Устройства оптоэлектроники: оптопары и оптроны, устройства коммутации на основе оптронов, устройства отображения информации

Оптоэлектроника является важной самостоятельной областью функциональной электроники и микроэлектроники. Оптоэлектронный прибор — это устройство, в котором при обработке информации происходит преобразование электрических сигналов в оптические и обратно.

· Существенная особенность оптоэлектронных устройств состоит в том, что элементы в них оптически связаны, а электрически изолированы друг от друга.

Рис. 9.4. Оптрон с внутренней (а) и внешними (б) фотонными связями: 1, 6 – источники света; 2 – световод; 3, 4 – приемники света; 5 – усилитель

Основным элементом оптоэлектроники является оптрон.

Оптопара (оптрон) — электронный прибор, состоящий из излучателя света (обычно — светодиод, в ранних изделиях — миниатюрная лампа накаливания) и фотоприёмника (биполярных и полевых фототранзисторов, фотодиодов, фототиристоров, фоторезисторов), связанных оптическим каналом и как правило объединённых в общем корпусе. Принцип работы оптрона заключается в преобразовании электрического сигнала в свет, его передаче по оптическому каналу и последующем преобразовании обратно в электрический сигнал.

Различают оптроны с внутренней (рис. 9.4, а) и внешними (рис. 9.4, б) фотонными связями. Простейший оптрон представляет собой четырехполюсник (рис. 9.4, а), состоящий из трех элементов: фотоизлучателя 1, световода 2 и приемника света 3, заключенных в герметичном светонепроницаемом корпусе. При подаче на вход электрического сигнала в виде импульса или перепада входного тока возбуждается фотоизлучатель. Световой поток по световоду попадает в фотоприемник, на выходе которого образуется электрический импульс или перепад выходного тока. Этот тип оптрона является усилителем электрических сигналов, в нем внутренняя связь фотонная, а внешние — электрические.

Другой тип оптрона — с электрической внутренней связью и фотонными внешними связями (рис. 9.4, б) — является усилителем световых сигналов, а также преобразователем сигналов одной частоты в сигналы другой частоты, например сигналов инфракрасного излучения в сигналы видимого спектра. Приемник света 4 преобразует входной световой сигнал в электрический. Последний усиливается усилителем 5 и возбуждает источник света 6.

В настоящее время разработано большое число оптоэлектронных устройств различного назначения. В микроэлектронике, как правило, используются только те оптоэлектронные функциональные элементы, для которых имеется возможность интеграции, а также совместимость технологии их изготовления с технологией изготовления соответствующих интегральных микросхем.

Благодаря этому легко обеспечивается согласование высоковольтных и низковольтных, а также высокочастотных и низкочастотных цепей. Кроме того, оптоэлектронным устройствам присущи и другие достоинства: возможность пространственной модуляции световых пучков, что в сочетании с изменениями во времени дает три степени свободы (в чисто электронных цепях две); возможность значительного ветвления и пересечения световых пучков в отсутствие гальванической связи между каналами; большая функциональная нагрузка световых пучков ввиду возможности изменения многих их параметров (амплитуды, направления, частоты, фазы, поляризации).

 

Работа оптоэлектронных приборов основана на электронно-фотонных процессах получения, передачи и хранения информации.

Простейшим оптоэлектронным прибором является оптоэлектронная пара, или оптрон. Принцип действия оптрона, состоящего из источника излучения, иммерсионной среды (световода) и фотоприемника, основан на преобразовании электрического сигнала в оптический, а затем снова в электрический.

Оптроны как функциональные приборы обладают следующими преимуществами перед обычными радиоэлементами:

полной гальванической развязкой «вход – выход» (сопротивление изоляции превышает 10¹² – 10¹⁴ Ом);

абсолютной помехозащищенностью в канале передачи информации (носителями информации являются электрически нейтральные частицы – фотоны);

однонаправленностью потока информации, которая связана с особенностями распространения света;

широкополосностью из-за высокой частоты оптических колебаний,

достаточным быстродействием (единицы наносекунд);

высоким пробивным напряжением (десятки киловольт);

малым уровнем шумов;

хорошей механической прочностью.

