Оптоэлектронный ключ

 

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано в различной аппаратуре управления или передачи данных. Техническим результатом является расширение области применения. Оптоэлектронный ключ содержит два транзисторных оптрона, электронный ключ, формирователь короткого импульса по срезу входного сигнала, пять резисторов, входную шину, выходную шину и четыре шины питания. 1 з.п.ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано в различной аппаратуре управления или передачи данных.

Известен оптоэлектронный ключ с защитой по току (а.с. СССР N 1398074 от 08.05.86 "Оптоэлектронный ключ с защитой по току", МКИ: H 03 K 17/08, автор В.В. Баканов, опубл. в БИ N 19, 1988 г.), который в режиме использования без защиты от перегрузки по выходному току содержит транзисторный оптрон, транзистор, проводимость которого противоположна проводимости фототранзистора транзисторного оптрона, и три резистора. Светодиод транзисторного оптрона подключен к входным шинам. Коллектор фототранзистора транзисторного оптрона соединен с базой транзистора и первым выводом первого резистора, второй вывод которого соединен с эмиттером транзистора и с первой шиной питания. База в эмиттер фототранзистора транзисторного оптрона соединены соответственно через второй и третий резисторы со второй шиной питания. Коллектор транзистора через нагрузку соединен со второй шиной питания.

Недостатком устройства является относительно сильное искажение (расширение и длинный срез) сигнала на выходе транзисторного оптрона из-за расширения входного сигнала его фототранзистором. Такое расширение сигнала фототранзистором складывается из задержки начала его выключения и самой длительности выключения после окончания входного сигнала оптрона, обусловленных медленным рассасыванием неосновных носителей из области базы, и сильно зависит от условий и режимов эксплуатации устройства (от изменения температуры окружающей среды, соотношения токов светодиода и коллектора фототранзистора оптрона, то есть от коэффициента передачи, а также от сопротивления между выводами базы и эмиттера фототранзистора). По данным технических условий на транзисторные оптроны с одинарным фототранзистором указанная задержка их выключения в испытательных режимах в нормальных условиях может достигать до 10 и более мкс, а у транзисторных оптронов с составным фототранзистором - до 100 и более мкс. В реальных же электрических режимах и в рабочем диапазоне температур задержка выключения транзисторных оптронов существенно увеличивается. Например, у транзисторного оптрона 30Т122А длительность его выключения и, следовательно, расширение сигнала на выходе оптрона в диапазоне температур окружающей среды от минус 40^oC до 50^oC при токе светодиода J_вх ≈ 5 мА, токе коллектора фототранзистора J_к ≈ 1 мА и сопротивлении между выводами базы и эмиттера последнего R_б ≈ 1 мОм может находиться, как показывают измерения, в пределах 150-310 мкс (между уровнями, 1,0 U_m - 0,1 U_m).

Указанное расширение сигнала на выходе транзисторного оптрона определяется, в основном, задержкой выключения его фототранзистора и практически не зависит от длительности включения фототранзистора и ее нестабильности (поскольку они существенно меньше длительности выключения фототранзистора), а также от длительности входного сигнала, если она достаточна для введения фототранзистора в насыщение. Определенную зависимость длительности выключения фототранзистора оптрона (то есть, расширения сигнала на выходе последнего) от значения сопротивления между выводами его базы и эмиттера для уменьшения явления расширения сигнала на выходе оптрона практически невозможно использовать, поскольку уменьшение этого сопротивления приводит к уменьшению коэффициента передачи оптрона, компенсация которого не всегда возможна или приемлема. Попытка существенного укорочения выходного сигнала оптрона с помощью пороговых устройств подключаемых к выходу оптрона также не дает заметного результата ввиду колоколообразной формы характеристики выключения фототранзистора оптрона.

Указанное искажение выходного сигнала транзисторного оптрона, обусловленное его расширением в оптроне из-за медленного рассасывания неосновных носителей из области базы его фототранзистора, приводит к ограничению области его применения.

