Оптроны и оптоэлектронные микросхемы.

Оптоэлектронные приборы, в которых имеются источник и приемник излучения с тем или иным видом оптической и электрической связи между ними, конструктивно связанные друг с другом, называются оптронами.

Принцип действия оптронов основан на двойном преобразовании энергии. В излучателе энергия электрического сигнала преобразуется в световую, а в фотоприемнике оптический сигнал вызывает изменение тока, напряжения или сопротивления.

Рисунок 5.39. Принцип действия оптронов

Наличие оптической связи между источником и приемником излучения обеспечивает ряд принципиальных преимуществ оптронов: очень высокую электрическую изоляцию входа и выхода; однонаправленность передачи информации; отсутствие обратной реакции фотоприемника на излучатель и взаимных наводок; широкую полосу пропускания; невосприимчивость оптического канала к воздействию электромагнитных полей. Кроме этого, эти приборы позволяют реализовать бесконтактное управление электронными объектами, разработать функциональные микроэлектронные устройства с фотоприемниками, характеристики которых под действием оптического излучения изменяются по сколь угодно сложному заданному закону, создать разнообразные датчики и устройства для передачи информации путем воздействия на материал оптического канала.

В то же время наличие двойного преобразования сигнала обусловливает:

- низкий КПД,

- значительную потребляемую мощность,

- сильную зависимость параметров от температуры,

- высокий уровень собственных шумов,

- конструктивно-технологическое несовершенство, связанное с использованием гибридной технологии.

Назначение отдельных элементов оптрона и виды преобразования энергии показаны на обобщенной структурной схеме оптрона (рис. 5.39). Входное устройство обеспечивает согласование источника излучения с предыдущими электронными элементами по тока и напряжению и оптимизацию его рабочего режима.

Связь между излучателем и фотоприемником осуществляется через оптическую среду, которая во многих случаях обеспечивает и механическую целостность конструкции.

Значительно расширить функциональные возможности оптронов позволяет использование управляемого оптического канала. Под действием устройства управления (см. рис. 5.39) изменяются параметры оптической среды или чувствительность фотоприемника, что изменяет коэффициент передачи оптрона. Если свойства оптического канала изменяются при внешних механических воздействиях, то такие приборы могут успешно применяться в качестве разнообразных датчиков положения, перемещения, ускорения, вибрации, уровня и вида жидкости.

Мощность и амплитуда сигнала с фотоприемника часто бывают недостаточными для управления последующими электронными схемами, поэтому в состав оптронов включаются выходные устройства. Они обеспечивают усиление сигнала и преобразования его в стандартную, удобную для передачи форму.

По степени сложности и типу оптического канала выделяют три группы приборов: оптопары, оптоэлектронные интегральные микросхемы и специальные оптроны, классификация которых приведена на рис. 5.40.

Рисунок 5.40. Классификация оптронов

Оптопара (или элементарный оптрон) представляет собой оптоэлектронный полупроводниковый прибор, состоящий из излучающего и фотоприемного элементов, между которыми имеется оптическая связь, обеспечивающая электрическую изоляцию между входом и выходом.

Оптоэлектронная интегральная микросхема состоит из одной или нескольких оптопар и электрически соединенных с ним одного или нескольких согласующих или усилительных устройств.

Специальные оптроны отличаются от других приборов устройством оптического канала. В оптронах с гибким световодом излучение передается по оптическому кабелю, в результате чего источник и фотоприемник оказываются удаленными друг от друга на значительное расстояние. Оптроны с открытым и управляемым оптическим каналом служат основой для построения разнообразных датчиков и переключательных схем. Использование оптронов (прежде всего – диодных и транзисторных) в цифровых и импульсных устройствах связано с возможностью их быстрого переключения из состояния с низким уровнем сигнала на выходе в состояние с высоким уровнем, или наоборот.

