Разработка лабораторного макета для демонстрации работы оптопар

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Теоретические сведения

1.1 Основные определения

1.2 Отличительные особенности оптронов

1.3 Обобщенная структурная схема

1.4 Элементная база и устройство оптронов

1.5 Диодные оптопары

1.6 Тиристорные оптопары

1.7 Транзисторные оптопары

1.8 Резисторные оптопары

1.9 Классификация параметров изделий оптронной техники

1.10 Применение

2. Разработка лабораторного макета

2.1 Исследование зависимости формы импульса от частоты исходящего сигнала

Заключение

Список использованных источников

Введение

оптрон импульс сигнал техника

Различные оптроны (диодные, резисторные, транзисторные) находят применение в радиотехнических схемах модуляции, автоматической регулировки усиления и др. Воздействие по оптическому каналу используется для вывода схемы в оптимальный рабочий режим, для бесконтактной перестройки режима и т. п.

В качестве элементов гальванической развязки оптроны применяются: для связи блоков аппаратуры, между которыми имеется значительная разность потенциалов; для защиты входных цепей измерительных устройств от помех и наводок и т.д.

Другая важнейшая область применения оптронов - оптическое, бесконтактное управление сильноточными и высоковольтными цепями. Запуск мощных тиристоров, симисторов, управление электромеханическими релейными устройствами.

Целью данной курсовой работы является разработка лабораторного макета для демонстрации работы оптопар.

1. Теоретические сведения

1.1 Основные определения

Идея создания и применения оптронов относится к 1955 г., когда в работе была предложена целая серия приборов с оптическими и электрическими связями между элементами, что позволяло осуществлять усиление и спектральное преобразование световых сигналов, создавать приборы с двумя устойчивыми состояниями - бистабильные оптроны, оптоэлектронные устройства накопления и хранения информации логические схемы, регистры сдвига. Там же был предложен и термин «оптрон», образованный как сокращение от английского «optical-electronic device».

Принцип действия оптронов любого вида основан на следующем: в излучателе энергия электрического сигнала преобразуется в световую, в фотоприемнике, наоборот, световой сигнал вызывает электрический отклик.

Практически распространение получили лишь оптроны, у которых имеется прямая оптическая связь от излучателя к фотоприемнику и, как правило, исключены все виды электрической связи между этими элементами.

По степени сложности структурной схемы среди изделий оптронной техники выделяют две группы приборов. Оптопара (говорят также «элементарный оптрон») представляет собой оптоэлектронный полупроводниковый прибор, состоящий из излучающего и фотоприемного элементов, между которыми имеется оптическая связь, обеспечивающая электрическую изоляцию между входом и выходом. Оптоэлектронная интегральная микросхема представляет собой микросхему, состоящую из одной или нескольких оптопар и электрически соединенных с ними одного или нескольких согласующих или усилительных устройств.

Таким образом, в электронной цепи такой прибор выполняет функцию элемента связи, в котором в то же время осуществлена электрическая (гальваническая) развязка входа и выхода.

Оптроны оказались непригодными для промышленной реализации, так как основывались на несовершенной элементарной базе - неэффективных и инерционных порошковых электролюминесцентных конденсаторах (излучатель) и фоторезисторах (приемник). Несовершенны были и важнейшие эксплуатационные характеристики приборов: низкотемпературная и временная стабильность параметров, недостаточная устойчивость к механическим воздействиям. Поэтому на первых порах оптрон оставался лишь интересным научным достижением не находящим применения в технике. [1]

1.2 Отличительные особенности оптронов

Достоинства этих приборов базируются на общем оптоэлектронном принципе использования электрически нейтральных фотонов для переноса информации. Основные достоинства следующие:

1) возможность обеспечения идеальной электрической (гальванической) развязки между входом и выходом;

2) для оптронов не существует каких-либо принципиальных физических или конструктивных ограничений по достижению сколь угодно высоких напряжений и сопротивлений развязки и сколь угодно малой проходной емкости;

