии, схемотехники частично устраняются, но тем не

менее еще длительное время будут носить достаточно принципиальный

характер. Однако их достоинства столь высоки, что обеспечивают уверенную

внеконкурентность оптронов среди других приборов микроэлектроники.

1.

1.3 Обобщенная структурная схема (рис. 1.1).

[pic]

Рис 1.1. Обобщенная структурная схема оптрона.

Как элемент связи оптрон характеризуется коэффициентом

передачи Кi , определяемым отношением выходного и входного

сигналов, и максимальной скоростью передачи информации F.

Практически вместо F измеряют длительности нарастания и спада

передаваемых импульсов tнар(сп) или граничную частоту. Возможности

оптрона как элемента гальванической развязки характеризуются

максимальным напряжением и сопротивлением развязки Uразв и Rразв и

проходной емкостью Cразв.

В структурой схеме рис. 1.1 входное устройство служит для

оптимизации рабочего режима излучателя (например, смещения

светодиода на линейный участок ватт-амперной характеристики) и

преобразования (усиления) внешнего сигнала. Входной блок должен

обладать высоким КПД преобразования, высоким быстродействием,

широким динамическим диапазоном допустимых входных токов (для

линейных систем), малым значением “порогового” входного тока, при

котором обеспечивается надежная передача информации по цепи.

Назначение оптической среды - передача энергии оптического

сигнала от излучателя к фотоприемнику, а также во многих случаях

обеспечение механической целостности конструкции.

Принципиальная возможность управления оптическими свойствами

среды, например с помощью использования электрооптических или

магнитооптических эффектов, отражена введением в схему устройства

управления, В этом случае мы получаем оптрон с управляемым

оптическим каналом, функционально отличающийся от “обычного”

оптрона: изменение выходного сигнала может осуществляться как по входу,

так и по цепи управления.

В фотоприемнике происходит “восстановление” информационного

сигнала из оптического в электрический; при этом стремятся иметь высокую

чувствительность и высокое быстродействие.

Наконец, выходное устройство призвано преобразовать сигнал

фотоприемника в стандартную форму, удобную для воздействия на

последующие за оптроном каскады. Практически обязательной функцией

выходного устройства является усиление сигнала, так как потери после

двойного пpeобразования очень значительны. Нередко функцию усиления

выполняет и сам фотоприемник (например, фототранзистор).

Общая структурная схема рис. 1.1 реализуется в каждом

конкретном приборе лишь частью блоков. В соответствии с этим

выделяют три основные группы приборов оптронной техники; ранее названные

оптопары (элементарные оптроны), использующие блоки светоизлучатель -

оптическая среда - фотоприемник; оптоэлектронные (оптронные)

микросхемы (оптопары с добавлением выходного, а иногда и входного

устройства); специальные виды оптронов - приборы, функционально и

конструктивно существенно отличающиеся от элементарных оптронов и

оптоэлектронных ИС

Реальный оптрон может быть устроен и сложнее, чем схема на рис.

1.1; каждый из указанных блоков может включать в себя не один, а

несколько одинаковых или подобных друг другу элементов, связанных

электрически и оптически, однако это не изменяет существенно основ

физики и электроники оптрона.

1.4 Применение.

В качестве элементов гальванической развязки оптроны применяются:

для связи блоков аппаратуры, между которыми имеется значительная

разность потенциалов; для защиты входных цепей измерительных устройств

от помех и наводок; и т.д.

Другая важнейшая область применения оптронов - оптическое,

бесконтактное управление сильноточными и высоковольтными цепями.

Запуск мощных тиристоров, триаков, симисторов, управление

электромеханическими релейными устройствами

Специфическую группу управляющих оптронов составляют резисторные

оптроны, предназначенные для слаботочных схем коммутации в сложных

устройствах визуального отображения информации, выполненных на

электролюминесцентных (порошковых) индикаторах, мнемосхемах,

экранах.

Создание “длинных” оптронов (приборов с протяженным гибким

волоконнооптическим световодом) открыло совершенно новое направление

применения изделий оптронной техники - связь на коротких расстояниях.

Различные оптроны (диодные, резисторные, транзисторные) находят

применение и в чисто радиотехнических схемах модуляции,

автоматической регулировки усиления и др. Воздействие по оптическому

каналу используется здесь для вывода схемы в оптимальный рабочий

режим, для бесконтактной перестройки режима и т. п.

