This page has been robot translated, sorry for typos if any. Original content here.

Optokoppler und ihre Anwendung

Einleitung

Geschichte

Die Idee, Optokoppler zu erzeugen und zu verwenden, geht auf das Jahr 1955 zurück, als Loebner EE "Optoelectronic devices network" eine ganze Reihe von Geräten mit optischen und elektrischen Verbindungen zwischen Elementen anbot, die eine Verstärkung und spektrale Umwandlung von Lichtsignalen ermöglichten - bistabile Optokoppler, optoelektronische Geräte zur Speicherung und Speicherung von Informationen, Logikschaltungen, Schieberegister. Es wurde auch der Begriff "Optokoppler" vorgeschlagen, der als Abkürzung für das englische "optical-electronic device" gebildet wurde.

Die in dieser Arbeit beschriebenen Optokoppler, die die Prinzipien perfekt illustrieren, erwiesen sich für die industrielle Implementierung als ungeeignet, da sie auf einem unvollkommenen elementaren basenineffizienten und trägen Pulverelektrolumineszenzkondensator (Emitter) und Fotowiderständen (Empfänger) beruhten. Die wichtigsten Betriebseigenschaften der Instrumente waren ebenfalls unvollständig: Niedrigtemperatur- und vorübergehende Stabilität der Parameter, unzureichende Beständigkeit gegenüber mechanischen Einflüssen. Deshalb. Der Optokoppler blieb zunächst nur eine interessante wissenschaftliche Errungenschaft, die in der Technik nicht Verwendung fand.

Erst Mitte der 1960er Jahre begann die Entwicklung von Halbleiter-Leuchtdioden und technologisch fortschrittlichen hocheffizienten schnell arbeitenden Silizium-Photodetektoren mit pn-Übergängen (Photodioden und Fototransistoren) eine elementare Grundlage moderner optronischer Technologie zu schaffen. 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 sind optoelektronische Vorrichtungen, in denen eine Quelle und ein Empfänger von Strahlung (Lichtemitter und Photodetektor) mit einer Art von optischer und elektrischer Verbindung zwischen ihnen, strukturell zueinander verwandt, sind.

Das Prinzip der Funktionsweise von Optokopplern jeglicher Art basiert auf folgendem. In dem Strahler wird die Energie des elektrischen Signals in Licht umgewandelt, in dem Photodetektor hingegen verursacht das Lichtsignal eine elektrische Antwort.

In der Praxis haben nur Optokoppler eine Ausbreitung erfahren, die eine direkte optische Verbindung vom Emitter zum Photodetektor haben und in der Regel alle Arten der elektrischen Kommunikation zwischen diesen Elementen ausschließen.

Je nach dem Grad der Komplexität des Strukturdiagramms werden zwei Gruppen von Instrumenten unter den Produkten von Optokopplern unterschieden. Der Optokoppler (auch als "elementarer Optokoppler" bezeichnet) ist ein optoelektronisches Halbleiterbauelement, das aus strahlenden und photodetektiven Elementen besteht, zwischen denen eine optische Verbindung besteht, die eine galvanische Trennung zwischen Eingang und Ausgang herstellt. Die optoelektronische integrierte Mikroschaltung ist eine Mikroschaltung, die aus einem oder mehreren Optokopplern und einer oder mehreren Anpass- 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 gemeinsamen optoelektronischen Prinzip, elektrisch neutrale Photonen für den Informationstransfer zu verwenden. Die wichtigsten sind:

