Элементы оптоэлектроники
Элементы оптоэлектроники включают в себя как светодиоды, так и другие оптические электронные устройства, используемые не только как индикаторы и дисплеи. К ним относятся также оптроны, твердотельные реле, датчики положения и приближения (срабатывающие на прерывание света или его отражение), лазерные диоды, электронно-оптические усилители и множество компонентов для оптических линий связи.
Светодиоды
Электронные приборы выглядят более привлекательно и проще в применении, если на них есть разноцветные лампочки. В этой области светодиоды полностью вытеснили все предыдущие технологии. Вы можете приобрести красные, желтые и зеленые индикаторы, причем в различных корпусах, наиболее удобными из которых являются лампы для монтажа на панели и различные типы индикаторов для монтажа на печатной плате. Каталоги представляют поразительное их разнообразие по размерам, цвету, светоотдаче и углу излучения. Последний параметр требует некоторых пояснений. У «диффузных» светодиодов пластик световода имеет в своём составе рассеивающий наполнитель, поэтому зажжённый светодиод выглядит одинаково ярким в широком диапазоне углов обзора. Обычно это весьма полезное свойство, но при этом страдает общий уровень яркости. Если справочные данные сообщают, что угол «половинной яркости», он же «угол обзора» равен 90°, а лучше 120°, то это как раз диффузный светодиод.
С электрической точки зрения светодиод ведёт себя как обычный p-n переход, но с прямым падением от 1.5 V у красных до 3.5 В у белых. При изготовлении светодиодов используют фосфид арсенида галлия, обладающий более широкой запрещенной зоной и, следовательно, большим падением напряжения в прямом направлении, чем кремний. Корпуса для монтажа на панель чаще всего имеют диаметр 3мм или 5мм. У некоторых из них есть монтажная пластиковая гарнитура. Типичный представитель панельных диффузных индикаторов хорошо работает с прямым током 4-10 mA, а если речь идёт о плате в глубине корпуса, достаточно уже 1 мA.
Способы управления светодиодными индикаторами.
На рисунках ниже представлены некоторые способы управления светодиодными индикаторами.
Нужно заметить, поскольку биполярные ТТЛ- элементы имеют небольшой ток отдачи, схему приходится строить так, чтобы низкий логический уровень включал светодиод. Для сравнения следует отметить, что КМОП-семейства симметричны относительно нагрузочной способности по току. КМОП-схемы, как и биполярные ТТЛ-схемы, обладают слабой отдачей тока, к тому же их способность к отводу тока весьма ограничена, поэтому следует использовать буфер или дискретный полевой транзистор.
Можно использовать небольшие матрицы светодиодов, наборы из 2, 4 или 10 светодиодов в ряд, предназначенные для монтажа на печатной плате. Последние используются чаще всего для вывода данных в виде линейных гистограмм. Они выпускаются как для вертикального монтажа, так и для монтажа под прямым углом. Можно также использовать индикаторы для монтажа на панели, в которых объединены красные и зеленые светодиоды в одном корпусе.
Появление светодиодов на нитриде галлия (на нём делают синие, белые и ярко-зелёные светодиоды) с большим прямым падением, слегка смазало тренд на снижение питающего напряжения логических схем. Теперь часто требуется источник повышенного напряжения. Например, популярный номинал +3.3В недостаточен для работы GaN светодиодов. Если есть +5В, то можно использовать транзисторный ключ и подтяжку. В противном случае придётся создавать специальный источник для питания светодиодов.
Специальные источники для питания светодиодов.
Некоторые решения показаны ниже. Наиболее предпочтительная техника — использование неизолированного повышающего преобразователя, особенно если требуется зажечь несколько светодиодов разом (скажем, 4-6 штук для подсветки) от низковольтного источника. Обратную связь на ключ надо заводить с токочувствительного резистора у земляного конца цепочки.
Выпускаются десятки подобных ИМС. Такого рода преобразователи могут работать уже от +1V, т.е. от одного элемента «AA», и закачивать в нагрузку десятки миллиампер при 20 V. Ток определяется из соотношения ILED=UREF/RCS.
