Оптроны принцип работы, виды и сфера применения

Определение

Оптрон (или оптопара) — это электронное устройство, включающее в себя световой излучатель (чаще всего светодиод, а в более старых версиях — миниатюрную лампу накаливания) и светочувствительный элемент или фотоприемник. В качестве фотоприемника могут использоваться различные компоненты: биполярные и полевые фототранзисторы, фотодиоды, фоторезисторы. Эти элементы соединены посредством оптического канала и обычно располагаются в едином корпусе, что обеспечивает их надежную совместную работу.

Принцип работы

Принцип работы оптрона основан на преобразовании электрического сигнала в световой импульс с последующим его восприятием и преобразованием обратно в электрический сигнал. Процесс начинается с того, что излучатель (например, светодиод) преобразует поданный на него электрический сигнал в световое излучение. Этот световой поток через оптический канал передается на фотоприемник, который улавливает свет и преобразует его обратно в электрический ток. Оптический канал обеспечивает изоляцию между входной и выходной цепями, что позволяет передавать сигналы без электрического контакта, уменьшая риск помех и повышая безопасность работы устройства. Этот процесс позволяет оптронам использоваться в схемах, где требуется гальваническая развязка, управление мощными цепями и защита чувствительной электроники от перенапряжений и шумов.

Виды оптопар

Оптопары (оптроны) бывают различных видов в зависимости от типа используемого излучателя и фотоприемника, а также функциональных особенностей. Основные виды оптопар включают:

Резисторная

Принцип работы резисторной оптопары заключается в изменении сопротивления фоторезистора под воздействием света, излучаемого светодиодом. Когда на светодиод подается электрический ток, он начинает излучать свет. Интенсивность этого излучения зависит от величины поданного тока: чем выше ток, тем ярче свет. Световой поток от светодиода направляется на фоторезистор, который чувствителен к свету.

При отсутствии света фоторезистор обладает высоким сопротивлением, поскольку в его структуре мало свободных носителей заряда. Однако, когда на него попадает свет от светодиода, в материале фоторезистора начинают генерироваться дополнительные носители заряда — электроны и дырки. Это приводит к снижению его сопротивления, так как увеличивается количество частиц, способных проводить электрический ток.

Транзисторные

Оснащены фотоприемниками на базе фототранзисторов. В таких устройствах обычно применяются n-p-n фототранзисторы из кремния, которые обладают высокой чувствительностью к световому излучению с длиной волны около 1 микрометра.

В качестве источников света, как правило, используют арсенид-галлиевые светодиоды или диоды на основе тройного соединения. Спектральный пик излучения этих диодов совпадает с областью максимальной чувствительности фототранзисторов. Излучающий диод размещается таким образом, чтобы основной поток световых лучей направлялся на базовую область фототранзистора. Между излучателем и фотоприемником обеспечивается оптическая изоляция за счет использования прозрачной среды.

Диодные

В диодных оптопарах в роли фотоприемника используется фотодиод, изготовленный на кремниевой основе. Излучателем при этом служит инфракрасный светодиод, максимальная спектральная характеристика которого настроена на длину волны примерно 1 микрометр. Когда фотодиод оптрона облучается светом такой длины волны, внутри него начинается процесс генерации пар заряженных частиц — электронов и дырок.

Процесс генерации носителей заряда зависит от интенсивности светового излучения, что пропорционально входному току. Под действием электрического поля, создаваемого переходом в фотодиоде, свободные электроны и дырки разделяются: положительные заряды накапливаются в p-области, а отрицательные — в n-области. Таким образом, на выходных контактах оптопары формируется фото-ЭДС, которая в реальных условиях обычно составляет около 0,7–0,8 В.

Диодная оптопара (варикап)

Принцип работы диодной оптопары с варикапом заключается в использовании варикапа — полупроводникового диода с регулируемой емкостью, зависящей от приложенного обратного напряжения. Основная задача варикапа в составе оптопары — изменение его емкости в зависимости от уровня освещения, создаваемого светодиодом.