3) возможность реализации бесконтактного оптического управления электронными объектами и обусловленные этим разнообразие и гибкость конструкторских решений управляющих цепей;

4) однонаправленность распространения информации по оптическому каналу, отсутствие обратной реакции приемника на излучатель;

5) широкая частотная полоса пропускания оптрона, отсутствие ограничения со стороны низких частот (что свойственно импульсным трансформаторам);

6) возможность передачи по оптронной цепи, как импульсного сигнала, так и постоянной составляющей;

7) возможность управления выходным сигналом оптрона путем воздействия (в том числе и неэлектрического) на материал оптического канала и вытекающая отсюда возможность создания разнообразных датчиков, а также разнообразных приборов для передачи информации;

8) возможность создания функциональных микроэлектронных устройств с фотоприемниками, характеристики которых при освещении изменяются по сложному заданному закону;

9) невосприимчивость оптических каналов связи к воздействию электромагнитных полей, что в случае «длинных» оптронов (с протяженным волоконно-оптическим световодом между излучателем и приемником) обусловливает их защищенность от помех и утечки информации, а также исключает взаимные наводки;

10) физическая и конструктивно-технологическая совместимость с другими полупроводниковыми и микроэлектронными приборами.

Оптронам присущи и определенные недостатки:

1) значительная потребляемая мощность, обусловленная необходимостью двойного преобразования энергии (электричество - свет - электричество) и невысоким КПД этих переходов;

2) повышенная чувствительность параметров и характеристик к воздействию повышенной температуры;

3) более или менее заметная временная деградация (ухудшение) параметров;

4) относительно высокий уровень собственных шумов, обусловленный, как и два предыдущих недостатка, особенностями физики светодиодов;

5) сложность реализации обратных связей, вызванная электрической разобщенностью входной и выходной цепей;

6) конструктивно-технологическое несовершенство, связанное с использованием гибридной непланарной технологии, (с необходимостью объединения в одном приборе нескольких - отдельных кристаллов из различных полупроводников, располагаемых в разных плоскостях). [3]

Перечисленные недостатки оптронов по мере совершенствования материалов, технологии, схемотехники частично устраняются, но, тем не менее, еще длительное время будут носить достаточно принципиальный характер. Однако их достоинства столь высоки, что обеспечивают внеконкурентность оптронов среди других приборов микроэлектроники.

1.3 Обобщенная структурная схема

Как элемент связи оптрон характеризуется коэффициентом передачи К_i, определяемым отношением выходного и входного сигналов, и максимальной скоростью передачи информации F. Практически вместо максимальной скорости передачи информации измеряют длительности нарастания и спада передаваемых импульсов t_нар(сп) или граничную частоту. Возможности оптрона, как элемента гальванической развязки, характеризуются максимальным напряжением U_разв, сопротивлением развязки R_разв и проходной емкостью C_разв.

В структурной схеме на рисунке 1 входное устройство служит для оптимизации рабочего режима излучателя и преобразования (усиления) внешнего сигнала. Входной блок должен обладать высоким КПД преобразования, высоким быстродействием, широким динамическим диапазоном допустимых входных токов (для линейных систем), малым значением «порогового» входного тока, при котором обеспечивается надежная передача информации по цепи.

Назначение оптической среды - передача энергии оптического сигнала от излучателя к фотоприемнику, а также во многих случаях обеспечение механической целостности конструкции.

Принципиальная возможность управления оптическими свойствами среды, например, с помощью использования электрооптических или магнитооптических эффектов, отражена введением в схему устройства управления. [4]

В этом случае мы получаем оптрон с управляемым оптическим каналом, функционально отличающийся от «обычного» оптрона: изменение выходного сигнала может осуществляться как по входу, так и по цепи управления.

Рисунок 1 ? Обобщенная структурная схема оптрона

В фотоприемнике происходит «восстановление» информационного сигнала из оптического в электрический; при этом стремятся иметь высокую чувствительность и высокое быстродействие.

