Оптроны и их применение (стр. 5 из 6). Оптрон диодный

Диодные оптопары отечественные | Все своими руками

Опубликовал admin | Дата 16 января, 2012

В этой статье рассмотрены и новые оптопары и приборы старой разработки (конец 80-х — 90-е годы), параметры которых улучшены в результате использования более прогрессивной технологии. Учтены также изменения в обозначении и составе серии приборов, произошедшие в течение прошедших лет. Основные характеристики оптопар сведены в табл. 1. а предельно допустимые значения — в табл. 2.

Чертежи корпусов перечисленных приборов представлены на рис. 1—7. Корпус оптопар серий АОД101, АОД107, АОД109, АОД129, АОД133 и оптопары ДОД149А — металлостеклянный с проволочными лужеными выводами Оптопары АОД130А, АОД134АС, АОД167А и АОД176А выпускают в пластмассовом микросхемном корпусе со штампованными плоскими лужеными выводами. Оптопары АОД120А-1 и АОД120Б-1 — бескорпусные, они предназначены для использования в составе гибридных микросхем Масса приборов не превышает 2 г.

Приборы АОД101Б- АОД101Г АО107А, АОД107Б, АОД120А-1, АОД120Б-1, АОД129А, АОД129Б, АОД130А. АОД133А, АОД133Б содержат одиночную оптопару, АОД134АС и АОД167А — две независимые, а АОД109А, АОД109Б — три независимые оптопары. У оптронов серии АОД109 выводы 7 и 8 свободные. Прибор АОД149А выполнен с открытым оптическим каналом, для чего на торце корпуса имеется прозрачное для ик лучей окно. Отраженный луч, возвращаясь в оптрон, падает на два фотодиода, включенных дифференциально. В оптопаре АОД176А — два независимых фотодиода. Эти приборы применяют для гальванической развязки датчиков. Выводы 7 и 8 оптопары свободные.г. Москва Материал подготовил А. ЮШИН

Обсудить эту статью на - форуме "Радиоэлектроника, вопросы и ответы".

www.kondratev-v.ru

20.Резисторные и диодные оптроны.

Рези́сторная оптопа́ра (РО), или резисторный оптрон — оптоэлектронный полупроводниковый прибор, состоящий из излучателя и приёмника света, которые соединены оптической связью и гальванически изолированы друг от друга. Приёмником РО служит фоторезистор на основе селенида кадмия или сульфида кадмия, а излучателем — светодиод, миниатюрная лампа накаливания, реже - неоновая лампа. В РО с закрытым оптическим каналом излучатель и приёмник света прочно склеены друг с другом прозрачным клеем и помещены в оптически непрозрачный корпус. В РО с открытым каналом излучатель и приёмник монтируются на общем основании, а оптический канал замыкается через внешнюю среду.

РО — медленные устройства, которым характерны два рода частотных ограничений — по входу и по выходу.Функционально РО представляет собой электрическое сопротивление, управляемое током, протекающим через излучатель.

Условные графические обозначения оптопар:

* с лампой накаливания

* со светодиодом.

Диодные оптопары в большой степени, чем какие-либо: другие приборы, характеризуют уровень оптронной техники. По величине Кi можно судить о достигнутых КПД преобразования энергии в оптроне; значения временных параметров позволяют определить предельные скорости распространения информации. Подключение к диодной оптопаре тех или иных усилительных элементов, весьма полезное и удобное, не может тем не менее дать выигрыша ни по энергетике, ни по предельным частотам.

21. Транзисторные и тиристорные оптроны.

Транзисторные оптопары рядом своих свойств выгодно отличаются от других видов оптронов. Это прежде всего схемотехническая гибкость, проявляющаяся в том, что коллекторным током можно управлять как по цепи светодиода (оптически), так и по базовой цепи (электрически), а также в том, что выходная цепь может работать и в линейном и в ключевом режиме. Механизм внутреннего усиления обеспечивает получение больших значений коэффициента передачи тока Кi, так что последующие усилительные каскады не всегда необходимы. Важно, что при этом инерционность оптопары не очень велика и для многих случаев вполне допустима. Выходные токи фототранзисторов значительно выше, чем, например, у фотодиодов, что делает их пригодными для коммутации широкого круга электрических цепей. Наконец, следует отметить, что все это достигается при относительной технологической простоте транзисторных оптопар.

