Оптопары

Оптопарой называют оптоэлектронный прибор, в котором конструктивно объединены в общем корпусе излучатель на входе и фотоприемник на выходе, взаимодействующие друг с другом оптически и электрически. Связь между компонентами оптопары может быть прямой или обратной, положительной или отрицательной, одна из них (электрическая или оптическая связь) может отсутствовать.

Иногда оптопару отождествляют с оптроном, однако последний термин является более широким. Между элементами оптрона может быть осуществлена как оптическая, так и электрическая связь (прямая или обратная, положительная или отрицательная). Вход и выход оптрона также могут быть как электрическими, так и оптическими соответственно. В настоящее время широкое распространение получили лишь оптроны с прямой оптической связью, т.е. оптопары.

Основные функциональные разновидности этих приборов представ лены на рис.22, где И - излучатель, ФП - фотоприемник; УС - устройство связи. Оптопара с прямой оптической и обратной электрической связью (рис.22, а) используется как элемент развязки, т.е. оптрон с оптическим входом и выходом, и представляет собой преобразователь световых сигналов. Это может быть простое усиление (ослабление) интенсивности света, преобразование спектра или направления поляризации, преобразование некогерентного излучения в когерентное и т.п. Если в таком оптроне фотоприемник и излучатель многоэлементные, то он может выполнять функцию преобразователя изображений. В оптроне с электрической и оптической связью (рис.22, б) при определенных условиях может осуществляться частичная или полная регенерация (восстановление) входного сигнала за счет обратной связи, в силу чего на вольт - амперной характеристике появляется падающий участок или несколько участков - такой прибор получил название регенеративного оптрона. В регенеративном оптроне могут реализовываться любые комбинации видов входных и выходных сигналов (электрических или оптических).

Важным элементом оптопары является оптический канал между излучателем и фотоприемником. Существуют три его разновидности. Прежде всего, это простой светопровод, предназначенный для передачи энергии излучения на фотоприемник; обычно он выполняется в виде прозрачной иммерсионной среды. Возможно и такое конструкт решение, при котором в зазоре между излучателем и приемником имеется доступ извне; в этом случае мы имеем оптопару с открытым оптическим каналом. Наконец, оптический канал может быть выполнен из материала, светопропускание которого изменятся при внешних воздействиях; такой прибор называют оптопарой с управляемым оптическим каналом.

а) б)

в)

Рис.22. Функциональные схемы оптопар с различной проводимостью

Среди оптопар, используемых для развязки (рис.23), наиболее широко представлены такие, у которых в качестве фотоприемника применены транзистор (а), диод (б), резистор (в), составной транзистор (е), тиристор (д), пара диодов (е) (для дифференциальной схемы).

а) б) в)

г) д) е)

Рис.23. Оптопары, используемые для развязки

На рис.24 представлены примеры конструкций оптронов: 1 - излучатель, 2 - фотоприемник, 3 - оптический канал, 4 - корпус, 5 - выводы, 6 - отражающая поверхность

а) б)

г) д)

Рис.24. Конструкции оптронов

Резисторные оптопары. При засветке фоторезисторов их сопротивление уменьшается от R_т (темнового) до R_св (при освещении). Одним из основных параметров резисторных оптопар является отношение этих сопротивлений; значение R_т/R_с может достигать 10⁴...10⁷.

Фоторезисторы обладают, как правило, большой инерционностью. Именно поэтому в фоторезисторных оптопарах в качестве источников излучения широко применяют миниатюрные лампы накаливания, к достоинствам которых следует отнести хорошую воспроизводимость параметров, большой срок службы, малую стоимость. Невысокое быстродействие (время переключения - примерно 10^-2 с) ламп накаливания в оптопарах этого типа не является недостатком, поскольку общее время переключения (до 10^-1с) определяется фотоприемником. Кроме ламп накаливания в резисторных оптопарах используют светодиоды, спектр излучения которых хорошо согласуется со спектрами возбуждения фотоприемников.