КПД стандартных решений не опускается ниже 80%. ИМС позволяют завести линейную регулировку яркости, содержат встроенный диод Шоттки и ограничитель. Ограничительный стабилитрон (DZ на схеме) является обязательным элементом. Если по какой-либо причине выходная цепь разорвётся, резко возросшее выходное напряжение сожжёт преобразователь.
Некоторые ИМС меряют ток на горячем конце или используют внутренние схемные решения:
Можно взять маленькие отдельные светодиоды, а можно и сборки по 2, 4 или 10 штук в ряд. Такие модели рассчитаны на печатный монтаж. Последний вариант подходит для линейных шкал. Выпускаются они и в вертикальном исполнении, и с поворотом под прямым углом. Существуют многоцветные индикаторы под панельный монтаж со светодиодами нескольких цветов в одном бесцветном корпусе. «Красный + зелёный» широко распространены и недороги. Бывают и полноцветные «красный + синий + зелёный» и «жёлтый + синий + зелёный». На подобных элементах можно собирать панели, цветом сигнализирующие об изменении параметра. Если включить несколько цветов сразу, можно получить «смешанные» оттенки. Например, жёлтый получается из красного и зелёного, а белый — из красного, синего и зелёного. Т.к. светодиоды имеют только два состояния: ГОРИТ и НЕ ГОРИТ, промежуточные уровни можно получать, управляя скважностью (временем состояния ВКЛЮЧЕНО по отношению к общей длительности одного цикла) в режиме ШИМ. Многоцветные светодиоды выпускаются с общим катодом (вывод «-») и общим анодом (вывод «+»). Двухцветные варианты бывают в двухвыводном корпусе со встречно-параллельным включением.
Благодаря Shuji Nakamura, совершившему прорыв в технологию GaN, промышленность получила очень яркие и энергоэффективные белые светодиоды, которые стали главным конкурентом газоразрядным светильникам и лампам накаливания в качестве осветительных приборов.
Рассмотрим схему устройства:
Генератор на КМОП 555 (о 555 серии см. подробнее в статье «Таймер на 555 схеме в качестве генератора») работает на частоте 28 kHz , т.е. выше границы слышимого диапазона, и имеет регулировку скважности от 0 до 100%. С помощью МОП ключа он создаёт прямоугольный сигнал с амплитудой 12 В, поступающий на сборку из трёх последовательных белых светодиодов на общей шестигранной металлической подложке. С ограничительным резистором 2 Ом ток в режиме ВКЛЮЧЕНО составляет примерно 700 mA на каждую сборку.
Частота генератора достаточно высока, чтобы учитывать «потери при переключении» МОП транзистора. Если потери становятся слишком велики, можно уменьшить время переключения, добавив драйвер затвора.
Для чего используется резистор на 2 Ом. При высокой температуре прямое падение напряжения на светодиоде снижается. Это ведёт к увеличению напряжения, падающего на резисторе, т.е. компенсирует отчасти рост тока через диод. Для указанных номиналов описанный процесс протекает близко к идеалу.
(Смотрите также «Характеристики китайских светодиодов»)
Дисплеи
Дисплей — оптоэлектронный прибор, который может отображать один или более символов (только цифры, шестнадцатиричные цифры, цифры и буквы или любые изображения). Основными используемыми технологиями (для размеров, встречающихся в электронных приборах) являются LED, LCD, VFD и OLED.
Яркие и разноцветные светодиодные дисплеи («LED») имеют самые разные размеры, но прожорливы и мало подходят для графических задач. Дисплеи на жидких кристаллах — ЖКИ (LCD) очень популярны, имеют жёлто-зелёную, синюю или белую подсветку и в стандартной конфигурации одну или две линии по 16 или 20 знакомест. В зависимости от технологии трансрефлективные ЖКИ с подсветкой могут лучше или хуже читаться при ярком внешнем освещении. Изначально рассчитанные на отсутствие подсветки рефлективные LCD смотрятся неплохо. Чёткость границ изображения и читаемость при наклонах и поворотах сильно зависит от конструкции: активная или пассивная матрица, «twisted nematic» или «super-twisted nematic» и т.п. нюансы. Если не учитывать подсветку, ЖКИ отличаются очень низким потреблением (это основная технология для цифровых наручных часов). Их можно заказать с нестандартным набором символов. VFD похожи на ЖКИ и имеют такой же интерфейс, но светятся сами. Внимание разработчиков больше переключилось на OLED, особенно, если требуются небольшие габариты.