Наконец, выходное устройство призвано преобразовать сигнал фотоприемника в стандартную форму, удобную для воздействия на последующие за оптроном каскады. Практически обязательной функцией выходного устройства является усиление сигнала, так как потери после двойного преобразования очень значительны. Нередко функцию усиления выполняет и сам фотоприемник.

Общая структурная схема (рисунок 1) реализуется в каждом конкретном приборе лишь частью блоков. В соответствии с этим выделяют три основные группы приборов оптронной техники: оптопары (элементарные оптроны), использующие блоки светоизлучатель - оптическая среда - фотоприемник; оптоэлектронные (оптронные) микросхемы (оптопары с добавлением выходного, а иногда и входного устройства); специальные виды оптронов - приборы, функционально и конструктивно существенно отличающиеся от элементарных оптронов.

Реальный оптрон может быть устроен и сложнее, чем схема на рисунке 1; каждый из указанных блоков может включать в себя не один, а несколько одинаковых или подобных друг другу элементов, связанных электрически и оптически, однако это не изменяет существенно основ физики и электроники оптрона.

1.4 Элементная база и устройство оптронов

Элементную основу оптронов составляют фотоприемники и излучатели, а также оптическая среда между ними. Ко всем этим элементам предъявляются такие общие требования, как малые габариты и масса, высокая долговечность и надежность, устойчивость к механическим и климатическим воздействиям, технологичность, низкая стоимость.

Успешное использование фотоприемника в оптроне определяется выполнением следующих основных требований:

1) эффективность преобразования энергии квантов излучения в энергию подвижных электрических зарядов;

2) наличие и эффективность внутреннего встроенного усиления;

3) высокое быстродействие;

4) широта функциональных возможностей.

В оптронах используются фотоприемники различных структур, чувствительные в видимой и ближней инфракрасной области, так как именно в этом диапазоне спектра имеются интенсивные источники излучения и возможна работа фотоприемников без охлаждения.

Наиболее универсальными являются фотоприемники с р-n-переходами (диоды, транзисторы и т, п.), в подавляющем большинстве случаев они изготовляются на основе кремния. [5]

Для использования в оптронах пригодны и доступны несколько разновидностей излучателей: миниатюрные лампочки накаливания; неоновые лампочки, в которых используется свечение электрического разряда газовой смеси неон-аргон. Этим видам излучателей свойственны невысокая светоотдача, низкая устойчивость к механическим воздействиям, ограниченная долговечность, большие габариты, полная несовместимость с интегральной технологией. Тем не менее, в отдельных видах оптронов они могут находить применение. Порошковая электролюминесцентная ячейка использует в качестве светящегося тела мелкокристаллические зерна сульфида цинка (активированного медью, марганцем или другими присадками), взвешенные в полимеризующемся диэлектрике. При приложении достаточно высоких напряжений переменного тока идет процесс предпробойной люминесценции.

И порошковые, и пленочные электролюминесцентные ячейки имеют невысокую эффективность преобразования электрической энергии в световую, низкую долговечность (особенно - тонкопленочные), сложны в управлении. Основное достоинство этих излучателей - конструктивно - технологическая совместимость с фоторезисторами, возможность создания на этой основе многофункциональных, многоэлементных оптронных структур.

Основным наиболее универсальным видом излучателя, используемым в оптронах, является полупроводниковый инжекционный светоизлучающий диод - светодиод. Это обусловлено следующими его достоинствами:

1) высокое значение КПД преобразования электрической энергии в оптическую;

2) узкий спектр излучения;

3) широта спектрального диапазона, перекрываемого различными светодиодами;

4) направленность излучения;

5) высокое быстродействие;

6) малые значения питающих напряжений и токов;

7) совместимость с транзисторами и интегральными схемами;

8) простота модуляции мощности излучения путем изменения прямого тока;

9) возможность работы, как в импульсном, так и в непрерывном режиме;

10) линейность ватт-амперной характеристики в более или менее широком диапазоне входных токов; высокая надежность и долговечность;

11) малые габариты;

12) технологическая совместимость с изделиями микроэлектроники.

