Jak funguje optočlen pro figuríny. Optočleny - charakteristika, zařízení, použití

Optočleny umožňují řešit stejné problémy jako jednotlivé dvojice zářič - fotodetektor, v praxi jsou však obvykle pohodlnější, protože již optimálně odpovídají charakteristikám zářiče a fotodetektoru a jejich vzájemné poloze.

Pokud mluvíme o nejzřejmějším použití optočlenu, který nemá mezi ostatními zařízeními obdoby, jedná se o galvanický izolační prvek. Optočleny (nebo, jak se jim někdy říká, optočleny) se používají jako komunikační zařízení mezi hardwarovými jednotkami na různých potenciálech pro propojení mikroobvodů s různými logickými úrovněmi. V těchto případech optočlen přenáší informace mezi bloky, které nemají elektrické spojení, a nenesou nezávislou funkční zátěž.

Neméně zajímavé je použití optočlenů jako prvků optického bezkontaktního řízení silnoproudých a vysokonapěťových zařízení.

Na optočlenech je vhodné stavět odpalovací jednotky pro výkonné tyratrony, distribuční a reléová zařízení, spínací zařízení napájení atd.

Optočleny s otevřeným optickým kanálem zjednodušují řešení problémů se sledováním parametrů různých médií, umožňují vytvářet různé senzory (vlhkost, hladina a barva kapaliny, koncentrace prachu atd.).

Jedním z nejdůležitějších je lineární obvod určený pro nezkreslený přenos analogových signálů po galvanicky odděleném obvodu. Složitost tohoto problému je dána tím, že pro linearizaci přenosové charakteristiky v širokém rozsahu proudů a teplot je zapotřebí zpětnovazební smyčka, která v případě galvanického oddělení zásadně není realizována. Jdou tedy cestou použití dvou stejných optočlenů (nebo diferenciálního optočlenu), z nichž jeden funguje jako pomocný prvek zajišťující zpětnou vazbu (obr. 6.13). V takových obvodech je vhodné použít diferenciální optočleny KOD301A, KOD303A.

Na Obr. 6.14 je schéma dvoustupňového tranzistorového zesilovače s optoelektronickou vazbou. Změna proudu tranzistorového kolektoru VT1 způsobí odpovídající změnu proudu LED optočlenu U1 a odpor jeho fotorezistoru, který je součástí základního obvodu tranzistoru VT2 . na zatěžovacím rezistoru R2 přidělit

zesílený výstupní signál. Použití optočlenu téměř zcela eliminuje přenos signálu z výstupu na vstup zesilovače.

Optočleny jsou vhodné pro meziblokovou galvanickou izolaci v elektronických zařízeních. Například v obvodu galvanického oddělení dvou bloků (obr. 6.15) je signál z výstupu bloku 1 předán na vstup bloku 2 přes diodový optočlen U1. Pokud je jako druhý blok použit integrovaný obvod s nízkým vstupním proudem, není potřeba používat zesilovač a fotodioda optočlenu v tomto případě pracuje v režimu fotogenerátoru.

Rýže. 6.13. Galvanické oddělení analogového signálu: 01, 02 - optočleny, U1, U2 - operační zesilovače

Rýže. 6.14. Dvoustupňový tranzistorový zesilovač s optoelektronickou vazbou

Optočleny a optoelektronické mikroobvody se používají v zařízeních pro přenos informací mezi bloky, které nemají uzavřená elektrická spojení. Použití optočlenů výrazně zvyšuje odolnost komunikačních kanálů proti rušení, eliminuje nežádoucí interakce odpojených zařízení podél silových obvodů a společného vodiče. Obvody rozhraní využívající optočleny jsou široce používány ve výpočetní a měřicí technice, v automatizačních zařízeních, zejména když senzory nebo jiná přijímací zařízení pracují v podmínkách, které jsou nebezpečné nebo pro člověka nedostupné.

Například realizaci zapojení galvanicky nezávislých logických prvků lze provést pomocí optoelektronického spínače (obr. 6.16). Optoelektronickým spínačem může být čip K249LP1, který obsahuje bezobalový optočlen a standardní hradlo.

Optočleny umožňují zjednodušit řešení problémů konjugace bloků, které jsou heterogenní ve svém funkčním účelu
povaha napájecího zdroje, například akční členy napájené střídavým proudem a obvody generující řídicí signál napájené nízkonapěťovými zdroji stejnosměrného proudu.

Velkou skupinou úloh je také koordinace digitálních mikroobvodů s různými typy logiky: tranzistor-tranzistorová logika (TTL), emitor

logika (ESL), komplementární struktura „metal-oxide-semiconductor“ (CMOS) atd. Příklad přizpůsobovacího obvodu pro TTL prvek s MIS pomocí tranzistorového optočlenu je na obrázku 6.17. Vstupní a výstupní stupně nemají společné elektrické obvody a mohou pracovat v různých podmínkách a režimech.

Ideální galvanické oddělení je potřeba v mnoha praktických případech, například v lékařských diagnostických zařízeních, kdy je senzor připevněn k lidskému tělu a měřicí jednotka, která zesiluje a převádí signály senzoru, je připojena k síti. Při poruše měřicí jednotky může vzniknout nebezpečí úrazu elektrickým proudem. Vlastní snímač je napájen samostatným nízkonapěťovým zdrojem a k měřicí jednotce je připojen přes oddělovací optočlen (obr. 6.18).

Optočleny jsou také užitečné v jiných případech, kdy "neuzemněná" vstupní zařízení musí být spárována s "uzemněnými" výstupními zařízeními. Příklady

Tyto úlohy lze napojit na dálnopisnou linku s displejem, „automatickou sekretářku“ napojenou na telefonní linku atp. Například v obvodu rozhraní komunikační linky s displejem (obr. 6.19, A) operační zesilovač poskytuje požadovanou úroveň signálů na vstupu displeje. Obdobně můžete propojit vysílací konzolu s komunikační linkou (obr. 6.19, b).

Rýže. 6.19. Propojení "neuzemněných" a "uzemněných" zařízení

Rýže. 6.20. Optoelektronická polovodičová relé:

a - normálně otevřeno, b - normálně zavřeno

Zesílené signály fotodetektoru je vhodné přenášet na akční členy (např. elektromotory, relé, světelné zdroje atd.) prostřednictvím optoelektronického galvanického oddělení. Jako příklady takového oddělení mohou sloužit dvě varianty nejběžnějších polovodičových relé, otevřená a sepnutá (obr. 6.20). Relé spíná stejnosměrné signály. Signál přijatý fototranzistorem optočlenu otevírá tranzistory VT1, VT2 a zahrnuje zátěž

(obr.6.20, A) nebo jej deaktivujte (6.20, b).

Obrázek 6.21. Optoelektronický pulzní transformátor

Pulzní transformátor je velmi častým prvkem moderních elektronických zařízení. Používá se v různých pulzních generátorech, zesilovačích výkonu pulzního signálu, komunikačních kanálech, telemetrických systémech, televizních zařízeních atd. Tradiční konstrukce pulzního transformátoru využívající magnetický obvod a vinutí není kompatibilní s technologickými řešeními používanými v mikroelektronice. Frekvenční odezva transformátoru v mnoha případech neumožňuje uspokojivě reprodukovat jak nízkofrekvenční, tak vysokofrekvenční signály.

Téměř ideální pulzní transformátor lze vyrobit na bázi diodového optočlenu. Například v zapojení optoelektronického transformátoru s diodovým optočlenem je znázorněn tranzistor (obr. 6.21) VT1 ovládá LED optočlenu U1 Signál generovaný fotodiodou je zesílen tranzistory VT2 a VT3.

Doba trvání čela impulsů do značné míry závisí na rychlosti optočlenu. Nejrychlejší jsou fotodiody p— i— n-Svatý
ructura. Doba náběhu a doběhu výstupního impulsu nepřesahuje několik desítek nanosekund.

Na bázi optočlenů byly vyvíjeny a vyráběny optoelektronické mikroobvody, které zahrnují jeden nebo více optočlenů a také odpovídající mikroelektronické obvody, zesilovače a další funkční prvky.

Kompatibilita optočlenů a optoelektronických mikroobvodů s ostatními standardními mikroelektronickými prvky z hlediska úrovně vstupního a výstupního signálu, napájecího napětí a dalších parametrů předurčila potřebu standardizace speciálních parametrů a charakteristik.

Optočleny (optočleny) jsou elektronická zařízení sloužící k přeměně signálu elektrického proudu na světelný tok. Jejich světelný signál je přenášen kanály optiky, stejně jako zpětný přenos a přeměna světla na elektrický signál.

