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Optokoppler und ihre Anwendung

Einleitung

Geschichte von

Die Idee, Optokoppler zu erzeugen und zu verwenden, geht auf das Jahr 1955 zurück, als das Loebner EE Optoelektronische Netzwerk eine ganze Reihe von Geräten mit optischen und elektrischen Verbindungen zwischen Elementen vorschlug, die eine Verstärkung und spektrale Umwandlung von Lichtsignalen ermöglichten - bistabile Optokoppler, optoelektronische Bauelemente zur Akkumulation und Speicherung von Informationslogikschaltungen, Schieberegister. Dort wurde auch der Begriff "Optokoppler" vorgeschlagen, der als Abkürzung für das englischoptisch-elektronische Gerät gebildet wurde.

Die in dieser Arbeit beschriebenen Optokoppler, die die Prinzipien perfekt illustrieren, erwiesen sich für die industrielle Realisierung als ungeeignet, da sie auf einer unvollkommenen elementaren Basis - ineffizienten und trägen Pulverelektrolumineszenzkondensatoren (Emitter) und Fotowiderständen (Empfänger) - beruhten. Die wichtigsten Betriebseigenschaften der Geräte waren ebenfalls mangelhaft: Niedrigtemperatur- und Zeitstabilität der Parameter, unzureichende Beständigkeit gegen mechanische Beanspruchung. Deshalb. Der Optokoppler blieb zunächst nur eine interessante wissenschaftliche Errungenschaft, die in der Technik keine Anwendung fand.

Erst Mitte der 60er Jahre entwickelten sich Halbleiter-Leuchtdioden und technologisch fortschrittliche Hochleistungs-Silizium-Photodetektoren mit pn-Übergängen (Photodioden und Fototransistoren), die die elementare Basis der modernen optronischen Technologie bildeten. Anfang der siebziger Jahre entwickelte sich die Optokoppler-Produktion in den führenden Ländern der Welt zu einem wichtigen und sich schnell entwickelnden Zweig der Elektroniktechnologie, der die traditionelle Mikroelektronik erfolgreich ergänzte.

Grundlegende Definitionen

Optokoppler nennen solche optoelektronischen Vorrichtungen, in denen eine Quelle und ein Empfänger von Strahlung (ein Lichtemitter und ein Photodetektor) mit der einen oder anderen Art von optischer und elektrischer Verbindung zwischen ihnen vorhanden sind, strukturell miteinander verwandt.

Das Funktionsprinzip jeder Art von Optokopplern basiert auf dem folgenden. Im Emitter wird die Energie des elektrischen Signals in Licht umgewandelt, im Gegensatz dazu bewirkt das Lichtsignal im Photodetektor eine elektrische Antwort.

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

Je nach dem Grad der Komplexität des Strukturschemas gibt es zwei Gruppen von Vorrichtungen unter den Produkten von Optokopplern. Ein Optokoppler (auch als "elementarer Optokoppler" bezeichnet) ist ein optoelektronisches Halbleiterbauelement aus strahlenden und fotoempfangenden Elementen, zwischen denen eine optische Verbindung besteht, die eine elektrische Isolierung zwischen dem Eingang und dem Ausgang bereitstellt. Eine optoelektronische integrierte Schaltung ist ein Chip, der aus einem oder mehreren Optokopplern und einer oder mehreren Anpassungs- oder Verstärkervorrichtungen besteht, die elektrisch mit ihnen verbunden sind.

In einer elektronischen Schaltung erfüllt eine solche Vorrichtung somit die Funktion eines Kommunikationselements, bei dem gleichzeitig eine elektrische (galvanische) Trennung von Eingang und Ausgang erfolgt.

Besonderheiten von Optokopplern

Die Vorteile dieser Geräte basieren auf dem allgemeinen optoelektronischen Prinzip der Verwendung von elektrisch neutralen Photonen für den Informationstransfer. Die wichtigsten sind wie folgt:

  • die Möglichkeit, eine ideale elektrische (galvanische) Isolierung zwischen dem Eingang und dem Ausgang bereitzustellen; Für Optokoppler gibt es keine grundsätzlichen physikalischen oder strukturellen Einschränkungen hinsichtlich der Erreichung beliebig hoher Spannungen und Entkopplungswiderstände und beliebig kleiner Durchgangskapazitäten.
  • die Möglichkeit der kontaktlosen optischen Steuerung von elektronischen Objekten und die daraus resultierende Vielfalt und Flexibilität von Designlösungen für Steuerschaltungen;
  • unidirektionale Verteilung von Informationen durch den optischen Kanal, das Fehlen einer umgekehrten Antwort des Empfängers auf den Sender;
  • breite Frequenzbandbreite des Optokopplers, das Fehlen von Einschränkungen seitens der niedrigen Frequenzen (was typisch für Impulsübertrager ist); die Möglichkeit der Übertragung auf der Optokopplerschaltung als ein Impulssignal und die konstante Komponente;
  • die Fähigkeit, das Ausgangssignal des Optokopplers zu steuern, indem (einschließlich nicht elektrisch) auf das Material des optischen Kanals eingewirkt wird, und die sich daraus ergebende Möglichkeit, eine Vielzahl von Sensoren sowie eine Vielzahl von Instrumenten zum Übertragen von Information zu erzeugen;
  • die Möglichkeit, funktionelle mikroelektronische Vorrichtungen mit Photodetektoren zu schaffen, deren Eigenschaften sich bei Beleuchtung nach einem komplexen, gegebenen Gesetz ändern;
  • Immunität von optischen Kommunikationskanälen gegenüber den Wirkungen von elektromagnetischen Feldern, die im Fall von "langen" Optokopplern (mit einer ausgedehnten optischen Faser zwischen dem Sender und dem Empfänger) ihren Schutz vor Interferenz und Informationsleckage bestimmen und auch gegenseitige Übernahmen ausschließen;
  • physikalische und strukturtechnische Kompatibilität mit anderen Halbleiter- und Mikroelektronikgeräten.

Die Optokoppler haben auch bestimmte Nachteile:

  • signifikanter Stromverbrauch aufgrund der Notwendigkeit einer doppelten Energieumwandlung (Strom - Licht - Elektrizität) und geringer Effizienz dieser Übergänge;
  • erhöhte Empfindlichkeit der Parameter und Eigenschaften gegenüber den Auswirkungen erhöhter Temperatur und eindringender radioaktiver Strahlung;
  • mehr oder weniger spürbare zeitliche Verschlechterung (Verschlechterung) von Parametern;
  • relativ hohes Eigenrauschen, bedingt wie die beiden bisherigen Nachteile, auf die Besonderheiten der LED-Physik;
  • die Komplexität der Implementierung von Rückkopplungen, die durch elektrische Trennung der Eingangs- und Ausgangskreise verursacht werden;
  • konstruktive und technologische Unvollkommenheiten, die mit der Verwendung von hybrider nicht-planarer Technologie verbunden sind (mit der Notwendigkeit, in einem Gerät mehrere - separate Kristalle von verschiedenen Halbleitern, die sich in verschiedenen Ebenen befinden - zu kombinieren).