Тиристорные оптопары наиболее перспективны для коммутации сильноточных высоковольтных цепей: по сочетанию мощности, коммутируемой в нагрузке, и быстродействию они явно предпочтительнее Т2 -оптопар. Оптопары типа АОУ103 предназначены для использования в качестве бесконтактных ключевых элементов в различных радиоэлектронных схемах: в цепях управления, усилителях мощности, формирователях импульсов и т. п.

22.Оптические транспаранты.

Оптическим транспарантом (ОТ) называется оптическое устройство

(например, диапозитив, диафрагма, поляроид, фазовая пластинка и т. п.),

устанавливаемое на пути пучка света и выполняющее заданное преобразованиеамплитуды и/или фазы световой волны.

Различают амплитудные (например, щели, сетки, диафрагмы), фазовые

(призмы, линзы) и амплитудно-фазовые (светофильтры, голограммы, линзы с

амплитудной маской) оптические транспаранты.

studfiles.net

Диодные оптопары

ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ И УСТРОЙСТВА

В диодной оптопаре в качестве фотоприемного элемента используется фотодиод на основе кремния, а излучателем служит инфракрасный излучающий диод. Максимум спектральной характеристики излучающего диода приходится на длину волны около 1 мкм. При облучении в фотодиоде возникает генерация пар носителей заряда — электронов и дырок. Интенсивность генерации пропорциональна силе света, а следовательно, входному току. Свободные электроны и дырки разделяются электрическим полем перехода фотодиода и заряжают р-область положительно, а /7-область отрицательно. Таким образом, на выходных выводах оптопары появляется фотоЭДС. В реальных приборах она не превышает (0,7...0,8) В, а кпд составляет около 1 %.

Если к фотодиоду оптопары приложено обратное напряжение более 0,5 В, то электроны и дырки, генерированные излучением, увеличивают обратный ток фотодиода. Такой режим работы приемного элемента оптопары называется фотодиодым. Значение обратного фототока практически линейно возрастает с увеличением силы света излучающего диода.

Для повышения быстродействия создаются фотодиоды с р-1-«-структурой. В них между легированными областями р - и /7-типа используется полуизолирующий слой кремнияс собственной проводимостью /'. Возникающее в /-области сильное электрическое поле приводит к сокращению времени пролета носителей заряда через эту область и к быстрому нарастанию и спаду фототока. Время нарастания и спада фототока в таких фотодиодах может составлять единицы и даже доли наносекунд. Однако быстродействие оптопары в целом зависит еще и от быстродействия излучателя, а также от сопротивления выходной нагрузки. Реальные значения времени задержки сигнала в диодном оптроне составляют около 1 мкс.

. Для описания свойств диодных оптопар обычно используют входные и выходные ВАХ, передаточные характеристики в фотогенераторном и фотодиодном режимах.

Выходная характеристика оптопары аналогична обратной ветви ВАХ диода. Обратный ток практически не зависит от напряжения. При большом напряжении возникает электрический пробой фотодиода.

Передаточная характеристика в фотодиодном режиме представляет собой зависимость выходного тока от входного и практически линейна в широком диапазоне входных токов. Коэффициент передачи тока составляет единицы процентов.

Передаточная характеристика в фотогенераторном режиме нелинейна. ФотоЭДС при увеличении входного тока стремится к насыщению: она не может превышать контактной разности потенциалов на переходе фотодиода и обычно составляет (0,5. ..0,8) В.

Зависимости коэффициента передачи диодной оптопары от входного тока, выходного напряжения и температуры приведены на рис. 7.10, а-в.

Рис. 7.10. Зависимость коэффициента передачи диодных оптопар от входного тока (а), выходного напряжения (б) и температуры (в)

При использовании диодных оптопар в электронных устройствах реализуется ряд свойств, присущих этому классу оптопар: высокое быстродействие, малые темновые токи выходной цепи, высокое сопротивление гальванической развязки.