Известен оптоэлектронный ключ, управляющий мощной нагрузкой (см. книгу: Ленк Дж. Электронные схемы. Практическое руководство. Пер. с англ., М., Мир, 1985 г., стр. 223, рис. 7.27), выбранный в качестве прототипа и в режиме управления маломощной нагрузкой содержащий транзисторный оптрон, три резистора и электронный ключ. Первый вывод светодиода транзисторного оптрона через первый резистор подключен к первой шине питания, второй вывод - к первому выводу электронного ключа, второй и третий выводы которого подключены соответственно к входной шине устройства и к второй шине питания. Коллектор фототранзистора оптрона через второй резистор соединен с третьей шиной питания и непосредственно - с выходной шиной устройства, а база и эмиттер соответственно через третий резистор и непосредственно - с четвертой шиной питания.

Недостатком данного устройства также является ограниченность области его применения, обусловленная сильным искажением (расширение и длинный срез) импульсных сигналов на выходе его транзисторного оптрона.

Задачей, решаемой предлагаемым техническим решением, является создание оптоэлектронного ключа с расширенной областью применения за счет существенного уменьшения искажения (расширения) импульсных сигналов фототранзистором оптрона, обусловленного медленным рассасыванием неосновных носителей из области базы фототранзистора после окончания входного сигнала.

Технический результат, заключающийся в расширении области применения оптоэлектронного ключа достигается тем, что в оптоэлектронный ключ, содержащий первый транзисторный оптрон, первый вывод светодиода которого через первый резистор подключен к первой шине питания, второй вывод - к первому выводу электронного ключа, второй и третий выводы которого подключены соответственно к входной шине устройства и к второй шине питания, коллектор фототранзистора первого транзисторного оптрона через второй резистор соединен с третьей шиной питания и непосредственно - с выходной шиной устройства, а база и эмиттер соответственно через третий резистор и непосредственно - с четвертой шиной питания, введены четвертый и пятый резисторы, формирователь короткого импульса по срезу входного сигнала и второй фототранзисторный оптрон, первый вывод светодиода которого через четвертый резистор подключен к первой шине питания, второй вывод - к первому выводу формирователя короткого импульса, второй вывод которого подключен к входной шине устройства, третий вывод - к второй шине питания, коллектор фототранзистора второго транзисторного оптрона соединен с базой фототранзистора первого транзисторного оптрона, а база и эмиттер соответственно через пятый резистор и непосредственно - с четвертой шиной питания, притом формирователь короткого импульса по срезу входного сигнала содержит инвертор, элемент И-НЕ с открытым коллекторным выходом, резистор и конденсатор, причем вход инвертора является вторым выводом формирователя и соединен с первым выводом резистора, выход соединен с первым входом элемента И-НЕ, выход которого является первым выводом формирователя, второй вход элемента И-НЕ соединен со вторым выводом резистора и с первым выводом конденсатора, второй вывод которого является третьим выводом формирователя.

Указанная совокупность признаков позволяет расширить область применения оптоэлектронного ключа за счет существенного уменьшения искажения (расширения) длительности импульсных сигналов на выходе фототранзистора оптрона путем принудительного сокращения времени рассасывания неосновных носителей из области базы фототранзистора оптрона после окончания входного сигнала шунтированием перехода база-эмиттер фототранзистора переходом коллектор-эмиттер открытого фототранзистора второго транзисторного оптрона.

На фиг. 1 приведена схема оптоэлектронного ключа, на фиг. 2 - один из возможных вариантов реализации формирователя короткого импульса по срезу входного сигнала, на фиг. 3 - временные диаграммы работы функциональных элементов оптоэлектронного ключа.