Одним из важнейших параметров, по которым оптроны могут уступать однотипным устройствам (диодам, триодам, микросхемам) без оптических связей, является быстродействие, определяемое главным образом барьерными емкостями источника излучения и фотоприемника. Проигрыш в быстродействии может быть еще выше, если не принимать специальных мер по согласованию режимов работы элементов оптопары. Так, для снижения влияния времени перезарядки барьерной емкости светодиода (20-300 пФ) перезарядку приходится форсировать, например, подавая на вход светодиода так достаточно большой амплитуды. Уменьшения времени перезарядки выходной емкости фотоприемника (5 – 15 пФ) можно добиться, изолируя или компенсируя емкостную нагрузку, а также уменьшая амплитуду напряжения выходного сигнала.

Ниже приводится краткая сводная таблица основных характеристик некоторых элементарных оптронов (табл.5.1).

Таблица 5.1
Обозначения и параметры	Типы оптронов
Резисторные	Диодные	Транзисторные общего назначения	Тиристорные
Схемное обозначение
Буквенный код обозначения	ОЭП	АОД	АОТ	АОУ
КI, %	1…4	0,5…3,5	30…100	-
Fгр, MГц	0,005…0,01	1…10	0,001…0,5	-
Время, мкс: включения t1 выключения t2	103 … 105 103 … 105	0,1 … 1 0,1 … 1	4 … 10 4 … 30	10 … 30 30 … 250
Iвх, мА Uвх, В	5 … 20 2 … 6	10 … 40 1,1 … 1,8	10 … 40 1 … 2	10 … 800 1 … 3
Iвых, мА Uвых, В	0,2 … 0,7 5 … 250	0,1 … 1,5 1 … 100	5 … 50 5 … 30	(0,1…320)103 50 … 1300
Rиз, Ом	109	109 … 1010	5∙108	5∙108

К областям применения аналоговых оптронов можно отнести использование их в широкополосных трансформаторных устройствах, в усилителях различных сигналов, в других системах аналогового преобразования.

Оптоэлектронные микросхемы

Приборы этого типа содержат одну или несколько оптопар, а также согласующие элементы или электронные интегральные схемы, объединенные при помощи гибридной технологии в один корпус. Оптоэлектронные микросхемы обладают более широкими возможностями, чем элементарные оптроны. Их можно разделить на три основные группы.

К первой относятся переключательные микросхемы; эта группа наиболее многочисленна. Примером прибора этого типа может служить микросхема серии 249ЛП1 (рис.5.41), в который объединены диодный оптрон и стандартная интегральная схема, имеющая два статических состояния, при одном из которых напряжение на ее выходе равно примерно 0,3 В, а при другом – около 3 В.

Во вторую группу объединены линейные, оптоэлектронные микросхемы, которые способны выполнять аналоговые преобразования сигналов.

Рисунок 5.41. Оптоэлектронная микросхема 249ЛП1

К третьей группе относятся оптоэлектронные микросхемы релейного типа, использующиеся для коммутации силовых цепей в широком диапазоне напряжений и токов. По входным параметрам эти приборы согласованы со стандартными интегральными микросхемами.

Помимо микросхем перечисленных трех групп существуют и более сложные. К ним относятся, например, фоточувствительные приборы с зарядовой связью, многоустойчивые элементы – сканисторы и т.д.

Так же как и элементарные оптроны, оптоэлектронные микросхемы обладают тем недостатком, что их приходится изготовлять по гибридной технологии, объединяя элементы из разных материалов.

6 ХРАНЕНИЕ И ОБРАБОТКА ДАННЫХ В ИНФОРМАЦИОННЫХ СЕТЯХ ПРОМЫШЛЕННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ

Важной особенностью ЭВМ и информационных систем является наличие в них запоминающих устройств (ЗУ), позволяющих запоминать информацию и выдавать её по мере необходимости, а также решать сложные вопросы организации процесса функционирования самих ЭМВ и информационных систем, а именно, автоматическое выполнение команд, последовательности команд или программы вычислений в зависимости от полученных результатов, от сигналов, поступающих в машину извне, и, наконец, в зависимости от анализа ранее накопленной информации.