Приобретаем- купить осциллограф, тепловизоры, источники питания

Тепловизионные камеры. Тепловизоры testo - полупроводниковые приборы, наделённые возможностью наблюдать тепловое либо световое излучение. Тепловизор flir на собственном мониторе изображает оранжевыми, красными и желтыми цветами объекты, источающие тепло, но прохладные …

Условные обозначения

А, Механический эквивалент света К Постоянная Больцмана В Сииий свет К, Коэффициент передачи по току С Скорость света в свободном простран Ку Коэффициент световой эффективности Стве Коэффициент усиления лазера Ся …

Список Сокращений

А Номинальная числовая апертура Мэв Монохроматическая АВС Активный волоконный световод Электромагнитная волна АИМ Амплитудно-импульсная Нжк Нематические жидкие кристаллы Модуляция Ов Оптическое волокно АПП Абсолютный показатель ОЗУ Оперативное запоминающее Преломления Устройство …

msd.com.ua

Оптрон — Википедия

Различные виды оптронов

Оптопара или оптрон — электронный прибор, состоящий из излучателя света (обычно — светодиод, в ранних изделиях — миниатюрная лампа накаливания) и фотоприёмника (биполярных и полевых фототранзисторов, фотодиодов, фототиристоров, фоторезисторов), связанных оптическим каналом и, как правило, объединённых 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.

Классификация

По степени интеграции

оптопары (или элементарные оптроны) — состоящие из двух и более элементов (в т. ч. собранные в одном корпусе)
оптоэлектронные интегральные схемы, содержащие одну или несколько оптопар (с дополнительными компонентами, например, усилителями, или без них).

По типу оптического канала

с открытым оптическим каналом
с закрытым оптическим каналом

По типу фотоприёмника

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.

Электронно-оптическое, основанное на принципе фотоэлектрического преобразования, реализуемого в твердом теле внутренним фотоэффектом и электролюминесценцией.
Оптическое, основанное на тонких эффектах взаимодействия твердого тела с электромагнитным излучением и использующее лазерную технику, голографию, фотохимию и т. д.

Существуют два класса оптических элементов, которые можно использовать при создании оптических ЭВМ:

Оптроны
Квантооптические элементы.

Они являются представителями соответственно электронно-оптического и оптического направлений.

Тип фотоприёмника определяет линейность передаточной функции оптрона. Наиболее линейны и тем самым пригодны для работы в аналоговых устройствах резисторные оптроны, затем — оптроны с приёмным 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.

Видео по теме

Использование

Оптроны имеют несколько областей применения, использующих их различные свойства:

Механическое воздействие

Оптронный координатный счётчик 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), счётчиках и дискретных спидометрах на их базе (например, координатные счётчики в механической мыши, анемометры).

Гальваническая развязка

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 ёмкости между светодиодом и базой транзистора, с другой стороны наличием паразитной ёмкости 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

Стандартные со входом по постоянному току
Стандартные со входом по переменному току
С малыми входными токами
С высоким напряжением коллектор-эмиттер
Высокоскоростные оптопары
Оптопары с изолирующим усилителем
Драйверы двигателей и IGBT

Примеры применения оптопар

В телекоммуникационном оборудовании
В цепях сопряжения с исполнительными устройствами
В импульсных источниках питания.
В высоковольтных цепях
В системах управления двигателями
В системах вентиляции и кондиционирования
В системах освещения
В электросчетчиках

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

Стандартные оптореле
Оптореле с малым сопротивлением
Оптореле с малым СxR
Оптореле с малым напряжением смещения
Оптореле с высоким напряжением изоляции

Примеры применения оптореле

В модемах
В измерительных устройствах, IC тестеры
Для сопряжения с исполнительными устройствами
В автоматических телефонных станциях
Счетчики электричества, тепла, газа
Коммутаторы сигналов

Неэлектрическая передача

На принципе оптрона построены такие приспособления как:

беспроводные пульты и оптические устройства ввода
беспроводные (атмосферно-оптические) и волоконно-оптические устройства передачи аналоговых и цифровых сигналов

Также используются в неразрушающем контроле как датчики аварийных ситуаций. GaP-диоды начинают излучать свет при воздействии на них радиации, а фотоприёмник фиксирует возникшее свечение и сообщает о тревоге.