Светодиодные индикаторы
На рисунке показаны варианты одного знакоместа типичного индикатора.
Оригинальный 7-сегментный индикатор может показывать десятичные цифры 0…9, шестнадцатиричное их расширение A…F (изображаются как «AbcdEF»). Выпускаются 7-сегментные индикаторы с разными цветами свечения, размерами и числом знакомест. Сборки длиной более 2 разрядов рассчитаны на мультиплексированное управление. В каждый момент времени показывается только один разряд, но с быстрым последовательным перебором всех знакомест. У одно- двухразрядных индикаторов наружу выводятся все сегменты и общий электрод (схема «общий катод» или «общий анод»). У многоразрядных моделей запараллелены выводы сегментов, но имеются отдельные общие электроды каждого разряда, что и требуется для мультиплексирования. Если нужно выводить многосимвольные надписи, то, возможно, более правильным выбором будет интеллектуальный дисплей, который принимает на входе ASCII коды символов, а затем самостоятельно декодирует их, мультиплексирует и отображает.
На рисунке показано, как подключать одиночный 7-сегментный индикатор с общим катодом.
HC4511 – драйвер 7-сегментного индикатора с защёлкой и BCD входом. Он может выдавать 10 мA с уровнем +4.5В при питании +5В. Последовательные резисторы ограничивают ток сегмента на уровне 2 мA для +3.3В или 4.7мA для +5В. Предполагается, что на светодиоде падает 1.5В. Не стоит экономить на резисторах, ставить один резистор в общий электрод.
Кроме индикатора и резисторов требуется одна ИМС драйвера-декодера. Она же, и тоже одна, нужна и в мультиплексированном индикаторе, потому что в каждый момент времени светится только одна цифра. Сегментные выводы всех знакомест объединяются, а катоды каждого разряда один за другим закорачиваются на землю одновременно с выводом нужных уровней на входных линиях «D3…D0».
Рисунки ниже показывают, как работать с 16-сегментным индикатором или матрицей 5×7 соответственно.
Драйверы под такие индикаторы предполагают подключение к микроконтроллеру, поэтому имеют интерфейс SPI, внутренний регистр памяти и общий вход задания тока через сегменты. В драйвере 16-сегментного индикатора нет декодера/знакогенератора, он просто переведёт выходные линии в требуемое состояние согласно значению разрядов управляющего слова. Это значит, что управляющий микроконтроллер должен сам знать, какой сегмент он хочет зажечь. Это не сложно, просто требует аккуратности. Драйвер для матрицы 5×7 имеет в своём составе декодер с прошитым изображением символов.
«Умные» дисплеи
Если не учитывать массовый сегмент, где затраты стоят на первом месте, то удобнее использовать индикаторы с интегрированным драйвером, знакогенератором и унифицированным внешним интерфейсом. Такие индикаторы можно найти под любую технологию: LED, LCD, VFD и OLED.
Одноразрядные. Первыми умными индикаторами были светодиодные одноразрядные с матрицей 5×7, которые появились в 1970-х. Им требовался входной 4-разрядный код и стробирующий сигнал.
4-разрядные. Чаще всего требуется показывать несколько символов разом. В такой ситуации будут полезны сборки по четыре символа в ряд с обычным для светодиодов набором цветов. Их столь же легко использовать, как одиночные индикаторы. На рисунке показан один, производства HP (сейчас Avago)
Индикатор имеет ПЗУ на полный 7-разрядный набор ASCII кодов. Входные данные защёлкиваются по импульсу «WR» и отправляются на знакоместо, обозначенное 2-разрядной шиной адреса. В индикаторе есть дополнительные функции (изменение яркости, курсор), доступные при низком уровне на входе «D/C».
