Расположение лопастей. Способ уменьшения нагрузок и вибраций на летательных аппаратах, имеющих многолопастные воздушные винты с четным числом лопастей

ОПТОПАРЫ (Оптроны)

Общие сведения

Оптоэлектроника – одно из наиболее развитых направлений в функциональной микроэлектронике. В понятие “оптоэлектроника” включают и такие недавно возникшие направления, как лазерная техника, волоконная оптика, голография и другие.

В настоящее время оптоэлектронный прибор определяется как:

1) прибор чувствительный к электромагнитному излучению в видимой, инфракрасной или ультрафиолетовой областях спектра;

2) прибор излучающий и преобразующий некогерентное или когерентное излучение в этих же спектральных областях;

3) прибор, использующий электромагнитное излучение для своей работы.

Оптоэлектроника основана на электронно-оптическом принципе получения, передачи, обработки и хранения информации, носителем которой является электрически нейтральный фотон.

Изготовление ПП элементов оптоэлектроники оптронов совместимо с интегральной технологией, поэтому их создание может быть включено в единый технологический цикл производства интегральных микросхем.

Рассмотрим основные технологические средства оптоэлектроники. Основным элементом является оптрон , или оптопара

Оптопара – оптоэлектронный прибор, содержащий фотоизлучатель и фотоприёмник, оптически и конструктивно связанные друг с другом.

Рис.1. Структурная схема оптрона

1– источника излучения (фотоизлучателя);

2 – световода (оптического канала);

3 – приёмника излучения (фотоприёмника), заключённого

в герметичный светонепроницаемый корпус.

Классификация оптронов:

Тип и название оптрона определяется типом используемого в нем фотоприемника. По этому признаку оптроны бывают:

– резисторные (фотоприёмник – фоторезистор);

– диодные (фотоприёмник – фотодиод);

– транзисторные (фотоприёмник – фототранзистор);

– тиристорные (фотоприёмник – фототиристор);

Применение в электронных цепях :

– переключение;

– усиление;

– согласование;

– преобразование;

– индикация и др.

Определение и принцип действия

Принцип действия оптопары основан на двойном преобразовании энергии т.е.

1) В излучателях энергия электрического сигнала преобразуется в оптическое излучение, а в фотоприёмниках наоборот;

2) Оптический сигнал вызывает электрический ток или напряжение. Следовательно, оптопара – это прибор с электрическими входными и выходными сигналами, т.е. связь с внешней схемой электрическая. А вот внутри оптопары связь входа с выходом осуществляется с помощью оптических сигналов.

Рассмотрим различные типы оптопар, различающихся друг от друга фотоприёмниками.

Резисторные оптопары

Имеют в качестве излучателя сверхминиатюрную лампочку накаливания или светодиод, дающий видимое или инфракрасное излучение. Приёмником излучения является фоторезистор , который может работать как на постоянном, так и на переменном токе.

Рис.16. Схема включения резисторной оптопары

У данной оптопары выходная цепь питается от источника постоянного или переменного напряжения Е и имеет нагрузку R н. Напряжение U упр подаваемое на светодиод, управляет током в нагрузке. Цепь управления хорошо изолирована от фоторезистора, который может быть включён в цепь переменного тока напряжением 220 В.

Резисторные оптопары применяются для автоматического регулирования усиления, связи между каскадами, управления бесконтактными делителями напряжения, модуляции сигналов, формирования различных сигналов и т.д.

Диодные оптопары

Данный тип обычно имеет в своём составе инфракрасный светодиод и кремниевый фотодиод. Применение их весьма разнообразно. На их основе создаются импульсные трансформаторы, не имеющие обмоток, что важно для микросхем. Также они используются для передачи сигналов между блоками сложной радиоэлектронной аппаратуры, для управления работой ИМС, особенно тех, у которых входной ток очень мал.

Транзисторные оптопары

Имеют в своём составе в качестве излучателя - светодиод, а приёмника излучения – биполярный кремниевый фототранзистор типа n-p-n . Оптопары этого типа работают главным образом в ключевом режиме и применяются в коммутаторных схемах, устройствах связи различных датчиков с измерительными блоками, в качестве реле т.д. Для повышения чувствительности оптопары в ней может быть использован составной транзистор.

Тиристорные оптопары

Имеют в качестве фотоприёмника кремниевый фототиристор и используется исключительно в ключевых режимах. Применяется для формирования импульсов, управления мощными тиристорами, управления и коммутации различных устройств с мощными нагрузками.

Параметры

В системе параметров можно выделить четыре группы:

– входные параметры (излучателя);

– выходные параметры (фотоприёмника);

– передаточные параметры (параметры передачи сигнала со входа на

– параметры изоляции.

Входные параметры

1. Номинальный входной ток I вх.ном –значение тока, рекомендуемое для оптимальной эксплуатации оптопары и используемое при измерении её основных параметров .

2. Входное напряжение U вх - падение напряжения на излучающем диоде в прямом направлении при заданном значении прямого тока (обычно при I вх.ном).

