Omkopplingskrets för optokopplare. Vad är optokopplare och deras syfte? Fig.6.17

Vad är en optokopplare

En optokopplare är en optoelektronisk anordning, vars huvudsakliga funktionella delar är en ljuskälla och en fotodetektor, som inte är galvaniskt anslutna till varandra, utan placerade inuti ett gemensamt tätat hus. Funktionsprincipen för optokopplaren är baserad på det faktum att den elektriska signalen som appliceras på den orsakar en glöd på sändningssidan, och redan i form av ljus tas signalen emot av fotodetektorn, vilket initierar en elektrisk signal på den mottagande sida. Det vill säga att signalen sänds och tas emot via optisk kommunikation inom den elektroniska komponenten.

En optokopplare är den enklaste typen av optokopplare. Den består endast av emitterande och mottagande delar. En mer komplex typ av optokopplare är en optoelektronisk mikrokrets, som innehåller flera optokopplare kopplade med en eller flera matchande eller förstärkande enheter.

Således är en optokopplare en elektronisk komponent som tillhandahåller optisk signalöverföring i en krets utan galvanisk koppling mellan signalkällan och dess mottagare, eftersom fotoner är kända för att vara elektriskt neutrala.

Struktur och egenskaper hos optokopplare

Optokopplare använder fotodetektorer som är känsliga i de nära infraröda och synliga områdena, eftersom det är för denna del av spektrumet som intensiva strålningskällor är karakteristiska som kan fungera som fotodetektorer utan kylning. Kiselbaserade fotodetektorer med p-n-övergångar (dioder och transistorer) är universella, deras region med maximal spektral känslighet är nära 0,8 μm.

Optokopplaren kännetecknas primärt av strömöverföringskoefficienten CTR, det vill säga förhållandet mellan strömmarna för ingångs- och utsignalerna. Nästa parameter är signalöverföringshastigheten, i själva verket den begränsande frekvensen fc för optokopplaren, associerad med stigtiderna tr och cutoff tf för sända pulser. Slutligen parametrarna som kännetecknar optokopplaren vad gäller galvanisk isolering: isolationsresistans Riso, maxspänning Viso och kapacitans Jfr.

Inmatningsenheten, som är en del av optokopplarens struktur, är utformad för att skapa optimala driftsförhållanden för sändaren (LED), för att flytta arbetspunkten till den linjära CVC-zonen.

Inmatningsenheten har tillräcklig hastighet och ett brett utbud av inströmmar, vilket säkerställer tillförlitlig överföring av information även vid en låg (tröskel)ström. Det optiska mediet är placerat inuti höljet, genom vilket ljus överförs från sändaren till fotodetektorn.

Optokopplare med en kontrollerad optisk kanal har ytterligare enhet styrning, genom vilken det är möjligt att påverka det optiska mediets egenskaper med hjälp av elektriska eller magnetiska medel. På sidan av fotodetektorn återställs signalen och konverteras från optisk till elektrisk med hög hastighet.

Utmatningsanordningen på sidan av fotodetektorn (till exempel en fototransistor som ingår i kretsen) är utformad för att omvandla signalen till en elektrisk standardform, bekvämt för vidare bearbetning i blocken efter optokopplaren. En optokopplare innehåller ofta inte in- och utgångsenheter, så den kräver externa kretsar för att skapa ett normalt driftläge i en enhets krets.

Användning av optokopplare

Optokopplare används ofta i block av olika utrustning, där det finns lågspännings- och högspänningskretsar, styrkretsar är frikopplade från kraftkretsar: styrning av kraftfulla triacs och tyristorer, reläkretsar, etc.

Diod-, transistor- och resistoroptokopplare används i radioteknisk modulering och automatiska förstärkningsstyrkretsar. Genom påverkan av den optiska kanalen är kretsen beröringsfri reglerad och förs till det optimala driftläget.

Optokopplare är så mångsidiga att även som element av galvanisk isolering och kontaktlös styrning används de i så många olika branscher och i så många unika funktioner att det är omöjligt att lista allt.

Här är bara några av dem: datorteknik, kommunikationsteknik, automation, radioutrustning, automatiserade styrsystem, mätinstrument, styr- och reglersystem, medicinsk utrustning, visuell informationsdisplay och mycket mer.

Fördelar med optokopplare

Användningen av optokopplare på kretskort gör det möjligt att uppnå idealisk galvanisk isolering när kraven på isolering av högspännings- och lågspännings-, in- och utgångskretsar vad gäller resistans är extremt höga. Spänningen mellan sändar- och mottagarkretsarna i den populära optokopplaren PC817 är till exempel 5000 V. Dessutom uppnås en extremt låg kapacitans i storleksordningen 1 pF med optisk isolering.

Med hjälp av optokopplare är kontaktlös styrning mycket enkel att implementera, samtidigt som det lämnar utrymme för unika designlösningar gällande direkta styrkretsar. Det är också viktigt här att det absolut inte finns någon reaktion från mottagaren på källan, det vill säga information sänds enkelriktat.

Den bredaste bandbredden hos optokopplaren eliminerar begränsningarna som låga frekvenser lägger: med hjälp av ljus är det möjligt att sända åtminstone en konstant signal, till och med en pulsad, och med mycket branta fronter, vilket är fundamentalt omöjligt att göra med hjälp av pulstransformatorer. Kommunikationskanalen inuti optokopplaren är absolut immun mot effekterna av elektromagnetiska fält, så signalen är skyddad från störningar och störningar. Slutligen är optokopplare helt kompatibla med andra elektroniska komponenter.

En optokopplare (annars - en optokopplare) är en elektronisk anordning utformad för att omvandla elektriska signaler till ljus, överföra dem genom optiska kanaler och omvandla signalen tillbaka till elektriska. Designen av optokopplaren innebär närvaron av en speciell ljussändare (i moderna enheter används ljusdioder för detta, tidigare modeller var utrustade med små glödlampor) och en enhet som ansvarar för att konvertera den mottagna optiska signalen (fotodetektor). Båda dessa komponenter kombineras med en optisk kanal och ett gemensamt hölje.

Klassificering av sorter av optokopplare

Det finns flera egenskaper enligt vilka optokopplarmodeller kan delas in i flera grupper.

Beroende på graden av integration:

elementär optokopplare - inkluderar 2 eller flera element förenade av ett gemensamt hus;
optokopplare integrerad krets - konstruktionen består av en eller flera optokopplare och kan dessutom fortfarande utrustas med komplementära element (till exempel en förstärkare).

Beroende på typen av optisk kanal:

Optisk kanal av öppen typ;
Optisk kanal av sluten typ.

Beroende på typ av fotodetektor:

Fotoresistor (eller helt enkelt motståndsoptokopplare);
Fotodiodoptokopplare;
Fototransistor (med en konventionell eller sammansatt bipolär fototransistor) optokopplare;
eller fototriaciska optokopplare;
Optokopplare som fungerar med hjälp av en fotovoltaisk generator (solbatteri).

Utformningen av enheter av den senare typen kompletteras ofta med fälteffekttransistorer, samma generator är ansvarig för att styra grinden.

Fototriacoptokopplare eller de som är utrustade med fälteffekttransistorer kan kallas "opto-relä" eller "".

Fig.1: Optokopplare

Optoelektroniska enheter fungerar olika beroende på vilken av de två typerna av riktningar de tillhör:

Elektrooptisk.

Driften av enheten är baserad på principen enligt vilken ljusenergi omvandlas till elektrisk energi. Dessutom utförs övergången genom en fast kropp och processerna för den interna fotoelektriska effekten som uppstår i den (uttryckt i emission av elektroner från ämnet under inverkan av fotoner) och glödeffekten under inverkan av ett elektriskt fält.

Optisk.

Enheten fungerar på grund av den subtila interaktionen mellan en solid kropp och elektromagnetisk strålning, samt använder laser, holografiska och fotokemiska enheter.

Fotoniska elektroniska datorer sätts ihop med en av två kategorier av optiska element:

Optokopplare;
Kvantoptiska element.

De är modeller av enheter i elektronoptisk respektive optisk riktning.

Huruvida optokopplaren kommer att sända signalen linjärt bestäms av de egenskaper som fotodetektorn som är inbyggd i designen har. Den högsta transmissionslinjäriteten kan förväntas från resistoroptokopplare. Som ett resultat är driften av sådana enheter mest bekväm. Ett steg lägre är modeller med fotodioder och enkla bipolära transistorer.

För att säkerställa driften av pulsanordningar används optokopplare på bipolära eller fälteffekttransistorer, eftersom det inte finns något behov av linjär signalöverföring.

Slutligen är fototyristoroptokopplare monterade för att ge galvanisk isolering och säker drift av enheten.

Ansökan

Det finns många områden där användningen av optokopplare är nödvändig. En sådan bredd i tillämpningen beror på att de är element med många olika egenskaper och var och en av deras egenskaper har en separat omfattning.

