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Optokoppler und ihre Anwendung

Einführung

Die Geschichte

Die Idee, Optokoppler zu erstellen und zu verwenden, stammt aus dem Jahr 1955, als Loebner EE "Optoelectronic Devices Network" eine Reihe von Geräten mit optischen und elektrischen Verbindungen zwischen den Elementen vorschlug, die es ermöglichten, Lichtsignale zu verstärken und spektral umzuwandeln, um Geräte mit zwei stabilen Zuständen zu erstellen - bistabile Optokoppler, optoelektronische Geräte zum Speichern und Speichern von Informationen, Logikschaltungen, Schieberegister. Dort wurde auch der Begriff "Optokoppler" vorgeschlagen, der als Abkürzung für das englische "optisch-elektronische Gerät" verwendet wird.

Die in dieser Arbeit beschriebenen Optokoppler, die die Prinzipien perfekt veranschaulichen, erwiesen sich als ungeeignet für die industrielle Implementierung, da sie auf einer unvollständigen Elementarbasis basierten - ineffizienten und trägen Pulverelektrolumineszenzkondensatoren (Emitter) und Fotowiderständen (Empfänger). Die wichtigsten Betriebseigenschaften der Geräte waren unvollständig: niedrige Temperatur und vorübergehende Stabilität der Parameter, unzureichende Beständigkeit gegen mechanische Beanspruchung. Deshalb. Zunächst blieb der Optokoppler nur eine interessante wissenschaftliche Leistung, die in der Technologie keine Anwendung fand.

Erst Mitte der 60er Jahre der Entwicklung von Halbleiter-Leuchtdioden und technologisch fortschrittlichen Hochleistungs-Hochgeschwindigkeits-Silizium-Fotodetektoren mit pn-Übergängen (Fotodioden und Fototransistoren) wurde die elementare Basis der modernen optoelektronischen Technologie geschaffen. Anfang der 70er Jahre entwickelte sich die Herstellung von Optokopplern in den führenden Ländern der Welt zu einem wichtigen und sich schnell entwickelnden Zweig der elektronischen Technologie, der die traditionelle Mikroelektronik erfolgreich ergänzte.

Schlüsseldefinitionen

Optokoppler werden als optoelektronische Bauelemente bezeichnet, bei denen eine Quelle und ein Strahlungsempfänger (Lichtemitter und Fotodetektor) mit der einen oder anderen Art der optischen und elektrischen Kommunikation zwischen ihnen vorhanden sind, die strukturell miteinander verbunden sind.

Das Funktionsprinzip jeder Art von Optokopplern basiert auf dem Folgenden. Im Emitter wird die Energie des elektrischen Signals in Licht umgewandelt, im Fotodetektor hingegen verursacht das Lichtsignal eine elektrische Reaktion.

Nur Optokoppler, die eine direkte optische Kommunikation vom Emitter zum Fotodetektor haben, sind praktisch verteilt, und in der Regel sind alle Arten der elektrischen Kommunikation zwischen diesen Elementen ausgeschlossen.

Je nach Komplexitätsgrad des Strukturschemas werden zwei Gruppen von Bauelementen zwischen optoelektronischen Bauelementen unterschieden. Ein Optokoppler (auch "elementarer Optokoppler" genannt) ist eine optoelektronische Halbleitervorrichtung, die aus emittierenden und Fotodetektorelementen besteht, zwischen denen sich eine optische Kopplung befindet, die eine elektrische Isolation zwischen dem Eingang und dem Ausgang bereitstellt. Eine optoelektronische integrierte Schaltung ist eine Mikroschaltung, die aus einem oder mehreren Optokopplern und einer oder mehreren mit ihnen elektrisch verbundenen Anpassungs- oder Verstärkungsvorrichtungen besteht.

Somit erfüllt eine solche Vorrichtung in der elektronischen Schaltung die Funktion eines Kommunikationselements, in dem gleichzeitig eine elektrische (galvanische) Trennung des Eingangs und des Ausgangs durchgeführt wird.

Besonderheiten von Optokopplern

Die Vorteile dieser Bauelemente beruhen auf dem allgemeinen optoelektronischen Prinzip der Verwendung elektrisch neutraler Photonen zur Informationsübertragung. Die wichtigsten sind wie folgt:

  • die Fähigkeit, eine ideale elektrische (galvanische) Trennung zwischen Eingang und Ausgang bereitzustellen; Für Optokoppler gibt es keine grundlegenden physikalischen oder strukturellen Einschränkungen beim Erreichen beliebig hoher Isolationsspannungen und Isolationswiderstände und einer beliebig kleinen Durchgangskapazität.
  • die Möglichkeit der berührungslosen optischen Steuerung elektronischer Objekte und die daraus resultierende Vielfalt und Flexibilität von Entwurfslösungen für Steuerschaltungen;
  • unidirektionale Verteilung von Informationen über den optischen Kanal, das Fehlen der Rückwärtsreaktion des Empfängers auf den Emitter;
  • eine große Frequenzbandbreite des Optokopplers, das Fehlen von Einschränkungen durch die niedrigen Frequenzen (was typisch für Impulstransformatoren ist); die Fähigkeit, über eine Optokopplerschaltung sowohl ein Impulssignal als auch eine konstante Komponente zu übertragen;
  • die Fähigkeit, das Ausgangssignal des Optokopplers zu steuern, indem das Material des optischen Kanals beeinflusst (einschließlich nicht elektrisch), und die sich daraus ergebende Möglichkeit, eine Vielzahl von Sensoren sowie eine Vielzahl von Vorrichtungen zur Übertragung von Informationen zu erzeugen;
  • die Möglichkeit, funktionelle mikroelektronische Bauelemente mit Fotodetektoren zu schaffen, deren Eigenschaften sich unter Beleuchtung gemäß einem komplexen gegebenen Gesetz ändern;
  • Immunität von optischen Kommunikationskanälen gegen elektromagnetische Felder, die im Fall von "langen" Optokopplern (mit einer verlängerten optischen Faser zwischen dem Sender und dem Empfänger) ihre Immunität gegen Interferenzen und Informationslecks bestimmen und auch gegenseitige Interferenzen beseitigen;
  • physikalische, strukturelle und technologische Kompatibilität mit anderen Halbleiter- und Mikroelektronikgeräten.

Optokoppler haben auch bestimmte Nachteile:

  • erheblicher Stromverbrauch aufgrund der Notwendigkeit einer doppelten Energieumwandlung (Strom - Licht - Strom) und geringer Effizienz dieser Übergänge;
  • erhöhte Empfindlichkeit von Parametern und Eigenschaften gegenüber den Auswirkungen erhöhter Temperatur und eindringender Kernstrahlung;
  • mehr oder weniger merkliche vorübergehende Verschlechterung (Verschlechterung) der Parameter;
  • ein relativ hohes Maß an Eigenrauschen, das wie die beiden vorherigen Nachteile auf die Physik von LEDs zurückzuführen ist;
  • die Komplexität der Implementierung von Rückkopplungen, die durch die elektrische Isolation der Eingangs- und Ausgangsschaltungen verursacht werden;
  • strukturelle und technologische Unvollkommenheit im Zusammenhang mit der Verwendung der nichtplanaren Hybridtechnologie (mit der Notwendigkeit, mehrere - separate Kristalle von verschiedenen Halbleitern in verschiedenen Ebenen in einem Gerät zu kombinieren).