Диодные оптопары. Оптопары этого типа изготовляют на основе кремниевых р-i-n фотодиодов и арсенидгаллиевых светодиодов. Диодные оптопары могут работать в вентильном режиме, когда оптрон выступает в качестве источника питания.

Транзисторные оптроны. К этому классу приборов относятся диодно-транзисторные (приемником излучения является фотодиод, один из выводов которого соединен с базой транзистора, введенного в состав оптопары) и транзисторые (приемником излучения служит фототранзистор) оптопары, а также оптопары с составным фототранзистором. Их параметры существенно отличаются друг от друга. Так, оптопары с составным фототранзистором обладают наилучшими передаточными характеристиками по току (в результате внутреннего усиления сигнала k_i может достигать 1000 %), зато диодно-транзисторные имеют большее быстродействие (t_п = 2...4 мкс). При этом оказывается, что для оптопар перечисленных типов отношение

k_i /t_п =D

остается постоянным в широком интервале значений входных токов. Параметр D называют добротностью оптопары, его значение зависит от параметров изоляции.Так же как и в случае диодных оптопар, материалом фотоприемников чаще всего является кремний; излучателями в таких приборах служат арсенид - галлиевые светодиоды.

Транзисторные оптопары привлекают внимание возможностью управления коллекторным током как оптическими методами, так и электрическими. Применение этих приборов позволяет получать большие значения коэффициента передачи по току и соответственно большие k_i (чем они выгодно отличаются от диодных оптопар) при удовлетворительном быстродействии.

Тиристорные оптопары. Тиристорные оптопары используют в качестве ключей для коммутации сильнотоковых и высоковольтных цепей как радиоэлектронного (U₂= 50...600 В, I₂=0,1...10 А) так и электротехнического (U ₂= 100...1300 В, I ₂= 6,3...32О А) назначения. Достоинством этих приборов является то, что управляя значительными мощностями в нагрузке, они тем не менее по входу совместимы с интегральными микросхемами.

Волстрон - прибор, в котором излучатель и фотоприемник неразъемно связаны друг с другом отрезком волоконно-оптического кабеля. Такой прибор выгодно отличается от традиционной короткой волоконно-оптической линии связи (ВОЛС), содержащей пару оптических соединителей, лучшей передаточной характеристикой, большей надежностью, меньшими габаритными размерами и стоимостью. Волстроны длиной от десятков сантиметров до нескольких метров незаменимы в качестве элементов электрической развязки в сверхвысоковольтной радиоэлектронной и электротехнической аппаратуре. Во многих случаях внутриобъектового применения они удобнее, чем короткие ВОЛС.

Октроны - оптопары с открытым оптическим каналом. В этих приборах излучатель и фотоприемник смонтированы отдельно друг от друга, и специфика оптопары проявляется лишь в обеспечении наилучшей светопередачи. В оптопаре с управляемым оптическим каналом между излучателем и фотоприемником содержится элемент, светопропускание которого может регулироваться. Чаще всего это электронно - оптический (жидкий кристалл, сегнетокерамика) или магнитооптический материал - управление свойствами канала осуществляется электрически. Как элемент схемы такая оптопара представляет собой шестиполюсник с двумя входами: по цепи излучателя и по цепи управления оптическим каналом.

Светопропускание канала может изменяться и при других формах воздействия: давлении, засветке, нагреве и т.п. В этом случае оптопара с управляемым оптическим каналом, так же как и оптопары с открытым каналом, выступает в качестве сенсорного элемента - датчика.

Существует две разновидности оптопар с открытым каналом: с прямым прохождением лучей от излучателя к приемнику и с отражением лучей внешним объектом. В первом случае излучатель и приемник расположены напротив друг друга, а в зазоре между ними помещается светонепроницаемая подвижная преграда. Во втором случае оптические оси излучателя и приемника располагаются под углом. При отсутствии отражающего объекта энергия, излучаемая светодиодом, рассеивается в пространстве, не попадая на фотоприемник. При появлении объекта часть отраженной от него энергии попадает на приемник - возникает электрический сигнал о появлении объекта. Очевидно, что при изменении положения объекта сигнал изменится.

