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Optokoppler und ihre Anwendung

Einleitung

Geschichte

Die Idee zur Erzeugung und Verwendung von Optokopplern stammt aus dem Jahr 1955, als das Loebner EE-Netzwerk für optoelektronische Geräte eine ganze Reihe von Geräten mit optischen und elektrischen Verbindungen zwischen Elementen vorschlug, die die Verstärkung und spektrale Umwandlung von Lichtsignalen ermöglichten und Geräte mit zwei stabilen Zuständen erzeugten - bistabile Optokoppler, optoelektronische Bauelemente zum Akkumulieren und Speichern von Informationslogikschaltungen, Schieberegister. Dort wurde auch der Begriff "Optokoppler" vorgeschlagen, der als Akronym für das englische optisch-elektronische Gerät gebildet wurde.

Die in dieser Arbeit beschriebenen Optokoppler, die die Prinzipien perfekt veranschaulichen, erwiesen sich als für die industrielle Realisierung ungeeignet, da sie auf einer unvollständigen Elementarbasis beruhten - ineffizienten und trägen Pulverelektrolumineszenzkondensatoren (Emitter) und Fotowiderständen (Empfänger). Die wichtigsten Betriebseigenschaften der Geräte waren ebenfalls unvollkommen: Niedrigtemperatur- und Zeitstabilität der Parameter, unzureichende Beständigkeit gegen mechanische Beanspruchung. Deshalb. Der Optokoppler blieb zunächst nur eine interessante wissenschaftliche Leistung, die im Ingenieurwesen 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) begann sich die elementare Basis der modernen Optronik-Technologie zu bilden. Anfang der 1970er Jahre war die Herstellung von Optokopplern in den führenden Ländern der Welt ein wichtiger und sich rasch entwickelnder Zweig der elektronischen Technologie, der die traditionelle Mikroelektronik erfolgreich ergänzte.

Grundlegende Definitionen

Optokoppler bezeichnen solche optoelektronischen Bauelemente, bei denen eine Strahlungsquelle und ein Strahlungsempfänger (ein Lichtsender und ein Fotodetektor) mit der einen oder anderen Art der optischen und elektrischen Verbindung strukturell miteinander verwandt sind.

Das Funktionsprinzip von Optokopplern jeglicher Art beruht auf Folgendem. Im Emitter wird die Energie des elektrischen Signals in Licht umgewandelt, im Fotodetektor hingegen bewirkt das Lichtsignal eine elektrische Reaktion.

Praktisch sind nur Optokoppler weit verbreitet, die eine direkte optische Verbindung vom Emitter zum Fotodetektor haben, und in der Regel sind alle Arten der elektrischen Verbindung zwischen diesen Elementen ausgeschlossen.

Je nach Komplexität des Aufbaus gibt es zwei Gerätegruppen unter den Produkten der Optokopplertechnologie. Ein Optokoppler (auch als "elementarer Optokoppler" bezeichnet) ist ein optoelektronisches Halbleiterbauelement, das aus Strahlungs- und Fotoempfangselementen besteht, zwischen denen eine optische Verbindung besteht, die eine elektrische Isolation zwischen dem Eingang und dem Ausgang herstellt. Eine optoelektronische integrierte Schaltung ist ein Chip, der aus einem oder mehreren Optokopplern und einem oder mehreren elektrisch mit ihnen verbundenen Anpassungs- oder Verstärkungselementen besteht.

So übernimmt in einer elektronischen Schaltung ein solches Gerät die Funktion eines Kommunikationselements, bei dem gleichzeitig eine elektrische (galvanische) Trennung von Ein- und Ausgang erfolgt.

Besonderheiten von Optokopplern

Die Vorteile dieser Geräte beruhen auf dem allgemeinen optoelektronischen Prinzip, elektrisch neutrale Photonen zur Informationsübertragung zu verwenden. Die wichtigsten sind wie folgt:

  • die Möglichkeit einer idealen elektrischen (galvanischen) Trennung zwischen Eingang und Ausgang; Bei Optokopplern gibt es keine grundlegenden physikalischen oder strukturellen Einschränkungen hinsichtlich der Erzielung beliebig hoher Spannungen und Entkopplungswiderstände und beliebig kleiner Durchgangskapazitäten.
  • die Möglichkeit der berührungslosen optischen Steuerung elektronischer Objekte und die sich daraus ergebende Vielfalt und Flexibilität von Entwurfslösungen für Steuerschaltungen;
  • unidirektionale Verteilung von Informationen über den optischen Kanal, das Fehlen einer Rückantwort des Empfängers auf den Sender;
  • große Frequenzbandbreite des Optokopplers, das Fehlen von Einschränkungen seitens niedriger Frequenzen (was typisch für Impulstransformatoren ist); die Möglichkeit der Übertragung auf der Optokopplerschaltung als Impulssignal und der konstanten Komponente;
  • die Fähigkeit, das Ausgangssignal des Optokopplers durch Beeinflussung (auch nichtelektrischer) des Materials des optischen Kanals zu steuern, und die sich daraus ergebende Möglichkeit, eine Vielzahl von Sensoren sowie eine Vielzahl von Instrumenten zur Informationsübertragung zu schaffen;
  • die Möglichkeit, funktionelle mikroelektronische Bauelemente mit Fotodetektoren zu schaffen, deren Eigenschaften sich bei Beleuchtung nach einem komplexen, vorgegebenen Gesetz ändern;
  • Immunität optischer Kommunikationskanäle gegen die Einwirkung elektromagnetischer Felder, die im Fall von "langen" Optokopplern (mit einer erweiterten optischen Faser zwischen Sender und Empfänger) deren Schutz vor Störungen und Informationsleckage bestimmen und auch gegenseitige Aufnehmer eliminieren;
  • physikalische und strukturtechnologische Verträglichkeit mit anderen Halbleiter- und Mikroelektronikgeräten.

Die Optokoppler haben auch bestimmte Nachteile:

  • signifikanter Stromverbrauch aufgrund der Notwendigkeit einer doppelten Energieumwandlung (Elektrizität - Licht - Elektrizität) und einer geringen Effizienz dieser Übergänge;
  • erhöhte Empfindlichkeit der Parameter 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 Besonderheiten der LED-Physik zurückzuführen ist;
  • die Komplexität der Implementierung von Rückkopplungen, die durch die elektrische Trennung der Eingangs- und Ausgangsschaltungen verursacht werden;
  • Konstruktiv-technologische Unzulänglichkeiten, die mit der Verwendung der hybriden nichtplanaren Technologie verbunden sind (mit der Notwendigkeit, in einem Gerät mehrere zu kombinieren - Kristalle von verschiedenen Halbleitern, die sich in verschiedenen Ebenen befinden, zu trennen).