Die aufgeführten Nachteile der Optokoppler, da Materialien, Technologie und Schaltkreise verbessert werden, werden teilweise beseitigt, werden jedoch für lange Zeit von grundlegender Bedeutung sein. Ihre Vorteile sind jedoch so hoch, dass sie unter anderen mikroelektronischen Bauelementen zuverlässige, nicht wettbewerbsfähige Optrons liefern.

Verallgemeinertes Blockdiagramm

Als Kommunikationselement ist der Optokoppler durch einen Übertragungskoeffizienten K i gekennzeichnet , der durch das Verhältnis von Ausgangs- und Eingangssignalen bestimmt wird, und eine maximale Informationsübertragungsrate F. Praktisch anstelle von F wird die Dauer des Anstiegs und Abfalls der übertragenen Impulse t nar (cn) oder die Grenzfrequenz gemessen. Die Fähigkeiten des Optokopplers als Element der galvanischen Trennung sind durch die maximale Spannung und den maximalen Isolationswiderstand von U dec und R dec und durch die Durchgangskapazität C dec gekennzeichnet .

Im Strukturdiagramm in Abb. 1 Eingabegerät wird verwendet, um den Betriebsmodus des Emitters (zum Beispiel die Verschiebung der LED auf dem linearen Teil der Watt-Ampere-Charakteristik) und die Umwandlung (Verstärkung) des externen Signals zu optimieren. Die Eingabeeinheit muss einen hohen Umwandlungswirkungsgrad, eine hohe Geschwindigkeit, einen breiten Dynamikbereich zulässiger Eingangsströme (für lineare Systeme) und einen kleinen Wert des Eingangsstroms "Schwelle" aufweisen, der eine zuverlässige Informationsübertragung entlang der Schaltung gewährleistet.

Verallgemeinertes Blockschaltbild eines Optokopplers

Abb. 1. Verallgemeinertes Blockschaltbild des Optokopplers

Der Zweck des optischen Mediums besteht darin, die Energie des optischen Signals vom Emitter zum Fotodetektor zu übertragen und in vielen Fällen die mechanische Integrität der Struktur sicherzustellen.

Die grundsätzliche Möglichkeit, die optischen Eigenschaften des Mediums beispielsweise durch Verwendung elektrooptischer oder magnetooptischer Effekte zu steuern, spiegelt sich in der Einführung einer Steuervorrichtung in die Schaltung wider. In diesem Fall erhalten wir einen Optokoppler mit einem gesteuerten optischen Kanal, der sich funktional von einem „herkömmlichen“ Optokoppler unterscheidet: Das Ausgangssignal kann wie folgt geändert werden Eingangs- und Steuerschaltung.

Im Fotodetektor erfolgt die "Wiederherstellung" des Informationssignals von optisch zu elektrisch; bei dem Streben nach hoher Empfindlichkeit und hoher Geschwindigkeit.

Schließlich ist das Ausgabegerät so ausgelegt, dass es das Signal des Fotodetektors in eine Standardform umwandelt, um die Kaskaden, die dem Optokoppler folgen, zu beeinflussen. Eine fast obligatorische Funktion des Ausgabegeräts ist die Signalverstärkung, da Verluste nach Doppelumwandlung sehr signifikant sind. Oft wird die Verstärkungsfunktion auch vom Fotodetektor selbst (zum Beispiel einem Fototransistor) ausgeführt.

Das allgemeine Strukturdiagramm von Abb. 1 ist in jedem spezifischen Gerät nur ein Teil der Blöcke implementiert. Dementsprechend gibt es drei Hauptgruppen von Geräten der optronischen Technologie; die zuvor genannten Optokoppler (elementare Optokoppler) unter Verwendung von Lichtemitter - optischem Medium - Fotodetektorblöcken; optoelektronische (optronische) Mikroschaltungen (Optokoppler mit zusätzlichem Ausgang und manchmal einem Eingabegerät); Spezielle Arten von Optokopplern - Geräte, die sich funktionell und strukturell erheblich von elementaren Optokopplern und optoelektronischen ICs unterscheiden.

Ein echter Optokoppler kann angeordnet und komplizierter sein als die Schaltung in Fig. 1. 1; Jeder dieser Blöcke kann nicht einen, sondern mehrere identische oder ähnliche Elemente enthalten, die elektrisch und optisch miteinander verbunden sind. Dies ändert jedoch nichts an den Grundlagen der Physik und Elektronik des Optokopplers.

Anwendung

Als Elemente der galvanischen Trennung werden Optokoppler verwendet: zur Kommunikation von Geräteblöcken, zwischen denen ein erheblicher Potentialunterschied besteht; zum Schutz der Eingangskreise von Messgeräten vor Störungen und Störungen usw.

Ein weiterer wichtiger Anwendungsbereich von Optokopplern ist die optische, berührungslose Steuerung von Hochstrom- und Hochspannungsschaltungen. Einführung leistungsstarker Thyristoren, Triacs, Triacs und Steuerung elektromechanischer Relais.

Eine spezielle Gruppe von Steueroptokopplern besteht aus Widerstandsoptokopplern, die für Niedrigstromschaltkreise in komplexen Geräten zur visuellen Anzeige von Informationen auf Elektrolumineszenz- (Pulver-) Indikatoren, Mnemonikdiagrammen und Bildschirmen ausgelegt sind.

Die Schaffung von „langen“ Optokopplern (Geräten mit einer erweiterten flexiblen Glasfaser) hat eine völlig neue Richtung bei der Verwendung von Optokopplerprodukten eröffnet - die Kommunikation über kurze Entfernungen.

Verschiedene Optokoppler (Diode, Widerstand, Transistor) werden auch in rein funktechnischen Modulationsschemata, automatischer Verstärkungsregelung usw. verwendet. Der Einfluss auf den optischen Kanal wird hier verwendet, um die Schaltung in den optimalen Betriebsmodus zu bringen, um den Modus berührungslos abzustimmen usw.

Die Möglichkeit, die Eigenschaften des optischen Kanals unter verschiedenen äußeren Einflüssen zu ändern, ermöglicht es Ihnen, eine ganze Reihe von Optokopplern zu erstellen: Dies sind Feuchtigkeits- und Gassensoren, Sensoren für das Vorhandensein einer bestimmten Flüssigkeit im Volumen, Sensoren für die Reinheit der Verarbeitung der Oberfläche eines Objekts, seine Geschwindigkeit usw.

Ganz spezifisch ist die Verwendung von Optokopplern für Energiezwecke, d. H. Der Betrieb eines Diodenoptokopplers in einem Photofan-Modus. In diesem Modus erzeugt die Fotodiode elektrische Energie für die Last und der Optokoppler ähnelt in gewissem Maße einer Sekundärstromquelle mit geringer Leistung, die vollständig vom Primärkreis isoliert ist.

Die Erstellung von Optokopplern mit Fotowiderständen, deren Eigenschaften sich unter Beleuchtung gemäß einem bestimmten komplexen Gesetz ändern und die Simulation mathematischer Funktionen ermöglichen, ist ein Schritt zur Erstellung einer funktionalen Optoelektronik.

Die Vielseitigkeit von Optokopplern als Elemente der galvanischen Trennung und der berührungslosen Steuerung, die Vielfalt und Einzigartigkeit vieler anderer Funktionen sind der Grund dafür, dass die Anwendungen dieser Geräte Computertechnologie, Automatisierungs-, Kommunikations- und Funkgeräte, automatisierte Steuerungssysteme, Messgeräte, Steuerungs- und Regelungssysteme sowie medizinische Elektronik sind , Geräte zur visuellen Anzeige von Informationen.

