인형용 광커플러는 어떻게 작동합니까? 광커플러 - 특성, 장치, 응용

광커플러를 사용하면 이미 터와 광검출기의 개별 쌍과 동일한 문제를 해결할 수 있지만 실제로는 이미 터와 광검출기의 특성과 상대적 위치가 최적으로 일치했기 때문에 일반적으로 더 편리합니다.

다른 장치들 중 유사점이 없는 광커플러의 가장 명백한 응용에 대해 이야기하면 갈바닉 절연 소자입니다. 옵토커플러(또는 옵토커플러라고도 함)는 서로 다른 논리 레벨을 가진 마이크로 회로를 인터페이스하기 위해 서로 다른 전위에서 하드웨어 장치 간의 통신 장치로 사용됩니다. 이러한 경우 광커플러는 전기 연결이 없고 독립적인 기능 부하를 전달하지 않는 블록 간에 정보를 전송합니다.

그다지 흥미로운 것은 고전류 및 고전압 장치의 광학 비접촉 제어 요소로 광 커플러를 사용하는 것입니다.

광 커플러에서는 강력한 사이라트론, 분배 및 릴레이 장치, 전원 공급 장치 스위칭 장치 등을 위한 발사 장치를 만드는 것이 편리합니다.

개방형 광 채널이 있는 광커플러는 다양한 매체의 매개변수 모니터링 문제를 단순화하고 다양한 센서(습도, 액체 레벨 및 색상, 먼지 농도 등)를 생성할 수 있습니다.

가장 중요한 것 중 하나는 갈바닉 절연 회로를 통해 아날로그 신호의 왜곡되지 않은 전송을 위해 설계된 선형 회로입니다. 이 문제의 복잡성은 광범위한 전류 및 온도에서 전달 특성의 선형화를 위해 피드백 루프가 필요하다는 사실에 기인하며, 이는 갈바닉 절연이 있는 경우 기본적으로 구현되지 않습니다. 따라서 그들은 두 개의 동일한 광커플러(또는 차동 광커플러)를 사용하는 경로를 따르며, 그 중 하나는 피드백을 제공하는 보조 요소 역할을 합니다(그림 6.13). 이러한 회로에서는 차동 광 커플러 KOD301A, KOD303A를 사용하는 것이 편리합니다.

무화과에. 6.14는 광전자 결합이 있는 2단 트랜지스터 증폭기의 다이어그램을 보여줍니다. 트랜지스터 컬렉터 전류 변화 VT1 광커플러 LED 전류에 상응하는 변화를 일으킴 유1 트랜지스터의 기본 회로에 포함된 포토 레지스터의 저항 VT2 . 부하 저항에 아르 자형2 할당하다

증폭된 출력 신호. 광 커플러를 사용하면 출력에서 ​​증폭기 입력으로의 신호 전송이 거의 완전히 제거됩니다.

광커플러는 전자 장비의 블록 간 갈바닉 절연에 편리합니다. 예를 들어, 두 블록의 갈바니 절연 회로(그림 6.15)에서 블록 출력의 신호 1 블록의 입력으로 전달 2 다이오드 광 커플러를 통해 U1. 두 번째 블록으로 입력전류가 낮은 집적회로를 사용하면 증폭기를 사용할 필요가 없고, 이 경우 광커플러의 포토다이오드는 포토제너레이터 모드로 동작한다.

쌀. 6.13. 아날로그 신호의 갈바닉 절연: 01, 02 - 옵토커플러, U1, U2 - 연산 증폭기

쌀. 6.14. 광전자 커플링이 있는 2단 트랜지스터 증폭기

광커플러와 광전자 마이크로 회로는 폐쇄된 전기 연결이 없는 블록 간에 정보를 전송하는 장치에 사용됩니다. 광커플러를 사용하면 통신 채널의 노이즈 내성이 크게 증가하고 전원 회로 및 공통 배선을 따라 분리된 장치의 원치 않는 상호 작용이 제거됩니다. 광커플러를 사용하는 인터페이스 회로는 컴퓨팅 및 측정 기술, 자동화 장치, 특히 센서 또는 기타 수신 장치가 인간이 위험하거나 접근할 수 없는 조건에서 작동할 때 널리 사용됩니다.

예를 들어, 갈바닉 독립 논리 요소의 연결 구현은 광전자 스위치를 사용하여 수행할 수 있습니다(그림 6.16). 광전자 스위치는 패키지가 없는 광커플러와 표준 게이트를 포함하는 K249LP1 칩일 수 있습니다.

광커플러를 사용하면 기능적 목적이 이질적인 블록 활용 문제의 해결을 단순화할 수 있습니다.
예를 들어 교류로 구동되는 액추에이터 및 저전압 직류 소스에 의해 구동되는 제어 신호 생성 회로와 같은 전원 공급 장치의 특성.

많은 작업 그룹은 또한 TTL(트랜지스터-트랜지스터 논리), 이미 터와 같은 다양한 유형의 논리를 가진 디지털 미세 회로의 조정입니다.

로직(ESL), 상보 구조 "금속 산화물 반도체"(CMOS) 등. 트랜지스터 광 커플러를 사용하는 MIS가 있는 TTL 요소에 대한 정합 회로의 예가 그림 6.17에 나와 있습니다. 입력 및 출력 단계에는 공통 전기 회로가 없으며 다양한 조건 및 모드에서 작동할 수 있습니다.

이상적인 갈바닉 절연은 예를 들어 의료 진단 장비에서 센서가 인체에 부착되고 센서 신호를 증폭하고 변환하는 측정 장치가 네트워크에 연결될 때와 같이 많은 실제 사례에서 필요합니다. 측정부가 오작동할 경우 감전의 위험이 있습니다. 센서 자체는 별도의 저전압 전원으로 구동되며 절연 광커플러를 통해 측정 장치에 연결됩니다(그림 6.18).

광커플러는 "접지되지 않은" 입력 장치가 "접지된" 출력 장치와 쌍을 이루어야 하는 다른 경우에도 유용합니다. 의 예

이러한 작업은 디스플레이가 있는 텔레타이프 회선, 전화선에 연결된 "자동 비서" 등에 연결할 수 있습니다. 예를 들어, 디스플레이와 통신 라인의 인터페이스 회로에서 (그림 6.19, ㅏ) 연산 증폭기는 디스플레이 입력에서 필요한 수준의 신호를 제공합니다. 마찬가지로 전송 콘솔을 통신 라인에 연결할 수 있습니다(그림 6.19, 비).

쌀. 6.19. "접지되지 않은" 및 "접지된" 장치 인터페이스

쌀. 6.20. 광전자 솔리드 스테이트 릴레이:

- 평상시 열림, b - 평상시 닫힘

광전자적 갈바닉 절연을 통해 광검출기의 증폭된 신호를 액추에이터(예: 전기 모터, 릴레이, 광원 등)로 전송하는 것이 편리합니다. 가장 일반적인 반도체 계전기의 두 가지 변형(개방 및 폐쇄)이 이러한 분리의 예가 될 수 있습니다(그림 6.20). 릴레이는 DC 신호를 전환합니다. 광 커플러의 광 트랜지스터가 수신 한 신호는 트랜지스터를 엽니 다. VT1, VT2그리고 하중을 포함합니다

(그림 6.20, ㅏ) 또는 비활성화(6.20, 비).

그림 6.21. 광전자 펄스 변압기

펄스 변압기는 현대 전자 장비의 매우 일반적인 요소입니다. 다양한 펄스 발생기, 펄스 신호 전력 증폭기, 통신 채널, 원격 측정 시스템, 텔레비전 장비 등에 사용됩니다. 자기 회로와 권선을 사용하는 펄스 변압기의 기존 설계는 마이크로일렉트로닉스에 사용되는 기술 솔루션과 호환되지 않습니다. 많은 경우 변압기의 주파수 응답은 저주파 및 고주파 신호를 모두 만족스럽게 재생하지 못합니다.

거의 이상적인 펄스 변압기는 다이오드 광 커플러를 기반으로 만들 수 있습니다. 예를 들어, 다이오드 광 커플러가 있는 광전자 변압기의 회로에는 트랜지스터가 표시됩니다(그림 6.21). VT1광커플러 LED 제어 U1포토다이오드에서 생성된 신호는 트랜지스터에 의해 증폭됩니다. VT2그리고 VT3.

펄스 전면의 지속 시간은 광커플러의 속도에 크게 좌우됩니다. 포토 다이오드가 가장 빠릅니다. 피— 나— N-성
조직. 출력 펄스의 상승 및 하강 시간은 수십 나노초를 초과하지 않습니다.

광 커플러를 기반으로 하나 이상의 광 커플러와 일치하는 마이크로 전자 회로, 증폭기 및 기타 기능 요소를 포함하는 광전자 미세 회로가 개발 및 생산되고 있습니다.

입력 및 출력 신호 레벨, 공급 전압 및 기타 매개변수 측면에서 광커플러 및 광전자 미세회로와 다른 표준 미세전자 소자와의 호환성은 특수 매개변수 및 특성의 표준화 필요성을 결정했습니다.

광 커플러(광 커플러)는 전류 신호를 광속으로 변환하는 데 사용되는 전자 장치입니다. 그들의 광 신호는 광학 채널을 통해 전송되고 빛을 전기 신호로 역전송 및 변환합니다.