Fixering av mekanisk påverkan (enheter utrustade med en optisk kanal av öppen typ används, som kan blockeras (ger mekanisk påverkan), vilket innebär att själva enheten kan användas som en sensor):
- Närvarodetektorer (detektering av närvaro / frånvaro av pappersark i skrivaren);
- Slut(start)punktsdetektorer;
- Räknare;
- Diskreta hastighetsmätare.
Galvanisk isolering (användningen av optokopplare låter dig sända en signal som inte är relaterad till spänning, de ger också beröringsfri kontroll och skydd), som kan tillhandahållas av:
- Optokopplare (i de flesta fall används den som en informationssändare);
- Optorelay (mer lämplig för styrning av signal- och strömkretsar).

Optokopplare

Användningen av transistorer eller integrerade optokopplare är särskilt viktigt om det krävs att tillhandahålla galvanisk isolering i en signalkrets eller en krets med en liten styrström. Rollen för ett kontrollelement kan utföras av tre-elektrods halvledarenheter, kretsar som styr diskreta signaler, såväl som kretsar med en speciell specialisering.

Fig2: Optokopplare 5000 Vrms 50mA.

Parametrar och funktioner för driften av optokopplare

Baserat på enhetens exakta design är det möjligt att bestämma dess dielektriska styrka. Denna term hänvisar till värdet på spänningen som uppstår mellan ingångs- och utgångskretsarna. Så tillverkare av optokopplare som tillhandahåller galvanisk isolering visar ett antal modeller med olika paket:

SSOP;
Mini platt ledning.

Beroende på typ av hölje genererar optokopplaren en eller annan isolationsspänning. För att skapa förhållanden där spänningsnivån som är tillräcklig för isolationsbrott var tillräckligt hög, bör optokopplaren utformas på ett sådant sätt att följande delar är placerade tillräckligt långt från varandra:

och optisk inspelare;
Insidan och utsidan av väskan.

I vissa fall kan du hitta optokopplare av en specialiserad grupp, tillverkade i enlighet med den internationella säkerhetsstandarden. Nivån på elektrisk styrka hos dessa modeller är en storleksordning högre.

En annan signifikant parameter för en transistoroptokopplare kallas "strömöverföringskoefficienten". Enligt värdet på denna koefficient är enheten tilldelad en eller annan kategori, som visas i modellnamnet.

Det finns inga begränsningar för nivån på den lägre driftsfrekvensen för optokopplare: de fungerar bra i en DC-krets. Och den övre gränsen för driftsfrekvensen för dessa enheter som är involverade i överföringen av signaler av digitalt ursprung beräknas i hundratals megahertz. För optokopplare av linjär typ är denna siffra begränsad till tiotals megahertz. För de långsammaste designerna, inklusive en glödlampa, är den roll som lågpassfilter som arbetar vid frekvenser under 10 Hertz mest karakteristisk.

Transistor optokopplare och bruset den producerar

Det finns två huvudorsaker till varför driften av ett transistorpar åtföljs av bruseffekter:

För att övervinna den första orsaken måste du montera en speciell skärm. Den andra elimineras genom ett korrekt valt driftläge.

Optorelay

Ett opto-relä, även känt som ett solid state-relä, används vanligtvis för att reglera driften av en krets med stora styrströmmar. Styrelementets roll här utförs vanligtvis av två MOSFET-transistorer med en motsatt anslutning, en sådan konfiguration ger möjligheten att arbeta i AC-förhållanden.

Fig. 3: Optorelay KR293 KP2V

Klassificering av typer av optorelä

Tre typer av topologier är definierade för opto-reläet:

Normalt öppet.Det antas att styrkretsen kommer att stängas endast i det ögonblick som styrspänningen appliceras på ljusdiodens terminaler.
normalt stängt.Det antas att styrkretsen kommer att öppna endast i det ögonblick som styrspänningen appliceras på ljusdiodens terminaler.
växlande.Den tredje topologin involverar en kombination av normalt stängda och normalt öppna kanaler.

Ett opto-relä, liksom en opto-kopplare, har en egenskap för elektrisk styrka.

Varianter av opto-relä

Standardmodeller;
Modeller med lågt motstånd;
Modeller med liten СxR;
Modeller med låg förspänning;
Modeller med hög isoleringsspänning.

Användningsområden för optoreläet

Modem;
mätinstrument;
gränssnitt med den verkställande enheten;
Automatiska telefonväxlar;
Elektrisk, termisk, gasmätare;
Signalomkopplare.

Skriv kommentarer, tillägg till artikeln, kanske har jag missat något. Ta en titt på , jag blir glad om du hittar något annat användbart på min.

Beskrivning, egenskaper, datablad och metoder för att testa optokopplare med exemplet PC817.

I fortsättningen av ämnet "Populära radiokomponenter för reparationer av strömförsörjning", kommer vi att analysera ytterligare en detalj - optokopplare (optokopplare) PC817. Den består av en lysdiod och en fototransistor. De är inte elektriskt anslutna till varandra, på grund av vilket, på grundval av PC817 det är möjligt att implementera galvanisk isolering av två delar av kretsen - till exempel med hög spänning och låg. Öppningen av fototransistorn beror på lysdiodens belysning. Jag kommer att analysera hur detta händer mer i detalj i nästa artikel, där man i experiment, genom att applicera signaler från generatorn och analysera den med ett oscilloskop, kan förstå en mer exakt bild av optokopplarens funktion.

I andra artiklar kommer jag att prata om den icke-standardiserade användningen av en optokopplare, den första i rollen och i den andra. Och med hjälp av dessa kretslösningar kommer jag att montera en mycket enkel optokopplartestare. Som inte behöver några dyra och sällsynta enheter, utan bara några billiga radiokomponenter.

Objektet är inte sällsynt och inte dyrt. Men mycket beror på det. Den används i nästan varje gång (jag menar inte någon exklusiv) switchande strömförsörjning och fungerar som en återkoppling och oftast i kombination med den mycket populära radiokomponenten TL431

För de läsare som har lättare att uppfatta information på gehör råder vi dig att titta på videon allra längst ner på sidan.

Optokopplare (Optokopplare) PC817

Korta egenskaper:

Kompakt hölje:

stiftdelning - 2,54 mm;
mellan rader - 7,62 mm.

Tillverkaren av PC817 är Sharp, det finns andra tillverkare av elektroniska komponenter som producerar analoger, till exempel:

Siemens-SFH618
Toshiba-TLP521-1
NEC-PC2501-1
LITEON-LTV817
Cosmo-KP1010

Förutom den enda optokopplaren PC817 finns andra alternativ tillgängliga:

PC827 - dubbel;
PC837 - byggd;
PC847 - fyrhjuling.

Test av optokopplare

För ett snabbt test av optokopplaren körde jag några testexperiment. Först på brödbrädan.

Alternativ för brödbräda

Som ett resultat erhölls en mycket enkel krets för att testa PC817 och andra liknande optokopplare.

Den första versionen av schemat

Jag avvisade det första alternativet av anledningen att det inverterade transistormarkeringen från n-p-n till p-n-p

Därför, för att undvika förvirring, ändrade jag schemat till följande;

Den andra versionen av schemat

Det andra alternativet fungerade korrekt, men det var obekvämt att lossa standarduttaget

under mikrokretsen

Sockel SCS-8

Den tredje versionen av schemat

Det mest lyckade

Uf är spänningen på lysdioden vid vilken fototransistorn börjar öppna.

i min version Uf = 1,12 volt.

Resultatet är en mycket enkel design.

1. Introduktion. 2

1.1. Grundläggande definitioner. 2

1.2. Särskiljande egenskaper optokopplare. 2

1.3. Generaliserat blockschema. 3

1.4. Ansökan. fyra

1.5. Berättelse. 5

2. Fysiska grunder för optokopplarteknologi. 6

2.1. Elementbas och anordning för optokopplare. 6

2.2. Fysik för energiomvandling i en diodoptokopplare. 7

3. Parametrar och egenskaper hos optokopplare och optoelektroniska integrerade kretsar. 13

3.1. Klassificering av parametrar för produkter av optokopplarutrustning. 13

3.2. Diodoptokopplare. fjorton

3.3. Transistor och tyristor optokopplare. femton

3.4. Resistor optokopplare. femton

3.5. Differentialoptokopplare. femton

3.6. Optoelektroniska mikrokretsar. 16

4. Omfattningar av optokopplare och optokopplare mikrokretsar. 16

4.1. Överföring av information. 17

4.2. Ta emot och visa information. arton

4.3. Styrning av elektriska processer. arton

4.4. Byte av elektromekaniska produkter. 19

4.5. Energifunktioner. 19

5. Litteratur. 19

1. INTRODUKTION

1.1 Grundläggande definitioner.

Optokopplare kallas sådana optoelektroniska enheter där det finns en källa och en strålningsmottagare (ljussändare och fotodetektor) med en eller annan typ av optisk och elektrisk förbindelse mellan dem, strukturellt förbundna med varandra.

