Основные функциональные разновидности оптопар

Оптопара с прямой оптической и оборванной электрической связью (рис. 1,а) используется как элемент развязки, она получила очень широкое распространение. Оптрон с прямой электрической и оборванной оптической связью (рис. 1,б), т.е. оптрон с оптическим входом и выходом, представляет преобразователь световых сигналов: это может быть простое усиление (ослабление) интенсивности света, преобразование спектра или направления поляризации, преобразование некогерентного излучения в когерентное и т.п. Если в таком оптроне фотоприемник и излучатель многоэлементные, то он может выполнять функцию преобразователя изображений. В оптроне с электрической и оптической связями (рис. 1,в) при определенных условиях может осуществляться частичная или полная регенерация (восстановление) входного сигнала за счёт энергии обратной связи, в силу чего на вольтамперной характеристике появляется падающий участок или несколько участков. Такой прибор получил название регенеративного оптрона. В нем могут реализовываться любые комбинации видов входных и выходных сигналов (электрических и оптических).

Важным элементом оптопары является оптический канал между излучателем и фотоприемником. Существуют три его разновидности: простой светопровод (в виде прозрачной иммерсионной среды), предназначенный для передачи энергии излучения на фотоприемник; зазор между излучателем и фотоприемником имеет доступ извне - такая оптопара называется оптопарой с открытым оптическим каналом. Иммерсионная среда может быть выполнена из материала, светопропускание которого изменяется при внешних воздействиях - такая оптопара называется оптопарой с управляемым оптическим каналом.

Рисунок 1 – Электрические и оптические связи в оптронах: а - оптопара для электрической развязки; б - оптрон с оптическим входом и выходом; в - регенеративный оптрон; И – излучатель; ФП – фотоприемник; УС – электронное устройство связи

Параметры оптопар и оптронов

Оптрон в общем случае состоит из четырех функциональных частей, для описания которых используются следующие параметры:

1. S _И, Вт / А - эффективность излучателя, определяемая видом выбранного излучателя, режимом его возбуждения, температурой;

2. S _Ф, А / Вт - чувствительность фотоприемника, зависящая от внутреннего усиления прибора;

3. K _опт - передаточная функция оптического канала (например, с учетом поглощения, геометрических факторов и т.д.);

4. K _{у.с .} - передаточная характеристика электронного устройства связи (например, коэффициент усиления).

В качестве элементов электрической развязки оптопары (рис. 1,а) получили широкое распространение благодаря тому, что для их успешного функционирования высокий КПД не обязателен, а также из-за многих принципиальных достоинств этих приборов, таких как идеальная электрическая развязка, высокое напряжение изоляции, однонаправленность распространения информации, широкополосность.

Совместимость оптопар с изделиями микроэлектроники (технологическая, эксплуатационная, по уровням входных и выходных сигналов) также способствовала их широкому применению. Наиболее широко используются для электрической развязки оптопары с фотоприемником в виде фототранзистора, фотодиода, фототиристора, фоторезистора.

 

Основные виды оптопар

Диодные и транзисторные оптопары применяются главным образом в цепях передачи цифровых информационных сигналов; критерием качества служит комбинированный параметр K_i / t_зд (K_i - коэффициент передачи по току, t_зд - время задержки распространения сигнала). По этому параметру диодные оптопары значительно опережают транзисторные, достигая 10⁷ с^-1; теоретическое предельное значение K_i / t_зд»10⁹ с^-1 (при использовании GaAlAs - световодов и кремниевых p-i-n -фотодиодов). Этим обусловлено наиболее широкое применение диодных оптопар в ЭВМ, в технике обработки и передачи цифровой информации. Диодные оптопары имеют низкий коэффициент передачи тока (K_i = 0,01…0,03) и требуют обязательного усиления выходного сигнала, поэтому они используются либо в составе оптоэлектронных микросхем, либо с дополнительным электронным обрамлением.

Важной разновидностью диодных оптопар являются так на зываемые дифференциальные оптопары - приборы, в которых один излучатель воздействует на два идентичных фотодиода. Подобие выходных характеристик двух каналов такой оптопары позволяет использовать эти приборы для неискажённой передачи аналоговых сигналов: непосредственно для передачи применяется один канал, а другой служит для организации цепи отрицательной обратной связи, корректирующей температурные, деградационные и другие изменения мощности излучателя.

В устройствах бесконтактного управления удобны транзисторные оптопары, а для оптической коммутации высоковольтных сильноточных цепей - тиристорные. Критерий качества таких управляющих оптопар, определяемый отношением коммутируемой мощности в выходной цепи к мощности на входе, достигает 10⁶ …10⁷.