Die genannten Nachteile von Optokopplern werden teilweise beseitigt, da Materialien, Technologie und Schaltkreise verbessert werden, sie werden jedoch für lange Zeit eher grundlegender Natur sein. Ihre Vorteile sind jedoch so groß, dass sie im Vergleich zu anderen mikroelektronischen Geräten zuversichtliche, nicht wettbewerbsfähige Optokoppler gewährleisten.

Verallgemeinertes Strukturdiagramm

Als Kommunikationselement wird der Optokoppler durch den Übertragungskoeffizienten K i charakterisiert, der durch das Verhältnis der Ausgangs- und Eingangssignale und die maximale Informationsübertragungsrate F bestimmt wird. Praktisch wird anstelle von F die Dauer des Anstiegs und Abfalls der übertragenen Impulse t drug (cn) oder der Grenzfrequenz gemessen. Die Fähigkeiten eines Optokopplers als Element der galvanischen Trennung sind durch maximale Spannung und Widerstand der Isolation U- Entwicklung und R- Entwicklung sowie Durchlasskapazität C- Entwicklung gekennzeichnet .

Im Blockschaltbild in Abb. Ein Eingabegerät 1 dient dazu, die Betriebsart des Emitters (beispielsweise die Verschiebung der LED zum linearen Anteil der Watt-Ampere-Kennlinie) zu optimieren und das externe Signal umzusetzen (zu verstärken). Die Eingabeeinheit muss eine hohe Umwandlungseffizienz, eine hohe Geschwindigkeit, einen großen Dynamikbereich zulässiger Eingangsströme (für lineare Systeme) und einen kleinen Wert des Eingangsstroms "Schwelle" aufweisen, um eine zuverlässige Informationsübertragung entlang der Schaltung zu gewährleisten.

Verallgemeinertes Blockschaltbild eines Optokopplers

Bild 1. Verallgemeinertes Blockschaltbild eines 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 prinzipielle Möglichkeit, die optischen Eigenschaften des Mediums beispielsweise durch elektrooptische oder magnetooptische Effekte zu steuern, spiegelt sich in der Einführung eines Steuergeräts in die Schaltung wider: In diesem Fall erhalten wir einen Optokoppler mit einem gesteuerten optischen Kanal, der sich funktional von dem "normalen" Optokoppler unterscheidet: Eingangs- und Steuerschaltung.

Im Fotodetektor wird das Informationssignal vom optischen zum elektrischen "wiederhergestellt"; beim Streben nach hoher Empfindlichkeit und hoher Geschwindigkeit.

Schließlich ist das Ausgabegerät dazu ausgelegt, das Fotodetektorsignal in eine Standardform umzuwandeln, die zur Beeinflussung der nachfolgenden Stufen des Optokopplers zweckmäßig ist. Eine praktisch geforderte Funktion des Ausgabegeräts ist die Signalverstärkung, da die Verluste nach der Doppelwandlung sehr signifikant sind. Oft übernimmt auch der Fotodetektor selbst (z. B. ein Fototransistor) die Verstärkungsfunktion.

Das allgemeine Strukturdiagramm von Abb. 1 ist in jedem spezifischen Gerät nur ein Teil der Blöcke implementiert. Demnach gibt es drei Hauptgruppen von Geräten für die Optokopplertechnik; Die bisher genannten Optokoppler (Elementar-Optokoppler) verwenden Blöcke Lichtemitter - optisches Medium - Fotodetektor; optoelektronische (Optokoppler-) Chips (Optokoppler mit der Hinzufügung des Ausgangs und manchmal des Eingabegeräts); Spezielle Optokopplertypen - Bauelemente, die sich funktional und strukturell erheblich von elementaren Optokopplern und optoelektronischen ICs unterscheiden.

Ein echter Optokoppler kann angeordnet und komplizierter sein als das Diagramm in Abb. 1; Jeder der angegebenen Blöcke kann nicht ein, sondern mehrere Elemente enthalten, die identisch oder ähnlich miteinander sind und elektrisch und optisch verbunden sind, was jedoch die Grundlagen der Physik und Elektronik des Optokopplers nicht wesentlich verändert.

Bewerbung

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

Ein weiteres Hauptanwendungsgebiet für Optokoppler ist die berührungslose optische Ansteuerung von Hochstrom- und Hochspannungskreisen. Einführung von leistungsstarken Thyristoren, Triacs, Triacs, Steuerung von elektromechanischen Relaisgeräten.

Eine spezielle Gruppe von Steueroptokopplern besteht aus Widerstandsoptokopplern, die für Niedrigstrom-Schaltkreise in komplexen Informationsanzeigevorrichtungen ausgelegt sind, die auf elektrolumineszierenden (Pulver-) Anzeigen, Gedächtnisdiagrammen und Bildschirmen aufgebaut sind.

Die Schaffung von "langen" Optokopplern (Geräte mit einem erweiterten flexiblen Lichtwellenleiter) hat dem Einsatz von Produkten der Optokopplertechnologie eine völlig neue Richtung eröffnet - die Kommunikation über kurze Entfernungen.

Verschiedene Optokoppler (Diode, Widerstand, Transistor) werden in reinen Funkmodulationsschemata, automatischer Verstärkungsregelung usw. verwendet. Die Auswirkung auf den optischen Kanal wird hier verwendet, um die Schaltung in den optimalen Betriebsmodus zu bringen, um den kontaktlosen Modus abzustimmen usw.

Durch die Möglichkeit, die Eigenschaften des optischen Kanals unter verschiedenen äußeren Einflüssen zu ändern, können Sie eine ganze Reihe von Optokopplern erstellen: Dies sind die Feuchtigkeits- und Gassensoren, der Sensor für die Anwesenheit im Volumen einer Flüssigkeit, Sensoren für die Oberflächenbeschaffenheit des Objekts, die Geschwindigkeit seiner Bewegung usw.

Die Verwendung von Optokopplern für Energiezwecke ist sehr spezifisch, dh der Betrieb eines Diodenoptokopplers im Fotoventilationsmodus. In diesem Modus erzeugt die Fotodiode elektrische Energie für die Last, und der Optokoppler ähnelt in gewissem Maße einer stromsparenden Sekundärstromquelle, die vollständig vom Primärkreis isoliert ist.

Die Herstellung von Optokopplern mit Fotowiderständen, deren Eigenschaften bei Beleuchtung nach einem bestimmten komplexen Gesetz variieren und die Modellierung mathematischer Funktionen ermöglichen, ist ein Schritt zur Schaffung einer funktionalen Optoelektronik.

