Оптоэлектронные приборы

Оптоэлектроника - это раздел науки и техники, в котором изучаются вопросы генерации, обработки, запоминания и хранения информации на основе совместного использования электрических и оптических явлений. Оптоэлектронные приборы используют при своей работе электромагнитное излучение оптического диапазона.

Элементная база оптоэлектроники включает в себя:

1) оптоизлучатели - преобразователи электрической энергии в световую;

2) фотоэлектрические приемники излучения (фотоприемники – преобразователи световой энергии в электрическую;

3) оптоэлектронные приборы (оптопары); приборы для электрической изоляции при передаче энергии и информации по световому каналу;

4) световоды.

1.		– светодиод
2.		– фотодиод
3.		– фоторезистор
4.		– фототранзистор
5.		– диодно-диодный оптрон
6.		– диодно-транзисторный оптрон

Рис.1.18. Условное обозначение оптоэлементов.

Полупроводниковым излучателем света является светоизлучающий диод. Известно, что при рекомбинации носителей, т.е. возвращении электрона из зоны проводимости в валентную зону, излучается квант энергии. Наиболее интенсивно рекомбинация происходит вблизи р-n перехода, когда основные носители преодолевают потенциальный барьер и рекомбинируют. Для создания светоизлучающих диодов используются полупроводниковые материалы, у которых квант энергии излучается в оптическом (или инфракрасном) диапазоне, например, фосфид галлия, арсенид галлия или карбид кремния. Излучение происходит при пропускании через прибор тока в прямом направлении. Конструкция прибора обеспечивает передачу света от р-n перехода без значительных потерь в толще полупроводника. ВАХ светоизлучающих диодов аналогична характеристикам обычных кремниевых и германиевых диодов.

Светоизлучающие диоды выпускаются в виде отдельных элементов или групп (матриц) для индикации информации в виде букв, цифр и различных символов.

К числу фотоприемников относятся фотодиоды, фототранзисторы и другие приборы. Если на слой полупроводника воздействовать светом, то в результате увеличения числа неосновных носителей увеличивается проводимость вещества (явление фотопроводимости). При облучении светом р-n перехода увеличивается ток неосновных носителей, т.е. увеличивается обратный ток р-n перехода.

Работа фототранзистора также основана на фотопроводимости. В транзисторе без вывода базы во внешнюю цепь (т.е. при Iб=0) ток коллектора определяется как Iк = К×Iкбо, где К-коэффициент усиления транзистора, Iкбо – обратный ток перехода коллектор-база.

При облучении базы или области коллекторного перехода изменяется ток не основных носителей I_КБО=f(Ф), где Ф – световой поток. Пропорционально увеличивается и ток коллектора I_К. В транзисторе с ОЭ ток I_КБО усиливается в К раз, поэтому мощность выходного сигнала может быть выше, чем в фотодиоде, при том же уровне напряжений источника питания. В связи с этим чувствительность к световому потоку у фототранзисторов выше, чем у фотодиодов.

Оптрон (оптопара) состоит из излучателя (светодиод) и фотоприемника (фотодиод, фототранзистор). Между ними включен оптический канал, передающий свет от излучателя к приемнику. В оптопарах полностью отсутствует электрическая и магнитная связь между излучателем и приемником. Электрическая прочность материалов, из которых изготавливают оптопары, позволяет передавать сигналы при разности потенциалов между излучателем и фотоприемником в несколько тысяч вольт. При этом полностью исключаются паразитные каналы передачи информации через собственные емкости, магнитное поле рассеяния и т. п.

Недостатком диодной оптопары является малый коэффициент передачи по току . При использовании в качестве фотоприемника фототранзистора может быть получено усиление тока.

Общим недостатком оптопар является нелинейность зависимости выходного сигнала от входного, обусловленная нелинейностью характеристик оптопар.

Основное назначение оптронов состоит в гальванической развязке электрических цепей, сущность которой заключается в следующем. При наличии гальванической развязки электронные блоки не имеют между собой электрической связи, т.е. не связаны общими проводами. В этом случае помехозащищенность узлов возрастает.

В качестве примера рассмотрим типовую функциональную схему подключения датчиков во входные цепи и силовых внешних устройств к выходным цепям систем ЧПУ (рис 1.19). Элементы системы ЧПУ запитываются низковольтными уровнями напряжений: +5В, +12В, -12В и т.д. Датчики располагаются на технологическом оборудовании и их цепи подвержены воздействию внешних электромагнитных полей, что способствует появлению в измерительных цепях различных помех. Прохождение помех в систему ЧПУ по общему проводу может вызвать сбои в ее работе, т.к. уровень помех может быть соизмерим по своим амплитудным и частотным параметрам с рабочими уровнями сигналов системы ЧПУ. Применение оптронов исключает прохождение помех по общему проводу. Для повышения помехозащищенности во входных цепях совместно с оптронами применяют провода в виде витых пар и их экранирование (помещение в металлическую оплетку).

Рис. 1.19. Схема включения оптронов.

При включении от системы ЧПУ мощных внешних исполнительных устройств (асинхронные двигатели, пускатели, электромагнитные муфты и т.д.) во внешних цепях появляются броски напряжений, что негативно отражается на работоспособности систем ЧПУ. Для исключения этого во внешние цепи также включаются оптроны.

Дата добавления: 2014-01-15