|
| |
|
Слаботочка Книги Нахождение математических соотношений между электрическими и оптическими возмущениями в элементах оптрона (рис. В.З) естественно предполагает решение не только стащюнарных, но и нестационарных задач. Обобщенная структурная схема (рис. В.4 [9]). Как элемент связи оптрон характеризуется коэффициентом передачи Ki, определяемым отношением выходного и входного сигналов, и максимальной скоростью передачи информации F. Практически вместо F измеряют длительности нарастания и спада передаваемых импульсов вар(оп) или граничную частоту. Возможности оптрона как элемента гальванической развязки характеризуются максимальным напряжением и сопротивлением развязки разв И /?разв И ПроХОДНОЙ емКОСТЬЮ Сразв. \Устрайст8в управления Входное устройство Излучатель: Оптическая среда Фата- приемиин Выходное устройство] Рис. В.4. Обобщенная структурная схема оптрона В структурной схеме рис. В.4 входное устройство служит для оптимизации рабочего режима излучателя (например, смещения светодиода на линейный участок ватт-амперной характеристики) 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 тзкже во многих случаях обеспечение хмеханической целостности конструвдии. Принципиальная возможность управления оптическими свойствами среды, например с помощью использования электрооптических или магнитооптических эффектов, отражена введением в схему устройства управления. 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. Возможны и другие конструктивные изменения оптического канала, меняющие функциональное назначение оптрона. Так, оптрон с открытым оптическим каналом (воздушный зазор между излучателем и приемником) пригоден для считывания информации с перфоносите-лей, перемещающихся в этом зазоре. Если в качестве оптической среды использован гибкий волоконно-оптический световод, то такой «длинный» оптрон выступает в качестве короткой линии связи. Выбирая оптическую среду, которая изменяет свои свойства прп тех или иных внешних неэлектрических воздействиях, можно получить разнообразные оптоэлектронные датчики (первичные преобразователи). 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 сптроном каскады, чаще всего входные цени логических интегральных схем или устройства релейного типа. Практически обязательной функцией выходного устройства является усиление сигнала, так как потери после двойного преобразования очень значительны. Нередко функцию усиления выполняет и сам фотоприемник (HanpHMep, фототранзистор). Общая структурная схема рис. В.4 реализуется в каждом конкретном приборе лишь частью блоков. В соответствии с этим выделяют три основные группы приборов оптронной техники [il, 10]; ранее названные 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 и оптоэлектронных ИС. Четкие границы между этими группами приборов провести не . всегда удается, однако для большинства типов вы- пускаемых промышленностью оптронов подобное разделение оказывается ©полне правомерным и целесообразным. Реальный оптрон может быть устроен и сложнее, чем схема на рис. В.4; 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.
Рис. В.5. Применение оптронов Применение (рис. В.5). 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; для сопряжения ИС, имеющих различные потенциальные уровни логических состояний (например, биполярных и МОП ИС); для развязки шин питания от земли и т. п. Во всех этих применениях оптроны служат для лере- дачи информации между блоками, не имеющими замкнутых электрических связей, и, как правило, не несут самостоятельной функциональной нагрузки. В качестве таких информационных оптронов обычно используются оптопары с диодным или транзисторным выходом н оптронные микросхемы переключательного типа. Для передачи аналоговой информации используются специфические по устройству и характеристикам дифференциальные оптопары и оптронные микросхемы [10-12]. Другая важнейшая область применения оптронов - оптическое, бесконтактное управление сильноточными и высоковольтными цепями. Запуск мощных тиристоров, триаков, симисторов, управление электромеханическими релейными устройствами и приводом станков, коммутация силовых линий электропитания - вот те функции, которые выполняют управляющие оптроны (как правило, с тиристорным выходом или приемником в виде составного фототранзистора) и оптронные микросхемы релейного типа [10]. 