광 커플러 장치는 발광체와 광빔 변환기(광검출기)로 구성됩니다. LED는 최신 장치에서 이미 터로 사용됩니다. 이전 모델은 작은 백열 전구를 사용했습니다. 광커플러의 두 구성요소는 공통 하우징과 광 채널로 결합됩니다.

광 커플러의 유형 및 장치

광커플러를 그룹으로 분류할 수 있는 몇 가지 기능이 있습니다. 광 커플러 제품의 클래스로 나눌 때 광검출기의 유형과 장치의 전체 설계 기능이라는 두 가지 요소를 고려해야 합니다.

광커플러 분류의 첫 번째 징후는 모든 광커플러의 입력에 LED가 있으므로 기능 가능성은 광검출기 장치의 특성에 의해 결정된다는 사실 때문입니다. 두 번째 표시는 옵토 커플러 사용의 기능을 결정하는 디자인의 실행입니다.

이 혼합 분리 원리를 적용하면 광커플러의 세 그룹을 구별할 수 있습니다.

• 기본 광 커플러.
• 광전자 마이크로 회로.
• 특수 광커플러.

그룹에는 여러 유형의 장치가 포함됩니다. 인기 있는 광커플러의 경우 다음과 같은 명칭이 적용됩니다.

• 디- 다이오드.
• 티- 트랜지스터.
• 아르 자형- 저항기.
• ~에- 사이리스터.
• T 2- 복잡한 포토트랜지스터 사용.
• DT- 다이오드 트랜지스터.
• 2D(2T)- 다이오드 차동 또는 트랜지스터.

광커플러의 특성 시스템은 광커플러의 특성 시스템을 기반으로 합니다. 이 시스템은 4가지 속성 및 모드 그룹으로 생성됩니다.

• 광커플러 입력 회로를 특성화합니다.
• 출력 매개변수를 특성화합니다.
• 그것은 수광기에서 이미 터의 작용 정도와 통신 구성 요소로 옵토 커플러를 통한 신호 통과 기능을 결합합니다.
• 갈바닉 절연의 특성을 결합합니다.

주요 광커플러 매개변수는 전송 및 갈바닉 절연의 속성입니다. 트랜지스터 및 다이오드 광커플러의 중요한 값은 전류 전달 계수입니다.

광커플러의 갈바닉 절연 지표는 다음과 같습니다.

• 허용 피크 출력 및 입력 전압.
• 허용되는 최대 출력 및 입력 전압.
• 디커플링 저항.
• 통과 능력.
• 출력 및 입력 전압의 허용 가능한 최고 변화율.

첫 번째 매개변수가 가장 중요합니다. 이것은 옵토커플러의 전기적 강도와 갈바닉 절연으로 사용할 수 있는 능력을 결정합니다.

광커플러의 이러한 매개변수는 광커플러를 기반으로 하는 집적 회로에도 적용할 수 있습니다.

다이어그램의 광 커플러 지정

다이오드 광커플러

다이오드 광커플러(그림)는 다른 소자보다 더 많은 광커플러 기술의 발전 수준을 보여준다. 투과 계수의 값은 옵토커플러에서 유용한 에너지 변환 작용을 결정합니다. 속성의 시간 값 값을 통해 가장 높은 정보 전송 속도를 결정할 수 있습니다. 증폭기의 다이오드 광 커플러와 연결하면 효과적인 정보 전송 장치를 만들 수 있습니다.

트랜지스터 광커플러

이러한 장치(그림 C)는 다른 유형의 광커플러와 일부 속성이 다릅니다. 이러한 속성 중 하나는 LED 회로와 주요 전기 회로를 광학적으로 제어하는 ​​기능입니다. 출력 회로는 키 모드와 라인 모드에서도 작동할 수 있습니다.

내부 증폭의 원리를 통해 전류 전달 계수의 큰 값을 얻을 수 있습니다. 따라서 추가 증폭기가 항상 필요한 것은 아닙니다. 중요한 점은 많은 모드에서 허용되는 옵토커플러의 작은 관성입니다. 포토트랜지스터는 포토다이오드보다 훨씬 더 높은 출력 전류를 가지고 있습니다. 따라서 다양한 전기 회로를 전환하는 데 사용됩니다. 이 모든 것은 트랜지스터 광커플러의 간단한 기술에 의해 달성됩니다.

사이리스터 광커플러

이러한 광커플러(그림 b)는 강력한 고전압 전원 회로를 스위칭할 가능성이 매우 높습니다. 전력, 부하, 속도 측면에서 T 2 광커플러보다 더 적합합니다. AOU 103 브랜드의 광커플러는 증폭기, 제어 회로, 펄스 소스 등 다양한 전자 회로에서 근접 스위치로 사용됩니다.

저항기 광커플러

이러한 장치(그림 d)를 포토레지스터라고 합니다. 설계 기능 및 제조 기술에서 다른 유형의 광커플러와 크게 다릅니다. 포토레지스터의 주요 동작 원리는 광전도성의 영향, 즉 광속에 노출되었을 때 저항값의 변화입니다.

미분

위에서 설명한 광커플러는 회로의 갈바닉 절연을 통해 디지털 데이터를 전송할 수 있습니다. 중요한 문제는 광 커플러를 사용하여 아날로그 신호를 전송하는 것, 즉 입력-출력 전송 속성의 선형성을 생성하는 것입니다. 이러한 광커플러의 특성이 있어야만 디지털 형식 및 펄스 전송 없이 회로의 갈바닉 절연을 통해 아날로그 데이터를 전송할 수 있습니다.

이 문제는 고품질 노이즈 및 주파수 특성을 가진 다이오드 광커플러로 해결됩니다. 이 문제를 해결하는 데 어려움은 전송 특성의 선형성 범위가 좁고 다이오드 광 커플러의 선형성에 있습니다. 이러한 장치는 이제 막 개발이 진행되기 시작했지만 큰 미래가 있습니다.

광커플러 IC

이러한 IC는 단순한 유형의 옵토커플러 IC의 설계 및 전기적 호환성과 훨씬 더 뛰어난 기능으로 인해 가장 널리 사용되는 옵토커플러 모델 등급입니다. 스위칭 광 커플러 미세 회로가 널리 사용되었습니다.

특수 광커플러

이러한 샘플은 표준 장치 모델과 상당한 차이가 있습니다. 그들은 개방형 광 채널이있는 광 커플러 형태로 만들어집니다. 이러한 모델의 장치에는 광검출기와 이미 터 사이에 에어 갭이 있습니다. 따라서 그 안에 기계적 장애물을 배치하여 빛과 출구 신호를 제어할 수 있습니다. 개방형 광학 채널이 있는 옵토커플러는 물체의 존재, 표면, 회전, 움직임 등을 감지하는 광학 센서 대신 사용됩니다.

광커플러의 사용

• 유사한 장치는 전선으로 연결되지 않은 장치 간에 데이터를 전송하는 데 사용됩니다.
• 광커플러는 기술 정보를 표시하고 수신하는 데에도 사용됩니다. 이와 별도로 목적과 성격이 다른 물체와 프로세스를 제어하는 ​​역할을 하는 광커플러 센서에 주목할 필요가 있다.
• 데이터 변환 및 축적의 다양한 문제를 해결하는 데 중점을 둔 광 커플러 기능 미세 회로에서 눈에 띄는 진전이 있습니다.
• 유용한 효율성은 전기 기계 유형의 수명이 긴 대형 장치를 광전자 작동 원리의 장치로 교체하는 것이 었습니다.
• 때로는 광커플러 구성요소가 에너지 부문에서 사용되지만 이는 다소 특정한 솔루션입니다.

전기 공정 제어

LED에서 나오는 광속의 전력과 광검출기의 선형 회로에 형성되는 광전류의 크기는 이미 터의 전도 전류에 직접적으로 의존합니다. 따라서 비접촉 광 채널은 와이어로 연결된 전류 회로의 프로세스에 대한 정보를 이미 터에 전송할 수 있습니다. 가장 효과적인 것은 센서에 발광기 옵토커플러를 사용하는 것, 고전압 전원 회로에서 전기적 변화를 사용하는 것이었습니다. 유사한 변경 사항에 대한 정확한 정보는 과도한 부하로부터 전력 공급원과 소비자를 적시에 보호하는 데 중요합니다.

제어 광커플러가 있는 안정기

광커플러는 고전압 안정기에서 효과적으로 작동합니다. 그들에서 그들은 부정적인 피드백 광 채널을 형성합니다. 다이어그램에 표시된 안정기는 직렬 장치입니다. 이 경우 조정소자는 바이폴라 트랜지스터로 이루어지며, 실리콘 기반의 제너 다이오드가 기준 기준 전압원으로 동작한다. 비교 구성 요소는 LED입니다.

출력 전압이 증가함에 따라 LED의 전도도도 증가합니다. 광트랜지스터는 광커플러 트랜지스터에 작용하면서 출력 전압을 안정화합니다.

