Применение оптоэлектронных приборов в аналоговых ключах и регуляторах

К областям применения аналоговых оптронов можно отнести использование их в широкополосных трансформаторных устройствах, в усилителях различных сигналов, в аналоговых ключах и регуляторах. Схема простого усилителя и аналогового ключа на основе оптрона, обеспечивающего электрическую развязку от остальной части схемы, изображена на рисунке 9.4. Входной сигнал, подаваемый на вход оптрона, после преобразования в излучение попадает на базу фоторезистора, осуществляя тем самым управление амплитудой тока на выходе оптопары и напряжением на сопротивлении нагрузки R_н. Коэффициент передачи всего устройства определяется значением к₁ используемого транзисторного оптрона. Если на вход светодиода подать запирающее напряжение U_упр, то коммутация аналогового сигнала происходить не будет (состояние выключено).

Рисунок 9.4 – Пример применения оптронов в аналоговом устройстве

К светодиоду прикладываются отпирающее напряжение смещения и напряжение коммутирующего сигнала (состояние включено).

Электронный регулятор и ключ потенциометрического типа может быть выполнен по схеме рисунка 9.5. Здесь используется диодно-резисторный оптрон. Фоторезистор используется в качестве сопротивления управляемого световым потоком светодиода. Коэффициент передачи определяется по формуле . При U_упр = 0 коэффициент передачи близок к нулю.

В аналоговых устройствах используют диодные и резисторные, а так же (в некоторых случаях) транзисторные оптопары. Требования к аналоговым оптронам определяются конкретными условиями их применения и поэтому общего критерия качества, подобного тому, который имеет место в случае цифровых оптронов (добротности), для них нет.

Рисунок 9.5 – Схема электронного регулятора и ключа потенциометрического типа

В то же время для сохранения формы передаваемого сигнала желательна линейность передаточной характеристики (постоянство к₁ в достаточно широком диапазоне токов). Этому требованию в наибольшей мере отвечают диодные оптроны, хотя у них интервал значений I₁, при которых к₁, постоянен, не слишком велик. Так, например, у оптопары АОД 101 даже при ее термостатировании передача аналогового сигнала с нелинейностью менее 2% осуществляется лишь при двух-трехкратном изменении I₁.

Сказанное означает, что при проектировании аналоговых устройств, использующих оптроны, необходимо предусматривать дополнительные меры по линеаризации передаточной характеристики. В этой связи перспективным является применение дифференциальных оптронов (с одним излучателем и двумя фотоприемниками), у которых коэффициент передачи по току между излучателем и первым фотоприемником, а также между излучателем и вторым фотоприемником одинаковы, причем в равной мере меняются в зависимости от условий работы (Т, I₁, U₁). Фотоприемники включены таким образом, чтобы при подаче сигнала входной ток одного из них увеличивался, а другого в той же мере уменьшался. Увеличение к₁, первого канала оптрона примерно компенсируется уменьшением к₁ второго, а общая передаточная характеристика оптопары выравнивается.

Принципиальная схема оптоэлектронной ИМС К249КН1 приведена на рисунке 9.6. Микросхема предназначена для коммутации аналоговых сигналов. Она содержит два диодных оптрона и электронного ключа на транзисторах VT1 и VT2, выходы которых включены встречно последовательно для уменьшения остаточного напряжения до величины 0,1 мВ. При протекании прямого тока через светодиоды CD1 и CD2 возникает световой поток, воздействующий на фотодиоды ФD1 и ФD2, работающие в фотогальваническом режиме.

Рисунок 9.6 – Принципиальная схема оптоэлектронной ИМС К249КН1

Фотодиоды включены последовательно с целью формирования суммарной фото-ЭДС, достаточной для надежного открывания биполярных транзисторов в состоянии «включено». В этом случае биполярные транзисторы имеют низкие значения выходного сопротивления и коммутирующее напряжение U_вх с малым затуханием поступает в нагрузку ключа.

Если управляющее напряжение отсутствует, светодиоды свет не излучают и, следовательно, фото-ЭДС равна нулю, биполярные транзисторы находятся в закрытом состоянии; а ключ обеспечивает состояние «выключено». Микросхема выполнена по гибридно-пленочной технологии т.к. светодиоды невозможно изготовить с использованием кремниевой технологии полупроводниковых ИМС.