Делитель частоты световых импульсов

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

234754

Сова Советских

Социалистических

Республик

Зависимое от авт. свидетельства №вЂ”

Кл. 42тпз, 7/56

21а1, 36!22

Заявлено 06.XI1.1965 (№ 1041959/26-24) с присоединением заявки ¹â€”

Приоритет

Опубликовано 10.1.1969. Бюллетень № 4

Дата опубликования описания 23Х.1969

ЧПК G 06f

Н 031

УДК 621.374.4(088.8) Комитет па делам изобретений и открытий при Совете Министров

СССР Автор изобретения

О. Ф. Меньших

Заявитель

Новосибирский государственный университет

ДЕЛИТЕЛЬ ЧАСТОТЫ СВЕТОВЪ|Х ИМПУЛЬСОВ и и 2 б "Bl 2

30

В вычислительной технике известны делители частоты световых импульсов, содержащие фотосопротивления.

Предлагаемый делитель частоты световых импульсов отличается от известных тем, что в нем облучаемые входной последовательностью световых импульсов и соединенные электрически параллельно фотосопротивление и электрооптический затвор подключены последовательно к источнику постоянного тока через диод, а последовательно соединенные ограничивающее сопротивление и фотодиэлектрический конденсатор подключены параллельно к электрооптическому затвору, выход которого оптически связан с фотодиэлектрическим конденсатором.

Это позволяет упростить устройство, повысить его надежность и долговечность, а также уменьшить его габариты.

На фиг. 1 дана принципиальная схема прибора, элементом электрооптического затвора которого является ячейка Керра; на фиг. 2— конструктивная схема прибора с применением в нем ячейки Поккельса; на фиг. 3 — временные диаграммы процессов, происходящих в различных участках схемы.

Устройство, показанное на фиг. 1, содержит фотосопротивление 1, электрооптический затвор, состоящий из поляризатора 2, электрооптической ячейки 8 Керра (или Поккельса) и анализатора 4; фотодиэлектрический конденсатор 5, включенный последовательно с гасящим сопротивлением 6, и диод 7.

На фиг. З,а показана периодическая последовательность световых импульсов с постоянными периодом следования, длительностью световых импульсов и интенсивностью света и в импульсе. Воздействие импульсного светового потока на фотосопротивление 1 приводит

10 к периодическому изменению величины Pq, (1) последнего, как показано на фиг. 3 о. Прибор подключен к источнику постоянного тока с напряжением Lg), так что в исходном состоянии напряжение на конденсаторе 5 равно (для

15 стационарного режима оно несколько больше) напряжению Ц). Напряжение на электродах ячейки 8 также равно этому напряжеHlllo (точнее несколько больше его).

Как извсстно, прозрачность электрооптиче20 ского затвора является функцией приложенного к ячейке напряжения и изменяется по закону где Р— прозрачность электрооптичсского затвора;

F,, и 117„,„. — соответственно входная и выходная интенсивности света

234754 с ()«< -.=кс „ (4) 10

15 à — / 2И (2) 55

65 для электрооптического затвора; а — постоянный коэффициент потерь на затухание света в элементах затвора, величина, близкая к единице при использовании в ячейке Керра нитробензола, а в ячейках

Поккельса — кристаллов ЛДП или КДП (дигидрофосфатов аммония или калия);

B — постоянная Керра для вещества ячейки;

1 — длина ячейки Керра; — расстояние между электродами в ячейке Керра;

Ь вЂ” напряжение, прило>кенное к электродам ячейки Керра.

Пусть напря>кение источника питания Up выбрано так, что электрооптический затвор в исходном состоянии максимально прозрачен

1p= a), т. е. имеет место равенство

При этом первый световой импульс беспрепятственно проходит через электрооптический затвор н воздействует на фотослой конденсатора 5, вызывая увеличение его емкости по закону

Сф (/)! p=.g =- = C4. (1+ (K — 1) (1 — 1 )1 (3) где Сф, — начальное значение емкости 5 в стационарном режиме (исходном), минимальное значение; т — длительность светового импульса на входе прибора;

К вЂ” — коэффициент, показывающий во сколько раз увеличивается емкость фотодиэлектрического конденсатора при его облучении за время облучения т при заданной интенсивности облучения; т — постоянная времени релаксации конденсатора 5, определяемая свойством фотоматериала.

