Лекция
Привет, Вы узнаете о том , что такое оптопара, Разберем основные их виды и особенности использования. Еще будет много подробных примеров и описаний. Для того чтобы лучше понимать что такое оптопара, оптрон, оптотиристор, оптоэлектрника , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Электроника, Микроэлектроника , Элементная база.
Оптоэлектроника использует оптические и электронные явления в веществах и их взаимные связи для передачи, обработки и хранения информации. Элементной базой оптоэлектроники являются оптоэлектронные приборы – оптрон ы.
Оптоэлектронная 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 или оптрон — электронный прибор, состоящий из излучателя света (обычно — светодиод, в ранних изделиях — миниатюрная лампа накаливания) и фотоприемника (биполярных и полевых фототранзисторов, фотодиодов, фототиристоров, фоторезисторов), связанных оптическим каналом и, как правило, объединенных в общем корпусе. Принцип работы оптрона заключается в преобразовании электрического сигнала в свет, его передаче по оптическому каналу и последующем преобразовании обратно в электрический сигнал.
Рис.. Условное обозначение оптронов
По степени интеграции
По типу оптического канала
По типу фотоприемника
По типу источников света
Оптроны с полевым транзистором или фотосимистором иногда именуют оптореле или твердотельным реле.
В настоящее время в оптоэлектронике можно выделить два направления.
Существуют два класса оптических элементов, которые можно использовать при создании оптических ЭВМ:
Они являются представителями соответственно электронно-оптического и оптического направлений.
Тип фотоприемника определяет линейность передаточной функции оптрона. Наиболее линейны и тем самым пригодны для работы в аналоговых устройствах резисторные оптроны, затем — оптроны с приемным фотодиодом или одиночным биполярным транзистором. Оптроны с составными биполярными транзисторами или полевыми транзисторами используются в импульсных (ключевых, цифровых) устройствах, в которых линейность передачи не требуется. Оптроны с фототиристорами применяются для гальванической развязки схем управления от цепей управления.
Оптрон представляет собой единую конструкцию, состоящую из источника и приемника излучения, связанных между собой оптическим каналом. Структурная схема оптрона приведена на рис. 8.8.
Рис. 8.8. Структурная схема оптрона
Входной сигнал, например электрический ток Iвх, преобразуется в светоизлучателе СИ в световой поток Ф , энергия которого пропорциональна входному сигналу. По оптическому каналу ОК световой поток направляется в фотоприемник ФП, где преобразуется в пропорциональное световому потоку значение выходного электрического тока Iвых. С помощью устройства управления оптическим каналом УОК можно управлять световым потоком путем изменения физических свойств самого оптического канала.
Таким образом, в оптронах осуществляется двойное преобразование энергии: электрической в световую и световой снова в электрическую. Это придает оптронам ряд совершенно новых свойств и позволяет на их основе создавать электронные устройства с исключительно своеобразными параметрами и характеристиками. Так, применение оптронов позволяет осуществить почти идеальную электрическую развязку между элементами устройства (сопротивление до 1016 Ом, проходная емкость до 10-4 пФ). Кроме того, могут быть эффективно использованы такие свойства оптронов, как однонаправленность информации, отсутствие обратной связи с выхода на вход, высокая помехозащищенность, широкая полоса пропускание (от нуля до сотен и даже тысяч мегагерц), совместимость с другими (полупроводниковыми) приборами. Это дает возможность использовать оптроны для модулирования сигналов, измерений в высоковольтных цепях, согласования низкочастотных цепей с высокочастотными и низкоомных с высокоомными.
К недостаткам оптронов следует отнести зависимость их параметров от температуры, низкие КПД и коэффициент передачи.
Рис. 8.9. Устройство оптрона: 1 – выводы; 2 – фотоприемник; 3 – корпус; 4 – оптическая среда; 5 – светодиод
Устройство оптрона показано на рис. 8.9. В качестве излучателей в оптронах используют обычно светодиоды на основе арсенида-фосфида галлия GaAsP или алюминий-арсенида галлия GaAlAs, характеризующиеся большой яркостью, высоким быстродействием и длительным сроком службы. Кроме того, они хорошо согласуются по спектральным характеристикам с фотоприемниками на основе кремния. В качестве фотоприемников могут использоваться фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы и фототиристоры.