Die erwähnten Nachteile von Optokopplern werden teilweise eliminiert, da Materialien, Technologie und Schaltkreise verbessert werden, aber dennoch werden sie für eine lange Zeit eher fundamentaler Natur sein. Ihre Vorteile sind jedoch so hoch, dass sie unter anderen mikroelektronischen Bauelementen sichere, nicht konkurrierende Optoelemente gewährleisten.

Generalisiertes Strukturschema

Als ein Kommunikationselement ist ein Optokoppler durch einen ÜbertragungskoeffizientenK i gekennzeichnet , der durch das Verhältnis der Ausgangs- und Eingangssignaleund die maximale Informationsübertragungsrate F bestimmt ist. In der Praxiswerden anstelle von F die Anstiegs- und Abfallzeiten der übertragenen Impulse t drogen (cn) oder die Grenzfrequenz gemessen. Die Fähigkeiten des Optokopplers als Element der galvanischen Trennung zeichnen sich durch die maximale Spannung und den Widerstand der Isolations-U- Entwicklung und der R- Entwicklungs- und Durchlaßkapazität C aus.

Im Blockdiagramm in Abb. Eine Eingabevorrichtung dient dazu, den Betriebsmodus des Senders zu optimieren (zum Beispiel die Verschiebung der LED zu dem linearen Teil der Watt-Ampere-Charakteristik) und das externe Signal umzuwandeln (zu verstärken). Die Eingabeeinheit muss einen hohen Umwandlungswirkungsgrad, eine hohe Geschwindigkeit, einen breiten dynamischen Bereich zulässiger Eingangsströme (für lineare Systeme), einen kleinen Wert des "Schwellen" -Eingangsstroms, der eine zuverlässige Übertragung von Informationen entlang der Schaltung gewährleistet, aufweisen.

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 Photodetektor zu übertragen und in vielen Fällen die mechanische Integrität der Struktur sicherzustellen.

Die grundsätzliche Möglichkeit, die optischen Eigenschaften des Mediums beispielsweise durch Verwendung von elektrooptischen oder magneto-optischen Effekten zu steuern, stellt sich durch Einführen eines Steuergeräts in die Schaltung dar. In diesem Fall erhalten wir einen Optokoppler mit einem gesteuerten optischen Kanal, der funktionell vom "normalen" Optokoppler verschieden ist: Eingangs- und Steuerkreis.

In dem Photodetektor wird das Informationssignal von dem optischen zu dem elektrischen "wiederhergestellt"; während Streben nach hoher Empfindlichkeit und hoher Geschwindigkeit.

Schließlich ist das Ausgabegerät dazu ausgelegt, das Photodetektorsignal in eine Standardform umzuwandeln, die zur Beeinflussung der dem Optokoppler folgenden Kaskaden geeignet ist. Eine fast obligatorische Funktion des Ausgabegerätes ist die Signalverstärkung, da die Verluste nach Doppelwandlung sehr groß sind. Oft führt der Photodetektor selbst (zum Beispiel ein Fototransistor) auch die Verstärkungsfunktion aus.

Das allgemeine Strukturdiagramm von Abb. 1 ist in jeder spezifischen Vorrichtung nur durch einen Teil der Blöcke realisiert. Dementsprechend gibt es drei Hauptgruppen von Vorrichtungen für die Optokoppler-Technologie; Die zuvor genannten Optokoppler (Elementar-Optokoppler) verwenden Blöcke Lichtemitter - optisches Medium - Photodetektor; optoelektronische (Optokoppler-) Chips (Optokoppler mit dem Zusatz des Ausgangs und manchmal des Eingabegeräts); Spezielle Arten von Optokopplern - Geräte, die sich funktionell und strukturell signifikant von elementaren Optokopplern und optoelektronischen ICs unterscheiden.

Ein echter Optokoppler kann angeordnet und komplizierter sein als das Diagramm in Abb. 1; Jeder dieser Blöcke kann nicht ein, sondern mehrere Elemente enthalten, die einander gleich oder ähnlich sind, die elektrisch und optisch verbunden sind, aber dies ändert nicht wesentlich die Grundlagen der Physik und Elektronik des Optokopplers.

Anwendung

Als Elemente der galvanischen Trennung werden Optokoppler verwendet: für den Anschluss von Geräteeinheiten, zwischen denen eine signifikante Potentialdifferenz besteht; zum Schutz der Eingangskreise von Messgeräten vor Störungen und Störungen, etc.

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

Eine spezifische Gruppe von Steueroptokopplern besteht aus Widerstandsoptokopplern, die für Niederstromschaltkreise in komplexen Informationsanzeigevorrichtungen auf Elektrolumineszenz- (Pulver) -Anzeigen, mnemonischen Diagrammen und Bildschirmen ausgelegt sind.

Die Schaffung von "langen" Optokopplern (Geräte mit einem erweiterten flexiblen Lichtleiter) hat eine völlig neue Richtung in der Anwendung von Produkten der Optokoppler-Technologie eröffnet - Kommunikation über kurze Distanzen.

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

Die Fähigkeit, die Eigenschaften des optischen Kanals unter verschiedenen äußeren Einflüssen zu verändern, erlaubt es, eine ganze Reihe von Optokopplern zu erzeugen: das sind die Feuchtigkeits- und Gassensoren, der Sensor für das Vorhandensein im Volumen einer Flüssigkeit, Sensoren für die Oberflächenbeschaffenheit des Objekts, die Geschwindigkeit seiner Bewegung usw.

Die Verwendung von Optokopplern für Energiezwecke ist ziemlich spezifisch, das heißt, der Betrieb eines Diodenoptokopplers im Photo-Lüftungsmodus. In diesem Modus erzeugt die Photodiode elektrische Energie für die Last und der Optokoppler ist bis zu einem gewissen Grad ähnlich einer sekundären Stromquelle mit niedriger Leistung, vollständig isoliert von dem primären Schaltkreis.

Die Schaffung von Optokopplern mit Photowiderständen, deren Eigenschaften, wenn sie nach einem gegebenen komplexen Gesetz variieren, es ermöglicht, mathematische Funktionen zu modellieren, ist ein Schritt auf dem Weg zur Schaffung funktionaler Optoelektronik.