Physikalische Grundlagen der optronischen Technologie

Elementarbasis und Vorrichtung von Optokopplern

Die elementare Basis von Optokopplern sind Fotodetektoren und Emitter sowie das optische Medium zwischen ihnen. Alle diese Elemente unterliegen allgemeinen Anforderungen wie kleinen Abmessungen und Gewicht, hoher Haltbarkeit und Zuverlässigkeit, Beständigkeit gegen mechanische und klimatische Einflüsse, Herstellbarkeit und geringen Kosten. Es ist auch wünschenswert, dass die Elemente eine ziemlich breite und langwierige industrielle Prüfung bestehen.

Funktionell (als Element der Schaltung) ist der Optokoppler hauptsächlich durch den Typ des verwendeten Fotodetektors gekennzeichnet.

Der erfolgreiche Einsatz eines Fotodetektors in einem Optokoppler wird durch die Erfüllung der folgenden Grundanforderungen bestimmt: die Effizienz der Umwandlung der Energie von Strahlungsquanten in die Energie mobiler elektrischer Quanten; das Vorhandensein und die Wirksamkeit der internen eingebauten Verstärkung; hohe Geschwindigkeit; Funktionsbreite.

Optokoppler verwenden Fotodetektoren mit verschiedenen Strukturen, die im sichtbaren und nahen Infrarot empfindlich sind, da in diesem Spektralbereich intensive Strahlungsquellen vorhanden sind und Fotodetektoren ohne Kühlung betrieben werden können.

Am universellsten sind Fotodetektoren mit pn-Übergängen (Dioden, Transistoren usw.). In den allermeisten Fällen werden sie auf der Basis von Silizium hergestellt, und der Bereich ihrer maximalen spektralen Empfindlichkeit liegt nahe l = 0,7 ... 0,9 μm .

An die Emitter von Optokopplern werden zahlreiche Anforderungen gestellt. Die wichtigsten: spektrale Anpassung an den ausgewählten Fotodetektor; hohe Effizienz bei der Umwandlung von elektrischer Stromenergie in Strahlungsenergie; Hauptfokus der Strahlung; hohe Geschwindigkeit; Einfachheit und Bequemlichkeit der Anregung und Modulation von Strahlung.

Für die Verwendung in Optokopplern sind verschiedene Arten von Emittern geeignet und verfügbar:

  • Miniaturglühlampen.
  • Neonröhren , die das Leuchten einer elektrischen Entladung eines Neon-Argon-Gasgemisches nutzen.
    Diese Emittertypen zeichnen sich durch geringe Lichtleistung, geringe Beständigkeit gegen mechanische Beanspruchung, begrenzte Haltbarkeit, große Abmessungen und vollständige Inkompatibilität mit integrierter Technologie aus. Trotzdem können sie bei bestimmten Arten von Optokopplern Anwendung finden.
  • Die elektrolumineszierende Pulverzelle verwendet feinkristalline Zinksulfidkörner (aktiviert durch Kupfer, Mangan oder andere Additive), die in einem polymerisierten Dielektrikum als Leuchtkörper suspendiert sind. Wenn ausreichend hohe Wechselspannungen angelegt werden, tritt der Prozess der Lumineszenz vor dem Abbau auf.
  • Dünnschicht-Elektrolumineszenzzellen . Das Leuchten hier ist auf die Anregung von Manganatomen durch "heiße" Elektronen zurückzuführen.

Sowohl Pulver- als auch Filmelektrolumineszenzzellen haben eine geringe Effizienz bei der Umwandlung elektrischer Energie in Licht, eine geringe Haltbarkeit (insbesondere Dünnschicht) und sind schwer zu steuern (zum Beispiel ist der optimale Modus für Pulverphosphore ~ ​​220 V bei f = 400 ... 800 Hz). Der Hauptvorteil dieser Emitter ist die konstruktive und technologische Kompatibilität mit Fotowiderständen, die Möglichkeit, auf dieser Basis multifunktionale Mehrelement-Optokopplerstrukturen zu erzeugen.

Der universellste Emittertyp, der in Optokopplern verwendet wird, ist eine Halbleiterinjektions-Leuchtdiode - LED. Dies ist auf folgende Vorteile zurückzuführen: hoher Wert der Effizienz der Umwandlung elektrischer Energie in optische; enges Emissionsspektrum (Quasimonochromatizität); Breitengrad des von verschiedenen LEDs abgedeckten Spektralbereichs; Richtwirkung der Strahlung; hohe Geschwindigkeit; niedrige Werte für Versorgungsspannungen und -ströme; Kompatibilität mit Transistoren und integrierten Schaltkreisen; Einfachheit der Modulation der Strahlungsleistung durch Änderung des Gleichstroms; die Fähigkeit, sowohl im gepulsten als auch im kontinuierlichen Modus zu arbeiten; Linearität der Wattampere-Charakteristik in einem mehr oder weniger weiten Bereich von Eingangsströmen; hohe Zuverlässigkeit und Haltbarkeit; kleine Abmessungen; technologische Kompatibilität mit Mikroelektronikprodukten.

Die allgemeinen Anforderungen an das optische Immersionsmedium des Optokopplers sind wie folgt: ein hoher Wert des Brechungsindex n durch ihn ; hoher Widerstandswert für sie ; hohe kritische Feldstärke E im cr , ausreichende Wärmebeständigkeit Dq im Slave ; gute Haftung mit Kristallen aus Silizium und Galliumarsenid; Elastizität (dies ist notwendig, da es nicht möglich ist, die Übereinstimmung der Elemente des Optokopplers mit den Wärmeausdehnungskoeffizienten sicherzustellen); mechanische Festigkeit, da das Eintauchmedium in den Optokoppler nicht nur Lichtdurchlässigkeit, sondern auch strukturelle Funktionen erfüllt; Herstellbarkeit (Benutzerfreundlichkeit, Reproduzierbarkeit der Eigenschaften, Billigkeit usw.).

Der Haupttyp des in Optokopplern verwendeten Immersionsmediums sind optische Polymerklebstoffe. Typischerweise für sie ist n im = 1,4 ... 1,6, r im > 10 12 ... 10 14 Ohm cm, E im cr = 80 kV / mm, Dq im Slave = - 60 ... 120 C. Klebstoffe besitzen eine gute Haftung auf Silizium und Galliumarsenid, kombinieren hohe mechanische Festigkeit und Temperaturwechselbeständigkeit. Es werden auch nicht aushärtende Vaseline-ähnliche und gummiartige optische Medien verwendet.

Physik der Energieumwandlung in einem Diodenoptokoppler

Die Berücksichtigung der Prozesse der Energieumwandlung in einem Optokoppler erfordert die Berücksichtigung der Quantennatur des Lichts. Es ist bekannt, dass elektromagnetische Strahlung als ein Strom von Teilchen dargestellt werden kann - Quanten (Photonen), Energie. jedes davon wird durch das Verhältnis bestimmt:

E f = hn = hc / nl (2,1)

wobei h die Planck-Konstante ist;
c ist die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum;
n ist der Brechungsindex des Halbleiters;
n, l - Schwingungsfrequenz und Wellenlänge der optischen Strahlung.