Optočlen se skládá z emitoru světla a převodníku světelného paprsku (fotodetektoru). LED diody se používají jako emitor v moderních zařízeních. Starší modely používaly malé žárovky. Dvě součásti optočlenu jsou spojeny společným pouzdrem a optickým kanálem.

Typy a zařízení optočlenů

Existuje několik funkcí, podle kterých lze optočleny klasifikovat do skupin. Při dělení do tříd optočlenů je třeba vzít v úvahu dva faktory: typ fotodetektoru a vlastnosti celkové konstrukce zařízení.

Prvním znakem klasifikace optočlenů je skutečnost, že všechny optočleny mají na vstupu LED, proto jsou možnosti fungování určeny vlastnostmi fotodetekčního zařízení. Druhým znakem je provedení návrhu, které určuje vlastnosti použití optočlenu.

Při použití tohoto principu smíšené separace lze rozlišit tři skupiny optočlenů:

• Elementární optočleny.
• Optoelektronické mikroobvody.
• Speciální optočleny.

Skupiny obsahují mnoho typů zařízení. Pro populární optočleny platí některá označení:

• D- dioda.
• T- tranzistor.
• R- rezistor.
• Na- tyristor.
• T 2- se složitým fototranzistorem.
• DT- dioda-tranzistor.
• 2D (2T)- diodový diferenciál nebo tranzistor.

Systém vlastností optočlenů vychází ze systému vlastností optočlenů. Tento systém je vytvořen ze čtyř skupin vlastností a režimů:

• Charakterizuje vstupní obvod optočlenu.
• Charakterizuje výstupní parametry.
• Kombinuje míru působení emitoru na světelný přijímač a vlastnosti průchodu signálu optočlenem jako komunikační komponentou.
• Kombinuje vlastnosti galvanické izolace.

Hlavními parametry optočlenu jsou vlastnosti přenosu a galvanického oddělení. Důležitou hodnotou tranzistorových a diodových optočlenů je koeficient proudového přenosu.

Indikátory galvanického oddělení optočlenů jsou:

• Přípustné špičkové výstupní a vstupní napětí.
• Maximální přípustné výstupní a vstupní napětí.
• Oddělovací odpor.
• průjezdná kapacita.
• Nejvyšší přípustná rychlost změny výstupního a vstupního napětí.

První parametr je nejdůležitější. Určuje elektrickou pevnost optočlenu a také jeho schopnost použití jako galvanické izolace.

Tyto parametry optočlenů jsou použitelné i pro integrované obvody na bázi optočlenů.

Označení optočlenů na schématech

Diodové optočleny

Diodové optočleny (obr. a) více než jiná zařízení ukazují úroveň rozvoje technologie optočlenů. Hodnota koeficientu přenosu určuje užitečné působení přeměny energie v optočlenu. Hodnoty časových hodnot vlastností umožňují určit nejvyšší rychlosti přenosu informací. Propojení s diodovým optočlenem zesilovačů umožňuje vytvářet efektivní zařízení pro přenos informací.

Tranzistorové optočleny

Tato zařízení (obr. C) se v některých vlastnostech liší od jiných typů optočlenů. Jednou z těchto vlastností je schopnost opticky řídit LED obvod a hlavní elektrický obvod. Výstupní obvod může také pracovat v režimu klíče a režimu linky.

Princip vnitřního zesílení umožňuje získat velké hodnoty koeficientu přenosu proudu. Proto nejsou vždy potřeba další zesilovače. Důležitým bodem je malá setrvačnost optočlenu, která je povolena pro mnoho režimů. Fototranzistory mají mnohem vyšší výstupní proudy než fotodiody. Proto se používají pro spínání různých elektrických obvodů. To vše je dosaženo jednoduchou technologií tranzistorových optočlenů.

Tyristorové optočleny

Takové optočleny (obr. b) mají velkou perspektivu pro spínání výkonných vysokonapěťových silových obvodů: z hlediska výkonu, zátěže, rychlosti jsou vhodnější než optočleny T 2. Optočleny značky AOU 103 se používají jako bezdotykové spínače v různých elektronických obvodech: zesilovače, řídicí obvody, pulzní zdroje atd.

Rezistorové optočleny

Taková zařízení (obr. d) se nazývají fotorezistory. Od ostatních typů optočlenů se výrazně liší svými konstrukčními vlastnostmi a technologií výroby. Hlavním principem činnosti fotorezistoru je účinek fotovodivosti, to znamená změny hodnoty odporu při vystavení světelnému toku.

Rozdíl

Výše diskutované optočleny jsou schopné přenášet digitální data přes galvanické oddělení obvodu. Důležitým problémem je přenos analogového signálu pomocí optočlenů, tedy vytvoření linearity vlastností vstupně-výstupního přenosu. Pouze s takovými vlastnostmi optočlenů je možné přenášet analogová data po galvanickém oddělení obvodu bez digitální formy a pulzního přenosu.

Tento problém řeší diodové optočleny s kvalitní šumovou a frekvenční charakteristikou. Obtížnost řešení tohoto problému spočívá v úzkém rozsahu linearity vysílací charakteristiky a linearity diodových optočlenů. Taková zařízení teprve začínají postupovat ve vývoji, ale čeká je velká budoucnost.

Integrované obvody optočlenů

Tyto integrované obvody jsou nejoblíbenější třídou modelů optočlenů díky konstrukci a elektrické kompatibilitě integrovaných obvodů optočlenů s jednoduchými typy a také mnohem větší funkčnosti. Spínací optočlenové mikroobvody byly široce používány.

Speciální optočleny

Takové vzorky mají významné rozdíly od standardních modelů zařízení. Jsou vyrobeny ve formě optočlenů s otevřeným optickým kanálem. V zařízení takových modelů je mezi fotodetektorem a emitorem vzduchová mezera. Umístěním mechanických překážek do něj tedy můžete ovládat světelnou a výstupní signalizaci. Optočleny s otevřeným optickým kanálem se používají místo optických senzorů, které detekují přítomnost objektů, jejich povrch, rotaci, pohyb atd.

Použití optočlenů

• Podobná zařízení se používají k přenosu dat mezi zařízeními, která nejsou propojena elektrickými vodiči.
• Optočleny se také používají k zobrazování a příjmu informací v technice. Samostatně je třeba poznamenat optočlenové senzory, které slouží k řízení objektů a procesů, které se liší účelem a povahou.
• Znatelný pokrok je ve funkčním mikroobvodu optočlenů, který je zaměřen na řešení různých problémů konverze a akumulace dat.
• Užitečnou účinností byla náhrada velkých krátkodobých zařízení elektromechanického typu zařízeními na optoelektronickém principu činnosti.
• Někdy se v energetice používají komponenty optočlenů, i když se jedná spíše o specifická řešení.

Řízení elektrických procesů

Výkon světelného toku z LED a velikost fotoproudu, který se tvoří v lineárních obvodech fotodetektorů, přímo závisí na vodivém proudu emitoru. Bezkontaktní optické kanály tak mohou přenášet informace o procesech v obvodech elektrického proudu připojených vodiči k emitoru. Nejúčinnější bylo použití světelných emitorů optočlenů v senzorech, elektrických změn ve vysokonapěťových silových obvodech. Přesné informace o podobných změnách jsou důležité pro včasnou ochranu zdrojů a spotřebitelů elektřiny před nadměrným zatížením.

Stabilizátor s ovládacím optočlenem

Optočleny efektivně pracují ve vysokonapěťových stabilizátorech. V nich tvoří negativní zpětnovazební optické kanály. Stabilizátor zobrazený na obrázku je sériové zařízení. V tomto případě je nastavovací prvek vyroben na bipolárním tranzistoru a jako zdroj referenčního referenčního napětí funguje zenerova dioda na bázi křemíku. Srovnávacím prvkem je LED.

S rostoucím výstupním napětím se zvyšuje i vodivost LED. Fototranzistor působí na optočlenový tranzistor, přičemž stabilizuje výstupní napětí.

Výhody optočlenů

• Bezkontaktní ovládání objektů, flexibilita a rozmanitost typů ovládání.
• Stabilita komunikačních kanálů vůči elektromagnetickým polím, která umožňuje vytvořit ochranu proti rušení a vzájemnému rušení.
• Vytváření mikroelektronických zařízení se světelnými přijímači, jejichž vlastnosti se mohou měnit podle určitých složitých zákonů.
• Rozšíření seznamu funkcí řízení výstupního signálu optočlenu ovlivněním materiálu optického kanálu, vytvořením zařízení a senzorů pro přenos dat.