Funktionsprincipen för optokopplare av alla slag är baserad på följande. I emittern omvandlas den elektriska signalens energi till ljus, i fotodetektorn, tvärtom, orsakar ljussignalen ett elektriskt svar.

I praktiken har endast optokopplare blivit utbredda, som har en direkt optisk koppling från sändaren till fotodetektorn och som regel är alla typer av elektriska förbindelser mellan dessa element uteslutna.

Beroende på graden av komplexitet hos blockschemat särskiljs två grupper av enheter bland produkterna från optokopplarteknologi. En optokopplare (de säger också "elementär optokopplare") är en optoelektronisk halvledarenhet som består av ett emitterande och fotomottagande element, mellan vilka det finns en optisk anslutning som ger elektrisk isolering mellan ingången och utgången. En optoelektronisk integrerad krets är en mikrokrets som består av en eller flera optokopplare och en eller flera matchande eller förstärkande enheter som är elektriskt anslutna till dem.

Således, i en elektronisk krets, utför en sådan anordning funktionen av ett kopplingselement, i vilket samtidigt elektrisk (galvanisk) isolering av ingången och utgången utförs.

1.2 Särdrag hos optokopplare.

Fördelarna med dessa enheter är baserade på den allmänna optoelektroniska principen att använda elektriskt neutrala fotoner för informationsöverföring. De viktigaste är följande:

Möjlighet att tillhandahålla idealisk elektrisk (galvanisk) isolering mellan ingång och utgång; för optokopplare finns det inga grundläggande fysiska eller designmässiga begränsningar för att uppnå godtyckligt höga spänningar och avkopplingsresistanser och godtyckligt liten kapacitans;

Möjligheten att implementera kontaktlös optisk styrning av elektroniska objekt och den resulterande variationen och flexibiliteten av designlösningar för styrkretsar;

Enkelriktad distribution av information genom den optiska kanalen, ingen återkoppling från mottagaren till sändaren;

Bred frekvensbandbredd för optokopplaren, ingen begränsning från låga frekvenser (vilket är typiskt för pulstransformatorer); möjligheten att sända både en pulssignal och en konstant komponent genom en optokopplarkrets;

Möjligheten att styra utsignalen från optokopplaren genom att verka (inklusive icke-elektrisk) på materialet i den optiska kanalen och den resulterande möjligheten att skapa en mängd olika sensorer, såväl som en mängd olika enheter för att överföra information;

Möjligheten att skapa funktionella mikroelektroniska enheter med fotodetektorer, vars egenskaper, när de är upplysta, förändras enligt en komplex given lag;

Immunitet hos optiska kommunikationskanaler mot effekterna av elektromagnetiska fält, vilket i fallet med "långa" optokopplare (med en utökad fiberoptisk ljusledare mellan sändaren och mottagaren) gör dem immuna mot störningar och informationsläckage, och även utesluter ömsesidig störning;

Fysisk och konstruktiv-teknologisk kompatibilitet med andra halvledar- och mikroelektroniska enheter.

Optokopplare har också vissa nackdelar:

Betydande strömförbrukning på grund av behovet av dubbel energiomvandling (el - ljus - el) och låg effektivitet av dessa övergångar;

Ökad känslighet hos parametrar och egenskaper för effekterna av förhöjd temperatur och penetrerande kärnstrålning;

Mer eller mindre märkbar tillfällig försämring (försämring) av parametrar;

En relativt hög nivå av inneboende brus, som, liksom de två föregående nackdelarna, beror på de speciella egenskaperna hos lysdiodernas fysik;

Komplexiteten i implementeringen av återkoppling, orsakad av den elektriska isoleringen av ingångs- och utgångskretsarna;

Strukturell och teknisk ofullkomlighet förknippad med användningen av hybrid icke-plan teknologi (med behovet av att kombinera flera separata kristaller från olika halvledare placerade i olika plan i en enhet).

De angivna bristerna hos optokopplare elimineras delvis med förbättring av material, teknik, kretsar, men ändå kommer de under lång tid att vara av en ganska grundläggande natur. Deras fördelar är dock så höga att de ger säker icke-konkurrenskraft för optokopplare bland andra mikroelektroniska enheter.

1.3 Generaliserat blockschema (Fig. 1.1).

Fig 1.1. Generaliserat blockschema över en optokopplare.

Som ett kopplingselement kännetecknas en optokopplare av en överföringskoefficient K i bestäms av förhållandet mellan ut- och ingångssignalerna och den maximala informationsöverföringshastigheten F. Praktiskt taget istället för F mäta stig- och falltiderna för sända pulser t nar (sp) eller gränsfrekvens. Optokopplarens möjligheter som ett element i galvanisk isolering kännetecknas av maximal spänning och isolationsresistans Du razv och R utveckling och passningskapacitet C razv .

I strukturdiagrammet i fig. 1.1 används inmatningsenheten för att optimera sändarens driftläge (till exempel skiftning av lysdioden till den linjära sektionen av watt-amperekarakteristiken) och omvandling (förstärkning) av den externa signalen. Ingångsblocket måste ha en hög omvandlingseffektivitet, hög hastighet, ett brett dynamiskt område av tillåtna inströmmar (för linjära system), ett lågt värde på "tröskel" ingångsströmmen, vilket säkerställer tillförlitlig överföring av information genom kretsen.

Syftet med det optiska mediet är att överföra energin hos den optiska signalen från sändaren till fotodetektorn, och i många fall att säkerställa strukturens mekaniska integritet.

Den grundläggande möjligheten att styra mediets optiska egenskaper, till exempel genom att använda elektrooptiska eller magneto-optiska effekter, återspeglas genom införandet av en styrenhet i kretsen.I detta fall får vi en optokopplare med en kontrollerad

optisk kanal, som funktionellt skiljer sig från en "normal" optokopplare: utsignalen kan ändras både vid ingången och vid styrkretsen.

I fotodetektorn "återställs" informationssignalen från optisk till elektrisk; samtidigt strävar de efter att ha hög känslighet och hög hastighet.

Slutligen är utgångsenheten utformad för att omvandla fotodetektorsignalen till en standardform som är bekväm för att påverka efterföljande kaskader efter optokopplaren. En nästan obligatorisk funktion hos utgångsenheten är signalförstärkning, eftersom förlusterna efter dubbelkonvertering är mycket betydande. Ofta utförs förstärkningsfunktionen av fotodetektorn själv (till exempel en fototransistor).

Allmänt blockschema fig. 1.1 implementeras i varje specifik enhet endast av en del av blocken. I enlighet med detta finns det tre huvudgrupper av enheter för optokopplarteknologi; tidigare namngivna optokopplare (elementära optokopplare) som använder blockljussändare - optiskt medium - fotodetektor; optoelektroniska (optokopplare) mikrokretsar (optokopplare med tillägg av en utgång, och ibland en ingångsenhet); speciella typer av optokopplare - enheter som funktionellt och strukturellt skiljer sig väsentligt från elementära optokopplare och optoelektroniska IC:er

En riktig optokopplare kan arrangeras och mer komplicerad än kretsen i fig. 1,1; vart och ett av dessa block kan inkludera inte ett, utan flera identiska eller liknande element kopplade elektriskt och optiskt, men detta förändrar inte väsentligt grunderna för optokopplarens fysik och elektronik.

1.4 Tillämpning.

Som element i galvanisk isolering används optokopplare: för att ansluta utrustningsblock, mellan vilka det finns en betydande potentialskillnad; för att skydda ingångskretsarna för mätanordningar från störningar och störningar; etc.

Ett annat stort användningsområde för optokopplare är den optiska, beröringsfria styrningen av högströms- och högspänningskretsar. Startar kraftfulla tyristorer, triacs, triacs, styrning av elektromekaniska reläenheter

Idén om att skapa och använda optokopplare går tillbaka till 1955, då i Loebner E. E.s arbete "Optoelectronic devices network" föreslogs en hel serie enheter med optiska och elektriska anslutningar mellan element, vilket gjorde det möjligt att förstärka och spektralt transformera ljussignaler, skapa enheter med två stabila tillstånd - bistabila optokopplare, optoelektroniska enheter för informationsackumulering och lagring, logiska kretsar, skiftregister. Där föreslogs också termen "optocoupler", bildad som en förkortning för engelskan "optical-electronic device".

De optokopplare som beskrivs i detta arbete, som perfekt illustrerar principerna, visade sig vara olämpliga för industriell implementering, eftersom de var baserade på en ofullständig elementär bas - ineffektiva och tröga pulverelektroluminescerande kondensatorer (emitter) och fotomotstånd (mottagare). De viktigaste operativa egenskaperna hos enheterna var också ofullkomliga: låg temperatur och tidsstabilitet av parametrar, otillräcklig motståndskraft mot mekanisk påkänning. Det är därför. till en början förblev optokopplaren bara en intressant vetenskaplig prestation som inte hittade tillämpning inom teknik.