Быстродействие транзисторных и тиристорных оптопар характеризуется временем переключения, типичные значения которого 5...50 мкс, в лучших образцах удается получить 1 мкс. Очевидная перспектива развития транзисторных оптопар связана с использованием в качестве фотоприемников гетеротранзисторов, при этом реально снижение времени переключения до 1...10 нс. Транзисторные оптопары - наиболее массовый тип элементов электрической развязки.

 

Рисунок 2 – Основные виды оптопар: а - транзисторная; б -диодная; в - резисторная; г - с составным транзистором; д -тиристорная; е - дифференциальная диодная

Резисторные оптопары также получили широкое распространение. Фоторезисторы, в отличие от фотоприемников с р-n-переходами, характеризуются высокой линейностью и симметричностью вольтамперной характеристики, отсутствием внутренних ЭДС, низким уровнем шумов. Их выходное сопротивление при изменении режима входной цепи может изменяться в 10⁷ …10⁸ раз. Это и обусловливает удобство и незаменимость резисторных оптопар в аналоговых устройствах. Недостатки резисторных оптопар - низкое быстродействие (0,01...1 с) и сильная температурная нестабильность параметров - ограничивают применение этих приборов в технике обработки информации.

Оптопары, которые в качестве фотоприемника используют МДП-фототранзисторы, фотоварикапы, лавинные фотодиоды, однопереходные транзисторы, функциональные фоторезисторы и т.д., имеют отличия, свойственные используемому фотоприемнику.

Широкое распространение получили также оптоэлектронные микросхемы, главным образом переключатели, состоящие из быстродействующей диодной оптопары и ключевого усилителя на выходе - этим обеспечивается полное согласование по уровням входных, выходных сигналов со стандартными логическими микросхемами. Удобство применения окупает некоторые потери быстродействия, обусловленные необходимостью значительного усиления сигнала, снимаемого с фотодиода.

Перспективны оптоэлектронные коммутаторы силовой нагрузки - микросхемы или устройства, выполняющие функции реле переменного и постоянного токов и содержащие оптическое звено в цепи управления. В них обычно применяют транзисторные и тиристорные оптопары.

Оптоэлектронные коммутаторы аналоговых сигналов и раз вязывающие усилители также отличаются от своих микроэлектронных аналогов лишь введением электрической развязки - в микросхемах первого типа используются диодные оптопары с большим значением K_i, в микросхемах второго типа - дифференциальные диодные оптопары.

Устройство оптопар

Наиболее распространенная “этажерочная” конструкция оптопары реализуется несколькими способами. Во-первых, это соединение кристаллов излучателя и фотоприемника с помощью оптического клея, который одновременно выполняет функции иммерсионной среды и несущей конструкции (рис. 3,а). Во-вторых, это приклеивание активных кристаллов с разных сторон прозрачной пластинки: слюдяной, стеклянной, фианитовой, сапфировой и др. (рис. 3,б). В-третьих, это предварительное жёсткое закрепление активных кристаллов на специальных площадках деталей корпуса - кристаллы оказываются на требуемом расстоянии друг от друга после сборки (рис. 3,в). В качестве светопроводящей среды в этом варианте обычно применяют вазелиноподобные полимеры, не вызывающие механических напряжений.

Недостаток всех трех разновидностей оптопар - сборка “по вертикали”, не применяемая в традиционной микроэлектронике, преодолевается в “панельной” конструкции (рис. 3,г) с расположением всех активных кристаллов в одной плоскости. Это позволяет использовать существующее высокопроизводительное оборудование для монтажа кристаллов и распайки выводов; в этом случае наблюдается ухудшение передаточных свойств оптопары.

Рисунок 3 – Схематическое расположение кристаллов излучателя 1, фотоприемника 2, иммерсионной среды 3 и микросхемы 4 в оптопарах различной конструкции

 

Оптоэлектронные микросхемы выполняются в виде гибридных сборок одной из двух типичных модификаций: бескорпусные оптопара и микросхема; бескорпусные световод и интегрированный фотоприемник, содержащий на одном кремниевом кристалле фотодиод и микросхему.

Одно из направлений технологического совершенствования оптронов состоит в разработке монолитной оптопары, изготавливаемой в виде интегрированной твердотельной структуры в едином технологическом процессе. Однако пока ни в одном из предложенных и опробованных вариантов (рис. 4) не удалось добиться сочетания всех необходимых параметров, а также долговечности, надёжности и устойчивости к внешним воздействующим факторам.

Низкая эффективность излучающих и фоточувствительных структур, плохая светопередача и невысокие изоляционные характеристики оптической среды, невоспроизводимость технологического процесса, неудовлетворительная совместимость используемых материалов - причины, которые порознь или в совокупности не позволяют достигнуть желаемого результата.

