Оптоэлектронные пары
Рис.1
птоэлектронная пара, или оптопара – это полупроводниковый прибор, состоящий из светоизлучающего и фотоприемного элемента, между которыми существует связь через оптический канал. Светоизлучатель, фотоприемник и оптический канал, реализующий гальваническую развязку между входом и выходом, конструктивно объединены в одном корпусе.
Оптопара используется как элемент электрической развязки в цифровых и импульсных устройствах, устройствах передачи аналоговых сигналов, системах автоматики для бесконтактного управления высоковольтными источниками питания и др. Она является составным элементом оптических микросхем. В устройстве оптопары (Рис.1.а) СИ — светоизлучатель, ФП — фотоприемник, ОС (СП) — оптическая среда, МЭ — металлические электроды, ПЭ — прозрачные электроды. В качестве светоизлучателя в оптопарах применяются светодиоды, лазеры и другие излучатели, а в качестве фотоприемника — фотодиоды, фототранзисторы, фоторезисторы и фототиристоры. По типу используемого фотоприемника различают диодные, транзисторные, тиристорные и резисторные оптопары.
Принцип действия оптопары показан на Рис.1. На вход оптопары поступает электрический сигнал, например импульс тока IВХ (Рис.1.б), преобразуемый светоизлучателем в импульс светового потока. Световой импульс излучается на рабочей длине волны в направлении фотоприемника, проходит через оптическую среду с малым затуханием и в фотоприемнике преобразуется в электрический сигнал. Форма выходного импульса тока показана на (Рис. 1.в). Преобразование электрический сигнал — световой сигнал осуществляется с помощью модуляции оптической несущей в светоизлулучателе. Гальваническая развязка входной 11 и выходной 22 цепей оптопары достигается за счет оптически прозрачной диэлектрической среды между приемником и излучателем, причем все компоненты оптопары должны быть оптически согласованы. Это достигается соответствующим выбором материалов. На Рис.2 приведены примеры подобранных пар полупроводниковых материалов для фотоприемника и светоизлучателя в диапазоне волн 0.2 — 20 мкм. В качестве светоизлучателей оптопар преимущественно используются светодиоды.
Рис.2
спользование лазеров в оптопарах экономически оправдано только в быстродействующих системах. Учитывая, что спектр излучения светодиодов оптопар относительно узкий, чувствительность фотоприемника должна быть максимальной на рабочей длине волны светоизлучателя.
Основные параметры оптопар.
Основные параметры оптопар можно разбить на четыре группы.
Входные параметры
Входные параметры характеризуют режим работы светоизлучателя. Если в качестве светоизлучателя используется светодиод, то его электрические параметры составляют основу входных параметров оптопары:
— Входное напряжение оптопары UВХ при заданном постоянном входном токе.
— Номинальный входной ток IВХ.НОМ и максимальный входной ток IВХ.МАКС через светоизлучатель.
— Максимальное обратное входное напряжение UВХ.ОБР
— Входная емкость СВХ.
Выходные параметры.
Выходные параметры характеризуются режимами работы и характеристиками фотоприемников, таких как фоторезистор, фототранзистор и т.д.
— Максимально допустимый выходной ток IВЫХ.МАКС через фотоприемник во включенном состоянии оптопары
— Максимально допустимое обратное выходное напряжение UВЫХ.ОБР.МАКС.
— Выходная емкость СВЫХ.
Параметры передачи сигналов.
Параметры передачи в целом характеризуют частотные, импульсные свойства оптопар.
— Коэффициент передачи оптопары Кi. Данный коэффициент имеет различный физический смысл для различных типов оптопар:
Различают статический Ki=(IВЫХ-IУ)/IВХ и дифференциальный KiД=dIВЫХ/dIВХ коэффициенты передачи по току диодных и транзисторных оптопар. Если выходной транзистор фотоприемника работает в режиме насыщения, то статический коэффициент передачи определяется для тока IВЫХ, соответствующим напряжением насыщения UОСТ. Коэффициент передачи резисторных оптопар — это отношение темнового и светового выходных сопротивлений, т.е. Ki=RТМ/RСВ. Для фототиристора коэффициент передачи не имеет физического смысла т.к. после включения, фототиристор остается в этом состоянии при любом входном напряжении. Поэтому параметром данного элемента является ток включения – это минимальный входной ток оптопары IВХ, переводящий фототиристор во включенное состояние, а также максимально допустимый входной ток помехи IПОМ.ВХ, при котором фототиристор еще не включается. Параметр IПОМ.ВХ характеризует помехоустойчивость тиристорной оптопары от ложного включения.
— Максимальная скорость передачи сигналов FМАКС – это число сигналов, которое можно передать через оптопару в единицу времени без потери или ложного появления хотя бы одного из них. Характеризует быстродействие оптопары, работающей в устройствах передачи цифровых сигналов.
— Время нарастания tНР и спада tСП – время нарастания отсчитывается от уровня 0,1 IВЫХ.МАКС до уровня 0,9 IВЫХ.МАКС.(Рис.1.в)
— Время задержки фронта импульса tЗД – это время задержки при включении отсчитывается от момента поступления входного сигнала до момента нарастания выходного до уровня 0,1 IВЫХ.МАКС.