Die Vielseitigkeit von Optokopplern als Elemente der galvanischen Trennung und berührungslosen Steuerung, die Vielfalt und Einzigartigkeit vieler anderer Funktionen sind der Grund, warum Computer, Automatisierungs-, Kommunikations- und Funkgeräte, automatisierte Steuerungssysteme, Messgeräte, Steuerungs- und Regelungssysteme, medizinische Elektronik visuelle Informationsanzeigegeräte.

Physikalische Grundlagen der Optoelektronik

Elementbasis- und Geräteoptokoppler

Die elementare Basis der Optokoppler sind Photodetektoren und Emitter sowie das optische Medium zwischen ihnen. All diesen Elementen werden allgemeine Anforderungen wie geringe Abmessungen und geringes Gewicht, hohe Haltbarkeit und Zuverlässigkeit, Beständigkeit gegen mechanische und klimatische Einflüsse, Herstellbarkeit und niedrige Kosten auferlegt. Es ist auch wünschenswert, dass die Elemente eine ausreichend breite und lange industrielle Zulassung erfahren.

Funktionell (als Element der Schaltung) ist ein Optokoppler in erster Linie dadurch gekennzeichnet, welchen Fotodetektortyp er verwendet.

Der erfolgreiche Einsatz eines Fotodetektors in einem Optokoppler wird durch die Erfüllung der folgenden Grundanforderungen bestimmt: Wirkungsgrad der Umwandlung der Energie von Strahlungsquanten in die Energie von mobiler Elektrizität; das Vorhandensein und die Wirksamkeit des internen Gewinns; hohe Geschwindigkeit; Funktionsumfang.

Bei den verwendeten Optokopplern handelt es sich um Fotodetektoren verschiedener Strukturen, die im sichtbaren und nahen Infrarotbereich empfindlich sind, da es in diesem Bereich des Spektrums intensive Strahlungsquellen gibt und der Betrieb von Fotodetektoren ohne Kühlung möglich ist.

Am vielseitigsten sind Photodetektoren mit pn-Übergängen (Dioden, Transistoren und t, p.). In den meisten Fällen werden sie auf der Basis von Silizium hergestellt, und ihr Bereich mit maximaler spektraler Empfindlichkeit liegt in der Nähe von 1 = 0,7 ... 0,9 μm .

An die Emitter von Optokopplern werden zahlreiche Anforderungen gestellt. Die wichtigsten sind: Spektralanpassung mit dem ausgewählten Fotodetektor; hohe Effizienz der Energieumwandlung von elektrischem Strom in Strahlungsenergie; primäre Strahlungsrichtwirkung; hohe Geschwindigkeit; Einfachheit und Zweckmäßigkeit der Anregung und Modulation von Strahlung.

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

  • Miniatur- Glühlampen .
  • Neonröhren , die das Leuchten einer elektrischen Entladung eines Neon-Argon-Gasgemisches nutzen.
    Diese Heizkörpertypen zeichnen sich durch geringe Lichtleistung, geringe mechanische Belastbarkeit, begrenzte Lebensdauer, große Abmessungen und völlige Inkompatibilität mit der integrierten Technologie aus. Sie können jedoch bei bestimmten Arten von Optokopplern Anwendung finden.
  • Die Pulverelektrolumineszenzzelle verwendet feinkristalline Zinksulfidkörner (aktiviert durch Kupfer, Mangan oder andere Additive), die in einem polymerisierenden Dielektrikum als Leuchtkörper suspendiert sind. Wenn eine ausreichend hohe Wechselspannung angelegt wird, wird ein Vor-Durchbruch-Lumineszenzprozess durchgeführt.
  • Dünnschicht-Elektrolumineszenzzellen . Das Leuchten ist hier mit der Anregung von Manganatomen durch "heiße" Elektronen verbunden.

Sowohl Pulver- als auch Filmelektrolumineszenzzellen haben eine geringe Effizienz bei der Umwandlung von elektrischer Energie in Licht, eine geringe Haltbarkeit (insbesondere Dünnfilm) und sind schwierig zu handhaben (beispielsweise der optimale Modus für Pulverphosphore ~ ​​220 V bei f = 400 ... 800 Hz). Der Hauptvorteil dieser Emitter ist die konstruktiv-technologische Verträglichkeit mit Fotowiderständen, die Möglichkeit, auf dieser Basis multifunktionale, mehrelementige Optokoppler-Strukturen zu schaffen.

Der universellste Emittertyp, der in Optokopplern verwendet wird, ist eine Halbleiter-Einspeisungs-Leuchtdiode (LED). Dies ist auf die folgenden Vorteile zurückzuführen: hoher Wert der Effizienz der Umwandlung von elektrischer Energie in optische Energie; enges Emissionsspektrum (quasi-monochromatisch); der Breitengrad des Spektralbereichs, der von verschiedenen LEDs überlappt wird; Strahlungsrichtwirkung; hohe Geschwindigkeit; kleine Werte von Versorgungsspannungen und -strömen; Kompatibilität mit Transistoren und integrierten Schaltkreisen; einfache Modulation der Strahlungsleistung durch Änderung des Gleichstroms; die Fähigkeit zu arbeiten, sowohl im gepulsten als auch im kontinuierlichen Modus; Linearität der Watt-Ampere-Kennlinie in einem mehr oder weniger weiten Bereich von Eingangsströmen; hohe Zuverlässigkeit und Haltbarkeit; kleine Abmessungen; technologische Kompatibilität mit mikroelektronischen Produkten.

Die allgemeinen Anforderungen an das optische Immersionsmedium eines Optokopplers sind folgende: ein hoher Wert des Brechungsindex n für sie ; hoher Wert des spezifischen Widerstands r im ; hohe kritische Feldstärke E im kr , ausreichende Wärmebeständigkeit Dq im slave ; gute Haftung mit Kristallen aus Silizium und Galliumarsenid; Elastizität (dies ist notwendig, weil die Koordination der Elemente des Optokopplers gemäß den Wärmeausdehnungskoeffizienten nicht gewährleistet werden kann); mechanische Festigkeit, da das Immersionsmedium im Optokoppler nicht nur lichtdurchlässige, sondern auch strukturelle Funktionen erfüllt; Herstellbarkeit (Verwendbarkeit, Reproduzierbarkeit von Eigenschaften, niedrige Kosten usw.).

Der Haupttyp des in Optokopplern verwendeten Immersionsmediums sind polymere optische Klebstoffe. Für sie sind typischerweise 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 haften gut auf Silizium und Galliumarsenid, kombinieren hohe mechanische Festigkeit und Beständigkeit gegen Temperaturwechselbeanspruchung. Es werden auch nicht aushärtende vaselineähnliche und gummiähnliche optische Medien verwendet.