Фотодиоды и фототранзисторы как приемники излучения получили в оптронах наибольшее распространение, поскольку по своим характеристикам и параметрам они могут работать совместно с интегральными микросхемами. Фототиристоры широко применяются в оптронах в качестве ключевых усилителей мощности, управляемых световым излучением. Передача светового излучения в оптронах осуществляется через оптический канал, роль которого могут играть различные среды. Назначение оптического канала – передача максимальной световой энергии от излучателя к приемнику. Передающей средой могут быть воздух, различные иммерсионные среды, а также оптические световоды длиной 1 м и более. Световолоконные оптические линии связи позволяют довести пробивное напряжение изоляции между входом и выходом оптрона до 150 кВ, что дает возможность применять оптроны для измерений в высоковольтных цепях.
Входными параметрами оптронов являются: номинальный входной ток светодиода в прямом направлении Iвх.ном и падение напряжения на нем в прямом направлении Uвх при номинальном значении входного тока; входная емкость Свх в заданном режиме; максимально допустимый входной ток Iвх.макс; максимально допустимое обратное напряжение на входе Uвх.обр.макс.
Выходными параметрами оптронов являются: максимально допустимое обратное напряжение Uвх.обр.макс, прикладываемое к выходу; максимально допустимый выходной ток Iвых.макс; выходная емкость Свых; световое Rсв и темновое Rт выходные сопротивления (для фоторезисторных оптронов).
Из передаточных параметров исходными являются коэффициент передачи тока КI =(Iвых / Iвх)100 либо дифференциальный коэффициент передачи тока КI д = (dIвых / dIвх)100, выраженные в процентах.
Быстродействие оптрона оценивают при подаче на его вход прямоугольного импульса по времени задержки tзд от момента подачи импульса до момента достижения выходным током значения 0,1 Iвых.обр.макс, а также по времени нарастания tнар выходного тока от 0,1 до 0,9 его максимального значения. Суммарное время задержки и нарастания называют временем включения tвкл. Быстродействие фотоприемника характеризуется его частотными свойствами, т.е. такой частотой синусоидально модулированного светового потока, при которой чувствительность фотоприемника вследствие инерционности уменьшается в 
раз.
Рис.1
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
Использование 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.
условное обозначение оптотиристра
=
оптотиристор подобен обычному тиристору, только управляется он не управляющим электродом, а лучами (кажется инфракрасными), излучаемыми светодиодом. Основное преимущество оптотиристора перед обычным тиристором – это гальваническая развязка силового круга от круга управления.
Оптронные SCR представляют собой специальный тип симметричных полупроводниковых силовых приборов, которые могут наиболее эффективно использоваться в преобразовательных устройствах с фазовым управлением. Оптотиристор — это полупроводниковая сборка , которая состоит из двух элементов, объединенных в одну конструкцию: силового кремниевого (Si) фототиристора и управляющего светодиода малой мощности на основе арсенида галлия (GaAs). Оптическая развязка силовой и информационной частей позволяет не только упростить управление таким тиристором, но и значительно повышает помехоустойчивость преобразователей большой мощности и систем автоматического управления на их основе, в частности, высоковольтных систем. Управляющие драйверы для приборов с развязкой по оптическому каналу, как правило, имеют более простое устройство и меньшую мощность по сравнению с драйверами обычных тиристоров с выведенным электродом управления.
Рис. 1. Эквивалентная электрическая схема тиристора с регенеративным управляющим электродом
Рис. Об этом говорит сайт https://intellect.icu . 2. Силовой оптотиристор с регенеративным управляющим электродом: а) упрощенная структура; б) эквивалентная электрическая схема
Необходимая для переключения фототиристора мощность светового потока зависит от глубины залегания переходов под поверхностью кристалла, скорости поверхностной и объемной рекомбинации носителей зарядов и возрастает с увеличением длины волны. Эффективность фотогенерации носителей определяется не только спектром излучения используемого светодиода, но и конструктивными особенностями прибора: диаграммой направленности; углами и местом падения пучка излучения; соотношением площади оптического окна и общей площади кристалла; устройством светового канала и свойствами используемых материалов.
