Оптрон (оптопара) – это электронное устройство, которое использует световую энергию для передачи сигнала между двумя электрическими цепями без непосредственного контакта между ними. Оптрон состоит из источника света, обычно светодиода, и фоточувствительного элемента, такого как фототранзистор или фотодиод (или других), объединенных в одном корпусе, но разделенных изоляционным материалом.
Оптроны имеют широкий спектр применения в различных областях, где требуется управление электронным током через оптический сигнал. Их основное назначение – это обеспечение изоляции между сигнальными цепями, управление токами и высокими напряжениями, а также управление системами автоматического управления и контроля, усиления, модуляции, демодуляции, и т. д.
Наибольшее распространение получили в энергетических системах, таких как инверторы и преобразователи, для контроля высоких напряжений и токов. Они также используются в системах автоматического управления и контроля в промышленности.
Более глобально, оптроны используются в различных электронных устройствах, включая телекоммуникационные системы, автомобильную электронику, медицинское оборудование и многие другие области.
История создания
История создания оптопары началась в 1920-х годах, когда американский изобретатель Чарльз Флеминг создал первую коммерческую оптопару. Эта оптопара состояла из двух элементов: лампы и фотоэлемента.
Лампа была светоизлучающим элементом, который излучал свет на фотоэлемент. Фотоэлемент был фоточувствительным элементом, который реагировал на свет, и преобразовывал его в электрический сигнал. Это позволяло измерять яркость света и использовать его для управления электронными схемами.
Однако первые оптопары были несовершенными и имели низкую эффективность. В 1950 году инженер из компании IBM Джон Моучли создал новый тип оптопары, который использовал фотоприемник, светоизлучающий диод и оптическую связь между ними. Это позволило создавать более эффективные и быстродействующие оптопары, которые стали популярными в электронной промышленности.
В 1955 году ученый Эгон Лёбнер предложил концепцию оптрона, который представлял собой новый тип оптопары. Он использовал фотоприемник и светоизлучающий элемент, но вместо лампы он использовал полупроводниковые элементы. Это позволило создавать более компактные и эффективные оптроны, которые стали широко используемыми в электронной промышленности.
Принцип работы и устройство
Как уже было упомянуто ранее, оптрон (оптопара) состоит из двух основных элементов: светоизлучающего элемента и фотоприемника. Электрический сигнал при помощи излучателя света преобразуется в оптический, который затем передается через среду или оптическое волокно на фотоприемник, который преобразует оптический сигнал обратно в электрический.
В современном оптроне, в роли светоизлучателя выступает светодиод, который может быть выполнен на основе различных полупроводниковых материалов, таких как германий, кремний или арсенид галлия. Когда на светоизлучающий диод подается электрический сигнал, он начинает излучать свет с определенной длиной волны. Это свет проходит через окно в оптопаре и направляется на фотоприемник.
Фотоприемник, в свою очередь, может быть выполнен из фотодиода, или фототранзистора, или фоторезистора (фотодиоды и фототранзисторы преобразуют свет в электрический ток, в то время как фоторезисторы изменяют свое сопротивление при воздействии света).
Оптроны также могут иметь различные модификации конструкции, в зависимости от требований конкретного применения. Например, некоторые оптроны могут иметь встроенную оптическую линзу, которая направляет свет на фотоприемник. Другие могут иметь защиту от внешних воздействий, таких как пыль или влага, чтобы обеспечить стабильную работу в любых условиях.
Характеристики
В первую очередь оптопары характеризуются коэффициентом передачи по току CTR, который отражает отношение токов входного и выходного сигналов. Коэффициент передачи оптрона существенно зависит от характера оптической среды, которая находится между излучателем и приемником.
Существуют так называемые открытые оптические каналы, где между элементами оптрона есть только воздушный зазор. В этом случае коэффициент передачи очень низок (менее 1% при зазоре 3 мм). Такие оптроны почти не используются, но выпускаются некоторыми фирмами для специальных применений, таких как счетчики движущихся объектов, оборотов, контроль потоков на конвейере и т.д.
В основном в оптронах используют твердые иммерсионные среды, такие как полимерные органические соединения, халкогенидные стекла и волоконные световоды. Каждая из этих сред имеет свои достоинства и недостатки. Халкогенидные стекла имеют малые потери света на отражение благодаря высоким коэффициентам преломления (приблизительно 1,8-3), но недостаточно электрически прочны и имеют конструктивно-технологические недостатки, такие как хрупкость и неустойчивость к термоциклированию.
Полимерные клеи являются конструктивно хорошими, но имеют коэффициент преломления приблизительно 1,4-1,6, что приводит к оптическим потерям (до 25%). Кроме того, они согласуются спектрально плохо и быстро стареют.