По выполняемым функциям оптрон можно сравнивать с трансформатором (элементом связи) при реле (ключом).

В оптронных приборах применяют полупроводниковые источники излучения – светоизлучающие диоды, изготовляемые из материалов соединений группы А ^III B ^V, среди которых наиболее перспективны фосфид и арсенид галлия. Спектр их излучения лежит в области видимого и ближнего инфракрасного излучения (0,5 – 0,98 мкм). Светоизлучающие диоды на основе фосфида галлия имеют красный и зеленый цвет свечения. Перспективны светодиоды из карбида кремния, обладающие желтым цветом свечения и работающие при повышенных температурах, влажности и в агрессивных средах.

Светодиоды, излучающие свет в видимом диапазоне спектра, используют в электронных часах и микрокалькуляторах.

Светоизлучающие диоды характеризуются спектральным составом излучения, который достаточно широк, диаграммой направленности; квантовой эффективностью, определяемой отношением числа испускаемых квантов света к количеству прошедших через p - n -переход электронов; мощностью (при невидимом излучении) и яркостью (при видимом излучении); вольт-амперными, люмен-амперными и ватт-амперными характеристиками; быстродействием (нарастанием и спадом электролюминесценции при импульсном возбуждении), рабочим диапазоном температур. При повышении рабочей температуры яркость светодиода падает и снижается мощность излучения.

На оптоэлектронном принципе могут быть созданы безвакуумные аналоги электронных устройств и систем: дискретные и аналоговые преобразователи электрических сигналов (усилители, генераторы, ключевые элементы, элементы памяти, логические схемы, линии задержки и др.); преобразователи оптических сигналов — твердотельные аналоги электронно-оптических преобразователей, видиконов, электронно-лучевых преобразователей (усилители света и изображения, плоские передающие и воспроизводящие экраны); устройства отображения информации (индикаторные экраны, цифровые табло и другие устройства картинной логики).

Цифровое табло предназначено для отображения до двадцати четырехразрядных цифровых значений и может быть использовано в качестве табло курса обмена валют, табло цен топлива и т.п.

Пример

Цифровое табло серии DC/T предназначено для отображения времени и даты в автономном режиме с автоматическим переходом на сезонное время, с подключением приемника сигналов синхронизации (DCF/GPS) или в составе систем единого времени:

· с применением линий MOBALine, последовательного кода MOBALine, DCF/DCF-FSK, IRIG-B

· с управлением разнополярными импульсами (минутными, полуминутными и секундными) напряжением 24 В

· с управлением по последовательному интерфейсу RS232 или RS485

Устройство предназначено для эксплуатации внутри помещений. Корпус устройства выполнен из анодированного алюминиевого профиля черного или серебристого цвета. При дополнительном согласовании с заказчиком корпус может быть окрашен в другой цвет в соответствии со шкалой RAL, или с имитацией различных материалов (дерево, мрамор и т. п.). Защитное стекло – органическое, с антибликовым покрытием и фильтром, обеспечивает хорошую читаемость отображаемой информации при различных углах обзора. Индикаторы – светодиодные, матричные, красного или зеленого свечения. Высота знакомест для отображения цифр – 57 мм (обеспечивает читаемость показаний устройства на расстоянии до 25 м), высота знакомест для отображения символов – 30 мм (при отображении диакритических знаков – 36 мм). Яркость свечения может быть задана в настройках устройства или регулироваться автоматически, в зависимости от уровня внешней освещенности. Над каждой группой индикаторов, отображающих время отдельного часового пояса, производителем на защитное стекло наносится надпись с названием соответствующего часового пояса или города, расположенного в этом поясе. Текст и оформление надписей согласовываются с заказчиком в техническом задании при заказе устройства. Устройство поставляется в одностороннем или двухстороннем исполнении. Монтаж может выполняться непосредственно на стену (только для односторонних моделей), на потолок при помощи подвеса или на стену при помощи углового кронштейна. Управление устройством – дистанционное, при помощи ИК-пульта (заказывается отдельно). Питание устройства осуществляется от сети переменного т

ока.

 

ока.