Die Vielseitigkeit von Optokopplern als Elemente der galvanischen Trennung und kontaktlosen Steuerung, die Vielfalt und Einzigartigkeit vieler anderer Funktionen sind der Grund dafür, dass Computer, Automatisierungs-, Kommunikations- und Funkgeräte, automatisierte Steuerungssysteme, Messgeräte, Steuerungs- und Regelsysteme, medizinische Elektronik visuelle Informationsanzeigevorrichtungen.

Physikalische Grundlagen der optoelektronischen Technologie

Elementbasis- und Geräteoptokoppler

Die elementare Grundlage der Optokoppler sind Photodetektoren und Emitter sowie das optische Medium zwischen ihnen. Allgemeine Anforderungen, wie kleine Abmessungen und Gewicht, hohe Haltbarkeit und Zuverlässigkeit, Beständigkeit gegenüber mechanischen und klimatischen Einflüssen, Herstellbarkeit, geringe Kosten, werden allen diesen Elementen auferlegt. Es ist auch wünschenswert, dass die Elemente einer ausreichend breiten und langen industriellen Approbation unterzogen werden.

Funktionell (als ein Element der Schaltung) wird der Optokoppler hauptsächlich durch den Typ des Photodetektors charakterisiert, den er verwendet.

Der erfolgreiche Einsatz eines Photodetektors in einem Optokoppler wird durch die Erfüllung der folgenden grundlegenden Anforderungen bestimmt: die Effizienz der Umwandlung der Energie von Strahlungsquanten in die Energie von mobilen elektrischen; die Anwesenheit und Wirksamkeit eines internen Gewinns; hohe Geschwindigkeit; Breite der Funktionalität.

Die Optokoppler verwenden Photodetektoren mit verschiedenen Strukturen, die im sichtbaren und nahen Infrarotbereich empfindlich sind, da in diesem Bereich des Spektrums intensive Strahlungsquellen vorhanden sind und die Photodetektoren ohne Kühlung arbeiten können.

Die universellsten sind Photodetektoren mit p-n-Übergängen (Dioden, Transistoren und t, p.). In den meisten Fällen werden sie auf der Basis von Silizium hergestellt und ihr Bereich maximaler spektraler Empfindlichkeit liegt bei l = 0,7 ... 0,9 μm .

An die Emitter von Optokopplern werden zahlreiche Anforderungen gestellt. Die wichtigsten sind: spektrale Anpassung an den ausgewählten Photodetektor; hohe Effizienz der Energieumwandlung von elektrischem Strom in Strahlungsenergie; primäre Strahlungsrichtwirkung; hohe Geschwindigkeit; Einfachheit und Zweckmäßigkeit der Anregung und Modulation der Strahlung.

Für den Einsatz in Optokopplern eignen sich mehrere Arten von Emittern:

  • Miniaturglühlampen.
  • Neonlampen, die das Glühen einer elektrischen Entladung eines Neon-Argon-Gasgemisches verwenden.
    Diese Strahlertypen zeichnen sich durch geringe Lichtleistung, geringe mechanische Belastbarkeit, begrenzte Lebensdauer, große Abmessungen, vollständige Inkompatibilität mit integrierter Technologie aus. Sie können jedoch bei bestimmten Arten von Optokopplern Anwendung finden.
  • Die elektrolumineszente Pulverzelle verwendet feinkristalline Zinksulfidkörner (aktiviert durch Kupfer, Mangan oder andere Zusatzstoffe), die in einem polymerisierenden Dielektrikum als Leuchtkörper suspendiert sind. Wenn eine ausreichend hohe Wechselspannung angelegt wird, findet ein Vorzerfall-Lumineszenzprozess statt.
  • Dünnschicht-Elektrolumineszenz-Zellen . Das Leuchten ist hier mit der Anregung von Manganatomen durch "heiße" Elektronen verbunden.

Sowohl Pulver- als auch Film-Elektrolumineszenzzellen haben eine geringe Effizienz der Umwandlung von elektrischer Energie in Licht, geringe Haltbarkeit (insbesondere Dünnfilm), sind schwierig zu handhaben (beispielsweise der optimale Modus für Pulverleuchtstoffe ~ 220 V bei f = 400 ... 800 Hz). Der Hauptvorteil dieser Emitter ist die konstruktiv-technologische Kompatibilität mit Photowiderständen, die Möglichkeit, auf dieser Basis multifunktionale, mehrgliedrige Optokopplerstrukturen zu schaffen.

Der universellste in Optokopplern verwendete Emitter ist eine Halbleiter-Injektions-Leuchtdiode - LED. Dies liegt an den folgenden Vorteilen: ein hoher Wert der Effizienz der Umwandlung von elektrischer Energie in optische Energie; schmales Strahlungsspektrum (quasi-monochromatisch); die Breite des Spektralbereichs überlappt mit verschiedenen LEDs; Strahlungsrichtwirkung; hohe Geschwindigkeit; kleine Werte von Versorgungsspannungen und -strömen; Kompatibilität mit Transistoren und integrierten Schaltungen; Leichtigkeit der 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 großen Bereich von Eingangsströmen; hohe Zuverlässigkeit und Haltbarkeit; kleine Dimensionen; technologische Kompatibilität mit Mikroelektronikprodukten.

Die allgemeinen Anforderungen an das optische Immersionsmedium eines Optokopplers sind die folgenden: ein hoher Wert des Brechungsindex n für sie ; hoher Wert des spezifischen Widerstands r im ; hohe kritische Feldstärke E im kr , ausreichende Hitzebeständigkeit Dq im Slave ; gute Haftung mit Kristallen aus Silizium und Galliumarsenid; Elastizität (dies ist notwendig, weil es nicht möglich ist, die Koordination der Elemente des Optokopplers gemäß den Wärmeausdehnungskoeffizienten sicherzustellen); mechanische Festigkeit, da das Immersionsmedium im Optokoppler nicht nur lichtdurchlässige, sondern auch konstruktive Funktionen erfüllt; Herstellbarkeit (Gebrauchstauglichkeit, Reproduzierbarkeit von Eigenschaften, geringe Kosten, etc.).

Die Hauptart des Immersionsmediums, das in Optokopplern verwendet wird, sind polymere optische Klebstoffe. Für sie gilt typischerweise n Im = 1,4 ... 1,6, r Im > 10 12 ... 10 14 Ohm cm, Imcr = 80 kV / mm, Dq im Slave = - 60 ... 120 C. Klebstoffe haben eine gute Haftung auf Silizium und Galliumarsenid, kombinieren hohe mechanische Festigkeit und Beständigkeit gegen thermische Zyklen. Nichthärtende vaselineartige und gummiartige optische Medien werden ebenfalls verwendet.