Другим важным параметром является скорость передачи сигнала, которая определяется граничной частотой работы оптопары и связана с временами фронта и среза для передаваемых импульсов.
Кроме того, параметры, связанные с гальванической развязкой, также играют важную роль при выборе оптопары.
К основным параметрам входной цепи оптопары относятся:
- Номинальный входной ток. Значение тока, которое рекомендуется для оптимальной работы оптопары и для измерения ее основных параметров.
- Входное напряжение. Падение напряжения на излучательном диоде при прохождении номинального входного тока.
- Входная емкость. Емкость между входными выводами оптопары в номинальном режиме.
- Максимальный входной ток. Максимальное значение постоянного прямого тока, при котором оптопара продолжает работать.
- Обратное входное напряжение. Максимальное значение обратного напряжения любой формы (постоянное, импульсное, синусоидальное и т.д.), которое излучательный диод может выдержать без нарушения нормальной работы.
Выходными параметрами оптопары являются:
- Максимально допустимое обратное выходное напряжение. Максимальное значение обратного напряжения любой формы, которое фотоприемник может выдержать без нарушения нормальной работы.
- Максимально допустимый выходной ток. Максимальное значение тока, который может протекать через фотоприемник во включенном состоянии оптопары.
- Ток утечки (темновой ток на выходе). Ток, который проходит через выход оптопары и заданном значении и полярности.
Виды оптронов
Оптопары могут быть классифицированы по различным критериям, таким как конструкция, тип фотоприемника и степень интеграции. Ниже приведен обзор основных видов оптопар.
Оптопары по конструкции
Оптопары открытые
Открытые оптроны имеют конструкцию, в которой между элементами оптрона есть воздушный зазор.
Одним из главных преимуществ заключается в том, что они обладают очень высокой скоростью ответа благодаря отсутствию фильтров и задержек, которые могут возникать в других типах оптопар. Кроме того, такие оптроны могут использоваться для измерения очень маленьких величин, таких как смещение, ускорение и давление.
Однако у открытых оптопар также есть некоторые недостатки. Во-первых, они могут быть более чувствительны к внешним помехам и шумам, таким как электромагнитные поля. Кроме того, из-за их конструкции, они могут быть более уязвимыми для повреждений и более сложны в изготовлении, что может увеличивать их стоимость по сравнению с другими типами оптопар.
Оптопары щелевые
Щелевые оптроны представляют собой тип оптопар, где между элементами оптрона имеется щель, в которую свет из излучателя попадает на приемник.
Эти устройства могут быть различной конструкции и размеров, в зависимости от конкретных требований и условий эксплуатации. Некоторые щелевые оптопары могут иметь маленькую щель, что позволяет использовать их для измерения очень малых величин, таких как перемещение, угол, вибрации и деформации. Другие щелевые оптопары могут быть более крупными и мощными, что позволяет им использоваться для контроля скорости, позиции и наличия объектов, а также в системах автоматического управления и контроля.
Оптопары закрытые
В закрытых оптронах элементы находятся внутри герметичного корпуса, который защищает их от внешних воздействий и помех.
Одним из главных преимуществ закрытых оптопар является их высокий коэффициент передачи и защита от внешних помех. Это делает их более надежными и точными в измерении и контроле различных параметров, таких как скорость, позиция, уровень и прочее. Кроме того, закрытые оптопары могут использоваться в широком диапазоне температур и влажности, что делает их универсальными и широко применяемыми в различных отраслях промышленности.
Оптопары по типу фотоприемника
Оптопары диодные
Диодные оптроны изготавливаются на основе кремниевых фотодиодов и арсенид-галлиевых светодиодов. Оптопары этого типа отличаются самым высоким быстродействием фотоприемников на p-i-n-структурах, малыми темновыми токами в выходной цепи и высоким сопротивлением гальванической развязки.
Они имеют широкое применение. На их основе создаются импульсные трансформаторы без обмоток, что важно для микросхем. Они также используются для передачи сигналов между блоками сложной радиоэлектронной аппаратуры, для управления работой ИМС, особенно тех, у которых входной ток очень мал.
Оптопары транзисторные
Транзисторный оптрон выполняется из фотоприемного элемента на основе кремниевого фототранзистора с n-p-n структурой на основе кремния. В качестве источников света также используются арсенидогаллиевые диоды, максимальная точка спектрального излучения которых совпадает с областью наибольшей чувствительности фототранзистора.
Излучательный диод расположен таким образом, чтобы большая часть света попадала на базовую область транзистора. Таким образом транзисторные оптопары позволяют получать высокие значения коэффициента передачи по току при умеренных тока и способны управлять значительными токами при удовлетворительном быстродействии.