Литература

Гребнев А. К., Гридин В. Н., Дмитриев В. П. Оптоэлектронные элементы и устройства / Под. ред. Ю. В. Гуляева. — М.: Радио и связь, 1998. — 336 с. — ISBN 5-256-01385-8.
Розеншер, Э., Винтер, Б. Оптоэлектроника = Optoélectronique / Пер. с фр.. — М.: Техносфера, 2004. — 592 с. — ISBN 5-94836-031-8.

Ссылки

wikipedia.green

Оптроны и их применение - часть 5

Параметрами гальванической развязки. Оптопар являются: максимально допустимое пиковое напряжение между входом и выходом Uразв п max ; максимально допустимое напряжение между входом и выходом Uразв max ; сопротивление гальванической развязки Rразв ; проходная емкость Cразв ; максимально допустимая скорость изменения напряжения между входом в выходом (dUразв /dt)max . Важнейшим является параметр Uразв п max . Именно он определяет электрическую прочность оптопары и ее возможности как элемента гальванической развязки.

Рассмотренные параметры оптопар полностью или с некоторыми изменениями используются и для описания оптоэлектронных интегральных микросхем.

3.2. ДИОДНЫЕ ОПТОПАРЫ

Диодные оптопары (рис. 3.2,а) в большой степени, чем какие-либо: другие приборы, характеризуют уровень оптронной техники. По величине Кi можно судить о достигнутых КПД преобразования энергии в оптроне; значения временных параметров позволяют определить предельные скорости распространения информации. Подключение к диодной оптопаре тех или иных усилительных элементов, весьма полезное и удобное, не может тем не менее дать выигрыша ни по энергетике, ни по предельным частотам.

3.3. ТРАНЗИСТОРНЫЕ И ТИРИСТОРНЫЕ ОПТОПАРЫ

Транзисторные оптопары (рис. 3.2, c) рядом своих свойств выгодно отличаются от других видов оптронов. Это прежде всего схемотехническая гибкость, проявляющаяся в том, что коллекторным током можно управлять как по цепи светодиода (оптически), так и по базовой цепи (электрически), а также в том, что выходная цепь может работать и в линейном и в ключевом режиме. Механизм внутреннего усиления обеспечивает получение больших значений коэффициента передачи тока Кi , так что последующие усилительные каскады не всегда необходимы. Важно, что при этом инерционность оптопары не очень велика и для многих случаев вполне допустима. Выходные токи фототранзисторов значительно выше, чем, например, у фотодиодов, что делает их пригодными для коммутации широкого круга электрических цепей. Наконец, следует отметить, что все это достигается при относительной технологической простоте транзисторных оптопар.

Тиристорные оптопары (рис. 3.2, b) наиболее перспективны для коммутации сильноточных высоковольтных цепей: по сочетанию мощности, коммутируемой в нагрузке, и быстродействию они явно предпочтительнее Т2 -оптопар. Оптопары типа АОУ103 предназначены для использования в качестве бесконтактных ключевых элементов в различных радиоэлектронных схемах: в цепях управления, усилителях мощности, формирователях импульсов и т. п.

3.4. РЕЗИСТОРНЫЕ ОПТОПАРЫ

Резисторные оптопары (рис. 3.2, d) принципиально отличаются от всех других видов оптопар физическими и конструктивно-технологическими особенностями, а также составом и значениями параметров.

В основе принципа действия фоторезистора лежит эффект фотопроводимости, т. е. изменения сопротивления полупроводника при освещении.