Först i mitten av 60-talet av utvecklingen av halvledarljusemitterande dioder och tekniskt avancerade högpresterande höghastighets-kiselfotodetektorer med p-n-övergångar (fotodioder och fototransistorer) började den elementära basen för modern optokopplarteknologi att skapas. I början av 70-talet hade produktionen av optokopplare i de ledande länderna i världen blivit en viktig och snabbt växande gren av elektronisk teknik, som framgångsrikt kompletterar traditionell mikroelektronik.

Grundläggande definitioner

Beroende på graden av komplexitet hos blockschemat särskiljs två grupper av enheter bland produkterna från optokopplarteknologi. En optokopplare (de säger också "elementär optokopplare") är en optoelektronisk halvledarenhet som består av ett emitterande och fotomottagande element, mellan vilka det finns en optisk anslutning som ger elektrisk isolering mellan ingång och utgång. En optoelektronisk integrerad krets är en mikrokrets som består av en eller flera optokopplare och en eller flera matchande eller förstärkande enheter som är elektriskt anslutna till dem.

Således, i en elektronisk krets, utför en sådan anordning funktionen av ett kopplingselement, i vilket samtidigt elektrisk (galvanisk) isolering av ingången och utgången utförs.

Utmärkande egenskaper hos optokopplare

Fördelarna med dessa enheter är baserade på den allmänna optoelektroniska principen att använda elektriskt neutrala fotoner för informationsöverföring. De viktigaste är följande:

möjligheten att tillhandahålla en idealisk elektrisk (galvanisk) isolering mellan ingång och utgång; för optokopplare finns det inga grundläggande fysiska eller designmässiga begränsningar för att uppnå godtyckligt höga spänningar och avkopplingsresistanser och godtyckligt liten kapacitans;
möjligheten att implementera kontaktlös optisk styrning av elektroniska objekt och den resulterande variationen och flexibiliteten hos designlösningar för styrkretsar;
enkelriktad distribution av information över den optiska kanalen, ingen återkoppling från mottagaren till sändaren;
bred frekvensbandbredd för optokopplaren, ingen begränsning från låga frekvenser (vilket är typiskt för pulstransformatorer); möjligheten att sända både en pulssignal och en konstant komponent genom en optokopplarkrets;
förmågan att styra utsignalen från optokopplaren genom att verka (inklusive icke-elektrisk) på materialet i den optiska kanalen och den efterföljande möjligheten att skapa en mängd olika sensorer, såväl som en mängd olika enheter för att överföra information;
möjligheten att skapa funktionella mikroelektroniska enheter med fotodetektorer, vars egenskaper, när de är upplysta, förändras enligt en komplex given lag;
optiska kommunikationskanalers immunitet mot effekterna av elektromagnetiska fält, vilket i fallet med "långa" optokopplare (med en utökad fiberoptisk ljusledare mellan sändaren och mottagaren) gör dem immuna mot störningar och informationsläckage, och även utesluter ömsesidigt interferens;
fysisk och konstruktiv-teknologisk kompatibilitet med andra halvledar- och mikroelektroniska enheter.

Optokopplare har också vissa nackdelar:

betydande strömförbrukning på grund av behovet av dubbel energiomvandling (el - ljus - elektricitet) och låg effektivitet hos dessa övergångar;
ökad känslighet hos parametrar och egenskaper för effekterna av förhöjd temperatur och penetrerande kärnstrålning;
mer eller mindre märkbar tidsförsämring (försämring) av parametrar;
en relativt hög nivå av inneboende brus, på grund av, liksom de två föregående nackdelarna, de speciella egenskaperna hos lysdiodernas fysik;
komplexiteten hos återkopplingsimplementeringen orsakad av den elektriska isoleringen av ingångs- och utgångskretsarna;
konstruktiv och teknisk ofullkomlighet förknippad med användningen av hybrid icke-plan teknologi (med behovet av att kombinera flera separata kristaller från olika halvledare placerade i olika plan i en enhet).

De listade nackdelarna med optokopplare elimineras delvis med förbättringen av material, teknik, kretsar, men ändå kommer de under lång tid att vara av ganska grundläggande karaktär. Deras fördelar är dock så höga att de ger säker icke-konkurrenskraft för optokopplare bland andra mikroelektroniska enheter.

Generaliserat blockschema

Som ett kopplingselement kännetecknas en optokopplare av en överföringskoefficient Ki, bestämd av förhållandet mellan utsignalen och ingångssignalen, och en maximal informationsöverföringshastighet F. I praktiken, istället för F, är varaktigheten av ökningen och minskningen av de sända pulserna t out (sp) eller gränsfrekvensen mäts. Optokopplarens möjligheter som ett element i galvanisk isolering kännetecknas av den maximala spänningen och isolationsresistansen U razv och R razv och kapacitansen C razv.

I blockschemat i fig. 1 ingångsenhet används för att optimera sändarens driftläge (till exempel skiftning av lysdioden till den linjära sektionen av watt-amperekarakteristiken) och omvandling (förstärkning) av den externa signalen. Ingångsenheten måste ha en hög omvandlingseffektivitet, hög hastighet, ett brett dynamiskt område av tillåtna inströmmar (för linjära system), ett lågt värde på "tröskel" ingångsströmmen, vilket säkerställer tillförlitlig överföring av information genom kretsen.

Fig 1. Generaliserat blockschema över en optokopplare

Syftet med det optiska mediet är att överföra energin hos den optiska signalen från sändaren till fotodetektorn, och i många fall att säkerställa strukturens mekaniska integritet.

Den grundläggande möjligheten att styra mediets optiska egenskaper, till exempel genom att använda elektrooptiska eller magnetoptiska effekter, återspeglas genom införandet av en styranordning i kretsen, ingångs- och styrkretsen.

I fotodetektorn "återställs" informationssignalen från optisk till elektrisk; samtidigt strävar de efter att ha hög känslighet och hög hastighet.

Allmänt blockschema fig. 1 implementeras i varje specifik anordning endast av en del av blocken. I enlighet med detta finns det tre huvudgrupper av enheter för optokopplarteknologi; tidigare namngivna optokopplare (elementära optokopplare) som använder blockljussändare - optiskt medium - fotodetektor; optoelektroniska (optokopplare) mikrokretsar (optokopplare med tillägg av en utgång, och ibland en ingångsenhet); speciella typer av optokopplare - enheter som funktionellt och strukturellt skiljer sig väsentligt från elementära optokopplare och optoelektroniska IC.

En riktig optokopplare kan arrangeras och mer komplicerad än kretsen i fig. ett; vart och ett av dessa block kan inkludera inte ett, utan flera identiska eller liknande element kopplade elektriskt och optiskt, men detta förändrar inte väsentligt grunderna för optokopplarens fysik och elektronik.

Ansökan

Som element i galvanisk isolering används optokopplare: för att ansluta utrustningsblock, mellan vilka det finns en betydande potentialskillnad; för att skydda ingångskretsarna på mätanordningar från störningar och störningar, etc.

En specifik grupp av styroptokopplare består av motståndsoptokopplare utformade för lågströmskopplingskretsar i komplexa visuella displayenheter gjorda på elektroluminiscerande (pulver)indikatorer, mimik, skärmar.

Skapandet av "långa" optokopplare (enheter med en utökad flexibel fiberoptisk ljusledare) öppnade en helt ny riktning för användningen av optokopplarteknik - kommunikation över korta avstånd.

Olika optokopplare (diod, resistor, transistor) används också i rent radiotekniska moduleringskretsar, automatisk förstärkningsreglering etc. Optisk kanalpåverkan används här för att föra kretsen in i optimalt driftläge, för beröringsfri modändring osv.

Möjligheten att ändra egenskaperna hos den optiska kanalen under olika yttre påverkan på den gör att du kan skapa en hel serie optokopplarsensorer: dessa är sensorer för fukt och gaskontamination, en sensor för närvaron av en viss vätska i volymen, sensorer för renheten i ytbehandlingen av ett föremål, hastigheten på dess rörelse etc.

Ganska specifik är användningen av optokopplare för energiändamål, d.v.s. driften av en diodoptokopplare i ett fotoventilläge. I detta läge genererar fotodioden elektrisk kraft till lasten och optokopplaren liknar i viss mån en sekundär kraftkälla med låg effekt, helt frikopplad från primärkretsen.

Skapandet av optokopplare med fotoresistorer, vars egenskaper förändras under belysning enligt en given komplex lag, gör det möjligt att simulera matematiska funktioner, är ett steg mot skapandet av funktionell optoelektronik.

Mångsidigheten hos optokopplare som element i galvanisk isolering och kontaktlös kontroll, mångfalden och unikheten hos många andra funktioner är anledningen till att tillämpningsområdena för dessa enheter är datorteknik, automation, kommunikation och radioutrustning, automatiserade styrsystem, mätutrustning, styr- och reglersystem, medicinsk elektronik, anordningar för visuell visning av information.