Когда на светодиод диодной оптопары подается ток, он начинает излучать свет. Интенсивность света пропорциональна величине тока: чем выше ток, тем ярче свет. Этот световой поток направляется на варикап, который чувствителен к освещению. При попадании света на варикап происходит изменение плотности носителей заряда в его полупроводниковой структуре, что влияет на ширину его переходного слоя.

В варикапе переходный слой действует как диэлектрик конденсатора, а области p-n перехода — как пластины. Под действием света изменяется концентрация заряженных частиц в переходе, что приводит к изменению ширины этого слоя. Соответственно, изменяется и емкость варикапа. Чем больше освещенность, тем сильнее изменяется его емкость, что позволяет варикапу работать как управляемый светом элемент.

Тиристорные

В тиристорных оптопарах фотоприемник представлен кремниевым фототиристором. Подобно стандартному тиристору, фототиристор имеет четырехслойную p-n-p-n структуру. Конструкция оптопары устроена так, что основная часть светового потока от входного диода направляется на высокоомную базовую область n-типа в фототиристоре. Для работы устройства на анод и катод (p- и n-области соответственно) подается внешнее напряжение, при котором анод соединяется с положительным потенциалом.

При воздействии света на n-базу фототиристора происходит генерация пар носителей заряда — электронов и дырок. Электрическое поле, присутствующее в центральной зоне перехода между n- и p-областями, способствует разделению этих носителей: электроны остаются в n-базе, а дырки направляются в p-базу, заряжая их положительно и отрицательно соответственно. При такой конфигурации на переходах происходит инжекция неосновных носителей заряда, создаваемых в результате освещения.

Данный процесс приводит к лавинообразному увеличению тока через фототиристор. Когда ток достигает определенного порога, происходит его отпирание, и все три перехода устройства начинают проводить ток в одном направлении. Это приводит к значительному уменьшению падения напряжения на фототиристоре в открытом состоянии, что способствует эффективной передаче сигнала и снижению потерь энергии.

Математическая составляющая

Излучение света светодиодом

Электрический ток через светодиод преобразуется в световой поток. Интенсивность света I_ph​ пропорциональна прямому току через светодиод:

I_{ph}=ηI_f
​

где I_ph​ — интенсивность излученного света, η — коэффициент светоотдачи светодиода, I_f — прямой ток через светодиод.

Поглощение света фотоприемником

Падающий свет вызывает в фотоприемнике генерацию носителей заряда (электронов и дырок), что приводит к появлению фототока I_c​:

I_c=S⋅I_{ph}
​
 

где I_c​ — ток коллектора фотоприемника, S — чувствительность фотоприемника.

Коэффициент передачи тока оптрона (CTR)

Один из ключевых параметров оптрона — это коэффициент передачи тока, или Current Transfer Ratio (CTR). Он определяет отношение тока через фотоприемник к току через светодиод:

\text{CTR} = \frac{I_{c}}{I_{f}} \times 100\%

где I_c​ — ток, протекающий через фотоприемник (например, фототранзистор), а I_f​ — ток, протекающий через светодиод. CTR зависит от конструкции оптрона, параметров светодиода и фотоприемника, а также условий окружающей среды, таких как температура.

Фототок и уравнение фотодиода

В фотодиодах ток, создаваемый светом (фототок I_ph​), описывается следующим образом:

I_{ph} = q \cdot \eta \cdot \frac{P_{opt}}{h \cdot \nu}

где q — заряд электрона, η — квантовый выход фотодиода, P_opt​ — мощность падающего светового потока, h — постоянная Планка, ν — частота света. Это уравнение показывает зависимость фототока от мощности светового излучения и длины волны.

Скорость переключения и время отклика

Скорость работы оптрона определяется временем отклика его компонентов, таких как светодиод и фотоприемник. Время отклика включает в себя:

• Время включения светодиода t_on​ — время, за которое светодиод достигает максимальной интенсивности излучения при подаче тока.
• Время отклика фотоприемника t_r​ — время, за которое фотоприемник реагирует на изменение светового потока.

