Kako deluje optični sklopnik za lutke. Optični sklopniki - značilnosti, naprava, uporaba

Optični sklopniki vam omogočajo reševanje enakih težav kot posamezni pari oddajnik - fotodetektor, vendar so v praksi običajno bolj priročni, saj se že optimalno ujemajo z lastnostmi oddajnika in fotodetektorja ter njunim relativnim položajem.

Če govorimo o najbolj očitni uporabi optospojnika, ki med drugimi napravami nima analogov, je to element galvanske izolacije. Optični sklopniki (ali, kot jih včasih imenujejo, optični sklopniki) se uporabljajo kot komunikacijske naprave med strojnimi enotami z različnimi potenciali za povezovanje mikrovezij z različnimi logičnimi ravnmi. V teh primerih optični sklopnik prenaša informacije med bloki, ki nimajo električne povezave in ne nosijo neodvisne funkcionalne obremenitve.

Nič manj zanimiva je uporaba optičnih sklopnikov kot elementov optičnega brezkontaktnega krmiljenja visokotokovnih in visokonapetostnih naprav.

Na optospojnikih je priročno zgraditi lansirne enote za močne tiratrone, distribucijske in relejne naprave, preklopne naprave za napajanje itd.

Optični sklopniki z odprtim optičnim kanalom poenostavljajo reševanje problemov spremljanja parametrov različnih medijev, omogočajo ustvarjanje različnih senzorjev (vlažnost, nivo in barva tekočine, koncentracija prahu itd.).

Eno najpomembnejših je linearno vezje, zasnovano za nepopačen prenos analognih signalov preko galvansko izoliranega vezja. Kompleksnost tega problema je posledica dejstva, da je za linearizacijo prenosne karakteristike v širokem razponu tokov in temperatur potrebna povratna zanka, ki v bistvu ni izvedena ob prisotnosti galvanske izolacije. Zato sledijo poti uporabe dveh enakih optospojnikov (ali diferencialnega optosklopnika), od katerih eden deluje kot pomožni element, ki zagotavlja povratno informacijo (slika 6.13). V takšnih vezjih je priročno uporabljati diferencialne opto sklopke KOD301A, KOD303A.

Na sl. 6.14 prikazuje diagram dvostopenjskega tranzistorskega ojačevalnika z optoelektronsko sklopko. Sprememba toka kolektorja tranzistorja VT1 povzroči ustrezno spremembo toka LED optičnega sklopnika U1 in upor njegovega fotoupora, ki je vključen v osnovno vezje tranzistorja VT2 . na obremenitvenem uporu R2 dodeliti

ojačan izhodni signal. Uporaba optospojnika skoraj popolnoma odpravi prenos signala z izhoda na vhod ojačevalnika.

Optični sklopniki so primerni za medblokovsko galvansko izolacijo v elektronski opremi. Na primer, v galvanskem izolacijskem vezju dveh blokov (slika 6.15) signal iz izhoda bloka 1 prenese na vhod bloka 2 preko diodnega optospojnika U1. Če se kot drugi blok uporablja integrirano vezje z nizkim vhodnim tokom, ni treba uporabljati ojačevalnika, fotodioda optospojnika pa v tem primeru deluje v načinu fotogeneratorja.

riž. 6.13. Galvanska izolacija analognega signala: 01, 02 - optični sklopniki, U1, U2 - operacijski ojačevalniki

riž. 6.14. Dvostopenjski tranzistorski ojačevalnik z optoelektronsko sklopko

Optospojniki in optoelektronska mikrovezja se uporabljajo v napravah za prenos informacij med bloki, ki nimajo zaprtih električnih povezav. Uporaba optičnih sklopnikov znatno poveča odpornost proti hrupu komunikacijskih kanalov, odpravlja neželene interakcije ločenih naprav vzdolž napajalnih tokokrogov in skupne žice. Vmesniška vezja z optičnimi sklopniki se pogosto uporabljajo v računalniški in merilni tehniki, v avtomatskih napravah, zlasti kadar senzorji ali druge sprejemne naprave delujejo v pogojih, ki so nevarni ali nedostopni za ljudi.

Na primer, izvedba povezave galvansko neodvisnih logičnih elementov se lahko izvede z optoelektronskim stikalom (slika 6.16). Optoelektronsko stikalo je lahko čip K249LP1, ki vključuje optospojnik brez paketa in standardna vrata.

Optični sklopniki omogočajo poenostavitev reševanja problemov konjugacije blokov, ki so po svojem funkcionalnem namenu heterogeni
narava napajanja, na primer aktuatorji, ki jih napaja izmenični tok, in vezja za ustvarjanje krmilnega signala, ki jih napajajo nizkonapetostni enosmerni viri.

Velika skupina nalog je tudi usklajevanje digitalnih mikrovezij z različnimi vrstami logike: tranzistorsko-tranzistorska logika (TTL), emiter

logika (ESL), komplementarna struktura »kovinski-oksid-polprevodnik« (CMOS) itd. Primer ujemanja za element TTL z MIS z uporabo tranzistorskega optosprejnika je prikazan na sliki 6.17. Vhodna in izhodna stopnja nimata skupnih električnih vezij in lahko delujeta v različnih pogojih in načinih.

Idealna galvanska izolacija je potrebna v številnih praktičnih primerih, na primer v medicinski diagnostični opremi, ko je senzor pritrjen na človeško telo, merilna enota, ki ojača in pretvarja signale senzorja, pa je povezana v omrežje. Če merilna enota ne deluje pravilno, obstaja nevarnost električnega udara za osebo. Sam senzor se napaja iz ločenega nizkonapetostnega napajalnika in je preko izolirnega optosklopnika povezan z merilno enoto (slika 6.18).

Optični sklopniki so uporabni tudi v drugih primerih, ko je treba "neozemljene" vhodne naprave seznaniti z "ozemljenimi" izhodnimi napravami. Primeri

Te naloge je mogoče povezati s teletipsko linijo z zaslonom, »avtomatsko tajnico«, ki je povezana s telefonsko linijo itd. Na primer, v vmesniškem vezju komunikacijske linije z zaslonom (slika 6.19, a) operacijski ojačevalnik zagotavlja zahtevano raven signalov na vhodu zaslona. Podobno lahko oddajno konzolo povežete s komunikacijsko linijo (slika 6.19, b).

riž. 6.19. Povezovanje "neozemljenih" in "ozemljenih" naprav

riž. 6.20. Optoelektronski polprevodniški releji:

a - normalno odprt, b - normalno zaprt

Ojačene signale fotodetektorja je priročno prenašati na aktuatorje (na primer elektromotorje, releje, svetlobne vire itd.) prek optoelektronske galvanske izolacije. Kot primer takšne ločitve lahko služita dve različici najpogostejših polprevodniških relejev, odprt in zaprt (slika 6.20). Rele preklaplja DC signale. Signal, ki ga prejme fototranzistor optospojnika, odpre tranzistorje VT1, VT2 in vključuje obremenitev

(slika 6.20, a) ali ga onemogočite (6.20, b).

Slika 6.21. Optoelektronski impulzni transformator

Impulzni transformator je zelo pogost element sodobne elektronske opreme. Uporablja se v različnih generatorjih impulzov, ojačevalnikih moči impulznega signala, komunikacijskih kanalih, telemetričnih sistemih, televizijski opremi itd. Tradicionalna zasnova impulznega transformatorja z uporabo magnetnega vezja in navitij ni združljiva s tehnološkimi rešitvami, ki se uporabljajo v mikroelektroniki. Frekvenčni odziv transformatorja v mnogih primerih ne omogoča zadovoljive reprodukcije tako nizko- in visokofrekvenčnih signalov.

Skoraj idealen impulzni transformator je mogoče izdelati na osnovi diodnega optospojnika. Na primer, v vezju optoelektronskega transformatorja z diodnim optospojnikom je prikazan tranzistor (slika 6.21) VT1 krmili LED optospojnik U1 Signal, ki ga ustvari fotodioda, se ojača s tranzistorji VT2 in VT3.

Trajanje sprednjega dela impulzov je v veliki meri odvisno od hitrosti optospojnika. Fotodiode so najhitrejše str— jaz— n-st
ructura. Čas vzpona in padca izhodnega impulza ne presega nekaj deset nanosekund.

Na podlagi optospojnikov so bila razvita in se proizvajajo optoelektronska mikrovezja, ki vključujejo enega ali več optospojnikov, pa tudi ustrezna mikroelektronska vezja, ojačevalnike in druge funkcionalne elemente.

Združljivost optospojnikov in optoelektronskih mikrovezij z drugimi standardnimi mikroelektronskimi elementi glede na nivoje vhodnih in izhodnih signalov, napajalno napetost in druge parametre je določila potrebo po standardizaciji posebnih parametrov in lastnosti.

Optospojniki (optospojniki) so elektronske naprave, ki se uporabljajo za pretvarjanje signala električnega toka v svetlobni tok. Njihov svetlobni signal se prenaša po kanalih optike, pa tudi povratni prenos in pretvorba svetlobe v električni signal.

Naprava z optičnim sklopom je sestavljena iz oddajnika svetlobe in pretvornika svetlobnega snopa (fotodetektorja). LED diode se uporabljajo kot oddajnik v sodobnih napravah. Starejši modeli so uporabljali majhne žarnice z žarilno nitko. Dve komponenti optospojnika sta združena s skupnim ohišjem in optičnim kanalom.

