Оптроны и их применение

            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.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5



Реклама
В соцсетях
рефераты скачать рефераты скачать рефераты скачать рефераты скачать рефераты скачать рефераты скачать рефераты скачать