Главная | Обратная связь

Типовые оптоэлектронные приборы

Оптоэлектронные приборы в широком понимании представляют собой устройства, использующие оптическое излучение для своей работы: генерации, детектирования, преобразования и передачи информационного сигнала. Как правило, эти приборы включают в себя тот или иной набор оптоэлектронных элементов. В свою очередь, сами приборы можно подразделить на типовые и специальные, считая типовыми те из них, которые серийно производятся для широкого применения в различных отраслях промышленности, а специальные устройства выпускаются с учетом специфик конкретной отрасли.

Этот раздел посвящен типовым приборам, с успехом применяемым во многих отраслях.

Оптопары и оптроны.Оптопара представляет собой оптоэлектронный прибор, состоящий из излучающего и фотоприемного элементов, между которыми имеется оптическая связь, т.е. связь входа с выходом осуществляется с помощью световых сигналов. В электронной цепи такой прибор выполняет функцию элемента связи, в котором, в то же время осуществлена электрическая (гальваническая) развязка входа и выхода. Понятие «оптрон» трактуется в литературе несколько шире, чем оптопара (слово «оптопара» само по себе несет уже некоторое ограничение – пара, т.е. всего два элемента, хотя, как правило, есть еще оптическая иммерсионная среда, да и в одном корпусе зачастую размещается не одна пара элементов).

Поскольку в большинстве оптопар источником служит излучающий диод, принято классифицировать оптопары по типу фотоприемников – резисторные, диодные и т.п.

Резисторные оптопары.В резисторных оптопарах источником является излучающий диод либо миниатюрная лампа накаливания, а приемником служит фоторезистор, чаще всего на базе селенида кадмия.

Свойства фоторезисторов не зависят от полярности питающего напряжения, поэтому выход резисторной оптопары можно подключить к цепи переменного тока, что иногда имеет существенное значение для схем управления оборудованием в цеховых условиях.

Помимо функций гальванической развязки оптопары могут выполнять функции разветвления сигнала на несколько независимых друг от друга каналов.

Однако оптопара может быть не только передатчиком сигнала, но и служить его первоисточником, выполняя функцию датчика информации. Пример такого рода представляет так называемая оптопара с открытым оптическим каналом. В данном случае свет от источника через рабочее окно в корпусе прибора испускается во внешнюю среду, где, отразившись от специально устанавливаемого отражателя (вогнутого зеркала), возвращается в корпус оптрона и падает на два фоторезистора, которые имеют общую точку и могут электрически составлять одну половину измерительного моста (другая половина составляется из двух постоянных сопротивлений).

Диодные оптопары.В диодных оптопарах фотоприемником служит фотодиод на основе кремния, а источником является инфракрасный диод, излучающий на длине волны около 1 мкм. Поскольку фотодиоды могут работать как в диодном, так и фотогенераторном режиме, то выходная цепь при необходимости может работать автономно – без источника питания (например, подавать сигнал непосредственно на измерительную головку, скажем, стрелочный микроамперметр или милливольтметр).

Диодный оптрон АОД134АС представляет набор из двух оптопар в одном корпусе, что создает определенные удобства при реализации на них гальванических развязок в электротехнической аппаратуре. Коэффициент передачи по току порядка 1% типичен для диодных оптопар.

Существенный рост коэффициента передачи по току достигается в диодно-транзисторных оптопарах, у которых приемник – фотодиод – выполнен интегрально на одной пластине с n-р-n-транзистором. Они как бы перекидывают мостик к другому типу оптопар – транзисторным.

Транзисторные оптопары.Типовой источник в транзисторных оптопарах – инфракрасный диод, а фотоприемником служит, как правило, кремниевый (n-р-n) одинарный или составной транзистор.

Коэффициент передачи по току у транзисторной оптопары 3ОТ138 (А, Б) намного превышает (50 – 250%) возможности диодных оптопар. Это позволяет усилить слабый токовый сигнал в самой микросхеме оптопары, не рискуя «забить» его шумами и помехами при передаче по сигнальному кабелю. Еще большего усиления добиваются при использовании составных фототранзисторов, как, например, в оптопаре АОТ126 (А, Б). Однако, повышение коэффициента передачи за счет усиления на транзисторе снижает быстродействие, так как новый элемент привносит свою инерционность за счет межэлектродных емкостей. В табл. 3.9 приводятся сведения о сравнении этих параметров для оптронов различных типов.