Известны фотодиэлектрические конденсаторы на основе монокристаллов сульфида кадмия с неомическими контактами, изменяющие свою емкость при облучении в 10о раз. Это связано с тем, что основная масса кристалла при облучении является фотопроводящей, и только слои вблизи границ служат изоляторами. Известно также, что при уменьшении времени релаксации фотодиэлектрика относительное изменение емкости конденсатора на нем также уменьшается. В данном приборе целесообразно использовать фотодиэлектрики с величиной релаксации, существенно меньшей длительности светового импульса. Полагая (для упрощения) фотодиэлектрический конденсатор 5 неинерционным элементом по от20

Зо

50 ношению к изменению интенсивности светового потока, облучающего его фоточувствительный слой, легко найти из выражения (3), что при действии на прибор первого светового импульса емкость конденсатора 5 в течение длительности этого импульса становится в К раз больше исходной величины

По закону сохранения энергии следует, что напряжение в первый момент времени на конденсаторе 5 должно «скачком» упасть до величины U„равной о >с — °

m Il y

1-1езависимо от того, что при действии первого светового импульса на фотодиэлектрический конденсатор напря>кение на его зажимах резко падает, напря>кение на ячейке 8 остается равным напряжению источника питания Up.

Это нетрудно понять, так как последовательно с конденсатором 5 установлено гасящее сопротивление 6, на котором в первый момент возникает напряжение, равное Up(7 — 1), В течение длительности импульса т конденсатор 5 (увеличенной в К раз емкости) начинает подзаряжаться до некоторой величины обусловленной величиной постоянной времени цепи, состоящей из последовательно включенных к источнику питания сопротивления б (сопротивлением диода 7 в открытом состоянии пренебрегаем) и конденсатора 5, так что напряжение U, „в конце действия светового импульса (первого) равно

t "с„„, — Ь о — + 1 — — 1 — 1 " (6) где т2 — постоянная времени цепи заряда, равная т =-Рк Сф,, где R — сопротивление б.

По окончании действия светового импульса будем полагать (для упрощения), что емкость конденсатора уменьшится «скачком» до своего исходного значения Сф,. Тогда в силу закона сохранения энергии напряжение на ней увеличится (также «скачком») до величины

У", „,, равно и",.„= КГ,,„,„= и, (1+-(К вЂ” 1)(1 — 1 )),(8) которая превышает напряжение источника Up.

Следовательно, по мере того, как напряжение на конденсаторе 5 превосходит напряжение источника питания Up, диод 7 становится непроводящим, и его сопротивление можно принять равным бесконечности. Таким образом, в конце первого светового импульса образуется ситуация, при которой к ячейке 8 приложено напряжение U"„„, согласно равенству (8). Величина диэлектрических потерь в ячей234754

-")) f .з 1аап — U0 (1 + (K 1) (1 с„,,;- (К вЂ” 1) 1

2Т (10) (12) 25 ке 8 исчезающе мала, поэтому разрядом конденсатора 5 через ячейку пренебрегаем. Конденсатор 5 может разряжаться практически только через большую величину фотосопротивления 1, которое по окончании светового импульса является неосвещенным, т. е. имеет большую величину сопротивления. Постоянная времени разряда конденсатора 5, равная

- =C,. (Л+R Д (9) обеспечивает такую скорость разряда конденсатора, при которой к моменту прихода на прибор второго светового импульса напря>кение на конденсаторе 5, а следовательно, и на электродах ячейки 3 (так как R 4, (i) )) R) будет равно тому значению, при котором электрооптический затвор непрозрачен, т. е. напряжению где Т вЂ” период следования световых импульсов.