Nevýhody optočlenů

• Nízká účinnost díky dvojité přeměně energie, vysoká spotřeba energie.
• Značná závislost práce na teplotě.
• Velká vlastní hladina hluku.
• Technologie a design nejsou dostatečně dokonalé, protože se používá hybridní technologie.

Tyto negativní momenty optočlenů jsou postupně eliminovány s vývojem obvodové technologie a materiálů. Velká obliba optočlenů je způsobena především unikátními vlastnostmi těchto zařízení.

Návod

Pokud je k desce připájen optočlen, jehož provozuschopnost je nastavena, je nutné jej vypnout, vybít na něm elektrolytické kondenzátory a poté optočlen odpájet, pamatovat si, jak byl pájen.

Optočleny mají různé emitory (žárovky, neonové lampy, LED, světlo emitující kondenzátory) a různé přijímače záření (fotodezory, fotodiody, fototranzistory, fototyristory, fotosimistory). Také jsou připnuté. Proto je nutné najít údaje o typu a pinu optočlenu buď v referenční knize nebo datasheetu, nebo v obvodu zařízení, kde byl instalován. Často je vývod optočlenu aplikován přímo na desku tohoto zařízení.Pokud je zařízení moderní, můžete si být téměř jistě jisti, že emitor v něm je LED.

Je-li přijímačem záření fotodioda, připojte k němu optočlen, sledujte polaritu, v řetězci sestávajícím ze zdroje konstantního napětí několika voltů, rezistoru navrženého tak, aby proud přijímačem záření nepřekračoval povolenou hodnotu, a multimetr pracující v režimu měření proudu na odpovídajícím limitu.

Nyní zadejte emitor optočlenu do provozního režimu. Chcete-li LED rozsvítit, protáhněte jí stejnosměrný proud rovný jmenovitému proudu v přímé polaritě. Přiveďte jmenovité napětí na žárovku. Přes rezistor s odporem 500 kΩ až 1 MΩ a výkonem alespoň 0,5 W opatrně zapojte do sítě neonku nebo světelný kondenzátor.

Fotodetektor musí reagovat na zařazení zářiče prudkou změnou režimu. Nyní zkuste vysílač několikrát vypnout a zapnout. Fototyristor a fotorezistor zůstanou otevřené i po odstranění ovládacího prvku, dokud se nevypne jejich napájení. Jiné typy fotodetektorů budou reagovat na každou změnu řídicího signálu Pokud má optočlen otevřený optický kanál, ujistěte se, že se při zablokování tohoto kanálu změní reakce detektoru záření.

Poté, co učiníte závěr o stavu optočlenu, vypněte napájení experimentálního nastavení a rozeberte jej. Poté optočlen připájejte zpět k desce nebo jej vyměňte za jiný. Pokračujte v opravě zařízení, které obsahuje optočlen.

Optočlen nebo optočlen se skládá z emitoru a fotodetektoru, které jsou od sebe odděleny vrstvou vzduchu nebo průhlednou izolační látkou. Nejsou elektricky propojeny, což umožňuje použití zařízení pro galvanické oddělení obvodů.

Návod

Připojte měřicí obvod k fotodetektoru optočlenu podle jeho typu. Pokud je přijímač fotorezistor, použijte obyčejný ohmmetr a polarita není důležitá. Při použití fotodiody jako přijímače připojte mikroampérmetr bez zdroje napájení (kladný k anodě). Pokud signál přijímá fototranzistor s n-p-n strukturou, zapojte obvod 2kiloohmový odpor, 3voltovou baterii a miliampérmetr a baterii s plusem připojte ke kolektoru tranzistoru. Pokud má fototranzistor strukturu p-n-p, otočte polaritu připojení baterie. Pro kontrolu fotodinistoru vytvořte obvod z 3V baterie a 6V, 20mA žárovky a připojte jej plusem k anodě dinistoru.

U většiny optočlenů je emitorem LED nebo žárovka. Aplikujte jmenovité napětí na žárovku v obou polaritách. Můžete také použít střídavé napětí, jehož efektivní hodnota se rovná provoznímu napětí lampy. Pokud je emitor LED, přiveďte na něj napětí 3 V přes odpor 1 kΩ (kladný k anodě).

Optočleny jsou taková optoelektronická zařízení, která mají zářiče a fotodetektory, využívají optické a elektrické spoje, ale i konstrukčně vytvořené prvky mezi sebou. Některé druhy optočlenů se nazývají optočleny nebo optoizolátory.

Princip činnosti jakéhokoli optočlenu je založen na dvojí přeměně energie. U zářičů se energie elektrického signálu přeměňuje na optické záření a u fotodetektorů naopak optický signál vyvolává elektrický proud nebo napětí nebo vede ke změně jeho odporu.

Nejrozšířenější optočleny s externími elektrickými výstupy a výstupními signály a vnitřními optickými signály (obr. 7.1). Konstrukce takového optočlenu má tvar znázorněný na Obr. 7.2.

V elektrickém obvodu plní takové zařízení funkci výstupního prvku - fotodetektoru se současnou elektrickou izolací (galvanickou izolací) vstupu a výstupu. Zářič je zdrojem fotonů, který lze použít jako LED nebo miniaturní žárovku. Optické médium může být vzduch, sklo, plast nebo optické vlákno. Jako fotodetektory se používají fotodiody, fototranzistory, fototyristory a fotorezistory. Velmi často se používají integrované struktury fotodioda-tranzistor. Různé kombinace těchto prvků umožňují získat velmi různorodé vstupní, výstupní a přenosové charakteristiky.

V praxi se používá i jiný druh optočlenů: využívající externí vstupní a výstupní optické signály a vnitřní elektrické signály (obr. 7.3). Taková zařízení zpravidla obsahují fotoproudové zesilovače.

Myšlenka vytvoření a použití optočlenů sahá až do roku 1955, kdy byla v práci Loebnera EE „Optoelectronic devices network“ navržena celá řada zařízení s optickými a elektrickými propojeními mezi prvky, která umožnila zesílit a spektrálně transformovat světelné signály, vytvářet zařízení se dvěma stabilními stavy - bistabilní optočleny, optoelektronická zařízení pro akumulaci a ukládání informací, logické obvody, posuvné registry. Tam byl také navržen termín "optocoupler", vytvořený jako zkratka pro anglické "optical-electronic device".

Optočleny popsané v této práci, dokonale ilustrující principy, se ukázaly jako nevhodné pro průmyslovou implementaci, protože byly založeny na nedokonalé elementární bázi - neefektivní a inerciální práškové elektroluminiscenční kondenzátory (emitor) a fotoodpory (přijímač). Nedokonalé byly také nejdůležitější provozní vlastnosti zařízení: nízkoteplotní a časová stabilita parametrů, nedostatečná odolnost proti mechanickému namáhání. Tak. zprvu zůstával optočlen pouze zajímavým vědeckým počinem, který nenašel uplatnění v technice.

Teprve v polovině 60. let vývoje polovodičových svítivých diod a technologicky vyspělých výkonných vysokorychlostních křemíkových fotodetektorů s p-n přechody (fotodiody a fototranzistory) se začala vytvářet elementární základna moderní technologie optočlenů. Počátkem 70. let se výroba optočlenů v předních zemích světa stala důležitým a rychle se rozvíjejícím odvětvím elektronické techniky, úspěšně doplňujícím tradiční mikroelektroniku.

Základní definice

Optočleny jsou taková optoelektronická zařízení, ve kterých je zdroj a přijímač záření (světelný emitor a fotodetektor) s jedním nebo druhým typem optického a elektrického spojení mezi nimi, které jsou navzájem konstrukčně spojeny.

Princip činnosti optočlenů jakéhokoli druhu je založen na následujícím. V zářiči se energie elektrického signálu přeměňuje na světlo, ve fotodetektoru naopak světelný signál vyvolává elektrickou odezvu.

V praxi se rozšířily pouze optočleny, které mají přímé optické propojení z emitoru s fotodetektorem a zpravidla jsou vyloučeny všechny druhy elektrického spojení mezi těmito prvky.

Podle stupně složitosti blokového schématu se mezi produkty optočlenové techniky rozlišují dvě skupiny zařízení. Optočlen (říkají také „elementární optočlen“) je optoelektronické polovodičové zařízení sestávající z emitujícího a fotopřijímacího prvku, mezi nimiž je optické spojení, které zajišťuje elektrickou izolaci mezi vstupem a výstupem. Optoelektronický integrovaný obvod je mikroobvod sestávající z jednoho nebo více optočlenů a jednoho nebo více přizpůsobovacích nebo zesilovacích zařízení, které jsou k nim elektricky připojeny.

V elektronickém obvodu tedy takové zařízení plní funkci vazebního prvku, ve kterém je současně provedeno elektrické (galvanické) oddělení vstupu a výstupu.