  • die Möglichkeit, eine ideale elektrische (galvanische) Entkopplung zwischen dem Eingang und dem Ausgang bereitzustellen; für Optokoppler gibt es keine grundsätzlichen physikalischen oder konstruktiven Einschränkungen, um beliebig hohe Spannungen und Entkopplungsresistenz und beliebig kleinen Durchsatz zu erreichen;
  • die Möglichkeit der kontaktlosen optischen Kontrolle von elektronischen Objekten und die daraus resultierende Vielfalt und Flexibilität von Entwurfslösungen für Steuerschaltungen;
  • Unidirektionalität der Informationsausbreitung durch den optischen Kanal, Fehlen einer reziproken Antwort des Empfängers auf den Strahler;
  • eine breite Frequenzbandbreite des Optokopplers, keine Beschränkung auf der niederfrequenten Seite (was typisch für Pulstransformatoren ist); die Möglichkeit der Übertragung entlang der Optokopplerschaltung, sowohl ein Impulssignal als auch eine konstante Komponente;
  • die Fähigkeit, das Ausgangssignal des Optokopplers zu steuern, indem (einschließlich nicht elektrisch) auf das Material des optischen Kanals eingewirkt wird und die Möglichkeit besteht, eine Vielzahl von Sensoren sowie verschiedene Vorrichtungen zum Übertragen von Information zu erzeugen;
  • die Möglichkeit, funktionelle mikroelektronische Vorrichtungen mit Photodetektoren zu schaffen, deren Eigenschaften bei der Beleuchtung entsprechend einem komplexen vorgegebenen Gesetz variieren;
  • die Immunität von optischen Kommunikationskanälen gegenüber der Wirkung von elektromagnetischen Feldern, die im Falle von "langen" Optokopplern (mit einem verlängerten Lichtwellenleiter zwischen dem Strahler und dem Empfänger) immun gegen Störungen und Informationsleckage sind und auch gegenseitige Aufnahmen ausschließen;
  • physikalische und strukturtechnische Kompatibilität mit anderen Halbleiter- und Mikroelektronikgeräten.

Optokoppler haben auch bestimmte Nachteile:

  • signifikanter Stromverbrauch aufgrund der Notwendigkeit einer doppelten Umwandlung von Energie (Elektrizität - Licht - Elektrizität) und geringer Effizienz dieser Übergänge;
  • erhöhte Empfindlichkeit von Parametern und Eigenschaften gegenüber den Auswirkungen von hoher Temperatur und eindringender nuklearer Strahlung;
  • mehr oder weniger spürbare vorübergehende Verschlechterung (Verschlechterung) von Parametern;
  • ein relativ hohes Maß an Eigenrauschen, das wie bei den beiden vorhergehenden Nachteilen auf die Besonderheiten der Physik von Leuchtdioden zurückzuführen ist;
  • die Komplexität der Rückkopplungsrealisierung, die durch die elektrische Trennung der Eingangs- und Ausgangskreise verursacht wird;
  • strukturelle und technologische Unvollkommenheit, die mit der Verwendung von hybrider nicht-planarer Technologie verbunden ist (mit der Notwendigkeit, mehrere separate Kristalle von verschiedenen Halbleitern zu kombinieren, die sich in verschiedenen Ebenen befinden).

Die aufgeführten Unzulänglichkeiten von Optokopplern mit der Verbesserung von Materialien, Technologie, Schaltung sind teilweise beseitigt, werden aber dennoch für eine lange Zeit ziemlich grundlegend in der Natur sein. Ihre Würde ist jedoch so hoch, dass sie eine selbstbewusste Nicht-Wettbewerbsfähigkeit von Optokopplern unter anderen Mikroelektronikgeräten gewährleisten.

Generalisiertes Strukturschema

Als ein Kommunikationselement ist der 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 Impulslasche (cn) oder die Grenzfrequenz gemessen. Die Möglichkeiten des Optokopplers als Element der galvanischen Trennung sind gekennzeichnet durch die maximale Spannung und den maximalen Widerstand der Entkopplung U razv und R razv und der Durchlasskapazität C razv .