Оптоэлектронные датчики представляют собой преобразователи неэлектрических воздействий или внешних воздействующих факторов в адекватные им электрические сигналы. Основные требования к такому датчику: высокая точность, однозначность, быстрота измерения; избирательность, (способность выделения данного воздействия на фоне других); многофункциональность (пригодность для одновременного контроля двух или нескольких разнородных воздействий).

Общая схема любого оптоэлектронного датчика представляет собой оптронную структуру, содержащую излучатель, фотоприемник, оптическую среду между ними, а также элементы электронного и оптического обрамления. Оптическая среда является чувствительным элементом, свойства которого изменяются под влиянием внешних факторов.

По конструктивным признакам среди оптоэлектронных датчиков можно выделить четыре основные группы.

Оптопары с открытым оптическим каналом (рис.25) удобны для контроля числа и положения объектов, а также состояния их поверхности, считывания дискретной информации наличия жидкости и т.п. Из - за сложности различения двух близких положений промежуточного элемента (ПЭ) оптопары с открытым каналом используются главным образом в качестве предельных переключателей (счетчиков ситуаций «есть—нет»).

а) б)

Рис.25. Оптопара с открытым оптическим каналом

В интегрально - оптических датчиках в качестве чувствительного элемента используют плоский однослойный светопровод, изготовляемый методами интегральной оптики на диэлектрической подложке. С одного конца к светопроводу подсоединяется излучатель (лазер, светодиод), с другого - фотоприемник (обычно р-i-n фотодиод). В основе принципа действия таких датчиков лежит нарушение условия полного внутреннего отражения (ПВО) для световых лучей, распространяющихся вдоль светопровода, и, как следствие, изменение сигнала фотоприемника.

а) б)

Рис.26. Функциональная схема оптопар с механизмом ПВО

Используются два основных механизма нарушения ПВО. Во - первых, это размещение промежуточной среды поверх светопровода и изменение ее показателя преломления под влиянием внешних факторов (ВФ) и действия электро-, магнитооптических и других эффектов (рис.26, а). По такой схеме работают, например, индикаторы вида жидкости. Другой механизм регулируемого нарушения ПВО основан на изменении площади оптического контакта промежуточного элемента со светопроводом под влиянием ВФ (рис.26, б). На таком принципе работают датчики давления, усилия, перемещения.

В датчиках с волоконно-оптическими связями (ВОЛС) содержатся самые разнообразные чувствительные элементы, располагаемые в месте разрыва обычной ВОЛС, изменяющие свои свойства под влиянием внешних возмущающих факторов и воздействующие на светопередачу ВОЛС.

Наиболее простым является датчик с механической шторкой, перекрывающей большую или меньшую часть светового потока (рис.27, а). При тщательном выполнении механической части, использовании не одиночных волокон, а жгутов в таких приборах удается достигнуть удовлетворительной чувствительности, линейности, воспроизводимости измерений при широком диапазоне изменения контролируемого воздействия.

Наиболее широко распространенными являются датчики с чувствительным элементом мембранного типа (рис.27, б), в которых такие внешние воздействия, как давление, ускорение, вибрация, микроперемещения, преобразуются в изменение положения мембраны относительно торцов подводящего и отводящего световодов и тем самым в изменение сигнала фотоприемника.

В волоконно-оптических датчиках чувствительным элементом является часть волокна. Эти датчики с амплитудной модуляцией обычно основаны на управляемом нарушении условия ПВО в месте резкого изгиба волокна (рис.27, а) или на некотором участке волокна, подвергнутом деформации (рис.27, б). Модуляция светопропускания осуществляется вследствие изменения степени деформированности волокна или путем помещения изогнутой области в среды с различными показателями преломления. По данной схеме реализуются датчики давления, температуры, вибрации, микроперемещений, рефрактомеры.

а) б)

Рис.27. Датчики