Wenn die Dichte des Quantenflusses (d. H. Die Anzahl der Quanten, die pro Zeiteinheit durch eine Flächeneinheit fliegen) gleich N f ist , beträgt die gesamte spezifische Strahlungsleistung:

P f = N f * E f (2,2)

und wie aus (2.1) ersichtlich ist, ist die Strahlungswellenlänge für ein gegebenes N f umso kürzer, je größer es ist. Da in der Praxis P f (Energieexposition des Fotodetektors) angegeben ist, erscheint die folgende Beziehung nützlich

N f = P f / E f = 5 · 10 & supmin; ¹ & sup5 ; l P f (2,3)

wobei N f , cm –2 s –1 ; l Mikrometer; P f , mW / cm.

Energiediagramm eines Halbleiters mit direkter Lücke (am Beispiel der ternären GaAsP-Verbindung)

Abb. 2. Energiediagramm eines Halbleiters mit direkter Lücke (am Beispiel der ternären GaAsP-Verbindung)

Der Mechanismus der Injektionslumineszenz in einer LED besteht aus drei Hauptprozessen: strahlende (und nicht strahlende) Rekombination in Halbleitern, Injektion von überschüssigen Minoritätsladungsträgern in die Basis der LED und Emission von Strahlung aus dem Erzeugungsbereich.

Die Rekombination von Ladungsträgern in einem Halbleiter wird zunächst durch sein Banddiagramm, das Vorhandensein und die Art von Verunreinigungen und Defekten sowie den Grad der Verletzung des Gleichgewichtszustands bestimmt. Die Hauptmaterialien von Optokopplern (GaAs und darauf basierende ternäre Verbindungen GaA1As und GaAsP) sind Halbleiter mit direkter Lücke, d.h. zu solchen, bei denen direkte optische Übergänge von Zone zu Zone zulässig sind (Abb. 2). Jeder Akt der Rekombination eines Ladungsträgers nach diesem Schema wird von der Strahlung eines Quantums begleitet, dessen Wellenlänge gemäß dem Gesetz der Energieerhaltung durch das Verhältnis bestimmt wird:

l out [μm] = 1,23 / E f [eB] (2,4)

Es ist zu beachten, dass es konkurrierende nicht strahlende Rekombinationsmechanismen gibt. Zu den wichtigsten gehören:

  1. Rekombination in tiefen Zentren. Ein Elektron kann nicht direkt, sondern über bestimmte Rekombinationszentren, die die zulässigen Energieniveaus in der Bandlücke bilden, auf das Valenzband übertragen werden (Niveau E t in Abbildung 2).
  2. Auger Rekombination (oder Percussion). Bei sehr hohen Konzentrationen an freien Ladungsträgern in einem Halbleiter steigt die Wahrscheinlichkeit einer Kollision von drei Körpern, die Energie eines rekombinierenden Elektron-Loch-Paares wird dann dem dritten freien Träger in Form von kinetischer Energie gegeben, die er bei Kollisionen mit einem Gitter allmählich verbraucht.

Elektrische (a) und optische (b) LED-Modelle

Abb. 3. Elektrische (a) und optische (b) LED-Modelle. A ist der optisch "transparente" Teil des Kristalls; B ist der aktive Teil des Kristalls; C ist der "undurchsichtige" Teil des Kristalls; D - ohmsche Kontakte; E ist der Raumladungsbereich

Die relative Rolle verschiedener Rekombinationsmechanismen wird beschrieben, indem das Konzept der internen Quantenausbeute der Strahlung h int eingeführt wird , das durch das Verhältnis der Wahrscheinlichkeit der strahlenden Rekombination zur gesamten (strahlenden und nicht strahlenden) Wahrscheinlichkeit der Rekombination (oder andernfalls durch das Verhältnis der Anzahl der erzeugten Quanten zur Anzahl der gleichzeitig injizierten Minoritätsträger) bestimmt wird. Der Wert von h int ist das wichtigste Merkmal des in der LED verwendeten Materials; offensichtlich 0 h int 100%

Eine überschüssige Konzentration an freien Ladungsträgern im aktiven (emittierenden) Bereich des LED-Kristalls wird erzeugt, indem ihnen ein in Vorwärtsrichtung vorgespannter pn-Übergang injiziert wird.

Ein "nützlicher" Komponentenstrom, der die Strahlungsrekombination im aktiven Bereich der Diode unterstützt, ist der durch den pn-Übergang injizierte Elektronenstrom I n (Fig. 3a). Die "nutzlosen" Gleichstromkomponenten umfassen:

  1. Die Lochkomponente I p ist aufgrund der Injektion von Löchern in den n-Bereich und aufgrund der Tatsache, dass es keine pn-Übergänge mit einseitiger Injektion gibt, der Anteil dieses Stroms umso kleiner, je stärker der dotierte n-Bereich im Vergleich zum p-Bereich ist.
  2. Rekombinationsstrom (nicht strahlend) im Raumladungsbereich des pn-Übergangs von I- Flüssen . In Halbleitern mit einer großen Bandlücke bei kleinen Vorwärtsvorspannungen kann der Anteil dieses Stroms spürbar sein.
  3. Der Tunnelstrom wird aufgrund des "Lecks" von Ladungsträgern durch eine Potentialbarriere eingestellt. Der Strom wird von den Hauptträgern übertragen und trägt nicht zur Strahlungsrekombination bei. Der Tunnelstrom ist umso größer, je schmaler der pn-Übergang ist. Dies macht sich bei einem starken Dotierungsgrad des Basisbereichs und bei großen Vorwärtsvorspannungen bemerkbar.
  4. Der Oberflächenleckstrom I p aufgrund des Unterschieds der Eigenschaften der Oberfläche des Halbleiters von den Eigenschaften des Volumens und des Vorhandenseins bestimmter Kurzschlusseinschlüsse.

Der Wirkungsgrad des pn-Übergangs ist durch einen Injektionskoeffizienten gekennzeichnet:

(2.5)

Offensichtlich sind die Grenzen einer möglichen Änderung von g die gleichen wie für h int , d. H. 0 g 100%

Wenn Strahlung aus dem Erzeugungsbereich entfernt wird, treten die folgenden Arten von Energieverlusten auf (Fig. 3b):

  1. Selbstabsorptionsverluste (Strahlen 1). Wenn die Wellenlänge der erzeugten Quanten genau der Formel (2.4) entspricht, stimmt sie mit der „roten Grenze“ der Absorption überein (siehe unten), und diese Strahlung wird in der Masse des Halbleiters schnell absorbiert (Selbstabsorption). Tatsächlich folgt die Strahlung in Halbleitern mit direkter Lücke nicht dem oben angegebenen idealen Schema. Daher ist die Wellenlänge der erzeugten Quanten etwas länger als gemäß (2.4):
  2. Verluste bei der Totalreflexion (Strahlen 2). Es ist bekannt, dass, wenn Lichtstrahlen auf die Grenzfläche zwischen einem optisch dichten Medium (Halbleiter) und einem optisch weniger dichten Medium (Luft) fallen, für einige dieser Strahlen die Bedingung der Totalreflexion erfüllt ist und solche im Kristall reflektierten Strahlen letztendlich aufgrund der Selbstabsorption verloren gehen.
  3. Verluste bei Rück- und Endstrahlung (Strahl 3 und 4).

Quantitativ ist die Effizienz der Ausgabe optischer Energie von einem Kristall durch den Ausgangskoeffizienten K opt gekennzeichnet , der durch das Verhältnis der in die gewünschte Richtung austretenden Strahlungsleistung zur im Kristall erzeugten Strahlungsleistung bestimmt wird. Für die Koeffizienten h int und g ist die Bedingung 0 immer erfüllt Zum Großhandel 100%
g . Ein integraler Indikator für das Emissionsvermögen einer LED ist die Größe der externen Quantenausbeute h ext . Aus dem Vorstehenden ist klar, dass h ext = h intg K opt .

