Способ использования оптрона в качестве конденсатора переменной емкости Российский патент 2025 года по МПК H10F55/20 

Изобретение относится к области радиотехники и может быть применено в радиоэлектронной аппаратуре различного назначения, в частности, в подстроечных элементах высокочастотных электрических цепей, в радиосвязи и проводной связи, в гетеродинах, в специальных измерительных устройствах.

Оптрон состоит из излучателя, оптического канала и фотоприемника, которые расположены, как правило, в едином закрытом корпусе. В оптроне происходит преобразование электрического сигнала в оптическое излучение, передача этого излучения по короткому каналу и его обратное преобразование в электрический сигнал. По типу фотоприемника с p-n-переходами различают диодные, транзисторные, тиристорные и симисторные оптроны.

Известен единственный способ работы оптрона - это способ работы в качестве управляемого источника напряжения или тока. Этот способ позволяет оптрону выполнять функции маломощного безындуктивного трансформатора, а также элемента цепей с гальванической развязкой, коммутаторных схем, электронных ключей, схем управления, устройств с датчиками и блоками измерения, согласующих цепей и т.п.

Основным недостатком данного способа работы оптрона является то, что он не предусматривает использование переменной электрической емкости фотоприемника, которая зависит от электрического сигнала на излучателе.

Известны механические конденсаторы переменной емкости, выполненные в виде статора и ротора с диэлектрическим зазором между ними ([1] Азарх С. Х. Конденсаторы переменной емкости. М.-Л.: «Энергия», 1965; [2] Справочник по электрическим конденсаторам / Дьяконов М. Н., Карабанов В. И., Присняков В. И. и др.; под общ. ред. И.И. Четверткова и В. Ф. Смирнова. М.: Радио и связь, 1983.).

Недостатками таких конденсаторов являются большие габариты и масса, малые значения перекрытия по емкости, сложность или невозможность электронного и автоматического управления.

Известны конденсаторы переменной емкости с электронным управлением. К ним относятся варикапы, вариконды, диоды с резким восстановлением.

Недостатками таких конденсаторов являются малые значения перекрытия по емкости, радиационная восприимчивость, нелинейная зависимость электрической емкости от напряжения, которое подается непосредственно на прибор, зависимость электрической емкости от температуры.

В качестве прототипа изобретения выступает фотоварикап, который представляет собой разновидность полупроводникового фотодиода и помимо переменного сопротивления имеет оптически регулируемую электрическую емкость (Бузанова Л.К. Глиберман А.Я. Полупроводниковые фотоприемники. М. "Энергия", 1976.). Известны патенты на устройства с фотоварикапами и применения фотоварикапов в качестве различных датчиков: SU 798504A1, SU1698653A1, RU 2091844 C1, RU 2186438 C1, US 3470378 A, US 11088447 B2 и др.

Основными недостатками фотоварикапов являются их узкое применение в качестве датчиков оптических сигналов и датчиков электромагнитных волн, а также невозможность их использования как конденсаторов переменной емкости в системах с автоматическим управлением резонансной частоты, например в супергетеродинах.

Задача, решаемая изобретением: создание конденсатора переменной емкости с повышенной добротностью и коэффициентом перекрытия по емкости за счет оптоэлектронного управления.

Задача решается путем использования оптрона в качестве конденсатора переменной емкости, а также подключения двух внешних источников электрических сигналов, первый из которых обеспечивает регулировку излучателя и изменение электрической емкости фотоприемника оптрона, а второй - отрицательное обратное смещение на фотоприемнике.