Многоразрядные. Лучший метод отображения нескольких строк символов — использование «интеллектуальных» (более продвинутых, чем «умные») символьных дисплеев.
Выпускается множество функциональных аналогов различных производителей и по различным технологиям отображения (LCD, VFD или OLED). Стандартные конфигурации включают 1, 2 и 4 строки на 8, 16, 20 или 40 символов. Устройство включает знакогенератор и восемь символов, задаваемых пользователем. Альтернатива — графический дисплей в виде матрицы точек, например, 64×260, которую пользователь заполняет своими данными. Задача может показаться слишком утомительной, если нужно выводить в основном текст, поэтому промышленность предлагает совмещённые варианты «текст + графика», которые содержат ПЗУ со знакогенератором в довесок к стандартным графическим возможностям.
Чтобы понимать, чего можно ждать от технологии «жидких кристаллов», надо, для начала, уяснить, что управляются они только переменным током. Постоянная составляющая любого знака ведёт к необратимому повреждению индикатора. Поэтому драйвер ЖКИ должен как-то получать прямоугольный сигнал на выходах управления сегментами, синхронизированный с сигналом на подложке. Такой микросхемой является ’HC4543, выполняющая те же функции, что и драйвер 7-сегментного светодиодного индикатора ’HC4511. Другая сложность — необходимость постоянно «трясти» большой массив точек, образующих изображение на экране. Сюда же добавляется командный интерфейс, позволяющий работать с отдельными символами или сдвигать весь экран целиком, управлять курсором и т.д. К счастью, большая часть проблем уже решена производителем индикатора.
Дисплеи такого рода невозможно использовать, не имея микроконтроллера. Протокол обмена несложен. Изначально дисплеи такого рода использовали 8-разрядную параллельную шину с 8 линиями данных (код символа или команда в зависимости от состояния линии «D/C») и несколько линий управления. Современные варианты предлагают 3— и 4-проводные последовательные шины или обе опции, переключаемые перемычкой.
Оптроны
Излучатель на светодиоде, размещенный в непосредственной близости от фотодетектора, образует очень полезный предмет, известный как оптопара или оптрон. В двух словах, оптроны позволяют обеспечить обмен цифровыми сигналами (а иногда и аналоговыми) между схемами с раздельной землей. Такая «гальваническая развязка» является хорошим способом избежать земляных контуров в оборудовании, которое управляет удаленной нагрузкой. Это особенно важно в схемах, которые взаимодействуют с силовыми фидерами переменного тока. Например, вам понадобилось включать и выключать нагреватель по цифровому сигналу, вырабатываемому микропроцессором. В этом случае вы, наверное, будете использовать «твердотельное» реле, состоящее из светодиода, подключенного к сильноточному симистору.
Некоторые импульсные источники питания, управляемые переменным током, используют в изолированном контуре обратной связи оптрон. Точно также проектировщики высоковольтных источников питания используют иногда оптроны для того, чтобы передать сигнал в схему с высоким напряжением.
Можно воспользоваться достоинствами оптронов даже в менее экзотических ситуациях. Например, оптический полевой транзистор позволит вам переключить аналоговый сигнал без всякой инъекции заряда. То же самое справедливо для схем квантования с запоминанием и интеграторов. Использование оптронов позволит избежать треволнений при управлении контурами с индустриальными токами, приводами молотов и т. п. Наконец, гальваническая развязка оптронами пригодится в прецизионных и низкоуровневых схемах. Можно освободить себя от всех забот, связанных с помехами, применив оптическую развязку в цифровой части.
Оптроны обычно обеспечивают изоляцию в 2500 В (среднеквадратичное), сопротивление изоляции 1012 Ом и емкостную связь между входом и выходом менее пикофарады.