Gehen wir weiter zur Empfangseinheit. Das Funktionsprinzip der in Optokopplern verwendeten Fotodetektoren basiert auf dem internen photoelektrischen Effekt, der in der Trennung von Elektronen von Atomen im Körper unter dem Einfluss elektromagnetischer (optischer) Strahlung besteht.

In einem Kristall absorbierte Lichtquanten können die Trennung von Elektronen von Atomen verursachen, sowohl vom Halbleiter selbst als auch von der Verunreinigung. Dementsprechend spricht man von intrinsischer (Verunreinigung) und Verunreinigungsabsorption (photoelektrischer Effekt). Da die Konzentration an Verunreinigungsatomen gering ist, sind photoelektrische Effekte, die auf der intrinsischen Absorption beruhen, immer signifikanter als solche, die auf Verunreinigungen beruhen. Alle in Optokopplern verwendeten Fotodetektoren "arbeiten" mit einem beispiellosen photoelektrischen Effekt. Damit ein Lichtquantum die Trennung eines Elektrons von einem Atom bewirkt, müssen offensichtliche Energiebeziehungen erfüllt sein:

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

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

Somit kann der intrinsische photoelektrische Effekt nur auftreten, wenn ein Halbleiter Strahlung mit einer Wellenlänge von weniger als einem bestimmten Wert von 1 gr ausgesetzt wird:

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

Die zweite Gleichheit in (2.8) ist gültig, wenn l g in Mikrometern ausgedrückt wird und die Halbleiterbandlücke E g in Elektronenvolt ausgedrückt wird. Der Wert von l gr wird als langwelliger oder "roter" Rand der spektralen Empfindlichkeit des Materials bezeichnet.

Die Intensität des photoelektrischen Effekts (in dem Spektralbereich, in dem er existieren kann) hängt von der Quantenausbeute ab, die durch das Verhältnis der Anzahl der erzeugten Elektron-Loch-Paare zur Anzahl der absorbierten Photonen bestimmt wird. Eine Analyse der experimentellen Abhängigkeiten von zeigt, dass im für Optrone interessanten Spektralbereich b = 1 ist.

Die Bildung freier Ladungsträger unter Einwirkung von Bestrahlung manifestiert sich im Halbleiter in Form von zwei photoelektrischen Effekten: Photoleitfähigkeit (Erhöhung der Leitfähigkeit der Probe bei Belichtung) und Photovoltaik (Auftreten von Photo-EMK am pn-Übergang oder einer anderen Form von Potentialbarriere im Halbleiter bei Beleuchtung). Beide Effekte werden in der Praxis der Konstruktion von Fotodetektoren verwendet; Für Optokoppler ist die Verwendung des Photo-EMK-Effekts vorzuziehen und dominant.

Die Hauptparameter und Eigenschaften von Fotodetektoren (unabhängig von der physikalischen Natur und dem Design dieser Geräte) können in mehrere Gruppen unterteilt werden. Zu den optischen Eigenschaften gehören die lichtempfindliche Oberfläche, das Material, die Abmessungen und die Konfiguration des optischen Fensters; maximale und minimale Strahlungsleistung. Für elektrooptische Lichtempfindlichkeit den Grad der Gleichmäßigkeit der Empfindlichkeitsverteilung über den Fotodetektor; Empfindlichkeitsspektraldichte (Abhängigkeit des Parameters, der die Empfindlichkeit charakterisiert, von der Wellenlänge); Eigenrauschen des Fotodetektors und ihre Abhängigkeit von der Beleuchtungsstärke und dem Bereich der Betriebsfrequenzen; zulässige Zeit (Geschwindigkeit); Qualitätsfaktor (ein kombinierter Indikator, mit dem Sie verschiedene Fotodetektoren miteinander vergleichen können); Linearitätsindikator; Dynamikbereich. Als Element der elektrischen Schaltung ist der Fotodetektor zunächst durch die Parameter seiner Ersatzschaltung, die Anforderungen an die Betriebsarten, das Vorhandensein (oder Fehlen) eines integrierten Verstärkungsmechanismus sowie die Art und Form des Ausgangssignals gekennzeichnet. Weitere Merkmale: betriebsbereit, zuverlässig, insgesamt, technologisch - enthalten nichts spezielles „Fotoempfangen“.

Je nach Art des Ausgangssignals (Spannung, Strom) spricht man von der Spannungs- oder Stromlichtempfindlichkeit des Empfängers S, gemessen in V / W bzw. A / W. Die Linearität (oder Nichtlinearität) des Fotodetektors wird durch den Wert des Exponenten n in der Gleichung bestimmt, die das Ausgangssignal mit dem Eingang verbindet: U o (oder I o ) ~ P f . Bei n 1 Fotodetektor ist linear; Der Wertebereich von P f (von P f max bis P f min ), in dem dies erfolgt, bestimmt den dynamischen Linearitätsbereich des Fotodetektors D , üblicherweise ausgedrückt in Dezibel: D = 10 log (P f max / P f min ).

Der wichtigste Parameter des Fotodetektors, der die Schwelle seiner Empfindlichkeit bestimmt, ist die spezifische Erfassungsfähigkeit D, gemessen in W -1 m Hz 1/2 . Für einen bekannten Wert von D ist die Empfindlichkeitsschwelle (minimale nachweisbare Strahlungsleistung) definiert als

P f min = / D (2,9)

wobei A der Bereich des lichtempfindlichen Bereichs ist; D f- Bereich der Arbeitsfrequenzen des Verstärkers von Fotosignalen. Mit anderen Worten spielt der Parameter D die Rolle eines Fotodetektorqualitätsfaktors.

Messschemata und Familien von Strom-Spannungs-Eigenschaften in den Betriebsarten Photodiode (a) und Photoventil (b)

Abb. 4. Messschemata und eine Familie von Strom-Spannungs-Eigenschaften in den Betriebsarten Fotodiode (a) und Fotoventil (b)

Bei Optokopplern erweisen sich nicht alle aufgeführten Merkmale als gleich wichtig. In der Regel arbeiten Fotodetektoren in Optokopplern bei Bestrahlungen, die sehr weit von der Schwelle entfernt sind, so dass die Verwendung der Parameter P f min und D praktisch unbrauchbar ist. Strukturell ist der Fotodetektor im Optokoppler normalerweise beim Eintauchen "versenkt". Das Medium, das es mit dem Emitter verbindet, daher verliert die Kenntnis der optischen Eigenschaften des Eingabefensters seine Bedeutung (in der Regel gibt es kein solches Fenster speziell). Es ist nicht sehr wichtig, die Empfindlichkeitsverteilung über den lichtempfindlichen Bereich zu kennen, da integrale Effekte von Interesse sind.

Wir betrachten den Funktionsmechanismus von Photodetektoren basierend auf dem photovoltaischen Effekt unter Verwendung von planar-epitaktischen Photodioden mit einem pn-Übergang und einer p-in-Struktur, in denen Sie ein n + -Substrat, eine n- oder i-Base (schwache Leitfähigkeit n) auswählen können -Typ) und eine dünne p + -Schicht. Beim Betrieb im Fotodiodenmodus (Fig. 4a) bewirkt eine extern angelegte Spannung, dass die sich bewegenden Löcher und Elektronen den pn (pi) -Übergang verlassen; In diesem Fall unterscheidet sich das Bild der Feldverteilung im Kristall für die beiden betrachteten Strukturen stark.