Vrste in naprave optičnih sklopnikov

Obstaja več značilnosti, po katerih se optični sklopniki lahko razvrstijo v skupine. Pri delitvi na razrede izdelkov optospojnikov je treba upoštevati dva dejavnika: vrsto fotodetektorja in značilnosti celotne zasnove naprave.

Prvi znak razvrstitve optičnih sklopnikov je posledica dejstva, da imajo vsi optični sklopniki na vhodu LED, zato so možnosti delovanja določene z lastnostmi fotodetektorske naprave. Drugi znak je izvedba zasnove, ki določa značilnosti uporabe optospojnika.

Z uporabo tega mešanega principa ločevanja lahko ločimo tri skupine optičnih sklopnikov:

• Osnovni optični sklopniki.
• Optoelektronska mikrovezja.
• Posebni optični sklopniki.

Skupine vsebujejo veliko vrst naprav. Za priljubljene optične sklopke veljajo nekatere oznake:

• D- dioda.
• T- tranzistor.
• R- upor.
• Pri- tiristor.
• T 2- s kompleksnim fototranzistorjem.
• DT- dioda-tranzistor.
• 2D (2T)- diodni diferencial ali tranzistor.

Sistem lastnosti optičnih sklopnikov temelji na sistemu lastnosti optičnih sklopnikov. Ta sistem je ustvarjen iz štirih skupin lastnosti in načinov:

• Karakterizira vhodno vezje optičnega sklopnika.
• Karakterizira izhodne parametre.
• Združuje stopnjo delovanja oddajnika na svetlobni sprejemnik in značilnosti prehoda signala skozi optični sklop kot komunikacijske komponente.
• Združuje lastnosti galvanske izolacije.

Glavni parametri optospojnika so lastnosti prenosa in galvanske izolacije. Pomembna vrednost tranzistorskih in diodnih optospojnikov je tokovni prenosni koeficient.

Indikatorji galvanske izolacije optičnih sklopnikov so:

• Dovoljena konična izhodna in vhodna napetost.
• Največja dovoljena izhodna in vhodna napetost.
• Odpornost na ločitev.
• prehodna zmogljivost.
• Dovoljena najvišja stopnja spremembe izhodne in vhodne napetosti.

Prvi parameter je najpomembnejši. Določa električno moč optospojnika, pa tudi njegovo zmožnost uporabe kot galvanske izolacije.

Ti parametri optičnih sklopnikov so uporabni tudi za integrirana vezja na osnovi optičnih sklopnikov.

Oznake optičnih sklopnikov na diagramih

Diodni optični sklopniki

Diodni optični sklopniki (sl. a) bolj kot druge naprave kažejo stopnjo razvoja optospojnikov. Vrednost koeficienta prenosa določa uporabno delovanje pretvorbe energije v optični sklopki. Vrednosti časovnih vrednosti lastnosti omogočajo določitev najvišjih hitrosti prenosa informacij. Povezava z diodnim optospojnikom ojačevalnikov vam omogoča ustvarjanje učinkovitih naprav za prenos informacij.

Tranzistorski optični sklopniki

Te naprave (slika C) se po nekaterih lastnostih razlikujejo od drugih vrst optičnih sklopnikov. Ena od teh lastnosti je možnost optičnega nadzora LED vezja in glavnega električnega tokokroga. Izhodno vezje lahko deluje tudi v načinu ključa in linijskem načinu.

Načelo notranjega ojačanja omogoča pridobivanje velikih vrednosti tokovnega prenosnega koeficienta. Zato dodatni ojačevalniki niso vedno potrebni. Pomembna točka je majhna vztrajnost optospojnika, ki je dovoljena za številne načine. Fototranzistorji imajo veliko višje izhodne tokove kot fotodiode. Zato se uporabljajo za preklapljanje različnih električnih tokokrogov. Vse to dosežemo s preprosto tehnologijo tranzistorskih optospojnikov.

Tiristorski optični sklopniki

Takšni optični sklopniki (slika b) imajo velike možnosti za preklapljanje močnih visokonapetostnih močnostnih tokokrogov: glede na moč, obremenitev, hitrost so primernejši od optospojnikov T 2. Optospojniki znamke AOU 103 se uporabljajo kot bližinska stikala v različnih elektronskih vezjih: ojačevalniki, krmilna vezja, viri impulzov itd.

Uporni optični sklopniki

Takšne naprave (slika d) imenujemo fotoupori. Od drugih vrst optičnih sklopov se bistveno razlikujejo po svojih oblikovnih značilnostih in proizvodni tehnologiji. Glavno načelo delovanja fotoupora je učinek fotoprevodnosti, to je spremembe vrednosti upora, ko je izpostavljen svetlobnemu toku.

Diferencial

Zgoraj obravnavani optični sklopniki so sposobni prenašati digitalne podatke preko galvanske izolacije vezja. Pomemben problem je prenos analognega signala z optičnimi sklopniki, to je ustvarjanje linearnosti lastnosti vhodno-izhodnega prenosa. Samo s takšnimi lastnostmi optičnih sklopnikov je možno prenašati analogne podatke preko galvanske izolacije vezja brez digitalne oblike in impulznega prenosa.

To težavo rešujejo diodni optični sklopniki z visokokakovostnimi šumnimi in frekvenčnimi karakteristikami. Težava pri reševanju tega problema je v ozkem območju linearnosti oddajne karakteristike in linearnosti diodnih optospojnikov. Takšne naprave šele začenjajo napredovati v razvoju, vendar imajo veliko prihodnost.

IC-ji optospojnikov

Te IC so najbolj priljubljen razred modelov optospojnikov, zaradi zasnove in električne združljivosti optičnih sklopnikov s preprostimi tipi, pa tudi zaradi veliko večje funkcionalnosti. Preklopna mikrovezja z optičnim sklopom se pogosto uporabljajo.

Posebni optični sklopniki

Takšni vzorci se bistveno razlikujejo od standardnih modelov naprav. Izdelane so v obliki optičnih sklopnikov z odprtim optičnim kanalom. V napravi takšnih modelov je med fotodetektorjem in oddajnikom zračna reža. Zato lahko s postavitvijo mehanskih ovir vanjo nadzorujete svetlobo in izstopni signal. Namesto optičnih senzorjev, ki zaznavajo prisotnost predmetov, njihovo površino, vrtenje, gibanje itd., se uporabljajo optični sklopniki z odprtim optičnim kanalom.

Uporaba optičnih sklopnikov

• Podobne naprave se uporabljajo za prenos podatkov med napravami, ki niso povezane z električnimi žicami.
• Optični sklopniki se uporabljajo tudi za prikaz in sprejemanje informacij v tehnologiji. Ločeno je treba omeniti senzorje optičnega sklopa, ki služijo za nadzor objektov in procesov, ki se razlikujejo po namenu in naravi.
• Opazen napredek je opazen v funkcionalnem mikrovezju opto sklopnikov, ki je usmerjeno v reševanje različnih problemov pretvorbe in kopičenja podatkov.
• Koristna učinkovitost je bila zamenjava velikih kratkotrajnih naprav elektromehanskega tipa z napravami optoelektronskega principa delovanja.
• Včasih se v energetskem sektorju uporabljajo komponente optičnega sklopa, čeprav so to precej specifične rešitve.

Nadzor električnih procesov

Moč svetlobnega toka iz LED in velikost fototoka, ki nastane v linearnih vezjih fotodetektorjev, sta neposredno odvisna od prevodnega toka oddajnika. Zato lahko brezkontaktni optični kanali prenašajo informacije o procesih v električnih tokovnih tokokrogih, ki so z žicami povezani z oddajnikom. Najbolj učinkovita je bila uporaba svetlobnih oddajnikov optospojnikov v senzorjih, električnih spremembah v visokonapetostnih močnostnih tokokrogih. Točne informacije o podobnih spremembah so pomembne za pravočasno zaščito virov in odjemalcev električne energije pred prevelikimi obremenitvami.

Stabilizator s krmilnim optospojnikom

Optični sklopniki učinkovito delujejo v visokonapetostnih stabilizatorjih. V njih tvorijo optične kanale z negativnimi povratnimi informacijami. Stabilizator, prikazan na diagramu, je serijska naprava. V tem primeru je nastavitveni element izdelan na bipolarnem tranzistorju, zener dioda na osnovi silicija pa deluje kot referenčni vir referenčne napetosti. Primerjalna komponenta je LED.

Ko se izhodna napetost poveča, se poveča tudi prevodnost LED. Fototranzistor deluje na tranzistor optospojnika in hkrati stabilizira izhodno napetost.

Prednosti optičnih sklopnikov

• Brezkontaktno upravljanje predmetov, prilagodljivost in raznolikost vrst nadzora.
• Stabilnost komunikacijskih kanalov na elektromagnetna polja, kar vam omogoča, da ustvarite zaščito pred motnjami in medsebojnimi motnjami.
• Izdelava mikroelektronskih naprav s sprejemniki svetlobe, katerih lastnosti se lahko spreminjajo po določenih kompleksnih zakonitostih.
• Povečanje seznama funkcij nadzora izhodnega signala optospojnika z vplivom na material optičnega kanala, ustvarjanjem naprav in senzorjev za prenos podatkov.