Charakteristické vlastnosti optočlenů

Výhody těchto zařízení jsou založeny na obecném optoelektronickém principu využití elektricky neutrálních fotonů pro přenos informací. Hlavní jsou následující:

• možnost zajištění ideální elektrické (galvanické) izolace mezi vstupem a výstupem; pro optočleny neexistují žádná zásadní fyzická nebo konstrukční omezení pro dosažení libovolně vysokých napětí a oddělovacích odporů a libovolně malé kapacity;
• možnost realizace bezkontaktního optického ovládání elektronických objektů a z toho vyplývající rozmanitost a flexibilita konstrukčních řešení řídicích obvodů;
• jednosměrná distribuce informací přes optický kanál, žádná zpětná vazba od přijímače k ​​vysílači;
• široká frekvenční šířka pásma optočlenu, bez omezení nízkými frekvencemi (což je typické pro pulzní transformátory); možnost přenosu jak pulzního signálu, tak konstantní složky přes optočlenový obvod;
• schopnost řídit výstupní signál optočlenu ovlivňováním (včetně neelektrického) na materiál optického kanálu a z toho plynoucí možnost vytvoření různých senzorů a také různých zařízení pro přenos informací;
• možnost vytváření funkčních mikroelektronických zařízení s fotodetektory, jejichž charakteristiky se při osvětlení mění podle složitého daného zákona;
• odolnost optických komunikačních kanálů vůči účinkům elektromagnetických polí, což je v případě „dlouhých“ optočlenů (s prodlouženým světlovodem z optických vláken mezi vysílačem a přijímačem) činí imunními vůči rušení a úniku informací a také vylučuje vzájemné rušení;
• fyzikální a konstrukčně-technologická kompatibilita s jinými polovodičovými a mikroelektronickými zařízeními.

Optočleny mají také určité nevýhody:

• značná spotřeba energie v důsledku nutnosti dvojí přeměny energie (elektřina - světlo - elektřina) a nízká účinnost těchto přechodů;
• zvýšená citlivost parametrů a charakteristik na účinky zvýšené teploty a pronikajícího jaderného záření;
• více či méně patrná časová degradace (zhoršení) parametrů;
• relativně vysoká úroveň vlastního šumu, stejně jako dvě předchozí nevýhody, kvůli zvláštnostem fyziky LED;
• složitost implementace zpětné vazby způsobená elektrickou izolací vstupních a výstupních obvodů;
• konstrukční a technologická nedokonalost spojená s použitím hybridní neplanární technologie (s nutností spojit v jednom zařízení více - samostatných krystalů z různých polovodičů umístěných v různých rovinách).

Uvedené nedostatky optočlenů jsou částečně odstraněny zlepšením materiálů, technologie, obvodů, ale přesto budou mít ještě dlouhou dobu spíše zásadní charakter. Jejich přednosti jsou však tak vysoké, že poskytují jistou nekonkurenceschopnost optočlenů mezi ostatními mikroelektronickými zařízeními.

Zobecněné blokové schéma

Jako vazební prvek je optočlen charakterizován přenosovým koeficientem K i, určeným poměrem výstupního a vstupního signálu, a maximální rychlostí přenosu informace F. V praxi se namísto F doba trvání náběhu a poklesu měří se vysílané impulsy t out (sp) nebo mezní frekvence. Možnosti optočlenu jako prvku galvanické izolace jsou charakterizovány maximálním napětím a izolačním odporem U razv a R razv a kapacitou C razv.

V blokovém schématu na Obr. 1 vstupní zařízení slouží k optimalizaci pracovního režimu emitoru (např. posunutí LED do lineárního úseku wattampérové ​​charakteristiky) a převodu (zesílení) externího signálu. Vstupní blok musí mít vysokou účinnost převodu, vysokou rychlost, široký dynamický rozsah přípustných vstupních proudů (pro lineární systémy), nízkou hodnotu „prahového“ vstupního proudu, která zajišťuje spolehlivý přenos informace obvodem.

Obr. 1. Zobecněné blokové schéma optočlenu

Účelem optického média je přenášet energii optického signálu z emitoru do fotodetektoru a v mnoha případech zajistit mechanickou integritu struktury.

Zásadní možnost řízení optických vlastností média např. pomocí elektrooptických nebo magnetooptických efektů se projevuje zavedením řídicího zařízení do obvodu.vstupního a řídicího obvodu.

Ve fotodetektoru je informační signál "obnoven" z optického na elektrický; zároveň se snaží o vysokou citlivost a vysokou rychlost.

Nakonec je výstupní zařízení navrženo tak, aby převádělo signál fotodetektoru do standardní formy, která je vhodná pro ovlivňování následných kaskád za optočlenem. Téměř povinnou funkcí výstupního zařízení je zesílení signálu, protože ztráty po dvojité konverzi jsou velmi výrazné. Často funkci zesílení provádí samotný fotodetektor (například fototranzistor).

Obecné blokové schéma Obr. 1 je v každém konkrétním zařízení implementována pouze částí bloků. V souladu s tím existují tři hlavní skupiny zařízení pro technologii optočlenů; dříve pojmenované optočleny (elementární optočleny) využívající bloky emitor světla - optické médium - fotodetektor; optoelektronické (optočleny) mikroobvody (optočleny s přidáním výstupního a někdy i vstupního zařízení); speciální typy optočlenů - zařízení, která se funkčně a konstrukčně výrazně liší od elementárních optočlenů a optoelektronických IO.

Skutečný optočlen může být uspořádán a komplikovanější než obvod na obr. jeden; každý z těchto bloků může obsahovat ne jeden, ale několik stejných nebo podobných prvků spojených elektricky a opticky, to však podstatně nemění základy fyziky a elektroniky optočlenu.

aplikace

Jako prvky galvanické izolace se optočleny používají: pro připojení bloků zařízení, mezi kterými je významný rozdíl potenciálů; k ochraně vstupních obvodů měřicích přístrojů před rušením a rušením atd.

Další hlavní oblastí použití optočlenů je optické, bezkontaktní řízení silnoproudých a vysokonapěťových obvodů. Spouštění výkonných tyristorů, triaků, triaků, ovládání elektromechanických reléových zařízení.

Specifickou skupinu řídicích optočlenů tvoří odporové optočleny určené pro slaboproudé spínací obvody ve složitých zobrazovacích zařízeních vyrobených na elektroluminiscenčních (práškových) indikátorech, mimicích, obrazovkách.

Vytvořením „dlouhých“ optočlenů (zařízení s prodlouženým flexibilním světlovodem z optických vláken) se otevřel zcela nový směr využití produktů optočlenů – komunikace na krátké vzdálenosti.

Různé optočleny (dioda, rezistor, tranzistor) se používají i v čistě radiotechnických modulačních obvodech, automatickém řízení zesílení atd. Zde se využívá vlivu optického kanálu pro uvedení obvodu do optimálního pracovního režimu, pro bezkontaktní změnu režimu atd.

Schopnost měnit vlastnosti optického kanálu pod různými vnějšími vlivy na něj umožňuje vytvořit celou řadu optočlenových senzorů: jedná se o senzory vlhkosti a kontaminace plynů, senzory přítomnosti konkrétní kapaliny v objemu, senzory pro čistotu povrchové úpravy předmětu, rychlost jeho pohybu atd.

Zcela specifické je použití optočlenů pro energetické účely, tedy provoz diodového optočlenu ve fotoventilovém režimu. V tomto režimu fotodioda generuje elektrickou energii do zátěže a optočlen je do jisté míry podobný nízkopříkonovému sekundárnímu zdroji energie, zcela oddělený od primárního okruhu.

Krokem k vytvoření funkční optoelektroniky je vytvoření optočlenů s fotoodpory, jejichž vlastnosti se při osvětlení mění podle daného komplexního zákona, umožňuje simulovat matematické funkce.

Všestrannost optočlenů jako prvků galvanického oddělení a bezkontaktního ovládání, rozmanitost a jedinečnost mnoha dalších funkcí jsou důvodem, že oblastmi použití těchto zařízení jsou výpočetní technika, automatizace, komunikační a rádiová zařízení, automatizované řídicí systémy, měřicí technika, řídicí a regulační systémy, lékařská elektronika, zařízení pro vizuální zobrazování informací.

Fyzikální základy technologie optočlenů

Elementová báze a zařízení optočlenů

Elementární základ optočlenů tvoří fotodetektory a zářiče a také optické médium mezi nimi. Na všechny tyto prvky jsou kladeny takové obecné požadavky, jako jsou malé rozměry a hmotnost, vysoká životnost a spolehlivost, odolnost proti mechanickým a klimatickým vlivům, vyrobitelnost, nízká cena. Je také žádoucí, aby prvky prošly poměrně širokou a dlouhodobou průmyslovou aprobací.

