3.6. Оптрони

Оптроном називають оптоелектронний прилад, що має джерело світла (ДС) та приймач світлового випромінювання - фотоприймач (ФП), які конструктивно та оптично зв'язані між собою (рис. 3.25, а). Керуючим (вхідним) сигналом для джерела світла є вхідна напруга U_вх або вихідний струм I_вх, а вихідним - яскравість світіння В_вих.

Вхідним сигналом для фотоприймача є падаючий світловий потік В_вх, а вихідним – напруга U_вих, або струм I_вих, значення яких зале­жить від зміни інтенсивності світлового потоку В_вх. Джерело світла і фотоприймач зв'язані між собою активним або пасивним оптичним се­редовищем (ОС). Отже, головна особливість оптрона - гальванічна розв'язка вхідного та вихідного кіл і однонапрямленіcть сигналів, що характерно для оптичних ліній зв'язку.

Розв'язка оптронів з чисто оптичним зв'язком практично ідеальна - опір ізоляції може досягати 10¹² ... 10²⁴ Ом, а електроємність зв’язку - 10^-2 пФ. При цьому з'являється ряд можливостей, які недоступні для чисто електронних кіл. Наприклад, через високу міцність ізоляції за допомогою низьких напруг можна керувати дуже високими напругами, що вимірюються сотнями кіловольт, зв'язувати кола з різними частотами, підвищувати шумозахищеність схем, оскіль­ки електромагнітні завади не діють на оптичний зв’язок.

Як джерела світла використовують мініатюрні лампи розжарюван­ня та газорозрядні лампи, частіше електролюмінісцентні конденсатори та світлодіоди, технологія виготовлення яких допускає їх безкорпусне виконання, а також у вигляді, інтегральних матриць з високою густиною пакування. Найбільш поширені як фотоприймачі: фоторезистори, фотодіоди, фототранзистори та фототиристори, опори яких змінюють­ся із зміною освітленості. Для їх виготовлення можуть бути використані методи інтегральної технології. У багатьох випадках у колі прий­мача використовують складні структури: фотодіод з високочастотним транзистором або тиристором, схему Дарлiнгтона та ін. Відкриті оптичні канали або просто повітряні проміжки між джерелом світла та фотоприймачем застосовують рідко. Частіше як оптичне середовище використовують тверді імерсійні середовища: полімерні органічні спо­луки, халкогенідне скло, скловолоконні світловоди. Останні мають найбільш високі ізоляційні властивості. Оптрони з гнучкими скловолоконними світловодами близькі за своїм призначенням до коротких ліній фотонного зв'язку.

Рис. 3.25

Кероване джерело світла та фотоприймач створюють оптронну пару - основу елементарного оптрона. На рис. 3.25, б, в, г приведені умовні графічні зображення оптронів.

Елементарні оптрони відрізняються своїми характеристиками та параметрами. Це дозволяє складати оптоелектронні схеми, різні за складністю, принципом роботи та призначенням.

До основного типу відносять оптрони з внутрішнім прямим оптичним зв’язком (рис. 3.25, а), в яких електричний зв'язок між елементами пари відсутній, тобто вони гальванічно розв'язані. При цьому із змі­ною напруги або струму, джерела світла (U_вх, I_вх) змінюється яскравість його світіння, що, у свою чергу, змінює опір фотоприймача і напругу та струм на виході. Таким чином, здійснюється перетворення вхідного електричного сигналу (U_вх, I_вх) у вихідний електричний си­гнал (U_вих, I_вих) за схемою: електричний сигнал – оптичний сигнал­ – електричний сигнал. При цьому оптрон – це деякий опір, який змінюється із зміною рівня вхідного сигналу (як у транзисторі).

Рис. 3.26

Основною характеристикою оптрона є коефіцієнт передачі K_оп­ – відношення вихідного сигналу до вхідного. Для визначення виду пе­ретворення вхідного сигналу розглянемо схему оптрона як функціонального елемента (рис. 3.26. а).

На принциповій схемі вхідний та вихідний електричні сигнали, а також світловий сигнал представлені функціями φ_вх (U_вх, I_вх), φ_вих (U_вих, I_вих) та В (U_вх, I_вх). Електричний сигнал зміщення по другому неза­лежному входу представлений функцією φ₂ (U₂, I₂), де, U₂, I₂ – на­пруга та струм зміщення, які задають опір фотоприймача Z_ФП = γ (В, U₂, I₂). Функція γ (U₁, I₁) - фактор керування оптичним се­редовищем за третім незалежним входом оптрона, з допомогою якого можна керувати параметрами світлового пучка: фазою та довжиною хвилі. напрямленням. Це обумовлює функцію передачі оптичного се­редовища В (γ).