Fysiska grunder för optokopplarteknologi

Elementbas och anordning för optokopplare

Den elementära grunden för optokopplare består av fotodetektorer och sändare, såväl som det optiska mediet mellan dem. Alla dessa element är föremål för sådana allmänna krav som små dimensioner och vikt, hög hållbarhet och tillförlitlighet, motståndskraft mot mekaniska och klimatiska påverkan, tillverkningsbarhet, låg kostnad. Det är också önskvärt att inslagen har passerat ett ganska brett och långsiktigt industriellt godkännande.

Funktionellt (som ett kretselement) kännetecknas en optokopplare främst av den typ av fotodetektor den använder.

Den framgångsrika användningen av en fotodetektor i en optokopplare bestäms av uppfyllandet av följande grundläggande krav: effektiviteten av att omvandla energin hos strålningskvanta till energin hos mobila elektriska; närvaron och effektiviteten av intern inbyggd förstärkning; hög hastighet; bredd av funktionalitet.

Optokopplare använder fotodetektorer av olika strukturer som är känsliga i det synliga och nära infraröda området, eftersom det är i detta spektralområde som det finns intensiva strålningskällor och fotodetektorer kan fungera utan kylning.

De mest mångsidiga är fotodetektorer med p - n-övergångar (dioder, transistorer, etc.), i de allra flesta fall är de gjorda på basis av kisel och området för deras maximala spektrala känslighet är nära l = 0,7 ... 0,9 μm .

Många krav ställs också på optokopplarnas sändare. De viktigaste är: spektral matchning med den valda fotodetektorn; hög effektivitet för omvandling av elektrisk strömenergi till strålningsenergi; övervägande strålningsriktning; hög hastighet; enkelhet och bekvämlighet med excitation och modulering av strålning.

Flera typer av sändare är lämpliga och tillgängliga för användning i optokopplare:

miniatyr- glödlampor.
neon glödlampor, som använder glöden från en elektrisk urladdning av en neon-argongasblandning.
Dessa typer av strålare kännetecknas av låg ljuseffekt, låg motståndskraft mot mekanisk påfrestning, begränsad hållbarhet, stora dimensioner och fullständig inkompatibilitet med integrerad teknik. I vissa typer av optokopplare kan de dock användas.
Elektroluminescerande pulvercell använder finkristallina korn av zinksulfid (aktiverad med koppar, mangan eller andra tillsatser) suspenderade i ett polymeriserande dielektrikum som en lysande kropp. När tillräckligt höga växelspänningar appliceras inträffar processen med luminescens före sammanbrott.
Elektroluminescerande tunnfilmsceller. Glödet här är förknippat med excitation av manganatomer av "heta" elektroner.

Både pulver- och filmelektroluminescerande celler har en låg effektivitet när det gäller att omvandla elektrisk energi till ljus, låg hållbarhet (särskilt tunnfilmsceller) och är svåra att kontrollera (till exempel är det optimala läget för pulverfosforer ~220 V vid f = 400 ... 800 Hz). Den största fördelen med dessa sändare är deras strukturella och tekniska kompatibilitet med fotoresistorer, möjligheten att skapa multifunktionella, multielement optokopplarstrukturer på denna grund.

Den främsta mest mångsidiga typen av sändare som används i optokopplare är en halvledarinsprutningsljusdiod - LED. Detta beror på följande fördelar: hög effektivitet för omvandling av elektrisk energi till optisk; smalt emissionsspektrum (kvasimonokromaticitet); bredden av spektralområdet som täcks av olika lysdioder; riktning av strålning; hög hastighet; låga värden på matningsspänningar och strömmar; kompatibilitet med transistorer och integrerade kretsar; enkel strålningseffektmodulering genom att ändra framåtströmmen; förmågan att arbeta både i pulsat och kontinuerligt läge; linjäritet för watt-ampere-egenskaperna i ett mer eller mindre brett område av inströmmar; hög tillförlitlighet och hållbarhet; små dimensioner; teknisk kompatibilitet med mikroelektroniska produkter.

De allmänna kraven för optokopplarens optiska nedsänkningsmedium är följande: ett högt värde på brytningsindex nim; högt värde av resistivitet r dem; hög kritisk fältstyrka E im cr, tillräcklig värmebeständighet D q im slav; god vidhäftning till kisel- och galliumarsenidkristaller; elasticitet (detta är nödvändigt, eftersom det inte är möjligt att säkerställa matchningen av elementen i optokopplaren när det gäller termiska expansionskoefficienter); mekanisk styrka, eftersom nedsänkningsmediet i optokopplaren inte bara utför ljustransmitterande utan också strukturella funktioner; tillverkningsbarhet (lätt att använda, reproducerbarhet av egenskaper, låg kostnad, etc.).

Den huvudsakliga typen av nedsänkningsmedium som används i optokopplare är optiska polymerlim. För dem, vanligtvis n im \u003d 1,4 ... 1,6, r im > 10 12 ... 10 14 Ohm cm, E im cr \u003d 80 kV / mm, D q im slav \u003d - 60 ... 120 C Lim har god vidhäftning till kisel och galliumarsenid, kombinerar hög mekanisk styrka och motståndskraft mot termisk cykling. Icke-härdande vaselinliknande och gummiliknande optiska medier används också.

Fysik för energiomvandling i en diodoptokopplare

Övervägande av energiomvandlingsprocesser i en optokopplare kräver att man tar hänsyn till ljusets kvanta natur. Det är känt att elektromagnetisk strålning kan representeras som en ström av partiklar - kvanta (fotoner), energi. var och en bestäms av förhållandet:

E f \u003d hn \u003d hc / nl (2.1)

där h är Plancks konstant;
c är ljusets hastighet i vakuum;
n är halvledarens brytningsindex;
n, l - oscillationsfrekvens och våglängd för optisk strålning.

Om tätheten för kvantflödet (dvs antalet kvantor som flyger genom en enhetsarea per tidsenhet) är lika med Nf, kommer den totala specifika strålningseffekten att vara:

P f = N f * E f (2,2)

och, som kan ses av (2.1), för en given Nf är den större, desto kortare är strålningsvåglängden. Eftersom Pf (energibestrålning av fotodetektorn) i praktiken ges i praktiken, verkar följande relation vara användbar

N f = P f / E f = 5 * 10 15 l P f (2,3)

där Nf, cm-2s-1; 1, um; P f, mW/cm.

Ris. 2. Energidiagram för en halvledare med direktgap (exemplet med en ternär GaAsP-förening)

Mekanismen för injektionsluminescens i en LED består av tre huvudprocesser: strålningsrekombination (och icke-strålning) i halvledare, injicering av överskott av mindre laddningsbärare i LED-basen och extraktion av strålning från genereringsområdet.

Rekombinationen av laddningsbärare i en halvledare bestäms främst av dess banddiagram, närvaron och naturen av föroreningar och defekter och graden av brott mot jämviktstillståndet. Huvudmaterialen i optokopplaremittrar (GaAs och ternära föreningar baserade på det GaA1As och GaAsP) är direktgap-halvledare, dvs. till de där direkta optiska zon-zonövergångar är tillåtna (fig. 2). Varje handling av rekombination av en laddningsbärare enligt detta schema åtföljs av emission av ett kvantum, vars våglängd, i enlighet med lagen om energibevarande, bestäms av förhållandet:

l iz [µm] = 1,23 / E f [eV] (2,4)

Det bör noteras att det också finns konkurrerande icke-strålande rekombinationsmekanismer. Bland de viktigaste av dem är:

Rekombination vid djupa centra. En elektron kan passera in i valensbandet inte direkt, utan genom vissa rekombinationscentra som bildar tillåtna energinivåer i bandgapet (E t-nivå i figur 2).
Augerrekombination (eller chock). Vid mycket höga koncentrationer av fria laddningsbärare i en halvledare ökar sannolikheten för en kollision av tre kroppar, energin hos det rekombinerande elektron-hålsparet ges till den tredje fria bäraren i form av kinetisk energi, som den gradvis slösar bort under kollisioner med gallret.

Fikon. 3. Elektriska (a) och optiska (b) LED-modeller. A - optiskt "transparent" del av kristallen; B - aktiv del av kristallen; C - "ogenomskinlig" del av kristallen; D - ohmska kontakter; E - område av rymdladdning

Den relativa rollen för olika rekombinationsmekanismer beskrivs genom att introducera begreppet intern strålningskvantutbyte h int , som bestäms av förhållandet mellan sannolikheten för strålningsrekombination och den totala (strålande och icke-strålande) rekombinationssannolikheten (eller, med andra ord, förhållandet mellan antalet genererade fotoner och antalet minoritetsladdningsbärare som injiceras samtidigt). h int-värdet är den viktigaste egenskapen materialet som används i lysdioden; uppenbarligen 0 h int 100%.