3. Входная ёмкость С вх – ёмкость между входными выводами оптопары в заданном режиме.

Выходные параметры

1. U ВЫХ.ОБР – максимальное значение обратного напряжения любой формы, которое допускается прикладывать к выходу оптопары.

2. I ВЫХ –максимальное значение тока, который допускается пропускать через фотоприёмник во включённом состоянии оптопары.

3. I УТ – ток утечки на выходе оптопары при I вх =0 и заданном значении полярности U вых.

4. U ОСТ – выходное остаточное напряжение на включённом фототиристоре или фоторезисторе в режиме насыщения.

5. С ВЫХ – выходная ёмкость фотоприёмника.

Передаточные параметры – характеризуют эффективность передачи электрического сигнала с входа оптопары на выход.

Коэффициент передачи по току – характеризует передачу сигнала со входа оптопары на выход для всех типов оптопар (кроме тиристорных) .

Временные параметры – характеризуют быстродействие или скорость передачи сигнала.

1. t НАР – время нарастания выходного тока от уровня (0,1-0,9) I вых,max

2. t ЗАД – время задержки при включении, т.е. время от момента подачи t 0 импульса входного тока до момента нарастания выходного тока до уровня0,1 I ВЫХ MAX .

3. t ВКЛ = t НАР + t ЗАД – время включения оптопары.

4. t ПЕР = t ВКЛ + t ВЫКЛ – время переключения.

Параметры изоляции

1. U ИЗ.ПИК. – максимально допустимое пиковое напряжение изоляции определяет возможности оптопары как элемента электрической изоляции.

2. U ИЗ –статическое напряжение изоляции между входом и выходом .

3. R ИЗ –сопротивление изоляции (R из » 10 12 Ом).

Параметры определяющие стойкость оптопары к скачкам напряжения:

4. С ПР – проходная ёмкость (ёмкость между входом и выходом).

5. – максимально допустимая скорость нарастания выходного напр.

Оптопары позволяют решать те же задачи, что и отдельно взятые пары излучатель – фотоприемник, однако на практике они, как правило, более удобны, поскольку в них уже опти­мально подобраны характеристики излучателя и фотоприемника и их взаимное расположение.

Если говорить о наиболее очевидном применении оптопары, не имеющем аналогов среди других приборов, так это элемент гальванической развязки. Опто­пары (или, как их иногда называют, оптроны) применяют в качестве устройств связи между блоками аппаратуры, находящимися под различными потенциала­ми, для сопряжения микросхем, имеющих различные значения логических уров­ней. В этих случаях оптопара передает информацию между блоками, не имею­щими электрической связи, и самостоятельной функциональной нагрузки не несет.

Не менее интересно применение оптопар в качестве элементов оптического бесконтактного управления сильноточными и высоковольтными устройствами.

На оптопарах удобно строить узлы запуска мощных тиратронов, распредели­тельных и релейных устройств, устройств коммутации электропитания и т.п.

Оптопары с открытым оптическим каналом упрощают решение задач конт­роля параметров различных сред, позволяют создавать различные датчики (влажности, уровня и цвета жидкости, концентрации пыли и т.п.).

Одной из важнейших является линейная схема, пред­назначенная для неискаженной передачи по гальваниче­ски развязанной цепи аналоговых сигналов. Сложность этой проблемы связана с тем, что для линеаризации передаточной характеристики в широком диапазоне то­ков и температур необходима петля обратной связи, принципиально не реализуемая при наличии гальваниче­ской развязки. Поэтому идут по пути использования двух идентичных оптронов (или дифференциального оптрона), один из которых выступает в качестве вспо­могательного элемента, обеспечивающего обратную связь (рис. 6.13). В таких схемах удобно использовать диффе­ренциальные оптопары КОД301А, КОД303А.

На рис. 6.14 представлена схема двуступенного транзисторного усилителя с оптоэлектронной связью. Изменение тока коллектора транзистора VT 1 вызы­вает соответствующее изменение тока светодиода оптопары U 1 и сопротивле­ния ее фоторезистора, который включен в цепь базы транзистора VT 2 . На на­грузочном резисторе R 2 выделя

ется усиленный выходной сигнал. Применение оптопары практически полностью устраняет передачу сигнала с выхода на вход усилителя.

Оптопары удобны для межблочной гальванической развязки в радиоэлектронной аппаратуре. Например, в схеме гальванической развязки двух блоков (рис. 6.15) сигнал с выхода блока 1 передается на вход блока 2 через диодную оптопару U1 . Если в качестве второго блока использована интегральная микросхема с малым входным током, необходимость использования уси­лителя отпадает, а фотодиод оптопары в этом случае работает в фотогенера­торном режиме.