Коефіцієнт передачі оптрона описується рівнянням

К_оп = ψ[К_ДС (U_вх, I_вх), К_ОС (U₁, I₁) , К_ФП (U₂, I₂), φ_вх (U_вх, I_вх), φ₂ (U₂, I₂)], (3.21)

де К_ДС, К_ОС, К_ФП - відповідно коефіцієнти передачі джерела світла, оптичного середовища та фотоприймача. Якщо К_ДС, К_ОС, К_ФП = const, а джерело світла і фотоприймач є лінійними елементами схеми, то

(3.22)

де F_U, G_I - вагові коефіцієнти.

Якщо U_вх = U₂ = U₀ і I_вх = I₂ = I₀ то рівняння (3.22) мають вигляд

К_опU = G_0UU₀²; К_опI = G_0II₀². (3.23)

Це вказує на можливість моделювання в оптроні операції середнього квадратичного перетворення. Можна також одержати операцію алге­браїчної суми:

(3.24)

де U_вх = const; або U₂ = const

(3.25)

та операцію ділення

(3.26)

де U_вх = 1/U_l. В залежності від виду функцій φ_вх (U_вх, I_вх), φ₂ (U₂, I₂), γ (U₁, I₁) можна виконувати операції інтегрування та диференці­ювання. Тому оптрони з прямим оптичним зв'язком можуть використовуватися як лінійні та диференціальні підсилювачі, модулятори, змішувачі, генератори релаксаційних коливань та ін. На рис. 3.26, б зображено лінійну передавальну характеристику оптрона, в якому джерело світла, оптичне середовище та фотоприймач мають також лі­нійні передавальні характеристики.

Рис. 3.27

Отже, для оптронів з прямим оптичним зв'язком характерні:

1) висока шумозахищеність, оскільки відсутній гальванічний зв'язок між входом і виходом;

2) можливість керування по кожному з трьох незалежних входів;

3) велика гнучкість та можливість принципу фотоелектронного перетворення, що створює умов и для одержання оптоелектронних схем різного призначення.

Існує ряд різновидностей оптронів. До них належать оптрони із зовнішнім оптичним зв'язком (рис. 3.27), які перетворюють оптичний сигнал в електричний сигнал і останній - в оптичний сигнал.

В такому оптроні (рис. 3.27 а) вхідним сигналом є світловий потік В_вх від незалежного джерела випромінювання. Із зміною В_вх змінюється опір фотоприймача Z_ФП, що при U₀ = const приводить до зміни струму І_п . В свою чергу вихідний світловий потік В_вих джерела світла залежить від струму І_п, що протікає через нього. Таким чином, із зміною В_вх змінюватиметься В_вих, що показує пере­давальна характеристика оптрона (рис. 3.27, б).

3а допомогою оптронів із зовнішнім оптичним зв'язком, підібравши певним чином спектральні характеристики джерела світла та фотоприймача, можна здійснювати перетворення випромінювання однієї довжини хвилі у випромінювання іншої довжини хвилі, наприклад, перетворення інфрачервоного або рентгенівського випромінювання у видиме світло.

Оптрони характеризуються вхідними, вихідними та прохідними па­раметрами, які задаються структурою оптронної пари. Основними вхідними параметрами є найбільша вхідна напруга U_{вх мах} і найбільший вхідний струм I_{вх мах}. До прохідних параметрів відносяться зна­чення прохідної ємності С_пр і опір ізоляції R_із; час ввімкнення t_ввімк­ - відрізок часу з моменту подачі імпульсу вхідного струму до моменту досягнення вихідним струмом 90 % свого усталеного значення; час вимкнення t_вимк­ - час з моменту припинення прямого струму і до мо­менту, при якому вихідний струм зменшиться до 50 % початкового значення.

Вихідні параметри визначаються, в основному, параметрами фото­приймачів.

Рис. 3.28

На рис. 3.28, а зображена характерна конструкція оптронної па­ри, скомпонованої з дискретних елементів: як джерело світла використовується світлодіод 1, як фотоприймач - фоторезистор 3 у вигля­ді спресованої таблетки. Для зменшення ємнісного зв'язку між джерелом світла та фотоприймачем розміщується прозорий електростатич­ний екран 4. Внутрішня частина оптрона заливається оргсклом або епоксидною смолою, які захищають прилад від впливу зовнішнього се­редовища і відіграють роль світловода. Герметичний металічний кор­пус 2 зовні нагадує корпус простого транзистора. Два зовнішніх елек­троди оптрона відповідають. входу джерела світла, а два інших - ви­ходу по колу фотоприймача.

Принципова будова і зовнішній вигляд оптрона з багатошаровою плівковою структурою зображені на рис. 3.28, б, в. Електролюмінофор 1 (ДС) і фоторезистор 3 (ФП) послідовно напилені у вакуумі на обидві сторони скляної пластинки 4, покритої провідними шарами 2. Скляна пластинка є одночасно і підкладкою, і світловодом. Зовні при­стрій вкритий непрозорими електродами 5.