 |
Световоды и простейшие оптроны
|
|
|
|
Фототиристоры.
Фототиристоры используются для коммутации световым сигналом электрических сигналов большой мощности. Они представляют собой фотоэлектрические аналоги управляемого тиристора. Одна из возможных конструкций фототиристора и схема его включения показаны на рисунке 4, а, б.
Рисунок 4 – Эпитаксиально-планарная конструкция фототиристора (а), схема подключения к нему напряжения (б); его вольт-амперная характеристика (в) и условное обозначение (г).
Световоды и простейшие оптроны
Между источником излучения и фотоприемником имеется проводящая среда, которая выполняет функции световода. Чтобы уменьшить потери на отражение от границы раздела светоизлучателя и световода, последний должен обладать большим коэффициентом преломления, так как соответствующий коэффициент преломления материалов, служащих источниками света, обычно велик, например для GaAs п = 3,6. Работa элементов волоконной оптики основана на том, что свет передается по отдельному тонкому волокну, не выходя за его пределы вследствие полного внутреннего отражения. Собранные в один жгут волокна передают световые лучи независимо друг от друга.
Рисунок 5 – Конструкция простейшего оптрона (а); распространение света по световоду (б, в)
|
В простейших оптронах, выпускаемых промышленностью, обычно применяют прямую оптическую связь. В некоторых случаях к оптической связи добавляется электрическая. Тогда говорят об электрооптической связи между источником излучения и фотоприемниками.
В интегральных оптоэлектронных схемах в качестве источников излучения широко применяются инжекционные светодиоды, что позволяет обеспечить достаточно высокое быстродействие оптронов.
|
|
|
Обозначение диодного оптрона и его возможная структура показаны на рисунке 6, а, б. Источником света служит светодиод из арсенида галлия, а фотоприемником — кремниевый фотодиод. Оптрон используется в качестве ключа и может коммутировать ток с частотой 106...107 Гц. Темновое сопротивление в закрытом состоянии — 108... 1010 Ом, в открытом — порядка сотен Ом - нескольких килоОм. Сопротивление между входной и выходной цепями— 1013...1015 Ом. Таким образом, диодный оптрон позволяет практически полностью гальванически развязать между собой входную и выходную цепи и обеспечивает хорошие характеристики переключения. Так как в структуре оптрона предусмотрен воздушный зазор между источником излучения и фотоприемником.
Рисунок 6 – Простейшие оптроны: диодный (а)и его структура (б); транзисторный (в); тиристорный (г); с двухэмиттерным фототранзистором (д);
с фоторезистором (е)
|
Транзисторные оптроны (рисунок 6,в) благодаря большей чувствительности фотоприемника экономичнее диодных. Однако быстродействие их меньше, максимальная частота коммутации обычно не превышает 105 Гц. Если в фототранзисторе имеется два эмиттера с внешними вымолами (рисунок 6, д), то получится ключевая цепь, позволяющая коммутировать малые измерительные сигналы как постоянного, так и переменного токов. Фототранзистор в этом случае представляет компенсированный ключ. Эти оптроны позволяют исключить в схемах громоздкие навесные трансформаторы, неизбежные при использовании транзисторных прерывателей на обычных биполярных транзисторах.
Замена фототранзистора на кремниевый фототиристор (рисунок 6, г) позволяет увеличить импульс выходного тока до 5А и более. Такие оптроны позволяют непосредственно управлять сильноточными устройствами различного назначения.
Диодные, транзисторные и тиристорные оптроны в основном используют в ключевых режимах в качестве быстродействующих высокоэффективных ключей различного функционального назначения. Аналоговые оптроны реализуют на основе фоторезисторов (рисунок 6, е) и применяют для различного рода бесконтактных регулировок в цепях автоматического управления. Быстродействие их невелико, а максимальная рабочая частота без принятия специальных мер повышения быстродействия ограничена несколькими килогерцами.
|
|
|
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О КОМПОНЕНТАХ УСТРОЙСТВ
ОТОБРАЖЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ
Устройства отображения информации применяются в системах, где информацию требуется представить в форме, удобной для визуального восприятия. Их основными компонентами являются приборы, обеспечивающие преобразование электрических сигналов в пространственное распределение яркости излучения или в распределение степени пропускания или поглощения светового излучения. С помощью этих приборов из электрических сигналов получают видимое изображение букв различных алфавитов, цифр, геометрических фигур, в том числе и объемных, различных знаков, сплошных или дискретных полос, длина которых однозначно зависит от значения входного сигнала, мнемосхем и пр.
Преобразовательные приборы данной группы создаются на основе активных излучающих компонентов: электронно-лучевых трубок; электролюминесцентных, газонаполненных или накаливаемых источников излучения, в которых излучающие элементы выполнены в виде фигур или сегментов или образуют управляемое матричное поле, а также пассивных компонентов, модулирующих световой поток: жидкокристаллических, в которых пропускание или отражение света различными участками поверхности зависит от значения электрического поля; электрохромных, в которых цвет вещества зависит от значения электрического поля; электрофоретических, в которых под действием электрического поля перемещаются заряженные пигментные частицы, имеющие определенный цвет.
