המדע המודרני מתפתח באופן פעיל בכיוונים שונים, ומנסה לכסות את כל תחומי הפעילות האפשריים האפשריים. בין כל זה, יש לציין מכשירים אופטו-אלקטרוניים, המשמשים הן בתהליך העברת הנתונים והן לאחסון או עיבודם. הם משמשים כמעט בכל מקום שבו נעשה שימוש בטכנולוגיה מתוחכמת יותר או פחות.
מה זה?
התקנים אופטואלקטרוניים, הידועים גם כמצמדים אופטיים, הם מכשירים מיוחדים מסוג מוליכים למחצה המסוגלים לשלוח ולקבל קרינה. אלמנטים מבניים אלו נקראים photodetector ופולט אור. ייתכן שיש להם אפשרויות שונות לתקשר זה עם זה. עקרון הפעולה של מוצרים כאלה מבוסס על המרת חשמל לאור, כמו גם היפוך של תגובה זו. כתוצאה מכך, מכשיר אחד יכול לשלוח אות מסוים, בעוד שהשני מקבל אותו ו"מפענח". התקנים אופטואלקטרוניים משמשים ב:
- יחידות תקשורת ציוד;
- מעגלי קלט של התקני מדידה;
- מעגלי מתח גבוה וזרם גבוה;
- תיריסטורים וטריאקים חזקים;
- מכשירי ממסר וכדומההבא.
ניתן לסווג את כל המוצרים הללו למספר קבוצות בסיסיות, בהתאם לרכיבים האישיים שלהם, לעיצוב או לגורמים אחרים. עוד על כך בהמשך.
Emitter
התקנים והתקנים אופטו-אלקטרוניים מצוידים במערכות העברת אותות. הם נקראים פולטים ובהתאם לסוג המוצרים מחולקים באופן הבא:
- לייזר ולדים. אלמנטים כאלה הם בין המגוונים ביותר. הם מאופיינים ביעילות גבוהה, ספקטרום אלומה צר מאוד (פרמטר זה ידוע גם כ-quasi-chromaticity), טווח פעולה רחב למדי, שמירה על כיוון קרינה ברור ומהירות גבוהה מאוד. מכשירים עם פולטים כאלה עובדים הרבה מאוד זמן והם אמינים במיוחד, הם קטנים בגודלם ומתפקדים היטב בתחום הדגמים המיקרו-אלקטרוניים.
- תאים אלקטרולומינסצנטיים. אלמנט עיצובי כזה מציג פרמטר לאיכות המרה לא גבוה במיוחד ולא עובד יותר מדי זמן. יחד עם זאת, מכשירים מאוד קשים לניהול. עם זאת, הם מתאימים ביותר לנגד צילום וניתן להשתמש בהם ליצירת מבנים מרובי אלמנטים ורב תפקודיים. אף על פי כן, בגלל חסרונותיהם, כיום נעשה שימוש בפולטות מסוג זה לעתים רחוקות למדי, רק כאשר באמת לא ניתן לוותר עליהם.
- מנורות ניאון. תפוקת האור של דגמים אלו נמוכה יחסית, והם גם לא עומדים היטב בנזק ולא מחזיקים מעמד לאורך זמן.נבדלים בגדלים גדולים. הם נמצאים בשימוש נדיר ביותר, בסוגים מסוימים של מכשירים.
- מנורות ליבון. פולטים כאלה משמשים רק בציוד נגדים ולא בשום מקום אחר.
כתוצאה מכך, דגמי LED ולייזר מתאימים באופן מיטבי כמעט לכל תחומי הפעילות, ורק באזורים מסוימים שבהם אי אפשר אחרת, נעשה שימוש באפשרויות אחרות.
Photodetector
הסיווג של מכשירים אופטו-אלקטרוניים נעשה גם לפי סוג החלק הזה של העיצוב. סוגים שונים של מוצרים יכולים לשמש כרכיב המקבל.
- פוטוטיריסטורים, טרנזיסטורים ודיודות. כולם שייכים למכשירים אוניברסליים המסוגלים לעבוד עם מעבר מסוג פתוח. לרוב, העיצוב מבוסס על סיליקון, ובגלל זה, המוצרים מקבלים טווח רגישות רחב למדי.
- Photoresistors. זוהי האלטרנטיבה היחידה שיש לה יתרון עיקרי של שינוי נכסים בצורה מאוד מורכבת. זה עוזר ליישם כל מיני מודלים מתמטיים. למרבה הצער, נגדי פוטו הם אינרציאליים, מה שמצמצם משמעותית את היקף היישום שלהם.
קליטה של אלומה היא אחד המרכיבים הבסיסיים ביותר של כל מכשיר כזה. רק לאחר שניתן יהיה לקבל אותו, מתחיל עיבוד נוסף, וזה לא יתאפשר אם איכות התקשורת לא מספיק גבוהה. כתוצאה מכך, מוקדשת תשומת לב רבה לעיצוב הפוטו-גלאי.