Возможность изменения свойств оптического канала при

различных внешних воздействиях на него позволяет создать целую серию

оптронных датчиков: таковы датчики влажности и загазованности,

датчика наличия в объеме той или иной жидкости, датчики чистоты

обработки поверхности предмета, скорости его перемещения и т. п.

Достаточно специфическим является использование оптронов в

энергетических целях, т. е. работа диодного оптрона в фотовентильном

режиме. В таком режиме фотодиод генерирует электрическую мощность в

нагрузку и оптрон до определенной степени подобен маломощному

вторичному источнику питания, полностью развязанному от первичной цепи;

Создание оптронов с фоторезисторами, свойства которых при

освещении меняются по заданному сложному закону, позволяет моделировать

математические функции, является шагом на пути создания функциональной

оптоэлектроники.

Универсальность оптронов как элементов гальванической развязки и

бесконтактного управления, разнообразие и уникальность многих других

функций являются причиной того, что сферами применения этих приборов

стали вычислительная техника, автоматика, связная и радиотехническая

аппаратура, автоматизированные системы управления, измерительная

техника, системы контроля и регулирования, медицинская электроника,

устройства визуального отображения информации.

1.5 История

Идея создания и применения oптронов относится к 1955 г., когда в

работе Loebner E. E. “Opto-electronic devices network” была предложена

целая серия приборов с оптическими и электрическими связями между

элементами, что позволяло осуществлять усиление и спектральное

преобразование световых сигналов, создавать приборы с двумя

устойчивыми состояниями - бистабильные оптроны, оптоэлектронные

устройства накопления и хранения информации логические схемы, регистры

сдвига. Там же был предложен и термин “оптрон”, образованный как

сокращение от английского “optical-electronic device”.

Описанные в этой работе оптроны, отлично иллюстрируя принципы,

оказались непригодными для промышленной реализации, так как основывались

на несовершенной элементарной базе - неэффективных и инерционных

порошковых злектролюминесцентных конденсаторах (излучатель) и

фоторезисторах (приемник). Несовершенны были и важнейшие

эксплуатационные характеристики приборов: низкотемпературная и временная

стабильность параметров, недостаточная устойчивость к механическим

воздействиям. Поэтому. на первых порах оптрон оставался лишь интересным

научным достижением не находящим применения в технике.

Лишь в середине 60-х годов развития полупроводниковых светоизлучающих

диодов и технологически совершенных высокоэффективных быстродействующих

кремниевых фотоприемников с р - n-переходами (фотодиоды и фототранзисторы)

начала создаваться элементарная база современной оптронной техники. К

началу 70-х годов производство оптронов в ведущих странах мира превратилось

в важную и быстро развивающуюся отрасль электронной техники, успешно

дополняющую традиционную микроэлектронику.

2. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОПТРОННОЙ ТЕХНИКИ

2.1. ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА И УСТРОЙСТВО ОПТРОНОВ

Элементную основу оптронов составляют фотоприемники и излучатели,

а также оптическая среда между ними. Ко всем этим элементам

предъявляются такие общие требования, как малые габариты и масса,

высокая долговечность и надежность, устойчивость к механическим и

климатическим воздействиям, технологичность, низкая стоимость.

Желательно также чтобы элементы прошли достаточно широкую и

длительную промышленную апробацию.

Функционально (как элемент схемы) оптрон характеризуется в

первую очередь тем, какой вид фотоприемника в нем используется.

Успешное использование фотоприемника в оптроне определяется

выполнением следующих основных требований: эффективность преобразования

энергии квантов излучения в энергию подвижных электрических; наличие

и эффективность внутреннего встроенного усиления; высокое быстродействие;

широта функциональных возможностей.

В оптронах используются фотоприемники различных структур ,

чувствительные в видимой и ближней инфракрасной области, так как именно в

этом диапазоне спектра имеются интенсивные источники излучения и возможна

работа фотоприемников без охлаждения.

Наиболее универсальными являются фотоприемники с р - n-переходами

(диоды, транзисторы и т, п.), в подавляющем большинстве случаев они

изготовляются на основе кремния и область их максимальной спектральной

чувствительности находится вблизи l=0,7...0,9мкм.

Многочисленные требования предъявляются и к излучателям оптронов.

