Принцип роботи оптронів

1. Оптрони

2. Оптрон
• Оптрон (оптопара) (від ОПтика і елекТРОН) — найпростіший
оптикоелектронний пристрій, що складається з джерела світла,
фотоприймача й оптичного узгоджувального або керуючого середовища.
Оптрони широко використовують у пристроях обчислювальної техніки,
автоматики тощо.
• Оптопара — оптоелектронний напівпровідниковий прилад, який
складається з випромінювача та приймача випромінювання, між якими є
оптичний зв'язок і забезпечена електрична ізоляція.

3. До джерел випромінювання застосовуються вимоги:
- спектральне узгодження з обраним фотоприймачем;
- висока ефективність перетворення енергії електричного
струму в енергію випромінювання;
- переважна спрямованість випромінювання;
- висока швидкодія;
- простота і зручність збудження і модуляції
випромінювання.
До фотоприймачів пред'являються такі
загальні вимоги:
- малі габарити і маса,
- висока довговічність і надійність,
- стійкість до механічних і кліматичних
впливів,
- технологічність,
- низька вартість.

4. Узагальнена структурна схема оптрона
- Вхідний пристрій забезпечує узгодження джерела випромінювання з попередніми електронними
елементами за струмом та напругою та оптимізацію його робочого режиму.
- Джерело випромінювання перетворює електричний сигнал у світловий, тому до нього застосовуються
високі вимоги за ККД, швидкодією, спрямованістю випромінювання та постійністю електричних і
оптичних параметрів.
- Оптичне середовище здійснює зв'язок між випромінювачем та фотоприймачем, забезпечує
механічну цілісність конструкції.
- Значно розширити функціональні можливості оптронів дозволяє використання керованого оптичного
канала.
- Під дією пристрою управління змінюються параметри оптичного середовища або чутливість
фотоприймача, що змінює коефіцієнт передачі оптрона.

6. Класифікація оптронів
За ступенем інтеграції
• оптопари (або елементарні оптрони) - складаються з двох і більше
елементів (зокрема зібрані в одному корпусі)

7. Класифікація оптронів
За ступенем інтеграції
• оптопари (або елементарні
оптрони) - складаються з двох і
більше елементів (зокрема зібрані
в одному корпусі)

8. Класифікація оптронів
За ступенем інтеграції
• оптоелектронні інтегральні схеми, що містять одну або кілька оптопар (з
додатковими компонентами, наприклад, підсилювачами або без них).

9. Класифікація оптронів
За типом оптичного каналу
• з відкритим оптичним каналом
• із закритим оптичним каналом

10. Класифікація оптронів
За типом оптичного каналу
• з відкритим оптичним каналом
• із закритим оптичним каналом

11. Класифікація оптронів
За типом фотоприймача
• з фоторезистором
• з фотодіодом
• з біполярним фототранзистором
• з фотогальванічним генератором
• з фототиристором або
фотосимістором

12. Класифікація оптронів
Тип фотоприймача визначає лінійність
передавальної функції оптрона.
• Найбільш лінійні і тим самим
придатні для роботи в аналогових
пристроях резисторні оптрони, потім
- оптрони з приймальним
фотодіодом або одиночним
біполярним транзистором.
• Оптрони зі складовими біполярними
транзисторами або польовими
транзисторами використовують в
імпульсних (ключових, цифрових)
пристроях, у яких лінійність передачі
не потрібна.
• Оптрони з фототиристорами
застосовуються для гальванічної
розв'язки схем керування від
ланцюгів керування.