— Время логической задержки tЗД.ЛОГ – это время задержки от момента подачи сигнала на вход оптопары до момента нарастания выходного сигнала до уровня 0,5 IВЫХ.МАКС.
— Быстродействие оптопар в импульсных и цифровых схемах оценивается суммарным временем переключения
tпер=tвкл+tвыкл, где tвкл=t + зд+tнр, а tвыкл=t — зд+tсп.
— Коэффициент передачи по току:
Где: k — коэффициент спектрального согласования, kПР – коэффициент прозрачности оптической среды, СВ – внешний квантовый выход светоизлучателя, М – коэффициент усиления фотоприемника.
оэффициент спектрального согласования светоизлучателя k, фотоприемника и оптической среды, зависит от различия спектральных характеристик светоизлучателя и фотоприемника в рабочем диапазоне волн; спектральной характеристики пропускания оптической среды. На Рис.3 показаны спектральные характеристики пропускания стекла и полимера, которые используются в качестве оптических сред оптопар. По оси ординат отложена нормированная спектральная характеристика пропускания оптической среды. В ближней инфракрасной области длин волн в полимере наблюдается резонансное поглощение излучения химическими группами OH, СН3, СН2, NН2, NН и др. На спектральной характеристике пропускания резонансному поглощению соответствуют узкие провалы. В диапазоне рабочих волн коэффициент пропускания оптической среды должен быть близок к единице.
Рис.4
оэффициент прозрачности оптической среды kпр Для увеличения коэффициента подбирают материал светоизлучателя, фотоприемника и оптической среды по коэффициенту преломления, технологически устраняют инородные включения на границах раздела светоизлучатель — оптическая среда — фотоприемник, используют однородные среды, просветляющие покрытия и световоды в канале связи светоизлучатель — фотоприемник, улучшают конструкцию оптопары.
Внешний квантовый выход светоизлучателя св. Для повышения внешнего квантового выхода светодиода следует, во-первых, уменьшать потери излучения квантов в зоне генерации, добиваться полного внутреннего отражения на границе раздела полупроводник — оптическая среда и уменьшать потери торцевого и обратного излучения (потери на торцевое и обратное излучение светодиода снижены в конструкции оптопары на рис. 4) светодиода; во-вторых, увеличивать коэффициент инжекции электрического перехода светодиода и в-третьих, сокращать доли безызлучательной и конкурирующей рекомбинации в переходе светодиода, т.е. повышать внутренний квантовый выход.
Также для увеличения квантового выхода необходимо выбирать оптимальные материалы светодиодов, использовать в их структуре гетеропереходы, уменьшать коэффициент отражения на границе оптическая среда — полупроводник, а также снижать потери пассивного поглощения в полупроводнике, не приводящие к образованию неравновесных носителей, и рекомбинационным потерям.
Коэффициент усиления М фотоприемника (фототранзистора). С увеличением коэффициента усиления фотоприемника М в большинстве случаев быстродействие оптопар снижается. Использование рациональных структур фотоприемника, например фотодиод — транзистор, позволяет получить приемлемый коэффициент усиления без существенного снижения быстродействия оптопары.
Параметры гальванической развязки:
— Максимально допустимое пиковое напряжение между входом и выходом оптопары UРАЗВ.П.МАКС.
— Максимально допустимое напряжение между входом и выходом Uразв.макс.
— Проходная емкость CРАЗВ. Это емкость между входом и выходом оптопары, характеризующий частотные свойства. Этот параметр нужно стараться уменьшать для этого используют конструкцию оптопары, приведенную на (Рис. 6).
— Сопротивление гальванической развязки RРАЗВ. –это сопротивление между входом и выходом оптопары.
— Максимально допустимое пиковое напряжение характеризует электрическую прочность оптопары и обычно UРАЗВ.П.МАКС>1кВ.
Коэффициент передачи по току оптопары что это
Определение и области использования
Оптопара – это оптико-электронный прибор, содержащий в своем составе оптически связанные источник и приемники оптического излучения (рисунок OC.1). Источником является светодиод, приемником – фотодиод иди фототранзистор. Чаще всего оптопары, используют для передачи сигнала между гальванически развязанными цепями.
Итак, функции оптопар:
— передача аналогового сигнала обратной связи при обеспечении гальванической развязки;
— передача цифрового сигнала при обеспечении гальванической развязки.
Кроме этого некоторые экзотические типы оптопар могут использоваться в качестве нетрансформатрного гальванически развязанного источника питания малой мощности или для непосредственного, но медленного управления затвором MOSFET (например оптопары с фотоэлектрическим выходом TLP590B).
Оптопары в зависимости от области применения делятся на несколько типов:
— с высоким быстродействием;
— оптопары с изолирующим усилителем (операционный усилитель);
— оптопары с мощным выходным усилителем, используемые в качестве драйверов силовых ключей.
В одном корпусе может содержаться одна или несколько оптопар.
