Оптопары, оптроны и оптоэлектронные микросхемы

Оптопары с открытым каналом, включающие в себя светодиод и фотодиод, часто используются в схемах автоматики как отдельно взятые пары излучатель—фотоприемник. Например, на конвейерах для подсчета деталей, в счетчиках оборотов и для выполнения угловых отсчетов, т.е. в схемах, действующих на принципе прерывания светового луча в момент его пересечения каким-либо предметом или специальной шторкой (пластиной). Для угловых отсчетов применяют диск с отверстиями (окнами) для регистрации числа световых импульсов или их положения.

Примеры конструктивных решений при использовании оптопар приведены на рис. 5.9. В первом случае (а) оптопара используется как датчик для подсчета оборотов или определения скорости вращения маховика с лепестком, перекрывающим кратковременно свет к фотодиоду при каждом обороте. Во втором случае (б) показан сенсорный датчик. При лёгком нажатии на мембрану справа отраженный свет не попадает на фотодиод и датчик регистрирует нажатие.

Рис. 5.9. Схематическое изображение оптопары с открытым каналом (а) и с отражательным каналом (б)

Оптопары с открытым оптическим каналом позволяют создавать различные оптоэлектронные датчики и упрощают решение задач контроля параметров различных сред (температуру, давление, влажность, уровень и цвет жидкости, концентрацию пыли, содержание вредных паров, газов и т.п.).

Оптопары применяются также в качестве элементов оптиче­­с­кого бесконтактного управления сильноточными и высоковольт­ными устройствами. На основе оптопар удобно строить узлы запуска мощных тиратронов, распределительных и релейных устройств, устройств коммутации электропитания и т.д. С точки зрения функ­циональных возможностей оптопары позволяют решать те же зада­чи, что и отдельно взятые пары излучатель—фотоприемник, одна­ко на практике они, как правило, более удобны, поскольку в них оптимально подобраны характеристики излучателя и фотоприемника и их взаимное расположение.

Оптроны — это оптопары, выполненные в виде закрытой микро­схемы, включающей в себя излучатель и фотоприемник. Они приме­няются в качестве устройств связи между блоками аппаратуры, на­ходящимися под различными потенциалами, и для сопряжения микросхем, имеющих различные значения электрических уровней. В этих случаях оптрон (оптопара) передает информацию между блоками, не имеющими электрической связи. Условные графические отображения оптронов с фотодиодной (а), фоторезисторной (б), фототранзисторной (в) и фототиристорной (г) оптопар приведены на рис. 5.10. Они хорошо отражают различное конструктивное исполнение оптронов.

Рис. 5.10. Условные графические отображения оптронов с фотодиодной (а), фоторезисторной (б), фототранзисторной (в) и фототиристорной (г) оптопар

Пример гальванической развязки, реализуемой с помощью оптрона, заложен в конструкциях входных устройств компьютеров, где развязка входной линии с электронной схемой ЭВМ позволяет избежать разрушения элементов схем.
В таких узлах удобно использовать дифференциальные оптопары КОД301А, КОД303А.

Оптроны необходимы для межблочной гальванической развязки в электронной и электротехнической аппаратуре. Другой пример - схемы гальванической развязки двух блоков работающих с разными напряжениями питания. В этом случае сигнал с выхода блока 1 передается на вход блока 2 через диодную оптопару.

Оптроны и оптоэлектронные микросхемы используют в устройствах передачи информации между блоками, не имеющими замкнутых электрических связей. Применение оптронов существенно повышает помехоустойчивость каналов связи, устраняет не­желательное взаимодействие развязываемых устройств по цепям питания и общему проводу. Цепи сопряжения с применением оптопар широко используют в вычислительной, измерительной технике и устройствах автоматики, особенно когда датчики или другие приемные устройства работают в пожаро- и взрывоопасных условиях, где необходимо выполнение требований искробезопа­сности.

Оптроны упрощают проблемы сопряжения блоков, разнородных по функциональному назначению и характеру питания (например, исполнительных механизмов, питаемых от сети переменного тока, и цепей формирования управляющих сигналов, питаемых от низковольтных источников постоянного тока).

Гальваническая развязка часто необходима на практике, например, при использовании медицинской диагностической аппаратуры, в случаях, когда датчик прикрепляется к телу человека, а измерительные устройства, усиливающие и преобразующие сигналы этого датчика, подключены к сети. Так как при неисправности измерительной аппаратуры может возникнуть опасность поражения челове­ка электрическим током, датчик питается от отдельного низковольтного источника (батарейки) и подключается к измерительно­му блоку через развязывающий оптрон или оптопару.

Оптроны и оптопары необходимы и в случаях, когда по требова­ниям повышенной безопасности «незаземленные» входы устройства приходится соединять с «заземляемыми» выходными устройствами. Например, при соединении линии телетайпной связи с дисплеем, автоматическим секретарем, модемом, подключаемым к телефонной линии, и т.п.

В настоящее время выпускаются оптоэлектронные микросхемы, включающие в себя несколько оптронов в сочетании с другими микроэлектронными элементами и обеспечивающие выполнение ряда функциональных задач, в частности включение импульсных усилителей, ключей и цифровых логических элементов. Как правило, оптоэлектронные микросхемы удовлетворяют требованиям совместимости с другими стандартными элементами по уровням входных, выходных сигналов и питающего напряжения.

Выпускаются также микросхемы фотодиодов и фототранзисторов в сочетании с транзисторными каскадами усиления.