Physik der Energieumwandlung in einem Diodenoptokoppler

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

Ef = hn = hc / nl (2.1)

wo h Plancks 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 durch eine Einheitsfläche pro Zeiteinheit fliegen) 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 umso kürzer, je größer N f ist. Da in der Praxis ein gegebenes P f (Energiebestrahlungsstärke des Photodetektors) gegeben ist, scheint es für das folgende Verhältnis nützlich zu sein

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

wobei Nf , cm -2s-1 ; l , Mikron; P f mW / cm

Energiediagramm eines Halbleiterhalbleiters (am Beispiel der ternären Verbindung GaAsP)

Abb. 2. Energiediagramm eines Halbleiterhalbleiters (am Beispiel der ternären Verbindung GaAsP)

Der Mechanismus der Injektionslumineszenz in einer LED besteht aus drei Hauptprozessen: der strahlenden (und nichtstrahlenden) Rekombination in Halbleitern, der Injektion überschüssiger kleiner Ladungsträger in die Basis der LED und der Strahlungsabgabe von der Erzeugungsregion.

Die Rekombination von Ladungsträgern in einem Halbleiter wird hauptsächlich durch sein Banddiagramm, das Vorhandensein und die Art von Verunreinigungen und Defekten, den Grad der Störung des Gleichgewichtszustands bestimmt. Die Hauptmaterialien von Optokoppleremittern (GaAs und ternäre Verbindungen, die darauf basieren GaA1As und GaAsP) gehören zu Halbleitern mit direkter Lücke, d.h. zu denen, bei denen direkte optische Übergänge von Zone zu Zone erlaubt sind (Abb. 2). Jeder Akt der Rekombination eines Ladungsträgers nach diesem Schema wird von der Emission eines Quants begleitet, dessen Wellenlänge gemäß dem Gesetz der Erhaltung der Energie durch die Beziehung bestimmt wird:

l rad [μm] = 1,23 / E f [eB] (2,4)

Es sollte beachtet werden, dass konkurrierende nichtstrahlende Rekombinationsmechanismen existieren. Die wichtigsten von ihnen sind:

  1. Rekombination in tiefen Zentren. Ein Elektron kann nicht direkt in das Valenzband eintreten, sondern durch bestimmte Rekombinationszentren, die die erlaubten Energieniveaus in der verbotenen Bande bilden (das E t -Niveau in 2).
  2. Auger Rekombination (oder Schock). Bei sehr hohen Konzentrationen freier Ladungsträger in einem Halbleiter erhöht sich die Wahrscheinlichkeit von Dreikörperkollisionen, wobei die Energie des rekombinierenden Elektron-Loch-Paares dem dritten freien Träger in Form kinetischer Energie gegeben wird, die es nach und nach auf Kollisionen mit dem Gitter ausgibt.

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 - Raumladungsregion

Die relative Rolle verschiedener Rekombinationsmechanismen wird beschrieben, indem der Begriff der inneren Quantenausbeute h int durch das Verhältnis der Wahrscheinlichkeit der Strahlungsrekombination zur gesamten (strahlenden und nichtstrahlenden) Rekombinationswahrscheinlichkeit (oder alternativ das Verhältnis der Anzahl der erzeugten Quanten zur Anzahl der injizierten Nichtkernladungsträger) definiert wird. Der Wert von h int ist die wichtigste Eigenschaft des in der LED verwendeten Materials; offensichtlich 0 h int 100%.

Die Erzeugung einer Überschußkonzentration an freien Trägern in dem aktiven (emittierenden) Bereich des LED-Kristalls wird erreicht, indem sie mit einem pn-Übergang injiziert werden, der in der Vorwärtsrichtung verschoben ist.

Die "nützliche" Komponente, die die strahlende Rekombination im aktiven Bereich der Diode unterstützt, ist der Strom der Elektronen In (Fig. 3a), der durch den pn-Übergang injiziert wird. Die "nutzlosen" Komponenten von Gleichstrom umfassen:

  1. Die Lochkomponente I p aufgrund der Injektion von Löchern in die n-Region und die Tatsache widerspiegelnd, dass es keine p-n-Übergänge mit einseitiger Injektion gibt.Der Bruchteil dieses Stroms ist umso kleiner, je d-Region im Vergleich zur p-Region dotiert ist.
  2. Der Rekombinationsstrom (nicht-strahlend) in der Raumladungszone des p-n-Übergangs von Flüssen I. In Halbleitern mit einer großen Bandlücke mit kleinen Vorwärtsvorspannungen kann der Bruchteil dieses Stroms bemerkbar sein.
  3. Tunnelstrom I tun , aufgrund der "Leckage" von Ladungsträgern durch die Potentialbarriere. Der Strom wird von den Hauptträgern getragen und trägt nicht zur Strahlungsrekombination bei. Der Tunnelstrom ist größer als der p-n-Übergang, er ist mit einem hohen Dotierungsgrad des Basisbereichs und mit großen Vorwärtsspannungen bemerkbar.
  4. Der Oberflächenleckstrom Ip ergibt sich aufgrund der unterschiedlichen Eigenschaften der Halbleiteroberfläche von den Eigenschaften des Volumens und dem Vorhandensein bestimmter Kurzschlußeinschlüsse.

Die Effizienz des p-n-Übergangs ist durch die Injektionsrate gekennzeichnet:

(2.5)

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

Wenn Strahlung von der Erzeugungsregion abgegeben wird, treten die folgenden Arten von Energieverlust auf (Fig. 3, b):

  1. Verluste an Selbstabsorption (Strahlen 1). Wenn die Wellenlänge der erzeugten Quanten genau der Formel (2.4) entspricht, dann fällt sie mit der "roten Grenze" der Absorption zusammen (siehe unten), und diese Strahlung wird schnell in der Dicke des Halbleiters absorbiert (Selbstabsorption). In der Tat folgt Strahlung in Halbleitern mit direkter Lücke nicht dem obigen idealen Schema. Daher ist die Wellenlänge der erzeugten Quanten etwas größer als die nach (2.4):
  2. Der Verlust der Totalreflexion (Strahlen 2). Es ist bekannt, dass, wenn Lichtstrahlen auf die Grenzfläche eines optisch dichten Mediums (Halbleiter) mit optisch weniger dichten (Luft) für einen Teil dieser Strahlen fallen, die Bedingung der totalen inneren Reflexion erfüllt ist. Solche im Inneren des Kristalls reflektierten Strahlen gehen aufgrund der Selbstabsorption verloren.
  3. Strahlungsverluste zurück und enden (Strahl 3 und 4).