1.5 Диодные оптопары

Диодные оптопары (рисунок 2 а) в большой степени, чем какие-либо: другие приборы, характеризуют уровень оптронной техники. Подключение к диодной оптопаре тех или иных усилительных элементов, весьма полезное и удобное, не может, тем не менее, дать выигрыша ни по энергетике, ни по предельным частотам.

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 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. Рассмотрение процессов преобразования энергии в оптроне требует учитывать квантовую природу света. Известно, что электромагнитное излучение может быть представлено в виде потока частиц - квантов (фотонов), энергия каждого из которых определяется соотношением:

_, (1)

где h - постоянная Планка;

с - скорость света в вакууме;

n - показатель преломления полупроводника;

n, л - частота колебаний и длина волны оптического излучения.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 2 - Условные обозначения оптопар

Если плотность потока квантов (т. е. число квантов, пролетающих через единицу площади в единицу времени) равна N_ф, то полная удельная мощность излучения составит:

и, как видно из соотношения 1, при заданном N_ф она тем больше, чем короче длина волны излучения. Поскольку на практике заданной бывает P_ф (энергетическая облученность фотоприемника), то представляется полезным следующее соотношение:

,

где N_ф, см^-2 с^-1; л, мкм; P_ф, .

Механизм инжекционной люминесценции в светодиоде состоит из трех основных процессов: излучательная (и безызлучательная) рекомбинация в полупроводниках, инжекция избыточных неосновных носителей заряда в базу светодиода и вывод излучения из области генерации. [7]

Рекомбинация носителей заряда в полупроводнике определяется, прежде всего, его зонной диаграммой, наличием и природой примесей и дефектов, степенью нарушения равновесного состояния. Основные материалы оптронных излучателей относятся к прямозонным полупроводникам, т.е. к таким, в которых разрешенными являются прямые оптические переходы зона-зона (рисунок 3). Каждый акт рекомбинации носителя заряда по этой схеме сопровождается излучением кванта, длина волны которого в соответствии с законом сохранения энергии определяется соотношением:

_изл (2)

Следует отметить, что имеются и конкурирующие безызлучательные - механизмы рекомбинации. К числу важнейших из них относятся:

1) рекомбинация на глубоких центрах. Электрон может переходить в валентную зону не прямо, а через те или иные центры рекомбинации, образующие разрешенные энергетические уровни в запрещенной зоне (уровень E_t на рисунке 3);

2) оже-рекомбинация (или ударная). При очень высоких концентрациях свободных носителей заряда в полупроводнике растет вероятность столкновения трех тел, энергия рекомбинирующей электронно-дырочной пары при этом отдается третьему свободному носителю в форме кинетической энергии, которую он постепенно растрачивает при соударениях с решеткой.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 3 - Энергетическая диаграмма прямозонного полупроводника

Создание избыточной концентрации свободных носителей в активной (излучающей) области кристалла светодиода осуществляется путем инжекции их р-n-переходом, смещенным в прямом направлении.

Количественно эффективность вывода оптической энергии из кристалла характеризуется коэффициентом вывода К_опт определяемым отношением мощности излучения, выходящего в нужном направлении, к мощности излучения, генерируемой внутри кристалла. Всегда выполняется условие 0К_опт100%. Интегральным показателем излучательной способности светодиода является величина внешнего квантового выхода ?_ext, а - внутренний квантовый выход излучения. Из сказанного ясно, что

Перейдем к приемному блоку. Принцип действия используемых в оптронах фотоприемников основан на внутреннем фотоэффекте, заключающемся в отрыве электронов от атомов внутри тела под действием электромагнитного (оптического) излучения. [2]

Кванты света, поглощаясь в кристалле, могут вызывать отрыв электронов от атомов, как самого полупроводника, так и примеси. В соответствии с этим говорят о собственном (беспримесном) и примесном поглощении (фотоэффекте). Поскольку концентрация примесных атомов мала, фотоэлектрические эффекты, основанные на собственном поглощении, всегда существеннее, чем основанные на примесном. Все используемые в оптронах фотоприемники «работают» на беспримесном фотоэффекте. Для того, чтобы квант света вызывал отрыв электрона от атома, необходимо выполнение очевидных энергетических соотношений:

;

_.