Прежде чем обратиться к реальным оптронам, бросим беглый взгляд на фотодиоды и фототранзисторы. Видимый свет вызывает ионизацию в кремнии и образование пар зарядов в открытой базовой области. Эффект от этого точно такой же, как от внешнего базового тока. Существуют два способа использования фототранзистора:
1. В качестве фотодиода, подключенного только к базовому и коллекторному выводам. В этом случае фототок будет составлять несколько процентов от тока светодиода. Фотодиод генерирует фототок независимо от того, прикладываете вы напряжение смещения или нет. Следовательно, можно подключать его прямо к суммирующему переходу операционного усилителя (виртуальная закоротка) или обеспечить обратное смещение:
2. Если вы используете ток фотодиода как базовый ток, то получите обычное усиление тока с результирующим током Iкэ, который, как правило в 100 раз больше базового. В этом случае, необходимо сместить транзистор, как показано на рисунке
За увеличенный ток приходится платить более медленным откликом, что обусловлено открытой базовой цепью. Для повышения быстродействия можно добавить резистор с базы на эмиттер. Однако это дает пороговый эффект, поскольку фототранзистор не переходит в состояние проводимости до тех пор, пока ток фотодиода не достигнет величины, достаточной для получения напряжения UБЭ на внешнем базовом резисторе. В цифровых схемах порог может оказаться полезным, но в аналоговых приводит к нежелательной нелинейности.
Ниже рассмотрим типичные примеры применения различных оптронов.
На рисунках ниже показаны возможные варианты оптопар с биполярным транзистором на выходе. Они предназначены в основном для разделения цифровых схем, хотя конфигурация на рисунке даёт на выходе сигнал, близкий к линейному.
Самый первый и самый простой оптоизолятор 4N35 состоит из пары светодиод — фототранзистор с коэффициентом передачи тока (CTR) вход — выход не менее 40% и неторопливое выключение 5 мкс при нагрузке 100 Ом. Схема ниже показывает, как использовать 4N35.
Логический выход и подтягивающий резистор задают ток 8 mA через светодиод, а достаточно большой резистор на выходе гарантирует напряжение насыщения в требуемых стандартом границах. Резистор большой — ток маленький, падение на транзисторе тоже небольшое. Отметим, что триггер Шмитта здесь — вещь вполне уместная, т.к. «фронты» переключения пологие. Выпускаются оптопары с CTR 100%, например, массовый CNY17-4 имеет CTR 160%(min), плюс можно взять пару с фото-Дарлингтоном, они ещё медленнее. Чтобы увеличить скорость производители разделяют фотодиод и транзистор. Так выполнены 6N136 и 6N139 (транзистор и «Дарлингтон» на выходе соответственно).
Если есть доступ к выводу базы, то можно чуть увеличить скорость, добавив резистор между базой и эмиттером.
Но в таком включении появляется пороговый эффект (его можно видеть на графике рядом со схемой).
Транзистор будет закрыт до тех пор, пока увеличивающийся ток фотодиода не создаст на резисторе потенциал Uбэ. Для цифровых схем это полезное свойство, а для аналоговых — крайне нежелательная нелинейность.
Описанные оптопары хороши, но несколько раздражают необходимостью обвязки из дискретных компонентов и на входе, и на выходе. Более того, требуемый светодиоду ток может превышать возможности некоторых логических семейств, а пассивная подтяжка на выходе замедляет переключение и ухудшает помехоустойчивость. Эти недостатки были исправлены в «логических» оптопарах. Интегральная микросхема 6N137 (и её последователи) прошла только полпути, оставив голый светодиод на входе, но включив буферную логику на выходе.
Вход по-прежнему нуждается в токе (по спецификации переключение гарантируют 6.3 мA). Тем не менее, на выходе чистый логический сигнал, пусть даже и с открытым коллектором, и скорость 10 Mb/s. Обратите внимание, выходная сторона требует питания +5В. В списке есть микросхемы со сниженным током светодиода, среди которых классические H11L1 и H11N1. К сожалению, слаботочные и быстродействующие варианты стоят достаточно дорого.
Рассмотрим еще несколько вариантов схем в продолжение темы светодиод-фототранзистор. Элемент IL252 содержит пару встречновключенных светодиодов, поэтому им можно управлять переменным током.