Im Strukturdiagramm in Abb. 1 Eingabegerät dient zur Optimierung des Betriebsmodus des Senders (z. B. die Verschiebung der LED zum linearen Anteil der Watt-Ampere-Kennlinie) und die Wandlung (Verstärkung) des externen Signals. Die Eingabeeinheit muss einen hohen Umwandlungswirkungsgrad, eine hohe Geschwindigkeit, einen breiten dynamischen Bereich zulässiger Eingangsströme (für lineare Systeme), einen niedrigen Wert des "Schwellen" -Eingangsstroms aufweisen, bei denen eine zuverlässige Informationsübertragung durch die Schaltung sichergestellt ist.

Generalisierte Struktur des Optokopplers

Abbildung 1. Generalisierte Struktur des 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 prinzipielle Möglichkeit der Steuerung der optischen Eigenschaften eines Mediums, beispielsweise durch Verwendung von elektrooptischen oder magneto-optischen Effekten, schlägt sich in der Einführung eines Steuergeräts in die Schaltung nieder.In diesem Fall erhalten wir einen Optokoppler mit einem steuerbaren optischen Kanal, funktionell verschieden vom "gewöhnlichen" Optokoppler: das Ausgangssignal kann sowohl variiert werden Eingangs- und Steuerschaltung.

In dem Fotoempfänger wird das Informationssignal von dem optischen Signal zu dem elektrischen Signal "rückgewonnen"; während Streben nach hoher Empfindlichkeit und hoher Geschwindigkeit.

Schließlich ist das Ausgabegerät dazu ausgelegt, das Signal des Photodetektors in eine Standardform umzuwandeln, die zur Beeinflussung der nachfolgenden Kaskaden des Optokopplers geeignet ist. Eine praktisch zwingende Funktion des Ausgabegerätes ist die Signalverstärkung, da die Verluste nach Doppelwandlung sehr groß sind. Oft führt der Fotoempfänger die Verstärkungsfunktion aus (zum Beispiel einen Fototransistor).

Das allgemeine Blockdiagramm von Abb. 1 ist in jeder spezifischen Vorrichtung nur durch einen Teil der Blöcke realisiert. In Übereinstimmung damit werden drei Hauptgruppen von optronischen Vorrichtungen unterschieden; zuvor benannte Optokoppler (Elementar-Optokoppler) unter Verwendung einer lichtemittierenden Einheit - optisches Medium - Photodetektor; optoelektronische (Optokoppler-) Mikroschaltkreise (Optokoppler mit einem zusätzlichen Ausgang und manchmal einem Eingabegerät); spezielle Arten von Optokopplern - Geräte, die sich funktionell und strukturell wesentlich von elementaren Optokopplern und optoelektronischen ICs unterscheiden.

Ein echter Optokoppler kann angeordnet und komplizierter sein als die Schaltung in Abb. 1; jeder der Blöcke kann nicht ein, sondern mehrere identische oder ähnliche Elemente umfassen, die elektrisch und optisch verbunden sind, jedoch ändert dies die Grundlagen der optronischen Physik und Elektronik nicht wesentlich.

Anwendung

Als optoelektronische Isolationselemente werden Optokoppler verwendet: zum Anschluss von Geräteblöcken, zwischen denen ein signifikanter Potentialdifferenzunterschied besteht; um die Eingangskreise von Messgeräten vor Störungen und Interferenzen usw. zu schützen.

Ein weiteres wichtiges Anwendungsgebiet von Optokopplern ist die optische, berührungslose Steuerung von Starkstrom- und Hochspannungskreisen. Start von leistungsstarken Thyristoren, Triacs, Triacs, Steuerung von elektromechanischen Relaisgeräten.

Eine spezifische Gruppe von Regelungsoptokopplern sind Widerstandsoptokoppler, die für Schwachstrom-Schaltkreise in komplexen Geräten zur visuellen Anzeige von Informationen auf Elektrolumineszenz- (Pulver) -Anzeigen, Blindschaltbild, Schirmbild vorgesehen sind.