Таким образом, собственный фотоэффект может иметь место лишь при воздействии на полупроводник излучения с длиной волны, меньшей некоторого значения л_гр:

(3)

Второе равенство в формуле 3 справедливо, если л_гр выражено в микрометрах, а ширина запрещенной зоны полупроводника E_g - в электрон-вольтах. Величину л_гр называют длинноволновой или «красной» границей спектральной чувствительности материала. [6]

Интенсивность протекания фотоэффекта (в той спектральной области, где он может существовать) зависит от квантового выхода, определяемого отношением числа генерированных пар электрон-дырка к числу поглощенных фотонов.

Образование свободных носителей заряда под действием облучения проявляется в полупроводнике в виде двух фотоэлектрических эффектов: фотопроводимости (возрастание проводимости образца при засветке) и фотовольтаического (возникновение фото-ЭДС на р-n-переходе или другом виде потенциального барьера в полупроводнике при освещении). Оба эффекта используются в практике конструирования фотоприемников; для оптронов предпочтительным и доминирующим является использование фото-ЭДС-эффекта.

Основные параметры и характеристики фотоприемников (безотносительно к физической природе и конструкции этих приборов) можно подразделить на несколько групп, к оптическим характеристикам относятся: площадь фоточувствительной поверхности, материал, размеры и конфигурация оптического окна; максимальный и минимальный уровни мощности излучения.

К электрооптическим: фоточувствительность, степень однородности распределения чувствительности по фотоприемной площадке; спектральная плотность чувствительности (зависимость параметра, характеризующего чувствительность, от длины волны); собственные шумы фотоприемника и их зависимость от уровня засветки и диапазона рабочих частот; разрешающее время (быстродействие); коэффициент качества (комбинированный показатель, позволяющий сопоставлять различные фотоприемники друг с другом); показатель линейности; динамический диапазон.

Как элемент электрической цепи фотоприемник характеризуется, прежде всего, параметрами его эквивалентной схемы, требованиями к рабочим режимам, наличием (или отсутствием) встроенного механизма усиления, видом и формой выходного сигнала.

В зависимости от характера выходного сигнала (напряжение, ток) говорят о вольтовой или токовой фоточувствительности приемника. Линейность (или нелинейность) фотоприемника определяется значением показателя степени в уравнении, связывающем выходной сигнал с n входным: U_вых (или I_вых) ~ P_ф.

Важнейшим параметром фотоприемника, определяющим порог его чувствительности, является удельная обнаружительная способность D. При известном значении D порог чувствительности (минимальная фиксируемая мощность излучения) определяется как:

,

где А - площадь фоточувствительной площадки; Д - диапазон рабочих частот усилителя фотосигналов. Иными словами, параметр D играет роль коэффициента качества фотоприемника.

В применении к оптронам не все перечисленные характеристики оказываются одинаково важными. Как правило, фотоприемники в оптронах работают при облученностях, очень далеких от пороговых, поэтому использование параметров чувствительности и удельной обнаружительной способности оказывается практически бесполезным.



Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 4 - Схемы измерения и семейства вольтамперных характеристик в фотодиодном (а) и фотовентильном (б) режимах работы диода

При работе в фотодиодном режиме (рисунок 4 а) приложенное извне напряжение заставляет подвижные дырки и электроны уходить от р-n-перехода; при этом картина распределения поля в кристалле оказывается резко различной для двух рассматриваемых структур. [9]

Световое излучение, поглощаясь в базовой области диода, генерирует электронно-дырочные пары, которые диффундируют к р-n-переходу, разделяются им и вызывают появление дополнительного тока во внешней цепи. В р-i-n-диодах это разделение происходит в поле i-oблaсти и вместо процесса диффузии имеет место дрейф носителей заряда под влиянием электрического поля. Каждая генерированная электронно-дырочная пара, прошедшая через р-n-переход, вызывает прохождение во внешней цепи заряда, равного заряду электрона. Чем больше облученность диода, тем больше фототок. Фототок протекает и при смещении диода в прямом направлении (рисунок 4 а), однако уже при небольших напряжениях он оказывается намного меньше прямого тока, поэтому его выделение оказывается затруднительным.

Если освещать фотодиод без приложения к нему внешнего смещения, то процесс разделения генерируемых электронов и дырок будет протекать благодаря действию собственного встроенного поля р-n-перехода. При этом дырки будут перетекать в р-область и частично компенсировать встроенное поле р-n-перехода. Создается некоторое новое равновесное состояние, при котором на внешних выводах диода возникает фото-ЭДС. Если замкнуть освещенный фотодиод на некоторую нагрузку, то он будет отдавать в нее полезную электрическую мощность Р_э.

Характеристическими точками вольтамперных характеристик диода, работающего в таком - фотовентильном режиме, являются ЭДС холостого хода U_xx и ток короткого замыкания I_кз (рисунок 4 б).

Схематически фотодиод в вентильном режиме работает как своеобразный вторичный источник питания, поэтому его определяющим параметром является КПД преобразования световой энергии в электрическую:

_.

В фотовентильном режиме действует важный класс фотоэлектрических приборов - солнечные батареи.

1.6 Тиристорные оптопары

В отличие от транзисторных тиристорные (рисунок 2 б) 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. Такая тиристорная оптопара в свою очередь может использоваться для управления тиристорами на десятки киловольт или сотни ампер (например, в энергетических сетях).

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.

Тиристорные оптопары наиболее перспективны для коммутации сильноточных высоковольтных цепей: по сочетанию мощности, коммутируемой в нагрузке, и быстродействию они явно предпочтительнее Т² - оптопар (составным фототранзистором). Оптопары предназначены для использования в качестве бесконтактных ключевых элементов в различных радиоэлектронных схемах: в цепях управления, усилителях мощности, формирователях импульсов и т. п.

1.7 Транзисторные оптопары

Транзисторные оптопары (рисунок 2 в) рядом своих свойств выгодно отличаются от других видов оптронов. Это, прежде всего схемотехническая гибкость, проявляющаяся в том, что коллекторным током можно управлять как по цепи светодиода (оптически), так и по базовой цепи (электрически), а также в том, что выходная цепь может работать и в линейном и в ключевом режиме. Механизм внутреннего усиления обеспечивает получение больших значений коэффициента передачи тока К_i, так что последующие усилительные каскады не всегда необходимы. Важно, что при этом инерционность оптопары не очень велика и для многих случаев вполне допустима. Выходные токи фототранзисторов значительно выше, чем, например, у фотодиодов, что делает их пригодными для коммутации широкого круга электрических цепей. Наконец, следует отметить, что все это достигается при относительной технологической простоте транзисторных оптопар.

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 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. Повышение коэффициента передачи за счет усиления на транзисторе снижает быстродействие, так как новый элемент привносит свою инерционность за счет межэлектродных емкостей.

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. Датчики на базе оптопар отражательного типа, имея источник инфракрасного излучения, хорошо работают в условиях повышенной запыленности (например, бумажной пыли в печатных машинах). Оптопары щелевого типа часто используются в качестве концевых выключателей (например, в принтерах, сканерах), 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.

1.8 Резисторные оптопары

В резисторных оптопарах (рисунок 2 г) 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. Зависимость выходного сопротивления оптопары (передаточная характеристика по сопротивлению) от входного тока показывает, как резко, на несколько порядков падает сопротивление фоторезистора под действием излучении. В то же время коэффициент передачи по току (I_вых /I_вх) у оптопар на фоторезисторах невелик.