Иногда требуется изолировать аналоговые сигналы. Один из методов — использование пары преобразователей, конвертирующих аналоговый сигнал в цифровую форму. Изоляция с помощью логических оптопар и обратного преобразования из цифры в аналог. Но существуют аналоговые изоляторы, прямо предназначенные для таких целей. Классическая схема H11F1 является полевым транзистором с оптическим управлением.
Светодиод в такой роли действует аналогично прилагаемому к затвору потенциалу. Увеличение тока через него увеличивает ток насыщения транзистора (т.е. ток канала, напряжение на котором превышает несколько десятых вольта). При токе светодиода 25 мA ток канала достигает 1 мA. Отметим, что выход полностью симметричен и работает до 30 V на терминалах. И так же, как с обычным полевым транзистором, для сигналов небольшой амплитуды канал выглядит почти как резистор. Таким образом, ток светодиода устанавливает величину RON, которая меняется от >300 MΩ (в отсутствие тока светодиода) и до 100 Ом (при токе 16 мA). Вновь отметим, что это симметричное относительно земли свойство и линейное вблизи нуля.
По блок-схеме его можно ошибочно принять за простой логический изолятор, но на выходе стоит мощный симметричный драйвер затвор, который может отдавать/принимать ампер и более, работая с напряжением до 30В. Когда выход изолятора находится в ВЫСОКОМ состоянии, он включает выходной IGBT, который любезно взлетает вверх к положительному источнику питания с потенциалом киловольт и более, прихватывая драйвер затвора с собой. Вот поэтому от изолированного драйвера одновременно требуется высокая электрическая прочность барьера и устойчивость к синфазным наводкам.
Твердотельные реле с транзисторным выходом. Вернемся к изоляторам, имеющим на выходе ключ. Общее название таких компонентов – «твердотельные реле» (SSR). Они имеют два изолированных выходных терминала с двумя состояниями: РАЗОМКНУТО (непроводящее) и ЗАМКНУТО (проводящее). Состояния меняются входным светодиодом. Таким образом, данный класс устройств можно рассматривать как замену для электромеханических реле. Твердотельные реле не требуют питания на выходной стороне — это «просто переключатель». Одна из разновидностей таких «просто переключателей» использует на выходе тиристоры или симисторы. Данные компоненты, переведённые в проводящее состояние, остаются в нём до полного прекращения тока, и поэтому подходят только для нагрузок переменного тока, где ток в цепи падает до нуля дважды в каждом цикле.
Чтобы перевести выходной транзистор в проводящее состояние в SSR используется последовательная цепочка из десятка, а то и больше, фотодиодов. Этот т.н. «фотогенераторный набор» (PV-stack), освещаемый светодиодом выдаёт 5…10 V на затвор. Ток цепочки всего несколько микроампер. С учётом ёмкости затвора время включения-выключения лежит в диапазоне от 0.1 до 5 мсек. Если интересно поиграть с этой частью схемы, то не обязательно пилить реле: фотогенераторные элементы выпускаются в виде отдельных ИМС.
Справочные данные на такие микросхемы скупо дозируют информацию об их внутреннем устройстве, но по малому времени выключения очевидно наличие специальных цепей разрядки затвора. В таком качестве может работать n-p-n транзистор, который переводится в проводящее состояние, когда ток начинает снижаться, или с помощью тиристора, обозначенного пунктиром.
Большая часть МОП SSR использует встречное последовательное включение n-канальных транзисторов, управляемых фотогенераторным набором.
Для нагрузок переменного тока надо использовать верхний и нижний (по схеме) вывод (стоки). Когда реле ВЫКЛЮЧЕНО, транзистор выглядит как разомкнутый ключ. Последовательная пара транзисторов нужна, чтобы исключить протекание тока через паразитный диод при смене полярности напряжения в цепи. Когда реле ВКЛЮЧЕНО оба транзистора находятся в проводящем состоянии и выглядят как резисторы с номиналом RON.
