Optronais vadina tokius optoelektroninius gaminius, kurie turi spinduliavimo šaltinį ir imtuvą (šviesos šaltinis ir fotoimtuvas) su vieno ar kito tipo optinių ir elektrinių ryšių tarp jų, konstruktyviai surišti tarpusavyje.
Bet kurio tipo optronų veikimo principas pagristas sekančiais dalykais. Šviesos šaltinyje elektrinio signalo yra transformuojama į šviesos energiją. Fotoimtuve atvirkščiai: šviesos signalas transformuojamas į elektrinį.
Praktikoje plačiausiai yra naudojami optronai, turintis tiesioginį ryšį tarp šviesos šaltinio ir fotoimtuvo ir, kaip taisyklė, neturintis jokio elektronio ryšio.
Tarp optroninės technikos gaminių skiria dvi prietaisų grupes. Prietaisus skiria pagal jų struktūrinės schemos sudėtingumą. Pirma grupė: optoporos (dar vadinami elementariais optronais) tai optoelektroninis puslaidininkinis prietaisas, turintis šaltinio ir imtuvo elementus, tarp kuriu yra optinis ryšis, uštikrinantis elektroizoliaciją tarp įėjimo ir išėjimo. Antra grupė: optoelektroninės integralinės schemos tai mikroschemos, sudarytos iš vienos ar kelių optoporų.
Tokių būdų elektros grandinėje toks prietaisas atlieka ryšio elemento funkciją, tuo pačių metų turėdamas elektrinį įėjimą ir išėjimą.
wŠių prietaisų savybės bazuojasi bendru optoelektroniniu principu naudoti elektriškai neitralinius fotonus informacijai pernešti. Pagrindinės sąvybės šios:
n Galimybė uštikrinti elektros grandinė tarp išėjimo ir įėjimo: optronai ne turi kokių nors principinių fizinių arba konstruktivinių apribojimų kai reikia dirbti su labai aukšta įtampa arba kai reikia gauti labai mažą praėjimo talpą
n Galimybė realizuoti elektroninių objektų bekontaktinį optinį valdymą, kas duoda labai daug įvairių konstruktoriškių sprendimų
n Vienkryptivūmas informacijos sklidimas oprinių kanalų, nėra imtuvo reakcijos į šaltinį
n Didėlis optronų praleidimo dažnių kiekis, nėra apribojimų iš žemų dažnių pusės (kas yra bždinga impulsiniams transformatoriams)
n Galimybė perduoti optroniniu tinklu kiek impulsinį, tiek nuolatinį signalą
n Galimybė kontroliuoti išėjimo signalą veikant (ne būtinai elektriškai) optinio kanalo materialą. Taip galima pagaminti įvairiausius davyklius, o taip pat įvairiausius gaminius, skirtus informacijos perdavimui
n Galimybė kurti funkcionalinius mikroelektroninius gaminius su fotoimtuvais, kuriu charakteristikos, apšviečiant, keičiasi pagal sudėtingą dėsnį
n Optiniai kanalai nėra veikiami elektromagnetinių laukų, tai reiškia, kad jais perduodama informacija nebus prarasta
n Galimybė konstruktiviai suderinti optronus su kitais neoptiniais gaminiais
w Optronai turi ir tam tikrų trūkumų:
n Didėlis elektros sunaudojimas, nes reikia du kartus transformuoti energiją (elektra šviesa elektra), ir nedidelis naudingumo koeficientas
n Aukšta temperatūra ir radiacija galį pakeisti parametrus ir chatrakteristika
n Parametrai blogėja laikui einant
n Didėlis savų trikšmų kiekis
n Sunku realizuoti atverkštinė ryšį
w Įvardinti optronų trūkumai po trupūti yra pašalinami, tačiau dal ilga laika tures principialų būdą. Bet optronų sąvybės užtikrina, kad mikroelektronikoje jie turi didesnę perspektivą, negu kiti mikroelektronikos gaminiai.
Diodinis optronas tai keturpolis, kurio įėjimo elektrinės charakteristikos priklauso nuo šviesos diodo (1 pav.). Juose foto-imtuvas yra fotodiodas, o šviesos šaltinis infraraudonasis šviesos diodas.
Diodiniai optronai naudojami greito pajungimo schemose,
generatoriuse, aukštos ir žemos įtampos grandinėms suderinti, aukštai įtampai
matuoti grandinėse, moduliavimui stiprinti. AOD 101 diodiniai optronai naudojami
vietoj galvaninio ryšio, AOD 107, AOD 109 radioelektroninėje aparatūroje ir
automatikos įrenginiuose.
