 |
|
УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ОПТРОНОВ
Министерство образования Российской Федерации
КАЗАНСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ
ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. А.Н.ТУПОЛЕВА
КНИТУ-КАИ
Оптоэлектроника
Лабораторная работа №3
Исследование характеристик оптронов
Казань 2012
Министерство образования Российской Федерации
КАЗАНСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ
ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. А.Н.ТУПОЛЕВА
КНИТУ-КАИ
Оптоэлектроника
Лабораторная работа №3
для студентов очной и заочной формы обучения
Исследование характеристик оптронов
Казань 2012
1. Цель работы
1.1. Изучение основ работы оптронов различного типа.
1.2. Получение практических навыков работы с оптронами.
2. Домашнее задание
2.1. Изучить принцип работы и характеристики светоизлучающих диодов.
2.2. Изучить принцип работы и характеристики полупроводниковых фотоприемных устройств.
Теоретическая часть
УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ОПТРОНОВ
Оптронами называются оптоэлектронные приборы, в которых имеются излучатели и фотоприемники и используются оптические и электрические связи, а также конструктивно соединенные друг сдругом элементы. Некоторые разновидности оптронов известны как оптопары, или оптоизоляторы.
Принцип действия любого оптрона основан на двойном преобразовании энергии. В излучателях энергия электрического сигнала преобразуется в оптическое излучение, а в фотоприемниках наоборот: Оптический сигнал вызывает электрический ток либо Напряжение или приводит к изменению сопротивления фотоприемника.
Наибольшее распространение получили оптроны с внешними электрическими выходами и выходными сигналами и внутренними оптическими сигналами. Схематично один из таких приборов представлен на рис. 1.
Рис. 1 Вариант конструкции широко распространенного типа диодно-диодного оптрона с внутренней оптической связью
В электрической схеме подобный оптрон выполняет функцию выходного элемента — фотоприемника с одновременной электрической изоляцией (гальванической развязкой) входа и выхода. Излучатель является источником фотонов, в качестве которого может служить светодиод или миниатюрная лампа накаливания. Оптической средой может быть воздух, стекло, пластмасса или волоконный световод. В качестве фотоприемников используются
Рис.2 Пример инструкции широко распространенного типа
додно-диодного оптрона с внутренней
оптической связью
фотодиоды, как в конструкций, изображенной на рис. 2, а так же фототранзисторы, фототиристоры и фоторезисторы.
Очень часто используются интегральные фотодиодно-транзисторные структуры. Различные комбинации этих элементов позволяют получить весьма разнообразные входные, выходные и передаточные характеристики.
На практике применяется и другая разновидность оптронов: использующая внешние входные и выходные оптические сигналы и внутренние электрические сигналы, как показано на рис. 3.Обычно такие приборы имеют усилители фототока.
Рис. 3 Оптрон с внешней оптической связью
В отдельных случаях применяются оптроны, одновременно использующие оптические и электрические связи; один из возможных вариантов представлен на рис. 4.
С конструкторско-технологической точки зрения излучатель и фотоприемник равноправны. Эффективность преобразования энергии и срок службы оптрона в основном определяет излучатель. При разработке излучателя для оптрона основная трудность заключается в оптимизации согласования с фотоприемником. К параметрам, подлежащим оптимизации, относятся коэффициент усиления, 
Рис. 4 Оптрон, одновременно использующий оптические и электрические связи.
ширина полосы частот, размеры оптического окна, электрические характеристики. Поскольку желательно иметь малое последовательное сопротивление, наилучшим вариантом является излучатель на основе GaAs. Стараются добиться малого прямого напряжения, но это менее важно, чем оптимизация усиления частотной полосы.
Требования к виду оптического окна излучателя и светодиода существенно различаются. Светодиоды изготавливают с кольцевой излучающей областью площадки, чтобы получить высокий коэффициент отношения площади видимой излучающей области К общей площади. В оптроне излучающая область должна быть настолько малой, насколько это совместимо с допустимой плотностьютока, а контактная площадка размещена так, чтобы минимально затемнилась излучающая область. Смещение контактной площадки создает минимальное затемнение (затенение) излучающей области и обеспечивает лучшую связь с приемником. Малый размер излучающей области позволяет уменьшить краевые потери как тока, так и излучения и обеспечить постоянство условий связи независимо от разброса величины зазора и точности совмещения светодиода с чувствительной областью фотоприемника у различных образцов оптронов.
При выборе оптической среды ее изолирующие свойства играют определяющую роль, если расстояние между излучателем и приемщиком очень мало. Если же расстояние велико, например при использовании волоконной оптики, линз или другой среды (отражающей или пропускающей), изолирующие свойства менее важны. Зато большое значение приобретает спектр пропускания, особенноесли применяются пластмассы. В большинстве оптронов для уменьшения потерь на френелевское отражение от поверхности излучателя и приемника используют просветляющие покрытия. При этом одновременно выполняется изоляция, так как материалы покрытий не являются проводниками электрического тока. Во многих типах Оптронов для создания хорошей изоляции между излучателем и приемником применяют слой пленки из прозрачного фторопласта. Оптическая изоляция позволяет получить прибор, обеспечивающий оптическую связь сигналов двух раздельных электронных устройств, несмотря на то что устройства гальванически развязаны. Напряжение изоляции такого прибора может достигать 1000 В.
Принципиальные физические достоинства оптронов, как уже отмечалось, обусловленные использованием фотонов в качестве носителей информации, заключаются в обеспечении очень высокой электрической изоляции входа и выхода, однонаправленности потока информации, отсутствии обратной связи - с выхода на вход в широкой полосе пропускания.
Кроме того, важными достоинствами оптронов являются:
возможность бесконтактного (оптического) управления электронными объектами и обусловленные ею разнообразие и гибкость конструкторских решений управления;
· невосприимчивость оптических каналов связи к воздействию электромагнитных полей, что в случае оптронов с протяженным оптическим каналом обусловливает высокую помехозащищенность, а также исключает взаимные наводки;
· возможность создания функциональных микроэлектронных устройств с фотоприемниками, характеристики которых под действием оптического излучения изменяются по заданному (сколь угодно сложному) закону;
· расширение возможностей управления выходным сигналом оптрона путем воздействия (в том числе и неэлектрического) на материал оптического канала и, как следствие, создание разнообразных датчиков и приборов для передачи информации. Современным оптронам присущи и определенные недостатки:
· низкий КПД, обусловленный необходимостью двойного преобразования энергии (электричество-излучение-электричество), и значительная потребляемая мощность;
· сильная зависимость параметров от температуры;
· высокий уровень собственных шумов;
· конструктивно-технологическое несовершенство, связанное в основном с использованием гибридной технологии. Перечисленные недостатки оптронов устраняются по мере coвершенствования материалов, технологии, схемотехники. Широкое применение оптронов определяется прежде всего неповторимостью достоинств этих приборов.