광커플러의 장점

• 물체의 비접촉 제어, 유연성 및 다양한 제어 유형.
• 전자기장에 대한 통신 채널의 안정성으로 간섭 및 상호 간섭으로부터 보호할 수 있습니다.
• 특정 복잡한 법칙에 따라 속성이 변경될 수 있는 수광기가 있는 마이크로 전자 장치 생성.
• 광학 채널 재료에 영향을 미치고 데이터 전송을 위한 장치 및 센서를 생성하여 광커플러 출력 신호 제어 기능 목록을 늘립니다.

광커플러의 단점

• 에너지의 이중 변환으로 인한 낮은 효율, 높은 전력 소비.
• 온도에 대한 작업의 상당한 의존성.
• 자체 소음 수준이 큽니다.
• 하이브리드 기술을 사용하기 때문에 기술과 디자인이 완벽하지 않습니다.

이러한 광커플러의 부정적인 모멘트는 회로 기술과 재료의 발달로 점차 사라지고 있습니다. 광커플러의 큰 인기는 무엇보다도 이러한 장치의 고유한 특성에 기인합니다.

지침

서비스 가능성이 설정된 광 커플러가 보드에 납땜되면 전원을 끄고 전해 커패시터를 방전 한 다음 납땜 방법을 기억하면서 광 커플러를 납땜 해제해야합니다.

광커플러는 서로 다른 이미 터(백열등, 네온 램프, LED, 발광 커패시터)와 다른 방사 수신기(포토레지스터, 포토다이오드, 포토트랜지스터, 포토사이리스터, 포토시미스터)를 가지고 있습니다. 또한 그들은 고정되어 있습니다. 따라서 참조 책이나 데이터 시트 또는 설치된 장치의 회로에서 광 커플러의 유형 및 핀아웃에 대한 데이터를 찾아야 합니다. 종종 광커플러의 핀아웃은 이 장치의 보드에 직접 적용됩니다.장치가 최신식이라면 그 안의 이미터가 LED임을 거의 확실하게 알 수 있습니다.

방사선 수신기가 포토 다이오드 인 경우 광 커플러 요소를 연결하고 극성을 관찰하십시오. 수 볼트의 정전압 소스로 구성된 체인에서 방사선 수신기를 통과하는 전류가 허용되는 전류를 초과하지 않도록 설계된 저항, 및 해당 한계에서 측정 모드 전류에서 작동하는 멀티미터를 포함합니다.

이제 옵토커플러의 이미터를 작동 모드로 전환합니다. LED를 켜려면 공칭 전류와 동일한 직류 전류를 직접 극성으로 통과시키십시오. 백열등에 정격 전압을 인가합니다. 500kΩ ~ 1MΩ의 저항과 0.5W 이상의 전력을 가진 저항을 통해 네온 램프 또는 발광 커패시터를 네트워크에 조심스럽게 연결하십시오.

광검출기는 모드의 급격한 변화에 의해 방사체의 포함에 응답해야 합니다. 이제 이미터를 여러 번 껐다가 켜보십시오. 포토사이리스터와 포토레지스터는 제어동작이 제거된 후에도 전원이 꺼질 때까지 열린 상태를 유지합니다. 다른 유형의 광검출기는 제어 신호의 각 변화에 응답합니다. 광커플러에 열린 광 채널이 있는 경우 이 채널이 차단될 때 방사선 검출기의 반응이 변경되는지 확인합니다.

광커플러의 상태에 대한 결론을 내린 후 실험 설정의 전원을 차단하고 분해합니다. 그런 다음 광 커플러를 보드에 다시 납땜하거나 다른 것으로 교체하십시오. 옵토커플러가 포함된 장치를 계속 수리하십시오.

옵토커플러 또는 옵토커플러는 공기층이나 투명한 절연 물질에 의해 서로 분리된 이미터와 광검출기로 구성됩니다. 그들은 전기적으로 상호 연결되어 있지 않으므로 회로의 갈바닉 절연에 장치를 사용할 수 있습니다.

지침

측정 회로를 유형에 따라 광 커플러의 광검출기에 연결합니다. 수신기가 포토 레지스터인 경우 일반 저항계를 사용하고 극성은 중요하지 않습니다. 포토다이오드를 수신기로 사용하는 경우 전원이 없는 마이크로 전류계(양극에 양극)를 연결합니다. n-p-n 구조의 포토트랜지스터에서 신호를 받으면 2킬로옴 저항, 3볼트 배터리, 밀리암미터 회로를 연결하고 트랜지스터의 컬렉터에 플러스 단자를 연결한다. 포토트랜지스터가 p-n-p 구조인 경우 배터리 연결의 극성을 반대로 하십시오. 포토디니스터를 확인하려면 3V 배터리와 6V, 20mA 전구로 회로를 만들고 양극을 디니스터의 양극에 연결합니다.

대부분의 광 커플러에서 이미 터는 LED 또는 백열 전구입니다. 어느 쪽 극성의 백열 전구에 정격 전압을 적용합니다. 또한 유효 값이 램프의 작동 전압과 동일한 교류 전압을 적용할 수도 있습니다. 에미터가 LED인 경우 1kΩ 저항(양극에 양극)을 통해 3V의 전압을 인가합니다.

광 커플러는 이미 터와 광검출기가 있고 광학 및 전기 연결을 사용하고 구조적으로 생성 된 요소를 서로 사용하는 광전자 장치입니다. 일부 종류의 광커플러는 광커플러 또는 광절연체라고 합니다.

모든 광커플러의 작동 원리는 이중 에너지 변환을 기반으로 합니다. 이미 터에서 전기 신호의 에너지는 광 복사로 변환되고 광검출기에서는 광 신호가 전류 또는 전압을 일으키거나 저항을 변화시킵니다.

외부 전기 출력 및 출력 신호 및 내부 광 신호가 있는 가장 널리 사용되는 광 커플러(그림 7.1). 이러한 광커플러의 설계는 그림 1과 같은 형태를 갖는다. 7.2.

전기 회로에서 이러한 장치는 입력 및 출력의 동시 전기 절연(갈바닉 절연)이 있는 광검출기인 출력 요소의 기능을 수행합니다. 에미터는 LED 또는 소형 백열 램프로 사용할 수 있는 광자의 소스입니다. 광학 매체는 공기, 유리, 플라스틱 또는 광섬유일 수 있습니다. 포토다이오드, 포토트랜지스터, 포토사이리스터 및 포토레지스터가 광검출기로 사용됩니다. 매우 자주 통합된 포토다이오드-트랜지스터 구조가 사용됩니다. 이러한 요소의 다양한 조합을 통해 매우 다양한 입력, 출력 및 전송 특성을 얻을 수 있습니다.

실제로 외부 입력 및 출력 광 신호와 내부 전기 신호를 사용하는 다른 종류의 광 커플러도 사용됩니다(그림 7.3). 일반적으로 이러한 장치에는 광전류 증폭기가 포함되어 있습니다.

광커플러를 만들고 사용하는 아이디어는 1955년으로 거슬러 올라갑니다. 이 때 소자 간에 광학 및 전기 연결이 있는 전체 장치 시리즈가 Loebner EE "광전자 장치 네트워크"의 작업에서 제안되어 증폭 및 스펙트럼 변환이 가능했습니다. 광 신호, 쌍안정 광 커플러, 정보 축적 및 저장을 위한 광전자 장치, 논리 회로, 시프트 레지스터와 같은 두 가지 안정적인 상태를 가진 장치를 만듭니다. "광 커플러"라는 용어도 영어로 "광-전자 장치"의 약어로 형성된 곳에서 제안되었습니다.

원리를 완벽하게 설명하는 이 작업에서 설명하는 광커플러는 불완전한 기본 기반인 비효율적이고 관성인 분말 전자발광 커패시터(이미터)와 포토레지스터(수신기)를 기반으로 하기 때문에 산업 구현에 적합하지 않은 것으로 나타났습니다. 장치의 가장 중요한 작동 특성도 불완전했습니다. 매개변수의 저온 및 시간적 안정성, 기계적 응력에 대한 내성 부족. 그래서. 처음에 광 커플러는 기술에 적용되지 않은 흥미로운 과학적 업적으로 남았습니다.

반도체 발광 다이오드와 p-n 접합(포토다이오드 및 포토트랜지스터)이 있는 기술적으로 진보된 고성능 고속 실리콘 광검출기 개발의 60년대 중반에야 현대 광커플러 기술의 기본 기반이 만들어지기 시작했습니다. 70년대 초까지 세계 주요 국가의 광커플러 생산은 전자 기술의 중요하고 빠르게 발전하는 분야가 되어 전통적인 마이크로일렉트로닉스를 성공적으로 보완했습니다.

기본 정의

광 커플러는 구조적으로 서로 연결된 하나 또는 다른 유형의 광학 및 전기 연결이 있는 방사선 소스와 수신기(발광기 및 광검출기)가 있는 광전자 장치입니다.

모든 종류의 광커플러 작동 원리는 다음을 기반으로 합니다. 이미 터에서는 전기 신호의 에너지가 빛으로 변환되고 광 검출기에서는 반대로 빛 신호가 전기 응답을 유발합니다.

실제로, 이미 터에서 광검출기로 직접 광학 연결이 있고 일반적으로 이러한 요소 사이의 모든 유형의 전기 연결이 제외되는 광 커플러 만 널리 보급되었습니다.