Rezistoriniame optrone (2 pav.) fotoimtuvas yra puslaidininkinis fotorezistorius. Šviesą spinduliuoja šviesos diodai arba superminiatiūrinės lempos. Rezistoriniai optronai naudojami kaip nekontaktiniai įtampos dalikliai, taip pat automatiniam stiprinimui valdyti ir reguliuoti, signalų formavimo schemose ir kt. OЭП-l, OЭП 2, OЭП 8, OЭП-11, OЭП-12, OЭП-14 yra šviesos šaltinis kai OЭП-7 šviesos šaltinis šviesos diodas, OЭП-8, šviesos šaltinis elektroliuminescencinis kondensatorius.
Tranzistoriniame optrone (3 pav.) fotoimtuvas yra fototranzistorius, o šviesos
šaltinis šviesos diodas. Paprastai fototranzistorius optrone dirba jungiklio
režimu.Tranzistoriniai optronai naudojami optoelektroninėse relėse galvaninio
ryšio schemose, jungikliniuose komutatoriuose ir suderinimo schemose .
Priimantis elementas yra fototiristorius (4pav.). OY naudojami galvaninio valdymo grandinėms izoliuoti nuo aukštos įtampos grandinių, valdymo impulsams formuoti valdant galingais tiristoriais.
Optronų sistemoje galima išskirti keturias grupes parametrų: įėjimo šviesos šaltinio, išėjimo šviesos imtuvo, perdavimo (signalo perdavimo nuo įėjimo j išėjimą), izoliacijos.
Įėjimo ir išėjimo parametrai. Optronų įėjimo grandinė turi šviesos diodų parametrus: vardinė įėjimo srovė Jinv, įėjimo įtampa Ujn, įėjimo talpa Cjn tai talpa tarp optrono įėjimo išvadų.
Dar yra ribiniai įėjimo parametrai: maksimali įėjimo srovė Jin max, atgalinė įėjimo įtampa Uin atg - tai bet kokios formos atgalinės įtampos maksimali reikšmė.
Išėjimo parametrai tai fotoimtuvų parametrai.
Perdavimo parametrai skirstomi į tiesioginio ryšio ir atgalinio ryšio (izoliacijos).
Svarbiausias parametras, apibudinantis signalo perdavimą iš įėjimo į išėjimą, yra srovės perdavimo koeficientas K;
KJ = Jex / Jin
Kai išėjime yra nuotėkio srovė J0, tai srovės perdavimo koeficientas:
KJ = (Jex J0) / Jin
Šis koeficientas skaičiuojamas procentais.
Optrono perdavimo charakteristika Jfx = F(Jin) yra netiesinė (5 pav.). Tai rodo, kad perdavimo koeficientas yra nepastovus, jis keičiasi pasikeitus įėjimo srovei.
Optronų greitaeigiškumą apibudina išėjimo srovės perėjimo charakteristikos parametrai (6 pav.): tdid išėjimo signalo didėjimo trukmė; tvėl įjungimo vėlinimo ttukmė; tij = tvėl + tdid įjungimo trukmė; tišj = tvėl + tkrit isjungimo trukmė; tperj = tįj + tišj perjungimo trukmė.
Elektros izoliacijos parametrai yra šie: maksimali leistina impulsinė įtampa Uiz i, izoliacijos statinė įtampa tarp įėjimo ir išėjimo Uiz, izoliacijos varža Riz, praėjimo talpa Cpr ir maksimalus leistinas išėjimo įtampos didėjimo greitis (dU/dt)max. Svarbiausias parametras yra Uiz i. Jis rodo optrono, kaip elektros izoliacijos elemento, galimybę. Uiz i tai impulsinė įtampa, kuri gali būti prijungta prie optrono įėjimo ir išėjimo ir kuriai esant išlieka optrono elektrinis atsparumas. Maksimali statinė leistina įtampa Uiz tarp optrono įėjimo ir išėjimo rodo optrono elektrinį atsparumą nuolatinei įtampai (statiniu režimu). Parametrai Cpr ir (dU/dt) max, rodo, kad optrono išėjime yra pastovumas įtampos šuoliams. Riz = 1012 Ù.
Pagal optronų pritaikymą galima skirti tris tipus:
w Skaitmeniniai (impulsiniai) optronai skiriami greitaeigiškam skaitmeninės informacijos perdavimui elektrinės izoliacijos grandinėmis. Kuo didesnis KJ, tuo mažiau prarandama impulso amplitudės, o kuo mažesnė tperj, tuo mažiau iškraipomas impulsas.
w Analoginiai (linijiniai) optronai naudojami neiškreiptam linijiniam signalui perduoti. Svarbiausias jų parametras yra izoliacijos varža.
w Galingi perjungimo optronai skiriami galingoms aukštos įtampos grandims valdyti.
Elektroliumunescencinio indikatoriaus komutacijos schema.
Optrono įėjimo grandinė gauna valdymo signalą nuo loginio elemento. Šio signalo įtampa yra maža. Kadangi optrono izoliacijos varža labai didelė, tai aukštos įtampos ELI grandinė yra labai gerai izoliuota nuo valdymo schemos (7 pav.).