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

Verschiedene Optokoppler (Diode, Widerstand, Transistor) finden Anwendung in rein funktechnischen Schemata der Modulation, der automatischen Verstärkungsregelung usw. Die Wirkung auf den optischen Kanal wird hier verwendet, um die Schaltung in den optimalen Betriebsmodus, zur kontaktlosen Moduseinstellung usw. auszugeben.

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

Die Verwendung von Optokopplern für Energiezwecke, dh der Betrieb des Diodenoptokopplers im fotoventilen Modus, ist ziemlich spezifisch. In diesem Modus erzeugt die Photodiode elektrische Leistung in der Last und der Optokoppler ist bis zu einem gewissen Grad ähnlich einer sekundären Stromquelle mit niedriger Leistung, die vollständig von dem primären Schaltkreis entkoppelt ist.

Die Schaffung von Optokopplern mit Photowiderständen, deren Eigenschaften bei Beleuchtung nach einem gegebenen komplexen Gesetz variieren, erlaubt die Modellierung mathematischer Funktionen, ist ein Schritt in Richtung der Schaffung funktionaler Optoelektronik.

Die Universalität von Optokopplern als Elemente der galvanischen Trennung und kontaktlosen Steuerung, die Vielfalt und Einzigartigkeit vieler anderer Funktionen sind der Grund dafür, dass die Anwendungsgebiete dieser Geräte Computertechnik, Automatisierung, Kommunikations- und Funkgeräte, automatisierte Steuerungssysteme, Messgeräte, Steuer- und Regelsysteme, medizinische Elektronik sind Geräte zur visuellen Anzeige von Informationen.

Physikalische Grundlage von Optokopplern

Element Basis und Gerät von Optokopplern

Die elementare Basis von Optokopplern besteht aus Photodetektoren und Strahlern sowie dem optischen Medium zwischen ihnen. Alle diese Elemente unterliegen solchen allgemeinen Anforderungen wie geringe Größe und Gewicht, hohe Haltbarkeit und Zuverlässigkeit, Beständigkeit gegen mechanische und klimatische Einflüsse, Herstellbarkeit, geringe Kosten. Es ist auch wünschenswert, dass die Elemente eine ausreichend breite und langfristige industrielle Approbation aufweisen.

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

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 mobile elektrische Energie; das Vorhandensein und die Wirksamkeit der eingebauten internen Verstärkung; hohe Geschwindigkeit; die Breite der Funktionalität.

Bei Optokopplern werden Photodetektoren mit verschiedenen Strukturen verwendet, die im sichtbaren und nahen Infrarotbereich empfindlich sind, da es in diesem Spektralbereich starke Strahlungsquellen gibt und Photodetektoren ohne Kühlung arbeiten können.

Die universellsten sind Photodetektoren mit pn-Übergängen (Dioden, Transistoren usw.), in der überwiegenden Mehrzahl der Fälle sind sie auf der Basis von Silizium hergestellt und der Bereich ihrer maximalen spektralen Empfindlichkeit liegt nahe bei l = 0,7 ... 0,9 μm .

An die Strahler von Optokopplern werden ebenfalls zahlreiche Anforderungen gestellt. Die wichtigsten sind: spektrale Anpassung an den ausgewählten Photodetektor; hohe Effizienz der Umwandlung der Energie von elektrischem Strom in Strahlungsenergie; bevorzugte Strahlungsrichtung; hohe Geschwindigkeit; Einfachheit und Zweckmäßigkeit der Anregung und Modulation der Strahlung.