Следовательно, второй световой импульс через электрооптический затвор пропущен не будет, т. е. второй световой импульс не воздействует на конденсатор 5. Однако поскольку величина фотосопротивления 1 уменьшаетс» при его облучении, то конденсатор более интенсивно разряжается через него. При выборе постоянной релаксации фотосопротивления 1, равной по порядку длительности световых импульсов, легко понять, что наибольшая скорость разряда конденсатора 5 через фотосопротивление 1 достигается в конце действия второго светового импульса на прибор (т. е. когда частичное прохождение света через затвор уже не представляется опасным с точки зрения надежности работы прибора).

Временная диаграмма напряжения на конденсаторе представлена на фиг. Ç,в, а временная диаграмма напряжения на ячейке 8 — на фиг. Ç,г. Кроме того, на фиг. Ç,г слева дана характеристика прозрачности электрооптического затвора в функции от приложенного к нему напряжения (оно отложено на оси ординат). Из фиг. З,г следует, что первый световой импульс проходит беспрепятственно через электрооптический затвор, второй — практически полностью им задерживается. В промежуток времени между вторым и третьим свеToBbIM импульсами конденсатор 5 продолжает разряжаться, причем основная часть его заряда стекает через фотосопротивление 1 по окончании действия светового (второго) импульса на прибор. При этом к началу действия третьего светового импульса на прибор напряжение на конденсаторе 5 лишь слегка превосходит напряжение источника питания

U0. При этом, как видно из графика прозрачности электрооптического затвора, расположенного слева на фиг. З,г, последний снова прозрачен для световых импульсов.

Таким образом, устройство является делителем частоты входной Ilоcлсдовательности световых импульсов иа два. ЭлсктрооптичеСКий ЗатВОР ПРОПУ Снает 1 .ажДЫИ НЕЧСТ!IЫИ CBOтовой импульс входной послсдовате1BIIOcTII и не пропускает каждый четный.

На фиг. Ç,д представлена временная диаграмма для тока диода 7. Потреблеиис энергии от источника постоянного тока IIpollcxoдит в течение каждого нечетного импульса света. Величина тока i (t) через диод 7 равна

i() 10,1.. - — (1 — — —.— l (11) Нетрудно найти вели ишу мощности, потребляемой прибором от источника питания P. го

t,г р а (<(I)d 0 1 — — ) / =- г/k:

2Т 2RT

0 0 причем наличие двойки в знаменателе выражения (12) вытекает из наличия в приборе режима деления на два.

На фиг. Ç,е представлена временная диаграмма световых импульсов иа выходе электрооптического затвора, т. с. на выходе прибора.

Приведенные аналитические выражения позволяют с достаточной степенью точности рассчитать предлагаемый делитель. Так, при использовании ячейки Ксрра с параметрами

d=0,1 с.и, 1=1 сл1, В=2,2 10 . сл1 в- (для нитробензола) напряжение U0 равно U,=15.2 в.

Напряжение запирания электрооптического модулятора (затвора) равно при этом

U.,„= 21,3 в согласно выражению (10) . Задаваясь значением емкости конденсатора 5

Сф, =1000 Рф, длительностью световых импульсов т=20,иксек, периодом Т= 100 11ксек и полагая величину коэффициента К=З и сопротивление R=10 кол1, находим постояннуlo времени т =30 л1ксек, согласно выражению (7), и потребляемую мощность от источника тока Р=1,2 .явт. Йз выражения (6) находим

U,,„„. =10 в. Следовательно, согласно выра?кению (8) напряжение на конденсаторе 5 после окончания нечетных cBCToBblx импульсов

=30 в. При этом, согласно выражению

55 (10), находим величину постоянной времени т;;=235,иксек, Отсюда, согласно выражению (9) находим величину максимального фотосопротивления и ри отсутствии его облучения вО Рф =225 ко.я, отмечаем, что действительно таа вели шна фотосспротивления много больше всличины гасящего collpoTIIBления 6.

При этих условиях на выходе прибора выделяется послсдсвательиость световых

65 импульсов с частотой повторения 5 ке11

234754

50 при TQH же длительности световых импульсов (20 мксвк), т. е. прибор является делителем частоты световых импульсов на два.