Funkčně (jako obvodový prvek) se optočlen vyznačuje především typem fotodetektoru, který používá.

O úspěšném použití fotodetektoru v optočlenu rozhoduje splnění následujících základních požadavků: účinnost přeměny energie kvant záření na energii mobilních elektrických; přítomnost a účinnost interního vestavěného zesílení; vysoká rychlost; šíři funkčnosti.

Optočleny používají fotodetektory různých struktur, které jsou citlivé ve viditelné a blízké infračervené oblasti, protože právě v tomto spektrálním rozsahu jsou intenzivní zdroje záření a fotodetektory mohou pracovat bez chlazení.

Nejuniverzálnější jsou fotodetektory s p - n přechody (diody, tranzistory atd.), v naprosté většině případů jsou vyrobeny na bázi křemíku a oblast maximální spektrální citlivosti bitů se blíží l = 0,7 ... 0,9 μm .

Četné požadavky jsou také kladeny na emitory optočlenů. Mezi hlavní patří: spektrální shoda s vybraným fotodetektorem; vysoká účinnost přeměny energie elektrického proudu na energii záření; převládající směr záření; vysoká rychlost; jednoduchost a pohodlí buzení a modulace záření.

Pro použití v optočlenech je vhodných a dostupných několik typů emitorů:

• miniaturní žárovky.
• neonové žárovky, které využívají záře elektrického výboje plynné směsi neon-argon.
  Tyto typy zářičů se vyznačují nízkým světelným výkonem, nízkou odolností proti mechanickému namáhání, omezenou životností, velkými rozměry a naprostou nekompatibilitou s integrovanou technologií. V určitých typech optočlenů je však lze použít.
• Práškový elektroluminiscenční článek využívá jako svítící těleso jemně krystalická zrna sulfidu zinečnatého (aktivovaného mědí, manganem nebo jinými přísadami) suspendovaná v polymerujícím dielektriku. Při použití dostatečně vysokých střídavých napětí dochází k procesu luminiscence před průrazem.
• Tenkovrstvé elektroluminiscenční články. Záře je zde spojena s excitací atomů manganu „žhavými“ elektrony.

Práškové i filmové elektroluminiscenční články mají nízkou účinnost přeměny elektrické energie na světlo, nízkou životnost (zejména tenkovrstvé) a obtížně se ovládají (např. optimální režim pro práškové fosfory je ~220 V při f = 400 ... 800 Hz). Hlavní výhodou těchto zářičů je jejich konstrukční a technologická kompatibilita s fotoodpory, možnost vytvářet na tomto základě multifunkční, víceprvkové struktury optočlenů.

Hlavním nejuniverzálnějším typem emitoru používaným v optočlenech je polovodičová injekční světelná dioda - LED. Je to dáno jeho následujícími výhodami: vysoká hodnota účinnosti přeměny elektrické energie na optickou; úzké emisní spektrum (kvazi-monochromatičnost); šířka spektrálního rozsahu pokrytého různými LED; směrovost záření; vysoká rychlost; nízké hodnoty napájecích napětí a proudů; kompatibilita s tranzistory a integrovanými obvody; snadnost modulace radiačního výkonu změnou dopředného proudu; schopnost pracovat v pulzním i nepřetržitém režimu; linearita watt-ampérových charakteristik ve více či méně širokém rozsahu vstupních proudů; vysoká spolehlivost a trvanlivost; malé rozměry; technologická kompatibilita s mikroelektronickými produkty.

Obecné požadavky na optické imerzní médium optočlenu jsou následující: vysoká hodnota indexu lomu n im; vysoká hodnota měrného odporu r nich; vysoká kritická intenzita pole E im cr, dostatečná tepelná odolnost D q im slave; dobrá přilnavost ke krystalům křemíku a arsenidu galia; elasticita (to je nutné, protože není možné zajistit shodu prvků optočlenu z hlediska koeficientů tepelné roztažnosti); mechanická pevnost, protože imerzní médium v ​​optočlenu plní nejen světlo propouštějící, ale také strukturální funkce; vyrobitelnost (snadnost použití, reprodukovatelnost vlastností, nízká cena atd.).

Hlavním typem imerzního média používaného v optočlenech jsou polymerní optická lepidla. Pro ně je obvykle 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 slave \u003d - 60 ... 120 C Lepidla mají dobrou přilnavost ke křemíku a arsenidu galia, kombinují vysokou mechanickou pevnost a odolnost proti tepelným cyklům. Používají se také netvrdnoucí optická média podobná vazelíně a pryži.

Fyzika přeměny energie v diodovém optočlenu

Zvažování procesů přeměny energie v optočlenu vyžaduje vzít v úvahu kvantovou povahu světla. Je známo, že elektromagnetické záření lze reprezentovat jako proud částic - kvanta (fotonů), energie. z nichž každý je určen poměrem:

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

kde h je Planckova konstanta;
c je rychlost světla ve vakuu;
n je index lomu polovodiče;
n, l - kmitání a vlnová délka optického záření.

Pokud je hustota toku kvant (tj. počet kvant prolétajících jednotkovou plochou za jednotku času) rovna N f, pak bude celkový měrný výkon záření:

Pf = Nf * Ef (2,2)

a jak je vidět z (2.1), pro dané N f je tím větší, čím kratší je vlnová délka záření. Protože se v praxi udává P f (energetická ozáření fotodetektoru), jeví se jako užitečný následující vztah

Nf = Pf / Ef = 5 * 10 15 l Pf (2,3)

kde Nf, cm-2 s-1; 1, um; Pf, mW/cm.

Rýže. 2. Energetický diagram polovodiče s přímou mezerou (na příkladu ternární sloučeniny GaAsP)

Mechanismus injekční luminiscence v LED se skládá ze tří hlavních procesů: radiační (a nezářivé) rekombinace v polovodičích, injektování přebytečných vedlejších nosičů náboje do báze LED a extrakce záření z oblasti generace.

Rekombinace nosičů náboje v polovodiči je dána především jeho pásmovým diagramem, přítomností a povahou nečistot a defektů a mírou porušení rovnovážného stavu. Hlavními materiály optočlenových emitorů (GaAs a na něm založené ternární sloučeniny GaA1As a GaAsP) jsou polovodiče s přímou mezerou, tzn. k těm, ve kterých jsou povoleny přímé přechody optické zóny-zóny (obr. 2). Každý akt rekombinace nosiče náboje podle tohoto schématu je doprovázen emisí kvanta, jehož vlnová délka je v souladu se zákonem zachování energie určena vztahem:

lz [µm] = 1,23 / Ef [eV] (2,4)

Je třeba poznamenat, že existují i ​​konkurenční neradiační - rekombinační mechanismy. Mezi nejvýznamnější z nich patří:

1. Rekombinace v hlubokých centrech. Elektron může procházet do valenčního pásma ne přímo, ale přes určitá rekombinační centra, která tvoří povolené energetické hladiny v zakázaném pásmu (hladina Et na obrázku 2).
2. Augerova rekombinace (neboli šok). Při velmi vysokých koncentracích volných nosičů náboje v polovodiči se zvyšuje pravděpodobnost srážky tří těles, energie rekombinačního páru elektron-díra je předána třetímu volnému nosiči ve formě kinetické energie, kterou při srážkách postupně plýtvá. s mříží.

Obr. 3. Elektrické (a) a optické (b) modely LED. A - opticky "průhledná" část krystalu; B - aktivní část krystalu; C - "neprůhledná" část krystalu; D - ohmické kontakty; E - oblast vesmírného náboje

Relativní úloha různých rekombinačních mechanismů je popsána zavedením konceptu kvantového výnosu vnitřního záření h int , který je určen poměrem pravděpodobnosti radiační rekombinace k celkové (radiační a nezářivé) pravděpodobnosti rekombinace (nebo jinými slovy, poměr počtu generovaných fotonů k počtu současně injektovaných menšinových nosičů náboje). Hodnota h int je nejdůležitější charakteristikou materiálu použitého v LED; samozřejmě 0 h int 100 %.

Vytvoření přebytečné koncentrace volných nosičů v aktivní (emitující) oblasti LED krystalu se provádí jejich injektováním dopředně vychýleným p-n přechodem.

