Входные и выходные параметры оптопар

Наиболее распространенные на практике оптопары можно описать следующими параметрами: параметры излучателя (входные параметры), выходные параметры (фотоприемника), передаточные параметры (параметры передачи сигнала со входа на выход), параметры изоляции.

Основными параметрами для входной цепи оптопар являются:

1. Номинальный входной ток I_{вх ном} – значение тока, рекомендуемое для оптимальной эксплуатации оптопары, а также для снятия ее основных параметров.

2. Входное напряжение U_вх – падение напряжения на излучательном диоде при протекании номинального входного тока I_{вх ном}.

3. Входная емкость C_вх – емкость между входными выводами оптопары в номинальном режиме.

4. Максимальный входной ток I_{вх макс} – максимальное значение постоянного прямого тока, при котором сохраняется работоспособность оптопары.

5. Обратное входное напряжение U_{вх обр} – максимальное значение обратного напряжения любой формы (постоянное, импульсное, синусоидальное и др.), которое длительно выдерживает излучательный диод без нарушения нормальной работы.

Выходными параметрами оптопар являются:

1. Максимально допустимое обратное выходное напряжение U_{вых обр макс} – максимальное значение обратного напряжения любой формы, которое выдерживает фотоприемник без нарушения нормальной работы.

2. Максимально допустимый выходной ток I_вых – максимальное значение тока, протекающего через фотоприемник во включенном состоянии оптопары.

3. Ток утечки (темновой ток) на выходе I_ут – ток на выходе оптопары при I_вх=0 и заданном значении и полярности U_вых.

4. Выходное остаточное напряжение (напряжение насыщения) U_ост – значение напряжения на включенном фоторезисторе или фототиристоре в режиме насыщения.

5. Выходная емкость С_вых – емкость на зажимах фотоприемника.

Эффективность передачи электрических сигналов со входа на выход оптопары определяется следующими передаточными параметрами:

– коэффициентом передачи по току K_i – это отношение тока на выходе оптопары I_вых к вызвавшему его входному току I_вх

. (7.11)

Он определяется в статическом и динамическом режимах

. (7.12)

Зависимость I_вых=f(I_вых) называется передаточной характеристикой и имеет нелинейный характер. Нелинейность передаточной характеристики определяется нелинейностью ВАХ излучательного диода и характеристикой фотоприемника. Так как тиристорная оптопара работает в ключевом режиме, то передаточная характеристика описывается входным током оптопары, при котором включается фототиристор. Различают минимальное значение входного тока, при котором происходит надежное отпирание фототиристора и максимально допустимый входной ток помехи I_{пом макс}, при котором фототиристор не включается.

Быстродействие оптопар характеризуется временем переключения . Время включения состоит из времени задержки при включении и времени нарастания: . Время задержки при включении t_зд – время от момента подачи импульса входного тока до момента нарастания выходного тока до уровня 0,1I_{вых макс}. Время нарастания выходного тока t_нар характеризуется временем нарастания выходного тока от уровня 0,1I_{вых макc} до уровня 0,9I_{вых макс}. Время выключения оптопары определяется временем спада t_сп и временем задержки t_зд: . Время задержки – это время с момента прекращения воздействия входного сигнала до момента уменьшения выходного тока до уровня 0,9I_{вых макс}. Время спада – время уменьшения выходного тока от 0,9I_{вых макс} до уровня 0,1I_{вых макс}.

Параметрами изоляции оптопар являются: максимально допустимое пиковое напряжение U_{из пик} и статическое напряжение изоляции U_из между входом и выходом; сопротивление изоляции R_из; проходная емкость С_пр и максимально допустимая скорость нарастания выходного напряжения.

7.16. Жидкокристаллические индикаторы

Жидкокристаллические индикаторы являются пассивными приборами. Равновесное термодинамическое состояние вещества, при котором оно обладает свойствами, присущими твердым кристаллам, а также текучестью, поверхностным натяжением и вязкостью, характерными для жидкостей, называют жидкокристаллическим (мезоморфным).

Работа жидкокристаллических индикаторов основана на использовании жидких кристаллов, открытых еще в прошлом веке и представляющих собой некоторые органические жидкости с упорядоченным расположением молекул, характерным для кристаллов. Жидкие кристаллы прозрачны для световых лучей, но под действием электрического поля напряженностью 2…5 кВ/см структура их нарушается, молекулы располагаются беспорядочно и жидкость становится непрозрачной.

Молекулы жидких кристаллов (ЖК) имеют сравнительно большую длину и относительно малую ширину. Они относятся к диэлектрикам и имеют удельное сопротивление 10⁶…10¹⁰ Ом·см, зависящее от наличия примесей.

Применяются три основных типа жидких кристаллов: смектические (текучие), нематические (собственно жидкие), холестерические. Смектические ЖК имеют сильно вытянутые линейные молекулы, расположенные параллельно длинным осям, и образуют слои равной толщины, расположенные один под другим. Текучесть обеспечивается за счет взаимного скольжения слоев.