Структура фототиристора практически ничем не отличается от структуры обычного тиристора с управляющим электродом, за исключением возможного изменения глубин залегания и степени легирования отдельных слоев для снижения, например, величины требуемого заряда управления. В настоящее время доступны дискретные низкочастотные приборы и оптотиристорные модули на токи до 1 кА и напряжения до 2,4 кВ, что позволяет создавать управляемые устройства с выходной мощностью в несколько мегаватт (для напряжений стандартных промышленных сетей 50, 60 и 400 Гц). Ведутся также разработки быстродействующих оптронных тиристоров на рабочие частоты выше 500 Гц. Достигнутый уровень серийных промышленных разработок отражает таблица 1 (здесь и далее использована стандартная система условных обозначений параметров [4, 5] тиристоров) [6-9].
Оптотиристор можно условно разбить на две части светодиод и фототиристор. Рассмотрим работу фототиристора. Фототиристор имеет четырехслойную структуру pnpn (три pn перехода). При подаче на него напряжения U, средний pn переход будет закрыт. Открыть его можно двумя способами:
- приподнять напряжение между анодом А и катодом К, при этом напряжение управления на светодиод можно не подавать И упр. =0;
– подать напряжение управления на светодиод. При освещении pn-перехода тиристора у него возникает фото-ЭДС. Не забываем, что между анодом и катодом уже есть напряжение U.
Чем больше ток управления (сила света), тем меньшее напряжение необходимо между анодом и катодом для открывания оптотиристора. Обратите внимание! В открытом состоянии, когда падение напряжения между А и К мало, а ток велик – тиристор не управляется. Чтобы его отключить, надо снять напряжение питания U. Ошибочно считать, что обычный тиристор управляется только током управления. По сути он включается этим током. Внимательно рассмотрите рис.2.
Чтобы не запутаться, промышленностью выпускаются еще закрывающие тиристоры GTO (Gate turn-off Thyristor). В отличие от обычных тиристоров, ими можно управлять не снимая напряжения U. Для открывания GTO-тиристора на управляющий электрод дают положительное напряжение, для закрывания – отрицательное. Но такие тиристоры рассчитаны на большие токи и имеют большие размеры, выпускаемые в таблеточных и штыревых корпусах.
Основные параметры оптопар можно разбить на четыре группы.
Входные параметры характеризуют режим работы светоизлучателя. Если в качестве светоизлучателя используется светодиод, то его электрические параметры составляют основу входных параметров оптопары:
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:
, (1)
Где: 
- коэффициент спектрального согласования, kПР – коэффициент прозрачности оптической среды, 
– внешний квантовый выход светоизлучателя, М – коэффициент усиления фотоприемника.
Рис.3
Коэффициент спектрального согласования светоизлучателя 
, 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
Коэффициент 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 
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.
Рис.5
В режиме передачи аналоговых сигналов оптопару можно представить в виде линейного четырехполюсника с Y - параметрами. Сигнал в оптопаре передается только от светоизлучателя к фотоприемнику, поэтому четырехполюсник должен быть направленным. Его схема содержит лишь идеальные генераторы, а проводимость цепи обратной связи четырехполюсника у12=0. На Рис.5 показана эквивалентная схема оптопары с идеальной гальванической развязкой. Входной электрический сигнал реальной оптопары через параметры развязки RРАЗВ и СРАЗВ поступает на выход четырехполюсника. С учетом параметров развязки эквивалентная схема преобразуется: конденсатор СВХ и резистор rсидиф моделируют входную емкость и дифференциальное сопротивление светоизлучателя, конденсатор СВЫХ и резистор rфпдиф – моделирует выходную емкость и выходное дифференциальное сопротивление фотоприемника, конденсатор СРАЗВ и резистор RРАЗВ - учитывают емкость и сопротивление развязки оптопары, источник тока КiIвх – показывает преобразование входного сигнала оптопарой.