Physik der Energieumwandlung in einem Diodenoptokoppler

Die Berücksichtigung von Energieumwandlungsprozessen im Optokoppler erfordert die Berücksichtigung der Quantennatur von Licht. Es ist bekannt, dass elektromagnetische Strahlung als Teilchenstrom dargestellt werden kann - Quanten (Photonen), Energie. jedes davon wird durch das Verhältnis bestimmt:

E f = hn = hc / n l (2,1)

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

Wenn die Flussdichte von Quanten (d. H. Die Anzahl von Quanten, die pro Zeiteinheit durch eine Flächeneinheit fliegen) Nf beträgt, beträgt die gesamte spezifische Strahlungsleistung:

P f = N f · E f (2,2)

und wie aus (2.1) ersichtlich ist, ist es für ein gegebenes Nf umso kürzer, je kürzer die Strahlungswellenlänge ist. Da in der Praxis gegeben ist P f (Energiebestrahlungsstärke eines Photodetektors), scheint die folgende Beziehung nützlich zu sein

N f = P f / E f = 5 × 10 15l P f (2,3)

worin N f , cm –2 s –1 ; l , Mikron; P f mW / cm

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

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

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

Die Rekombination von Ladungsträgern in einem Halbleiter wird in erster Linie durch sein Banddiagramm, das Vorhandensein und die Art von Verunreinigungen und Defekten, den Grad der Störung des Gleichgewichtszustands bestimmt. Die Hauptmaterialien von Optokoppler-Emittern (GaAs und darauf basierende ternäre Verbindungen, GaA1As und GaAsP) gehören zu Halbleitern mit direkter Lücke, d.h. zu denen, bei denen direkte optische Übergänge von Zone zu Zone zulässig sind (Abb. 2). Jeder Akt der Trägerrekombination nach diesem Schema geht mit der Emission eines Quantums einher, dessen Wellenlänge nach dem Energieerhaltungsgesetz durch die Beziehung bestimmt wird:

l rad [μm] = 1,23 / E f [eB] (2,4)

Es sollte beachtet werden, dass es konkurrierende nichtstrahlende Rekombinationsmechanismen gibt. Die wichtigsten davon sind:

  1. Rekombination in tiefen Zentren. Ein Elektron kann nicht direkt, sondern über diese oder andere Rekombinationszentren in das Valenzband gelangen, die im verbotenen Band erlaubte Energieniveaus bilden (das Niveau E t in Abbildung 2).
  2. Auger Rekombination (oder Schock). Bei sehr hohen Konzentrationen an freien Ladungsträgern in einem Halbleiter steigt die Wahrscheinlichkeit von Dreikörperkollisionen, die Energie des rekombinierenden Elektron-Loch-Paares wird in Form von kinetischer Energie an den dritten freien Träger abgegeben, den dieser allmählich für Kollisionen mit dem Gitter verbraucht.

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

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

Die relative Rolle verschiedener Rekombinationsmechanismen wird beschrieben, indem das Konzept der internen Quantenausbeute h int eingeführt wird, das durch das Verhältnis der Wahrscheinlichkeit der strahlenden Rekombination zur gesamten (strahlenden und nicht strahlenden) Rekombinationswahrscheinlichkeit (oder alternativ das Verhältnis der Anzahl erzeugter Quanten zur Anzahl injizierter Nichtkernladungsträger) definiert wird. Der Wert von h int ist das wichtigste Merkmal des in der LED verwendeten Materials; offensichtlich 0 h int 100%.

Die Erzeugung einer Überkonzentration an freien Ladungsträgern im aktiven (emittierenden) Bereich des LED-Kristalls erfolgt durch Injizieren eines in Vorwärtsrichtung verschobenen pn-Übergangs.

Der "nützliche" Komponentenstrom, der die Strahlungsrekombination im aktiven Bereich der Diode unterstützt, ist der Elektronenstrom In (Fig. 3a), der durch den pn-Übergang injiziert wird. Die "nutzlosen" Komponenten des Gleichstroms umfassen:

  1. Die Lochkomponente I p aufgrund der Injektion von Löchern in den n-Bereich und reflektiert die Tatsache, dass es bei einseitiger Injektion keine p-n-Übergänge gibt.Der Anteil dieses Stroms ist umso kleiner, je d-Bereich im Vergleich zum p-Bereich dotiert ist.
  2. Der Rekombinationsstrom (nicht strahlend) im Raumladungsbereich des pn-Übergangs der Flüsse I. Bei Halbleitern mit einer großen Bandlücke und kleinen Vorwärtsvorspannungen kann der Anteil dieses Stroms spürbar sein.
  3. Tunnelstrom I tun , aufgrund der "Leckage" von Ladungsträgern durch die Potentialbarriere. Der Strom wird von den Hauptträgern getragen und trägt nicht zur strahlenden Rekombination bei. Der Tunnelstrom ist größer als der pn-Übergang, dies macht sich durch einen hohen Dotierungsgrad des Basisgebiets und durch große Vorwärtsvorspannungen bemerkbar.
  4. Der Oberflächenleckstrom I p ist bedingt durch den Unterschied der Eigenschaften der Halbleiteroberfläche von den Eigenschaften des Volumens und dem Vorhandensein bestimmter Kurzschlusseinschlüsse.

Der Wirkungsgrad des pn-Übergangs wird durch die Einspritzrate charakterisiert:

(2.5)

Offensichtlich sind die Grenzen der möglichen Änderung von g die gleichen wie die von hint , d. H. 0 g 100%.

Bei der Abgabe von Strahlung aus dem Erzeugungsgebiet treten folgende Arten von Energieverlusten auf (Abb. 3, b):

  1. Verluste durch Selbstabsorption (Strahlen 1). Wenn die Wellenlänge der erzeugten Quanten genau der Formel (2.4) entspricht, fällt sie mit der „roten Grenze“ der Absorption zusammen (siehe unten) und diese Strahlung wird in der Dicke des Halbleiters schnell absorbiert (Selbstabsorption). Tatsächlich folgt die Strahlung in Halbleitern mit direkter Lücke nicht dem obigen idealen Schema. Daher ist die Wellenlänge der erzeugten Quanten etwas größer als die durch (2.4) gegebene:
  2. Der Verlust der inneren Totalreflexion (Strahlen 2). Es ist bekannt, dass beim Auftreffen von Lichtstrahlen auf die Grenzfläche eines optisch dichten Mediums (Halbleiter) mit optisch weniger dichtem Medium (Luft) für einen Teil dieser Strahlen die Bedingung der Totalreflexion erfüllt ist, die im Kristall reflektiert wird und letztendlich durch Selbstabsorption verloren geht.
  3. Strahlungsverluste am hinteren und hinteren Ende (Balken 3 und 4).