Quantitativ ist die Effizienz des Ausgebens optischer Energie von einem Kristall durch den Ausgangsfaktor K opt gekennzeichnet , der durch das Verhältnis der Strahlungsleistung, die in die rechte Richtung ausgeht, zu der Strahlungsleistung, die innerhalb des Kristalls erzeugt wird, bestimmt wird. Für die Koeffizienten h int und g ist die Bedingung 0 immer erfüllt. K opt 100%.
g . Der integrale Indikator der Emissivität der LED ist die externe Quantenausbeute h ext . Aus dem Gesagten ergibt sich, dass h ext = h intg K opt .

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

Lichtquanten, die in einem Kristall absorbiert werden, können die Ablösung von Elektronen von Atomen sowohl des Halbleiters selbst als auch der Verunreinigung bewirken. Entsprechend spricht man von der eigenen (reinen) und Verunreinigungsabsorption (Photoeffekt). Da die Konzentration der Verunreinigungsatome niedrig ist, sind die photoelektrischen Effekte, die auf der intrinsischen Absorption beruhen, immer signifikanter als diejenigen, die auf der Verunreinigung basieren. Alle in Optokopplern verwendeten Photodetektoren "arbeiten" mit einem reinen photoelektrischen Effekt. Damit ein Lichtquantum ein Elektron von einem Atom ablösen kann, müssen die offensichtlichen Energieverhältnisse erfüllt sein:

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

E ф2 = hn 2 E c - E t (2.7)

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

l gr = hc / (E c - E v ) 1.23 / E g (2.8)

Die zweite Gleichung in (2.8) ist gültig, wenn l g in Mikrometern ausgedrückt wird und die Bandlücke eines Halbleiters E g in Elektronenvolt ist. Der Wert von lgr wird die langwellige oder "rote" Grenze der spektralen Empfindlichkeit des Materials genannt.

Die Intensität des photoelektrischen Effekts (im 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 zeigt, dass b = 1 im Spektralbereich von Interesse für Optokoppler ist.

Die Bildung von freien Ladungsträgern unter der Einwirkung von Bestrahlung manifestiert sich in einem Halbleiter in Form von zwei photoelektrischen Effekten: Photoleitfähigkeit (Erhöhung der Leitfähigkeit der Probe unter Beleuchtung) und Photovoltaik (Auftreten von Photo-EMF am p-n-Übergang oder anderer Art von Potentialbarriere im Halbleiter bei Beleuchtung). Beide Effekte werden in der Praxis des Designs von Photodetektoren verwendet; Bei Optokopplern ist die Verwendung des Photo-EMF-Effekts bevorzugt und dominant.

Die Hauptparameter und Eigenschaften von Photodetektoren (unabhängig von der physikalischen Natur und dem Design dieser Vorrichtungen) können in mehrere Gruppen unterteilt werden: Optische Eigenschaften umfassen die Fläche der lichtempfindlichen Oberfläche, das Material, die Abmessungen und die Konfiguration des optischen Fensters; maximale und minimale Strahlungsleistung. Elektrooptisch - Lichtempfindlichkeit, Grad der Gleichmäßigkeit der Empfindlichkeitsverteilung auf dem Photodetektorbereich; Empfindlichkeitsspektraldichte (Abhängigkeit des Parameters, der die Empfindlichkeit auf der Wellenlänge charakterisiert); Eigenrauschen des Photodetektors und deren Abhängigkeit vom Beleuchtungsniveau und Betriebsfrequenzbereich; Zeit (Geschwindigkeit) erlauben; Qualitätsfaktor (ein kombinierter Indikator, mit dem Sie verschiedene Fotodetektoren miteinander vergleichen können); Linearitätsindex; dynamischer Bereich. Als Element einer elektrischen Schaltung ist ein Photodetektor vor allem durch die Parameter seiner Ersatzschaltung, die Anforderungen an Betriebsmodi, das Vorhandensein (oder Fehlen) des eingebauten Verstärkungsmechanismus, die Art und Form des Ausgangssignals gekennzeichnet. Andere Eigenschaften: betrieblich, Zuverlässigkeit, dimensional, technologisch - enthalten nichts speziell "Photodetektor".

Abhängig von der Art des Ausgangssignals (Spannung, Strom) sprechen sie von der Lichtempfindlichkeit des Empfängers S, gemessen in V / W oder A / W. Die Linearität (oder Nichtlinearität) des Photodetektors wird durch den Wert des Exponenten n in der Gleichung bestimmt, die das Ausgangssignal mit dem Eingang in Beziehung setzt: Uout (oder Iout ) ~ Pf . Mit n 1 Photodetektor ist linear; der Bereich der P f -Werte (von P f max bis P f min ), in dem es durchgeführt wird, bestimmt den dynamischen Bereich des linearen Sensors D , der üblicherweise in Dezibel ausgedrückt wird: D = 10 lg (P f max / P f min ).

Der wichtigste Parameter des Photodetektors, der die Empfindlichkeitsschwelle bestimmt, ist die spezifische Detektionsfähigkeit D, gemessen in W -1 m Hz 1/2 . Bei einem bekannten Wert von D ist der Schwellenwert der Empfindlichkeit (die minimale erfasste Strahlungsleistung) als definiert

P f min = / D (2.9)

wobei A die Fläche der lichtempfindlichen Stelle ist; D f ist der Betriebsfrequenzbereich des Foto-Signalverstärkers. Mit anderen Worten, der Parameter D spielt die Rolle des Qualitätsfaktors des Photodetektors.

Messkreise und Familien von Strom-Spannungs-Kennlinien in Fotodioden (a) und Foto-Ventilator (b) Diodenbetriebsarten

Abb. 4. Messkreise und Familien von Strom-Spannungs-Kennlinien in den Betriebsmodi Photodioden (a) und Foto-Lüfter (b) Dioden

Bei Optokopplern sind nicht alle aufgeführten Merkmale gleich wichtig. In der Regel arbeiten Photodetektoren in Optokopplern bei Bestrahlungen, die sehr weit von den Schwellwerten entfernt sind, daher erweist sich die Verwendung der Parameter P f min und D als praktisch nutzlos. Strukturell wird der Photodetektor im Optokoppler üblicherweise beim Eintauchen "ertränkt". das Medium, das es mit dem Emitter verbindet, verliert daher 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 die lichtempfindliche Stelle zu kennen, da integrale Effekte von Interesse sind.

Der Mechanismus der Photodetektoren basierend auf dem photovoltaischen Effekt, betrachten wir das Beispiel der planaren epitaktischen Photodioden mit pn-Übergang und p-in-Struktur, in denen Sie das n + -Substrat, n-Basis oder i-Basis auswählen können (niedrige Leitfähigkeit n -Typ) und dünne p + -Schicht. Beim Betrieb im Fotodiodenmodus (Abb. 4, a) bewirkt die extern angelegte Spannung, dass bewegliche Löcher und Elektronen sich vom p - n - Übergang entfernen. in diesem Fall ist das Bild der Feldverteilung im Kristall für die beiden betrachteten Strukturen stark verschieden.