Die im Basisbereich der Diode absorbierte Lichtstrahlung erzeugt Elektron-Loch-Paare, die zum pn-Übergang diffundieren, durch diesen getrennt werden und das Auftreten eines zusätzlichen Stroms im externen Stromkreis verursachen. In p - i - n Dioden tritt diese Trennung im Bereich des i - o6 - Bereichs auf und anstelle des Diffusionsprozesses driften Ladungsträger unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes. Jedes erzeugte Elektron-Loch-Paar, das durch den pn-Übergang verläuft, bewirkt, dass eine Ladung, die der Ladung des Elektrons entspricht, den externen Stromkreis durchläuft. Je größer die Bestrahlung der Diode ist, desto größer ist der Photostrom. Der Photostrom fließt auch, wenn die Diode in Vorwärtsrichtung verschoben ist (Fig. 4a), jedoch stellt sich heraus, dass sie selbst bei niedrigen Spannungen viel geringer als der Gleichstrom ist, weshalb ihre Auswahl schwierig ist.

Der Arbeitsbereich der Strom - Spannungs - Eigenschaften der Fotodiode ist der dritte Quadrant in Abb. 4 a; Dementsprechend ist die Stromempfindlichkeit der wichtigste Parameter.

(2.10)

Die zweite Gleichheit in (2.10) wurde unter der Annahme einer linearen Abhängigkeit I f = f (P f ) und die dritte unter der Bedingung erhalten, dass der Dunkelstrom vernachlässigt wird (I T << I F ), was normalerweise für Siliziumphotodioden erfüllt ist.

Wenn Sie die Fotodiode beleuchten, ohne eine externe Vorspannung an sie anzulegen, wird der Prozess der Trennung der erzeugten Elektronen und Löcher aufgrund der Wirkung ihres eigenen eingebauten Feldes des pn-Übergangs fortgesetzt. In diesem Fall fließen die Löcher in den p-Bereich und kompensieren teilweise das eingebaute Feld des pn-Übergangs. Es wird ein bestimmter neuer Gleichgewichtszustand (für einen gegebenen Wert: P f ) erzeugt, in dem die Foto-EMK U f an den externen Anschlüssen der Diode erscheint. Wenn Sie die beleuchtete Fotodiode gegen eine Last schließen, erhält sie eine nützliche elektrische Leistung P e .

Die charakteristischen Punkte der Strom - Spannungs - Eigenschaften einer Diode, die in einem solchen Fotolüftermodus arbeitet, sind die Leerlauf-EMK Uxx und der Kurzschlussstrom I kz (Fig. 4, b).

Schematisch arbeitet die Fotodiode im Ventilmodus als eine Art sekundäre Stromquelle, daher ist ihr bestimmender Parameter die Effizienz der Umwandlung von Lichtenergie in elektrische Energie:

Effizienz = P e / AP f = aU xx I kurz / A pf (2.11)

Im Photofan-Modus gibt es eine wichtige Klasse von Photovoltaik-Geräten - Sonnenkollektoren.

Parameter und Eigenschaften von Optokopplern und optoelektronischen integrierten Schaltkreisen

Klassifizierung von Parametern optronischer Produkte

Bei der Klassifizierung optronischer Produkte werden zwei Punkte berücksichtigt: der Typ des Fotodetektors und die Konstruktionsmerkmale des gesamten Geräts.

Die Wahl des ersten Klassifizierungsmerkmals beruht auf der Tatsache, dass fast alle Optokoppler eine LED am Eingang haben und die Funktionalität des Geräts durch die Ausgangseigenschaften des Fotodetektors bestimmt wird.

Als zweites Merkmal wird ein Design übernommen, das die Besonderheiten der Verwendung eines Optokopplers bestimmt.

Zur Bestimmung von Impulsparametern von Optokopplern

Abb. 5. Zur Bestimmung der Impulsparameter von Optokopplern

Unter Verwendung dieses Klassifizierungsprinzips für gemischte strukturelle Konstruktionen ist es logisch, drei Hauptgruppen von Produkten der optronischen Technologie zu unterscheiden: Optokoppler (Elementaroptokoppler), optoelektronische (Optokoppler) integrierte Schaltkreise und spezielle Arten von Optokopplern. Jede dieser Gruppen umfasst eine große Anzahl von Gerätetypen.

Die folgenden Abkürzungen werden für die gängigsten Optokoppler verwendet: D - Diode, T - Transistor, R - Widerstand, Y - Thyristor, T 2 - mit einem zusammengesetzten Fototransistor, DT - Diodentransistor, 2D (2T) - Diodendifferential (Transistor).

Das Parametersystem optronischer Produkte basiert auf dem Parametersystem von Optokopplern, das aus vier Gruppen von Parametern und Modi gebildet wird.

Die erste Gruppe charakterisiert die Eingangsschaltung des Optokopplers (Eingangsparameter), die zweite - seine Ausgangskreis (Ausgangsparameter), die dritte - kombiniert die Parameter, die den Grad der Belichtung des Emitters mit dem Fotodetektor und die damit verbundenen Merkmale des durch den Optokoppler durchlaufenden Signals als Kommunikationselement charakterisieren (Übertragungseigenschaften). Schließlich kombiniert die vierte Gruppe die Parameter der galvanischen Isolation, deren Werte zeigen, wie nahe der Optokoppler am idealen Element der Isolation liegt. Von den vier aufgeführten Gruppen sind die bestimmenden, speziell "Optokoppler" -Parameter die Übertragungseigenschaften und die Parameter der galvanischen Trennung.

Der wichtigste Parameter der Dioden- und Transistoroptokoppler ist der Stromübertragungskoeffizient. Die Bestimmung der Impulsparameter der Optokoppler ergibt sich aus (Abb. 5). Die Referenzpegel bei der Messung der Parameter t Droge (cn) , t hinten und t ein (aus) sind üblicherweise Pegel 0,1 und 0,9, die Gesamtzeit der logischen Verzögerung des Signals wird durch den Pegel von 0,5 Impulsamplitude bestimmt.

Die Parameter der galvanischen Trennung. Optokoppler sind: die maximal zulässige Spitzenspannung zwischen Eingang und Ausgang U raz p max ; die maximal zulässige Spannung zwischen Eingang und Ausgang U ra max ; Isolationswiderstand R raz ; Durchgangskapazität C rav ; maximal zulässige Spannungsänderungsrate zwischen Eingang und Ausgang (dU un / dt) max . Der wichtigste Parameter ist U un n max . Er bestimmt die elektrische Stärke des Optokopplers und seine Fähigkeiten als Element der galvanischen Trennung.

Die betrachteten Parameter von Optokopplern werden vollständig oder mit einigen Modifikationen verwendet, um optoelektronische integrierte Schaltkreise zu beschreiben.

Diodenoptokoppler

Optokoppler-Konventionen

Abb. 6. Bezeichnung der Optokoppler

Diodenoptokoppler (Abb. 6, a) sind weitaus besser als alle anderen: Andere Geräte kennzeichnen das Niveau der Optronik-Technologie. Der Wert von K i kann anhand der erreichten Effizienz der Energieumwandlung im Optokoppler beurteilt werden; Werte von Zeitparametern ermöglichen die Bestimmung der Grenzraten für die Verbreitung von Informationen. Der sehr nützliche und bequeme Anschluss verschiedener Verstärkungselemente an den Diodenoptokoppler kann dennoch weder zu einer Verstärkung der Energie noch zu einer Begrenzung der Frequenzen führen.