Quantitativ wird der Wirkungsgrad der von einem Kristall abgegebenen optischen Energie durch den Leistungsfaktor K opt charakterisiert, der durch das Verhältnis der in die richtige 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 . Der integrale Indikator für den Emissionsgrad der LED ist die externe Quantenausbeute h ext . Aus dem Gesagten ist klar, dass h ext = h intg K opt .

Gehen wir zur Empfangseinheit. Das Funktionsprinzip von Photodetektoren in Optokopplern basiert auf dem internen photoelektrischen Effekt, der in der Trennung von Elektronen von Atomen im Inneren des Körpers unter Einwirkung elektromagnetischer (optischer) Strahlung besteht.

Lichtquanten, die in einem Kristall absorbiert werden, können die Ablösung von Elektronen von Atomen sowohl des Halbleiters selbst als auch der Verunreinigung verursachen. Dementsprechend spricht man von einer eigenen (reinen) und einer Verunreinigungsabsorption (Photoeffekt). Da die Konzentration an Verunreinigungsatomen niedrig ist, sind photoelektrische Effekte, die auf Selbstabsorption beruhen, immer signifikanter als solche, die auf Verunreinigung beruhen. Alle in Optokopplern verwendeten Fotodetektoren "arbeiten" mit einem rein fotoelektrischen Effekt. Damit ein Lichtquant die Ablösung eines Elektrons von einem Atom bewirkt, müssen die offensichtlichen Energiebeziehungen erfüllt sein:

E F1 = hn 1 E c - E v (2.6)

E ф2 = hn 2 Ec - Et (2,7)

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

lgr = hc / ( Ec - Ev ) 1,23 / E g (2,8)

Die zweite Gleichheit in (2.8) ist gültig, wenn Ig in Mikrometern ausgedrückt wird und die Bandlücke eines Halbleiters Eg in Elektronenvolt ist. Der Wert von lgr wird als langwellige oder "rote" Grenze 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 Elektronen-Loch-Paare zur Anzahl der absorbierten Photonen bestimmt wird. Eine Analyse der experimentellen Abhängigkeiten von zeigt, dass b = 1 im für Optokoppler interessanten Spektralbereich ist.

Die Bildung von freien Ladungsträgern unter Einwirkung von Strahlung äußert sich in einem Halbleiter in Form von zwei photoelektrischen Effekten: Photoleitfähigkeit (Erhöhung der Leitfähigkeit der Probe bei Beleuchtung) und Photovoltaik (Auftreten von Photo-EMK am pn-Übergang oder einer anderen Form einer Potentialbarriere im Halbleiter bei Beleuchtung). Beide Effekte werden bei der Entwicklung von Fotodetektoren verwendet. Für Optokoppler ist die Verwendung des Photo-EMK-Effekts bevorzugt und dominierend.

Die Hauptparameter und -eigenschaften von Fotodetektoren (unabhängig von der physikalischen Beschaffenheit und dem Design dieser Geräte) können in mehrere Gruppen unterteilt werden: Die optischen Eigenschaften umfassen den Bereich der lichtempfindlichen Oberfläche, das Material, die Abmessungen und die Konfiguration des optischen Fensters; maximale und minimale Strahlungsleistung. Elektrooptisch - Lichtempfindlichkeit, Grad der Gleichmäßigkeit der Empfindlichkeitsverteilung im Bereich des Fotodetektors; Empfindlichkeitsspektraldichte (Abhängigkeit des die Empfindlichkeit charakterisierenden Parameters von der Wellenlänge); Eigenrauschen des Fotodetektors und deren Abhängigkeit von Beleuchtungsstärke und Betriebsfrequenzbereich; Zeit einplanen (Geschwindigkeit); Qualitätsfaktor (ein kombinierter Indikator, mit dem Sie verschiedene Fotodetektoren miteinander vergleichen können); Linearitätsindex; dynamischer Bereich. Ein Fotodetektor als Element einer elektrischen Schaltung ist in erster Linie durch die Parameter seiner Ersatzschaltung, die Anforderungen an die Betriebsarten, das Vorhandensein (oder Fehlen) des eingebauten Verstärkungsmechanismus, die Art und Form des Ausgangssignals gekennzeichnet. Andere Eigenschaften: Leistung, Zuverlässigkeit, Abmessungen, technologische - enthalten nichts speziell "Fotodetektor".

Je nach Art des Ausgangssignals (Spannung, Strom) geben sie die in V / W bzw. A / W gemessene Spannungs- oder Stromempfindlichkeit des Empfängers S an. Die Linearität (oder Nichtlinearität) des Fotodetektors wird durch den Wert des Exponenten n in der Gleichung bestimmt, die das Ausgangssignal mit dem Eingang in Beziehung setzt: U out (oder I out ) ~ P f . Mit n 1 Fotodetektor ist linear; Der Bereich der P f -Werte (von P f max bis P f min ), in dem er ausgeführt wird, bestimmt den Dynamikbereich des linearen Sensors D , der üblicherweise in Dezibel ausgedrückt wird: D = 10 lg (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 . Bei einem bekannten Wert von D ist die Empfindlichkeitsschwelle (die kleinste aufgezeichnete Strahlungsleistung) definiert als

P f min = / D (2,9)

wobei A die Fläche der lichtempfindlichen Stelle ist; D f ist der Betriebsfrequenzbereich des Fotosignalverstärkers. Mit anderen Worten spielt der Parameter D die Rolle des Qualitätsfaktors des Fotodetektors.

Messschaltungen und Familien von Strom-Spannungs-Kennlinien in den Betriebsarten der Fotodioden (a) und der Dioden des Fotoventilators (b)

Abb. 4. Messkreise und Familien von Strom-Spannungs-Kennlinien in den Betriebsarten der Fotodioden (a) und der Dioden des Fotoventilators (b)

Bei Optokopplern sind nicht alle aufgeführten Eigenschaften gleich wichtig. Photodetektoren in Optokopplern arbeiten in der Regel bei Bestrahlungen, die sehr weit von den Schwellenwerten entfernt sind, weshalb sich die Verwendung der Parameter P f min und D als praktisch unbrauchbar herausstellt. Strukturell ist der Fotodetektor im Optokoppler normalerweise beim Eintauchen "ertrunken". das Medium, das es mit dem Strahler verbindet, verliert daher die Kenntnis der optischen Eigenschaften des Eingabefensters seine Bedeutung (in der Regel gibt es ein solches Fenster nicht speziell). Es ist nicht sehr wichtig, die Empfindlichkeitsverteilung über den lichtempfindlichen Ort zu kennen, da integrale Effekte von Interesse sind.