Оптоэлектронный ключ содержит первый 1 и второй 2 транзисторные оптроны, электронный ключ 3, формирователь 4 короткого импульса по срезу входного сигнала, первый 5, второй 6, третий 7, четвертый 8 и пятый 9 резисторы, входную шину 10, выходную шину 11, первую 12, вторую 13, третью 14 и четвертую 15 шины питания. Первый вывод светодиода оптрона 1 через резистор 5 подключен к первой шине 12 питания, второй вывод - к первому выводу (выходу) электронного ключа 3, второй вывод (вход) которого подключен к входной шине 10, а третий вывод - к второй шине 13 питания. Коллектор фототранзистора оптрона 1 непосредственно соединен с выходной шиной 11 и через резистор 6 - с третьей шиной 14 питания, база через резистор 7, а эмиттер непосредственно - с четвертой шиной 15 питания. Первый вывод светодиода оптрона 2 через резистор 8 подключен к первой шине 12 питания, второй вывод - к первому выводу (выходу) формирователя 4, второй вывод (вход) которого соединен со входной шиной 10, третий вывод - со второй шиной 13 питания. Коллектор фототранзистора оптрона 2 соединен с базой фототранзистора оптрона 1, база через резистор 9, а эмиттер непосредственно - с четвертой шиной 15 питания. Формирователь 4 содержит (см. фиг. 2) инвертор 16, вход которого является вторым выводом (входом) формирователя 4 и соединен с первым выводом резистора 17, выход - с первым входом элемента 18 И-НЕ с открытым коллекторным выходом, выход которого является первым выводом (выходом) формирователя 4. Второй вход элемента 18 И-НЕ соединен со вторым выводом резистора 17 и первым выводом конденсатора 19, второй вывод которого является третьим выводом формирователя 4.

Электронный ключ 3 выполняется на инверторе с открытым коллекторным (или стоковым) выходом, при срабатывании подключает второй вывод светодиода оптрона 1 к шине питания 13.

Оптроны 1 и 2 могут содержать как составные, так и одинарные фототранзисторы. Возможен вариант оптоэлектронного ключа, в котором оптрон 1 содержит составной фототранзистор, а оптрон 2 - одинарный (поскольку коммутируемый последним ток невелик и для него необязателен большой коэффициент передачи). Такой вариант оптоэлектронного ключа является более быстродействующим, чем вариант, в котором оба оптрона содержат составные фототранзисторы, поскольку оптрон с одинарным фототранзистором меньше расширяет сигналы.

Оптоэлектронный ключ (фиг. 1) работает следующим образом.

В исходном состоянии на входной шине 10 поддерживается низкий уровень напряжения (сигнала нет), электронный ключ 3 закрыт, на выходе формирователя 4 - высокий уровень напряжения, поэтому через светодиоды оптронов 1 и 2 тока нет, фототранзисторы оптронов 1 и 2 закрыты, на выходной шине 11 - высокий уровень напряжения (выходного сигнала нет). Такое исходное состояние устройства сохраняется до подачи по входной шине 10 входного сигнала.

При подаче входного сигнала - высокого уровня напряжения (см. фиг. 3, U₁₀, моменты t₁, t₄) электронный ключ 3 открывается, через светодиод оптрона 1 начинает протекать ток и открывается его фототранзистор, на выходной шине появляется выходной сигнал - низкий уровень напряжения (см. фиг. 3, U₁₁, моменты t₁, t₄). При этом сохраняются исходные состояния формирователя 4 и оптрона 2.

При снятии входного сигнала формирователь 4 формирует короткий импульсный сигнал (см. фиг. 3, U₄, моменты t₂, t₅), на время длительности которого второй вывод светодиода оптрона 2 оказывается подключенным к шине питания 13. Это приводит к протеканию тока через этот светодиод и открыванию фототранзистора оптрона 2 (см. фиг. 3, U₂, моменты t₂, t₅). В результате база фототранзистора оптрона 1 оказывается подключенной к шине питания 15, при этом происходит быстрый "отсос" неосновных носителей из области базы фототранзистора и последний быстро закрывается (см. фиг. 3, U₁₁, моменты t₂, t₅). Выходной сигнал оптрона 1, то есть оптоэлектронного ключа, по длительности практически равен входному (поскольку задержка фронта выходного сигнала относительно фронта входного, обусловленная задержкой включения оптрона 1, практически равна задержке среза выходного сигнала относительно среза входного, обусловленной задержке включения оптрона 2) и имеет крутые фронт и срез.