블록 다이어그램의 복잡성 정도에 따라 광 커플러 기술 제품 중에서 두 그룹의 장치가 구별됩니다. 광커플러("기본 광커플러"라고도 함)는 발광 소자와 광수신 소자로 구성된 광전자 반도체 소자로, 그 사이에 입력과 출력 사이에 전기적 절연을 제공하는 광학 연결이 있습니다. 광전자 집적 회로는 하나 이상의 광 커플러와 이에 전기적으로 연결된 하나 이상의 매칭 또는 증폭 장치로 구성된 미세 회로입니다.

따라서 전자 회로에서 이러한 장치는 입력 및 출력의 전기적(갈바닉) 절연이 동시에 수행되는 결합 요소의 기능을 수행합니다.

광커플러의 특징

이러한 장치의 장점은 정보 전송을 위해 전기적으로 중성인 광자를 사용하는 일반적인 광전자 원리를 기반으로 합니다. 주요 내용은 다음과 같습니다.

• 입력과 출력 사이에 이상적인 전기적(갈바닉) 절연을 제공할 가능성; 광커플러의 경우 임의의 고전압 및 디커플링 저항 및 임의의 작은 커패시턴스를 달성하는 데 기본적인 물리적 또는 설계 제한이 없습니다.
• 전자 물체의 비접촉식 광학 제어를 구현할 가능성과 제어 회로를 위한 설계 솔루션의 다양성 및 유연성;
• 광 채널을 통한 정보의 단방향 배포, 수신기에서 이미 터로의 피드백 없음;
• 광커플러의 넓은 주파수 대역폭, 저주파 제한 없음(일반적인 펄스 변압기) 옵토커플러 회로를 통해 펄스 신호와 일정한 성분을 모두 전송할 수 있는 가능성;
• 광 채널의 재료에 영향을 주어 광커플러의 출력 신호를 제어할 수 있는 능력(비전기적 포함)과 정보를 전송하기 위한 다양한 장치뿐만 아니라 다양한 센서를 생성할 수 있는 가능성;
• 광검출기로 기능적 마이크로 전자 장치를 만들 가능성, 그 특성은 조명될 때 복잡한 주어진 법칙에 따라 변경됩니다.
• 전자기장의 영향에 대한 광통신 채널의 내성, "긴" 광커플러(이미터와 수신기 사이에 확장된 광섬유 도광체 포함)의 경우 간섭 및 정보 누출로부터 면역성을 제공하고 상호 상호 배제도 배제합니다. 간섭;
• 다른 반도체 및 마이크로 전자 장치와의 물리적 및 건설적 기술 호환성.

광커플러에는 다음과 같은 단점도 있습니다.

• 이중 에너지 변환(전기 - 빛 - 전기)의 필요성과 이러한 전환의 낮은 효율성으로 인한 상당한 전력 소비;
• 고온 및 침투 핵 방사선의 영향에 대한 매개 변수 및 특성의 감도 증가;
• 매개변수의 다소 눈에 띄는 시간적 저하(열화);
• 앞의 두 가지 단점과 마찬가지로 LED의 물리적 특성으로 인해 상대적으로 높은 수준의 고유 노이즈가 발생합니다.
• 입력 및 출력 회로의 전기적 절연으로 인한 피드백 구현의 복잡성;
• 하이브리드 비평면 기술의 사용과 관련된 건설적이고 기술적인 불완전성(하나의 장치에서 서로 다른 평면에 위치한 서로 다른 반도체의 여러 개별 결정을 결합해야 함).

옵토 커플러의 나열된 단점은 재료, 기술, 회로의 개선으로 부분적으로 제거되지만 그럼에도 불구하고 오랫동안 그들은 다소 근본적인 성격을 띠게 될 것입니다. 그러나 그 장점이 너무 높아서 다른 초소형 전자 장치 중에서 광커플러의 확실한 비경쟁력을 제공합니다.

일반화된 블록 다이어그램

결합 요소로서 광 커플러는 출력 및 입력 신호의 비율에 의해 결정되는 전송 계수 Ki 및 최대 정보 전송 속도 F를 특징으로 합니다. 실제로는 F 대신 상승 및 하강 기간 전송된 펄스 t out(sp) 또는 차단 주파수가 측정됩니다. 갈바닉 절연의 요소로서 광커플러의 기능은 최대 전압 및 절연 저항 U razv 및 R razv 및 커패시턴스 C razv로 특성화됩니다.

그림의 블록 다이어그램에서 1개의 입력 장치는 이미터의 작동 모드를 최적화하고(예: LED를 와트-암페어 특성의 선형 섹션으로 이동) 외부 신호를 변환(증폭)하는 데 사용됩니다. 입력 블록은 높은 변환 효율, 고속, 허용 가능한 입력 전류의 넓은 동적 범위(선형 시스템의 경우), 낮은 "임계값" 입력 전류 값을 갖추어야 회로를 통한 정보의 안정적인 전송을 보장합니다.

그림 1. 광커플러의 일반화된 블록 다이어그램

광학 매체의 목적은 이미 터에서 광 신호의 에너지를 광 검출기로 전송하고 많은 경우 구조의 기계적 무결성을 보장하는 것입니다.

예를 들어 전기 광학 또는 자기 광학 효과를 사용하여 매체의 광학 특성을 제어할 수 있는 기본적인 가능성은 제어 장치를 회로, 입력 및 제어 회로에 도입함으로써 반영됩니다.

광검출기에서 정보 신호는 광학 신호에서 전기 신호로 "복원"됩니다. 동시에 높은 감도와 빠른 속도를 갖기 위해 노력합니다.

마지막으로 출력 장치는 광커플러 이후의 후속 캐스케이드에 영향을 미치는 데 편리한 표준 형식으로 광검출기 신호를 변환하도록 설계되었습니다. 이중 변환 후 손실이 매우 크기 때문에 출력 장치의 거의 필수 기능은 신호 증폭입니다. 종종 증폭 기능은 광검출기 자체(예: 광트랜지스터)에 의해 수행됩니다.

일반 블록 다이어그램 그림. 도 1은 블록의 일부에 의해서만 각 특정 디바이스에서 구현된다. 이에 따라 광 커플러 기술에는 세 가지 주요 장치 그룹이 있습니다. 블록을 사용하여 이전에 명명된 광커플러(기본 광커플러) 발광체 - 광학 매체 - 광검출기; 광전자 (광 커플러) 미세 회로 (출력 및 때로는 입력 장치가 추가 된 광 커플러); 특수 유형의 광 커플러 - 기본 광 커플러 및 광전자 IC와 기능 및 구조적으로 크게 다른 장치.

실제 광 커플러는 그림 1의 회로보다 더 복잡하고 배열될 수 있습니다. 하나; 이러한 각 블록은 하나가 아니라 전기적으로나 광학적으로 연결된 여러 개의 동일하거나 유사한 요소를 포함할 수 있지만 이것이 광커플러 물리학 및 전자공학의 기본을 크게 바꾸지는 않습니다.

애플리케이션

갈바닉 절연의 요소로 광 커플러가 사용됩니다. 장비 블록을 연결하는 데 상당한 전위차가 있습니다. 간섭 및 간섭 등으로부터 측정 장치의 입력 회로를 보호합니다.

광커플러의 또 다른 주요 응용 분야는 고전류 및 고전압 회로의 광학적 비접촉 제어입니다. 강력한 사이리스터, 트라이액, 트라이액, 전기 기계 릴레이 장치 제어 시작.

제어 광커플러의 특정 그룹은 전자발광(분말) 표시기, 모방체, 스크린으로 만들어진 복잡한 시각적 디스플레이 장치의 저전류 스위칭 회로용으로 설계된 저항기 광커플러로 구성됩니다.

"긴" 옵토커플러(확장된 유연한 광섬유 광 가이드가 있는 장치)의 생성은 옵토커플러 제품 사용에 대한 완전히 새로운 방향, 즉 근거리 통신을 열었습니다.

다양한 광커플러(다이오드, 저항기, 트랜지스터)는 순수한 무선 엔지니어링 변조 회로, 자동 이득 제어 등에 사용됩니다. 여기서 광 채널 영향은 비접촉 모드 변경 등을 위해 회로를 최적의 작동 모드로 가져오는 데 사용됩니다.

다양한 외부 영향 하에서 광학 채널의 속성을 변경하는 기능을 통해 전체 시리즈의 광커플러 센서를 생성할 수 있습니다. 이들은 습도 및 가스 오염용 센서, 부피의 특정 액체 존재용 센서, 물체의 표면 처리의 청결도, 이동 속도 등을 위한 센서

에너지 목적, 즉 광밸브 모드에서 다이오드 광커플러의 작동을 위한 광커플러의 사용이 매우 구체적입니다. 이 모드에서 포토다이오드는 부하에 전력을 생성하고 옵토커플러는 1차 회로에서 완전히 분리된 저전력 2차 전원과 어느 정도 유사합니다.

주어진 복잡한 법칙에 따라 조명 하에서 속성이 변하는 포토레지스터가 있는 광커플러를 생성하면 수학적 기능을 시뮬레이션할 수 있으므로 기능적 광전자공학의 생성을 향한 단계입니다.

갈바닉 절연 및 비접촉 제어의 요소로서의 광커플러의 다양성, 다른 많은 기능의 다양성 및 고유성은 이러한 장치의 응용 분야가 컴퓨터 기술, 자동화, 통신 및 무선 장비, 자동화 제어 시스템, 측정 장비, 제어 및 규제 시스템, 의료 전자 제품, 정보의 시각적 표시 장치.