Оптопары, содержащие в качестве приемника фоторезистор в настоящее время практически не используются. Наиболее распространены оптопары в качестве приемника в которых используется фототранзистор. Оптопары на основе фотодиода используются существенно реже по причине малого коэффициента передачи по току и соответственно необходимости усиления выходного сигнала.
Основные параметры оптопар
1. Максимальное напряжение изоляции (Isolation test voltage) VISO – максимальное напряжение между светодиодом и фотоприемником расположенными внутри корпуса оптопары.
2. Максимальное обратное напряжение на входе оптопары (Reverse voltage (input) ) VR — максимальное обратное напряжение прикладываемое к светодиоду оптопары.
3. Максимальный средний входной ток оптопары (Forward current) IF – максимальная величина среднего тока через входной диод оптопары.
4. Максимальный импульсный входной ток оптопары (Surge current) IFSM — максимальная величина импульсного тока через входной диод оптопары. При этом обычно указывается максимальная длительность импульса.
5. Максимальная рассеиваемая светодиодом мощность (Power dissipation) Pdiss – максимальная мощность, рассеиваемая светодиодом оптопары.
6. Максимальное напряжение на коллекторном переходе оптопары (Collector emitter breakdown voltage) BVCEO – максимальное напряжение между коллектором и эмиттером оптопары. В оптопарах с интегрированным выходным усилителем – это максимальное напряжение питания оптопары.
7. Максимальное обратное напряжение эмиттер-база выходного транзистора оптопары (Emitter base breakdown voltage) VCEO — максимальное обратное напряжение перехода эмиттер-база выходного транзистора оптопары. Этот параметр применим только к оптопарам с выведенным выводом базы фототранзистора.
8. Максимальный средний ток коллектора (Collector current) IC — максимальная величина среднего тока коллектора выходного транзистора оптопары.
9. Максимальная рассеиваемая фототранзистором мощность (Power dissipation) Pdiss – максимальная мощность, рассеиваемая фототранзистором оптопары.
10. Расстояние утечки (Creepage distance) – расстояние между проводниками печатной платы при котором обеспечивается заявленное напряжение изоляции VISO.
11. Безопасное расстояние (Clearance distance) — расстояние между оптопарой и другими элементами устройства при котором обеспечивается заявленное напряжение изоляции VISO.
12. Толщина изоляции между светодиодом и фотоприемником оптопары (Isolation thickness between emitter and detector) — Толщина изоляции между светодиодом и фотоприемником оптопары.
13. Сопротивление изоляции (Isolation resistance) RIO – сопротивление изоляции между излучателем и фотоприемником оптопары при заданной температуре.
14. Входная емкость (Input capacitance) CO – входная емкость светодиода оптопары.
15. Максимальное напряжение на переходе коллектор-база (Collector base breakdown voltage) BVCBO – максимальное напряжение между коллектором и базой оптопары.
16. Темновой ток между коллектором и эмиттером оптопары (Collector emitter dark current) ICEO — ток между коллектором и эмиттером оптопары при условии нулевого тока светодиода.
17. Темновой ток между коллектором и базой оптопары (Collector base dark current) ICBO — ток между коллектором и базой оптопары при условии нулевого тока светодиода.
19. Выходная емкость коллектор-эмиттер (Collector emitter capacitance) CCE – емкость между коллектором и эмиттером оптопары.
20. Напряжение насыщения перехода коллектор-эмиттер (Saturation voltage, collector emitter) VCE(sat) – минимальное значение напряжения коллектор-эмиттер фототранзистора в открытом состоянии
21. Проходная емкость оптопары (Capacitance input-output) CIO – емкость между входом и выходом оптопары.
22. Коэффициент передачи по постоянному току (DC current transfer ratio) CTRDC – отношение входного тока оптопары (тока через светодиод) к выходному току (току фототранзистора). Это один из наиболее важных параметров оптопары, часто используемый в практических расчетах. Оптопары одной серии классифицируются по этому параметру.
23. Время спада и нарастания сигнала (Rise and fall times) tr, tf – динамические характеристики оптопары, определяющие её быстродействие.
Типовые схемы включения оптопар
«Коллекторное» и «эмиттерное» включение оптопар
Типовые схемы включения оптопар представлены на рисунках OC.2- OC.3. Нагрузочный резистор оптопары может быть подключен как к коллектору так и к эмиттеру. При подключении к коллектору выходной сигнал оптопары инвертируется, при подключении к эмиттеру — нет. С использованием данных схем можно передавать как цифровой, так и аналоговый сигнал. Быстродействие определяется прежде всего типом используемых оптопар и величинами резисторов в обвязке. С уменьшением их сопротивления скорость переключения возрастает за счет уменьшения постоянной времени образованной паразитными емкостями светодиода и фототранзистора и резисторами внешней цепи.
Увеличение выходного тока оптопар
Максимальный выходной ток оптопары ограничен «даташитными» значениями. С целью его увеличения используют транзисторные усилители (рисунок OC.3) [Фоточувствительные приборы и их применение. Кайдалов С.А. Радио и связь. Серия МРБ. 1991. 112 с.].