Slabosti optičnih sklopnikov

• Nizka učinkovitost zaradi dvojne pretvorbe energije, visoka poraba energije.
• Pomembna odvisnost dela od temperature.
• Visoka lastna raven hrupa.
• Tehnologija in dizajn nista dovolj popolni, saj se uporablja hibridna tehnologija.

Takšni negativni momenti optičnih sklopnikov se postopoma odpravljajo z razvojem tehnologije in materialov vezja. Veliko priljubljenost optičnih sklopnikov povzročajo predvsem edinstvene lastnosti teh naprav.

Navodilo

Če je optični sklopnik, katerega uporabnost je nastavljena, spajkan na ploščo, ga je treba izklopiti, na njem izprazniti elektrolitske kondenzatorje in nato odspojiti optični sklop, pri čemer se spomnimo, kako je bil spajkan.

Optični sklopniki imajo različne oddajnike (žarnice z žarilno nitko, neonske sijalke, LED diode, svetleči kondenzatorji) in različne sprejemnike sevanja (fotoupori, fotodiode, fototranzistorji, fototiristorji, fotomistorji). Prav tako so pripeti. Zato je treba podatke o vrsti in razporeditvi optičnega sklopka najti bodisi v referenčni knjigi ali podatkovnem listu bodisi v vezju naprave, kjer je bil nameščen. Pogosto je pinout optospojnika nameščen neposredno na ploščo te naprave.Če je naprava sodobna, ste lahko skoraj zagotovo prepričani, da je oddajnik v njej LED.

Če je sprejemnik sevanja fotodioda, nanj priključite optični sklopnik, upoštevajte polarnost, v verigi, sestavljeni iz vira konstantne napetosti več voltov, upor, zasnovan tako, da tok skozi sprejemnik sevanja ne presega dovoljenega, in multimeter, ki deluje v merilnem načinu toka na ustrezni meji.

Sedaj vključite oddajnik optospojnika v način delovanja. Če želite vklopiti LED, skozi njo prenesite enosmerni tok, ki je enak nazivnemu toku v neposredni polarnosti. Na žarnico nanesite nazivno napetost. Previdno priključite neonsko svetilko ali svetlobni kondenzator v omrežje prek upora z uporom od 500 kΩ do 1 MΩ in močjo najmanj 0,5 W.

Fotodetektor se mora na vključitev oddajnika odzvati z močno spremembo načina. Zdaj poskusite večkrat izklopiti in vklopiti oddajnik. Fototiristor in fotoupor ostaneta odprta tudi po odstranitvi krmilnega dejanja, dokler se njuno napajanje ne izklopi. Druge vrste fotodetektorjev se bodo odzvale na vsako spremembo krmilnega signala.Če ima optični sklopnik odprt optični kanal, se prepričajte, da se reakcija detektorja sevanja spremeni, ko je ta kanal blokiran.

Ko sklepate o stanju optospojnika, odklopite eksperimentalno postavitev in jo razstavite. Po tem spajkajte optični sklop nazaj na ploščo ali ga zamenjajte z drugim. Nadaljujte s popravilom naprave, ki vključuje optični sklopnik.

Optični sklopnik ali optični sklopnik je sestavljen iz oddajnika in fotodetektorja, ki sta ločena drug od drugega s plastjo zraka ali prozorne izolacijske snovi. Niso električno povezani, kar omogoča uporabo naprave za galvansko izolacijo tokokrogov.

Navodilo

Merilni tokokrog priključite na fotodetektor optospojnika v skladu z njegovim tipom. Če je sprejemnik fotoupor, uporabite navaden ohmmeter, polarnost pa ni pomembna. Ko uporabljate fotodiodo kot sprejemnik, priključite mikroampermeter brez vira napajanja (pozitiven na anodo). Če signal sprejema fototranzistor n-p-n strukture, priključite vezje 2 kilo-ohmskega upora, 3-voltne baterije in miliampermetra ter priključite baterijo s plusom na kolektor tranzistorja. Če ima fototranzistor p-n-p strukturo, obrnite polarnost povezave baterije. Če želite preveriti fotodinistor, naredite vezje iz 3 V baterije in 6 V, 20 mA žarnice, ki jo s plusom povežete z anodo dinistorja.

V večini optičnih sklopnikov je oddajnik LED ali žarnica z žarilno nitko. Nanesite nazivno napetost na žarnico z žarilno nitko v kateri koli polarnosti. Uporabite lahko tudi izmenično napetost, katere efektivna vrednost je enaka delovni napetosti svetilke. Če je oddajnik LED, nanj nanesite napetost 3 V skozi upor 1 kΩ (pozitiven na anodo).

Optospojniki so takšne optoelektronske naprave, ki imajo oddajnike in fotodetektorje, uporabljajo optične in električne povezave, pa tudi strukturno ustvarjene elemente med seboj. Nekatere vrste optospojnikov se imenujejo optični sklopniki ali optični izolatorji.

Načelo delovanja katerega koli optospojnika temelji na dvojni pretvorbi energije. Pri oddajnikih se energija električnega signala pretvori v optično sevanje, pri fotodetektorjih pa, nasprotno, optični signal povzroči električni tok ali napetost oziroma povzroči spremembo njegovega upora.

Najbolj razširjeni optični sklopniki z zunanjimi električnimi izhodi in izhodnimi signali ter notranjimi optičnimi signali (slika 7.1). Zasnova takega optospojnika ima obliko, prikazano na sl. 7.2.

V električnem tokokrogu taka naprava opravlja funkcijo izhodnega elementa - fotodetektorja s hkratno električno izolacijo (galvansko izolacijo) vhoda in izhoda. Oddajnik je vir fotonov, ki se lahko uporablja kot LED ali miniaturna žarnica. Optični medij je lahko zrak, steklo, plastika ali optično vlakno. Kot fotodetektorji se uporabljajo fotodiode, fototranzistorji, fototiristorji in fotoupori. Zelo pogosto se uporabljajo integrirane strukture fotodiode-tranzistorja. Različne kombinacije teh elementov omogočajo pridobivanje zelo raznolikih vhodnih, izhodnih in prenosnih lastnosti.

V praksi se uporablja tudi druga vrsta optičnih sklopnikov: z uporabo zunanjih vhodnih in izhodnih optičnih signalov ter notranjih električnih signalov (slika 7.3). Takšne naprave praviloma vsebujejo ojačevalnike fototokov.

Ideja o ustvarjanju in uporabi optičnih sklopnikov sega v leto 1955, ko je bila v delu Loebner EE "Omrežje optoelektronskih naprav" predlagana cela serija naprav z optičnimi in električnimi povezavami med elementi, ki so omogočile ojačanje in spektralno transformacijo. svetlobnih signalov, ustvarjanje naprav z dvema stabilnima stanjema - bistabilni optosklopniki, optoelektronske naprave za zbiranje in shranjevanje informacij, logična vezja, premični registri. Tam je bil predlagan tudi izraz "optocoupler", ki je nastal kot okrajšava za angleško "optical-electronic device".

V tem delu opisani optični sklopniki, ki odlično ponazarjajo principe, so se izkazali za neprimerne za industrijsko izvedbo, saj so temeljili na nepopolni osnovni bazi - neučinkovitih in inercialnih praškastih elektroluminiscentnih kondenzatorjih (oddajnik) in fotouporih (sprejemnik). Nepopolne so bile tudi najpomembnejše obratovalne lastnosti naprav: nizkotemperaturna in časovna stabilnost parametrov, nezadostna odpornost na mehanske obremenitve. Torej. sprva je optospojnik ostal le zanimiv znanstveni dosežek, ki ni našel uporabe v tehnologiji.

Šele sredi 60-ih let razvoja polprevodniških svetlečih diod in tehnološko naprednih visoko zmogljivih silicijevih fotodetektorjev s p-n spoji (fotodiode in fototranzistorji) se je začela ustvarjati osnovna osnova sodobne tehnologije optičnih sklopnikov. Do začetka 70-ih let je proizvodnja optičnih sklopnikov v vodilnih državah sveta postala pomembna in hitro razvijajoča se veja elektronske tehnologije, ki je uspešno dopolnjevala tradicionalno mikroelektroniko.

Osnovne definicije

Optospojniki so takšne optoelektronske naprave, v katerih sta vir in sprejemnik sevanja (oddajnik svetlobe in fotodetektor) z eno ali drugo vrsto optične in električne povezave med njimi, ki sta strukturno povezana med seboj.

Načelo delovanja kakršnih koli optičnih sklopnikov temelji na naslednjem. V oddajniku se energija električnega signala pretvori v svetlobo, v fotodetektorju, nasprotno, svetlobni signal povzroči električni odziv.

V praksi so se razširili le optični sklopniki, ki imajo neposredno optično povezavo od oddajnika do fotodetektorja in so praviloma izključene vse vrste električne povezave med temi elementi.

Glede na stopnjo kompleksnosti blokovnega diagrama se med izdelki optične tehnologije razlikujeta dve skupini naprav. Optospojnik (pravijo tudi "elementarni optospojnik") je optoelektronska polprevodniška naprava, sestavljena iz oddajnega in fotosprejemnega elementa, med katerima je optična povezava, ki zagotavlja električno izolacijo med vhodom in izhodom. Optoelektronsko integrirano vezje je mikrovezje, sestavljeno iz enega ali več optičnih sklopnikov in ene ali več ustreznih ali ojačevalnih naprav, ki so električno povezane z njimi.