"Užitečnou" složkou proudu, která udržuje radiační rekombinaci v aktivní oblasti diody, je elektronový proud I n (obr. 3a) injektovaný p-n přechodem. Mezi "neužitečné" komponenty dopředného proudu patří:

1. Složka díry Ip, v důsledku vstřikování děr do n-oblasti a odrážející skutečnost, že zde nejsou žádné pn přechody s jednostrannou injekcí, zlomek tohoto proudu je tím menší, čím je n-oblast silněji dotována ve srovnání do p-regionu.
2. Rekombinační proud (neradiační) v oblasti prostorového náboje p - n-přechod I rec. V polovodičích s velkým bandgapem při malých dopředných předpětích může být zlomek tohoto proudu znatelný.
3. Tunelovací proud Itun, v důsledku „úniku“ nosičů náboje přes potenciální bariéru. Proud je přenášen většinovými nosiči a nepřispívá k radiační rekombinaci. Tunelový proud je tím větší, čím užší je p - n přechod, je patrný při vysokém stupni dotování oblasti báze a při velkých dopředných předpětích.
4. Povrchový svodový proud I pov, v důsledku rozdílu vlastností povrchu polovodiče od vlastností objemu a přítomnosti určitých zkratových vměstků.

Účinnost p - n-přechodu je charakterizována vstřikovacím koeficientem:

(2.5)

Je zřejmé, že hranice možné změny g jsou stejné jako u hint, tj. 0 g 100 %.

Při odstraňování záření z oblasti výroby dochází k následujícím typům energetických ztrát (obr. 3, b):

1. Ztráty samoabsorpcí (paprsky 1). Pokud vlnová délka generovaných kvant přesně odpovídá vzorci (2.4), pak se shoduje s "červenou hranicí" absorpce (viz níže) a takové záření je rychle absorbováno v objemu polovodiče (samoabsorpce). Ve skutečnosti záření v polovodičích s přímou mezerou neprobíhá podle výše uvedeného ideálního schématu. Proto je vlnová délka generovaných kvant poněkud větší než podle (2.4):
2. Celková vnitřní ztráta odrazem (paprsky 2). Je známo, že když světelné paprsky dopadají na rozhraní mezi opticky hustým prostředím (polovodičem) a opticky méně hustým (vzduchem), u některých z těchto paprsků je splněna podmínka úplného vnitřního odrazu, takové paprsky odražené uvnitř krystalu jsou nakonec ztracena v důsledku sebeabsorpce.
3. Ztráty pro zadní a okrajové záření (paprsek 3 a 4).

Kvantitativně je účinnost výstupu optické energie z krystalu charakterizována výstupním koeficientem K opt určeným poměrem výkonu záření vycházejícího správným směrem k výkonu záření generovanému uvnitř krystalu. Stejně jako u koeficientů hint a g je vždy splněna podmínka 0 K opt 100 %.
G. Integrálním indikátorem emisivity LED je hodnota externího kvantového výnosu h ext. Z řečeného je zřejmé, že h ext = h int g K opt.

Přejděme k přijímači. Princip činnosti fotodetektorů používaných v optočlenech je založen na vnitřním fotoelektrickém jevu, který spočívá v oddělování elektronů od atomů uvnitř těla pod vlivem elektromagnetického (optického) záření.

Světelná kvanta, která jsou absorbována v krystalu, mohou způsobit oddělení elektronů od atomů, a to jak samotného polovodiče, tak i nečistoty. V souladu s tím se hovoří o vnitřní (bez nečistot) a absorpci nečistot (fotoelektrický efekt). Protože koncentrace atomů nečistot je nízká, fotoelektrické efekty založené na vlastní absorpci jsou vždy významnější než ty, které jsou založeny na absorpci nečistot. Všechny fotodetektory používané v optočlenech "fungují" na čistém fotoelektrickém jevu. Aby kvantum světla způsobilo odtržení elektronu od atomu, je nutné splnit zjevné energetické vztahy:

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

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

Vlastní fotoelektrický jev tedy může nastat pouze tehdy, když je polovodič vystaven záření o vlnové délce menší než určitá hodnota l gr:

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

Druhá rovnost v (2.8) platí, je-li lgr vyjádřeno v mikrometrech a zakázané pásmo polovodiče Eg je v elektronvoltech. Hodnota l gr se nazývá dlouhovlnná nebo „červená“ hranice spektrální citlivosti materiálu.

Intenzita fotoelektrického jevu (ve spektrální oblasti, kde může existovat) závisí na kvantovém výtěžku, který je určen poměrem počtu generovaných párů elektron-díra k počtu absorbovaných fotonů. Analýza experimentálních závislostí ukazuje, že ve spektrální oblasti zájmu pro optočleny je b = 1.

Tvorba volných nosičů náboje působením ozáření se u polovodiče projevuje ve formě dvou fotoelektrických jevů: fotovodivosti (zvýšení vodivosti vzorku při osvětlení) a fotovoltaického (vznik foto-EMF na pn přechod nebo jiná forma potenciální bariéry v polovodiči při osvětlení). Oba efekty se používají v praxi navrhování fotodetektorů; u optočlenů je preferováno a dominantní použití foto-EMF efektu.

Hlavní parametry a vlastnosti fotodetektorů (bez ohledu na fyzikální povahu a provedení těchto zařízení) lze rozdělit do několika skupin.Optické charakteristiky zahrnují plochu fotocitlivého povrchu, materiál, rozměry a konfiguraci optického okénka; maximální a minimální úrovně radiačního výkonu. Pro elektro-optickou - fotosenzitivitu, stupeň rovnoměrnosti rozložení citlivosti po ploše fotodetektoru; spektrální hustota citlivosti (závislost parametru charakterizujícího citlivost na vlnové délce); vlastní šum fotodetektoru a jeho závislost na úrovni osvětlení a rozsahu pracovních frekvencí; doba řešení (výkon); kvalitativní faktor (kombinovaný indikátor, který umožňuje vzájemně porovnávat různé fotodetektory); index linearity; dynamický rozsah. Jako prvek elektrického obvodu je fotodetektor charakterizován především parametry jeho ekvivalentního obvodu, požadavky na provozní režimy, přítomností (nebo nepřítomností) vestavěného zesilovacího mechanismu, typem a tvarem výstupní signál. Další vlastnosti: provozní, spolehlivost, celková, technologická - neobsahují nic specificky "fotodetektor".

V závislosti na povaze výstupního signálu (napětí, proud) se hovoří o voltové nebo proudové fotosenzitivitě přijímače S, měřené ve V/W nebo A/W. Linearita (nebo nelinearita) fotodetektoru je určena hodnotou exponentu n v rovnici vztahující výstupní signál ke vstupu: U out (nebo I out) ~ P f. Pro n 1 je fotodetektor lineární; rozsah hodnot P f (od P f max do P f min), ve kterém se to provádí, určuje dynamický rozsah linearity fotodetektoru D , obvykle vyjádřený v decibelech: D = 10 lg (P f max / P f min).

Nejdůležitějším parametrem fotodetektoru, který určuje práh jeho citlivosti, je specifická detektivnost D, měřená ve W -1 m Hz 1/2. Při známé hodnotě D je práh citlivosti (minimální detekovaný výkon záření) definován jako

Pf min = / D (2,9)

kde A je plocha fotosenzitivní oblasti; Df je pracovní frekvenční rozsah zesilovače fotosignálu. Jinými slovy, parametr D hraje roli faktoru kvality fotodetektoru.

Rýže. 4. Schémata měření a řady proudově-napěťových charakteristik v režimu činnosti diody fotodioda (a) a fotoventil (b) Obr.

Při aplikaci na optočleny nejsou všechny uvedené charakteristiky stejně důležité. Fotodetektory v optočlenech zpravidla pracují při ozáření velmi vzdálených prahové hodnotě, takže použití parametrů P f min a D se ukazuje jako prakticky zbytečné. Konstrukčně bývá fotodetektor v optočlenu „zapuštěn“ do toho imerzního. médium jej spojuje s emitorem, takže znalost optických charakteristik vstupního okna postrádá smysl (záměrně takové okno zpravidla neexistuje). Není také příliš důležité znát rozložení citlivosti na fotosenzitivní oblasti, protože jsou zajímavé integrální efekty.

Mechanismus činnosti fotodetektorů založených na fotovoltaickém jevu budeme uvažovat na příkladu planárně-epitaxiálních fotodiod s p-n přechodem a p-in strukturou, ve kterých je n + - substrát, n- nebo i-typ báze (slabá vodivost n - typu) a tenká p + -vrstva. Při provozu v režimu fotodiody (obr. 4a) způsobuje externě aplikované napětí pohyb pohyblivých děr a elektronů od přechodu p - n(p - i); v tomto případě se ukazuje, že obraz rozložení pole v krystalu je pro obě uvažované struktury ostře odlišný.