13. Класифікація оптронів
За типом джерел світла
• з мініатюрною лампою розжарювання
• з неоновою лампою
• зі світлодіодом

14. 1. Вхідні (номінальний струм Івх ном , напруга Uвх, ємність Свх);
2. Вихідні (максимально припустима пряма Uвих max , і зворотна Uвих зв max
напруги, струм Івих max, залишкова напруга Uзал, ємність Свих);
3. Передаточні (коефіцієнт передачі за струмом КІ=Івих/Івх, час зростання
вихідного струму tзр, затримки tзат, швидкодія оптрона t),
4. Ізоляційні (максимально припустима напруга між входом та виходом
Uіз, опір ізоляції Rіз, і прохідна ємність Спр).
Робочі параметри оптронів:

15. Властивості та характеристики оптопар
Електрична міцність (допустима напруга між вхідним і вихідним
ланцюгами) залежить від конструктивного оформлення приладу. Оптопари
гальванічної розв'язки випускаються в корпусах DIP, SOP, SSOP, Mini flat-lead.
Для кожного типу корпусів характерні свої напруги ізоляції.
Для того, щоб забезпечити великі пробивні напруги, необхідно, щоб
конструкція оптопари мала якомога більші відстані не тільки між
світлодіодом і фотоприймачем, а й якомога більші відстані з внутрішньої та
зовнішньої сторони корпусу. Іноді виробники випускають спеціалізовані
сімейства оптопар, що відповідають міжнародним стандартам безпеки. Ці
оптопари характеризуються підвищеною електричною міцністю.

16. Властивості та характеристики оптопар
Одним з основних параметрів, що характеризують транзисторну оптопару,
є коефіцієнт передачі струму. Виробники оптопар виконують сортування,
присвоюючи залежно від коефіцієнта передачі той чи інший ренкінг, який
вказується в найменуванні.

17. Властивості та характеристики оптопар
Нижня робоча частота оптрона не обмежена: оптрони можуть працювати в
ланцюгах постійного струму. Верхня робоча частота оптронів,
оптимізованих під високочастотну передачу цифрових сигналів, досягає
сотень МГц. Верхні робочі частоти лінійних оптронів істотно нижчі (одиниці-
сотні кГц). Найповільніші оптрони, що використовують лампи
розжарювання, фактично є ефективними фільтрами нижніх частот із
граничною смугою порядку одиниць Гц.

18. Властивості та характеристики оптопар
Device type Source of light Sensor type Speed
Current
transfer ratio
Resistive
optoisolator
(Vactrol)
Incandescent light
bulb CdS or CdSe photoresistor
(LDR)
Very low
<100%
Neon lamp Low
GaAs infrared LED Low
Diode opto-isolator GaAs infrared LED Silicon photodiode Highest 0.1–0.2%
Transistor opto-
isolator
GaAs infrared LED
Bipolar
silicon phototransistor
Medium 2–120%
Darlington phototransistor Medium 100–600%
Opto-isolated SCR GaAs infrared LED Silicon-controlled rectifier Low to medium >100%
Opto-isolated triac GaAs infrared LED TRIAC Low to medium Very high
Solid-state relay
Stack of GaAs
infrared LEDs
Stack of photodiodes driving
a pair of MOSFETs or
an IGBT
Low to high
Practically
unlimited

19. Переваги оптронів:
 можливість реалізації безконтактного оптичного управління електронними
об'єктами;
 односпрямованість розповсюдження інформації по оптичному каналу;
 широка частотна смуга пропускання, відсутність обмеження з боку низьких частот;
 можливість створення різноманітних датчиків і функціональних мікроелектронних
пристроїв;
 несприйнятливість оптичних каналів зв'язку до впливу електромагнітних полів, що
обумовлює їх захищеність від перешкод і витоку інформації;
 фізична і конструктивно-технологічна сумісність з іншими приладами.

20. Недоліки оптронів:
 невисокий ККД (12 - 20%), обумовлений необхідністю подвійного перетворення
енергії;
 підвищена чутливість параметрів і характеристик до впливу температури і
проникаючою ядерної радіації;
 конструктивно-технологічна недосконалість, пов'язана з використанням гібридної
непланарной технології, (з необхідністю об'єднання в одному приладі декількох -
окремих кристалів з різних напівпровідників, що розташовані в різних площинах).