3.5. ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ ОПТОПАРЫ ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ АНАЛОГОВОГО СИГНАЛА

Весь изложенный выше материал касается вопросов передачи цифровой информации по гальванически развязанной цепи. Во всех случаях, когда говорилось о линейности, об аналоговых сигналах, речь шла о виде выходной характеристики оптопары. Во всех случаях управление по каналу излучатель - фотоприемник не описывалось линейной зависимостью. Важную задачу представляет собой передача аналоговой информации с помощью оптопары, т.е., обеспечение линейности передаточной характеристики вход - выход [36]. Лишь при наличии таких оптопар становится возможным непосредственное распространение аналоговой информации по гальванически развязанным цепям без преобразования ее к цифровой форме (последовательности импульсов).

Сопоставление свойств различных оптопар по параметрам, важным с точки зрения передачи аналоговых сигналов приводит к заключению, что если эта задача и может быть решена, то только с помощью диодных оптопар, обладающих хорошими частотными и шумовыми характеристиками. Сложность проблемы заключается прежде всего в узком диапазоне линейности передаточной характеристики и степени этой линейности у диодных оптопар.

Следует отметить, что в создании приборов с гальванической развязкой, пригодных для передачи аналоговых сигналов, сделаны лишь первые шаги и можно ожидать дальнейшего прогресса.

3.6. ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ МИКРОСХЕМЫ И ДРУГИЕ ПРИБОРЫ ОПТРОННОГО ТИПА

Оптоэлектронные микросхемы представляют собой один из наиболее широко применяемых, развивающихся, перспективных классов изделий оптронной техники. Это обусловлено полной электрической и конструктивной совместимостью оптоэлектронных микросхем с традиционными микросхемами, а также их более широкими по сравнению с элементарными оптронами функциональными возможностями. Как и среди обычных микросхем, наиболее широкое распространение получили переключательные оптоэлектронные микросхемы.

Специальные виды оптронов резко отличаются от традиционных оптопар и оптоэлектронных микросхем. К ним относятся прежде всего оптроны с открытым оптическим каналом. В конструкции этих приборов между излучателем и фотоприемником имеется воздушный зазор, так что, помещая в него те или иные механические преграды, можно управлять световым потоком и тем самым выходным сигналом оптрона. Таким образом, оптроны с открытым оптическим каналом выступают в качестве оптоэлектронных датчиков, фиксирующих наличие (или отсутствие) предметов, состояние их поверхности, скорость перемещения или поворота и т. п.

4. СФЕРЫ ПРИМЕНЕНИЯ ОПТРОНОВ И ОПТРОННЫХ МИКРОСХЕМ

Перспективные направления развития н применения оптронной техники в значительной степени определились. Оптроны и оптронные микросхемы эффективно применяются для передачи информации между устройствами, не имеющими замкнутых электрических связей. Традиционно сильными остаются позиции оптоэлектронных приборов в технике получения и отображения информации. Самостоятельное значение в этом направлении имеют оптронные датчики, предназначенные для контроля процессов и объектов, весьма различных по природе и назначении. Заметно прогрессирует функциональная оптронная микросхемотехника, ориентированная на выполнение разнообразных операций, связанных с преобразованием, накоплением и хранением информации. Эффективной и полезной оказывается замена громоздких, недолговечных и нетехнологичных (с позиций микроэлектроники) электромеханических изделий (трансформаторов, потенциометров, реле) оптоэлектронными приборами и устройствами. Достаточно специфическим, но во многих случаях оправданным и полезным является использование оптронных элементов в энергетических целях.

4.1. ПЕРЕДАЧА ИНФОРМАЦИИ

При передаче информации оптроны используются в качестве элементов связи, и, как правило, не несут самостоятельной функциональной нагрузки. Их применение позволяет осуществить весьма эффективную гальваническую развязку устройств управления и нагрузки (рис 4.1), действующих в различных электрических условиях и режимах. С введением оптронов резко повышается помехоустойчивость каналов связи; практически устраняются “паразитные” взаимодействия по цепям “земли” и питания.

Интерес представляет также рациональное и надежное согласование цифровых интегральных устройств с разнородной элементной базой (ТТЛ, ЭСЛ, И2 Л , КМОП и т. п).

Схема согласования элемента транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ) с интегральным устройством на МДП-транзисторах построена на транзисторном оптроне (рис. 4.2). В конкретном варианте: E1 = Е2 =5 В, Е3 = 15 В, R1 = 820 Ом, R2 = 24 кОм - светодиод оптрона возбуждается током (5 мА), достаточным для насыщения транзистора и уверенного управления устройством на МДП-транзисторах.