Логическое «И» на оптопарах
С помощью нескольких оптопар можно реализовать схему логического «И» или аналогового сумматора (рисунок OC.4). Эта схема может найти применение при построении цепей обратной связи источников питания, когда необходимо обеспечить обратную связь (причем аналоговую) по нескольким параметрам одновременно – например, по току и по напряжению.
Некоторые особенности оптопар
Внутренний экран оптопары
Кроме оптической связи входные и выходные цепи оптопары имеют емкостную связь. Вследствие этого при большой скорости роста напряжения между светодиодной и фототранзисторной частями оптопары возможно ложное приоткрывание фототранзистора вследствие наведенного емкостного тока. Для борьбы с этим эффектом в структуру оптопары вводят экран (рисунок OC.5) предотвращающий появление ёмкостного тока.
Убедитесь в правильном выборе тока светодиода вашего оптоизолятора
В изолированных источниках питания для передачи сигнала обратной связи через изолирующий барьер используются оптроны. Внутри оптрона размещаются светодиод и фотодетектор. Ток, идущий через светодиод, приводит к появлению пропорционального тока в фотодетекторе. Коэффициент передачи тока (current transfer ratio – CTR) определяется как отношение токов фотодетектора и светодиода и обычно имеет очень большой разброс. Конструируя цепь изолированной обратной связи, необходимо учитывать разброс параметров оптоизолятора и всех других компонентов, определяющих большой коэффициент усиления сигнала. Пренебрежение этой задачей может легко привести к возврату после запуска вашего продукта в массовое производство.
Наиболее распространенная схема изолированной цепи обратной связи показана на Рисунке 1. Микросхема TL431 содержит усилитель ошибки и источник опорного напряжения. Выходное напряжение устанавливается резистивным делителем R3, R5 и внутренним опорным источником микросхемы TL431. Изменяя напряжение на входе обратной связи контроллера ШИМ, цепь обратной связи управляет мощностью, поступающей на выход источника питания. При смещении VOUT вверх катод TL431 отдает оптоизолятору больше тока, и напряжение обратной связи VFB становится ниже. Когда VOUT смещается вниз, катодный ток TL431 уменьшается, и напряжение обратной связи увеличивается.
| Рисунок 1. | Такая схема формирования сигнала обратной связи чаще всего используется в изолированных источниках питания. |
Правильно сконструированная схема должна быть способна гарантированно управлять входом обратной связи контроллера во всем рабочем динамическом диапазоне при наихудшем сочетании возможных допусков и разбросов параметров всех главных компонентов.
Первым делом необходимо определить рабочий динамический диапазон напряжения на выводе обратной связи контроллера. Все контроллеры отличаются друг от друга, поэтому в каждом случае потребуется обращение к справочной документации. В качестве примера предположим, что для управления прямоходовым преобразователем с активным ограничением мы используем микросхему ШИМ-контроллера UCC2897A. Глядя в раздел «Подробное описание выводов» технического описания UCC2897A, мы видим, что при напряжении 2.5 В на входе обратной связи коэффициент заполнения ШИМ равен нулю, а при напряжении 4.5 В коэффициент заполнения максимален. UCC2897A содержит также источник опорного напряжения 5 В (вывод VREF), к которому можно подключить нагрузочный резистор R6 фототранзистора оптрона, изображенного на Рисунке 1. Минимальное значение опорного напряжения равно 4.75 В, а максимальное – 5.25 В. Рассчитать требуемый диапазон токов транзистора оптрона, в предположении, что сопротивление резистора R6 равно 1 кОм ±1%, можно с помощью формул (1) и (2):
Из этих расчетов следует, что схема должна быть способна пропускать через R6 ток от 0.25 мА до 2.78 мА. При выборе соответствующего сопротивления резистора R2 напряжение на катоде TL431 может достигать достаточно высокого уровня, при котором поступление тока в светодиод прекратится. Таким образом, минимальный ток R6 гарантируется конструкцией схемы, и остается побеспокоиться о том, как обеспечить максимальный ток R6.
| Рисунок 2. | Зависимость CTR оптоизолятора от температуры. |
На втором шаге необходимо рассчитать CTR оптрона для наихудшего случая. Оптроны с цифрами «817» в обозначении типа предлагаются многими производителями. Все они совместимы друг с другом по выводам и отличаются только префиксами. В Таблице 1 в качестве примера приведены диапазоны CTR для различных групп оптронов 817, маркируемых однобуквенными суффиксами в конце обозначения. Приведенные в таблице данные справедливы при температуре 25 °C для прямого тока светодиода 5 мА. Показанные на Рисунках 2 и 3 графики зависимостей CTR от окружающей температуры и тока светодиода взяты из справочной документации.
| Рисунок 3. | Зависимость CTR оптоизолятора от тока светодиода. |
Предположим, что ваш источник питания должен работать в диапазоне температур от –40 °C до 85 °C. На основании Рисунка 2 определяем, что для температуры 85 °C минимальное значение CTR нужно умножить приблизительно на 0.7. Если вы выбрали оптрон 817 группы «A», минимальное значение CTR теперь будет равно всего 56%. Деление результата, полученного из формулы (1), на 0.56 показывает, что без учета зависимости CTR от тока, максимальный ток, который может потребоваться светодиоду, составляет, по крайней мере, 4.96 мА. Впрочем, как видно из Рисунка 3, пологий характер графика при 4.96 мА позволяет этой зависимостью пренебречь.