Tako v elektronskem vezju taka naprava opravlja funkcijo spojnega elementa, v katerem se hkrati izvaja električna (galvanska) izolacija vhoda in izhoda.

Posebnosti optičnih sklopnikov

Prednosti teh naprav temeljijo na splošnem optoelektronskem principu uporabe električno nevtralnih fotonov za prenos informacij. Glavni so naslednji:

• možnost zagotavljanja idealne električne (galvanske) izolacije med vhodom in izhodom; za optične sklopke ni temeljnih fizičnih ali konstrukcijskih omejitev za doseganje poljubno visokih napetosti in ločitvenih uporov ter poljubno majhne kapacitivnosti;
• možnost izvajanja brezkontaktnega optičnega krmiljenja elektronskih objektov in posledična raznolikost in fleksibilnost oblikovnih rešitev za krmilna vezja;
• enosmerna distribucija informacij po optičnem kanalu, odsotnost povratnih informacij od sprejemnika do oddajnika;
• široka frekvenčna pasovna širina optospojnika, brez omejitve nizkih frekvenc (kar je značilno za impulzne transformatorje); možnost prenosa tako impulznega signala kot konstantne komponente preko vezja optičnega sklopnika;
• zmožnost nadzora izhodnega signala optospojnika z vplivom (vključno z neelektričnim) na material optičnega kanala in posledična možnost ustvarjanja različnih senzorjev, pa tudi različnih naprav za prenos informacij;
• možnost izdelave funkcionalnih mikroelektronskih naprav s fotodetektorji, katerih značilnosti se ob osvetlitvi spreminjajo po zapletenem zakonu;
• odpornost optičnih komunikacijskih kanalov na učinke elektromagnetnih polj, ki jih v primeru "dolgih" optospojnikov (z podaljšanim svetlobnim vodnikom z optičnimi vlakni med oddajnikom in sprejemnikom) naredi imune na motnje in uhajanje informacij ter izključuje tudi medsebojno motnje;
• fizična in konstruktivno-tehnološka združljivost z drugimi polprevodniškimi in mikroelektronskimi napravami.

Optični sklopniki imajo tudi določene pomanjkljivosti:

• velika poraba energije zaradi potrebe po dvojni pretvorbi energije (elektrika - svetloba - elektrika) in nizke učinkovitosti teh prehodov;
• povečana občutljivost parametrov in lastnosti na učinke povišane temperature in prodornega jedrskega sevanja;
• bolj ali manj opazna časovna degradacija (poslabšanje) parametrov;
• razmeroma visoka raven notranjega hrupa, ki je posledica, tako kot prejšnji dve pomanjkljivosti, posebnosti fizike LED;
• zapletenost izvedbe povratnih informacij, ki jo povzroča električna izolacija vhodnih in izhodnih vezij;
• konstruktivna in tehnološka nepopolnost, povezana z uporabo hibridne neplanarne tehnologije (s potrebo po združevanju v eni napravi več - ločenih kristalov iz različnih polprevodnikov, ki se nahajajo v različnih ravninah).

Naštete pomanjkljivosti optičnih sklopnikov so delno odpravljene z izboljšanjem materialov, tehnologije, vezij, a bodo kljub temu še dolgo časa precej temeljne narave. Vendar so njihove zasluge tako visoke, da zagotavljajo zanesljivo nekonkurenčnost optičnih sklopnikov med drugimi mikroelektronskimi napravami.

Splošni blok diagram

Kot spojni element je za optični sklopnik značilen prenosni koeficient K i, določen z razmerjem izhodnih in vhodnih signalov, in največja hitrost prenosa informacij F. V praksi je namesto F trajanje vzpona in padca izmeri se oddani impulzi t out (sp) ali mejna frekvenca. Zmogljivosti optospojnika kot elementa galvanske izolacije so značilne z največjo napetostjo in izolacijskim uporom U razv in R razv ter kapacitivnostjo C razv.

V blokovnem diagramu na sl. 1 vhodna naprava se uporablja za optimizacijo načina delovanja oddajnika (na primer premik LED na linearni odsek vat-amperske karakteristike) in pretvorbo (ojačenje) zunanjega signala. Vhodni blok mora imeti visoko učinkovitost pretvorbe, visoko hitrost, širok dinamični razpon dovoljenih vhodnih tokov (za linearne sisteme), nizko vrednost "praga" vhodnega toka, ki zagotavlja zanesljiv prenos informacij skozi vezje.

Slika 1. Splošni blokovni diagram optičnega sklopnika

Namen optičnega medija je prenos energije optičnega signala od oddajnika do fotodetektorja in v mnogih primerih zagotavljanje mehanske celovitosti strukture.

Temeljna možnost nadzora optičnih lastnosti medija, na primer z uporabo elektro-optičnih ali magneto-optičnih učinkov, se odraža z uvedbo krmilne naprave v vezje.vhodno in krmilno vezje.

V fotodetektorju se informacijski signal »obnovi« iz optičnega v električni; hkrati pa stremijo k visoki občutljivosti in visoki hitrosti.

Končno je izhodna naprava zasnovana tako, da pretvori signal fotodetektorja v standardno obliko, ki je priročna za vplivanje na naslednje kaskade po optični sklopki. Skoraj obvezna funkcija izhodne naprave je ojačanje signala, saj so izgube po dvojni pretvorbi zelo velike. Pogosto funkcijo ojačanja izvaja sam fotodetektor (na primer fototranzistor).

Splošni blok diagram sl. 1 se v vsaki posamezni napravi izvaja samo z delom blokov. V skladu s tem obstajajo tri glavne skupine naprav za tehnologijo optičnih sklopov; prej imenovani optični sklopniki (elementarni optični sklopniki) z uporabo blokov oddajnik svetlobe - optični medij - fotodetektor; optoelektronska (optospojnik) mikrovezja (optospojniki z dodatkom izhodne in včasih vhodne naprave); posebne vrste optospojnikov - naprav, ki se funkcionalno in strukturno bistveno razlikujejo od osnovnih optospojnikov in optoelektronskih IC.

Pravi optični sklopnik je lahko urejen in bolj zapleten kot vezje na sl. ena; vsak od teh blokov lahko vključuje ne enega, temveč več enakih ali podobnih elementov, povezanih električno in optično, vendar to bistveno ne spremeni osnov fizike in elektronike optospojnika.

Aplikacija

Kot elementi galvanske izolacije se optični sklopniki uporabljajo: za povezavo blokov opreme, med katerimi je znatna potencialna razlika; za zaščito vhodnih tokokrogov merilnih naprav pred motnjami in motnjami itd.

Drugo pomembno področje uporabe optičnih sklopnikov je optično, brezkontaktno krmiljenje visokotokovnih in visokonapetostnih vezij. Zagon močnih tiristorjev, triakov, triakov, krmiljenja elektromehanskih relejnih naprav.

Posebno skupino krmilnih optospojnikov sestavljajo uporni optični sklopniki, zasnovani za nizkotokovna preklopna vezja v kompleksnih vizualnih prikazovalnih napravah, izdelanih na elektroluminiscentnih (prašnih) indikatorjih, mimikah, zaslonih.

Ustvarjanje "dolgih" optičnih sklopnikov (naprav z razširjenim gibljivim svetlobnim vodnikom iz optičnih vlaken) je odprlo popolnoma novo smer uporabe optične tehnologije - komunikacijo na kratkih razdaljah.

Različni optični sklopniki (dioda, upor, tranzistor) se uporabljajo tudi v čisto radiotehničnih modulacijskih vezjih, avtomatski regulaciji ojačenja itd. Tu se uporablja vpliv optičnega kanala, da se vezje spravi v optimalni način delovanja, za brezkontaktno spreminjanje načina itd.

Sposobnost spreminjanja lastnosti optičnega kanala pod različnimi zunanjimi vplivi nanj omogoča ustvarjanje cele serije senzorjev optičnega sklopa: to so senzorji za vlažnost in onesnaženost s plinom, senzor za prisotnost določene tekočine v prostornini, senzorji za čistočo površinske obdelave predmeta, hitrost njegovega gibanja itd.

Precej specifična je uporaba optospojnikov v energetske namene, to je delovanje diodnega optospojnika v načinu fotoventila. V tem načinu fotodioda proizvaja električno energijo za obremenitev in optični sklopnik je do določene mere podoben sekundarnemu viru energije z nizko močjo, ki je popolnoma ločen od primarnega vezja.

Ustvarjanje optičnih sklopnikov s fotouporniki, katerih lastnosti se pri osvetlitvi spreminjajo po danem kompleksnem zakonu, omogoča simulacijo matematičnih funkcij, je korak k ustvarjanju funkcionalne optoelektronike.

Vsestranskost optičnih sklopnikov kot elementov galvanske izolacije in brezkontaktnega krmiljenja, raznolikost in edinstvenost številnih drugih funkcij so razlog, da so področja uporabe teh naprav računalniška tehnika, avtomatizacija, komunikacijska in radijska oprema, avtomatizirani krmilni sistemi, merilna oprema, nadzorni in regulacijski sistemi, medicinska elektronika, naprave za vizualni prikaz informacij.