광커플러 기술의 물리적 기반

광커플러의 소자 베이스 및 장치

광커플러의 기본 요소는 광검출기와 이미 터, 그리고 이들 사이의 광학 매체로 구성됩니다. 이러한 모든 요소는 작은 치수와 무게, 높은 내구성 및 신뢰성, 기계적 및 기후적 영향에 대한 내성, 제조 가능성, 저렴한 비용과 같은 일반적인 요구 사항의 적용을 받습니다. 또한 요소가 상당히 광범위하고 장기적인 산업 승인을 통과한 것이 바람직합니다.

기능적으로(회로 요소로서) 광 커플러는 주로 사용하는 광검출기 유형이 특징입니다.

광 커플러에서 광검출기의 성공적인 사용은 다음 기본 요구 사항의 충족에 의해 결정됩니다. 복사 양자 에너지를 이동 가능한 전기 에너지로 변환하는 효율성; 내부 내장 증폭의 존재 및 효과; 고속; 기능의 폭.

광커플러는 가시광선 및 근적외선 영역에 민감한 다양한 구조의 광검출기를 사용합니다. 이 스펙트럼 범위에 강한 방사선원이 있고 광검출기가 냉각 없이 작동할 수 있기 때문입니다.

가장 다재다능한 것은 p-n 접합(다이오드, 트랜지스터 등)이 있는 광검출기이며, 대부분의 경우 실리콘을 기반으로 만들어지며 최대 스펙트럼 감도 영역은 거의 l = 0.7 ... 0.9 μm .

광커플러의 이미터에도 수많은 요구 사항이 적용됩니다. 주요 사항은 다음과 같습니다. 선택한 광검출기와 스펙트럼 일치; 전류 에너지를 복사 에너지로 변환하는 고효율; 주된 방사선 방향; 고속; 방사선의 여기 및 변조의 단순성과 편리함.

몇 가지 유형의 이미터가 적합하며 광커플러에 사용할 수 있습니다.

• 세밀화 백열 전구.
• 네온 전구, 네온-아르곤 가스 혼합물의 방전 광선을 사용합니다.
  이러한 유형의 이미터는 낮은 광 출력, 기계적 응력에 대한 낮은 저항, 제한된 내구성, 큰 치수 및 통합 기술과의 완전한 비호환성을 특징으로 합니다. 그러나 특정 유형의 광 커플러에서는 사용할 수 있습니다.
• 분말 전계발광 셀발광체로 중합 유전체에 현탁된 황화아연(구리, 망간 또는 기타 첨가제로 활성화)의 미세 결정 입자를 사용합니다. 충분히 높은 AC 전압이 인가되면 사전 항복 발광 과정이 발생합니다.
• 박막 전계발광 전지. 여기에서 빛은 "뜨거운" 전자에 의한 망간 원자의 여기와 관련이 있습니다.

분말 및 필름 전계발광 전지는 모두 전기 에너지를 빛으로 변환하는 효율이 낮고 내구성(특히 박막 전지)이 낮고 제어가 어렵습니다(예: 분말 형광체의 최적 모드는 f = 400에서 ~220V입니다. ... 800Hz). 이 에미터의 주요 장점은 포토레지스터와의 구조적 및 기술적 호환성, 이를 기반으로 다기능, 다원소 광커플러 구조를 생성할 수 있다는 것입니다.

광커플러에 사용되는 가장 다양한 유형의 이미 터는 반도체 주입 발광 다이오드(LED)입니다. 이것은 다음과 같은 장점 때문입니다. 전기 에너지를 광학으로 변환하는 효율성의 높은 가치; 좁은 방출 스펙트럼(준 단색도); 다양한 LED에 의해 커버되는 스펙트럼 범위의 폭; 방사선의 방향성; 고속; 낮은 공급 전압 및 전류 값; 트랜지스터 및 집적 회로와의 호환성; 순방향 전류를 변경하여 방사 전력 변조의 용이성; 펄스 및 연속 모드 모두에서 작동하는 기능; 다소 넓은 범위의 입력 전류에서 와트-암페어 특성의 선형성; 높은 신뢰성과 내구성; 작은 치수; 마이크로 전자 제품과의 기술 호환성.

광커플러의 광학 침지 매체에 대한 일반적인 요구 사항은 다음과 같습니다. 높은 값의 굴절률 n im; 높은 저항 값 r 그들; 높은 임계 전계 강도 E im cr, 충분한 내열성 D q im 슬레이브; 실리콘 및 갈륨 비소 결정에 대한 우수한 접착력; 탄성(열팽창 계수 측면에서 광 커플러 요소의 일치를 보장할 수 없기 때문에 필요함); 광 커플러의 침지 매체는 광 투과성뿐만 아니라 구조적 기능도 수행하기 때문에 기계적 강도; 제조 가능성(사용 용이성, 물성 재현성, 저렴한 비용 등).

광커플러에 사용되는 주요 유형의 침지 매체는 폴리머 광학 접착제입니다. 그들에게 일반적으로 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 노예 \u003d - 60 ... 120 C 접착제는 실리콘 및 갈륨 비소에 대한 우수한 접착력을 가지며 높은 기계적 강도와 열 순환 저항을 결합합니다. 경화되지 않은 바셀린 유사 및 고무 유사 광학 매체도 사용됩니다.

다이오드 광커플러의 에너지 변환 물리학

광커플러에서 에너지 변환 프로세스를 고려하려면 빛의 양자 특성을 고려해야 합니다. 전자기 복사는 입자의 흐름(양자(광자), 에너지)으로 나타낼 수 있는 것으로 알려져 있습니다. 각각은 비율에 의해 결정됩니다.

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

여기서 h는 플랑크 상수입니다.
c는 진공에서 빛의 속도입니다.
n은 반도체의 굴절률이고;
n, l - 광학 복사의 진동 주파수 및 파장.

양자 플럭스의 밀도(즉, 단위 시간당 단위 면적을 통과하는 양자의 수)가 N f와 같으면 총 비복사 전력은 다음과 같습니다.

P f = N f * E f (2.2)

그리고 (2.1)에서 볼 수 있듯이, 주어진 N f에 대해 더 클수록 방사 파장은 더 짧습니다. 실제로 Pf(광검출기의 에너지 방사조도)가 실제로 주어졌기 때문에 다음 관계가 유용할 것 같습니다.

N f = P f / E f = 5 * 10 15 l P f (2.3)

여기서 N f, cm -2 s -1; 리터, ㎛; Pf, mW/cm.

쌀. 2. 다이렉트 갭 반도체의 에너지 다이어그램(3원 GaAsP 화합물의 예)

LED에서 발광을 주입하는 메커니즘은 반도체에서 복사(및 비방사) 재결합, LED 베이스에 과량의 작은 전하 캐리어 주입, 생성 영역에서 복사 추출의 세 가지 주요 프로세스로 구성됩니다.

반도체에서 전하 캐리어의 재결합은 주로 밴드 다이어그램, 불순물 및 결함의 존재 및 특성, 평형 상태 위반 정도에 의해 결정됩니다. 광커플러 에미터(GaAs 및 이를 기반으로 하는 3원 화합물 GaAlAs 및 GaAsP)의 주요 재료는 직접 갭 반도체입니다. 직접적인 광학 영역-영역 전환이 허용되는 영역에 적용됩니다(그림 2). 이 계획에 따른 전하 캐리어의 각 재결합 행위에는 양자의 방출이 수반되며, 그 파장은 에너지 보존 법칙에 따라 다음 관계에 의해 결정됩니다.

l iz [μm] = 1.23 / E f [eV] (2.4)

경쟁적인 비방사성 재결합 메커니즘도 있다는 점에 유의해야 합니다. 그 중 가장 중요한 것은 다음과 같습니다.

1. 깊은 센터에서 재결합. 전자는 가전자대로 직접 전달되지 않고 밴드 갭에서 허용되는 에너지 준위를 형성하는 특정 재결합 중심을 통해 통과할 수 있습니다(그림 2의 E t 준위).
2. 오거 재조합(또는 충격). 반도체의 매우 높은 농도의 자유 전하 캐리어에서 세 물체의 충돌 가능성이 증가하고 재결합 전자-정공 쌍의 에너지가 운동 에너지의 형태로 세 번째 자유 캐리어에 주어지며 충돌 중에 점차 낭비됩니다. 격자로.

무화과. 3. 전기(a) 및 광학(b) LED 모델. A - 결정의 광학적으로 "투명한" 부분; B - 결정의 활성 부분; C - 크리스탈의 "불투명한" 부분; D - 저항 접점; E - 공간 전하 면적

다양한 재결합 메커니즘의 상대적 역할은 내부 복사 양자 수율 h int 의 개념을 도입하여 설명되며, 이는 총(복사 및 비방사) 재결합 확률에 대한 복사 재결합 확률의 비율로 결정됩니다(즉, 동시에 주입된 소수 전하 캐리어의 수에 대한 생성된 광자의 수의 비율). h int 값은 LED에 사용되는 재료의 가장 중요한 특성입니다. 분명히 0 h int 100%.