ערוץ אופטי
ניתן להראות היטב את תכונות העיצוב של מוצרים באמצעות מערכת הייעוד המשומשת עבור התקנים פוטו-אלקטרוניים ואופטואלקטרוניים. זה חל גם על ערוץ העברת הנתונים. יש שלוש אפשרויות עיקריות:
- ערוץ מוארך. הפוטו-גלאי בדגם כזה רחוק מספיק מהערוץ האופטי, ויוצר מנחה אור מיוחד. אפשרות העיצוב הזו נמצאת בשימוש פעיל ברשתות מחשבים להעברת נתונים פעילה.
- ערוץ סגור. סוג זה של בנייה משתמש בהגנה מיוחדת. זה מגן בצורה מושלמת על הערוץ מפני השפעות חיצוניות. מודלים עבור מערכת בידוד גלווני מיושמים. זוהי טכנולוגיה חדשה ומבטיחה למדי, אשר כעת משתפרת ללא הרף ומחליפה בהדרגה ממסרים אלקטרומגנטיים.
- ערוץ פתוח. עיצוב זה מרמז על נוכחות של מרווח אוויר בין הפוטו-גלאי לפולט. מודלים משמשים במערכות אבחון או בחיישנים שונים.
טווח ספקטרלי
מנקודת המבט של מחוון זה, ניתן לחלק את כל סוגי המכשירים האופטו-אלקטרוניים לשני סוגים:
- טווח קרוב. אורך הגל במקרה זה נע בין 0.8-1.2 מיקרון. לרוב, מערכת כזו משמשת במכשירים המשתמשים בערוץ פתוח.
- טווח ארוך. כאן אורך הגל הוא כבר 0.4-0.75 מיקרון. משמש ברוב סוגי המוצרים האחרים מסוג זה.
עיצוב
לפי מחוון זה, התקנים אופטו-אלקטרוניים מחולקים לשלוש קבוצות:
- מיוחד. זה כולל מכשירים המצוידים במספר פולטים וגלאי צילום, חיישנים לנוכחות, מיקום, עשן וכן הלאה.
- אינטגרל. בדגמים כאלה נעשה שימוש נוסף במעגלים לוגיים מיוחדים, בהשוואות, במגברים והתקנים אחרים. בין היתר, היציאות והכניסות שלהם מבודדות בצורה גלוונית.
- יסודי. זוהי הגרסה הפשוטה ביותר של מוצרים שבהם המקלט והפולט נמצאים בעותק אחד בלבד. הם יכולים להיות גם תיריסטורים וגם טרנזיסטור, דיודה, התנגדות, ובכלל, כל אחר.
ניתן להשתמש בכל שלוש הקבוצות או כל אחת בנפרד במכשירים. אלמנטים מבניים ממלאים תפקיד משמעותי ומשפיעים ישירות על הפונקציונליות של המוצר. יחד עם זאת, ציוד מורכב יכול להשתמש גם בזנים הפשוטים והאלמנטריים ביותר, אם זה מתאים. אבל ההפך הוא גם נכון.
מכשירים אופטואלקטרוניים והיישומים שלהם
מנקודת המבט של השימוש במכשירים, ניתן לחלק את כולם ל-4 קטגוריות:
- מעגלים משולבים. משמש במגוון מכשירים. העיקרון משמש בין אלמנטים מבניים שונים באמצעות חלקים נפרדים המבודדים זה מזה. זה מונע מהרכיבים ליצור אינטראקציה בכל דרך אחרת מלבדזה שסופק על ידי המפתח.
- בידוד. במקרה זה, נעשה שימוש בזוגות נגדים אופטיים מיוחדים, זני הדיודה, התיריסטורים או הטרנזיסטור שלהם וכן הלאה.
- טרנספורמציה. זהו אחד ממקרי השימוש הנפוצים ביותר. בה, הזרם הופך לאור ומופעל בצורה זו. דוגמה פשוטה היא כל מיני מנורות.
- טרנספורמציה הפוכה. זוהי גרסה הפוכה לחלוטין, שבה זה האור שהופך לזרם. משמש ליצירת כל מיני מקלטים.
למעשה, קשה לדמיין כמעט כל מכשיר שפועל על חשמל וחסר איזושהי רכיבים אופטואלקטרוניים. הם עשויים להיות מוצגים במספרים קטנים, אבל הם עדיין יהיו נוכחים.
תוצאות
כל ההתקנים האופטואלקטרוניים, תיריסטורים, דיודות, התקני מוליכים למחצה הם אלמנטים מבניים של סוגים שונים של ציוד. הם מאפשרים לאדם לקבל אור, להעביר מידע, לעבד או אפילו לאחסן אותו.