Fizični temelji tehnologije optospojnikov

Elementna osnova in naprava optičnih sklopnikov

Elementno osnovo optičnih sklopnikov sestavljajo fotodetektorji in oddajniki ter optični medij med njimi. Za vse te elemente veljajo tako splošne zahteve, kot so majhne dimenzije in teža, visoka vzdržljivost in zanesljivost, odpornost na mehanske in podnebne vplive, izdelava, nizki stroški. Zaželeno je tudi, da so elementi prestali dokaj široko in dolgoročno industrijsko aprogramiranje.

Funkcionalno (kot element vezja) je optični sklopnik značilen predvsem po tipu fotodetektorja, ki ga uporablja.

Uspešno uporabo fotodetektorja v optični sklopki določa izpolnjevanje naslednjih osnovnih zahtev: učinkovitost pretvorbe energije sevalnih kvantov v energijo mobilnih električnih; prisotnost in učinkovitost notranjega vgrajenega ojačevanja; visoka hitrost; širina funkcionalnosti.

Optični sklopniki uporabljajo fotodetektorje različnih struktur, ki so občutljivi v vidnem in bližnjem infrardečem območju, saj so v tem spektralnem območju viri intenzivnega sevanja in fotodetektorji lahko delujejo brez hlajenja.

Najbolj vsestranski so fotodetektorji s p - n stičišči (diode, tranzistorji itd.), V veliki večini primerov so izdelani na osnovi silicija in območje njegove največje spektralne občutljivosti je blizu l = 0,7 ... 0,9 μm.

Številne zahteve so postavljene tudi za oddajnike optičnih sklopnikov. Glavne so: spektralno ujemanje z izbranim fotodetektorjem; visoka učinkovitost pretvorbe energije električnega toka v energijo sevanja; prevladujoča smer sevanja; visoka hitrost; preprostost in priročnost vzbujanja in modulacije sevanja.

Več vrst oddajnikov je primernih in na voljo za uporabo v optospojnikih:

• miniaturno žarnice z žarilno nitko.
• neonske žarnice, ki uporabljajo sij električnega razelektritve plinske mešanice neon-argon.
  Za te vrste oddajnikov je značilna nizka svetlobna moč, nizka odpornost na mehanske obremenitve, omejena vzdržljivost, velike dimenzije in popolna nezdružljivost z integrirano tehnologijo. Vendar pa se pri nekaterih vrstah optičnih sklopnikov lahko uporabljajo.
• Praškasta elektroluminiscenčna celica uporablja finokristalna zrna cinkovega sulfida (aktiviranega z bakrom, manganom ali drugimi dodatki), suspendirana v polimerizirajočem dielektriku kot svetleče telo. Ko se uporabijo dovolj visoke izmenične napetosti, pride do procesa luminiscence pred zlomom.
• Tankoplastne elektroluminiscenčne celice. Sijaj je tukaj povezan z vzbujanjem atomov mangana z "vročimi" elektroni.

Tako prašne kot filmske elektroluminiscenčne celice imajo nizko učinkovitost pretvorbe električne energije v svetlobo, nizko vzdržljivost (zlasti tankoslojne) in ju je težko nadzorovati (na primer, optimalni način za prašne fosforje je ~220 V pri f = 400 ... 800 Hz). Glavna prednost teh oddajnikov je njihova strukturna in tehnološka združljivost s fotouporniki, možnost izdelave večnamenskih, večelementnih optospojnikov na tej osnovi.

Glavna najbolj vsestranska vrsta oddajnika, ki se uporablja v optospojnikih, je polprevodniška brizgalna svetleča dioda - LED. To je posledica njegovih naslednjih prednosti: visoka vrednost učinkovitosti pretvorbe električne energije v optično; ozek emisijski spekter (kvazi monokromatičnost); širina spektralnega območja, ki ga pokrivajo različne LED diode; usmerjenost sevanja; visoka hitrost; nizke vrednosti napajalnih napetosti in tokov; združljivost s tranzistorji in integriranimi vezji; enostavnost modulacije moči sevanja s spreminjanjem prednjega toka; sposobnost dela v impulznem in neprekinjenem načinu; linearnost vat-amperskih značilnosti v bolj ali manj širokem območju vhodnih tokov; visoka zanesljivost in vzdržljivost; majhne dimenzije; tehnološka združljivost z mikroelektronskimi izdelki.

Splošne zahteve za optični potopni medij optospojnika so naslednje: visoka vrednost lomnega količnika n im; visoka vrednost upornosti r njih; visoka kritična poljska jakost E im cr, zadostna toplotna odpornost D q im slave; dobra oprijemljivost na kristale silicija in galijevega arzenida; elastičnost (to je potrebno, saj ni mogoče zagotoviti ujemanja elementov optospojnika glede koeficientov toplotnega raztezanja); mehanska trdnost, saj potopni medij v optospojniku opravlja ne le prepustne svetlobe, temveč tudi strukturne funkcije; proizvodnost (enostavna uporaba, ponovljivost lastnosti, nizki stroški itd.).

Glavna vrsta potopnega medija, ki se uporablja v optospojnikih, so polimerna optična lepila. Za njih je običajno n im \u003d 1,4 ... 1,6, r im > 10 12 ... 10 14 Ohm cm, E im cr = 80 kV / mm, D q im slave \u003d - 60 ... 120 C Lepila imajo dober oprijem na silicij in galijev arzenid, združujejo visoko mehansko trdnost in odpornost na termično cikliranje. Uporabljajo se tudi vazelinu podobni in gumi podobni optični mediji, ki niso strjeni.

Fizika pretvorbe energije v diodnem optospojniku

Upoštevanje procesov pretvorbe energije v optični sklopki zahteva upoštevanje kvantne narave svetlobe. Znano je, da je elektromagnetno sevanje mogoče predstaviti kot tok delcev - kvantov (fotonov), energije. vsak od njih je določen z razmerjem:

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

kjer je h Planckova konstanta;
c je hitrost svetlobe v vakuumu;
n je lomni količnik polprevodnika;
n, l - frekvenca nihanja in valovna dolžina optičnega sevanja.

Če je gostota toka kvantov (tj. število kvantov, ki letijo skozi enoto površine na enoto časa) enaka N f, bo skupna specifična moč sevanja:

P f = N f * E f (2.2)

in, kot je razvidno iz (2.1), je za dani N f večji, čim krajša je valovna dolžina sevanja. Ker je v praksi podana P f (energetska obsevanost fotodetektorja), se zdi uporabna naslednja relacija

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

kjer je N f, cm -2 s -1; l, µm; P f, mW/cm.

riž. 2. Energetski diagram polprevodnika z direktno režo (na primeru ternarne spojine GaAsP)

Mehanizem injekcijske luminiscence v LED je sestavljen iz treh glavnih procesov: sevalne (in nesevalne) rekombinacije v polprevodnikih, vbrizgavanja presežnih manjših nosilcev naboja v osnovo LED in ekstrakcije sevanja iz generacijske regije.

Rekombinacijo nosilcev naboja v polprevodniku določajo predvsem njegov pasovni diagram, prisotnost in narava nečistoč in napak ter stopnja kršitve ravnotežnega stanja. Glavni materiali oddajnikov optičnih sklopnikov (GaAs in ternarne spojine na njegovi osnovi GaA1As in GaAsP) so polprevodniki z neposredno režo, t.j. na tiste, v katerih so dovoljeni neposredni optični prehodi cona-cone (slika 2). Vsako dejanje rekombinacije nosilca naboja po tej shemi spremlja emisija kvanta, katerega valovna dolžina je v skladu z zakonom o ohranjanju energije določena z razmerjem:

l iz [µm] = 1,23 / E f [eV] (2,4)

Opozoriti je treba, da obstajajo tudi konkurenčni nesevalni - rekombinacijski mehanizmi. Med najpomembnejšimi med njimi so:

1. Rekombinacija v globokih centrih. Elektron lahko preide v valenčni pas ne neposredno, ampak skozi določene rekombinacijske centre, ki tvorijo dovoljene energijske nivoje v pasovni vrzeli (nivo E t na sliki 2).
2. Rekombinacija Augerja (ali šok). Pri zelo visokih koncentracijah prostih nosilcev naboja v polprevodniku se poveča verjetnost trka treh teles, energija rekombiniranega para elektron-luknja se prenese tretjemu prostemu nosilcu v obliki kinetične energije, ki jo med trki postopoma zapravlja. z rešetko.

sl. 3. Električni (a) in optični (b) modeli LED. A - optično "prozoren" del kristala; B - aktivni del kristala; C - "prozoren" del kristala; D - ohmski kontakti; E - območje prostorskega naboja

Relativno vlogo različnih rekombinacijskih mehanizmov opisujemo z uvedbo koncepta kvantnega donosa notranjega sevanja h int , ki ga določa razmerje med verjetnostjo sevalne rekombinacije in celotno (sevalno in nesevalno) verjetnostjo rekombinacije (oz. razmerje med številom ustvarjenih fotonov in številom istočasno vbrizganih manjšinskih nosilcev naboja). Vrednost h int je najpomembnejša značilnost materiala, uporabljenega v LED; očitno 0 h int 100%.

Ustvarjanje presežne koncentracije prostih nosilcev v aktivnem (oddajnem) območju LED kristala se izvede tako, da jih vbrizgamo z naprej usmerjenim p-n spojem.