Активно используются оптические связи в телефонных устройствах и системах. С помощью оптронов технически несложными средствами удается подключать к телефонным линиям микроэлектронные устройства, предназначенные для вызова, индикации, контроля и других целей.

Введение оптических связей в электронную измерительную аппаратуру, кроме полезной во многих отношениях гальванической развязки исследуемого объекта и измерительного прибора, позволяет также резко уменьшить влияние помех, действующих по цепям заземления и питания.

Значительный интерес представляют возможности и опыт использования оптоэлектронных приборов и устройств в биомедицинской аппаратуре. Оптроны позволяют надежно изолировать больного от действия высоких напряжений, имеющихся, например, в электрокардиографических приборах.

Бесконтактное управление мощными, высоковольтными цепями по оптическим каналам весьма удобно и безопасно в сложных технических режимах, характерных для многих устройств и комплексов промышленной электроники. В этой области сильны позиции тиристорных оптронов (рис 4.3).

mirznanii.com

Оптроны

Оптрон– это полупроводниковый прибор, в котором конструктивно объединены источник и приемник излучения, имеющие между собой оптическую связь. В источнике излучения электрические сигналы преобразуются в световые, которые воздействуют на фотоприемник и создают в нем снова электрические сигналы. Если оптрон имеет только один излучатель и один приемник излучения, то его называютоптопаройилиэлементарным оптроном. Микросхема, состоящая из одной или нескольких оптопар с дополнительными согласующими и усилительными устройствами, называется оптоэлектронной интегральной микросхемой. На входе и выходе оптрона всегда имеются электрические сигналы, а связь входа с выходом осуществляется световыми сигналами. Цепь излучатель является управляющей, а цепь фотоприемника – управляемой.

Конструктивно в оптронах излучатель и приемник излучения помещаются в корпус и заливаются оптически прозрачным клеем (рис.4.14).

Важнейшие достоинства оптронов:

Отсутствие электрической связи между входом и выходом и обратной связи между фотоприемником и излучателем.
Широкая полоса частот пропускаемых колебаний, возможность передачи сигналов с частотой от 0 до 1014Гц.
Возможность управления выходными сигналами путем воздействия на оптическую часть.
Высокая помехозащищенность оптического канала, т.е. его невосприимчивость к воздействию внешних электромагнитных полей.
Возможность совмещения в РЭА с другими полупроводниковыми и микроэлектронными приборами.

Недостатки оптронов следующие:

Относительно большая потребляемая мощность, из-за того, что дважды происходит преобразование энергии, причем КПД этих преобразований невысок.
Невысокая температурная стабильность и радиационная стойкость.
Заметное «старение», т.е. ухудшение параметров с течением времени.
Сравнительно высокий уровень собственных шумов.
Необходимость применения гибридной технологии вместо более удобной и совершенной планарной технологии (в одном приборе объединены источник и приемник излучения, сделанные из разных полупроводников).

Рассмотрим различные типы оптопар, отличающиеся друг от друга фотоприемниками.

Резисторные оптопарыимеют в качестве излучателя сверхминиатюрную лампочку накаливания или светодиод, дающий видимое или инфракрасное излучение. Приемником излучения является фоторезистор из селенида кадмия или сульфида кадмия для видимого излучения, а для инфракрасного – из селенида или сульфида свинца. Фоторезистор может работать как на постоянном, так и на переменном токе. Для хорошей работы оптопары необходимо согласование излучателя и фоторезистора по спектральным характеристикам. Схема включения резисторной оптопары изображена на рис.4.15.

Диодные оптопары(рис.4.16,а) имеют обычно кремниевый фотодиод и инфракрасный арсенидо-галлиевый светодиод. Фотодиод может работать в фотогенераторном режиме, создавая фото-ЭДС до 0,8В, или в фотодиодном режиме. Диоды изготовляют по планарно-эпитаксиальной технологии. Для повышения быстродействия применяют фотодиоды типаp-i-n.