Оптопары данного типа работают главным образом режиме ключей и применяются в коммутаторных схемах, устройствах связи различных датчиков с измерительными блоками, в качестве реле и т.д.
Оптопары резисторные
Резисторная оптопара использует в качестве фотоприемного элемента фоторезистор на основе сульфида кадмия и селенида кадмия. Оптопары такого типа обладают высокой чувствительностью, достигающей максимума в красной области видимого спектра и захватывающей ближнюю инфракрасную область.
Они способны управлять относительно большими токами, при этом их передаточная люксамперная характеристика близка к линейной. Высокое темновое сопротивление, достигающее десятков ГОм, обеспечивает максимально возможный динамический диапазон по освещенности и наименьшие нелинейные искажения сигнала. Однако быстродействие таких фоторезисторов низкое.
Резисторные оптопары находят применение в автоматическом регулировании усиления, связи между каскадами, управлении бесконтактными делителями напряжения, модуляции сигналов, формировании различных сигналов и т.д.
Оптопары тиристорные
В тиристорных оптопарах в качестве приемного элемента используется кремниевый фототиристор, который имеет четырехслойную p-n-p-n структуру, аналогичную обычному тиристору.
Тиристорный оптрон обладает большим внутренним усилением фототока, и его включенное состояние сохраняется при прекращении излучения входного светодиода. В результате управляющий сигнал на тиристорную пару может подаваться в течение короткого времени, необходимого для отпирания тиристора. Это позволяет значительно снизить энергию, необходимую для управления тиристорной оптопарой.
Этот тип оптопар применяется для формирования импульсов, управления мощными тиристорами, коммутации и управления различными устройствами с мощными нагрузками.
Оптопары симисторные
Симисторные оптопары обеспечивают отличную гальваническую развязку между низковольтной управляющей частью схемы и силовой нагрузкой с помощью оптического канала. Они состоят из инфракрасного светодиода на основе арсенида галлия, соединенного оптическим каналом с двунаправленным кремниевым симистором. Последний может быть дополнен отпирающей схемой, срабатывающей при переходе через нуль питающего напряжения и размещенной на том же кремниевом кристалле.
Они нашли широкое применение при бесконтактном управлении высоковольтными цепями, работающими на переменном или пульсирующем токе. Кроме непосредственного управления нагрузкой, такие элементы могут использоваться для запуска (включения) более мощных приборов.
Оптопары по степени интеграции
Оптопары оптические (элементарные)
Элементарный оптрон — это полупроводниковый прибор, который состоит из оптического передатчика (излучателя), оптического канала и приёмника оптического сигнала. Таким образом, элементарными являются все оптроны на основе фотодиодов, фототранзисторов, фоторезисторов, перечисленные ранее.
Оптопары электронно-оптические (микросхемы)
Оптоэлектронные микросхемы содержат одну или несколько оптопар, а также согласующие элементы или электронные интегральные схемы (для усиления, формирования или обработки сигнала), объединенные при помощи гибридной технологии в один корпус. Оптоэлектронные микросхемы обладают более широкими возможностями, чем элементарные оптроны.
Применение
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.
Различные оптроны (диодные, резисторные, транзисторные) находят применение в исключительно 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.
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.
Другая важнейшая область применения оптронов - оптическое, бесконтактное управление сильноточными и высоковольтными цепями. Запуск мощных тиристоров, триаков, симисторов, управление электромеханическими релейными устройствами.
Маркировка и система обозначений
Оптроны не имеют унифицированной международной системы обозначений, она может отличаться в зависимости от производителя и страны происхождения. Однако каждый прибор обязательно имеет свою маркировку, которая позволяет однозначно идентифицировать их тип и характеристики на основании технической документации.
Однако некоторые отечественные производители применяют для оптронов общую систему обозначений для фотоприемных приборов:
Первый элемент — буква или цифра обозначает материал:
- Г или 1 — германий и его соединения;
- К или 2 — кремний и его соединения;
- А или 3 — соединения галлия.
Второй элемент — буква, указывающая класс прибора:
- Д — диоды;
- Н — тиристоры диодные;
- У — тиристоры триодные;
- Т — транзисторы биполярные;
- П — транзисторы полевые;
- Т2 – сложные фототранзисторы;
- ДТ – диоды и транзисторы;
- 2Д (2Т) – диоды дифференциальные, либо транзисторы.
Третий элемент — число, указывающее назначение и качественные свойства прибора (тип фотоприемника).
Обозначение на схеме
На изображении ниже представлено условное графическое обозначение (УГО) оптопары:
- а) резисторной;
- б) диодной;
- в) транзисторной;
- г) тиристорной.