Основные из них: спектральное согласование с выбранным фотоприемником;

высокая эффективность преобразования энергии электрического тока в

энергию излучения; преимущественная направленность излучения; высокое

быстродействие; простота и удобство возбуждения и модуляции излучения.

Для использования в оптронах пригодны и доступны несколько

разновидностей излучателей:

- Миниатюрные лампочки накаливания.

- Неоновые лампочки, в которых используется свечение электрического

разряда газовой смеси неон-аргон.

Этим видам излучателей свойственны невысокая светоотдача, низкая

устойчивость к механическим воздействиям, ограниченная долговечность,

большие габариты, полная несовместимость с интегральной технологией.

Тем не менее в отдельных видах оптронов они могут находить применение.

- Порошковая электролюминесцентная ячейка использует в качестве

светящегося тела мелкокристаллические зерна сульфида цинка

(активированного медью, марганцем или другими присадками),взвешенные в

полимеризующемся диэлектрике. При приложении достаточно высоких напряжений

переменного тока идет процесс предпробойной люминесценции.

- Тонкопленочные электролюминесцентные ячейки. Свечение здесь связано

с возбуждением атомов марганца “горячими” электронами.

И порошковые, и пленочные электролюминесцентные ячейки имеют невысокую

эффективность преобразования электрической энергии в световую,

низкую долговечность (особенно- тонкопленочные ), сложны в управлении

(например, оптимальный режим для порошковых люминофоров ~220 В при

f=400 ... 800Гц). Основное достоинство этих излучателей -

конструктивно-технологическая совместимость с фоторезисторами,

возможность создания на этой основе многофункциональных,

многоэлементных оптронных структур.

Основным наиболее универсальным видом излучателя, используемым

в оптронах, является полупроводниковый инжекционный светоизлучающий

диод - светодиод. Это обусловлено следующими его достоинствами: высокое

значение КПД преобразования электрической энергии в оптическую;

узкий спектр излучения (квазимонохроматичность); широта

спектрального диапазона, перекрываемого различными светодиодами;

направленность излучения; высокое быстродействие; малые значения

питающих напряжений и токов; совместимость с транзисторами и

интегральными схемами; простота модуляции мощности излучения путем

изменения прямого тока; возможность работы как в импульсном, так и

в непрерывном режиме; линейность ватт-амперной характеристики в более

или менее широком диапазоне входных токов; высокая надежность и

долговечность; малые габариты; технологическая совместимость с изделиями

микроэлектроники.

Общие требования, предъявляемые к оптической иммерсионной среде

оптрона, следующие: высокое значение показателя преломления nим;

высокое значение удельного сопротивления rим; высокая критическая

напряженность поля Еим кр, достаточная теплостойкость Dqим раб;

хорошая адгезия с кристаллами кремния и арсенида галлия; эластичность

(это необходимо, так как не удается обеспечить согласование элементов

оптрона по коэффициентам термического расширения); механическая

прочность, так как иммерсионная среда в оптопаре выполняет не только

светопередающие, но и конструкционные функции; технологичность

(удобство использования, воспроизводимость свойств, дешевизна и т.

п.).

Основным видом иммерсионной среды, используемой в оптронах

являются полимерные оптические клеи. Для них типично nим =1,4... 1,6, rим

> 1012... 1014 Ом см, Еим кр =80 кВ/мм, Dqим раб = - 60 ... 120 C. Клеи

обладают хорошей адгезией к кремнию и арсениду галлия, сочетают высокую

механическую прочность и устойчивость к термоциклированию. Используются

также незатвердевающие вазелиноподобные и каучукоподобные оптические среды

2.2. ФИЗИКА ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭHEPГИИ В ДИОДНОМ ОПТРОНЕ

Рассмотрение процессов преобразования энергии в оптроне

требует учитывать квантовую природу света. Известно, что

электромагнитное излучение может быть представлено в виде потока

частиц - квантов (фотонов), энергия. каждого из которых определяется

соотношением;

Eф=hn=hc/nl (2.1)

где h - постоянная Планка ;

с - скорость света в вакууме ;

n - показатель преломления полупроводника ;

n, l - частота колебаний и длина волны оптического излучения.

Если плотность потока квантов (т. е. число квантов, пролетающих

через единицу площади в единицу вpeмени) равна Nф, то полная

удельная мощность излучения составит:

Pф= Nф Eф (2.2)

и, как видно из (2.1), при заданном Nф она тем больше, чем короче

Страницы: 1, 2