Через определенное время после снятия входного сигнала, обусловленное рассасыванием неосновных носителей из области базы, закрывается оптрон 2 (см. фиг. 3, U₂, моменты t₃, t₆). Однако ни длительность открытого состояния оптрона 2, ни длительность среза его выходного сигнала уже не оказывают влияния на формирование среза выходного сигнала оптоэлектронного ключа, поскольку фототранзистор оптрона 1 принудительно закрывается практически уже при открывании фототранзистора оптрона 2 (сразу после снятия входного сигнала).

Очередной входной сигнал должен подаваться на вход оптоэлектронного ключа после полного выключения оптрона 2. Следовательно, частота пропускания импульсных сигналов через оптоэлектронный ключ зависит от времени полного выключения оптрона 2. Однако время полного выключения оптрона 2 может быть выбрано значительно меньшим, чем время полного выключения оптрона 1 без элементов, сокращенных время его выключения (то есть без формирователя 4, оптрона 2 и резисторов 8, 9), поскольку фототранзистор оптрона 2 может работать при меньшей степени насыщения, следовательно он будет выключаться быстрее, что позволяет увеличить частоту пропускания импульсных сигналов через устройство. Такой же эффект может быть получен при использовании в качестве оптрона 2 оптрона с одинарным фототранзистором, выключающимся быстрее, когда в качестве оптрона 1 использован оптрон с составным фототранзистором.

Таким образом, предлагаемый оптоэлектронный ключ практически не искажает в отличие от прототипа длительности импульсных сигналов, что расширяет область его применения. Кроме того, возможность работы фототранзистора оптрона 2 при меньшей степени насыщения (при однотипных оптронах 1, 2) или использования в качестве оптрона 2 более быстродействующего оптрона (например, оптрона с одиночным фототранзистором, когда оптрон 1 содержит составной фототразистор) позволяет увеличить по сравнению с прототипом частоту пропускания импульсных сигналов через устройство, что также способствует расширению области его применения.

В целях подтверждения осуществимости заявляемого объекта и достигнутого технического результата в институте построен и испытан в диапазоне температур от минус 50^oC до 50^oC лабораторный макет, выполненный с использованием транзисторных оптронов 30Т122А, интегральных микросхем серии 564, дискретных конденсаторов и резисторов.

Проведенные испытания показали осуществимость заявляемого оптоэлектронного ключа и подтвердили его практическую ценность.

Формула изобретения

1. Оптоэлектронный ключ, содержащий первый транзисторный оптрон, первый вывод светодиода которого через первый резистор подключен к первой шине питания, второй вывод - к первому выводу электронного ключа, второй и третий выводы которого подключены соответственно к входной шине устройства и к второй шине питания, коллектор фототранзистора первого транзисторного оптрона через второй резистор соединен с третьей шиной питания и непосредственно - с выходной шиной устройства, а база и эмиттер соответственно через третий резистор и непосредственно - с четвертой шиной питания, отличающийся тем, что в него введены четвертый и пятый резисторы, формирователь короткого импульса по срезу входного сигнала и второй транзисторный оптрон, первый вывод светодиода которого через четвертый резистор подключен к первой шине питания, второй вывод - к первому выводу формирователя короткого импульса по срезу входного сигнала, второй вывод которого подключен к входной шине устройства, третий вывод - к второй шине питания, коллектор фототранзистора второго транзисторного оптрона соединен с базой фототранзистора первого транзисторного оптрона, а база и эмиттер соответственно через пятый резистор и непосредственно - с четвертой шиной питания.

2. Оптоэлектронный ключ по п. 1, отличающийся тем, что формирователь короткого импульса по срезу входного сигнала содержит инвертор, элемент И - НЕ с открытым коллекторным выходом, резистор и конденсатор, причем вход инвертора является вторым выводом формирователя и соединен с первым выводом резистора, а выход соединен с первым входом элемента И - НЕ, выход которого является первым выводом формирователя, второй вход элемента И - НЕ соединен со вторым выводом резистора и с первым выводом конденсатора, второй вывод которого является третьим выводом формирователя.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3