| Суффикс в обозначении прибора |
Минимальный CTR |
Максимальный CTR |
| A | 80% | 160% |
| B | 130% | 260% |
| C | 200% | 400% |
| D | 300% | 600% |
| Нет | 80% | 600% |
Третий, и последний шаг – выбор такого значения сопротивления R1, чтобы тока TL431 при любых условиях хватало для управления оптроном. Минимальное напряжение на катоде TL431 равно 2.5 В, а прямое падение напряжения на светодиоде оптрона может достигать 1 В. Используя эти параметры, рассчитаем максимальное значение R1 с помощью формулы (3):
При использовании резистора R1 с сопротивлением более 1.7 кОм выходного тока TL431 для поддержания режима стабилизации может оказаться недостаточно. Тогда выходное напряжение будет продолжать рост до тех пор, пока светодиод оптрона не получит необходимое количество тока. Это приведет к перенапряжению на выходе, и, скорее всего, произойдет при более высоких температурах.
Проблемы разброса параметров часто упускают из виду на этапе проектирования. Источники питания из опытной партии легко могут пройти выходной контроль, а неприятности возникнут позже, когда потребители начнут возвращать продукцию. Следуя описанной здесь простой процедуре расчета, вы можете сэкономить деньги своей компании и не огорчить ее клиентов.
Материалы по теме
- Datasheet Texas Instruments TL431
- Datasheet Texas Instruments UCC2897A
- Datasheet Sharp Microelectronics PC817
- Datasheet Everlight EL817
Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман
Исследование параметров и характеристик элементарных оптронов
Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ ( ТУСУР ) Кафедра конструирования узлов и деталей РЭА ( КУДР ) Н . И . Кузебных , М . М . Славникова ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ И ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ОПТРОНОВ Руководство к лабораторной работе для студентов специальности 211000 Конструирование и технология электронных средств 2014
| 1 | Введение | 3 | |
| 2 | Основные сведения об оптронах | 4 | |
| 2.1 | Конструктивные особенности и принцип действия оптронов | 4 | |
| 2.2 | Требования к элементам оптронов и их основные свойства | 5 | |
| 2.3 | Типы элементарных оптронов и их условные обозначения | 8 | |
| 3 | Параметры и характеристики оптронов | 9 | |
| 3.1 | Входные параметры диодных оптронов | 9 | |
| 3.2 | Выходные параметры диодных оптронов | 9 | |
| 3.3 | Параметры передаточной характеристики диодных оптронов | 10 | |
| 3.4 | Параметры гальванической развязки | 11 | |
| 4 | Описание лабораторной установки | 11 | |
| 5 | Задание на выполнение лабораторной работы | 12 | |
| 6 Методика проведения экспериментальных исследований оптрона | 13 | ||
| 6.1 | Подготовка лабораторной установки | 13 | |
| 6.2 | Измерение входных параметров оптрона | 14 | |
| 6.3 | Определение коэффициента передачи оптрона | 14 | |
| 6.4 | Определение временных параметров оптрона | 15 | |
| 7 | Контрольные вопросы для самопроверки | 16 | |
| Рекомендуемая литература | 16 | ||
3 1 ВВЕДЕНИЕ Оптроном называется оптоэлектронный прибор , состоящий из источ — ника излучения и фотоприемника , связанных между собою оптически и разме — щенных в общем корпусе . Принцип функционирования оптрона заключается в преобразовании входного электрического сигнала в световой с помощью источнике света и пе — редаче его по световоду на вход фотоприемника , который преобразует свето — вой поток в электрический выходной сигнал . Основными функциональными элементами , определяющими физические свойства оптронов , являются излучатели и фотоприемники . При этом излуча — тель и фотоприемник могут быть связаны между собой как по оптической , так и по электрической цепям . По виду связей излучателя и фотоприемника оптроны делятся на две группы : — оптроны с прямой оптической связью – элементарные оптроны , назы — ваемые оптопарами ; — оптроны с комбинированными оптическими и электрическими связями – активные оптроны . Именно возможность реализации разнообразных связей между излучате — лем и фотоприемником открывает широкие перспективы использования оптро — нов в функциональной электронике . Основные достоинства оптронов по сравнению с другими аналогичны — ми электронными и электрическими функциональными устройствами обуслов — лены тем , что в качестве переносчика информации используются нейтральные к электромагнитным полям фотоны и заключаются в следующем : — идеальная гальваническая развязка между входом и выходом ; — однонаправленность распространения информации ; — широкая частотная полоса пропускания ; — невосприимчивость оптических каналов связи к воздействию электро — магнитных полей ; — электрическая и конструктивная совместимость с интегральными мик — росхемами и другими электронными приборами . К недостаткам оптронов следует отнести : — относительно высокий уровень шумов ; — большую потребляемую мощность ; — существенную температурную и временную нестабильность ; — необходимость использования гибридной , непланарной технологии при изготовлении оптронов . Оптроны с прямой оптической связью используются в радиоэлектронной аппаратуре , аналоговой и дискретной вычислительной и измерительной техни — ке для усиления и преобразования электрических сигналов , согласования низ — ковольтных цепей с высоковольтными , коммутации электрических цепей , галь — ванической развязки элементов и узлов , моделирования математических опера — ций .