Světelné záření, které je absorbováno v oblasti báze diody, vytváří páry elektron-díra, které difundují do p - n přechodu, jsou jím odděleny a způsobují, že se ve vnějším obvodu objeví další proud. U p - i - n-diod dochází k této separaci v poli i-o6 a místo difúzního procesu dochází k driftování nosičů náboje vlivem elektrického pole. Každý generovaný pár elektron-díra, který prošel p - n-přechodem, způsobí průchod vnějším obvodem náboje rovného náboji elektronu. Čím větší je ozáření diody, tím větší je fotoproud. Fotoproud protéká také při předpětí diody v propustném směru (obr. 4, a), avšak i při nízkém napětí se ukazuje, že je mnohem menší než propustný proud, takže jeho izolace je obtížná.

Pracovní oblast voltampérové ​​charakteristiky fotodiody je třetí kvadrant na obr. 4a; Nejdůležitějším parametrem je tedy aktuální citlivost

(2.10)

Druhá rovnost v (2.10) byla získána za předpokladu lineární závislosti I f = f(P f) a třetí - za podmínky zanedbání temného proudu (IT<< I Ф), что для кремниевых фотодиодов обычно выполняется.

Pokud je fotodioda osvětlena, aniž by na ni bylo aplikováno vnější předpětí, bude proces separace generovaných elektronů a děr probíhat v důsledku působení vestavěného pole p-n přechodu. V tomto případě budou otvory proudit do p-oblasti a částečně kompenzovat vestavěné pole p - n-přechodu. Vznikne nějaký nový rovnovážný (pro danou hodnotu: P f) stav, ve kterém na vnějších svorkách diody vzniká foto-EMF U f. Pokud zavřete osvětlenou fotodiodu na určitou zátěž, pak jí dodá užitečnou elektrickou energii P e.

Charakteristickými body proudově-napěťové charakteristiky diody pracující v takovém režimu fotoventilu jsou EMF Uxx naprázdno a zkrat zkratového proudu I (obr. 4,b).

Fotodioda ve ventilovém režimu funguje schematicky jako druh sekundárního zdroje energie, takže jejím definujícím parametrem je účinnost přeměny světelné energie na elektrickou energii:

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

V režimu fotoventilu pracuje důležitá třída fotovoltaických zařízení - solární panely.

Parametry a charakteristiky optočlenů a optoelektronických integrovaných obvodů

Klasifikace parametrů výrobků optočlenového zařízení

Při klasifikaci produktů technologie optočlenů se berou v úvahu dva body: typ fotodetektoru a konstrukční vlastnosti zařízení jako celku.

Volba prvního klasifikačního znaku je dána tím, že téměř všechny optočleny mají na vstupu LED a funkčnost zařízení je dána výstupními charakteristikami fotodetektoru.

Jako druhý znak je převzat design, který určuje specifika použití optočlenu.

Rýže. 5. Zjistit pulzní parametry optočlenů

Pomocí tohoto principu klasifikace smíšené konstrukce a návrhu obvodů je logické rozlišit tři hlavní skupiny optočlenů: optočleny (elementární optočleny), optoelektronické (optočleny) integrované obvody a speciální typy optočlenů. Každá z těchto skupin zahrnuje velké množství typů zařízení.

Pro nejběžnější optočleny se používají tyto zkratky: D - dioda, T - tranzistor, R - rezistor, Y - tyristor, T 2 - s kompozitním fototranzistorem, DT - dioda-tranzistor, 2D (2T) - dioda (tranzistor) rozdíl.

Systém parametrů pro produkty optočlenů je založen na systému parametrů optočlenů, který je tvořen čtyřmi skupinami parametrů a režimů.

První skupina charakterizuje vstupní obvod optočlenu (vstupní parametry), druhá - jeho výstupní obvod (výstupní parametry), třetí - kombinuje parametry charakterizující míru vlivu emitoru na fotodetektor a související vlastnosti signálu. procházející optočlenem jako vazebním prvkem (parametry přenosové charakteristiky), konečně čtvrtá skupina kombinuje parametry galvanického oddělení, jejichž hodnoty ukazují, jak blízko se optočlen blíží ideálnímu izolačnímu prvku. Ze čtyř uvedených skupin jsou určujícími, konkrétně "optočlenovými" parametry přenosová charakteristika a parametry galvanického oddělení.

Nejdůležitějším parametrem diodových a tranzistorových optočlenů je koeficient proudového přenosu. Definice pulzních parametrů optočlenů je zřejmá z (obr. 5). Referenční úrovně při měření parametrů t nar (sp), t zd a t on (off) jsou obvykle úrovně 0,1 a 0,9, celková doba logického zpoždění signálu je určena úrovní 0,5 amplitudy pulzu. .

Parametry galvanické izolace. Optočleny jsou: maximální dovolené špičkové napětí mezi vstupem a výstupem U razv p max ; maximální dovolené napětí mezi vstupem a výstupem U razv max ; odolnost galvanického oddělení R vývoj; kapacita průchodu C razv; maximální povolená rychlost změny napětí mezi vstupem a výstupem (dU spread /dt) max . Nejdůležitějším parametrem je U exp n max . Je to on, kdo určuje elektrickou pevnost optočlenu a jeho schopnosti jako prvku galvanické izolace.

Uvažované parametry optočlenů, v plném rozsahu nebo s některými změnami, se také používají k popisu optoelektronických integrovaných obvodů.

Diodové optočleny

Rýže. 6. Symboly optočlenů

Diodové optočleny (obr. 6, a) ve větší míře než jakákoli jiná zařízení charakterizují úroveň technologie optočlenů. Podle hodnoty K i lze posuzovat dosaženou účinnost přeměny energie v optočlenu; hodnoty časových parametrů umožňují určit mezní rychlosti šíření informace. Připojení jednoho nebo druhého zesilovacího prvku k diodovému optočlenu, které je velmi užitečné a pohodlné, přesto nemůže přinést zisk ani z hlediska energie, ani z hlediska omezujících frekvencí.

Tranzistorové a tyristorové optočleny

Tranzistorové optočleny(obr. 6, c) se řadou svých vlastností příznivě srovnávají s jinými typy optočlenů. Jedná se především o flexibilitu obvodů, která se projevuje v tom, že kolektorový proud lze řídit jak v obvodu LED (opticky), tak v obvodu báze (elektricky), a také v tom, že výstupní obvod může pracovat jak v lineárním a klíčové režimy. Vnitřní zesilovací mechanismus zajišťuje, že koeficient proudového přenosu Kj je velký, takže následné zesilovací stupně nejsou vždy nutné. Je důležité, že v tomto případě není setrvačnost optočlenu příliš velká a v mnoha případech je zcela přijatelná. Výstupní proudy fototranzistorů jsou mnohem vyšší než např. fotodiod, díky čemuž jsou vhodné pro spínání široké škály elektrických obvodů. Nakonec je třeba poznamenat, že toho všeho je dosaženo relativní technologickou jednoduchostí tranzistorových optočlenů.

Tyristorové optočleny(obr. 6, b) jsou nejslibnější pro spínání silnoproudých vysokonapěťových obvodů: z hlediska kombinace spínaného výkonu v zátěži a rychlosti jsou jednoznačně výhodnější než optočleny T 2. Optočleny typu AOU103 jsou určeny pro použití jako bezkontaktní klíčové prvky v různých elektronických obvodech: v řídicích obvodech, výkonových zesilovačích, tvarovačích impulsů atd.

Rezistorové optočleny

Odporové optočleny (obr. 6, d) se od všech ostatních typů optočlenů zásadně liší fyzikálními a designově technologickými vlastnostmi, jakož i složením a hodnotami parametrů.

Princip činnosti fotorezistoru je založen na vlivu fotovodivosti, tedy na změnách odporu polovodiče při osvětlení.

Diferenciální optočleny pro přenos analogového signálu

Veškerý výše uvedený materiál se týká přenosu digitální informace po galvanicky odděleném obvodu. Ve všech případech, kdy se hovořilo o linearitě, o analogových signálech, šlo o typ výstupní charakteristiky optočlenu. Ve všech případech nebyla kontrola nad kanálem emitor-fotodetektor popsána lineární závislostí. Důležitým úkolem je přenos analogové informace pomocí optočlenu, tedy zajištění linearity vstupně-výstupní přenosové charakteristiky. Pouze v přítomnosti takových optočlenů je možné přímo distribuovat analogové informace prostřednictvím galvanicky oddělených obvodů, aniž by se převáděly do digitální formy (pulzní řady).