В нематических ЖК оси молекул также параллельны, но они не образуют слоев и размещены хаотично. Поэтому нематический ЖК мутный для проходящего и отраженного света. Под действием электрического или магнитного полей можно добиться оптической однородности среды и полного ее просветления.

Холестирические ЖК являются разновидностью смектических, у которых ориентация молекул меняется от слоя к слою. Жидкокристаллические индикаторы (ЖКИ) не генерируют оптического излучения, а модулируют его интенсивность за счет изменения его характеристик: амплитуды, фазы, длины волны, плоскости поляризации и направления распространения. В связи с этим ЖКИ являются пассивными приборами.

Принцип действия жидкокристаллических индикаторов основан на изменении оптических показателей (свойств) кристалла под действием электрического поля. Оптическими показателями являются: коэффициенты отражения, рассеивания, поглощения; показатель преломления; спектральное отражение или пропускание; оптические анизотропия, разность кода, активность. Для этих изменений требуются малые напряжения и низкая потребляемая мощность. Вследствие модуляции падающего света изменяется цвет участка, к которому приложено электрическое поле, а на поверхности вещества проявляется рисунок требуемой конфигурации.

Конструктивно ЖКИ выглядят очень просто, между двумя стеклянными пластинами помещается жидкий кристалл, а электроды наносятся на внутреннюю сторону пластин в виде тонких, почти не видных на стекле токопроводящих полосок.

На практике используются ЖКИ, работающие на просвет и отражение. Если ячейка работает на просвет, то электроды на обеих пластинах выполняются прозрачными (рис. 7.20,а). Если ЖКИ работает на отражение, то задний электрод выполняется непрозрачным (рис. 7.20,б) и должен быть зеркально отражающим.

При работе ЖКИ в условиях низкой освещенности искусственно создается подсветка. У ЖКИ, работающих на просвет, за задней пластиной размещают источник света, а у ЖКИ, работающих на отражение, источник света размещают сбоку или спереди.

На практике используются цифровые, буквенно-цифровые и ЖКИ в виде определенных символов. Они могут работать в диапазоне температур –20…+55 °С, а их долговечность составляет десятки тысяч часов.

Жидкокристаллические индикаторы управляются переменным напряжением. При постоянном напряжении происходит перенос примесей на электроды, что снижает контрастность изображения, и возникают необратимые электрохимические процессы, резко снижающие срок службы. В связи с этим в паспортных данных индикаторов указывается допустимое значение постоянной составляющей напряжения (порядка 50…170 мВ) и напряжение управления.

Параметры ЖКИ

1. Контрастность или коэффициент контраста знака по отношению к фону

,

где L_ф, L_з – яркости фона и знака, причем значения К лежат в диапазоне 80…90 %.

2. Время реакции (время "включения") и время релаксации (время "выключения") пропорциональны вязкости жидкости, квадрату толщины ЖК и приблизительно обратно пропорциональны квадрату разности между приложенным и пороговым напряжением.

3. Пороговое напряжение – минимальное напряжение, соответствующее началу свечения ЖКИ.

4. Напряжение управления – переменное напряжение, подаваемое на электроды индикатора (2…10 В).

5. Ток управления – ток, потребляемый индикатором при нормальной контрастности (1…100 мкА).

6. Частота управляющего напряжения (30…1000 Гц).

7. Температурный диапазон работы (–20…+55 °С).

Жидкокристаллические индикаторы обладают следующими достоинствами: простотой конструкции, долговечностью, составляющей десятки тысяч часов, малой мощностью потребления энергии (5…50 мкВт/см²), высокой контрастностью, неизменяющейся при увеличении освещенности, совместимостью с микросхемами управления, выполненными по МОП–технологии.

К недостаткам ЖКИ относятся: малый температурный диапазон , непостоянство параметров во время работы и срока хранения, необходимость подсветки для наблюдения в ночное время суток, низкое быстродействие, т.е. время появления или исчезновения знака, которое определяется временем перехода молекул ЖК из упорядоченного расположения в беспорядочное или обратно и составляет до 200 мс.

По виду отображаемой информации ЖКИ бывают: цифровые, буквенно-цифровые, графические, мнемонические, шкальные. Цифровые и буквенно-цифровые ЖКИ выполняются в виде сегментов или матриц, одноразрядные или многоразрядные. При небольшом числе элементов каждый из них имеет свой вывод для подключения источника питания.

Идея получения индикатора с цветными элементами отображения, цвет которых изменяется простым изменением питающего напряжения, на практике труднореализуема, поскольку требует создания очень равномерного по толщине слоя ЖК и его однородной ориентации по всей площади индикатора. Изменение толщины слоя ЖК на десятые доли микрометра приводит к заметному изменению цвета. Такой индикатор при любом изменении внешних условий (температуры, давления, механических воздействий) неуправляемо меняет цвет, а при кодировании информации цветом теряет работоспособность.

ГЛАВА 8