Помимо функций гальванической развязки оптопары могут выполнять функции разветвления сигнала на несколько независимых друг от друга каналов. С другой стороны, оптопара позволяет увеличить коэффициент передачи по току - если запараллелить все четыре фотосопротивления для одного информационного канала. [8]

Все рассмотренные примеры касались оптопар с внутренней передачей сигнала от излучателя к приемнику через иммерсионную среду, в которую они погружены в корпусе оптрона. В этом случае расстояние между передающим и приемным элементами минимально (доли миллиметра), что позволяет минимизировать потери и иметь максимально возможный коэффициент передачи (следует напомнить закономерность, известную из курса физики, что освещенность падает пропорционально квадрату расстояния от источника до приемника).

Однако оптопара может быть не только передатчиком сигнала, но и служить его первоисточником, выполняя функцию датчика информации. Половина составляется из конструктивного фотосопротивления, которые расположены в линию, поэтому если между оптопарой и зеркалом поместить какой-либо плоский объект, например край листа бумаги, то можно очень точно следить за его перемещением вдоль этой линии. Такие допусковые пределы на положение кромки листа или бумажного полотна могут контролироваться подобными оптопарами на листовых и рулонных печатных машинах.

1.9 Классификация параметров изделий оптронной техники

При классификации изделий оптронной техники учитывается два момента: тип фотоприемного устройства и конструктивные особенности прибора в целом.

Выбор первого классификационного признака обусловлен тем, что практически у всех оптронов на входе помещен светодиод, и функциональные возможности прибора определяются выходными характеристиками фотоприемного устройства.

В качестве второго признака принято конструктивное исполнение, которое определяет специфику применения оптрона.

Используя этот смешанный конструктивно-схемотехнический принцип классификации, логично выделить три основные группы изделий оптронной техники:

1) оптопары (элементарные оптроны);

2) оптоэлектронные (оптронные) интегральные микросхемы;

3) специальные виды оптронов.

К каждой из этих групп относится большое число видов приборов.

Для наиболее распространенных оптопар используются следующие сокращения: Д - диодная, Т - транзисторная, R - резисторная, У - тиристорная, Т2 - с составным фототранзистором, ДТ - диодно-транзисторная, 2Д (2Т) - диодная (транзисторная) дифференциальная.



Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 5 - К определению импульсных параметров оптопар

Система параметров изделий оптронной техники базируется на системе параметров оптопар, которая формируется из четырех групп параметров и режимов.

Первая группа характеризует входную цепь оптопары (входные параметры), вторая - ее выходную цепь (выходные параметры), третья - объединяет параметры, характеризующие степень воздействия излучателя на фотоприемник и связанные с этим особенности прохождения сигнала через оптопару как элемент связи (параметры передаточной характеристики), наконец, четвертая группа объединяет параметры гальванической развязки, значения которых показывают, насколько приближается оптопара к идеальному элементу развязки. Из четырех перечисленных групп определяющими, специфически «оптронными» являются параметры передаточной характеристики и параметры гальванической развязки.

Важнейшим параметром диодной и транзисторной оптопар является коэффициент передачи тока. Определение импульсных параметров оптронов ясно из рисунка 5. Отсчетными уровнями при измерении параметров t_нар(сп), t_зд, и t_{вкл(выкл)} обычно служат уровни 0,1 и 0,9, полное время логической задержки сигнала определяется по уровню 0,5 амплитуды импульса.

Параметрами гальванической развязки оптопар являются:

1) максимально допустимое пиковое напряжение между входом и выходом U_{разв п max};

2) максимально допустимое напряжение между входом и выходом U_{разв max};

3) сопротивление гальванической развязки R_разв;

4) проходная емкость C_разв;

5) максимально допустимая скорость изменения напряжения между входом и выходом (dU^разв/dt)_max.