Transistor- und Thyristor-Optokoppler

Transistoroptokoppler (Fig. 6, c) unterscheiden sich in ihren Eigenschaften günstig mit anderen Arten von Optokopplern. Dies ist in erster Linie eine Schaltungsflexibilität, die sich in der Tatsache manifestiert, dass der Kollektorstrom sowohl über die LED-Schaltung (optisch) als auch über die Basisschaltung (elektrisch) gesteuert werden kann und dass die Ausgangsschaltung sowohl im linearen als auch im Schlüsselmodus arbeiten kann. Der interne Verstärkungsmechanismus liefert große Werte des Stromübertragungskoeffizienten K i , so dass nachfolgende Verstärkungsstufen nicht immer notwendig sind. Es ist wichtig, dass in diesem Fall die Trägheit des Optokopplers nicht sehr groß ist und in vielen Fällen durchaus akzeptabel ist. Die Ausgangsströme von Fototransistoren sind deutlich höher als beispielsweise von Fotodioden, wodurch sie zum Schalten einer Vielzahl von Stromkreisen geeignet sind. Schließlich ist anzumerken, dass all dies mit der relativen technologischen Einfachheit von Transistoroptokopplern erreicht wird.

Thyristor-Optokoppler (Abb. 6, b) sind für das Schalten von Hochstrom-Hochspannungsschaltungen am vielversprechendsten: Sie sind T 2 -Optokopplern in Kombination aus in Last und Geschwindigkeit geschalteter Leistung eindeutig vorzuziehen. Optokoppler vom Typ AOU103 sind zur Verwendung als berührungslose Schlüsselelemente in verschiedenen elektronischen Schaltungen vorgesehen: in Steuerschaltungen, Leistungsverstärkern, Impulsformern usw.

Widerstandsoptokoppler

Widerstandsoptokoppler (Abb. 6, d) unterscheiden sich grundlegend von allen anderen Optokopplertypen in physikalischen und strukturtechnologischen Merkmalen sowie in der Zusammensetzung und den Werten der Parameter.

Das Prinzip des Fotowiderstands basiert auf dem Effekt der Fotoleitfähigkeit, d. H. Änderungen des Halbleiterwiderstands unter Beleuchtung.

Differentialoptokoppler für die analoge Signalübertragung

Das gesamte obige Material bezieht sich auf die Übertragung digitaler Informationen auf einem galvanisch getrennten Stromkreis. In allen Fällen, wenn es um Linearität, um analoge Signale ging, ging es um die Form der Ausgangscharakteristik des Optokopplers. In allen Fällen wurde die Steuerung des Emitter-Fotodetektor-Kanals nicht durch eine lineare Abhängigkeit beschrieben. Eine wichtige Aufgabe ist die Übertragung analoger Informationen mit einem Optokoppler, dh die Sicherstellung der Linearität der Eingabe-Ausgabe-Übertragungscharakteristik [36]. Nur in Gegenwart solcher Optokoppler wird es möglich, analoge Informationen direkt über galvanisch getrennte Schaltkreise zu verbreiten, ohne sie in digitale Form (Impulsfolge) umzuwandeln.

Ein Vergleich der Eigenschaften verschiedener Optokoppler hinsichtlich der aus Sicht der analogen Signalübertragung wichtigen Parameter führt zu dem Schluss, dass, wenn dieses Problem gelöst werden kann, nur mit Hilfe von Diodenoptokopplern mit guten Frequenz- und Rauscheigenschaften. Die Komplexität des Problems liegt hauptsächlich in dem engen Linearitätsbereich der Übertragungscharakteristik und dem Grad dieser Linearität in Diodenoptokopplern.

Es ist zu beachten, dass bei der Schaffung von galvanisch getrennten Vorrichtungen, die zur Übertragung von analogen Signalen geeignet sind, nur die ersten Schritte unternommen wurden und weitere Fortschritte zu erwarten sind.

Optoelektronische Schaltungen und andere Optokopplervorrichtungen

Optoelektronische Schaltungen sind eine der am weitesten verbreiteten, sich entwickelnden und vielversprechenden Produktklassen der optronischen Technologie. Dies liegt an der vollständigen elektrischen und strukturellen Kompatibilität optoelektronischer Schaltungen mit herkömmlichen Schaltungen sowie an ihrer breiteren Funktionalität im Vergleich zu elementaren Optokopplern. Wie bei herkömmlichen Mikroschaltungen werden am häufigsten optoelektronische Mikroschaltungen geschaltet.

Spezielle Arten von Optokopplern unterscheiden sich stark von herkömmlichen Optokopplern und optoelektronischen Schaltungen. Dazu gehören vor allem Optokoppler mit offenem optischen Kanal. Bei der Konstruktion dieser Geräte besteht ein Luftspalt zwischen dem Emitter und dem Fotodetektor, so dass durch Platzieren bestimmter mechanischer Hindernisse der Lichtstrom und damit das Ausgangssignal des Optokopplers gesteuert werden kann. Somit wirken Optokoppler mit einem offenen optischen Kanal als optoelektronische Sensoren, die das Vorhandensein (oder Fehlen) von Objekten, den Zustand ihrer Oberfläche, die Geschwindigkeit der Bewegung oder Rotation usw. aufzeichnen.

Anwendungsbereich von Optokopplern und Optokoppler-Mikroschaltungen

Vielversprechende Bereiche für die Entwicklung und Anwendung der optronischen Technologie wurden weitgehend festgelegt. Optokoppler und Optokoppler-Mikroschaltungen werden effektiv verwendet, um Informationen zwischen Geräten zu übertragen, die keine geschlossenen elektrischen Verbindungen haben. Traditionell bleiben die Positionen optoelektronischer Bauelemente in der Technik des Erhaltens und Anzeigens von Informationen stark. Unabhängig davon sind in dieser Richtung Optokoppler wichtig, mit denen Prozesse und Objekte überwacht werden können, die sich in Art und Zweck stark unterscheiden. Die funktionelle Optokoppler-Mikroschaltungstechnologie entwickelt sich spürbar weiter und konzentriert sich auf eine Vielzahl von Vorgängen im Zusammenhang mit der Umwandlung, Akkumulation und Speicherung von Informationen. Es ist effektiv und nützlich, sperrige, kurzlebige und Low-Tech-elektromechanische Produkte (vom Standpunkt der Mikroelektronik) (Transformatoren, Potentiometer, Relais) durch optoelektronische Geräte und Vorrichtungen zu ersetzen. Die Verwendung optronischer Elemente für Energiezwecke ist sehr spezifisch, aber in vielen Fällen gerechtfertigt und nützlich.

Informationsübertragung

Bei der Übertragung von Informationen werden Optokoppler als Kommunikationselemente verwendet und tragen in der Regel keine eigenständige Funktionslast. Ihre Anwendung ermöglicht eine sehr effektive galvanische Trennung von Steuergeräten und Lasten (Abb. 7), die unter verschiedenen elektrischen Bedingungen und Modi betrieben werden. Mit der Einführung von Optokopplern nimmt die Störfestigkeit von Kommunikationskanälen stark zu; "parasitäre" Wechselwirkungen entlang der Erdungs- und Stromkreise werden praktisch eliminiert. Interessant ist auch die rationale und zuverlässige Anpassung digital integrierter Geräte mit einer heterogenen Elementbasis (TTL, ESL, I2L, CMOS usw.).