Применение диодных оптопар весьма разнообразно. Например, на основе диодных оптопар создаются импульсные трансформаторы, не имеющие обмоток. Оптопары используются для передачи сигналов между блоками сложной РЭА, для управления работой различных микросхем, особенно микросхем на МДП-транзисторах, у которых входной ток очень мал. Разновидность диодных оптопар – оптопары, в которых фотоприемником служит фотоварикап (рис.4.16,б).

Транзисторные оптопары(рис.4.16,в) имеют обычно в качестве излучателя арсенидно-галлиевый светодиод, а приемника излучения – биполярный кремниевый фототранзистор типаn-p-n. Основные параметры входной цепи таких оптопар аналогичны параметрам диодных оптопар. Оптопары этого типа работают главным образом в ключевом режиме и применяются в коммутаторных схемах, устройствах связи различных датчиков с измерительными блоками, в качестве реле и во многих других случаях.

Тиристорные оптопарыимеют в качестве фотоприемника кремниевый фототиристор (рис.4.16,г) и применяются в ключевых режимах. Основная область использования – схемы для формирования мощных импульсов, управления мощными тиристорами, управления и коммутации различных устройств с мощными нагрузками. Параметры тиристорных оптопар – входные и выходные токи и напряжения, соответствующие включению, рабочему режиму и максимальным допустимым режимам, а также время включения и выключения, параметры изоляции между входной и выходной цепями.

Оптоэлектронные интегральные микросхемы(ОЭ ИМС) имеют оптическую связь между отдельными узлами или компонентами. В этих микросхемах, изготовляемых на основе диодных, транзисторных, тиристорных оптопар, кроме излучателей и фотоприемников содержатся еще устройства для обработки сигналов, полученных от фотоприемника. Особенность ОЭ ИМС – однонаправленная передача сигнала и отсутствие обратной связи.

Различные ОЭ ИМС используются главным образом в качестве переключателей логических и аналоговых сигналов, реле и схем цифро-буквенной индикации.

studfiles.net

6.1.4. Режимы эксплуатации диодных оптопар

Типичным представителем класса диодных оптопар являются оптопары, состоящие из арсенидогаллиевого излучателя и кремниевого p—i—n-фотодиода, которые связаны кремнийорганической оптической средой.

При эксплуатации оптопар такого типа трудно получить = 20 – 40 нс, которое приводится в паспорте таких приборов. В самом деле, при тех малых выходных токах, которые обеспечивает эта оптопара, ее нагрузка должна быть 1 – 10 кОм, что при собственной выходной емкости оптопары около 10 пФ дает постоянную времени перезаряда, равную примерно 0,1 – 1 мкс. Таким образом, быстродействие такого типа оптопар определяется чаще всего ее выходной емкостью. Быстродействие оптопар, которое задается в справочниках, определяется при работе на нагрузку 50 Ом, что практически характеризует предельное быстродействие оптопары, и достижимо при особом построении цепи нагрузки.

Основные зависимости временных параметров быстродействия диодных оптопар от режима эксплуатации приведены на рис. 6.5. Изменение входного тока оптопары по-разному влияет на изменение времени нарастания () и времени спада (), т.е. время переключения () практически не меняется. Характерно, что уже при = 3 – 5 В переходные процессы в p—i—n-фотодиоде протекают столь быстро, что быстродействие оптопары определяется излучателем и поэтому от напряжения на фотодиоде не зависит.

Для диодных оптопар характерна относительно слабая температурная зависимость () (рис. 6.6), обусловленная главным образом зависимостью от температуры Т параметров излучателя. В диапазоне от -60 до +85 °С зависимость практически линейна и характеризуется температурным коэффициентом:

Рис. 6.6. Зависимость коэффициента передачи тока от температуры

В классе диодных оптопар выделяют обычно так называемые оптоизоляторы, которые между излучателем и фотоприемником имеют жесткий световод, упакованный в специальный корпус длиной 40 – 100 мм. Проходная емкость при этом падает до ничтожных значений, около 0,01 пФ, а электрическая прочность повышается до 20 – 50 кВ.