Den Mechanismus von Photodetektoren auf der Grundlage des photovoltaischen Effekts betrachten wir am Beispiel planar-epitaktischer Photodioden mit pn-Übergang und p-in-Struktur, bei denen Sie das n + -Substrat, die n-Base oder die i-Base auswählen können (schwache Leitfähigkeit n -Typ) und dünne p + -Schicht. Beim Betrieb im Fotodiodenmodus (Fig. 4, a) bewirkt die von außen angelegte Spannung, daß sich bewegliche Löcher und Elektronen von dem pn (pi) -Übergang wegbewegen; in diesem Fall ist das Muster der Feldverteilung im Kristall für die beiden betrachteten Strukturen stark unterschiedlich.

Die im Basisbereich der Diode absorbierte Lichtstrahlung erzeugt Elektronen-Loch-Paare, die zum pn-Übergang diffundieren, von diesem getrennt werden und im externen Stromkreis zusätzlichen Strom erzeugen. In p - i - n-Dioden tritt diese Trennung im i-o6-Feld auf und anstelle eines Diffusionsprozesses driften Ladungsträger unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes. Jedes erzeugte Elektron-Loch-Paar, das den pn-Übergang durchlaufen hat, bewirkt, dass eine Ladung, die der Elektronenladung entspricht, durch die externe Schaltung fließt. Je größer die Diodenbestrahlungsstärke ist, desto größer ist der Fotostrom. Der Photostrom fließt auch, wenn die Diode in Durchlassrichtung vorgespannt ist (Fig. 4, a), aber bereits bei niedrigen Spannungen ist er viel geringer als der Gleichstrom, weshalb sich seine Auswahl als schwierig herausstellt.

Der Arbeitsbereich der Strom-Spannungs-Kennlinien der Fotodiode ist in Fig. 3 der III-Quadrant. 4, a; Dementsprechend ist die Stromempfindlichkeit der wichtigste Parameter

(2.10)

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

Wenn die Fotodiode ohne eine daran angelegte externe Vorspannung beleuchtet wird, wird der Vorgang der Trennung der erzeugten Elektronen und Löcher aufgrund der Wirkung ihres eigenen eingebauten pn-Übergangsfelds fortgesetzt. In diesem Fall fließen die Löcher in den p-Bereich und gleichen das eingebaute p-n-Übergangsfeld teilweise aus. Ein neuer Gleichgewichtszustand wird erzeugt (für einen gegebenen Wert: P f ), in dem an den äußeren Anschlüssen der Diode eine Photoemf U f auftritt. Wenn Sie die beleuchtete Fotodiode für eine bestimmte Last schließen, erhält sie die nützliche elektrische Leistung P e .

Die charakteristischen Punkte der Strom-Spannungs-Kennlinie der in diesem Modus arbeitenden Diode sind die Leerlaufspannung EMF Uxx und der Kurzschlussstrom I CC (Abb. 4, b).

Schematisch funktioniert die Fotodiode im Ventilmodus als eine Art sekundäre Energiequelle, daher ist ihr entscheidender Parameter der Wirkungsgrad der Umwandlung von Lichtenergie in elektrische Energie:

Wirkungsgrad = P e / AP f = aU xx I CC / A pf (2.11)

Im Fotolüftungsmodus eine wichtige Klasse von Fotovoltaik-Geräten - Sonnenkollektoren.

Parameter und Eigenschaften von Optokopplern und optoelektronischen integrierten Schaltkreisen

Einteilung der Parameter von Optokopplerprodukten

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

Die Wahl des ersten Klassifizierungszeichens ist darauf zurückzuführen, dass fast alle Optokoppler am Eingang über eine LED verfügen und die Funktionalität des Geräts von den Ausgangseigenschaften des Fotoempfängers abhängt.

Als zweites Merkmal wurde ein Design übernommen, das die Besonderheiten der Verwendung eines Optokopplers festlegt.

Zur Bestimmung der Impulsparameter von Optokopplern

Abb. 5. Zur Bestimmung der Impulsparameter von Optokopplern

Mit diesem Prinzip des gemischten Aufbaus und der schematischen Klassifizierung lassen sich logischerweise drei Hauptproduktgruppen der Optokopplertechnologie unterscheiden: Optokoppler (Elementaroptokoppler), optoelektronische (Optokoppler) integrierte Schaltkreise und spezielle Optokopplertypen. Jede dieser Gruppen enthält eine große Anzahl von Gerätetypen.

Für die gebräuchlichsten Optokoppler werden die folgenden Abkürzungen verwendet: D - Diode, T - Transistor, R - Widerstand, U - Thyristor, T 2 - mit zusammengesetztem Fototransistor, DT - Diodentransistor, 2D (2Т) - Diodendifferential (Transistor).

Das Parametersystem von Optokopplerprodukten basiert auf dem Parametersystem von Optokopplern, das sich aus vier Gruppen von Parametern und Modi zusammensetzt.

Die erste Gruppe charakterisiert die Optokopplereingangsschaltung (Eingangsparameter), die zweite Gruppe beschreibt ihre Ausgangsschaltung (Ausgangsparameter), die dritte Gruppe kombiniert die Parameter, die den Grad der Emitterwirkung auf den Photodetektor charakterisieren, und die zugehörigen Signaldurchgangseigenschaften durch den Optokoppler als Kommunikationselement (Übertragungskennlinienparameter). Schließlich kombiniert die vierte Gruppe galvanische Isolationsparameter, deren Werte zeigen, wie nahe der Optokoppler dem idealen Entkopplungselement ist. Von den vier aufgelisteten Gruppen definieren die Parameter der Übertragungscharakteristik und die Parameter der elektrischen Isolation speziell "Optokoppler".

Der wichtigste Parameter der Dioden- und Transistor-Optokoppler ist das Stromübertragungsverhältnis. Die Bestimmung der Impulsparameter von Optokopplern geht aus (Bild 5) hervor. Die Bezugspegel bei der Messung der Parameter t drug (cn) , t cd und t on (off) sind üblicherweise die Pegel 0,1 und 0,9, die gesamte logische Zeitverzögerung des Signals wird durch den Pegel von 0,5 Impulsamplituden bestimmt.

Die Parameter der galvanischen Trennung. Optokoppler sind: die maximal zulässige Spitzenspannung zwischen dem Eingang und dem Ausgang von U Entwicklung n max ; die maximal zulässige Spannung zwischen dem Eingang und dem Ausgang U ra max ; galvanischer Widerstand R raz ; Weitergabe der Kapazität C Entwicklung ; maximal zulässige Spannungsänderungsrate zwischen Eingang und Ausgang (dU razd / dt) max . Am wichtigsten ist der Parameter U ra p 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 Änderungen verwendet, um optoelektronische integrierte Schaltungen zu beschreiben.