Рис. 6.13. Гальваническая развязка аналогового сигнала: 01, 02 – оптроны, У1, У2 – операционные усилители

Рис. 6.14. Двухкаскадный транзисторный усилитель с оптоэлектронной связью

Оптопары и оптоэлектронные микросхемы применяют в устройствах пере­дачи информации между блоками, не имеющими замкнутых электрических свя­зей. Применение оптопар существенно повышает помехоустойчивость каналов связи, устраняет нежелательные взаимодействия развязываемых устройств по цепям питания и общему проводу. Цепи сопряжения с применением оптопар широко используют в вычислительной и измерительной технике, в устройствах автоматики, особенно когда датчики или другие приемные устройства работают в условиях, опасных или недоступных человеку.

Например, реализация связи гальванически независимых логических элемен­тов может осуществляться с помощью оптоэлектронного переключателя (рис. 6.16). Оптоэлектронным переключателем может служить микросхема К249ЛП1, в состав которой входят бескорпусная оптопара и стандартный вентиль.

Оптопары позволяют упрощать решение задач сопряжения блоков, разно­родных по функциональному назначе
нию, характеру питания, например испол­нительных механизмов, питаемых от сети переменного тока, и цепей форми­рования управляющих сигналов, питаемых от низковольтных источников по­стоянного тока.

Большую группу задач представляет также согласование цифровых микро­схем с разными видами логики: транзисторно-транзисторной логикой (ТТЛ), эмиттерносвя

занной логикой (ЭСЛ), комплементарной структурой «металл-окисел-полупроводник» (КМОП) и др. Пример схемы со­гласования элемента ТТЛ с МДП с помощью транзисторной оптопары показан на рисунке 6.17. Входная и выходная ступени не имеют общих электрических цепей и могут работать в самых различных условиях и режимах.

Идеальная гальваническая развязка нужна во многих практических случа­ях, например в медицинской диагностической аппаратуре, когда датчик при­креплен к телу человека, а измерительный блок, усиливающий и преобразую­щий сигналы датчика, подключен к сети. При неисправности измерительного блока может возникнуть опасность поражения человека электрическим током. Собственно датчик питается от отдельного низковольтного источника питания и подключается к измерительному блоку через развязывающую оптопару (рис. 6.18).

Оптопары удобны и в других случаях, когда «незаземленные» входные устройства приходится сопрягать с «заземленными» выходными устройствами. Примерами та

ких задач могут служить соединение линии телетайпной связи с дисплеем, «автоматический секретарь», подключаемый к телефонной линии, и т.п. Например, в схеме сопряжения линии связи с дисплеем (рис. 6.19, а ) операционный усилитель обеспечивает требуемый уровень сигналов на входе дисплея. Аналогично можно связать передающий пульт с линией связи (рис. 6.19, б ).

Рис. 6.19. Сопряжение «незаземленных» и «заземленных» устройств

Рис. 6.20. Оптоэлектронные полупроводниковые реле:

а – нормальноразомкнутое, б – нормальнозамкнутое

Усиленные сигналы фотоприемника удобно передавать на исполнительные механизмы (например, электродвигатели, реле, источники света и т.п.) через оптоэлектронную гальваническую развязку. Примерами такой развязки могут служить два варианта наиболее распространенных полупроводниковых реле, разомкнутых и замкнутых, (рис.6.20). Реле коммутирует сигналы постоянного тока. Сигнал, воспринимаемый фототранзистором оптопары, открывает транзисторы VT1 , VT2 и вклю­чает нагрузку

(рис.6.20, а ) или отключает ее (6.20, б ).

Рис 6.21. Оптоэлектронный импульсный трансформатор

Импульсный трансформатор – весьма распространенный элемент современ­ной радиоэлектронной аппаратуры. Его используют в различных генераторах импульсов, усилителях мощности импульсных сигналов, каналах связи, теле­метрических системах, телевизионной технике и т.п. Традиционное конструк­тивное исполнение импульсного трансформатора с применением магнитопровода и обмоток не совмещается с технологическими решениями, используемыми в микроэлектронике. Частотная характеристика трансформатора во многих случаях не позволяет удовлетворительно воспроизводить как низко -, так и высо­кочастотные сигналы.

Практически идеальный импульсный трансформатор мож­но изготовить на базе диодной оптопары. Например, в схеме оптоэлектронного трансфор­матора с диодной оптопарой изображена (рис. 6.21) транзистор VT1 управ­ляет светодиодом оптопары U1 Сигнал, генерируемый фотодиодом, усиливают транзисторы VT2 и VT3 .

Длительность фронта импульсов в значительной степени зависит от быстро­действия оптопары. Наиболее высоким быстродействием обладают фотодиоды p — i — n -ст
руктуры. Время нарастания и спада выходного импульса не превышает нескольких десятков наносекунд.

На основе оптопар разработаны и выпускаются оптоэлектронные микросхемы, имеющие в своем составе одну или несколько оптопар, а также согла­сующие микроэлектронные схемы, усилители и другие функциональные эле­менты.

Совместимость оптопар и оптоэлектронных микросхем с другими стандарт­ными элементами микроэлектроники по уровням входных и выходных сигналов, напряжению питания и другим параметрам определили необходимость нормирования специальных параметров и характеристик.