Рис.6
Различные виды оптронов
Конструкции оптопар различны: составные на дискретных элементах, пленочные, монолитные. Рассмотрим примеры конструкций оптопар на дискретных элементах. В бескорпусной оптопаре (Рис.6) СИ - светоизлучатель; ФП - фотоприемник; ОС - оптическая среда; 1 - выводы светоизлучателя; 2 - выводы фотоприемника. Кристаллы светоизлучателя и фотоприемника размещены в оптической иммерсионной среде строго параллельно. В качестве оптической среды используются в основном органические полимерные оптические клеи. Распространенные в оптопарах светодиоды имеют кольцевую излучающую область с расположенным в центре и вынесенным из активной области излучения омическим контактом. В такой конструкции при минимальной площади свечения светодиода уменьшаются потери энергии излучения из-за затенения и краевых эффектов, снижаются требования к точности взаимного расположения светодиода и фотоприемника.
Рис.7
Для повышения коэффициента передачи оптопары чувствительная площадь фотоприемника многократно превышает излучательную площадь светодиода. Структуру фотоприемников оптопар изготовляют в основном из кремния. Наибольшее распространение получили фотодиоды с p-i-n структурой, биполярные фототранзисторы, фототиристоры, структуры фотодиод - транзистор и др.
Конструкция оптопары в металлостеклянном корпусе приведена на Рис.7. Для уменьшения емкости развязки до 10-3-10-4 пФ в оптическую среду встраивают заземленную металлическую сетку ЗС или стекло с проводящим покрытием из материалов SnO2, In2O3 Сопротивление развязки оптопары достигают значения 1014 -1016 Ом.
Рис.8
Потери на торцевое и обратное излучение светодиода снижены в конструкции оптопары на Рис.4, где О - отражатель; КВ(М) - металлический кольцевой вывод p- области фотоприемника, изолированный от n- области диэлектрическим слоем SiO2. Отражатель направляет лучи светодиода, показанные на рисунке линиями со стрелками, на чувствительную площадь фотодиода и увеличивает примерно вдвое коэффициент передачи оптопары. Конструктивное исполнение оптопары с гальванической развязкой до нескольких десятков киловольт показано на Рис 8. Развязку обеспечивает жесткий стеклянный световод ОС, помещенный в корпус оптопары К.
Пример пленочной конструкции оптопары приведен на Рис. 1.а. На стеклянную подложку СП с двух сторон наносится слой SnO2, образующий прозрачные электроды ПЭ. На одном из прозрачных электродов методом вакуумного испарения формируется пленочный слой люминофора - сернистого цинка ZnS, активированного примесями меди Cu и марганца Mn, а затем - металлический электрод МЭ. На другой прозрачный электрод наносится фоторезистивный слой сульфида кадмия с центрами чувствительности из атомов меди CdS:Cu, а на него напыляется металлический электрод МЭ гребенчатой структуры. Тонкопленочный люминофор - светоизлучатель СИ оптопары может работать при малом напряжении постоянного тока. Свечение обусловлено возбуждением атомов марганца в люминофоре «горячими» (высокоэнергетичными) электронами, образующимися в гетеропроходе p-Cu2S - n-ZnS(Mn) в поверхностном слое пленки. Световой поток распространяется в направлении фотоприемника оптопар ФП фоторезистора через стеклянную подложку и прозрачные электроды, образующие оптическую среду.
К достоинствам оптоэлектронных пар относятся почти идеальная гальваническая развязка, невосприимчивость оптического канала связи к воздействию электромагнитных помех, совместимость по параметрам входных и выходных сигналов с интегральными схемами, широкие функциональные возможности.
Недостатки оптоэлектронных пар - низкий КПД преобразования энергии сигналов, высокая потребляемая мощность, температурная зависимость параметров, относительно малый рабочий диапазон температур, невысокий срок службы, конструктивное несовершенство и др. носят временный характер
Приведем краткое описание некоторых типов наиболее распространенных промышленных оптронов.
Фотодиодный оптрон.
Условное графическое обозначение его приведено на рис. 8.10,а. В качестве излучателя используется светодиод на основе арсенида галлия.
В качестве фотоприемников в диодных оптронах используются кремниевые фотодиоды, которые хорошо согласуются по спектральным характеристикам и быстродействию с арсенид-галлиевыми светодиодами.
Коэффициент передачи тока диодного оптрона мал (KI = 1,0 
1,5%), однако диодные оптроны являются самыми быстродействующими.