Из приведенных данных следует, что на сколько порядков повышается коэффициент передачи, на столько же падает быстродействие, поэтому приходится выбирать – либо то, либо другое. Диодным оптопарам отдается предпочтение в компьютерных каналах связи, где быстродействие – один из определяющих параметров, а сам сигнальный импульс достаточно чист и уверенно воспринимаем. Транзисторные оптопары более применимы к аналоговым сигналам, а то и используются в виде датчиков, как, например, оптопары с открытым оптическим каналом АОТ146 (отражательного типа) или АОТ151А (щелевого типа).

Табл. 3.9

Параметры оптронов

Вид фотоприемника	Коэффициент передачи, %	Граничная оптрона частота МГц
Фотодиод	0,1
Фототранзистор		0,3
Составной фототранзистор		0,03

Датчики на базе оптопар отражательного типа, имея источник инфракрасного излучения, хорошо работают в условиях повышенной запыленности. Оптопары щелевого типа часто используются в качестве концевых выключателей, когда, скажем, каретка доходит до крайнего положения и необходимо остановить движение или осуществить реверс. При этом заслонка или «флажок», связанный с кареткой, входит в щель оптопары, прерывая световой поток и сообщая тем самым о достижении крайнего положения.

Тиристорные оптопары.В отличие от транзисторных тиристорные оптопары позволяют усиливать информационный сигнал не только по току, но и по мощности, поскольку приспособлены для работы при напряжениях на входе и выходе, отличающихся на порядки.

Представить параметры тиристорных оптопар малой и средней мощности можно на примере характеристик оптопары АОУ115Д (предельные электрические параметры при Т_окр = +25 °С):

Входной постоянный ток, мА 30

Входной импульсный ток (при длительности

импульса 1 мс и скважности 10), мА 60

Входное обратное напряжение, В 2

Выходной постоянный ток, мА 100

Выходное постоянное прямое напряжение

на фототиристоре в закрытом состоянии, В 400

Напряжение на изоляции, В 1500

Диапазон рабочей температуры
окружающей среды, ⁰С – 45… + 55

Из приведенных данных видно, что коэффициент передачи по мощности составляет (400 В ´ 0,1 А/2 В ´ 0,03 А)100% = 66667%, что существенно выше возможностей других видов оптопар. Кроме того, включенное состояние фототиристора сохраняется и при прекращении излучения входного диода. Следовательно, управляющий сигнал может подаваться только на момент отпирания фототиристора, что экономично, дополнительно повышает коэффициент передачи по мощности и может быть полезно при многоканальном управлении.

4. ВИДЫ ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

4.1. Оптоэлектронные преобразователи
с амплитудной модуляцией

Одним из видов преобразования измеряемой величины является применение ОЭП амплитудной модуляции (АМ). Амплитудная модуляция излучения (непосредственная модуляция по интенсивности) наиболее удобна для дальнейшей обработки выходного сигнала оптического датчика. Большинство схем амплитудной модуляции не требует использования когерентного излучения, но следует отметить, что некоторые из них реализуемы лишь при работе с поляризованным излучением. Схемы амплитудной модуляции не предъявляют практически никаких специальных требований ни к источнику, ни к приемнику излучения и не нуждаются в дополнительной схеме, обрабатывающей выходной сигнал датчика, так как амплитудно-модулированный сигнал непосредственно регистрируется с помощью обычного фотоприемника.

Как указано на рис. 4.1, амплитудная модуляция оптического сигнала может быть осуществлена за счет:

1) непосредственного ослабления света в среде при изменении коэффициента поглощения k;

2) изменения поперечного сечения оптического канала;

3) изменения отражательной (поглощательной) способности при вариации показателя преломления п, в том числе нарушения полного внутреннего отражения (ПВО);

4) управляемой связи волноводов при изменении п;

5) получения дополнительного излучения при воздействии измеряемого физического фактора.