Транзисторные оптопары

ОПТОПАРЫ (Оптроны)

Общие сведения

 

Оптоэлектроника – одно из наиболее развитых направлений в функциональной микроэлектронике. В понятие “оптоэлектроника” включают и такие недавно возникшие направления, как лазерная техника, волоконная оптика, голография и другие.

В настоящее время оптоэлектронный прибор определяется как :

1) прибор чувствительный к электромагнитному излучению в видимой, инфракрасной или ультрафиолетовой областях спектра;

2) прибор излучающий и преобразующий некогерентное или когерентное излучение в этих же спектральных областях;

3) прибор, использующий электромагнитное излучение для своей работы.

Оптоэлектроника основана на электронно-оптическом принципе получения, передачи, обработки и хранения информации, носителем которой является электрически нейтральный фотон.

Изготовление ПП элементов оптоэлектроники оптронов совместимо с интегральной технологией, поэтому их создание может быть включено в единый технологический цикл производства интегральных микросхем.

Рассмотрим основные технологические средства оптоэлектроники. Основным элементом является оптрон, или оптопара

Оптопара – оптоэлектронный прибор, содержащий фотоизлучатель и фотоприёмник, оптически и конструктивно связанные друг с другом.

Рис.1. Структурная схема оптрона

1– источника излучения (фотоизлучателя);

2 – световода (оптического канала);

3 – приёмника излучения (фотоприёмника), заключённого

в герметичный светонепроницаемый корпус.

Классификация оптронов:

Тип и название оптрона определяется типом используемого в нем фотоприемника. По этому признаку оптроны бывают:

– резисторные (фотоприёмник – фоторезистор);

– диодные (фотоприёмник – фотодиод);

– транзисторные (фотоприёмник – фототранзистор);

– тиристорные (фотоприёмник – фототиристор);

Применение в электронных цепях:

– переключение;

– усиление;

– согласование;

– преобразование;

– индикация и др.

 

Определение и принцип действия

 

Принцип действия оптопары основан на двойном преобразовании энергии т.е.

1) В излучателях энергия электрического сигнала преобразуется в оптическое излучение, а в фотоприёмниках наоборот;

2) Оптический сигнал вызывает электрический ток или напряжение. Следовательно, оптопара – это прибор с электрическими входными и выходными сигналами, т.е. связь с внешней схемой электрическая. А вот внутри оптопары связь входа с выходом осуществляется с помощью оптических сигналов.

Рассмотрим различные типы оптопар, различающихся друг от друга фотоприёмниками.

Резисторные оптопары

Имеют в качестве излучателя сверхминиатюрную лампочку накаливания или светодиод, дающий видимое или инфракрасное излучение. Приёмником излучения является фоторезистор, который может работать как на постоянном, так и на переменном токе.

Рис.16. Схема включения резисторной оптопары

У данной оптопары выходная цепь питается от источника постоянного или переменного напряжения Е и имеет нагрузку R_н. Напряжение U_упр подаваемое на светодиод, управляет током в нагрузке. Цепь управления хорошо изолирована от фоторезистора, который может быть включён в цепь переменного тока напряжением 220 В.

Резисторные оптопары применяются для автоматического регулирования усиления, связи между каскадами, управления бесконтактными делителями напряжения, модуляции сигналов, формирования различных сигналов и т.д.

Диодные оптопары

 

Данный тип обычно имеет в своём составе инфракрасный светодиод и кремниевый фотодиод. Применение их весьма разнообразно. На их основе создаются импульсные трансформаторы, не имеющие обмоток, что важно для микросхем. Также они используются для передачи сигналов между блоками сложной радиоэлектронной аппаратуры, для управления работой ИМС, особенно тех, у которых входной ток очень мал.

 

Транзисторные оптопары

 

Имеют в своём составе в качестве излучателя - светодиод, а приёмника излучения – биполярный кремниевый фототранзистор типа n-p-n. Оптопары этого типа работают главным образом в ключевом режиме и применяются в коммутаторных схемах, устройствах связи различных датчиков с измерительными блоками, в качестве реле т.д. Для повышения чувствительности оптопары в ней может быть использован составной транзистор.

Тиристорные оптопары

 

Имеют в качестве фотоприёмника кремниевый фототиристор и используется исключительно в ключевых режимах. Применяется для формирования импульсов, управления мощными тиристорами, управления и коммутации различных устройств с мощными нагрузками.

Параметры

В системе параметров можно выделить четыре группы:

– входные параметры (излучателя);

– выходные параметры (фотоприёмника);

– передаточные параметры (параметры передачи сигнала со входа на

выход);

– параметры изоляции.

Входные параметры

 

1. Номинальный входной ток I_вх.ном –значение тока, рекомендуемое для оптимальной эксплуатации оптопары и используемое при измерении её основных параметров.

2. Входное напряжение U_вх- падение напряжения на излучающем диоде в прямом направлении при заданном значении прямого тока ( обычно при I_вх.ном).

3. Входная ёмкость С_вх – ёмкость между входными выводами оптопары в заданном режиме.

Выходные параметры

 

1. U_{ВЫХ.ОБР} – максимальное значение обратного напряжения любой формы, которое допускается прикладывать к выходу оптопары.

2. I_ВЫХ –максимальное значение тока, который допускается пропускать через фотоприёмник во включённом состоянии оптопары.

3. I_УТ – ток утечки на выходе оптопары при I_вх=0 и заданном значении полярности U_вых.

4. U_ОСТ – выходное остаточное напряжение на включённом фототиристоре или фоторезисторе в режиме насыщения.

5. С_ВЫХ – выходная ёмкость фотоприёмника.

Передаточные параметры –характеризуют эффективность передачи электрического сигнала с входа оптопары на выход.

Коэффициент передачи по току – характеризует передачу сигнала со входа оптопары на выход для всех типов оптопар (кроме тиристорных).

Временные параметры – характеризуют быстродействие или скорость передачи сигнала.

1. t_НАР – время нарастания выходного тока от уровня (0,1-0,9) I_вых,max

2. t_ЗАД – время задержки при включении, т.е. время от момента подачи t₀ импульса входного тока до момента нарастания выходного тока до уровня0,1 I _{ВЫХ MAX} .

3. t_ВКЛ = t_НАР + t_ЗАД – время включения оптопары.

4. t_ПЕР = t_ВКЛ+ t_ВЫКЛ – время переключения .

Параметры изоляции

1. U_ИЗ.ПИК. – максимально допустимое пиковое напряжение изоляции определяет возможности оптопары как элемента электрической изоляции.

2. U_ИЗ –статическое напряжение изоляции между входом и выходом.

3. R_ИЗ –сопротивление изоляции (R_из » 10¹² Ом).

 

Параметры определяющие стойкость оптопары к скачкам напряжения:

4. С_ПР – проходная ёмкость (ёмкость между входом и выходом).

5. – максимально допустимая скорость нарастания выходного напр.