4 2 ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ОПТРОНАХ 2.1 Конструктивные особенности и принцип действия оптронов Конструктивно оптроны изготавливаются корпусные и бескорпусные . Корпусные оптроны обычно размещают в стандартных корпусах интегральных микросхем . На основе оптронов реализуются оптоэлектронные интегральные схемы , включающие в себя одну или несколько оптопар , согласующие , усили — тельные и др . электронные устройства , объединенные электрическими связями в единую схему . На рисунке 2.1 представлена обобщенная структурная схема оптрона . Входное устройство 1 служит для преобразования входного сигнала ( например , модуляции ) и оптимизации рабочего режима излучателя . Излучатель 2 преоб — разует электрический сигнал в оптическое излучение . Назначение оптической среды 4 – передача энергии оптического сигнала от излучателя к фотоприемни — ку и гальваническая развязка их . Во многих случаях , особенно в бескорпусных оптронах , оптическая среда используется также в качестве основания , обеспе — чивающего механическую целостность конструкции .
| 1 – | входное устройство ; 2 – излучатель ; 3 – устройство управления ; |
| 4 – | оптическая среда ; 5 – фотоприемник ; 6 – выходное устройство . |
Рисунок 2.1 – Обобщенная структурная схема оптрона Принципиальная возможность управления оптическими свойствами сре — ды , например , с помощью использования электрооптических или магнитоопти — ческих эффектов , отражена введением в схему устройства управления 3. В этом случае получаем оптрон с управляемым оптическим каналом . Функционально он отличается от элементарного оптрона тем , что изменение выходного сигнала может осуществляться как по входу , так и по цепи управления . В фотоприемнике 5 происходит « восстановление » информационного сигнала из оптического в электрический . В элементарных оптронах в качестве фотоприемников используются фотодиоды , фототранзисторы , фототиристоры и фоторезисторы . По типу фотоприемника принято и называть оптроны . Выходное устройство 6 призвано преобразовать сигнал от фотоприемни — ка в стандартную форму , удобную для воздействия на последующие за оптро — ном каскады , чаще всего , входные цепи логических интегральных схем или устройства релейного типа . Практически обязательной функцией выходного
5 устройства является усиление сигнала , так как потери энергии после двойного преобразования весьма значительны . В этом смысле выходное устройство 6 обязательно только для диодных оптронов , а в транзисторных , тиристорных и резисторных оптронах усиление выходного сигнала осуществляется непосред — ственно фотоприемниками . Устройство типичного элементарного оптрона приведено на рисунке 2.2. Конструкция оптрона включает в себя излучатель , фотоприемник и оптическую среду , связывающую их между собою . Элементы оптрона располагаются на ос — новании и , как правило , заключаются в стандартный корпус . Изготавливаются также бескорпусные оптроны для внутриблочного монтажа . 1 – излучатель ; 2 – фотоприемник ; 3 – оптическая среда ; 4 основание оптрона Рисунок 2.2 – Устройство элементарного оптрона 2.2 Требования к элементам оптронов и их основные свойства К функциональным элементам оптрона , кроме общих , предъявляются специфические требования , обусловленные необходимостью согласования их по спектральным характеристикам , быстродействию , стабильности и др . свой — ствам . Излучатели предназначены для преобразования электрического входно — го сигнала в световой поток . К ним предъявляются довольно жесткие требова — ния , которые можно свести к следующим : — высокое быстродействие ; — высокая чувствительность ; — простота и удобство возбуждения и модуляции излучения ; — высокая эффективность преобразования энергии электрического тока в энергию излучения ; — спектральное согласование с выбранным фотоприемником ; — преимущественная направленность излучения . Для использования оптронов пригодны и доступны несколько разновид — ностей излучателей : миниатюрные лампочки накаливания ; неоновые лампочки ; порошковые и тонкопленочные электролюминесцентные ячейки ; полупровод — никовые инжекционные светоизлучающие диоды – светодиоды . Основные свойства некоторых видов излучателей , используемых в оптронах , представле — ны в таблице 2.1.