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 [13]. Простота, низкая стоимость фотоприемной части таких оптронов, электрическая и технологическая их совместимость с электролюминесцентными элементами, простота реализации бистабиль-ных структур - вот те факторы, которые определяют предпочтительное использование резисторных оптронов в этой области. Создание «длинных» оптронов (приборов с протяженным гибким волоконнооптическим световодом) открыло совершенно новое направление применения изделий оптронной техники - связь на коротких расстояниях. Сюда относятся связи между платами внутри стойки ЭВМ, связи между стойками и между отдельными ЭВМ; выносные щупы контрольно-измерительных приборов, аппаратура контроля высоковольтных линий электропередач; протянсенные жгуты систем дистанционного контроля электрических параметров приборов в условиях воздействия СВЧ полей, мощных электромагнитных импульсов, жесткого гамма- и рентгеновского излучения; другие радиоэлектронные устройства, нуждающиеся в коротких помехозащищенных надежных связях [14]. Функционально «длинные» оптроны (или короткие волоконно-оптические линии связи) могут относиться и к информационным, и к линейным, и к управляющим оптронам. Различные оптроны (диодные, резисторные, транзисторные) находят применение и в чисто радиотехнических схемах модуляции, автоматической регулировки усиления и др. [15]. Воздействие по оптическому каналу используется здесь для вывода схемы в оптимальный рабочий режим, для бесконтактной перестройки ренима и т. п. 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 илн иной жидкости, датчики чистоты обработки поверхности предмета, скорости его перемещения и т. п. [16, 17]. Особенно широкое распространение для ввода информации в ЭВМ получили оптроны с от--крытым оптическим каналом. 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 развя.-занному от первичной цепи. Регенеративные устройства на оптронах (мультивибраторы, триггеры, блокинг-генераторы и др.) пока еще не вышли из стадии лабораторных исследований, что обусловлено главным образом низким КПД оптрона вследствие двукратного преобразования энергии в его элементах. В то же время широкополосность оптрона позволяет создавать схемы, принципиально не реализуемые на основе импульсных трансформаторов. Матричные регенеративные оптронные устройства могут оказаться полезными в качестве элементов накопления и хранения информации [18]. Создание оптронов с фоторезнсторами, свойства которых при освещении меняются по заданному сложному закону, позволяет моделировать математические функции, является шагом на пути создания функциональной оптоэлектроники [19].  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. Применение оптронов позволяет продвинуться в решении экологических проблем, обеспечить абсолютную безопасность пользователя электро- и радиооборудова н и е м, контроль за состоянием окружающей среды. История. Идея создания и применения оптронов относится к 1955 г., когда в работе [20] 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 (рнс. В.6), оптоэлектронные устройства накопления п хранения информации, логические схемы, регистры сдвига. Там же был предложен и термин «оптрон», образованный как сокращение от английского «optical-electronic device*. В дальнейшем в научно-технической литературе рассматривались и другие приборы на основе комбинации излучателя и фотоприемннка, различающиеся сочетанием входных и выходных сигналов и типом обратных связей. Все эти приборы также стали называть оптронами. Наряду с термином «оптрон» в отечественной и зарубел<ной технической литературе для описания тех же приборов встречаются и другие термины [9]. Описанные в [20] оптроны, отлично иллюстрируя принципы оптроники, оказались непригодными для промышленной реализации, так как основывались на несовершенной элементной базе - неэффективных и инерционных порошковых электролюминесцентных конденсаторах (излучатель) и фоторезисторах (приемник). Несовершенны были н важнейшие эксплуатационные характеристики приборов: низкая температурная и временная стабильность параметров, недостаточная устойчивость к механическим воздействиям. Поэтому на первых порах оптрон оставался лишь интересным научным достижением, не находящим применения в технике. В дальнейшем в ряде приборов в качестве излучателей использовались лампочки накаливания и газоразрядные лампы, однако ко- S/J 1,мкА Рис. В.6. Схема возбуждения и вольт-амперная характеристика бистабиль-ного оптрона: ЭЛК - электролюминесцентвый конденсатор, ФР - фоторезистор 0 [1] 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 |
|||||||||||||||||||||||||