Diodenoptokoppler

Legend Optokoppler

Abb. 6. Symbole von Optokopplern

Dioden-Optokoppler (Abb. 6, a) prägen in hohem Maße wie keine anderen: Andere Geräte prägen das Niveau der optoelektronischen Technologie. Der Wert von K i kann anhand des erreichten Wirkungsgrades der Energieumwandlung im Optokoppler beurteilt werden; Werte von Zeitparametern erlauben es, die maximale Geschwindigkeit der Informationsverteilung zu bestimmen. Die sehr nützliche und bequeme Verbindung verschiedener Verstärkungselemente mit dem Diodenoptokoppler kann jedoch weder bei der Energie noch bei den Grenzfrequenzen einen Gewinn bringen.

Transistor- und Thyristor-Optokoppler

Transistor-Optokoppler (Fig. 6, c) sind in einer Reihe ihrer Eigenschaften im Vergleich zu anderen Optokopplertypen günstig. Dies ist in erster Linie die Schaltungsflexibilität, die sich in der Tatsache manifestiert, dass der Kollektorstrom sowohl von der LED-Schaltung (optisch) als auch von der Basisschaltung (elektrisch) gesteuert werden kann und dass die Ausgangsschaltung im linearen und im Tastenmodus 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 der Optokoppler nicht sehr groß ist und in vielen Fällen durchaus akzeptabel ist. Die Ausgangsströme von Fototransistoren sind viel höher als beispielsweise von Fotodioden, wodurch sie zum Schalten einer Vielzahl elektrischer Schaltkreise geeignet sind. Abschließend sei angemerkt, dass all dies mit der relativen technologischen Einfachheit von Transistoroptokopplern erreicht wird.

Thyristor-Optokoppler (Abb. 6, b) sind die vielversprechendsten zum Schalten von Hochstrom-Hochspannungskreisen: Durch die Kombination von Lastleistung und Drehzahl sind sie T 2 -Optopar eindeutig vorzuziehen. Optokoppler vom Typ AOU103 sind zur Verwendung als kontaktlose Schlüsselelemente in verschiedenen elektronischen Schaltkreisen vorgesehen: in Steuerschaltkreisen, Leistungsverstärkern, Impulsformern usw.

Widerstandsoptokoppler

Widerstandsoptokoppler (Abb. 6, d) unterscheiden sich grundlegend von allen anderen Optokopplertypen durch physikalische und strukturtechnische Merkmale sowie die Zusammensetzung und Werte der Parameter.

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

Differential-Optokoppler zur analogen Signalübertragung

Alle oben genannten Materialien beziehen sich auf die Übertragung digitaler Informationen auf einer galvanisch getrennten Schaltung. In allen Fällen, in denen von Linearität und von analogen Signalen gesprochen wurde, handelte es sich um die Art der Ausgangscharakteristik eines Optokopplers. In allen Fällen wurde die Steuerung des Kanalemitter-Fotodetektors nicht durch eine lineare Beziehung beschrieben. Eine wichtige Aufgabe ist die Übertragung analoger Informationen mit einem Optokoppler, dh die Gewährleistung der Linearität der Eingangs-Ausgangs-Übertragungskennlinie [36]. Nur in Gegenwart solcher Optokoppler ist es möglich, analoge Informationen direkt über galvanisch getrennte Schaltkreise zu verteilen, ohne sie in digitale Form (eine Folge von Impulsen) umzuwandeln.

Der Vergleich der Eigenschaften verschiedener Optokoppler anhand von Parametern, die für die Übertragung von analogen Signalen von Bedeutung sind, lässt den Schluss zu, dass dieses Problem nur mit Hilfe von Diodenoptokopplern mit guten Frequenz- und Rauscheigenschaften gelöst werden kann. Die Komplexität des Problems liegt hauptsächlich in dem engen Linearitätsbereich der Übertragungscharakteristik und dem Linearitätsgrad der Diodenoptokoppler.

Es ist anzumerken, dass bei der Schaffung von elektrisch isolierten Geräten, die zur Übertragung von analogen Signalen geeignet sind, nur die ersten Schritte unternommen wurden und weitere Fortschritte zu erwarten sind.

Optoelektronische Mikroschaltungen und andere Optokoppler

Optoelektronische Mikroschaltungen sind eine der am weitesten verbreiteten, sich entwickelnden und vielversprechenden Produktklassen der Optokopplertechnologie. Dies liegt an der vollständigen elektrischen und strukturellen Kompatibilität von optoelektronischen Mikroschaltungen mit herkömmlichen Mikroschaltungen sowie an ihrer breiteren Funktionalität im Vergleich zu elementaren Optokopplern. Wie unter gewöhnlichen Mikroschaltungen sind auch optoelektronische Schaltmikroschaltungen am weitesten verbreitet.

Spezielle Optokopplertypen unterscheiden sich stark von herkömmlichen Optokopplern und optoelektronischen Mikroschaltungen. Hierzu zählen vor allem Optokoppler mit offenem optischen Kanal. Bei der Konstruktion dieser Vorrichtungen zwischen dem Emitter und dem Fotodetektor ist ein Luftspalt vorhanden, so dass es durch Platzieren bestimmter mechanischer Hindernisse möglich ist, den Lichtstrom und dadurch das Ausgangssignal des Optokopplers zu steuern. Optokoppler mit offenem optischen Kanal dienen somit als optoelektronische Sensoren, die die Anwesenheit (oder Abwesenheit) von Objekten, den Zustand ihrer Oberfläche, die Geschwindigkeit der Bewegung oder Drehung usw. erfassen.

Anwendungen von Optokopplern und Optokoppler-Chips

Die vielversprechenden Richtungen für die Entwicklung und Anwendung der Optokopplertechnologie sind weitgehend festgelegt. 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.

Передача информации

Optokoppler werden bei der Informationsübertragung als Kommunikationselemente eingesetzt und tragen in der Regel keine eigenständige Funktionslast. Ihre Verwendung ermöglicht eine hocheffiziente galvanische Trennung von Steuer- und Lastgeräten (Abb. 7), die unter verschiedenen elektrischen Bedingungen und Betriebsarten arbeiten. Mit der Einführung von Optokopplern steigt die Störfestigkeit der Kommunikationskanäle dramatisch an. "Parasitäre" Wechselwirkungen entlang der Stromkreise von "Erde" und Nahrung werden praktisch beseitigt. Von Interesse ist auch die rationelle und zuverlässige Koordination digitaler integrierter Geräte mit einer heterogenen Elementbasis (TTL, ECL, I2L, CMOS usw.).

Grenzflächenisolationsdiagramm

Abb. 7. Schema der galvanischen Trennung zwischen Einheiten

Die Anpassungsschaltung eines Elements der Transistor-Transistor-Logik (TTL) mit einem in MIS-Transistoren integrierten Bauelement 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 kΩ - die LED des Optokopplers wird mit einem Strom (5 mA) bestromt, der ausreicht, um den Transistor zu sättigen und das Gerät auf dem MIS sicher zu steuern Transistoren.