Совершенная конструкция оптрона должна сочетать не только монолитность, но и "квазипланарность", т.е. изготовление всех составных элементов в едином технологическом процессе и расположение выводов в одной плоскости, как это принято в устройствах интегральной оптики.

Появление волоконных световодов вызвало создание так называемых длинных оптронов или волстронов, в которых излучатель и фотоприемник неразъемно связаны друг с другом отрезком волоконно-оптического кабеля. Такой прибор выгодно отличается от традиционной волоконно-оптические линии связи (ВОЛС), содержащей пару оптических соединителей, лучшей передаточной характеристикой (выигрыш в K_i достигает 2...5 раз), большей надёжностью, меньшими габаритными размерами и стоимостью.

 

Рисунок 4 – Разновидности монолитных оптопар: а - на GaAs (GaAlAs)-полуизоляторе; б - на структуре GaAs - сапфир; в - на основе кремния с локально выращенной GaAs-областью; г - тонкопленочная с электролюминофором и фотопроводником; СД -излучатель; ФД – фотодиод

 

Волстроны длиной от десятков сантиметров до нескольких метров незаменимы в качестве элементов электрической развязки в сверхвысоковольтной радиоэлектронной и электротехнической аппаратуре, во многих случаях внутриобъектового применения они удобнее, чем короткие ВОЛС.

В оптронах с открытым оптическим каналом (рис. 5) излучатель и фотоприемник смонтированы отдельно друг от друга, и специфика оптопары проявляется лишь в обеспечении наилучшей светопередачи. В оптроне с управляемым оптическим каналом между излучателем и фотоприемником содержится элемент, величина светопропускания которого может регулироваться. Чаще всего это электрооптический (жидкий кристалл, сегнетокерамика) или магнитооптический материал, в котором управление свойствами канала осуществляется электрическим или магнитным полем. Как элемент схемы такой оптрон представляет собой шестиполюсник с двумя входами: по цепи излучателя и по цепи управления оптическим каналом. При его описании кроме параметров оптопар используется ещё модуляционная характеристика вида  при I_вх = const (I_вх I_вых – входной и выходной токи; U_упр, I_упр - напряжение и ток управления). Подобно тому, как это принято для электронной лампы или полевого транзистора, удобно также оперировать таким параметром, как крутизна .

 

Рисунок 5 – Оптопары с открытым оптическим каналом: а -щелевого типа, б - отражательная

 

Светопропускание канала может изменяться и при других формах воздействия: давлении, засветке, нагреве и т.п. В этом случае оптопара с управляемым оптическим каналом, так же как и оптопары с открытым каналом, выступает в качестве сенсорного элемента - датчика.

 

Примеры использования оптопар при разработке медицинской техники

Перспективные направления развития и применения оптронной техники в значительной степени определились. Оптроны и оптронные микросхемы эффективно применяются для передачи информации между устройствами, не имеющими замкнутых электрических связей (рис. 6).

Традиционно сильными остаются позиции оптоэлектронных приборов в технике получения и отображения информации. Самостоятельное значение в этом направлении имеют оптронные датчики, предназначенные для контроля процессов и объектов, весьма различных по природе и назначении. Заметно прогрессирует функциональная оптронная микросхемотехника, ориентированная на выполнение разнообразных операций, связанных с преобразованием, накоплением и хранением информации. Эффективной и полезной оказывается замена громоздких, недолговечных и нетехнологичных (с позиций микроэлектроники) электромеханических изделий (трансформаторов, потенциометров, реле) оптоэлектронными приборами и устройствами (Табл. 1).

Рисунок 6 – Защиты блока управления от помех и электромагнитных наводок, возникающих во внешнем приёмо-передатчике.

 

Замена электрорадиокомпонентов на оптронный аналог        Табл. 1.

Электрорадиокомпонент или устройство	Оптронный аналог
Импульсный трансформатор	Диодная и транзисторная оптопары; оптоэлектронный переключатель; оптоэлектронный развязывающий усилитель
Переключатель	Тиристорная, транзисторная и резисторная оптопары; оптоэлектронный коммутатор
Переменный резистор, потенциометр	Резисторная пара и её комбинации
Переменный конденсатор, варикап	Оптопара с фотоварикапом
Электрическая батарея	Диодная оптопара и её наборы
Линия связи	Волстрон
Полевой транзистор, радио лампа	Оптопара с управляемым оптическим каналом
Бистабильное устройство, триггер	Регенеративный оптрон и его комбинации
Датчик (преобразователь неэлектрических воздействий в электрические сигналы)	Оптопара с открытым оптическим каналом, оптопара с управляемым оптическим каналом
Электронно-оптический преобразователь	Оптрон с оптическим входом и выходом

 

Оправданным и полезным является использование оптронных элементов в цепях управления импульсных блоков питания (рис. 7)

Импульсные источники питания широко используются в современных устройствах. Гальваническая развязка является необходимым требованием надежности и безопасности работы таких источников питания. Быстродействующие оптопары используются в качестве гальванической развязки в цепи обратной связи.