LED 결정의 활성(방출) 영역에서 자유 캐리어의 과잉 농도 생성은 순방향 바이어스 pn 접합을 주입하여 수행됩니다.

다이오드의 활성 영역에서 복사 재결합을 유지하는 전류의 "유용한" 구성 요소는 p-n 접합에 의해 주입되는 전자 전류 I n(그림 3a)입니다. "쓸모없는" 순방향 전류 구성 요소는 다음과 같습니다.

1. 정공 성분 I p , n 영역에 정공을 주입하고 단측 주입으로 pn 접합이 없다는 사실을 반영하기 때문에 이 전류의 비율은 n 영역에 비해 더 많이 도핑된 n 영역보다 작습니다. p-영역으로.
2. 공간 전하 영역의 재결합 전류(비방사성) - n-전이 I rec. 작은 순방향 바이어스에서 밴드갭이 큰 반도체에서 이 전류의 일부는 감지할 수 있습니다.
3. 전위 장벽을 통한 전하 캐리어의 "누설"로 인한 터널링 전류 Itun. 전류는 다수 캐리어에 의해 전달되며 복사 재결합에 기여하지 않습니다. 터널 전류가 클수록 p-n 접합이 더 좁아지며 베이스 영역의 높은 수준의 도핑과 큰 순방향 바이어스에서 눈에 띄게 나타납니다.
4. 표면 누설 전류 I pov, 반도체 표면의 특성과 체적 특성의 차이 및 특정 단락 개재물의 존재로 인해.

p - n 접합의 효율은 주입 계수로 특징 지어집니다.

(2.5)

분명히, g 의 가능한 변화의 한계는 h int 와 동일합니다. 즉, 0 g 100%입니다.

생성 영역에서 복사가 제거되면 다음 유형의 에너지 손실이 발생합니다(그림 3, b).

1. 자기 흡수 손실(빔 1). 생성된 양자의 파장이 공식 (2.4)와 정확히 일치하면 흡수의 "빨간색 경계"와 일치하며(아래 참조), 이러한 복사는 반도체 벌크에서 빠르게 흡수됩니다(자체 흡수). 사실, 다이렉트 갭 반도체의 복사는 위의 이상적인 방식에 따라 진행되지 않습니다. 따라서 생성된 양자의 파장은 (2.4)에 따른 것보다 다소 큽니다.
2. 내부 전반사 손실(빔 2). 광선이 광학 밀도 매체(반도체)와 광학 밀도가 낮은 매체(공기) 사이의 계면에 떨어질 때 이러한 광선 중 일부는 내부 전반사 조건이 충족되는 것으로 알려져 있습니다. 결국 자기 흡수로 인해 손실됩니다.
3. 후면 및 가장자리 복사에 대한 손실(빔 3 및 4).

정량적으로, 결정으로부터의 광학 에너지의 출력 효율은 결정 내부에서 생성된 복사 전력에 대한 오른쪽 방향으로 나오는 복사 전력의 비율에 의해 결정되는 출력 계수 K opt 에 의해 특징지어진다. 계수 h int 및 g 의 경우와 마찬가지로 0 K opt 100% 조건이 항상 충족됩니다.
G. LED 방사율의 통합 지표는 외부 양자 수율 h ext 의 값입니다. 지금까지 말한 것으로부터 h ext = h int g K opt임이 분명합니다.

수신기로 넘어갑시다. 광커플러에 사용되는 광검출기의 작동 원리는 전자기(광학) 복사의 영향으로 체내 원자에서 전자를 분리하는 내부 광전 효과를 기반으로 합니다.

결정에 흡수되는 광양자는 반도체 자체와 불순물 모두에서 원자에서 전자를 분리할 수 있습니다. 이에 따라 고유(불순물)과 불순물 흡수(광전 효과)를 말합니다. 불순물 원자의 농도가 낮기 때문에 고유 흡수에 기초한 광전 효과는 항상 불순물 흡수에 기초한 광전 효과보다 더 중요합니다. 광커플러에 사용되는 모든 광검출기는 순수한 광전 효과에서 "작동"합니다. 빛의 양자가 원자에서 전자를 분리시키려면 다음과 같은 명백한 에너지 관계를 충족해야 합니다.

E f1 = hn 1 E c - E v (2.6)

E f2 = hn 2 E c - E t (2.7)

따라서 고유 광전 효과는 반도체가 특정 값 l gr보다 작은 파장의 방사선에 노출될 때만 발생할 수 있습니다.

l gr \u003d hc / (E c - E v) 1.23 / E g (2.8)

(2.8)의 두 번째 등식은 l gr이 마이크로미터로 표시되고 반도체 E g의 밴드 갭이 전자 볼트로 표시되는 경우 유효합니다. l gr의 값은 재료의 스펙트럼 감도의 장파장 또는 "적색" 경계라고 합니다.

광전 효과의 강도(존재할 수 있는 스펙트럼 영역에서)는 생성된 전자-정공 쌍 수와 흡수된 광자 수의 비율로 결정되는 양자 수율에 따라 달라집니다. 에 대한 실험적 의존성에 대한 분석은 광커플러에 대한 관심 스펙트럼 영역에서 b = 1임을 보여줍니다.

조사 작용에 따른 자유 전하 캐리어의 형성은 반도체에서 두 가지 광전 효과의 형태로 나타납니다. 광전도성(조명 시 시료의 전도도 증가) 및 광기전성(pn 조명 시 반도체의 접합 또는 다른 형태의 전위 장벽). 두 효과 모두 광검출기를 설계하는 데 사용됩니다. 광커플러의 경우 광기전력 효과의 사용이 선호되고 지배적입니다.

광검출기의 주요 매개변수 및 특성(이러한 장치의 물리적 특성 및 디자인에 관계 없음)은 여러 그룹으로 나눌 수 있습니다. 최대 및 최소 방사선 전력 수준. 전기 광학의 경우 - 감광도, 광검출기 영역에 대한 감도 분포의 균일성 정도. 감도의 스펙트럼 밀도(파장에 대한 감도를 특성화하는 매개변수의 의존성); 광검출기의 고유한 노이즈와 조명 수준 및 작동 주파수 범위에 대한 의존성; 해결 시간(성능); 품질 요소(다른 광검출기를 서로 비교할 수 있는 결합 표시기); 선형성 지수; 다이나믹 레인지. 전기 회로의 요소로서 광 검출기는 우선 등가 회로의 매개 변수, 작동 모드에 대한 요구 사항, 내장 증폭 메커니즘의 유무, 유형 및 모양 출력 신호. 기타 특성: 작동, 신뢰성, 전반적, 기술적 - 특별히 "광검출기"를 포함하지 않습니다.

출력 신호(전압, 전류)의 특성에 따라 각각 V/W 또는 A/W로 측정된 수신기 S의 전압 또는 전류 감광도를 말합니다. 광검출기의 선형성(또는 비선형성)은 출력 신호를 입력과 관련시키는 방정식에서 지수 n 값에 의해 결정됩니다. U out(또는 I out) ~ P f. n 1의 경우 광검출기는 선형입니다. 이것이 수행되는 값의 범위 P f (P f max에서 P f min까지)는 일반적으로 데시벨로 표시되는 광검출기 D의 선형성의 동적 범위를 결정합니다. D = 10 lg (P f max / P f 분).

감도의 임계값을 결정하는 광검출기의 가장 중요한 매개변수는 W -1 m Hz 1/2 단위로 측정되는 특정 검출도 D입니다. 알려진 값 D에서 감도 임계값(최소 감지된 방사 전력)은 다음과 같이 정의됩니다.

P f min = / D(2.9)

여기서 A는 감광성 영역의 면적입니다. D f는 광신호 증폭기의 작동 주파수 범위입니다. 즉, 매개변수 D는 광검출기의 품질 인자 역할을 합니다.

쌀. 도 4 4. 포토다이오드(a) 및 포토밸브(b) 다이오드 작동 모드의 전류-전압 특성 측정 및 제품군

광커플러에 적용할 때 나열된 모든 특성이 똑같이 중요하지는 않습니다. 일반적으로 광커플러의 광검출기는 임계값에서 매우 멀리 떨어진 복사조도에서 작동하므로 매개변수 P f min 및 D를 사용하면 실제로 쓸모가 없습니다. 구조적으로 광 커플러의 광검출기는 일반적으로 침지식으로 "움푹 들어간" 위치에 있습니다. 이미 터와 연결하는 매체이므로 입력 창의 광학 특성에 대한 지식은 의미가 없습니다 (일반적으로 그러한 창은 의도적으로 없습니다). 적분 효과가 중요하기 때문에 감광성 영역에 대한 감도 분포를 아는 것도 그다지 중요하지 않습니다.

우리는 p-n 접합 및 p-in 구조의 평면 에피택시 광다이오드의 예를 사용하여 광기전력 효과에 기반한 광검출기의 작동 메커니즘을 고려할 것입니다. 유형) 및 얇은 p + -층. 포토다이오드 모드에서 작동할 때(그림 4a), 외부에서 인가된 전압은 이동성 정공과 전자가 p - n(p - i) 접합에서 멀어지게 합니다. 이 경우 결정에서 전계 분포의 그림은 고려 중인 두 구조에 대해 크게 다른 것으로 판명되었습니다.