Die im Basisbereich der Diode absorbierte Lichtstrahlung erzeugt Elektron-Loch-Paare, die zum pn-Übergang diffundieren, durch diese getrennt sind und im externen Stromkreis einen zusätzlichen Strom erzeugen. In p-i-n-Dioden tritt diese Trennung im i-o6-Feld auf und driften Ladungsträger anstelle eines Diffusionsprozesses unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes. Jedes erzeugte Elektron-Loch-Paar, das den p-n-Übergang passiert hat, bewirkt, dass eine Ladung gleich der Elektronenladung durch den externen Stromkreis fließt. Je größer die Bestrahlungsstärke der Diode ist, desto größer ist der Photostrom. Der Photostrom fließt auch, wenn die Diode in Durchlassrichtung vorgespannt ist (Abb. 4, a), aber bereits bei niedrigen Spannungen ist die Spannung viel geringer als die des Gleichstroms, daher erweist sich die Auswahl als schwierig.

Der Arbeitsbereich der Strom-Spannungs-Kennlinie der Photodiode ist der III-Quadrant in Abb. 4, a; dementsprechend ist die aktuelle Empfindlichkeit der wichtigste Parameter

(2.10)

Die zweite Gleichung in (2.10) wurde unter der Annahme einer linearen Beziehung I f = f (P f ) und die dritte unter der Bedingung der Vernachlässigung des Dunkelstroms (I T << I F ) erhalten, was normalerweise für Silizium-Photodioden gilt.

Wenn die Photodiode beleuchtet wird, ohne dass eine externe Vorspannung an sie angelegt wird, wird der Prozess der Trennung der erzeugten Elektronen und Löcher aufgrund der Wirkung ihres eigenen eingebauten p-n-Übergangsfeldes fortschreiten. In diesem Fall werden die Löcher in den p-Bereich fließen und teilweise das eingebaute p-n-Übergangsfeld kompensieren. Es entsteht ein neuer Gleichgewichtszustand (für einen gegebenen Wert: P f ), in dem eine Foto-EMF U f an den äußeren Anschlüssen der Diode 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 Diode, die in diesem - Foto-Lüftungsbetrieb - arbeitet, sind die Leerlaufspannung EMF Uxx und der Kurzschlussstrom I CC (Bild 4, b).

Schematisch arbeitet die Photodiode im Ventilmodus als eine Art sekundäre Energiequelle, daher ist ihr entscheidender Parameter die Effizienz der Umwandlung von Lichtenergie in elektrische Energie:

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

Im Foto-Lüftungsmodus, eine wichtige Klasse von Photovoltaik-Geräten - Sonnenkollektoren.

Parameter und Eigenschaften von Optokopplern und optoelektronischen integrierten Schaltungen

Klassifizierung der Parameter von Optokopplern

Bei der Klassifizierung von Produkten der Optokoppler-Technologie berücksichtigt zwei Punkte: die Art der Photodetektor-Gerät und die Design-Features des Geräts als Ganzes.

Die Wahl des ersten Klassifizierungszeichens ist darauf zurückzuführen, dass fast alle Optokoppler am Eingang eine LED aufweisen und die Funktionalität des Gerätes durch die Ausgangseigenschaften des Fotoempfängers bestimmt wird.

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

Zur Bestimmung der Pulsparameter von Optokopplern

Abb. 5. Zur Bestimmung der Pulsparameter von Optokopplern

Unter Verwendung dieses gemischten Entwurfs und schematischen Klassifizierungsprinzips ist es logisch, drei Hauptgruppen von Produkten der Optokoppler-Technologie zu unterscheiden: Optokoppler (elementare Optokoppler), optoelektronische (Optokoppler) integrierte Schaltungen und spezielle Arten von Optokopplern. Jede dieser Gruppen umfasst 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 (2T) - Diode (Transistor) Differential.

Das System der Parameter der Optokoppler-Produkte basiert auf dem System von Parametern von Optokopplern, das aus vier Gruppen von Parametern und Modi gebildet wird.

Die erste Gruppe charakterisiert die Eingangsschaltung des Optokopplers (Eingangsparameter), die zweite Gruppe beschreibt ihre Ausgangsschaltung (Ausgangsparameter), die dritte Gruppe kombiniert die Parameter des Einflussgrades des Senders auf den Fotoempfänger und die zugehörigen Merkmale des durch den Optokoppler durchlaufenden Signals als Kommunikationselement (Übertragungskenngrößen) Schließlich kombiniert die vierte Gruppe galvanische Trennungsparameter, deren Werte zeigen, wie nahe der Optokoppler an dem idealen Entkopplungselement ist. Von den vier aufgeführten Gruppen definieren die Parameter der Übertragungskennlinie und die Parameter der galvanischen Trennung, konkret "Optokoppler".

Der wichtigste Parameter der Dioden- und Transistor-Optokoppler ist das Stromübertragungsverhältnis. Die Bestimmung der Pulsparameter von Optokopplern ergibt sich aus (Abb. 5). Die Bezugspegel beim Messen der Parameter t droge (cn) , t hier und t ein (aus) sind normalerweise die 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 ra Entwicklung n max ; die maximal zulässige Spannung zwischen dem Eingang und dem Ausgang von U oder max ; galvanischer Widerstand R raz ; Weitergabe von C- Entwicklung ; maximal zulässige Spannungsänderung 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 zur Beschreibung optoelektronischer integrierter Schaltungen verwendet.

Dioden-Optokoppler

Legende Optokoppler

Abb. 6. Symbole der Optokoppler

Dioden-Optokoppler (Abb. 6, a) sind in hohem Maße wie andere: andere Geräte charakterisieren das Niveau der optoelektronischen Technologie. Der Wert von K i kann an der erreichten Effizienz der Energieumwandlung in dem Optokoppler beurteilt werden; Werte von Zeitparametern erlauben es, die maximale Geschwindigkeit der Informationsverteilung zu bestimmen. Die Verbindung mit dem Diodenoptokoppler von verschiedenen Verstärkungselementen, die sehr nützlich und praktisch ist, kann nichtsdestoweniger eine Verstärkung entweder in Energie oder in Grenzfrequenzen ergeben.