Естественно, такое включение можно использовать и для работы с постоянным током, но в этом варианте выгоднее включать транзисторы параллельно (объединив стоки). Такое соединение в 4 раза снижает RON (ценой увеличения входной ёмкости, если это важно). Обогащённые МОП транзисторы позволяют собрать «нормально разомкнутое» реле (formA), а обеднённые – «нормально замкнутое» (form B). Затвор последних надо подключать к противоположному концу PV-набора. В отличие от аналоговых КМОП ключей в оптореле полностью отсутствует инжекция заряда
Еще одина разновидность оптронов элемент MOC3052 — это оптотиристор, удобный для переключения высоких напряжений и больших токов.
В МOС3023 однонаправленный тиристор заменен на симистор, т. е. на двунаправленный тиристор.
С его помощью можно непосредственно управлять нагрузкой переменного тока. При управлении нагрузками переменного тока включение нагрузки лучше всего производить в момент пересечения волной переменного тока нуля для избежания попадания выбросов в силовые линии. Это легко осуществить с помощью оптосимисторов, содержащих схему «переключения по нулевому напряжению».
Схема блокирует запуск симистора до следующего пересечения нуля. (См. подробнее в статье «Симисторная оптопара. Управление симистором.»)
Прерыватели
Можно использовать оптопару, чтобы обнаруживать приближение или перемещение объекта. Оптический «прерыватель» состоит из светодиода и парного фототранзистора, разделённых свободным пространством. Такой датчик может чувствовать появление непрозрачного предмета, например, факт вращения диска с отверстиями. Встречаются и оптопары, в которых светодиод и фототранзистор направлены в одну сторону и срабатывают при появлении отражающего объекта. У прерывателей, как и у обычных оптопар, на выходе может быть простой транзистор, а может и логический выход (как с открытым коллектором, так и симметричный).
Оптические «концевые выключатели» используются в механизмах, например, в принтерах, для обнаружения границы зоны перемещения. В оптопарах такого типа высокий уровень внешней засветки создаёт серьёзные проблемы. Красивым решением будет синхронное детектирование, делающее приёмник чувствительным к частоте, на которой работает передатчик. Hamamatsu выпускает отличные датчики (серии S4282/89, S6809/46/86 и S7136), имеющие внутри предусилители и электронику обработки сигналов. Можно взять оптический энкодер, который выдаёт последовательность квадратурных импульсов (два выхода со сдвигом фаз 90°) при вращении вала. Такие энкодеры — хорошая альтернатива переменным резисторам на панели управления.
Во всех схемах, где стоят оптические концевые датчики, следует рассматривать их альтернативу — сенсоры на эффекте Холла. Это твердотельные датчики магнитного поля. Их активно используют в автомобильной промышленности: в системе зажигания (замену механическим прерывателям), антиблокировочных схемах (датчики вращения колёс) и в бесконтактных электродвигателях.
Излучатели и детекторы
Одно из достижений в области оптоэлектроники — это доступные недорогие твердотельные диодные лазеры, — источники когерентного света в отличии от диффузионных светодиодов.
Они используются в лазерных указках, когда-то редких и дорогих, а теперь дешёвых. Лазерные диоды стоят в приводах CD/DVD/Blue-Ray и в передатчиках для оптических линий связи. Маломощные красные полупроводниковые лазеры представляют собой небольшие модули и рассчитаны на питание 3…5 V (например, Quarton VLM-650-03-LPA).
На кристалле имеется контрольный фотодиод, используемый в обратной связи внешнего регулятора светового потока. Ток, при котором запускается физический процесс в кристалле, лежит обычно в диапазоне 20…40 мA. Выше этого порога световой выход растёт очень быстро.
Типичный диодный лазер генерирует 10 мВт световой мощности на 800 нм (невидимый в ближней инфракрасной области спектра) при токе 80 мА и прямом падении напряжения на диоде 2 В.
Световой пучок выходит непосредственно из маленькой лунки на излучающем полупроводнике (для инфракрасного это GaAlAs). Угол расхождения 10…20°, и может быть подправлен внешним коллиматором.
Еще одной, уходящей, технологией производства излучателей является линейная светодиодная матрица высокой плотности. 300 излучателей на дюйм и даже больше. Такие матрицы используются в светодиодных принтерах. Такие принтеры заменили лазерные, поскольку они проще, надежнее и обладают крайне высокой разрешающей способностью.