"Koristna" komponenta toka, ki vzdržuje sevalno rekombinacijo v aktivnem območju diode, je elektronski tok I n (slika 3a), ki ga vbrizga p-n spoj. "Neuporabne" komponente toka za naprej vključujejo:

1. Komponenta lukenj I p , zaradi vbrizgavanja lukenj v n-območje in odraža dejstvo, da ni pn stičišč z enostranskim vbrizgavanjem, manjši kot je delež tega toka, bolj je dopirano n-območje v primerjavi v p-regijo.
2. Rekombinacijski tok (nesevalni) v območju prostorskega naboja p - n-prehod I rec. V polprevodnikih z veliko pasovno vrzeljo pri majhnih prednapetostih je lahko delež tega toka opazen.
3. Predorski tok Itun, zaradi "puščanja" nosilcev naboja skozi potencialno pregrado. Tok prenašajo večinski nosilci in ne prispeva k sevalni rekombinaciji. Tunelski tok je večji, ožji kot je p - n stičišče, opazen je pri visoki stopnji dopinga osnovnega območja in pri velikih prednapetostih.
4. Površinski uhajajoči tok I pov, zaradi razlike v lastnostih površine polprevodnika od lastnosti prostornine in prisotnosti določenih kratkih vključkov.

Učinkovitost p - n-stičišča je označena s koeficientom vbrizgavanja:

(2.5)

Očitno so meje možne spremembe g enake kot pri h int , to je 0 g 100 %.

Ko se sevanje odstrani iz območja proizvodnje, pride do naslednjih vrst izgub energije (slika 3, b):

1. Samoabsorpcijske izgube (žarki 1). Če valovna dolžina ustvarjenih kvantov natančno ustreza formuli (2.4), potem sovpada z "rdečo mejo" absorpcije (glej spodaj) in tako sevanje se hitro absorbira v večini polprevodnika (samoabsorpcija). Pravzaprav sevanje v polprevodnikih z direktno režo ne poteka po zgornji idealni shemi. Zato je valovna dolžina ustvarjenih kvantov nekoliko večja kot po (2.4):
2. Celotna notranja odbojna izguba (žarki 2). Znano je, da ko svetlobni žarki padejo na vmesnik med optično gostim medijem (polprevodnikom) in optično manj gostim (zrak), je za nekatere od teh žarkov izpolnjen pogoj popolnega notranjega odboja; takšni žarki, ki se odbijajo v kristalu, so na koncu izgubljena zaradi samozaposlenosti.
3. Izgube za sevanje hrbta in robov (žarek 3 in 4).

Kvantitativno je učinkovitost izhoda optične energije iz kristala označena z izhodnim koeficientom K opt, ki ga določa razmerje med močjo sevanja, ki prihaja v pravo smer, in močjo sevanja, ki nastane v kristalu. Tako kot za koeficienta h int in g je pogoj 0 K opt 100 % vedno izpolnjen.
g. Integralni kazalnik emisivnosti LED je vrednost zunanjega kvantnega donosa h ext. Iz povedanega je jasno, da je h ext = h int g K opt.

Pojdimo na sprejemnik. Načelo delovanja fotodetektorjev, ki se uporabljajo v optospojnikih, temelji na notranjem fotoelektričnem učinku, ki je sestavljen iz ločitve elektronov od atomov znotraj telesa pod vplivom elektromagnetnega (optičnega) sevanja.

Svetlobni kvanti, ki se absorbirajo v kristal, lahko povzročijo ločitev elektronov od atomov, tako samega polprevodnika kot tudi nečistoč. V skladu s tem govorimo o intrinzični (brez nečistoč) in absorpciji nečistoč (fotoelektrični učinek). Ker je koncentracija atomov nečistoč nizka, so fotoelektrični učinki, ki temeljijo na intrinzični absorpciji, vedno pomembnejši od tistih, ki temeljijo na absorpciji nečistoč. Vsi fotodetektorji, ki se uporabljajo v optospojnikih, "delujejo" na čist fotoelektrični učinek. Da bi kvant svetlobe povzročil ločitev elektrona od atoma, je treba izpolniti očitna energijska razmerja:

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

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

Tako se lahko intrinzični fotoelektrični učinek pojavi le, če je polprevodnik izpostavljen sevanju z valovno dolžino, manjšo od določene vrednosti l gr:

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

Druga enakost v (2.8) velja, če je l gr izražen v mikrometrih, pasovna vrzel polprevodnika E g pa je v elektron voltih. Vrednost l gr se imenuje dolgovalovna ali "rdeča" meja spektralne občutljivosti materiala.

Intenzivnost fotoelektričnega učinka (v spektralnem območju, kjer lahko obstaja) je odvisna od kvantnega donosa, ki je določen z razmerjem med številom ustvarjenih parov elektron-luknja in številom absorbiranih fotonov. Analiza eksperimentalnih odvisnosti od kaže, da je v spektralnem območju, ki nas zanima za optični sklop, b = 1.

Nastajanje prostih nosilcev naboja pod delovanjem obsevanja se v polprevodniku kaže v obliki dveh fotoelektričnih učinkov: fotoprevodnosti (povečanje prevodnosti vzorca ob osvetlitvi) in fotovoltaičnega (pojav foto-EMF pri pn). spoj ali druga oblika potencialne pregrade v polprevodniku ob osvetlitvi). Oba učinka se uporabljata v praksi oblikovanja fotodetektorjev; za optične sklopke je uporaba foto-EMF učinka prednostna in prevladujoča.

Glavne parametre in značilnosti fotodetektorjev (ne glede na fizično naravo in obliko teh naprav) lahko razdelimo v več skupin.Optične značilnosti vključujejo površino fotoobčutljive površine, material, dimenzije in konfiguracijo optičnega okna; največja in najmanjša raven moči sevanja. Za elektrooptično - fotosenzitivnost, stopnja enakomernosti porazdelitve občutljivosti po območju fotodetektorja; spektralna gostota občutljivosti (odvisnost parametra, ki označuje občutljivost, od valovne dolžine); lastni šum fotodetektorja in njihova odvisnost od stopnje osvetlitve in obsega delovnih frekvenc; čas razreševanja (uspešnost); faktor kakovosti (kombinirani indikator, ki vam omogoča primerjavo različnih fotodetektorjev med seboj); indeks linearnosti; dinamični razpon. Kot element električnega tokokroga je fotodetektor značilen predvsem po parametrih njegovega ekvivalentnega vezja, zahtevah po načinih delovanja, prisotnosti (ali odsotnosti) vgrajenega ojačevalnega mehanizma, vrsti in obliki izhodni signal. Druge značilnosti: operativne, zanesljive, splošne, tehnološke - ne vsebujejo ničesar posebej "fotodetektorja".

Glede na naravo izhodnega signala (napetost, tok) govorimo o voltni ali trenutni fotosenzitivnosti sprejemnika S, merjeno v V/W oziroma A/W. Linearnost (ali nelinearnost) fotodetektorja je določena z vrednostjo eksponenta n v enačbi, ki povezuje izhodni signal z vhodom: U out (ali I out) ~ P f. Za n 1 je fotodetektor linearen; Razpon vrednosti P f (od P f max do P f min), v katerem se to izvaja, določa dinamično območje linearnosti fotodetektorja D , običajno izraženo v decibelih: D = 10 lg (P f max / P f min).

Najpomembnejši parameter fotodetektorja, ki določa prag njegove občutljivosti, je specifična detektivnost D, merjena v W -1 m Hz 1/2. Z znano vrednostjo D je prag občutljivosti (najmanjša zaznana moč sevanja) definiran kot

P f min = / D (2,9)

kjer je A površina fotoobčutljivega območja; D f je delovno frekvenčno območje ojačevalnika fotosignala. Z drugimi besedami, parameter D igra vlogo faktorja kakovosti fotodetektorja.

riž. Slika 4. Sheme za merjenje in družine tokovno-napetostnih karakteristik v fotodiodnem (a) in fotoventilskem (b) načinu delovanja diode

Pri uporabi za optične sklopke niso vse naštete lastnosti enako pomembne. Praviloma fotodetektorji v optičnih sklopnikih delujejo pri obsevanostih, ki so zelo oddaljene od praga, zato se izkaže, da je uporaba parametrov Pf min in D praktično neuporabna. Konstrukcijsko je fotodetektor v optospojniku običajno "potopljen" v potopnega. medij, ki ga povezuje z oddajnikom, zato je poznavanje optičnih značilnosti vhodnega okna nesmiselno (tako okno praviloma namenoma ni). Prav tako ni zelo pomembno poznati porazdelitev občutljivosti na fotoobčutljivem območju, saj so zanimivi integralni učinki.

Mehanizem delovanja fotodetektorjev, ki temelji na fotovoltaičnem učinku, bomo obravnavali na primeru planarno-epitaksialnih fotodiod s p-n spojem in p-in strukturo, pri katerih je n + - substrat, n- ali i-podstavek (šibka prevodnost n - tip) in tanek p + -plast. Pri delovanju v načinu fotodiode (slika 4a) zunanja napetost povzroči, da se mobilne luknje in elektroni odmaknejo od p - n(p - i) stičišča; v tem primeru se izkaže, da je slika porazdelitve polja v kristalu za obe obravnavani strukturi močno različna.