Abb. 8. Diagramm der Kopplung von TTL- und MDP-Elementen über einen optischen Kanal

Optische Kommunikationen werden aktiv in Telefonvorrichtungen und -systemen verwendet. Mit Hilfe von Optokopplern können mit technisch einfachen Mitteln mikroelektronische Geräte zum Anrufen, Anzeigen, Steuern und für andere Zwecke an Telefonleitungen angeschlossen werden.

Die Einführung optischer Verbindungen in die elektronischen Messgeräte ermöglicht neben der in vielerlei Hinsicht nützlichen galvanischen Trennung von Objekt und Messgerät auch eine drastische Reduzierung des Einflusses von Rauschen auf Erd- und Stromkreise.

Von erheblichem Interesse sind die Fähigkeiten und Erfahrungen beim Einsatz von optoelektronischen Geräten und Geräten in biomedizinischen Geräten. Optokoppler können den Patienten zuverlässig von der Einwirkung hoher Spannungen abschirmen, wie sie in Elektrokardiographiegeräten zu finden sind.

Die berührungslose Steuerung von Hochleistungs-Hochspannungsschaltkreisen über optische Kanäle ist unter komplexen technischen Bedingungen, die für viele Geräte und Industrieelektronikkomplexe 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-Chips nehmen in der berührungslosen Remote-Technologie eine starke Position ein, um schnell und genau Informationen über die Eigenschaften und Merkmale sehr unterschiedlicher (in Art und Zweck) Prozesse und Objekte zu erhalten und anzuzeigen. In dieser Hinsicht haben Optokoppler mit offenen optischen Kanälen einzigartige Fähigkeiten. Darunter sind optoelektronische Unterbrecher, die auf den Schnittpunkt des optischen Kanals mit undurchsichtigen Objekten reagieren (Abb. 10), und reflektierende Optokoppler, bei denen die Wirkung von Lichtemittern auf Fotodetektoren ausschließlich auf der Reflexion des von externen Objekten ausgestrahlten Flusses beruht.

Optoelektronischer Sensor

Abb. 10. Optoelektronischer Sensor

Das Einsatzspektrum von Optokopplern mit offenen optischen Kanälen ist umfangreich und vielfältig. Bereits in den 60er Jahren wurden Optokoppler dieses Typs effektiv zur Erfassung von Objekten und Objekten eingesetzt. Bei einer solchen Registrierung, die in erster Linie für Geräte zur automatischen Steuerung und Zählung von Objekten sowie zur Erkennung und Anzeige verschiedener Arten von Fehlern und Ausfällen charakteristisch ist, ist es wichtig, den Ort des Objekts eindeutig zu bestimmen oder die Tatsache seiner Existenz widerzuspiegeln. Die Registrierungsfunktionen der Optokoppler arbeiten zuverlässig und effizient.

Steuerung elektrischer Prozesse

Die Leistung der von der LED erzeugten Strahlung und die Höhe des in Linearschaltungen mit Fotodetektoren entstehenden Fotostroms ist direkt proportional zum Strom der elektrischen Leitfähigkeit des Emitters. Auf diese Weise können Sie über optische (kontaktlose, entfernte) Kanäle genaue Informationen über die Vorgänge in elektrischen Stromkreisen erhalten, die galvanisch mit dem Strahler verbunden sind. Besonders effektiv ist die Verwendung von Lichtemittern von Optokopplern als Sensoren für elektrische Änderungen in Hochstrom-, Hochspannungskreisen. Klare Informationen zu solchen Änderungen sind wichtig für den betrieblichen Schutz von Energiequellen und Verbrauchern vor elektrischer Überlastung.

Spannungsstabilisator mit regelbarem Optokoppler

Abb. 11. Spannungsstabilisator mit ansteuerndem Optokoppler

Optokoppler arbeiten erfolgreich in Hochspannungsreglern und erzeugen dort optische Kanäle mit negativer Rückkopplung. Der betrachtete Stabilisator (Fig. 11) bezieht sich auf eine Vorrichtung vom Serientyp, wobei der Bipolartransistor das Regelelement ist und die Silizium-Zenerdiode als Quelle der Referenzspannung (Referenzspannung) dient. Das Vergleichselement ist die LED.

Wenn die Ausgangsspannung in der Schaltung Abb. 11 steigt an, dann steigt der Leitungsstrom der LED an. Der Fototransistor des Optokopplers wirkt auf den Transistor und unterdrückt eine mögliche Instabilität der Ausgangsspannung.

Elektromechanischer Produktaustausch

In dem Komplex technischer Lösungen zur Verbesserung der Effizienz und Qualität von Automatisierungsgeräten, Funktechnik, Telekommunikation, Industrie- und Unterhaltungselektronik ist es eine sinnvolle und nützliche Maßnahme, elektromechanische Produkte (Transformatoren, Relais, Potentiometer, Rheostate, Drucktaster und Tastaturschalter) durch kompaktere, langlebigere zu ersetzen. Hochgeschwindigkeits-Gegenstücke. Die führende Rolle in dieser Richtung haben optoelektronische Bauelemente und Geräte. Fakt ist, dass sehr wichtige technische Vorteile von Transformatoren und elektromagnetischen Relais (galvanische Trennung von Steuerkreisen und Verbrauchern, sicherer Betrieb in Hochleistungs-, Hochspannungs- und Hochstromsystemen) auch für Optokoppler charakteristisch sind. Gleichzeitig übertreffen optoelektronische Produkte elektromagnetische Analoga in Bezug auf Zuverlässigkeit, Haltbarkeit, Übergangs- und Frequenzeigenschaften erheblich. Die Ansteuerung von kompakten und schnellen optoelektronischen Transformatoren, Schaltern und Relais erfolgt zuverlässig mit integrierten Schaltkreisen der Digitaltechnik ohne spezielle Mittel zur elektrischen Anpassung.

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

Optoelektronische Transformatorschaltung

Abb. 12. Schema des optoelektronischen Transformators

Energiefunktionen

Im Energiemodus werden Optokoppler als sekundäre EMK- und Stromquellen verwendet. Der Wirkungsgrad von Optokoppler-Energiewandlern ist gering. Die Möglichkeit, eine zusätzliche Spannungsquelle oder einen zusätzlichen Strom in einen beliebigen Schaltkreis des Geräts ohne galvanische Kopplung mit der primären Stromquelle einzubringen, bietet dem Entwickler jedoch einen neuen Freiheitsgrad, der insbesondere bei der Lösung von nicht standardmäßigen technischen Problemen nützlich ist.