| 6 | ||||||||
| Таблица 2.1 – | Обобщенные характеристики излучателей | |||||||
| Вид | Спектраль — | Быстро — | Потребляе — | Управляю — | ||||
| ный диапа — | действие , | мая мощ — | щее напря — | |||||
| излучателя | ||||||||
| зон , мкм | с | ность , мВт | жение , В | |||||
| Лампочки накаливания | 0,4 – 4 | 10 | -1 | – 10 | -2 | 100 – 500 | 6 – 12 | |
| Неоновые лампочки | 0,6 – 0,7 | 10 | -3 | – 10 | -5 | 50 – 200 | 30 – 80 | |
| Электролюминесцент — | 0,6 – 0,7 | 10 | -3 | – 10 | -4 | (1 – 10) | 15 – 30 | |
| ные пленки | ||||||||
| 2 | ||||||||
| мВт / см | ||||||||
| Светодиоды | 0,5 – 0,9 | 10 -6 | – 10 -8 | 1 – 50 | 1,2 – 1,7 | |||
Из анализа характеристик излучателей видно , что наиболее полно приве — денным выше требованиям соответствуют светодиоды . Они относятся к наи — более универсальным излучателям , обладая следующими свойствами : — высокое быстродействие ; — большой коэффициент полезного действия преобразования электриче — ской энергии в оптическую ; — простота модуляции мощности излучения ; — узкий спектр излучения ( квазимонохроматичность ) и направленность из — лучения ; — широкий спектральный диапазон , перекрываемый различными типами светодиодов ; — линейность ватт — амперной характеристики ; — малые габариты , технологическая и конструктивная совместимость с другими микроэлектронными элементами ; — высокая надежность ; — низкие значения питаемого напряжения и тока ; — возможность работы как в импульсном , так и в непрерывном режиме ; — относительно небольшая потребляемая мощность . В оптронах наиболее широкое применение получили светодиоды на ос — нове арсенида галлия GaAs и твердых растворов типа Al X Ga 1-X As и GaAs X P 1-X с легирующими примесями , придающими определенный цвет излучения . Фотоприемники в оптронах выполняют функцию преобразователя энер — гии оптического излучения в электрическую энергию . Для эффективного пре — образования энергии фотоприемники должны обладать : — высоким быстродействием . — высокой спектральной чувствительностью , — высоким к . п . д . в рабочем диапазоне длин волн , т . е . эффективностью пре — образования энергии излучения в электрическую энергию ; — широкими функциональными возможностями , например , наличием внут — реннего усиления . Существует большое разнообразие фотоприемников различного назначе — ния , конструкций и принципов функционирования , но в оптронах широкое
7 применение получили наиболее перспективные полупроводниковые фотопри — емники : фотодиоды , фототранзисторы , фототиристоры , фоторезисторы и раз — личные комбинации из них . В таблице 2.2 приведены основные характеристи — ки полупроводниковых фотоприемников . Таблица 2.2 – Основные характеристики фотоприемников оптронов
| Вид фотоприемника | Быстродействие , с | Коэффициент внутрен — | ||
| него усиления | ||||
| Фотодиод p-n — типа | 10 -6 | – 10 -9 | 1 | |
| Фотодиод p-i-n — типа | 10 -8 | – 10 -10 | 1 | |
| Лавинный фотодиод | 10 -9 | – 10 -11 | 10 — | 10 3 |
| Фототранзистор | 10 -5 | – 10 -6 | 10-10 2 | |
| Фототиристор | 10 -4 – 10 -5 | – | ||
| Фоторезистор | 10 -1 –10 -3 | 10 4 – | 10 6 | |
В оптронах используются фотоприемники , чувствительные в видимой и ближней инфракрасной области , так как именно в этом диапазоне спектра име — ются высокоэффективные источники излучения – светодиоды . Наиболее уни — версальными являются фотоприемники с р –n переходами ( фотодиоды , фото — транзисторы и т . п .). В подавляющем большинстве случаев они изготавливают — ся на основе кремния и область их максимальной чувствительности находится в диапазоне 0,7…0,9 мкм . Оптическая среда оптронов должна соответствовать следующим основ — ным требованиям : — обладать высоким удельным сопротивлением , чтобы обеспечить надеж — ную гальваническую развязку между излучателем и фотоприемником ; — иметь минимальный коэффициент поглощения в спектральной области работы оптрона , чтобы обеспечить минимальные потери при передаче светово — го потока от излучателя к фотоприемнику ; — иметь коэффициент преломления , близкий к коэффициенту преломления излучателя и фотоприемника , чтобы исключить потери на отражение на грани — цах с излучателем и фотоприемником ; — должна быть устойчива к механическим , климатическим и др . видам экс — плуатационных воздействий ; — должна хорошо согласовываться по температурным коэффициентам рас — ширения и обладать хорошим коэффициентом адгезии с материалами активных элементов . В оптронах используется три варианта оптической среды : 1) полимерные материалы – оптические клеи , лаки , вязкие вещества в виде вазелиноподобных силиконовых составов , халькогенидные стекла ; 2) воздушная . При этом могут использоваться фокусирующие системы на основе стеклянных линз ; 3) волоконные световоды . Выбор того или иного варианта оптической среды обусловлен требова —
8 ниями , связанными с применением оптронов . Наиболее широкое применение получили полимерные смолы и оптические клеи , обладающие хорошей адгези — ей к арсениду галлия и кремнию , высоким удельным сопротивлением (ρ > 10 10 …10 12 Ом × м ) и механической прочностью , высокой стабильностью и широ — ким диапазоном рабочей температуры (– 60…+120 ° С ). Максимально допусти — мое напряжение между входом и выходом оптрона U ИЗ для полимерных клеев и стекол составляет 100…500 В , а для воздушной среды – до 1…50 кВ . 2.3 Типы элементарных оптронов и их условные обозначения Функционально , как элемент электрической схемы , оптрон характеризу — ется , прежде всего , параметрами фотоприемника . Поэтому они и именуются по типу фотоприемника . К элементарным оптронам относятся диодные , транзи — сторные , тиристорные и резисторные . На рисунке 2.3 приведены условные изображения элементарных оптронов в электрических схемах .