Sinusinių virpesių generatoriaus schema. Į įėjimą paduodami stačiakampiai simetriniai impulsai. Optrono kaitinimo lempa yra inertiška įjungiant ir išjungiant. Be to, skaisčio didėjimas tiesiškai priklauso nuo laiko. Todėl išėjime gaunamas artimas sinusiniam signalas (8 pav.).
Optoelektroninio impulsinio transformatorians schema.
Teigiamas įėjimo impulsas atidaro tranzistorių VT1 (9 pav.) ir diodinis optronas įsijungia. Optrono išėjimo signalas stiprinamas tranzistoriais VT2 ir VT3. Viso įrenginio srovės stiprinimo koeficientas bus > | 0 | . Optoelektroninio transformatoriaus išėjimų skaičius lygus optinių kanalų skaičiui it jų gali būti labai daug. Dėl to į kolektorinę tranzistoriaus VT1 grandinę įjungiamas reikiamas optronų įėjimo diodų skaičius.
Signalo perdavimo schema. Optrono šviesos diodas įjungiamas loginiu elementu. Nuo fotodiodo signalas eina į stiprintuvo įėjimą. Stiprintuvas formuoja įtampą, suderinamą su apkrova (10 pav.).
Optronų įungtmo fotogeneratoriniu režimu schema.
Norint gauti reikiamos amplitudės signalą, optronų fotodiodai jungiami nuosekliai (11 pav.). Šviesos diodai gali būti jungiami lygiagrečiai arba nuosekliai.
Optoelektroninės integrinės mikroschemos sudaro spinduliavimo šaltinį ir fotoimtuvą su gaunamo imtuve signalo apdorojimo įrenginiu. Jos naudojamos kaip skaitmeninės-raidinės informacijos indikatoriai arba kaip signalo lygio indikatoriai, optoelektroniniai jungikliai galvaniniam ryšiui pakeisti, optoelektroniniai komutatoriai silpniems nuolatinės srovės signalams moduliuoti, signalams iš matavimo daviklių perjungti ir kt., optoelektroninės relės galvaniniam ryšiui tarp signalizacijos grandinių ir galingų mechanizmų išėjimo grandinių pakeisti.
K2491П1A juingikliai, K262KП1A - jungikliai su sliprintuvais, 249KП1, K249KH1A komutatoriai, K295KT1A nuolatinės srovės relės, 415KT1A valdymo relės, K295AТ1A - vibratoriai, K490ИП1 indikatoriai.
Optoelektroninė integrinė mikroschema K241ЛП1 (skaitmeninė) viename korpuse turi diodinį optroną ir standartinį integrinį stiprintuvą (12 pav.). Skaitmeninė optoelektroninė integrinė mikroschema gali būti dviejų būsenų: loginio 0 (schemos išėjime U0ex = 0,3 V), arba loginio 1 (schemos išėjime U1ex = 3V).
Kai per šviesos dioda teka tiesioginė srovė, tai šviesos diodas spinduliuoja šviesą ir fotodiode atsiranda fotosrovė JÖ, kuri atidaro tranzistorių VTl. Tranzistoriaus VTl emiterinė srovė patenka į tranzistoriaus VT3 bazę ir šis tranzistorius pereina į soties režimą. Todėl išėjimo įtampa bus U0ex ~ 0,3 V. Kai šviesos diodas nespinduliuoja, tai per fotodiodą teka tamsinė srovė ir tranzistorius VT1 yra uždarytas. Per rezistorių R2 teka tranzistoriaus VT2 bazės srovė Jb2 ir šis tranzistorius įsisotina. Įtampa schemos išėjime U1ex bus apytikriai lygi E UBE VT2 Uvp ~ 2,5...3,S V.
Optoelektroninė integrinė mikroschema analoginė (linijinė).
Ši schema yra linijinis diferencinis stiprintuvas (13 pav.). Signalų perdavimo optinis kanalas yra sudarytas iš tranzistorinių optronų. Jis turi būti griežtai simetrinis. Optronai turi turėti vienodas charakteristikas ir parametrus. Rimties režimu per optronų šviesos diodus teka vienoda srovė (JŠD1 = JŠD2). Optronų fotosrovės JÖ1 ir JÖ2 susitinka ir yra priešingos krypties, todėl neturi jokios įtakos stiprintuvo S3 išėjimui. Galimi elektrostatinio režimo ir parametrų trukminiai bei temperatūriniai pasikeitimai tarpusavyje kompensuojasi. O įėjimo signalas Uin stiprinamas stiprintuvu S1, perduodamas per optroną į stiprintuvą S3 ir vėl stiprinamas. Optrono perdavimo charakteristikų netiesiškumas nekompensuojamas. Todėl, esant didelei Uin, optrono VU1 srovės perdavimo koeficientas keičiasi, o optrono VU2 pastovus, nes JŠD2 fiksuotas. Tokio stiprintuvo stiprinimo netiesiškumas bus 1...5%. Srovės perdavimo koeficiento stabilumas yra apytiksliai 5...20%.