Реализация изобретения состоит в следующем. Из физики полупроводников известно, что при непрерывной оптической засветке структур с p-n-переходами происходит генерация избыточных электронно-дырочных пар и фотовольтаический эффект. Это приводит к уменьшению ширины области пространственного заряда p-n-переходов и увеличению количества свободных носителей заряда в полупроводниковых областях. В результате увеличиваются барьерные емкости всех имеющихся p-n-переходов и уменьшается реактивная составляющая сопротивления. Эти процессы имеют место в диодном, транзисторном, тиристорном и симистороном оптронах. В оптроне оптическое воздействие обеспечивает излучатель, а роль p-n-переходов и полупроводниковых областей выполняет фотоприемник, который может быть изготовлен в виде диода, транзистора, тиристора или симистора. Поскольку интенсивность излучения зависит от внешнего сигнала, электрическая емкость фотоприемника оптрона также оказывается зависящей от этого сигнала. Паразитная индуктивность в данном случае мала, поэтому добротность оптрона, работающего в емкостном режиме, соответствует добротности варикапа, то есть составляет 1000 - 10000. Коэффициент перекрытия по емкости зависит от процесса генерации электронно-дырочных пар в фотоприемнике оптрона и оказывается намного выше, чем у стандартных варикапов, у которых этот коэффициент зависит от свойств обратно смещенного p-n-перехода. Имеется принципиальная возможность получения коэффициента перекрытия по емкости более 100. Фотоприемник оптрона включается в электрическую цепь вместо конденсатора. На излучатель оптрона подается напряжение для установления требуемого значения электрической емкости фотоприемника оптрона. Это напряжение можно регулировать как вручную, так и автоматически. Для устранения шумов и стабилизации сигнала можно дополнительно подать на фотоприемник оптрона постоянное отрицательное смещение. В условиях непрерывного оптического облучения снижается чувствительность фотоприемника оптрона к воздействию внешних электромагнитных полей, что приводит к повышению радиационной стойкости. Таким образом, предлагаемый способ работы оптрона может быть реализован, например, в гетеродинах и антенных устройствах.

Выделяются следующие примеры применения изобретения. Предлагаемый способ работы оптрона может применяться для настройки радиочастотных цепей. В этом случае оптрон включается в схему контура для регулировки частоты передаваемых или принимаемых сигналов. Напряжение, подаваемое на излучатель оптрона, изменяет емкость фотоприемника, что влияет на резонансную частоту контура. Это дает возможность осуществлять регулировку частоты настройки радиоприемника.

Предлагаемый способ работы оптрона может применяться в схемах регулировки частоты генераторов в широком диапазоне, которые прецизионно управляются внешним напряжением. Такие генераторы используются в качестве синтезаторов частот, генераторов сигналов и в системах связи.

Предлагаемый способ работы оптрона может применяться в схемах с частотной модуляцией. В этих схемах осуществляется изменение частоты несущего сигнала согласно модулирующему сигналу. Это требуется в устройствах для передачи данных и беспроводной связи, в которых используется частотная регулировка.

На фиг.1-3 показан пример применения транзисторного оптрона в RC-цепи.

Схема подключения представлена на фиг.1, где номера 1-4 означают выводы оптрона. Увеличение напряжения на излучателе приводит к увеличению электрической емкости фотоприемника и к увеличению времени нарастания переднего фронта выходного сигнала, что продемонстрировано на фиг.2. Время нарастания и электрическая емкость связаны между собой по следующей формуле: t=2,2RC.

На фиг.3 показана зависимость электрической емкости фотоприемника оптрона от потребляемой электрической мощности излучателя оптрона. Эта зависимость по своей форме близка к логистической S-образной функции.

Из графика видно, что обеспечивается коэффициент перекрытия по емкости около 5, что выше, чем у многих промышленных варикапов. Измерения c RC-цепью выявляют нелинейное изменение электрической емкости фотоприемника, которое происходит при изменении мощности управляющего электрического сигнала на излучателе, что можно отнести к недостатку предлагаемого способа работы оптрона.

Использование в радиоэлектронной аппаратуре различного назначения, в частности в подстроечных элементах высокочастотных электрических цепей, в радиосвязи и проводной связи, в гетеродинах, в генераторах, в специальных измерительных устройствах. Сущность изобретения заключается в том, что способ использования оптрона в качестве конденсатора переменной емкости включает подключение двух внешних источников электрических сигналов к оптрону, первый из которых обеспечивает регулировку излучателя оптрона и изменение электрической ёмкости фотоприемника оптрона, путем подачи напряжения на излучатель оптрона, а второй внешний источник электрических сигналов обеспечивает отрицательное обратное смещение на фотоприемнике оптрона, путем подачи на фотоприёмник оптрона постоянного отрицательного смещения. Технический результат обеспечение возможности создания конденсатора переменной емкости с повышенной добротностью и коэффициентом перекрытия по емкости за счет оптоэлектронного управления. 3 ил.

Способ использования оптрона в качестве конденсатора переменной емкости, включающий подключение двух внешних источников электрических сигналов к оптрону, первый из которых обеспечивает регулировку излучателя оптрона и изменение электрической ёмкости фотоприемника оптрона, путем подачи напряжения на излучатель оптрона, а второй внешний источник электрических сигналов обеспечивает отрицательное обратное смещение на фотоприемнике оптрона, путем подачи на фотоприёмник оптрона постоянного отрицательного смещения.