Усиленная гальваническая изоляция медицинских приборов. Начиная с ноября 2005 года, любая техника медицинского назначения должна удовлетворять требованиям обновленного стандарта IEC 60601-1-2:2001 EMC. При разработке аппаратуры, осуществляющей передачу цифровых данных, наиболее чувствительные цепи или компоненты, имеющие непосредственный контакт с пациентом, должны быть изолированы от высоковольтных цепей с помощью оптронов или трансформаторов.

 

.

Рисунок 7 – Изоляция в импульсных источниках питания

 

Оборудование должно иметь защиту от электростатического разряда: не менее 8 кВ по воздуху и не менее 6 кВ при контакте. Медицинские приборы должны быть устойчивы к воздействию радиопомех в полосе частот от 80 МГц до 2,5 ГГц и электромагнитных взаимодействий до 10 В/м для аппаратуры жизнеобеспечения и 3 В/м для аппаратуры, не связанной с поддержанием жизнедеятельности. Это важнейшие критерии эффективности и безопасности медицинской техники, при воздействии указанных условий не должно происходить отказов компонентов, изменения установленных параметров или их сброса, а также изменения режимов работы и ложного срабатывания схемы защиты. Высококачественные оптроны имеют более высокую устойчивость к внешним электромагнитным полям, чем изолирующие трансформаторы, поскольку в оптопарах при передаче используется оптический сигнал, излучаемый светодиодом и принимаемый фотодиодом. В качестве примера приведены схемы электрокардиографа (ECG) или дефибриллятора с гальванической оптронной развязной информационных и управляющих сигналов (рис. 8, 9).

Рисунок 8 – Блок схема входного модуля ЭКГ-аппарата с использование оптронной развязки при изолировании электродов пациента от электрической схемы прибора

Рисунок 9 – Блок-схема дефибриллятора с использованием оптической развязки для изоляции высоковольтного импульсного каскада от низковольтной управляющей схемы

 

Порядок выполнения работы

В данной работе исследуются динамические параметры оптопар 0ЭП9, ОЭП10, 0ЭП16, АОТ110 и A0TI28.

Установка состоит из задающего генератора 1, который выдает на выходе прямоугольные импульсные опорные сигналы, поступающие также на первый вход двухлучевого осциллографа 2. Время развертки опорного сигнала выбирается так, чтобы на экране осциллографа наблюдать импульс полностью.

Переключатель П1 служит для коммутации соответствующих емкостей (П1-1), задающих требуемую частоту сигналов при одновременном включении в цепь соответствующей оптопары (П1-3) и подачи на второй вход осциллографа выходного сигнала с этой оптопары (П1-2).

Одновременно с опорным сигналом на экране осциллографа наблюдается входной и выходной импульсы соответствующей оптопары. Изменяя время развертки так, чтобы получить удобную для измерений картину, на экране с помощью измерительной сетки определяют для переднего фронта время задержки τ_з1 и время нарастания импульса τ_нар, а для заднего фронта время задержки τ_з2 и время спада τ_сп (рис. 10).

 

Рисунок 10 – Сигналы на входе и выходе оптопары

 

С помощью переключателя П1 подключаем к генератору и второму входу осциллографа соответствующую оптопару и, регулируя время развертки, повторяем измерения переднего и заднего фронтов импульса. Таким образом, измеряем динамические параметры всех оптопар.

 

Содержание отчета

1.Теоретическая часть (принцип действия, конструкция и основные параметры исследуемых оптопар – взять из справочника).

2.Функциональная схема установки.

3.Рисунки опорного сигнала и выходных сигналов оптопар с указанием измеренных динамических параметров на рисунках.

4.4. Выводы по работе.

 

5 Вопросы для подготовки

1.Что такое оптопара, оптрон?

2.Классификация оптопар.

3.Каковы основные функциональные разновидности оптопар?

4.Параметры оптопар и оптронов.

5.Основные виды оптопар.

6.Каковы особенности и назначение диодных и транзисторных оптопар?

7.Каковы особенности и назначение тиристорных и резисторных оптопар?

8.Устройство и конструкция оптопар.

9.Области использования оптопар.

Лабораторная работа №3