21. Застосування оптронів:
1. Для зв'язку блоків апаратури, між якими є значна різниця потенціалів.
2. Для захисту вхідних ланцюгів вимірювальних пристроїв від перешкод і наведень і
т.д.
3. Оптичне, безконтактне управління потужнострумової і високовольтними
ланцюгами, запуск потужних тиристорів.
4. Створення "довгих" оптронів (приладів з протяжним гнучким волоконно-оптичним
світловодом) відкрило зовсім новий напрямок застосування виробів оптронів
техніки - зв'язок на коротких відстанях.
5. Оптронні датчики: вологості і газові, датчики визначення чистоти обробки поверхні
предмета, швидкості його переміщення і т. п.
6. Універсальність оптронів є причиною того, що сферами застосування цих приладів
стали обчислювальна техніка, автоматика, зв'язкова і радіотехнічна апаратура,
автоматизовані системи управління, вимірювальна техніка, системи контролю і
регулювання, медична електроніка, пристрої візуального відображення інформації.

22. Використання оптрона

23. Використання оптрона

24. Лінійний біполярний підсилювач

25. Логаріфичний ізолюючий підсилювач

26. Прецизійний ізолюючий підсилювач

27. Концептуальна схема оптико-електронного
інтегрованого прискорювача

28. Інтегрована фотоніка на тонкоплівковому ніобаті літію

29. Оптичний зв'язок

30. Оптичний зв'язок

31. Волоконно-оптичний зв'язок
• Волоконно-оптичний зв'язок - спосіб передавання інформації, що
використовує як носій інформаційного сигналу електромагнітне
випромінювання оптичного (ближнього інфрачервоного) діапазону, а як
напрямні системи - волоконно-оптичні кабелі.
• Завдяки високій несучій частоті і широким можливостям
мультиплексування пропускна здатність волоконно-оптичних ліній
багаторазово перевищує пропускну здатність усіх інших систем зв'язку і
може вимірюватися терабітами на секунду.
• Мале загасання світла в оптичному волокні дає змогу застосовувати
волоконно-оптичний зв'язок на значних відстанях без використання
підсилювачів.
• Волоконно-оптичний зв'язок вільний від електромагнітних завад і
важкодоступний для несанкціонованого використання: непомітно
перехопити сигнал, що передається оптичним кабелем, технічно вкрай
складно.

32. Волоконно-оптичний зв'язок

33. Переваги волоконно-оптичного зв’язку
Волоконно-оптичні лінії володіють рядом переваг перед дротяними (мідними) і
радіорелейними системами зв'язку:
• Мале загасання сигналу (0,15 дБ/км в третьому вікні прозорості) дозволяє
передавати інформацію на значно більшу відстань без використання
підсилювачів. Підсилювачі у ВОЛП можуть ставитися через 40, 80 і 120
кілометрів, залежно від класу кінцевого устаткування.
• Висока пропускна спроможність оптичного волокна дозволяє передавати
інформацію на високій швидкості, недосяжною для інших систем зв'язку.
• Висока надійність оптичного середовища: оптичні волокна не окислюються,
не намокають, не чутливі до слабкого електромагнітного впливу.
• Висока захищеність від міжволоконних впливів - рівень захисту,
випромінювання понад 100 дБ. Випромінювання в одному волокні абсолютно
не впливає на сигнал в сусідньому волокні.
• Пожежо- та вибухобезпечність при вимірюванні фізичних і хімічних
параметрів
• Малі габарити і маса.

34. Недоліки волоконно-оптичного зв’язку
• Відносна крихкість оптичного волокна. При сильному вигинанні кабелю
(особливо, коли в якості силового елементу використовується
склопластиковий пруток) можлива поломка волокон або їх замутніння через
виникнення мікротріщин.
• Складність з'єднання в випадку розриву;
• Складна технологія виготовлення як самого волокна, так і компонентів ВОЛЗ.
• Складність перетворення сигналу (у інтерфейсному устаткуванні).
• Відносна висока вартість кінцевого рішення ВОЛС. Проте, устаткування є
дорогим у абсолютних цифрах. Співвідношення ціни і пропускної
спроможності для ВОЛП краще, ніж для інших систем.
• Втрата прозорості волокна з часом внаслідок старіння.