| а – диодный ; б – транзисторный ; в – | составной транзисторный ; |
| г – тиристорный ; д – | резисторный |
Рисунок 2.3 – Условные изображения элементарных оптронов Условные обозначения ( маркировка ) отечественных оптронов ( за исклю — чением резисторных и силовых тиристорных ) семизначные буквенно — цифровые . В первой , буквенной , группе : — первая буква обозначает материал излучателя ( А – арсенидгаллиевый светодиод ); — вторая буква « О » – оптрон ; — третья буква – вид фотоприемника ( Д – диод , Т – транзистор , Т 2 – со — ставной транзистор , У – тиристор и т . д .). Вторая группа – трехзначное число – порядковый номер разработки . Третья группа ( обычно одна буква ) – обозначает группу приборов с кон — кретным сочетанием параметров ( А , Б , В и т . д .). Например : АОД 101 Б – диодный оптрон с арсенидгаллиевым излучате — лем , типа 101, группы Б ; аналогично , АОТ 110 А и АОУ 103 В обозначают тран — зисторный и тиристорный оптроны . Тиристорные силовые оптроны обозначаются буквами « ТО » – тиристор — ный оптрон и цифрами , указывающими величину тока коммутации , например : ТО — 6,3; ТО — 10; ТО 2 — 10; ТО 2 — 40 и т . д . Резисторные оптроны обозначаются буквами « ОЭП » – оптоэлектронная пара и цифрой , обозначающей тип оптрона .
9 У бескорпусных оптронов в конце обозначения добавляется еще одна цифра , определяющая вид исполнения , например , АОД 120 А -1 – бескорпусной диодный оптрон с гибкими выводами ( исполнение 1). Оптоэлектронные инте — гральные микросхемы обозначаются как обычные микросхемы , например , К 249 ЛП 1 А – оптоэлектронная микросхема , отнесенная к микросхемам « логи — ческим прочим » ( ЛП ). 3 ПАРАМЕТРЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ОПТРОНОВ Функциональные возможности оптронов довольно широкие . Наиболее часто они используются в качестве элементов связи . В этом случае важно знать входные , выходные и передаточные параметры . При использовании оптронов в импульсных цепях весьма важными являются динамические свойства – вре — менные и частотные . Использование оптронов в качестве коммутационных уст — ройств требует знания всех параметров оптронов : входных , выходных , времен — ных и параметров гальванической развязки . Параметры и характеристики оптронов определены в ГОСТ 27299–87 Приборы полупроводниковые оптоэлектронные . В нем все параметры оптронов разделены на четыре группы : входные , выходные , передаточной функции и гальванической развязки . Для различных типов оптронов параметры могут раз — личаться . Здесь ограничимся лишь параметрами для диодных оптронов . 3.1 Входные параметры диодных оптронов Первая группа параметров характеризует свойства входной цепи оптрона . Для диодных оптронов к ним относятся : — номинальный входной ток I вх . н – значение тока , рекомендуемое для оп — тимальной энсинуации оптрона и используемое при измерении его основных параметров ; — входное напряжение U вх – прямое напряжение на светодиоде при задан — ном прямом токе ; — максимально допустимый входной ток I вх .max – максимальная величи — на постоянного прямого тока , которую допускается пропускать через светоди — од ; — максимально допустимое обратное входное напряжение U вх . обр – максимальное значение обратного напряжения любой формы , которое допуска — ется подавать на светодиод ; — входная емкость C вх – емкость между входными выводами оптрона . 3.2 Выходные параметры диодных оптронов Вторая группа параметров характеризует выходную цепь оптрона – это следующие параметры :
10 максимально допустимое обратное выходное напряжение U вых . обр – максимальное значение обратного напряжения любой формы , которое допуска — ется прикладывать к выходу оптрона ; — темновой ток на выходе I вых . тем – ток на выходе оптрона при I вх = 0; — выходная емкость C вых – емкость между выходными выводами оптрона . 3.3 Параметры передаточной характеристики диодных оптронов Параметры передаточной характеристики отражают степень воздействия излучателя на фотоприемник . Как элемент связи оптрон характеризуется ста — тическим коэффициентом передачи по току K I. – это отношение тока на вы — ходе оптрона к величине входного тока . При прохождении через оптрон входной сигнал искажается . Степень ис — кажения формы выходного сигнала по сравнению с входным оценивается по импульсной переходной характеристике следующими временными параметра — ми ( см . рисунок 3.1): Рисунок 3.1 – Импульсная переходная характеристика выходного тока оптрона — временем нарастания и спада выходного импульса t нар и t сп ; — временем задержки переднего фронта и среза импульса t зд . фр и t зд . ср ; — временем включения и выключения t вкл и t выкл или временем логической задержки t зд . лог .