Transistor- und Thyristor-Optokoppler

Transistor-Optokoppler (Fig. 6, c) vergleichen sich in einer Anzahl ihrer Eigenschaften vorteilhaft mit anderen Arten von Optokopplern. Dies ist in erster Linie die Schaltungsflexibilität, die darin zum Ausdruck kommt, dass der Kollektorstrom sowohl durch die LED-Schaltung (optisch) als auch durch die Basisschaltung (elektrisch) gesteuert werden kann, und auch, dass die Ausgangsschaltung im linearen und im Schlüsselmodus arbeiten kann. Der interne Verstärkungsmechanismus sorgt dafür, dass große Werte des Stromübertragungskoeffizienten K i erhalten werden , so dass nachfolgende Verstärkerstufen nicht immer notwendig sind. Es ist wichtig, dass in diesem Fall die Trägheit der Optokoppler nicht sehr groß ist und in vielen Fällen akzeptabel ist. Die Ausgangsströme von Fototransistoren sind viel höher als beispielsweise Photodioden, wodurch sie zum Schalten einer großen Anzahl von elektrischen Schaltungen geeignet sind. Schließlich ist anzumerken, dass dies alles mit der relativen technologischen Einfachheit von Transistor-Optokopplern erreicht wird.

Thyristor-Optokoppler (Fig. 6, b) sind die vielversprechendsten zum Schalten von Starkstrom-Hochspannungskreisen: Durch die Kombination von in Last geschalteter Leistung und Geschwindigkeit sind sie T 2 -optopar eindeutig vorzuziehen. Optokoppler vom Typ AOU103 sind für die Verwendung als kontaktlose Schlüsselelemente in verschiedenen elektronischen Schaltungen vorgesehen: in Steuerschaltungen, Leistungsverstärkern, Impulsformern usw.

Widerstand Optokoppler

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

Das Prinzip des Photowiderstandes basiert auf dem Effekt der Photoleitfähigkeit, dh Änderungen des Widerstands eines Halbleiters unter Beleuchtung.

Differenz-Optokoppler für analoge Signalübertragung

Das gesamte obige Material bezieht sich auf die Übertragung digitaler Information auf einer galvanisch getrennten Schaltung. In allen Fällen, in denen es um Linearität, um analoge Signale ging, ging es um die Art der Ausgangskennlinie eines Optokopplers. In allen Fällen wurde die Kontrolle über den Kanalemitter-Photodetektor nicht durch eine lineare Beziehung beschrieben. Eine wichtige Aufgabe ist die Übertragung von Analoginformation unter Verwendung eines Optokopplers, d. H. Die Sicherstellung der Linearität der Eingangs-Ausgangs-Übertragungskennlinie [36]. Nur in Gegenwart solcher Optokoppler ist es möglich, analoge Information direkt über galvanisch getrennte Schaltungen zu verteilen, ohne sie in digitale Form (eine Folge von Impulsen) umzuwandeln.

Der Vergleich der Eigenschaften verschiedener Optokoppler durch Parameter, die für die Übertragung analoger Signale wichtig sind, führt zu der Schlussfolgerung, dass, wenn dieses Problem gelöst werden kann, dies nur mit Hilfe von Diodenoptokoppler mit guten Frequenz- und Rauscheigenschaften geschieht. Die Komplexität des Problems liegt vor allem in dem engen Bereich der Linearität der Übertragungskennlinie und dem Grad der Linearität der Dioden-Optokoppler.

Es sollte angemerkt werden, dass bei der Erzeugung von elektrisch isolierten Vorrichtungen, die für die Übertragung von analogen Signalen geeignet sind, nur die ersten Schritte gemacht wurden und ein weiterer Fortschritt erwartet werden kann.

Optoelektronische Chips und andere Optokoppler-Geräte

Optoelektronische Schaltungen sind eine der am weitesten verbreiteten, sich entwickelnden, vielversprechenden Produktklassen der Optokoppler-Technologie. Dies ist auf die vollständige elektrische und strukturelle Kompatibilität von optoelektronischen Mikroschaltungen mit herkömmlichen Mikroschaltungen sowie deren breitere Funktionalität im Vergleich zu elementaren Optokopplern zurückzuführen. Ebenso wie bei gewöhnlichen Mikroschaltungen werden am häufigsten schaltende optoelektronische Mikroschaltungen verwendet.

Spezielle Arten von Optokopplern unterscheiden sich stark von herkömmlichen Optokopplern und optoelektronischen Mikroschaltungen. Dazu gehören vor allem Optokoppler mit einem offenen optischen Kanal. Bei der Konstruktion dieser Vorrichtungen zwischen dem Emitter und dem Photodetektor gibt es einen Luftspalt, so dass durch das Einbringen bestimmter mechanischer Hindernisse der Lichtfluss und somit das Ausgangssignal des Optokopplers gesteuert werden kann. So fungieren Optokoppler mit einem offenen optischen Kanal als optoelektronische Sensoren, die das Vorhandensein (oder Nichtvorhandensein) von Objekten, den Zustand ihrer Oberfläche, die Geschwindigkeit der Bewegung oder Rotation usw. erkennen.

Anwendungen von Optokopplern und Optokoppler-Chips

Die vielversprechenden Richtungen für die Entwicklung und Anwendung der Optokoppler-Technologie sind weitgehend festgelegt. Optokoppler und Optokoppler-Chips werden effektiv verwendet, um Informationen zwischen Geräten zu übertragen, die keine geschlossenen elektrischen Verbindungen haben. Die Positionen von optoelektronischen Vorrichtungen in der Technik zum Erhalten und Anzeigen von Information bleiben traditionell stark. Optokoppler-Sensoren zur Überwachung von Prozessen und Objekten, die sich in Art und Zweck stark unterscheiden, haben in dieser Richtung eine eigenständige Bedeutung. Die funktionelle Optokoppler-Mikroschaltung schreitet merklich voran, sie konzentriert sich auf die Durchführung verschiedener Operationen im Zusammenhang mit der Umwandlung, Akkumulation und Speicherung von Informationen. Effizient und nützlich ist der Ersatz von sperrigen, kurzlebigen und Low-Tech- (aus mikroelektronischer Sicht) elektromechanischen Produkten (Transformatoren, Potentiometer, Relais) durch optoelektronische Geräte und Geräte. Die Verwendung von Optokopplerelementen für Energiezwecke ist ziemlich spezifisch, aber in vielen Fällen gerechtfertigt und nützlich.

Übertragung von Informationen

Bei der Übertragung von Informationen werden Optokoppler als Kommunikationselemente verwendet und tragen in der Regel keine unabhängige funktionale Last. Ihre Verwendung ermöglicht eine hocheffiziente galvanische Trennung von Steuer- und Lastvorrichtungen (Fig. 7), die unter verschiedenen elektrischen Bedingungen und Modi arbeiten. Mit der Einführung von Optokopplern nimmt die Störfestigkeit von Kommunikationskanälen dramatisch zu; "parasitäre" Wechselwirkungen entlang der Kreisläufe von "Erde" und Nahrung sind praktisch ausgeschlossen. Von Interesse ist auch die rationale und zuverlässige Koordination von digitalen integrierten Geräten mit einer heterogenen Elementbasis (TTL, ECL, I2L, CMOS, etc.).