1.10 Применение

Специфическую группу управляющих оптронов составляют резисторные оптроны, предназначенные для слаботочных схем коммутации в сложных устройствах визуального отображения информации, выполненных на электролюминесцентных (порошковых) индикаторах, мнемосхемах, экранах. [10]

Создание «длинных» оптронов (приборов с протяженным гибким волоконно-оптическим световодом) открыло совершенно новое направление применения изделий оптронной техники - связь на коротких расстояниях.

Возможность изменения свойств оптического канала при различных внешних воздействиях на него позволяет создать целую серию оптронных датчиков: таковы датчики влажности и загазованности, датчика наличия в объеме той или иной жидкости, датчики чистоты обработки поверхности предмета, скорости его перемещения 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.

Создание оптронов с фоторезисторами, свойства которых при освещении меняются по заданному сложному закону, позволяет моделировать математические функции, является шагом на пути создания функциональной оптоэлектроники.[1]

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.

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. Достаточно специфическим, но во многих случаях оправданным и полезным является использование оптронных элементов в энергетических целях.

2. Разработка лабораторного макета

2.1 Исследование зависимости формы импульса от частоты исходящего сигнала

В ходе выполнения курсовой работы была разработана схема лабораторного макета по демонстрации работы оптопар. Работа данной схемы была смоделирована в Electronics Work Bench. На основании разработанной схемы был создан лабораторный макет. С использованием данного макета можно проводить демонстрацию работы оптопар в ключевом режиме, а также исследовать временные характеристики срабатывания оптопар.

Осциллограмма исходящего сигнала.

х=100 кГц

х=1000 кГц

х=10000 кГц

Разработана схема работы оптопар в Electronics Work Bench. На основании этой схемы был создан лабораторный макет, который позволяет сделать вывод, что теоретическое исследование и практический эксперимент дают одинаковый результат.

Заключение

Целью настоящей курсовой работы являлось разработка лабораторного макета для демонстрации работы оптопар.

В первой главе рассмотрены основные определения, характеристики, общие сведения об оптопарах, их устройство, принцип работы и применение.

Во второй главе приведена разработанная схема, моделирование работы которой произведена в Electronics Work Bench. На основании этой схемы создан лабораторный макет, демонстрирующий работу оптопар в ключевом режиме, а также характеризующий временные характеристики срабатывания оптопар.

Результаты данной работы планируются использовать в дипломной работе.

Список использованных источников

1. Носов Ю.Р., Сидоров А. С. «Оптроны и их применение» - М.: Радио и связь, 1981 г.

2. Ишанин Г.Г. Приемники излучения. - СПб.: «Папирус», 2003

3. Бирюков С. Оптроны серии АОУ115А. Радио,№5, 2000г.

4. Нефедов А.В., Гордеева В.И. Отечественные полупроводниковые приборы и их зарубежные аналоги. - М. Энергия, 1978- 208 с., ил.

5. Нефедов А.В, Гордеева В.И. Отечественные полупроводниковые приборы и их зарубежные аналоги: Справочник - 3 издание переработанное и дополненное. - М. Радио и связь, 1990 - 400с., ил., (Массовая радиобиблиотека выпуск 1154).

6. Шульгин О.А., Шульгина И.Б., Воробьёв А.Б. Справочник по полупроводниковым приборам. Версия 1.02. Том 6. M.

7. Геда Н.Ф. Измерение параметров оптоэлектроники. - М.: Радио и связь, 1981

8. Замятин В.Я. и др. Мощные полупроводниковые приборы. Тиристоры:

Справочник / Замятин В.Я. , Кондратьев Б.В., Петухов В.М. М.: - Радио и связь, 1987 - 576., ил.

9. Кайдалов С.А. Приемники излучения и их применение. - М.: Радио и связь, 1995

10. Новиков Ю.В. Основы цифровой схемотехники. Базовые элементы и схемы. Методы проектирования. -- М.: Мир, 2001. -- 379 с.

Размещено на Allbest.ru