Skapandet av en överskottskoncentration av fria bärare i den aktiva (emitterande) regionen av LED-kristallen utförs genom att injicera dem med en framåtspänd p-n-övergång.

Den "användbara" komponenten av strömmen, som upprätthåller strålningsrekombination i det aktiva området av dioden, är elektronströmmen In (fig. 3a) som injiceras av p-n-övergången. "Obrukbara" framåtströmskomponenter inkluderar:

Hålkomponenten I p , på grund av insprutningen av hål i n-regionen och återspeglar det faktum att det inte finns några p-n-övergångar med ensidig injektion, är andelen av denna ström ju mindre ju mer kraftigt dopad n-regionen jämfört med till p-regionen.
Rekombinationsström (icke-strålande) i området för rymdladdningen p - n-övergång I rec. I halvledare med ett stort bandgap vid små framåtförspänningar kan andelen av denna ström vara avsevärd.
Tunnelström Itun, på grund av "läckage" av laddningsbärare genom den potentiella barriären. Strömmen bärs av majoritetsbärare och bidrar inte till strålningsrekombination. Tunnelströmmen är desto större, ju smalare p-n-övergången är, den märks vid en hög grad av dopning av basregionen och vid stora förspänningar framåt.
Ytläckström I pov, på grund av skillnaden i egenskaperna hos halvledarens yta från egenskaperna hos volymen och närvaron av vissa kortslutningsinneslutningar.

Effektiviteten av p - n-korsningen kännetecknas av injektionskoefficienten:

(2.5)

Uppenbarligen är gränserna för möjlig förändring i g desamma som för h int, dvs 0 g 100%.

När strålning avlägsnas från genereringsområdet sker följande typer av energiförluster (fig. 3, b):

Självabsorptionsförluster (balkar 1). Om våglängden för den genererade kvantan exakt motsvarar formeln (2.4), så sammanfaller den med den "röda gränsen" för absorption (se nedan), och sådan strålning absorberas snabbt i huvuddelen av halvledaren (självabsorption). I själva verket fortsätter strålning i halvledare med direktgap inte enligt ovanstående idealschema. Därför är våglängden för den genererade kvantan något större än enligt (2.4):
Total intern reflektionsförlust (strålar 2). Det är känt att när ljusstrålar faller på gränsytan mellan ett optiskt tätt medium (halvledare) och ett optiskt mindre tätt medium (luft), för vissa av dessa strålar är villkoret för total intern reflektion uppfyllt; sådana strålar som reflekteras inuti kristallen är slutligen förlorad på grund av självupptag.
Förluster för bak- och kantstrålning (stråle 3 och 4).

Kvantitativt kännetecknas effektiviteten av utmatningen av optisk energi från kristallen av uteffektkoefficienten K opt bestäms av förhållandet mellan strålningseffekten som kommer ut i rätt riktning och strålningseffekten som genereras inuti kristallen. Liksom för koefficienterna h int och g är villkoret 0 K opt 100% alltid uppfyllt.
g. Den integrerade indikatorn för lysdiodens emissivitet är värdet på det externa kvantutbytet h ext . Av det sagda framgår att h ext = h int g K opt.

Låt oss gå vidare till mottagaren. Funktionsprincipen för fotodetektorer som används i optokopplare är baserad på den interna fotoelektriska effekten, som består i separation av elektroner från atomer inuti kroppen under påverkan av elektromagnetisk (optisk) strålning.

Ljuskvanta, som absorberas i en kristall, kan orsaka att elektroner lossnar från atomer, både av halvledaren själv och föroreningen. I enlighet med detta talar man om inneboende (föroreningsfri) och föroreningsabsorption (fotoelektrisk effekt). Eftersom koncentrationen av föroreningsatomer är låg, är fotoelektriska effekter baserade på inre absorption alltid mer signifikanta än de baserade på föroreningsabsorption. Alla fotodetektorer som används i optokopplare "arbetar" på den rena fotoelektriska effekten. För att ett ljuskvantum ska orsaka att en elektron lossnar från en atom är det nödvändigt att uppfylla de uppenbara energiförhållandena:

E f1 = hn 1 E c - E v (2,6)

E f2 = hn 2 E c - E t (2,7)

Således kan den inneboende fotoelektriska effekten endast ske när halvledaren utsätts för strålning med en våglängd mindre än ett visst värde l gr:

l gr \u003d hc / (E c - E v) 1,23 / E g (2,8)

Den andra likheten i (2.8) är giltig om l gr uttrycks i mikrometer, och bandgapet för halvledaren E g är i elektronvolt. Värdet på l gr kallas den långvågiga eller "röda" gränsen för materialets spektrala känslighet.

Intensiteten av den fotoelektriska effekten (i det spektrala området där den kan existera) beror på kvantutbytet, vilket bestäms av förhållandet mellan antalet genererade elektron-hålpar och antalet absorberade fotoner. En analys av de experimentella beroenden av visar att i det spektrala området av intresse för optokopplare, b = 1.

Bildandet av fria laddningsbärare under inverkan av bestrålning manifesterar sig i en halvledare i form av två fotoelektriska effekter: fotokonduktivitet (en ökning av provets ledningsförmåga vid belysning) och fotovoltaisk (utseendet av en foto-EMF vid p-n) koppling eller annan form av potentialbarriär i halvledaren vid belysning). Båda effekterna används i praktiken att designa fotodetektorer; för optokopplare är användningen av foto-EMF-effekten föredragen och dominerande.

Huvudparametrarna och egenskaperna hos fotodetektorer (oavsett den fysiska naturen och designen av dessa enheter) kan delas in i flera grupper. Optiska egenskaper inkluderar området för den ljuskänsliga ytan, material, dimensioner och konfiguration av det optiska fönstret; maximala och lägsta strålningseffektnivåer. För elektrooptisk - fotokänslighet, graden av enhetlighet för fördelningen av känslighet över fotodetektorområdet; spektral känslighetstäthet (beroende av parametern som kännetecknar känsligheten på våglängden); fotodetektorns inneboende brus och deras beroende av belysningsnivån och intervallet för driftfrekvenser; upplösningstid (prestanda); kvalitetsfaktor (kombinerad indikator som låter dig jämföra olika fotodetektorer med varandra); linjäritetsindex; dynamiskt omfång. som ett element elektrisk krets Fotodetektorn kännetecknas först av allt av parametrarna för dess ekvivalenta krets, kraven på driftlägen, närvaron (eller frånvaron) av en inbyggd förstärkningsmekanism, typen och formen på utsignalen. Andra egenskaper: drift, tillförlitlighet, övergripande, teknisk - innehåller inte något specifikt "fotodetektor".

Beroende på typen av utsignal (spänning, ström), talar man om volt- eller strömfotokänsligheten hos mottagaren S, mätt i V / W respektive A / W. Linjäriteten (eller icke-linjäriteten) för fotodetektorn bestäms av värdet på exponenten n i ekvationen som relaterar utsignalen till ingången: U ut (eller I ut) ~ Pf. För n 1 är fotodetektorn linjär; intervallet för värden P f (från P f max till P f min), i vilket detta utförs, bestämmer det dynamiska linjäritetsområdet för fotodetektorn D , vanligtvis uttryckt i decibel: D = 10 lg (P f max / P f min).

Den viktigaste parametern för fotodetektorn, som bestämmer tröskeln för dess känslighet, är den specifika detektiviteten D, mätt i W -1 m Hz 1/2. Med ett känt värde på D definieras känslighetströskeln (minsta detekterade strålningseffekten) som

P f min = / D (2,9)

där A är området för det ljuskänsliga området; Df är arbetsfrekvensområdet för fotosignalförstärkaren. Med andra ord spelar parametern D rollen som kvalitetsfaktorn för fotodetektorn.

Ris. Fig. 4. Schema för mätning och familjer av ström-spänningsegenskaper i fotodiodens (a) och fotoventil (b) funktionssätt för dioden

När de tillämpas på optokopplare är inte alla de listade egenskaperna lika viktiga. Som regel arbetar fotodetektorer i optokopplare vid irradianser mycket långt från tröskeln, så användningen av parametrarna P f min och D visar sig vara praktiskt taget värdelös. Strukturellt är fotodetektorn i optokopplaren vanligtvis "infälld" i den nedsänkta. mediet som förbinder det med sändaren, så kunskap om ingångsfönstrets optiska egenskaper är meningslös (som regel finns det inget sådant fönster med avsikt). Det är inte heller särskilt viktigt att känna till känslighetsfördelningen över det ljuskänsliga området, eftersom integraleffekter är av intresse.