Grenzflächenisolationsdiagramm

Abb. 7. Das Schema der galvanischen Trennung zwischen den Einheiten

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

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

Optische Kommunikation wird aktiv in Telefongeräten und -systemen verwendet. Durch die Verwendung von Optokopplern mit technisch einfachen Mitteln ist es möglich, mikroelektronische Geräte zum Anrufen, Anzeigen, Steuern und anderen Zwecken an Telefonleitungen anzuschließen.

Die Einführung von optischen Verbindungen in das elektronische Meßgerät, zusätzlich zu der galvanischen Trennung des Gegenstandes und des Meßgerätes, die in vielerlei Hinsicht nützlich ist, ermöglicht es auch, die Wirkung von auf den Boden und die Stromkreise einwirkenden Geräuschen drastisch zu reduzieren.

Von großem Interesse sind die Fähigkeiten und Erfahrungen beim Einsatz von optoelektronischen Geräten und Geräten in biomedizinischen Geräten. Mit Optokopplern können Sie den Patienten zuverlässig von der Einwirkung hoher Spannungen isolieren, zB in elektrokardiographischen Geräten.

Die kontaktlose Steuerung von Starkstrom-Hochspannungskreisen über optische Kanäle ist unter komplexen technischen Bedingungen, wie sie für viele Geräte und industrielle Elektronikkomplexe typisch sind, sehr komfortabel und sicher. Die Positionen der Thyristor-Optokoppler sind in diesem Bereich stark (Abb. 9).

Wechselstromlastschaltkreis

Abb. 9. AC-Lastschaltkreis

Informationen empfangen und anzeigen

Optokoppler und Optokoppler-Chips nehmen eine starke Position in der kontaktlosen Remote-Technologie ein, um schnell Informationen über die Eigenschaften und Eigenschaften sehr unterschiedlicher (in Natur und Zweck) Prozessen und Objekten zu erhalten und genau anzuzeigen. In dieser Hinsicht haben Optokoppler mit offenen optischen Kanälen einzigartige Fähigkeiten. Unter ihnen sind optoelektronische Unterbrecher, die auf den Schnittpunkt des optischen Kanals mit opaken Objekten reagieren (Bild 10), und reflektive Optokoppler, bei denen die Wirkung von Lichtsendern auf Photodetektoren ausschließlich auf die Reflexion des von externen Objekten abgestrahlten Flusses zurückzuführen ist.

Optoelektronischer Sensor

Abb. 10. Optoelektronischer Sensor

Die Einsatzmöglichkeiten von Optokopplern mit offenen optischen Kanälen sind vielfältig und vielfältig. Bereits in den 60er Jahren wurden Optokoppler dieser Art zur Registrierung von Objekten und Objekten eingesetzt. Bei einer solchen Registrierung, die in erster Linie für Vorrichtungen zur automatischen Steuerung und Zählung von Objekten charakteristisch ist, sowie zum Erkennen und Anzeigen verschiedener Arten von Defekten und Fehlern ist es wichtig, den Ort des Objekts klar zu bestimmen oder die Tatsache seiner Existenz zu reflektieren. Die Registrierungsfunktionen der Optokoppler arbeiten zuverlässig und effizient.

Kontrolle von elektrischen Prozessen

Die Leistung der von der LED erzeugten Strahlung und die Höhe des Photostroms, der in linearen Schaltungen mit Photodetektoren auftritt, ist direkt proportional zum Strom der elektrischen Leitfähigkeit des Emitters. Somit ist es möglich, durch optische (kontaktlose, entfernte) Kanäle ziemlich genaue Informationen über die Prozesse in elektrischen Schaltungen zu erhalten, die galvanisch mit dem Strahler verbunden sind. Besonders effektiv ist der Einsatz von optischen Sendern von Optokopplern als Sensoren für elektrische Änderungen in Starkstrom-, Hochspannungskreisen. Klare Informationen über solche Änderungen sind wichtig für den betrieblichen Schutz von Energiequellen und Verbrauchern vor elektrischer Überlastung.

Spannungsstabilisator mit steuerndem Optokoppler

Abb. 11. Spannungsstabilisator mit steuerndem Optokoppler

Optokoppler arbeiten erfolgreich in Hochspannungsspannungsreglern, wo sie optische Kanäle mit negativer Rückkopplung erzeugen. Der betrachtete Stabilisator (Fig. 11) bezieht sich auf eine Vorrichtung des Reihentyps, wobei der Bipolartransistor das Regelelement ist und die Silizium-Zener-Diode als Quelle der Referenzspannung (Referenzspannung) dient. Das Vergleichselement ist die LED.

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

Elektromechanischer Produktaustausch

Im Komplex technischer Lösungen, die auf die Verbesserung der Effizienz und Qualität von Automatisierungsgeräten, Funktechnik, Telekommunikation, Industrie- und Unterhaltungselektronik ausgerichtet sind, werden elektromechanische Produkte (Transformatoren, Relais, Potentiometer, Rheostate, Taster und Tastaturschalter) durch kompaktere, langlebigere ersetzt. High-Speed-Gegenstücke. Die führende Rolle in dieser Richtung wird optoelektronischen Geräten und Geräten zugewiesen. Tatsache ist, dass sehr wichtige technische Vorteile von Transformatoren und elektromagnetischen Relais (galvanische Trennung von Steuerkreisen und Verbrauchern, sicherer Betrieb in Hochleistungs-, Hochspannungs-, Hochstromsystemen) auch für Optokoppler charakteristisch sind. Gleichzeitig übertreffen optoelektronische Produkte die elektromagnetischen Analoga hinsichtlich Zuverlässigkeit, Haltbarkeit, Transienten- und Frequenzcharakteristiken deutlich. Steuerung von kompakten und schnellen optoelektronischen Transformatoren, Schaltern, Relais, die mit Hilfe von integrierten Schaltkreisen der Digitaltechnologie ohne spezielle elektrische Anpassung ausgeführt werden.

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

Optoelektronische Transformatorschaltung

Abb. 12. Schema des optoelektronischen Transformators

Energiefunktionen

Im Energiemodus werden Optokoppler als Sekundärquellen für EMK und Strom verwendet. Die Effizienz von Optokoppler-Energiewandlern ist gering. Die Möglichkeit, eine zusätzliche Spannungsquelle oder einen zusätzlichen Strom in eine beliebige Schaltung der Vorrichtung ohne galvanische Kopplung mit der primären Stromquelle einzuführen, bietet dem Entwickler jedoch einen neuen Freiheitsgrad, der insbesondere bei der Lösung nicht standardmäßiger technischer Probleme nützlich ist.