Диодные оптопары обладают наиболее линейной передаточной характеристикой среди других типов оптопар и широко применяются для передачи аналогового сигнала. Широкий диапазон рабочих частот, малый уровень собственных шумов, слабая температурная зависимость параметров – это также преимущества диодных оптопар с точки зрения их применения в аналоговых устройствах.

Значение коэффициента передачи по току () диодной оптопары можно увеличить, введя в выходную цепь интегральный усилитель. Основная трудность передачи аналогового сигнала заключается прежде всего в узком диапазоне линейности передаточной характеристики и низкой степени этой линейности. Типичная передаточная характеристика – зависимость:

для диодной оптопары (рис. 6.7) – линейна в диапазоне от до . При малых входных токах () излучательная способность излучателя оптопары еще не достигает нормального уровня. При больших входных токах () начинается сказываться разогрев структуры и, как следствие, температурное изменение параметров.

Рис. 6.7. Передаточная характеристика диодной оптопары

На рис. 6.7 представлена также зависимость коэффициента передачи по току в относительных единицах:

где – коэффициент передачи по току на линейном участке передаточной характеристики, Кроме того, видно, что на краях рабочего диапазона (при и ) коэффициент передачи по току () уменьшается. При заданном диапазоне изменения входного тока нелинейность оптопары задается в процентах:

Используя современные диодные оптопары (например, АОД 101), при хорошей термостабилизации можно обеспечить передачу аналогового сигнала с нелинейностью 1 – 5 % при . Снижение нелинейности ведет к резкому сужению рабочего диапазона токов. Существенно осложняет задачу неискаженной передачи аналоговой информации через оптопару большой разброс параметров, а также большая временная нестабильность этих параметров (примерно 5 – 20 % за 100 000 ч.)

Рис. 6.8. Усилитель с дифференциальной оптопарой

Значительно повышается качество передачи аналогового сигнала при использовании дифференциальной диодной оптопары. Рассмотрим принцип улучшения линейности передаточной характеристики с помощью дифференциально диодной оптопары на примере (рис. 6.8). Светоизлучающий диод (СИД) оптопары СД облучает два однотипных, имеющих одинаковые параметры фотодиода ФД1 и ФД2. Ток СИД () в такой схеме определяется не только входным током , но и током обратной связи ():

, (6.2)

где – коэффициент усиления каскада A1; — коэффициент передачи по току оптопары СД – ФД1.

Из выражения (6.2) имеем:

При глубокой обратной связи () ток СИД равен:

и фототок

Для однотипных оптопар коэффициенты и одинаковы и изменяются в равной степени. В результате фототок равен:

и не зависит от нелинейности и нестабильности характеристик оптопары. Усиление полезного сигнала обеспечивается каскадом А2. Нелинейность усиления такого усилителя с дифференциальной оптопарой составляет 0,01 – 0,2 %, стабильность () в течение 100000 ч равна 0,075 %.

Особым случаем эксплуатации следует считать работу диодных оптопар в фотогальваническом режиме (рис. 6.9). Основным требованием к таким оптопарам (источникам энергии с электрической изоляцией) является высокий КПД:

, (6.3)

где – максимальная мощность, которая может быть отдана фотоприемником в нагрузку. Для типичной ВАХ

где а = 0,7 – 0,8.

Подставляя значение выходного тока из выражения (6.1) в выражение (6.3), получаем:

Следует иметь в виду, что в последнем выражении используется значение , измеренное врежиме короткого замыкания на выходе; кроме того, для таких оптопар выгодно использовать фотоприемники на основе широкозонных полупроводников, которые обеспечивают большое значение .

Оптопары, предназначенные для эксплуатации в фотогальваническом режиме, характеризуются большим значением %; измерение производится без приложения обратного напряжения.

electrono.ru

<<	<	Ноябрь 2013			>	>>
Пн	Вт	Ср	Чт	Пт	Сб	Вс
				1	2	3
4	5	6	7	8	9	10
11	12	13	14	15	16	17
18	19	20	21	22	23	24
25	26	27	28	29	30