Svetlobno sevanje, ki se absorbira v osnovnem območju diode, generira pare elektron-luknja, ki razpršijo na p - n stik, se ločijo in povzročijo, da se v zunanjem vezju pojavi dodaten tok. Pri p - i - n-diodah se ta ločitev zgodi v polju i-o6, namesto difuzijskega procesa pa se nosilci naboja odnašajo pod vplivom električnega polja. Vsak ustvarjen par elektron-luknja, ki je šel skozi p - n-stič, povzroči prehod v zunanjem vezju naboja, ki je enak naboju elektrona. Večja kot je obsevanost diode, večji je fototok. Fototok teče tudi, ko je dioda nagnjena v smeri naprej (slika 4, a), vendar se tudi pri nizkih napetostih izkaže, da je veliko manjši od prednjega toka, zato je njegova izolacija težavna.

Delovno območje volt-amperskih značilnosti fotodiode je tretji kvadrant na sl. 4a; V skladu s tem je najpomembnejši parameter trenutna občutljivost

(2.10)

Drugo enakost v (2.10) smo dobili ob predpostavki linearne odvisnosti I f = f(P f), tretjo pa pod pogojem zanemarjanja temnega toka (IT<< I Ф), что для кремниевых фотодиодов обычно выполняется.

Če je fotodioda osvetljena brez uporabe zunanje pristranskosti nanjo, se bo proces ločevanja ustvarjenih elektronov in lukenj nadaljeval zaradi delovanja vgrajenega polja p-n spoja. V tem primeru bodo luknje tekle v p-območje in delno kompenzirale vgrajeno polje p - n-stičišča. Nastane neko novo ravnotežno (za dano vrednost: P f) stanje, pri katerem na zunanjih sponkah diode nastane foto-EMF U f. Če osvetljeno fotodiodo zaprete na določeno obremenitev, ji bo dala uporabno električno moč P e.

Značilni točki tokovno-napetostnih karakteristik diode, ki deluje v takem načinu fotoventila, sta EMF brez obremenitve Uxx in kratki stik kratkega stika I (slika 4,b).

Shematično fotodioda v ventilnem načinu deluje kot nekakšen sekundarni vir energije, zato je njen odločilni parameter učinkovitost pretvorbe svetlobne energije v električno energijo:

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

V načinu fotoventila deluje pomemben razred fotovoltaičnih naprav - sončne celice.

Parametri in značilnosti optospojnikov in optoelektronskih integriranih vezij

Klasifikacija parametrov izdelkov opreme optičnih sklopov

Pri razvrščanju izdelkov tehnologije optospojnikov se upoštevata dve točki: vrsta fotodetektorja in oblikovne značilnosti naprave kot celote.

Izbira prve klasifikacijske značilnosti je posledica dejstva, da imajo skoraj vsi optični sklopniki na vhodu LED, funkcionalnost naprave pa določajo izhodne značilnosti fotodetektorja.

Kot drugi znak je sprejeta zasnova, ki določa posebnosti uporabe optospojnika.

riž. 5. Za določitev impulznih parametrov optičnih sklopnikov

Z uporabo tega mešanega načela klasifikacije zasnove in načrtovanja vezij je logično ločiti tri glavne skupine optičnih sklopnikov: optični sklopniki (elementarni optični sklopniki), optoelektronska (optospojnik) integrirana vezja in posebne vrste optičnih sklopnikov. Vsaka od teh skupin vključuje veliko število vrst naprav.

Za najpogostejše optospojnike se uporabljajo naslednje okrajšave: D - dioda, T - tranzistor, R - upor, Y - tiristor, T 2 - s kompozitnim fototranzistorjem, DT - dioda-tranzistor, 2D (2T) - dioda (tranzistor) diferencial.

Sistem parametrov za izdelke optospojnikov temelji na sistemu parametrov optospojnika, ki je sestavljen iz štirih skupin parametrov in načinov.

Prva skupina označuje vhodno vezje optičnega sklopnika (vhodni parametri), druga - njegovo izhodno vezje (izhodni parametri), tretja - združuje parametre, ki označujejo stopnjo vpliva oddajnika na fotodetektor in s tem povezane značilnosti signala. ko gre skozi optični sklopnik kot sklopni element (prenosni karakteristični parametri), končno četrta skupina združuje parametre galvanske izolacije, katerih vrednosti kažejo, kako blizu se optični sklopnik približuje idealnemu izolacijskemu elementu. Od štirih naštetih skupin so določujoči, natančneje parametri "optospojnika" prenosna karakteristika in parametri galvanske izolacije.

Najpomembnejši parameter diodnih in tranzistorskih optospojnikov je tokovni prenosni koeficient. Opredelitev impulznih parametrov optičnih sklopnikov je razvidna iz (slika 5). Referenčni nivoji pri merjenju parametrov t nar (sp), t zd in t on (off) so običajno ravni 0,1 in 0,9, skupni logični zakasnitveni čas signala je določen z nivojem 0,5 amplitude impulza.

Parametri galvanske izolacije. Optični sklopniki so: največja dovoljena konična napetost med vhodom in izhodom U razv p max ; največja dovoljena napetost med vhodom in izhodom U razv max ; odpornost galvanske izolacije R razvoj; prehodna zmogljivost C razv; največja dovoljena stopnja spremembe napetosti med vhodom in izhodom (dU razpon /dt) max. Najpomembnejši parameter je U exp n max. On je tisti, ki določa električno moč optospojnika in njegove zmogljivosti kot elementa galvanske izolacije.

Upoštevani parametri optičnih sklopnikov se v celoti ali z nekaj spremembami uporabljajo tudi za opis optoelektronskih integriranih vezij.

Diodni optični sklopniki

riž. 6. Simboli optospojnikov

Diodni optični sklopniki (slika 6, a) v večji meri kot katere koli druge naprave zaznamujejo raven tehnologije optospojnikov. Po vrednosti K i sodimo o doseženi učinkovitosti pretvorbe energije v optični sklopki; Vrednosti časovnih parametrov omogočajo določitev mejnih hitrosti širjenja informacij. Priključitev enega ali drugega ojačevalnega elementa na diodni optospojnik, kar je zelo uporabno in priročno, kljub temu ne more dati dobička niti v smislu energije niti v smislu omejevanja frekvenc.

Tranzistorski in tiristorski optični sklopniki

Tranzistorski optični sklopniki(slika 6, c) s številnimi lastnostmi ugodno primerjajo z drugimi vrstami optičnih sklopnikov. To je predvsem fleksibilnost vezja, ki se kaže v tem, da je kolektorski tok mogoče krmiliti tako v LED vezju (optično) kot v osnovnem vezju (električno), in tudi v tem, da lahko izhodno vezje deluje tako linearno. in načini tipk. Notranji ojačevalni mehanizem zagotavlja, da je koeficient prenosa toka K i velik, tako da nadaljnje stopnje ojačevanja niso vedno potrebne. Pomembno je, da v tem primeru vztrajnost optospojnika ni zelo velika in je v mnogih primerih povsem sprejemljiva. Izhodni tokovi fototranzistorjev so veliko višji kot na primer fotodiode, zaradi česar so primerni za preklapljanje širokega spektra električnih vezij. Na koncu je treba omeniti, da je vse to doseženo s sorazmerno tehnološko preprostostjo tranzistorskih optičnih sklopnikov.

Tiristorski optični sklopniki(slika 6, b) so najbolj obetavni za preklapljanje visokotokovnih visokonapetostnih tokokrogov: glede na kombinacijo preklopne moči v obremenitvi in ​​hitrosti so očitno boljši od optičnih sklopnikov T 2. Optični sklopniki tipa AOU103 so namenjeni za uporabo kot brezkontaktni ključni elementi v različnih elektronskih vezjih: v krmilnih vezjih, ojačevalnikih moči, oblikovalcih impulzov itd.

Uporni optični sklopniki

Uporni optični sklopniki (slika 6, d) se bistveno razlikujejo od vseh drugih vrst optospojnikov po fizikalnih in konstrukcijsko-tehnoloških lastnostih, pa tudi po sestavi in ​​vrednostih parametrov.

Načelo delovanja fotoupora temelji na učinku fotoprevodnosti, to je spremembi upornosti polprevodnika, ko je osvetljen.

Diferencialni optični sklopniki za analogni prenos signala

Vse našteto gradivo se nanaša na prenos digitalnih informacij preko galvansko izoliranega vezja. V vseh primerih, ko je bilo rečeno o linearnosti, o analognih signalih, je šlo za vrsto izhodne značilnosti optospojnika. V vseh primerih nadzor nad kanalom oddajnik-fotodetektor ni bil opisan z linearno odvisnostjo. Pomembna naloga je prenos analognih informacij z optičnim sklopnikom, to je zagotavljanje linearnosti vhodno-izhodne prenosne karakteristike. Šele ob prisotnosti takšnih optospojnikov je mogoče neposredno distribuirati analogne informacije prek galvansko izoliranih vezij, ne da bi jih pretvorili v digitalno obliko (pulzni vlaki).

Primerjava lastnosti različnih optospojnikov glede parametrov, ki so pomembni z vidika analognega prenosa signala, vodi do zaključka, da če je ta problem mogoče rešiti, potem le s pomočjo diodnih optospojnikov z dobrimi frekvenčnimi in šumnimi lastnostmi. . Kompleksnost problema je predvsem v ozkem območju linearnosti prenosne karakteristike in stopnji te linearnosti v diodnih optospojnikih.