Как элемент электрической цепи, фотоприемник диодного оптрона может работать в двух режимах: фотопреобразователя с внешним источником питания и фотогенератора без внешнего источника питания.
Если учесть зависимость светового потока светодиода оптрона от тока Iвх через светодиод, то можно найти зависимость тока Iн нагрузочного резистора Rн или напряжения Uн на нем от входного тока оптрона, т.е. Iн = f(Iвх) или Uн = φ (Iвх).
Надо учитывать, что для передачи максимальной энергии требуется согласование нагрузочного резистора с выходным сопротивлением оптрона.
Фототранзисторный оптрон(рис. 8.10,б). По сравнению с фотодиодным оптроном в качестве фотоприемника в нем используется кремниевый фототранзистор. Являясь усилителем базового тока, фототранзистор имеет существенно более высокую чувствительность, чем фотодиод, поэтому коэффициент передачи тока фототранзисторного оптрона KI = 50 100 %, а оптрона с составным фототранзистором – до 800% и более.
Рис. 8.10. Условные графические обозначения оптронов: фотодиодного (а), фототранзисторного (б), фоторезисторного (в), фототиристорного (г)
Недостатком фототранзисторов является то, что они по сравнению с фотодиодами гораздо более инерционны и имеют быстродействие 10-4–10-5с.
Фоторезисторный оптрон(рис. 8.10,в). В качестве фотоприемника в оптронах иногда используют фоторезисторы на основе селенида или сульфида кадмия (CdSe,CdS), а в качестве излучателя – спектрально согласующиеся с ними светодиоды на основе фосфида или арсенида-фосфида галлия (GaP, GaAsP). Быстродействие фоторезисторных оптронов целиком определяется быстродействием фотоприемника, которое составляет 100–200 мкс.
Фототиристорный оптрон(рис. 8.10,г) включает в себя фототиристор в качестве фотоприемника. Быстродействие фототиристорного оптрона определяется временем выключения фототиристора, в течение которого прибор переходит из открытого состояния в закрытое, оно составляет десятки микросекунд.
В зависимости от типа фотоприемника оптроны могут применяться в электронных устройствах для переключения, преобразования, согласования, модуляции и т.д. Они могут использоваться также в качестве малогабаритных импульсных трансформаторов, реле для коммутации напряжений и токов, в автогенераторах, цепях обратной связи и т.д.
Оптроны с открытым оптическим каналом служат в качестве различных датчиков (перемещения, «края объекта» и др.). В устройствах передачи информации часто применяют оптоэлектронные интегральные микросхемы, в которых в одном корпусе объединены оптроны и интегральная микросхема. Фотоприемник такой микросхемы может быть изготовлен в том же кристалле кремния, что и транзисторная микросхема, как одно целое.
Оптоэлектронные устройства с управляемым световодом можно использовать в качестве логических ячеек преобразователей частоты, в устройствах переключения индикаторов, индикаторах вида жидкости, устройствах измерения малых перемещений, сенсорных устройствах очувствления роботов и т.д. Эти устройства обладают высоким быстродействием, помехозащищенностью, возможностью применения в агрессивных и взрывоопасных средах.
В последнее время при изготовлении оптоэлектронных устройств оказывается возможным удалять источник и приемник излучения из зоны измерения (от объекта контроля) на десятки метров с помощью элементов волоконной оптики – волоконных световодов (жгутов из нитей стекловолокна).
Оптоэлектронные устройства широко применяют в вычислительной технике, автоматике, контрольно-измерительных устройствах. В дальнейшем применение этих устройств будет расширяться по мере улучшения их характеристик: надежности, долговечности и температурной стабильности.
Оптроны имеют несколько областей применения, использующих их различные свойства:
Оптронный координатный счетчик в механической мыши
Оптроны с открытым оптическим каналом, доступным для механического воздействия (перекрытия) используются как датчики во всевозможных детекторах наличия (например, детектор бумаги в принтере), датчиках конца или начала (аналогично механическому концевому выключателю), счетчиках и дискретных спидометрах на их базе (например, координатные счетчики в механической мыши, анемометры).