다이오드의 베이스 영역에서 흡수된 광 복사는 p-n 접합으로 확산되는 전자-정공 쌍을 생성하고 이에 의해 분리되어 외부 회로에 추가 전류가 나타나게 합니다. p - i - n-다이오드에서 이러한 분리는 i-o6 필드에서 발생하며 확산 과정 대신 전하 캐리어가 전기장의 영향을 받아 드리프트합니다. 생성된 각각의 전자-정공 쌍은 p-n 접합을 통과하여 전자의 전하와 동일한 전하를 외부 회로에 통과시킵니다. 다이오드의 조도가 클수록 광전류가 커집니다. 다이오드가 순방향으로 바이어스될 때도 광전류가 흐르지만(그림 4,a), 낮은 전압에서도 순방향 전류보다 훨씬 작아 절연이 어렵다.

포토 다이오드의 볼트 - 암페어 특성의 작업 영역은 그림의 세 번째 사분면입니다. 4a; 따라서 가장 중요한 매개 변수는 현재 감도입니다.

(2.10)

(2.10)의 두 번째 평등은 선형 의존성을 가정하여 얻어졌습니다. 나는 f = f(P f), 세 번째는 암전류를 무시하는 조건에서 (IT<< I Ф), что для кремниевых фотодиодов обычно выполняется.

포토다이오드에 외부 바이어스를 가하지 않고 빛을 비추면 pn 접합의 내장 필드의 작용으로 생성된 전자와 정공의 분리 과정이 진행됩니다. 이 경우 구멍이 p-영역으로 흐르고 p-n 접합의 내장 필드를 부분적으로 보상합니다. 다이오드의 외부 단자에서 광기전력 U f가 발생하는 새로운 평형(주어진 값: P f) 상태가 생성됩니다. 조명 포토 다이오드를 특정 부하로 닫으면 유용한 전력 P e를 제공합니다.

이러한 광 밸브 모드에서 작동하는 다이오드의 전류-전압 특성의 특성 포인트는 무부하 EMF Uxx와 단락 전류 I 단락입니다(그림 4,b).

개략적으로 밸브 모드의 포토다이오드는 일종의 2차 전원으로 작동하므로 정의 매개변수는 빛 에너지를 전기 에너지로 변환하는 효율성입니다.

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

광 밸브 모드에서는 중요한 종류의 광전지 장치인 태양 전지가 작동합니다.

광 커플러 및 광전자 집적 회로의 매개 변수 및 특성

광 커플러 장비의 제품 매개 변수 분류

광 커플러 기술의 제품을 분류할 때 광검출기의 유형과 장치 전체의 설계 특징이라는 두 가지 점을 고려합니다.

첫 번째 분류 기능의 선택은 거의 모든 광커플러의 입력에 LED가 있고 장치의 기능이 광검출기의 출력 특성에 의해 결정된다는 사실 때문입니다.

두 번째 기호로 옵토 커플러 사용의 세부 사항을 결정하는 디자인이 채택됩니다.

쌀. 5. 광커플러의 펄스 매개변수를 결정하려면

이 혼합 설계 및 회로 설계 분류 원칙을 사용하여 광커플러(기본 광커플러), 광전자(광커플러) 집적 회로 및 특수 유형의 광커플러의 세 가지 주요 그룹의 광커플러를 구별하는 것이 논리적입니다. 이러한 각 그룹에는 많은 유형의 장치가 포함됩니다.

가장 일반적인 광커플러에는 D - 다이오드, T - 트랜지스터, R - 저항기, Y - 사이리스터, T 2 - 복합 광트랜지스터 포함, DT - 다이오드-트랜지스터, 2D(2T) - 다이오드(트랜지스터) 약어가 가장 일반적인 광커플러에 사용됩니다. 미분.

옵토커플러 제품의 매개변수 시스템은 4개의 매개변수 및 모드 그룹으로 구성된 옵토커플러 매개변수 시스템을 기반으로 합니다.

첫 번째 그룹은 광 커플러의 입력 회로(입력 매개변수)를 특성화하고, 두 번째 그룹은 출력 회로(출력 매개변수)를, 세 번째 그룹은 이미 터가 광검출기에 미치는 영향 정도와 신호의 관련 기능을 특성화하는 매개변수를 결합합니다. 옵토 커플러를 커플 링 요소 (전송 특성 매개 변수)로 통과하면 마지막으로 네 번째 그룹은 갈바닉 절연 매개 변수를 결합하며 그 값은 옵토 커플러가 이상적인 절연 요소에 얼마나 근접하는지 보여줍니다. 나열된 4개의 그룹 중에서 특히 "옵토커플러" 매개변수를 정의하는 것은 전달 특성과 갈바닉 절연 매개변수입니다.

다이오드 및 트랜지스터 광커플러의 가장 중요한 매개변수는 전류 전달 계수입니다. 광커플러의 펄스 매개변수 정의는 (그림 5)에서 명확합니다. 매개변수 t nar(sp), t zd 및 t on(off)을 측정할 때 기준 레벨은 일반적으로 0.1 및 0.9의 레벨이며 신호의 총 논리적 지연 시간은 펄스 진폭의 0.5 레벨에 의해 결정됩니다.

갈바닉 절연 매개변수. 광커플러는 다음과 같습니다. 입력과 출력 사이의 최대 허용 피크 전압 U razv p max ; 입력과 출력 사이의 최대 허용 전압 U razv max ; 갈바닉 절연 저항 R 개발; 통과 용량 C razv; 입력과 출력 사이의 최대 허용 전압 변화율(dU spread /dt) max . 가장 중요한 매개변수는 U exp n max 입니다. 옵토 커플러의 전기적 강도와 갈바닉 절연 요소로서의 기능을 결정하는 사람은 바로 그 사람입니다.

광커플러의 고려된 매개변수는 전체적으로 또는 일부 변경되어 광전자 집적 회로를 설명하는 데에도 사용됩니다.

다이오드 광커플러

쌀. 6. 광커플러의 기호

다이오드 광커플러(그림 6, a)는 광커플러 기술의 수준을 다른 어떤 장치보다 더 많이 특성화합니다. Ki 값으로 광커플러에서 달성된 에너지 변환 효율을 판단할 수 있습니다. 시간 매개 변수의 값을 통해 정보 전파의 제한 속도를 결정할 수 있습니다. 하나 또는 다른 증폭 요소를 다이오드 광 커플러에 연결하는 것은 매우 유용하고 편리하지만 에너지 측면에서나 주파수 제한 측면에서 이득을 줄 수 없습니다.

트랜지스터 및 사이리스터 광커플러

트랜지스터 광커플러(그림 6, c) 많은 속성을 가진 다른 유형의 광 커플러와 유리하게 비교됩니다. 이것은 주로 LED 회로(광학) 및 기본 회로(전기)에서 컬렉터 전류를 제어할 수 있다는 사실과 출력 회로가 선형 및 키 모드. 내부 증폭 메커니즘은 전류 전달 계수 Ki가 크도록 보장하므로 후속 증폭 단계가 항상 필요한 것은 아닙니다. 이 경우 광커플러의 관성은 그다지 크지 않고 많은 경우에 상당히 수용 가능하다는 것이 중요합니다. 광 트랜지스터의 출력 전류는 예를 들어 광 다이오드보다 훨씬 높기 때문에 광범위한 전기 회로를 전환하는 데 적합합니다. 마지막으로, 이 모든 것이 트랜지스터 광커플러의 상대적인 기술 단순성으로 달성된다는 점에 유의해야 합니다.

사이리스터 광커플러(그림 6, b)는 고전류 고전압 회로를 스위칭하는 데 가장 유망합니다. 부하와 속도에서 스위칭되는 전력의 조합 측면에서 T 2 광 커플러보다 분명히 선호됩니다. AOU103 유형의 광커플러는 제어 회로, 전력 증폭기, 펄스 셰이퍼 등 다양한 전자 회로에서 비접촉 핵심 요소로 사용하기 위한 것입니다.

저항기 광커플러

저항기 광 커플러 (그림 6, d)는 물리적 및 설계 기술적 특징뿐만 아니라 매개 변수의 구성 및 값에서 다른 모든 유형의 광 커플러와 근본적으로 다릅니다.

포토레지스터의 작동 원리는 광전도성의 영향, 즉 조명을 받았을 때 반도체 저항의 변화에 ​​기반합니다.

아날로그 신호 전송을 위한 차동 광커플러

위의 모든 자료는 전기적으로 절연된 회로를 통한 디지털 정보 전송에 관한 것입니다. 모든 경우에 선형성, 아날로그 신호에 대해 말하면 광 커플러의 출력 특성 유형에 관한 것입니다. 모든 경우에 이미 터-광검출기 채널에 대한 제어는 선형 종속성으로 설명되지 않았습니다. 중요한 작업은 광 커플러를 사용하여 아날로그 정보를 전송하는 것입니다. 즉, 입력-출력 전송 특성의 선형성을 보장합니다. 이러한 광커플러가 있어야만 아날로그 정보를 디지털 형식(펄스 트레인)으로 변환하지 않고 전기적으로 절연된 회로를 통해 직접 배포할 수 있습니다.