Blockverbindungsdiagramm

Abb. 7. Schema der galvanischen Trennung zwischen Blöcken

Die Anpassungsschaltung des Transistor-Transistor-Logik-Elements (TTL) mit einer integrierten Vorrichtung auf MIS-Transistoren ist auf einem Transistor-Optokoppler aufgebaut (Fig. 8). In einer spezifischen Ausführungsform: E 1 = E 2 = 5 V, E 3 = 15 V, R 1 = 820 Ohm, R 2 = 24 kOhm - Die Optokoppler-LED wird durch einen Strom (5 mA) angeregt, der ausreicht, um den Transistor zu sättigen und das Gerät sicher auf dem MIS zu steuern Transistoren.

Abb. 8. Schema der Paarung von TTL- und MIS-Elementen auf dem optischen Kanal

Optische Kommunikation wird in Telefongeräten und -systemen aktiv eingesetzt. Mit Hilfe von Optokopplern können mit technisch einfachen Mitteln mikroelektronische Geräte an Telefonleitungen angeschlossen werden, die zum Anrufen, Anzeigen, Überwachen und für andere Zwecke bestimmt sind.

Die Einführung der optischen Kommunikation in elektronische Messgeräte sowie die in vielerlei Hinsicht nützliche galvanische Trennung des Untersuchungsobjekts und des Messgeräts ermöglicht es, die Auswirkungen von Rauschen auf Erdungs- und Stromkreise drastisch zu reduzieren.

Von erheblichem Interesse sind die Fähigkeiten und Erfahrungen bei der Verwendung optoelektronischer Geräte und Geräte in biomedizinischen Geräten. Optokoppler können den Patienten zuverlässig von der Einwirkung hoher Spannungen isolieren, die beispielsweise in Elektrokardiographiegeräten verfügbar sind.

Die berührungslose Steuerung leistungsfähiger Hochspannungsschaltungen über optische Kanäle ist unter den schwierigen technischen Bedingungen, die für viele Geräte und Komplexe der Industrieelektronik charakteristisch sind, sehr bequem und sicher. Die Positionen der Thyristor-Optokoppler sind in diesem Bereich stark (Abb. 9).

Wechselstrom-Lastschaltkreis

Abb. 9. Wechselstrom-Lastschaltkreis

Informationen empfangen und anzeigen

Optokoppler und Optokoppler-Mikroschaltungen nehmen in der berührungslosen Ferntechnologie eine starke Position ein, um Informationen über die Eigenschaften und Eigenschaften sehr unterschiedlicher (in Art und Zweck) Prozesse und Objekte schnell zu empfangen und genau anzuzeigen. Einzigartige Möglichkeiten in dieser Hinsicht sind Optokoppler mit offenen optischen Kanälen. Darunter befinden sich optoelektronische Zerhacker, die auf den Schnittpunkt des optischen Kanals durch undurchsichtige Objekte reagieren (Abb. 10), und reflektierende Optrons, bei denen die Wirkung von Lichtemittern auf Fotodetektoren vollständig mit der Reflexion des emittierten Flusses von externen Objekten verbunden ist.

Optoelektronischer Sensor

Abb. 10. Optoelektronischer Sensor

Das Anwendungsspektrum von Optokopplern mit offenen optischen Kanälen ist umfangreich und vielfältig. Bereits in den 60er Jahren wurden Optokoppler dieses Typs effektiv zur Registrierung von Objekten und Objekten eingesetzt. Bei einer solchen Registrierung, die in erster Linie für automatische Überwachungs- und Zählgeräte sowie zum Erkennen und Anzeigen verschiedener Arten von Fehlern und Ausfällen typisch ist, ist es wichtig, den Standort des Objekts klar zu bestimmen oder die Tatsache seiner Existenz widerzuspiegeln. Optron-Registrierungsfunktionen werden zuverlässig und effizient ausgeführt.

Elektrische Prozesskontrolle

Die Leistung der von der LED erzeugten Strahlung und der Pegel des Fotostroms, der in linearen Schaltungen mit Fotodetektoren auftritt, sind direkt proportional zum Strom der elektrischen Leitfähigkeit des Emitters. Somit ist es durch optische (berührungslose, entfernte) Kanäle möglich, genau definierte Informationen über die Prozesse in elektrischen Schaltkreisen zu erhalten, die galvanisch mit dem Emitter verbunden sind. Besonders effektiv ist die Verwendung von Lichtemittern von Optokopplern als Sensoren für elektrische Änderungen in Hochstrom- und Hochspannungskreisen. Klare Informationen über solche Änderungen sind wichtig für den Betriebsschutz von Energiequellen und Verbrauchern vor elektrischen Überlastungen.

Spannungsstabilisator mit Überwachungsoptron

Abb. 11. Spannungsstabilisator mit einem Steueroptokoppler

Optokoppler arbeiten erfolgreich in Hochspannungsspannungsstabilisatoren, wo sie optische Kanäle mit negativen Rückkopplungen erzeugen. Der fragliche Stabilisator (Fig. 11) bezieht sich auf eine Vorrichtung vom sequentiellen Typ, wobei der Bipolartransistor das Regelelement ist und die Silizium-Zenerdiode als Quelle der Referenzspannung (Referenzspannung) fungiert. Das Vergleichselement ist die LED.

Wenn die Ausgangsspannung in der Schaltung von Fig. 11 erhöht, dann steigt auch der Leitfähigkeitsstrom der LED. Ein Optokoppler-Fototransistor wirkt auf den Transistor und unterdrückt eine mögliche Instabilität der Ausgangsspannung.

Ersatz elektromechanischer Produkte

Im Bereich der technischen Lösungen zur Steigerung der Effizienz und Qualität von Automatisierungsgeräten, Funktechnik, Telekommunikation, Industrie- und Unterhaltungselektronik ist es eine zweckmäßige und nützliche Maßnahme, elektromechanische Produkte (Transformatoren, Relais, Potentiometer, Rheostate, Drucktasten- und Tastaturschalter) durch kompaktere und langlebigere zu ersetzen. Hochgeschwindigkeits-Gegenstücke. Die führende Rolle in dieser Richtung spielen optoelektronische Bauelemente und Bauelemente. Tatsache ist, dass die sehr wichtigen technischen Vorteile von Transformatoren und elektromagnetischen Relais (galvanische Trennung von Steuer- und Lastkreisen, zuverlässiger Betrieb in leistungsstarken Hochspannungs- und Hochstromsystemen) auch für Optokoppler charakteristisch sind. Gleichzeitig sind optoelektronische Produkte elektromagnetischen Analoga in Bezug auf Zuverlässigkeit, Haltbarkeit, Übergangs- und Frequenzeigenschaften deutlich überlegen. Das Management von kompakten und schnellen optoelektronischen Transformatoren, Schaltern und Relais erfolgt zuverlässig mit integrierten Schaltkreisen der Digitaltechnik ohne spezielle elektrische Koordinationsmittel.

Ein Beispiel für den Austausch eines Impulstransformators ist in Abb. 1 dargestellt. 12.

Optoelektronische Transformatorschaltung

Abb. 12. Die Schaltung des optoelektronischen Transformators

Energiefunktionen

Im Leistungsmodus werden die Optokoppler als sekundäre EMF- und Stromquellen verwendet. Der Wirkungsgrad von optronischen Energiewandlern ist gering. Die Möglichkeit, eine zusätzliche Spannungs- oder Stromquelle in einen Gerätekreis ohne galvanische Verbindung mit der primären Stromquelle einzuführen, gibt dem Entwickler jedoch einen neuen Freiheitsgrad, der insbesondere bei der Lösung von nicht standardmäßigen technischen Problemen nützlich ist.