Poudariti je treba, da so bili narejeni šele prvi koraki pri razvoju naprav z galvansko izolacijo, primernih za prenos analognih signalov, in pričakovati je nadaljnji napredek.

Optoelektronska mikrovezja in druge naprave tipa optospojnik

Optoelektronska mikrovezja so eden najbolj razširjenih, razvijajočih se in obetavnih razredov izdelkov v tehnologiji optičnih sklopnikov. To je posledica popolne električne in strukturne združljivosti optoelektronskih mikrovezij s tradicionalnimi mikrovezji, pa tudi njihove širše funkcionalnosti v primerjavi z osnovnimi optičnimi sklopniki. Tako kot pri običajnih mikrovezjih se najpogosteje uporabljajo preklopna optoelektronska mikrovezja.

Posebni tipi optičnih sklopnikov se močno razlikujejo od tradicionalnih optičnih sklopnikov in optoelektronskih mikrovezij. Sem spadajo predvsem optični sklopniki z odprtim optičnim kanalom. Pri zasnovi teh naprav je med oddajnikom in fotodetektorjem zračna reža, tako da je z vgradnjo določenih mehanskih ovir vanj mogoče nadzorovati svetlobni tok in s tem izhodni signal optospojnika. Tako optični sklopniki z odprtim optičnim kanalom delujejo kot optoelektronski senzorji, ki zaznavajo prisotnost (ali odsotnost) predmetov, stanje njihove površine, hitrost gibanja ali vrtenja itd.

Uporaba optičnih sklopnikov in mikrovezij optičnih sklopov

Obetavne smeri razvoja in uporabe tehnologije optičnih sklopov so v veliki meri določene. Optospojniki in optični sklopniki se učinkovito uporabljajo za prenos informacij med napravami, ki nimajo zaprtih električnih povezav. Pozicije optoelektronskih naprav v tehniki pridobivanja in prikaza informacij ostajajo tradicionalno močne. Samostojnega pomena v tej smeri so optični senzorji, namenjeni nadzoru procesov in objektov, ki so po naravi in ​​namenu zelo različni. Opazno napreduje funkcionalno mikrovezje optosklopnikov, osredotočeno na izvajanje različnih operacij, povezanih s pretvorbo, kopičenjem in shranjevanjem informacij. Učinkovito in uporabno je obsežne, kratkožive in netehnološke (z vidika mikroelektronike) elektromehanske izdelke (transformatorje, potenciometre, releje) zamenjati z optoelektronskimi napravami in napravami. Precej specifična, a v mnogih primerih upravičena in uporabna je uporaba optičnih sklopnikov v energetske namene.

Prenos informacij

riž. 7. Shema medblokovne galvanske izolacije

Usklajevalno vezje elementa tranzistorsko-tranzistorske logike (TTL) z integrirano napravo na osnovi MIS tranzistorjev je zgrajeno na tranzistorskem optospojniku (slika 8). V določeni različici: E 1 = E 2 = 5 V, E 3 = 15 V, R 1 = 820 Ohm, R 2 = 24 kOhm - LED optični sklopnik se vzbudi s tokom (5 mA), ki zadostuje za nasičenje tranzistorja in samozavestno nadzorujte napravo na tranzistorjih MIS.

riž. 8. Shema združevanja elementov TTL in MIS preko optičnega kanala

Optične komunikacije se aktivno uporabljajo v telefonskih napravah in sistemih. S pomočjo optičnih sklopnikov je s tehnično preprostimi sredstvi mogoče priključiti mikroelektronske naprave na telefonske linije, namenjene za klicanje, indikacijo, spremljanje in druge namene.

Uvedba optičnih povezav v elektronsko merilno opremo poleg galvanske izolacije preučevanega objekta in merilne naprave, ki je v mnogih pogledih uporabna, omogoča tudi drastično zmanjšanje učinka motenj, ki delujejo na tla in moč. vezja.

Precej zanimive so možnosti in izkušnje uporabe optoelektronskih instrumentov in naprav v biomedicinski opremi. Optocouplerji vam omogočajo, da zanesljivo izolirate bolnika od delovanja visokih napetosti, ki so na voljo na primer v elektrokardiografskih napravah.

Brezkontaktno krmiljenje močnih visokonapetostnih vezij preko optičnih kanalov je zelo priročno in varno v zapletenih tehničnih načinih, značilnih za številne naprave in komplekse industrijske elektronike. Na tem področju so pozicije tiristorskih optospojnikov močne (slika 9).

riž. 9. Preklopni tokokrog obremenitve AC

Sprejemanje in prikazovanje informacij

Optični sklopniki in optični mikrovezja zavzemajo močan položaj v brezkontaktni oddaljeni tehnologiji za hitro pridobivanje in natančen prikaz informacij o značilnostih in lastnostih zelo različnih (po naravi in ​​namenu) procesov in objektov. Optični sklopniki z odprtimi optičnimi kanali imajo v tem pogledu edinstvene zmogljivosti. Med njimi so optoelektronski prekinjevalci, ki se odzivajo na presečišče optičnega kanala z neprozornimi predmeti (slika 10), in odsevni optični sklopniki, pri katerih je učinek svetlobnih oddajnikov na fotodetektorje v celoti povezan z odbojom sevanega toka od zunanjih predmetov.

riž. 10. Optoelektronski senzor

Obseg uporabe optičnih sklopnikov z odprtimi optičnimi kanali je obsežen in raznolik. Že v 60. letih so bili optični sklopniki te vrste učinkovito uporabljeni za registracijo predmetov in predmetov. Pri takšni registraciji, ki je značilna predvsem za naprave za avtomatski nadzor in štetje predmetov, pa tudi za odkrivanje in indikacijo različnih vrst okvar in okvar, je pomembno jasno določiti lokacijo predmeta oziroma odražati dejstvo njen obstoj. Optični sklopniki opravljajo registracijske funkcije zanesljivo in hitro.

Nadzor električnih procesov

Moč sevanja, ki jo ustvari LED, in nivo fototoka, ki se pojavi v linearnih vezjih s fotodetektorji, sta neposredno sorazmerna električnemu prevodnemu toku oddajnika. Tako je preko optičnih (brezkontaktnih, oddaljenih) kanalov mogoče pridobiti povsem določene informacije o procesih v električnih vezjih, galvansko povezanih z oddajnikom. Še posebej učinkovita je uporaba svetlobnih oddajnikov optičnih sklopov kot senzorjev za električne spremembe v visokotokovnih, visokonapetostnih vezjih. Jasna informacija o tovrstnih spremembah je pomembna za obratovalno zaščito energentov in odjemalcev pred električnimi preobremenitvami.

riž. 11. Stabilizator napetosti s krmilnim optospojnikom

Optični sklopniki uspešno delujejo v visokonapetostnih napetostnih regulatorjih, kjer ustvarjajo optične kanale negativne povratne informacije. Obravnavani stabilizator (slika 11) se nanaša na napravo serijskega tipa, regulacijski element pa je bipolarni tranzistor, silicijeva zener dioda pa deluje kot vir referenčne (referenčne) napetosti. Primerjalni element je LED.

Če je izhodna napetost v vezju na sl. 11 se poveča, nato se poveča tudi prevodni tok LED. Fototranzistor optospojnika deluje na tranzistor in zavira morebitno nestabilnost izhodne napetosti.

Zamenjava elektromehanskih izdelkov

V kompleksu tehničnih rešitev za izboljšanje učinkovitosti in kakovosti naprav za avtomatizacijo, radijsko tehniko, telekomunikacije, industrijo in potrošniško elektroniko je smotrn in uporaben ukrep zamenjava elektromehanskih izdelkov (transformatorji, releji, potenciometri, reostati, gumbi). in ključna stikala) z bolj kompaktnimi, vzdržljivimi in hitrimi analogi. Vodilna vloga v tej smeri je dodeljena optoelektronskim napravam in napravam. Dejstvo je, da so za optospojnike značilne tudi zelo pomembne tehnične prednosti transformatorjev in elektromagnetnih relejev (galvanska izolacija krmilnih in obremenitvenih tokokrogov, samozavestno delovanje v močnih, visokonapetostnih, visokotokovnih sistemih). Hkrati so optoelektronski izdelki bistveno boljši od elektromagnetnih analogov v smislu zanesljivosti, vzdržljivosti, prehodnih in frekvenčnih lastnosti. Krmiljenje kompaktnih in hitrih optoelektronskih transformatorjev, stikal, relejev se samozavestno izvaja z uporabo integriranih vezij digitalne tehnologije brez posebnih sredstev za električno usklajevanje.

Primer zamenjave impulznega transformatorja je prikazan na sl. 12.

riž. 12. Shema optoelektronskega transformatorja

Energijske funkcije

V načinu moči se optični sklopniki uporabljajo kot sekundarni viri EMF in toka. Učinkovitost pretvornikov energije optičnih sklopov je nizka. Vendar pa možnost vnosa dodatne napetosti ali tokovnega vira v katero koli vezje naprave brez galvanske povezave s primarnim virom energije daje razvijalcu novo stopnjo svobode, kar je še posebej uporabno pri reševanju nestandardnih tehničnih težav.