Оптроны используются для гальванической развязки цепей — передачи сигнала без передачи напряжения, для бесконтактного управления и защиты. Некоторые стандартные электрические интерфейсы, например MIDI, предписывают обязательную оптронную развязку. Различают два основных типа оптронов, предназначенных для использования в цепях гальванической развязки: оптопары и оптореле. Основное отличие между ними в том, что оптопары, как правило, используются для передачи информации, а оптореле используется для коммутации сигнальных или силовых цепей.
Оптопары
Транзисторные или интегральные оптопары, как правило, применяются для гальванической развязки сигнальных цепей или цепей с малым током коммутации. В качестве коммутирующего элемента используются биполярные транзисторы, цепи управления цифровыми входами, специализированные цепи (например, для управления силовым MOSFET или IGBT - оптодрайверы).
Свойства и характеристики оптопар
Электрическая прочность (допустимое напряжение между входной и выходной цепями) зависит от конструктивного оформления прибора. Оптопары гальванической развязки выпускаются в корпусах DIP, SOP, SSOP, Mini flat-lead. Для каждого типа корпусов характерны свои напряжения изоляции. Для того, чтобы обеспечить большие пробивные напряжения, необходимо, чтобы конструкция оптопары имела как можно большие расстояния не только между светодиодом и фотоприемником, но так же как можно большие расстояния по внутренней и по внешней стороне корпуса. Иногда производители выпускают специализированные семейства оптопар, соответствующие международным стандартам безопасности. Эти оптопары характеризуются повышенной электрической прочностью.
Одним из основных параметров, характеризующих транзисторную оптопару, является коэффициент передачи тока. Производители оптопар выполняют сортировку, присваивая в зависимости от коэффициента передачи тот или иной ренкинг, который указывается в наименовании.
Нижняя рабочая частота оптрона не ограничена: оптроны могут работать в цепях постоянного тока. Верхняя рабочая частота оптронов, оптимизированных под высокочастотную передачу цифровых сигналов, достигает сотен МГц. Верхние рабочие частоты линейных оптронов существенно ниже (единицы—сотни кГц). Наиболее медленные оптроны, использующие лампы накаливания, фактически являются эффективными фильтрами нижних частот с граничной полосой порядка единиц Гц.
Шумы транзисторной оптопары
Для транзисторных оптопар характерным является появление шума, связанного с одной стороны наличием проходной емкости между светодиодом и базой транзистора, с другой стороны наличием паразитной емкости между коллектором и базой фототранзистора. Для борьбы с первым типом шумов в конструкцию оптопары вносят специальный экран. Второго типа шумов удается избежать правильно подобрав режимы работы оптопары.
Типы оптопар для гальванической развязки
Примеры применения оптопар
Оптореле
Оптореле (Твердотельные реле), как правило, применяются для коммутации цепей с большим током коммутации. В качестве коммутирующего элемента используется как правило пара встречно включенных MOSFET транзисторов, благодаря чему оптореле способно работать в цепях переменного тока.
Свойства и характеристики оптореле
Оптореле имеют три топологии. Нормально разомкнутые - топология А, нормально замкнутые - топология Б и переключающая - топология С. Нормально разомкнутая топология предполагает замыкание коммутирующей цепи только при подаче управляющего напряжение на светодиод. Нормально замкнутая топология предполагает размыкание коммутирующей цепи при подаче управляющего напряжения на светодиод. Переключающая топология, как следует из названия имеет комбинацию внутри оптореле нормально замкнутых и нормально разомкнутых каналов. Стандартными корпусами для оптореле являются DIP8, DIP6, SOP8, SOP4, Mini flat-lead 4. Аналогично оптопарам, оптореле также характеризуются электрической прочностью.
Типы оптореле
Примеры применения оптореле
На принципе оптрона построены такие приспособления как:
Также используются в неразрушающем контроле как датчики аварийных ситуаций. GaP-диоды начинают излучать свет при воздействии на них радиации, а фотоприемник фиксирует возникшее свечение и сообщает о тревоге.
Исследование, описанное в статье про оптопара, подчеркивает ее значимость в современном мире. Надеюсь, что теперь ты понял что такое оптопара, оптрон, оптотиристор, оптоэлектрника и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Электроника, Микроэлектроника , Элементная база
Комментарии
Оставить комментарий
Электроника, Микроэлектроника , Элементная база
Термины: Электроника, Микроэлектроника , Элементная база