В общепринятом смысле под термином память понимается

«… запечатление, сохранение в мозгу, узнавание и воспроизведение того, что ранее человек воспринимал, переживал, делал, думал. Благодаря наличию памяти становится возможным накопление опыта, его хранение и использование» (БСЭ, изд. 2, т.31). Однако в настоящее время при рассмотрении свойств и закономерностей различных кибернетических систем этот термин используют в существенно более общем смысле: память животного, генетическая память, память ЭВМ и т.п. Условимся называть памятью совокупность процессов и механизмов, определяющих способность организованной материи селективно фиксировать и сохранять во времени информационные внешние воздействия и при определённых условиях воспроизводить хранимую информацию.

Памятью ЭВМ (ГОСТ 15971-74) именуется функциональная часть ЭВМ, предназначенная для запоминания, хранения и выдачи информации.

В живой природе память имеет исключительно важное значение. В живых организмах происходит передача наследственности потомству, приобретается адаптация развивающегося организма по мере накопления информации и т.п. Примером памяти живых организмов может служить так называемаягенетическая память, сосредоточенная в зародышевых клетках. В этой памяти хранится вся наследственная информация об организме, который из этой клетки должен развиться. Весьма отдалённым подобием этого вида памяти в технике можно считать проект, схему, чертежи будущей технической системы. Наиболее гибкой категорией памяти в живой природе является так называемя прижизненная память, в которой в процессе функционирования организма и его взаимодействия с окружающей средой происходит накопление информации. Благодаря этому возможна разнообразная переработка информации, обучение, приспосабливание и самоорганизация естественных (биологических) кибернетических систем. Накопление с последующим анализом системой новой информации приводит к изменению поведения системы. Такой же процесс характерен и для искусственных (технических) кибернетических систем.

Изучением памяти живых организмов интенсивно занимаются медики, ботаники, биофизики, психологи и другие специалисты, однако пока не решены многие основные вопросы построения и функционирования памяти живых организмов. Результаты исследования памяти живых организмов имеют огромное практическое значение как для разработки и создания новых технических средств памяти – запоминающих устройств, так и для организации связи между отдельными ЗУ, объединёнными в систему памяти ЭВМ или информационных систем.

Поступление информации в кибернетические системы может производиться или в определённые интервалы времени (например, ввод информации в ЭВМ с перфокарт, магнитных и оптических дисков, клавиатуры, датчиков или других источников), или система сама по заранее определённому закону в процессе функционирования определяет время и порядок поступления информации. В ЭВМ или вычислительной системе (ВС) производится накопление информации в форме, пригодной для её хранения в ЗУ и автоматической обработки, т.е. в кодовой форме.

Информация, которая находится в памяти ЭВМ по её роли в вычислительном процессе может быть сгруппирована следующим образом:

1. перерабатываемая информация, состоящая из исходных данных, промежуточных и результирующих данных,

2. программная информация, определяющая порядок и вид обработки данных в процессе решения задачи,

3. управляющая информация, состоящая из микропрограмм управления работой устройств ЭВМ или ВС при выполнении команд программы,

4. организующая информация, которая представляет собой программы, обеспечивающие организацию работы ЭВМ или ВС при решении одной или нескольких зада. Комплекс этих программ обычно именуется операционной системой;

5. архивная информация, которая состоит из библиотеки программ и используется по мере необходимости при решении задач.

По характеру изменения в процессе решения задачи программа может быть разделена на:

а) изменяемую, к которой относится перерабатываемая и частично программная информация;

б) редко изменяемую, к которой относится программная и изменяемая частично организующая информация, и

в) неизменяемую, к которой относится управляющая и архивная информация.

Для хранения информации с настоящее время применяются различные виды запоминающих устройств.