Общее время отклика t_responset​ оптрона можно записать как:

t_{response} = t_{on} + t_{r} + t_{off}

где t_off​ — время выключения светодиода.

Оптическая мощность и коэффициент поглощения

При расчете эффективности оптрона учитывается поглощение светового потока в оптическом канале между излучателем и приемником. Мощность светового излучения P_out​, падающая на фотоприемник, зависит от коэффициента поглощения среды α и расстояния d:

P_{out} = P_{in} \cdot e^{-\alpha d}

где P_in​ — мощность излучения светодиода, α — коэффициент поглощения оптической среды, d — расстояние между светодиодом и фотоприемником.

Сфера применения

Оптроны широко применяются в различных отраслях благодаря своим уникальным свойствам по изоляции и передаче сигналов с использованием света. Их основное преимущество — это возможность гальванической развязки, которая позволяет безопасно передавать электрические сигналы между цепями, не допуская их прямого электрического контакта.

В промышленной автоматизации оптроны используются для управления и защиты оборудования. Они обеспечивают изоляцию между высоковольтными и низковольтными цепями, что защищает чувствительные компоненты от скачков напряжения и помех. Это особенно важно в системах управления, где оптроны помогают минимизировать влияние шумов на работу устройств и повышают безопасность эксплуатации.

В электроэнергетике оптроны применяются в устройствах контроля и диагностики, таких как интеллектуальные реле и системы мониторинга состояния оборудования. За счет своей способности быстро реагировать на изменения сигналов, оптроны позволяют эффективно контролировать параметры электрических цепей и защитные устройства, обеспечивая надежную работу энергосистем.

В сфере связи оптроны играют важную роль в инфракрасных каналах передачи данных, таких как оптоволоконные сети. Они обеспечивают преобразование электрического сигнала в световой и обратно, что необходимо для передачи информации на большие расстояния с минимальными потерями. Это делает оптроны ключевым компонентом в телекоммуникационных системах, где требуется высокая скорость передачи данных и надежность.

Оптроны также находят применение в бытовой электронике и устройствах управления, таких как блоки питания, зарядные устройства и системы домашней автоматизации. Благодаря своей компактности и низкому энергопотреблению, они используются в схемах управления светом, вентиляторов и других бытовых устройств, где требуется изоляция между управляющими и силовыми цепями.

В автомобильной промышленности оптроны используются для управления различными электронными системами, включая системы освещения, управление двигателем и элементы безопасности. Они помогают обеспечить надежную работу этих систем, изолируя сигналы от внешних помех и защищая чувствительные компоненты от потенциальных повреждений.

Преимущества и недостатки

К основным преимуществам оптронов можно отнести их особые свойства:

1. Полное отсутствие электрической связи между входом и выходом, а также отсутствие обратной связи между фотоприемником и источником света. Изоляция между входной и выходной частью может достигать сопротивления в диапазоне 10¹²−10¹⁴ Ом, при этом проходная емкость обычно не превышает 2 пФ, а в некоторых типах оптронов она может снижаться до долей пикофарада.
2. Широкий диапазон частот, которые могут быть переданы через оптрон. Это позволяет осуществлять передачу сигналов с частотами от практически нулевых значений до 10¹³−10¹⁴ Гц.
3. Возможность управления сигналами на выходе оптрона, воздействуя на его оптический вход, что обеспечивает гибкость в использовании таких приборов.
4. Высокий уровень помехозащищенности оптического канала, что выражается в устойчивости к воздействию внешних электромагнитных помех и полей.
5. Легкость интеграции оптронов в различные электронные устройства, где они могут работать в сочетании с другими микроэлектронными и полупроводниковыми компонентами.

Среди недостатков оптронов можно выделить значительное энергопотребление, связанное с двойным преобразованием сигналов. Они также подвержены влиянию собственных шумов и зависят от условий окружающей среды, таких как температура и радиация, что может ухудшать их характеристики со временем. Кроме того, производство оптронов требует сложных технологических процессов, что также может влиять на их стоимость и доступность.