Рассмотренный вариант, конечно, не является оптимальным с точки зрения возможного быстродействия элемента. При выборе соответствующих материалов для фотодиэлектрического конденсатора 5 (с малым временем релаксации) и фотосопротивления (с временем релаксации, сравнимым с длительностью световых импульсов), можно значительно повысить быстродействие делителя, т. е. увеличить частоту следования входных световых импульсов.

Устройство может быть рассчитано так же, как делитель частоты световых импульсов на три. При этом необходимо, чтобы электрооптический затвор был непрозрачным как для второго, так и для третьего световых импульсов, согласно выражению (1). Однако при этом усложняется расчет делителя и уменьшается надежность его работы.

При использовании в предлагаемом устройстве ячейки Поккельса (на кристаллах ЛДП или КДП при линейном электрооптическом эффекте, при котором электрическое поле прикладывается вдоль направления распространения света в ячейке), прибор весьма компактен, а технология его изготовления проста. На фиг. 2 в разрезе показана конструктивная схема прибора с электрооптическим затвором на ячейке Поккельса (дана крупной штриховK0H) .

На боковые грани ячейки нанесены полупрозрачные проводящие слои (например, серебра испарением в вакууме), являющиеся электродами ячейки. Кольцевые электроды ячейки являются одновременно электродами для фотосопротивления 1 и сопротивления б, расположенных соответственно с входной и выходной сторон ячейки (фотослой и пленочное сопротивление б представлены двойной штриховкой) . Фотосопротивление 1 имеет центральное отверстие для пропуска части входного светового потока на электрооптический затвор. Спереди и сзади ячейки Поккельса установлены скрещенные Николи или дихропческие пленки (поляризатор 2 и анализатор света 4). Второй электрод пленочного сопротивления б (дисково-кольцевой формы) является одновременно и электродом конденса5 ю

35 тора 5. Другим электродом. конденсатора 5 является проводящая металлическая подложка, на которую нанесен фотослой (фотодиэлектрик). Один пз электродов конденсатора

5, как и у ячейки 3, полупрозрачный и проводящий. Этот электрод связан с кольцевым контактом сопротивления б. В центре конденсатора 5 сделано отверстие для пропуска части падающих на него лучей света на выход прибора. Конструкция устройства в целом жесткая, компактная. Прибор заключен в стеклянный баллон, из которого откачен воздух, что способствует сохранению полупрозрачных покрытий и обеспечивает длительный срок службы (практически неограниченный) .

Диод 7 также может быть размещен в общем баллоне прибора, так как точечный диод практически це занимает места в приборе.

Предложенный вариант выполнения прибора, конечно, не претендует на полную законченность, хотя в таком выполнении прибор является перспективным прп создании на его основе «матриц» из идентичных приборов, освещаемых от общего источника световых импульсов. Настройка прибора может состоять в частичном закрытии рабочей поверхности фотосопротивления 1, например, чернением внешней части баллона прибора со стороны фотосопротивления 1. При этом изменяется характер кривой разряда конденсатора 5, данной на фиг. З,в, а следовательно, обеспечивается необходимая четкость работы делителя.

Кроме того, варьироваться могут напряжение источника и интенсивность светового облучения.

Предмет изобретения

Делитель частоты световых импульсов, содержащий фотосопротивление, отлича ощийся тем, что, с целью упрощения конструкции, повышения надежности и долговечности и уменьшения габаритов, в нем облучаемые входной последовательностью световых импульсов и соединенные электрически параллельно фотосопротивление и электрооптический затвор подключены последовательно к источнику постоянного тока через диод, а последовательно соединенные ограничивающее сопротивление и фотодиэлектрический конденсатор подключены параллельно к электрооптическому затвору, выход которого оптически связан с фотодиэлектрическим конденсатором.

234754

Фм.за юг. Л фиг. 3е

Составитель А. А. Плащик

Редактор Л. А, Утехина Техред Л. К. Малова Корректор Колабин

Заказ 666/5 Тираж 465 Подписное

ЦНИИПИ Комитета по делам изобретений и открытий при Совете Министров СССР

Москва, Центр, пр. Серова, д. 4

Типография, пр. Сапунова, 2