Наиболее часто применяют так называемые знакосинтезирующие индикаторы (ЗСИ), в которых изображения получают с помощью мозаики из независимо управляемых преобразователей «электрический сигнал — свет», и электроннолучевые трубки (ЭЛТ), на экране которых при соответствующем формировании управляющих сигналов можно получить любые знаки и графические объемные изображения.
|
|
|
ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ
ДЛЯ ОТОБРАЖЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ
Жидкокристаллические индикаторы относятся к числу пассивных приборов. В основу их работы положено свойство некоторых веществ изменять свои оптические показатели (коэффициенты поглощения, отражения, рассеивания, показатель преломления, спектральное отражение или пропускание, оптическую анизотропию, оптическую разность хода, оптическую активность) под влиянием внешнего электрического поля. Вследствие модуляции падающего света изменяется цвет участка, к которому приложено электрическое поле, и на поверхности вещества появляется рисунок требуемой конфигурации.
В качестве веществ, имеющих подобные свойства, используют жидкие кристаллы. Жидкокристаллическим (мезаморфным) называется термодинамически устойчивое состояние, при котором вещество сохраняет анизотропию физических свойств, присущую твердым кристаллам, и текучесть, характерную для жидкостей. Это состояние имеют некоторые производные бензола, дифенила, стероидов, гетероциклических и других сложных соединений. Характерной особенностью жидкокристаллических фаз является то, что молекулы вещества имеют сравнительно большую длину и относительно малую ширину. Они относятся к числу диэлектриков и имеют удельное сопротивление 106...1010 Ом·см.
Различают три основных типа жидких кристаллов (ЖК): смектические, нематические, холестерические.
В смектических ЖК молекулы расположены параллельно своим длинным осям и образуют слои равной толщины, лежащие на равном расстоянии друг над другом (рисунок 7,а). Текучесть обеспечивается за счет взаимного скольжения слоев.
В нематических ЖК оси молекул также параллельны, но они не образуют слоев и размещены хаотично (рисунок 7, б). В них наблюдается скольжение вдоль длинных осей. На разных участках ориентация молекул различна и ЖК состоит из небольших областей, различающихся направлением ориентации осей. Из-за этой неупорядоченности наблюдаются оптическая неоднородность среды и сильное рассеивание света. Поэтому нематический ЖК мутный для проходящего и отраженного света. Однако с помощью внешних сил (электрического или магнитного поля) можно добиться оптической однородности среды и полного ее просветления.
|
|
|
В холестерических ЖК молекулы расположены слоями, как в смектических, однако их длинные оси параллельны плоскостям слоев, а направление их преимущественной ориентации (называемое директором) монотонно меняется от слоя к слою, поворачиваясь на некоторый угол (рисунок 7, в). Распределение молекул имеет спиральный характер. Данные ЖК имеют большой показатель вращения плоскости, поляризации. Под воздействием внешних сил шаг спирали меняется и соответственно изменяется окраска вещества, освещенного белым светом.
Рисунок 7 –Ориентация молекул в смектических (а); нематических (б); холестерических (в) ЖК
|
Типовая элементарная ячейка ЖК прибора для отображения информации состоит из двух прозрачных стеклянных пластин, между которыми помещены ЖК. С внутренней стороны пластин расположены электроды. Их количество и расположение берутся такими, чтобы можно было реализовать требуемое изображение. Если ячейка работает на просвет, то электроды на обеих пластинах выполняются прозрачными (рисунок 8, а). При работе на отражение задний электрод выполняют непрозрачным (рисунок 8, б). Для работы в условиях низкой освещенности создается подсветка. Для этого в ЖК-индикаторах, работающих на просвет, за задней пластиной размещают источник света, а у индикаторов, работающих на отражение, источник света размещают спереди или сбоку. Индикаторы имеют форму тонкой пластины, к краям которой подведены выводы электродов. Электроды выполняют в виде тонких, почти не видных на стекле токопроводящих полосок.
Рисунок 8 – Конструкция ЖК-индикаторов, работающих на просвет (а)
и отражение (б):1,3—стекляные пластины; 2—склеивающее соединение; 4—прозрачные электроды; 5– ЖК; 6 — непрозрачный электрод
Для подключения к схеме используют специальные панели, имеющие эластичные выступы, сделанные из электропроводящей резины. Контактирование обеспечивается за счет механического прижатия индикаторов к панелям. Отдельные конструкции имеют ленточные выводы, обеспечивающие их распайку на платах. Широко распространены цифровые, буквенно-цифровые и мнемонические ЖК-индикаторы сегментного типа, аналогичные показанным на рисунке 9. В них прозрачные электроды выполнены в виде сегментов а—ж, от которых сделаны отдельные выводы. Непрозрачный электрод к изготавливают единым с одним выводом. При подаче напряжения на общий электрод и выбранные прозрачные сегментные электроды под соответствующим сегментом появляется полоса, цвет которой резко отличается от окружающего фона. Сочетание этих полос образует требуемую цифру, букву или знак. Меняя сегменты, подключенные к источнику напряжения, изменяют отображаемые цифры, буквы или мнемосхемы.
|
|
|
Рисунок 9– Сегментный трехразрядный ЖК-индикатор, работающий на «отражение»; вид сверху (а), снизу (б), условное обозначение (в): а—ж — прозрачные электроды; к — общий непрозрачный электрод
ЖК-индикаторы просты по конструкции, дешевы, имеют низкое энергопотребление, обеспечивают хорошую контрастность изображения, которая не уменьшается при увеличении освещенности, хорошо совместимы с микросхемами управления. Их недостатки: необходимость иметь подсветку при работе в темноте, узкий температурный диапазон (от -15 до +55 °С), изменение параметров в течение срока хранения и при работе. Область применения – экономичные устройства с цифровым, буквенным, графическим или мнемоническим отражением информации.
|
|
|