Vi kommer att överväga funktionsmekanismen för fotodetektorer baserad på den fotovoltaiska effekten med hjälp av exemplet med plana-epitaxiala fotodioder med en p-n-övergång och med en p-i-n-struktur, där det är möjligt att särskilja n + - substrat, n- eller i-typ bas (svag konduktivitet n -typ) och ett tunt p + -skikt. När man arbetar i fotodiodläget (fig. 4a), orsakar en externt pålagd spänning att rörliga hål och elektroner rör sig bort från p-n(p-i)-övergången; i det här fallet visar sig bilden av fältfördelningen i kristallen vara kraftigt olika för de två strukturerna i fråga.

Ljusstrålning, som absorberas i diodens basområde, genererar elektronhålspar som diffunderar till p-n-övergången, separeras av den och orsakar att en extra ström uppstår i den externa kretsen. I p - i - n-dioder sker denna separation i i-o6-fältet, och istället för diffusionsprocessen driver laddningsbärare under påverkan av ett elektriskt fält. Varje genererat elektron-hålpar som har passerat genom p-n-övergången orsakar passage i den externa kretsen av en laddning lika med laddningen av en elektron. Ju större irradians dioden har, desto större fotoström. Fotoströmmen flyter också när dioden är förspänd i framåtriktningen (fig. 4, a), men även vid låga spänningar visar sig den vara mycket mindre än framåtströmmen, så dess isolering är svår.

Arbetsområdet för fotodiodens volt-ampere-egenskaper är den tredje kvadranten i fig. 4a; Följaktligen är den viktigaste parametern strömkänsligheten

(2.10)

Den andra likheten i (2.10) erhölls under antagandet av ett linjärt beroende I f = f(P f), och den tredje - under villkoret att den mörka strömmen försummades (IT)<< I Ф), что для кремниевых фотодиодов обычно выполняется.

Om fotodioden är upplyst utan att applicera en extern förspänning på den, kommer processen för separation av de genererade elektronerna och hålen att fortsätta på grund av verkan av det inbyggda fältet i p-n-övergången. I detta fall kommer hål att flyta in i p-området och delvis kompensera för det inbyggda fältet i p - n-korsningen. Något nytt jämviktstillstånd (för ett givet värde: P f) tillstånd skapas, i vilket en foto-EMF U f uppstår vid diodens externa anslutningar. Om du stänger den upplysta fotodioden till en viss belastning, kommer den att ge användbar elektrisk kraft P e till den.

De karakteristiska punkterna för ström-spänningsegenskaperna för en diod som arbetar i ett sådant fotoventilläge är tomgångs-EMF Uxx och kortslutningsström I-kortslutning (fig. 4,b).

Schematiskt fungerar fotodioden i ventilläget som en slags sekundär strömkälla, så dess definierande parameter är effektiviteten av att omvandla ljusenergi till elektrisk energi:

Effektivitet = P e / AP f = aU xx I kz / A pf (2.11)

I fotoventilläget fungerar en viktig klass av fotovoltaiska enheter - solpaneler.

Parametrar och egenskaper hos optokopplare och optoelektroniska integrerade kretsar

Klassificering av parametrar för produkter av optokopplarutrustning

Vid klassificering av produkter av optokopplarteknologi beaktas två punkter: typen av fotodetektor och designfunktionerna för enheten som helhet.

Valet av den första klassificeringsfunktionen beror på det faktum att nästan alla optokopplare har en lysdiod vid ingången, och enhetens funktionalitet bestäms av fotodetektorns utgångsegenskaper.

Som det andra tecknet antas designen, vilket bestämmer detaljerna för användningen av optokopplaren.

Ris. 5. För att bestämma pulsparametrarna för optokopplare

Genom att använda denna klassificeringsprincip för blandad design och kretsdesign är det logiskt att särskilja tre huvudgrupper av optokopplare: optokopplare (elementära optokopplare), optoelektroniska (optokopplare) integrerade kretsar och speciella typer av optokopplare. Var och en av dessa grupper inkluderar ett stort antal typer av enheter.

Följande förkortningar används för de vanligaste optokopplarna: D - diod, T - transistor, R - resistor, Y - tyristor, T 2 - med en sammansatt fototransistor, DT - diod-transistor, 2D (2T) - diod (transistor) differentiell.

Parametrarna för optokopplarprodukter är baserat på systemet med optokopplarparametrar, som består av fyra grupper av parametrar och moder.

Den första gruppen karakteriserar ingångskretsen för optokopplaren (ingångsparametrar), den andra - dess utgångskrets (utgångsparametrar), den tredje - kombinerar parametrarna som kännetecknar graden av påverkan av sändaren på fotodetektorn och de tillhörande egenskaperna hos signalen passerar genom optokopplaren som ett kopplingselement (överföringskarakteristiska parametrar), slutligen kombinerar den fjärde gruppen de galvaniska isoleringsparametrarna, vars värden visar hur nära optokopplaren närmar sig det ideala isoleringselementet. Av de fyra listade grupperna är de definierande, specifikt "optokopplar" parametrarna överföringskarakteristiken och parametrarna för galvanisk isolering.

Den viktigaste parametern för diod- och transistoroptokopplare är strömöverföringskoefficienten. Definitionen av pulsparametrarna för optokopplare framgår tydligt av (fig. 5). Referensnivåerna vid mätning av parametrarna t nar (sp), t zd och t on (off) är vanligtvis nivåer på 0,1 och 0,9, den totala logiska fördröjningstiden för signalen bestäms av nivån 0,5 av pulsamplituden.

Galvaniska isoleringsparametrar. Optokopplare är: den maximalt tillåtna toppspänningen mellan ingången och utgången U razv p max ; den högsta tillåtna spänningen mellan ingången och utgången U razv max ; motstånd mot galvanisk isolering R utveckling; passagekapacitet C razv; maximalt tillåten spänningsändringshastighet mellan ingång och utgång (dU spridning /dt) max . Den viktigaste parametern är U exp n max . Det är han som bestämmer den elektriska styrkan hos optokopplaren och dess kapacitet som ett element i galvanisk isolering.

De övervägda parametrarna för optokopplare, helt eller med vissa ändringar, används också för att beskriva optoelektroniska integrerade kretsar.

Diodoptokopplare

Ris. 6. Symboler för optokopplare

Diodoptokopplare (Fig. 6, a) i större utsträckning än någon annan anordning kännetecknar nivån av optokopplarteknologi. Med värdet av Ki kan man bedöma den uppnådda effektiviteten av energiomvandlingen i optokopplaren; värdena för tidsparametrar gör det möjligt att bestämma de begränsande hastigheterna för informationsutbredning. Att ansluta ett eller annat förstärkarelement till en diodoptokopplare, vilket är mycket användbart och bekvämt, kan ändå inte ge någon förstärkning vare sig energimässigt eller i termer av begränsande frekvenser.

Transistor och tyristor optokopplare

Transistor optokopplare(Fig. 6, c) med ett antal av deras egenskaper jämförs med andra typer av optokopplare. Detta är främst kretsflexibilitet, vilket visar sig i det faktum att kollektorströmmen kan styras både i LED-kretsen (optiskt) och i baskretsen (elektriskt), och även i det faktum att utgångskretsen kan fungera i både linjär och nyckellägen. Den interna förstärkningsmekanismen säkerställer att strömöverföringskoefficienten Ki är stor, så att efterföljande förstärkningssteg inte alltid är nödvändiga. Det är viktigt att i detta fall optokopplarens tröghet inte är särskilt stor och är helt acceptabel i många fall. Utströmmarna från fototransistorer är mycket högre än till exempel fotodioder, vilket gör dem lämpliga för att koppla om ett brett utbud av elektriska kretsar. Slutligen bör det noteras att allt detta uppnås med den relativa tekniska enkelheten hos transistoroptokopplare.

Tyristor optokopplare(Fig. 6, b) är de mest lovande för omkoppling av högströms högspänningskretsar: när det gäller kombinationen av effekt kopplad i lasten och hastigheten är de klart att föredra framför T 2 optokopplare. Optokopplare av typen AOU103 är avsedda att användas som beröringsfria nyckelelement i olika elektroniska kretsar: i styrkretsar, effektförstärkare, pulsformare, etc.

Resistor optokopplare

Resistoroptokopplare (fig. 6, d) skiljer sig fundamentalt från alla andra typer av optokopplare i fysiska och designtekniska egenskaper, såväl som i sammansättningen och värdena för parametrar.

Funktionsprincipen för en fotoresistor är baserad på effekten av fotokonduktivitet, det vill säga förändringar i resistansen hos en halvledare när den är belyst.

Differentialoptokopplare för analog signalöverföring

Allt ovanstående material avser överföring av digital information över en galvaniskt isolerad krets. I alla fall, när det sades om linjäritet, om analoga signaler, handlade det om typen av utgångskarakteristik för optokopplaren. I alla fall beskrevs inte kontroll över emitter-fotodetektorkanalen av ett linjärt beroende. En viktig uppgift är överföringen av analog information med hjälp av en optokopplare, d.v.s. att säkerställa linjäriteten hos ingångs-utgångsöverföringskarakteristiken. Endast i närvaro av sådana optokopplare blir det möjligt att direkt distribuera analog information genom galvaniskt isolerade kretsar utan att konvertera den till digital form (pulståg).