Porovnání vlastností různých optočlenů z hlediska parametrů důležitých z hlediska přenosu analogového signálu vede k závěru, že pokud lze tento problém vyřešit, pak jedině pomocí diodových optočlenů s dobrými frekvenčními a šumovými charakteristikami. . Složitost problému spočívá především v úzkém rozsahu linearity přenosové charakteristiky a míře této linearity u diodových optočlenů.

Je třeba poznamenat, že ve vývoji zařízení s galvanickým oddělením vhodných pro přenos analogových signálů byly učiněny pouze první kroky a lze očekávat další pokrok.

Optoelektronické mikroobvody a další zařízení typu optočlenů

Optoelektronické mikroobvody jsou jednou z nejpoužívanějších, vyvíjejících se a slibných tříd produktů v technologii optočlenů. To je způsobeno úplnou elektrickou a strukturální kompatibilitou optoelektronických mikroobvodů s tradičními mikroobvody a také jejich širší funkčností ve srovnání s elementárními optočleny. Stejně jako u běžných mikroobvodů jsou nejpoužívanější spínací optoelektronické mikroobvody.

Speciální typy optočlenů se výrazně liší od tradičních optočlenů a optoelektronických mikroobvodů. Mezi ně patří především optočleny s otevřeným optickým kanálem. V konstrukci těchto zařízení je mezi emitorem a fotodetektorem vzduchová mezera, takže umístěním určitých mechanických bariér do ní je možné řídit světelný tok a tím i výstupní signál optočlenu. Optočleny s otevřeným optickým kanálem tedy fungují jako optoelektronické senzory, které detekují přítomnost (nebo nepřítomnost) objektů, stav jejich povrchu, rychlost pohybu nebo rotace atd.

Aplikace optočlenů a optočlenových mikroobvodů

Slibné směry vývoje a aplikace technologie optočlenů byly z velké části určeny. Optočleny a optočleny se efektivně používají k přenosu informací mezi zařízeními, která nemají uzavřená elektrická spojení. Tradičně silné zůstávají pozice optoelektronických zařízení v technice získávání a zobrazování informací. Nezávislý význam v tomto směru mají optočlenové senzory určené k řízení procesů a objektů, které jsou velmi odlišné povahy a účelu. Funkční optočlenové mikroobvody znatelně postupují, zaměřené na provádění různých operací souvisejících s převodem, akumulací a ukládáním informací. Objemné, krátkodobé a netechnologické (z hlediska mikroelektroniky) elektromechanické výrobky (transformátory, potenciometry, relé) je účelné a účelné nahradit optoelektronickými zařízeními a zařízeními. Zcela specifické, ale v mnoha případech oprávněné a užitečné, je využití optočlenů pro energetické účely.

Přenos informací

Rýže. 7. Schéma meziblokového galvanického oddělení

Přizpůsobovací obvod prvku tranzistor-tranzistor logic (TTL) s integrovaným zařízením na bázi MIS tranzistorů je postaven na tranzistorovém optočlenu (obr. 8). V konkrétním provedení: E 1 = E 2 = 5 V, E 3 = 15 V, R 1 = 820 Ohm, R 2 = 24 kOhm - LED optočlenu je buzena proudem (5 mA) dostatečným k nasycení tranzistoru resp. s jistotou ovládat zařízení na tranzistorech MIS.

Rýže. 8. Schéma párování prvků TTL a MIS přes optický kanál

Optické komunikace se aktivně používají v telefonních zařízeních a systémech. Pomocí optočlenů lze technicky jednoduchými prostředky připojit mikroelektronická zařízení k telefonním linkám určeným pro volání, indikaci, monitorování a další účely.

Zavedení optických spojů v elektronických měřicích zařízeních kromě galvanického oddělení studovaného objektu a měřicího zařízení, které je užitečné v mnoha ohledech, umožňuje také drasticky snížit vliv rušení působícího na zem a výkon. obvody.

Značný zájem jsou o možnosti a zkušenosti s používáním optoelektronických přístrojů a přístrojů v biomedicínských zařízeních. Optočleny umožňují spolehlivě izolovat pacienta od působení vysokých napětí, kterými disponují např. elektrokardiografické přístroje.

Bezdotykové ovládání výkonných, vysokonapěťových obvodů přes optické kanály je velmi pohodlné a bezpečné ve složitých technických režimech, typických pro řadu zařízení a komplexů průmyslové elektroniky. V této oblasti jsou polohy tyristorových optočlenů silné (obr. 9).

Rýže. 9. Obvod spínání AC zátěže

Příjem a zobrazování informací

Optočleny a optočlenové mikroobvody zaujímají silné postavení v bezkontaktní vzdálené technologii pro rychlé získávání a přesné zobrazování informací o charakteristikách a vlastnostech velmi odlišných (povahou a účelem) procesů a objektů. Optočleny s otevřenými optickými kanály mají v tomto ohledu jedinečné schopnosti. Jsou mezi nimi optoelektronická zhášedla, která reagují na protnutí optického kanálu s neprůhlednými předměty (obr. 10), a reflexní optočleny, u kterých je účinek světelných zářičů na fotodetektory zcela spojen s odrazem vyzařovaného toku od vnějších objektů.

Rýže. 10. Optoelektronický snímač

Rozsah použití optočlenů s otevřenými optickými kanály je široký a rozmanitý. Již v 60. letech byly optočleny tohoto typu efektivně využívány k registraci objektů a objektů. Při takové registraci, která je typická především pro zařízení pro automatickou kontrolu a počítání objektů, stejně jako pro detekci a indikaci různých druhů závad a poruch, je důležité jasně určit polohu objektu nebo odrážet skutečnost její existenci. Optočleny provádějí registrační funkce spolehlivě a rychle.

Řízení elektrických procesů

Výkon záření generovaný LED a úroveň fotoproudu, který se vyskytuje v lineárních obvodech s fotodetektory, jsou přímo úměrné elektrickému vodivému proudu emitoru. Prostřednictvím optických (bezkontaktních, vzdálených) kanálů je tak možné získat zcela konkrétní informace o procesech v elektrických obvodech galvanicky spojených s emitorem. Zvláště efektivní je použití světelných zářičů optočlenů jako snímačů elektrických změn v silnoproudých, vysokonapěťových obvodech. Jasné informace o těchto změnách jsou důležité pro provozní ochranu zdrojů energie a spotřebitelů před elektrickým přetížením.

Rýže. 11. Stabilizátor napětí s ovládacím optočlenem

Optočleny úspěšně fungují ve vysokonapěťových regulátorech napětí, kde vytvářejí optické kanály negativní zpětné vazby. Uvažovaný stabilizátor (obr. 11) se týká zařízení sériového typu a regulačním prvkem je bipolární tranzistor a jako zdroj referenčního (referenčního) napětí funguje křemíková zenerova dioda. Srovnávacím prvkem je LED.

Pokud výstupní napětí v obvodu na Obr. 11 se zvýší, pak se také zvýší vodivostní proud LED. Fototranzistor optočlenu působí na tranzistor potlačující možnou nestabilitu výstupního napětí.

Výměna elektromechanických výrobků

V komplexu technických řešení zaměřených na zvýšení účinnosti a kvality automatizačních zařízení, radiotechniky, telekomunikací, průmyslové a spotřební elektroniky je účelným a užitečným opatřením náhrada elektromechanických výrobků (transformátory, relé, potenciometry, reostaty, tlačítkové a klíčové spínače) s kompaktnějšími, odolnějšími a rychlejšími analogy. Vedoucí role v tomto směru je přiřazena optoelektronickým zařízením a zařízením. Faktem je, že velmi důležité technické výhody transformátorů a elektromagnetických relé (galvanické oddělení řídicích a zátěžových obvodů, spolehlivý provoz ve výkonných, vysokonapěťových, silnoproudých systémech) jsou také charakteristické pro optočleny. Optoelektronické produkty zároveň výrazně převyšují elektromagnetické protějšky z hlediska spolehlivosti, životnosti, přechodových a frekvenčních charakteristik. Řízení kompaktních a vysokorychlostních optoelektronických transformátorů, spínačů, relé se s jistotou provádí pomocí integrovaných obvodů digitální technologie bez speciálních prostředků elektrického přizpůsobení.

Příklad výměny pulsního transformátoru je na Obr. 12.

Rýže. 12. Schéma optoelektronického transformátoru

Energetické funkce

V režimu napájení se optočleny používají jako sekundární zdroje EMF a proudu. Účinnost měničů energie s optočlenem je nízká. Možnost zavedení dodatečného zdroje napětí nebo proudu do libovolného obvodu zařízení bez galvanického propojení s primárním zdrojem energie však dává vývojáři novou míru volnosti, která se hodí zejména při řešení nestandardních technických problémů.