35. ПРИСТРОЇ ДЛЯ ВІДБОРАЖЕННЯ ІНФОРМАЦІЇ
ДИСПЛЕЇ – це кінцеві пристрої інформаційних систем, що служать для візуального відображення
інформації і зв’язку людини з електронно обчислювальною системою.
ЗА КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГІЧНИМИ ОСОБЛИВОСТЯМИ ДИСПЛЕЇ (МОНІТОРИ) ПОДІЛЯЮТЬ НА:
1. Електронно-променеві дисплеї, що використовують електронно-променеві трубки;
2. Дисплеї на світловипромінювальних діодах, що, як правило, мають невеликі лінійні розміри і низьку
напругу живлення;
3. Дисплеї на газорозрядних елементах, які мають дві взаємно перпендикулярні системи електродів у
вигляді провідних смуг.
ЗА ПРИНЦИПОМ РОБОТИ ДИСПЛЕЇ (МОНІТОРИ) ПОДІЛЯЮТЬСЯ НА:
електронно-променеві – CRT (Cathode Ray Tube);
рідкокристалічні – LCD (liquid crystal display) ;
плазмові – PDP (Plasma Display Panel).
Світлодіодні – LED, OLED (Light-emitting diode)
ПЕРЕВАГИ: мала потужність, висока якість зображення,
низька вартість.

36. Рідкокристалічні дисплеї
У рідкокристалічному дисплеї (моніторі) світиться не люмінофор,
а задня підсвітка, а мініатюрний рідкокристалічний елемент
регулює коефіціент пропускання світла. Кожна з кольорових точок
рідкокристалічного дисплея складається з кількох комірок (як
правило, з трьох), попереду яких встановлюються світлові
фільтри (найчастіше — червоний, синій і зелений).
Колір певної точки і її яскравість визначається ступенню
пропускання комірок, з яких вона складається. Керування кожною
рідкокристалічною коміркою здійснюється з допомогою напруги,
яку подає на комірку один з транзисторів тонкої підкладки TFT.
РІДКОКРИСТАЛІЧНИЙ ДИСПЛЕЙ (LCD) — це електронний пристрій
візуального відображення інформації(дисплей), принцип дії якого
ґрунтується на явищі електричного переходу Фредерікса в рідких
кристалах. Дисплей складається з довільної кількості кольорових
або монохромних точок (пікселів), і джерела світла.

37. Плазмові дисплеї
ПЛАЗМОВИЙ (ГАЗОРОЗРЯДНИЙ) ДИСПЛЕЙ — пристрій
виведення інформації, дисплей, дія якого ґрунтується
на явищі свічення люмінофору під впливом
ультрафіолетових променів, що виникають
при електричному розряді в йонізованому газі, тобто
у плазмі.
Плазмові панелі за якістю зображення
набагато перевершують кінескопи, вони
абсолютно нешкідливі для здоров'я, на
відміну від електронно-променевих
трубок.

38. Вакуумно-люмінесцентний індикатор
(катодолюмінесцентний індикатор)
Вакуумно-люмінесцентний індикатор – це прилад
відображення інформації, яка відтворюється у
вигляді цифр або умовних символів, утворених
окремими сегментами певної форми.
Конструктивно індикатор складається з вакуумного
балона, в якому паралельно фронтальному склу
розташовані розподілений прямонакальний катод
(джерело електронів), сітка і система сегментних
електродів, покритих низьковольтним
катодолюмінофором з порогом збудження близько 10
В. Колір світіння визначається складом люмінофора.

39. Вакуумний люмінесцентний
індикатор: а – конструктивна схема;
б – вигляд балона з анодами: 1 –
катод прямого накалювання; 2 –
сітка; 3 – анод; 4 – керамічна
пластина; 5 – балон.
ВАКУУМНИЙ ЛЮМІНЕСЦЕНТНИЙ ІНДИКАТОР
Принципова будова
електролюмінісцентного індикатора:
1 – скляна пластина;
2 – електропровідна прозора плівка;
3 – діелектрик; 4 – металевий
електрод
а б

40. Семисегментний індикатор
• Семисегментний індикатор - пристрій відображення цифрової інформації.
Це - найпростіша реалізація індикатора, який може відображати арабські
цифри. Для відображення літер використовуються складніші
багатосегментні та матричні індикатори.