En jämförelse av egenskaperna hos olika optokopplare när det gäller parametrar som är viktiga ur synvinkeln av analog signalöverföring leder till slutsatsen att om detta problem kan lösas, då endast med hjälp av diodoptokopplare med bra frekvens- och brusegenskaper . Problemets komplexitet ligger främst i det smala linjäritetsområdet för överföringskarakteristiken och graden av denna linjäritet i diodoptokopplare.

Det bör noteras att endast de första stegen har tagits i utvecklingen av enheter med galvanisk isolering lämpliga för överföring av analoga signaler, och ytterligare framsteg kan förväntas.

Optoelektroniska mikrokretsar och andra anordningar av optokopplartyp

Optoelektroniska mikrokretsar är en av de mest använda, utvecklande och lovande produktklasserna inom optokopplarteknologi. Detta beror på den fullständiga elektriska och strukturella kompatibiliteten hos optoelektroniska mikrokretsar med traditionella mikrokretsar, såväl som deras bredare funktionalitet jämfört med elementära optokopplare. Liksom med konventionella mikrokretsar är switchande optoelektroniska mikrokretsar de mest använda.

Speciella typer av optokopplare skiljer sig kraftigt från traditionella optokopplare och optoelektroniska mikrokretsar. Dessa inkluderar först och främst optokopplare med en öppen optisk kanal. I konstruktionen av dessa enheter finns det ett luftgap mellan sändaren och fotodetektorn, så att genom att placera vissa mekaniska barriärer i den är det möjligt att styra ljusflödet och därmed utsignalen från optokopplaren. Således fungerar optokopplare med en öppen optisk kanal som optoelektroniska sensorer som detekterar närvaron (eller frånvaron) av föremål, tillståndet på deras yta, rörelsens eller rotationshastigheten, etc.

Tillämpningar av optokopplare och optokopplare mikrokretsar

Lovande riktningar för utveckling och tillämpning av optokopplarteknologi har till stor del fastställts. Optokopplare och optokopplare används effektivt för att överföra information mellan enheter som inte har slutna elektriska anslutningar. Positionerna för optoelektroniska enheter i tekniken för att erhålla och visa information förblir traditionellt starka. Av oberoende betydelse i denna riktning är optokopplarsensorer utformade för att styra processer och objekt som är mycket olika till natur och syfte. Funktionell optokopplarmikrokrets utvecklas märkbart, fokuserad på att utföra olika operationer relaterade till konvertering, ackumulering och lagring av information. Det är effektivt och användbart att ersätta skrymmande, kortlivade och lågteknologiska (ur mikroelektronikens synvinkel) elektromekaniska produkter (transformatorer, potentiometrar, reläer) med optoelektroniska enheter och enheter. Ganska specifik, men i många fall motiverad och användbar, är användningen av optokopplare för energiändamål.

Överföring av information

Ris. 7. Schema för interblock galvanisk isolering

Matchningskretsen för ett transistor-transistor logikelement (TTL) med en integrerad anordning baserad på MIS-transistorer är byggd på en transistoroptokopplare (fig. 8). I en specifik version: E 1 = E 2 = 5 V, E 3 = 15 V, R 1 = 820 Ohm, R 2 = 24 kOhm - optokopplarens LED exciteras av en ström (5 mA) tillräcklig för att mätta transistorn och kontrollera enheten med säkerhet på MIS-transistorerna.

Ris. 8. Schema för att para TTL- och MIS-element via en optisk kanal

Optisk kommunikation används aktivt i telefonenheter och system. Med hjälp av optokopplare, med tekniskt enkla medel, är det möjligt att ansluta mikroelektroniska enheter till telefonlinjer som är utformade för att ringa, indikera, övervaka och andra ändamål.

Införandet av optiska anslutningar i elektronisk mätutrustning, utöver den galvaniska isoleringen av föremålet som studeras och mätanordningen, vilket är användbart i många avseenden, gör det också möjligt att drastiskt minska effekten av störningar som verkar på marken och kraften kretsar.

Av stort intresse är möjligheterna och erfarenheten av att använda optoelektroniska instrument och apparater i biomedicinsk utrustning. Optokopplare låter dig på ett tillförlitligt sätt isolera patienten från verkan av höga spänningar, som är tillgängliga till exempel i elektrokardiografiska enheter.

Beröringsfri styrning av kraftfulla högspänningskretsar via optiska kanaler är mycket bekväm och säker i komplexa tekniska lägen, typiska för många enheter och komplex av industriell elektronik. I detta område är positionerna för tyristoroptokopplare starka (fig. 9).

Ris. 9. AC-belastningsomkopplingskrets

Ta emot och visa information

Optokopplare och mikrokretsar med optokopplare har en stark position inom beröringsfri fjärrteknologi för att snabbt få och exakt visa information om egenskaperna och egenskaperna hos mycket olika (av natur och syfte) processer och objekt. Optokopplare med öppna optiska kanaler har unika möjligheter i detta avseende. Bland dem finns optoelektroniska avbrytare som svarar på skärningen av den optiska kanalen av ogenomskinliga föremål (fig. 10), och reflekterande optokopplare, där effekten av ljussändare på fotodetektorer är helt relaterad till reflektionen av det utstrålade flödet från externa föremål.

Ris. 10. Optoelektronisk sensor

Användningsområdet för optokopplare med öppna optiska kanaler är omfattande och varierande. Redan på 60-talet användes optokopplare av denna typ effektivt för att registrera objekt och objekt. Med sådan registrering, som i första hand är typisk för anordningar för automatisk styrning och räkning av föremål, samt för detektering och indikering av olika typer av defekter och fel, är det viktigt att tydligt fastställa objektets placering eller återspegla det faktum att dess existens. Optokopplare utför registreringsfunktioner pålitligt och snabbt.

Styrning av elektriska processer

Strålningseffekten som genereras av lysdioden och nivån av fotoström som uppstår i linjära kretsar med fotodetektorer är direkt proportionella mot sändarens elektriska ledningsström. Genom optiska (beröringsfria, avlägsna) kanaler är det således möjligt att få ganska bestämd information om processerna i elektriska kretsar galvaniskt anslutna till sändaren. Särskilt effektiv är användningen av ljussändare från optokopplare som sensorer för elektriska förändringar i högströms- och högspänningskretsar. Tydlig information om sådana förändringar är viktig för driftskyddet av energikällor och konsumenter från elektriska överbelastningar.

Ris. 11. Spänningsstabilisator med styrande optokopplare

Optokopplare fungerar framgångsrikt i högspänningsregulatorer, där de skapar optiska kanaler med negativ återkoppling. Stabilisatorn under övervägande (fig. 11) hänvisar till en anordning av serietyp, och den bipolära transistorn är det reglerande elementet, och kiselzenerdioden fungerar som en referenskälla (referensspänning). Jämförelseelementet är en LED.

Om utspänningen i kretsen i fig. 11 ökar, då ökar också ledningsströmmen för lysdioden. Optokopplarens fototransistor verkar på transistorn och undertrycker den möjliga instabiliteten hos utspänningen.

Byte av elektromekaniska produkter

I komplexet av tekniska lösningar som syftar till att förbättra effektiviteten och kvaliteten på automationsanordningar, radioteknik, telekommunikation, industri- och konsumentelektronik, är en ändamålsenlig och användbar åtgärd att ersätta elektromekaniska produkter (transformatorer, reläer, potentiometrar, reostater, tryckknappar). och nyckelbrytare) med mer kompakta, hållbara, snabba analoger. Den ledande rollen i denna riktning tilldelas optoelektroniska enheter och enheter. Faktum är att mycket viktiga tekniska fördelar med transformatorer och elektromagnetiska reläer (galvanisk isolering av styr- och belastningskretsar, tillförlitlig drift i kraftfulla, högspännings-, högströmssystem) också är karakteristiska för optokopplare. Samtidigt är optoelektroniska produkter betydligt överlägsna elektromagnetiska motsvarigheter när det gäller tillförlitlighet, hållbarhet, transient- och frekvensegenskaper. Styrningen av kompakta och höghastighets optoelektroniska transformatorer, omkopplare, reläer utförs med tillförsikt med hjälp av integrerade kretsar av digital teknik utan speciella medel för elektrisk matchning.

Ett exempel på att byta ut en pulstransformator visas i fig. 12.

Ris. 12. Schema för en optoelektronisk transformator

Energifunktioner

I effektläge används optokopplare som sekundära källor för EMF och ström. Effektiviteten hos optokopplarenergiomvandlare är låg. Möjligheten att införa en extra spänning eller strömkälla i vilken krets som helst av enheten utan galvanisk anslutning till den primära strömkällan ger utvecklaren en ny grad av frihet, vilket är särskilt användbart vid lösning av icke-standardiserade tekniska problem.