아날로그 신호 전송의 관점에서 중요한 매개변수의 관점에서 다양한 광커플러의 특성을 비교하면 이 문제가 해결될 수 있다면 좋은 주파수와 노이즈 특성을 가진 다이오드 광커플러의 도움으로만 가능하다는 결론에 도달합니다. . 문제의 복잡성은 주로 전달 특성의 좁은 범위와 다이오드 광커플러에서 이러한 선형성의 정도에 있습니다.

아날로그 신호 전송에 적합한 갈바닉 절연 장치의 개발에서 첫 번째 단계만 수행되었으며 더 많은 진전이 예상된다는 점에 유의해야 합니다.

광전자 마이크로 회로 및 기타 광 커플러 유형 장치

광전자 마이크로 회로는 광 커플러 기술에서 가장 널리 사용, 개발 및 유망한 제품 클래스 중 하나입니다. 이는 광전자 미세 회로와 기존 미세 회로의 완전한 전기적 및 구조적 호환성뿐만 아니라 기본 광 커플러에 비해 광범위한 기능 때문입니다. 기존의 미세 회로와 마찬가지로 스위칭 광전자 미세 회로가 가장 널리 사용됩니다.

특수 유형의 광커플러는 기존 광커플러 및 광전자 미세 회로와 크게 다릅니다. 여기에는 우선 개방형 광 채널이 있는 광 커플러가 포함됩니다. 이러한 장치의 설계에는 이미 터와 광검출기 사이에 에어 갭이 있으므로 그 안에 특정 기계적 장벽을 배치하여 광속을 제어하여 광 커플러의 출력 신호를 제어할 수 있습니다. 따라서 개방형 광 채널이 있는 광커플러는 물체의 존재(또는 부재), 표면 상태, 이동 또는 회전 속도 등을 감지하는 광전자 센서 역할을 합니다.

광커플러 및 광커플러 미세회로의 응용

옵토커플러 기술의 개발 및 적용에 대한 유망한 방향이 크게 결정되었습니다. 광커플러와 광커플러는 닫힌 전기 연결이 없는 장치 간에 정보를 전송하는 데 효과적으로 사용됩니다. 정보를 얻고 표시하는 기술에서 광전자 장치의 위치는 전통적으로 강력합니다. 이 방향에서 독립적으로 중요한 것은 특성과 목적이 매우 다른 프로세스와 물체를 제어하도록 설계된 광커플러 센서입니다. 기능적 광 커플러 미세 회로는 정보의 변환, 축적 및 저장과 관련된 다양한 작업을 수행하는 데 중점을 두어 눈에 띄게 발전하고 있습니다. 부피가 크고 수명이 짧고 비기술적(마이크로일렉트로닉스의 관점에서 볼 때) 전자 기계 제품(변압기, 전위차계, 계전기)을 광전자 장치 및 장치로 교체하는 것이 효과적이고 유용합니다. 매우 구체적이지만 많은 경우에 정당하고 유용한 것은 에너지 목적으로 광커플러를 사용하는 것입니다.

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쌀. 7. 블록간 갈바닉 절연 방식

MIS 트랜지스터를 기반으로 한 집적 장치가 있는 TTL(트랜지스터-트랜지스터 논리) 요소의 정합 회로는 트랜지스터 옵토커플러를 기반으로 합니다(그림 8). 특정 버전에서: E 1 = E 2 = 5V, E 3 = 15V, R 1 = 820Ohm, R 2 = 24kOhm - 옵토커플러 LED는 트랜지스터를 포화시키기에 충분한 전류(5mA)에 의해 여기되고 MIS -트랜지스터에서 장치를 자신 있게 제어합니다.

쌀. 8. 광 채널을 통한 TTL 및 MIS 요소 페어링 방식

광통신은 전화 장치 및 시스템에서 활발히 사용됩니다. 광커플러의 도움으로 기술적으로 간단한 방법으로 마이크로 전자 장치를 호출, 표시, 모니터링 및 기타 목적으로 설계된 전화선에 연결할 수 있습니다.

여러 면에서 유용한 측정 장치와 연구 대상의 갈바닉 절연 외에도 전자 측정 장비에 광학 연결을 도입하면 지면과 전원에 작용하는 간섭의 영향을 크게 줄일 수 있습니다. 회로.

생체 의학 장비에서 광전자 기기 및 장치를 사용할 수 있는 가능성과 경험이 상당한 관심을 끌고 있습니다. 광커플러를 사용하면 예를 들어 심전도 장치에서 사용할 수 있는 고전압의 작용으로부터 환자를 안정적으로 격리할 수 있습니다.

광 채널을 통한 강력한 고전압 회로의 비접촉 제어는 복잡한 기술 모드에서 매우 편리하고 안전하며, 많은 장치와 산업 전자 단지에 일반적입니다. 이 영역에서 사이리스터 광커플러의 위치는 강력합니다(그림 9).

쌀. 9. AC 부하 스위칭 회로

정보 수신 및 표시

광커플러와 광커플러 초소형 회로는 매우 다른(특성 및 목적에 따라) 프로세스 및 대상의 특성 및 속성에 대한 정보를 신속하게 얻고 정확하게 표시하기 위해 비접촉 원격 기술에서 강력한 위치를 차지합니다. 개방형 광 채널이 있는 광커플러는 이와 관련하여 고유한 기능을 가지고 있습니다. 그 중에는 불투명 물체에 의한 광학 채널의 교차에 반응하는 광전자 차단기(그림 10)와 광검출기에 대한 광 방출기의 효과가 외부 물체에서 복사된 플럭스의 반사와 전적으로 관련된 반사 광커플러가 있습니다.

쌀. 10. 광전자 센서

개방형 광 채널이 있는 광커플러의 적용 범위는 광범위하고 다양합니다. 이미 60년대에 이러한 유형의 광커플러는 객체와 객체를 등록하는 데 효과적으로 사용되었습니다. 이러한 등록은 주로 물체의 자동 제어 및 계수를 위한 장치뿐만 아니라 다양한 종류의 결함 및 고장을 감지하고 표시하는 장치에 일반적으로 사용되므로 물체의 위치를 ​​명확하게 결정하거나 사실을 반영하는 것이 중요합니다. 그 존재. 광커플러는 등록 기능을 안정적이고 신속하게 수행합니다.

전기 공정 제어

LED에서 생성된 복사 전력과 광검출기가 있는 선형 회로에서 발생하는 광전류 수준은 이미 터의 전기 전도 전류에 정비례합니다. 따라서 광학(비접촉, 원격) 채널을 통해 이미 터에 전기적으로 연결된 전기 회로의 프로세스에 대한 매우 명확한 정보를 얻을 수 있습니다. 광커플러의 발광체를 고전류, 고전압 회로의 전기적 변화에 대한 센서로 사용하는 것이 특히 효과적입니다. 이러한 변화에 대한 명확한 정보는 전기 과부하로부터 에너지원과 소비자를 보호하는 데 중요합니다.

쌀. 11. 광커플러를 제어하는 ​​전압 안정기

광커플러는 고전압 전압 조정기에서 성공적으로 작동하여 음의 피드백 광 채널을 생성합니다. 고려중인 안정기(그림 11)는 직렬형 소자를 말하며 바이폴라 트랜지스터가 조절 소자이고 실리콘 제너 다이오드가 기준(기준) 전압의 소스 역할을 한다. 비교 요소는 LED입니다.

그림 1의 회로에서 출력 전압이 11이 증가하면 LED의 전도 전류도 증가합니다. 광커플러의 포토트랜지스터는 트랜지스터에 작용하여 출력 전압의 불안정성을 억제합니다.

전기 기계 제품의 교체

자동화 장치, 무선 엔지니어링, 통신, 산업 및 소비자 전자 제품의 효율성과 품질 개선을 목표로 하는 기술 솔루션의 복합체에서 편리하고 유용한 조치는 전기 기계 제품(변압기, 계전기, 전위차계, 가변 저항기, 푸시 버튼)을 교체하는 것입니다. 및 키 스위치)보다 작고 내구성이 뛰어나며 빠른 아날로그를 제공합니다. 이 방향에서 주도적인 역할은 광전자 장치 및 장치에 할당됩니다. 사실은 변압기와 전자기 계전기의 매우 중요한 기술적 이점(제어 및 부하 회로의 갈바닉 절연, 강력한 고전압, 고전류 시스템에서의 확실한 작동)도 옵토커플러의 특징이라는 것입니다. 동시에 광전자 제품은 신뢰성, 내구성, 과도 및 주파수 특성 측면에서 전자기 제품보다 훨씬 우수합니다. 소형 및 고속 광전자 변압기, 스위치, 계전기의 제어는 특별한 전기 매칭 수단 없이 디지털 기술의 집적 회로를 사용하여 자신 있게 수행됩니다.

펄스 변압기 교체의 예가 그림 1에 나와 있습니다. 12.

쌀. 12. 광전자 변압기의 계획

에너지 기능

전력 모드에서 광커플러는 EMF 및 전류의 2차 소스로 사용됩니다. 광커플러 에너지 변환기의 효율은 낮습니다. 그러나 기본 전원과의 갈바닉 연결 없이 장치의 모든 회로에 추가 전압 또는 전류 소스를 도입할 수 있는 가능성은 개발자에게 새로운 자유도를 제공하며, 이는 비표준 기술 문제를 해결할 때 특히 유용합니다.