Für den Einsatz in Optokopplern sind mehrere Strahlertypen geeignet und verfügbar:

  • Miniaturglühlampen.
  • Neonglühlampen , die das Glühen einer elektrischen Entladung eines Neon-Argon-Gasgemisches verwenden.
    Diese Strahlertypen zeichnen sich durch geringe Lichtleistung, geringen Widerstand gegen mechanische Einflüsse, begrenzte Haltbarkeit, große Abmessungen, vollständige Inkompatibilität mit integrierter Technologie aus. Bei einigen Arten von Optokopplern können sie jedoch verwendet werden.
  • Die Pulver-Elektrolumineszenzzelle verwendet als Leuchtkörper feinkristalline Körner von Zinksulfid (aktiviert durch Kupfer, Mangan oder andere Additive), die in einem polymerisierbaren Dielektrikum suspendiert sind. Wenn ausreichend hohe Wechselspannungen angelegt werden, schreitet der Lumineszenzprozess vor dem Durchbruch voran.
  • Dünnschicht-Elektrolumineszenz-Zellen . Das Glühen beruht auf der Anregung von Manganatomen durch "heiße" Elektronen.

Sowohl Pulver- als auch Film-Elektrolumineszenzzellen haben eine geringe Effizienz der Umwandlung von elektrischer Energie in Licht, geringe Haltbarkeit (insbesondere dünne Filme) sind schwer zu steuern (zum Beispiel ist das optimale Regime für pulverförmige Leuchtstoffe ~ 220 V bei f = 400 ... 800 Hz). Der Hauptvorteil dieser Strahler ist die konstruktive und technologische Kompatibilität mit Photowiderständen, die Möglichkeit, auf dieser Basis multifunktionale, mehrgliedrige Optronstrukturen zu erzeugen.

Der am meisten universelle Typ von in Optokopplern verwendeten Strahlern ist eine Halbleiter-Injektions-Leuchtdiode (LED). Dies ist auf folgende Vorteile zurückzuführen: hohe Effizienz der Umwandlung von elektrischer Energie in optische Energie; schmales Emissionsspektrum (Quasi-Monochromasie); die Breite des Spektralbereichs überlappt mit verschiedenen LEDs; Richtwirkung der Strahlung; hohe Geschwindigkeit; niedrige Werte von Versorgungsspannungen und -strömen; Kompatibilität mit Transistoren und integrierten Schaltungen; Einfachheit der Modulation der Strahlungsleistung durch Änderung des Vorwärtsstroms; die Fähigkeit, sowohl im gepulsten als auch im kontinuierlichen Modus zu arbeiten; Linearität der Watt-Ampere-Kennlinie in einem mehr oder weniger großen Bereich von Eingangsströmen; hohe Zuverlässigkeit und Haltbarkeit; kleine Größe; technologische Kompatibilität mit Produkten der Mikroelektronik.

Die allgemeinen Anforderungen an das optische Immersionsmedium eines Optokopplers sind wie folgt: hoher Brechungsindex nim; hoher Wert des spezifischen Widerstands rim ; hohe kritische Feldstärke E im kp , ausreichende Wärmebeständigkeit Dq im Slave ; gute Haftung mit Kristallen aus Silizium und Galliumarsenid; Elastizität (dies ist notwendig, da die Elemente des Optokopplers nicht mit den Wärmeausdehnungskoeffizienten ausgerichtet werden können); mechanische Festigkeit, da das Immersionsmedium im Optoelement nicht nur lichtdurchlässige, sondern auch strukturelle Funktionen ausübt; Herstellbarkeit (Benutzerfreundlichkeit, Reproduzierbarkeit der Eigenschaften, Billigkeit usw.).

Die Hauptart des Immersionsmediums, das in Optokopplern verwendet wird, sind optische Polymerklebstoffe. Für sie ist es typisch n im = 1,4 ... 1,6, r im > 10 12 ... 10 14 Ohm cm, E im kp = 80 kV / mm, Dq im sie = 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 Betrachtung der Prozesse der Energieumwandlung in einem Optokoppler erfordert die Berücksichtigung der Quantennatur des Lichts. Es ist bekannt, dass elektromagnetische Strahlung als ein Strom von Teilchen - Quanten (Photonen), Energie dargestellt werden kann. von denen jede durch die Beziehung definiert ist:

E φ = hn = hc / n l (2.1)

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

Wenn die Dichte des Quantenflusses (dh die Anzahl der Quanten, die die Einheitsfläche pro Zeiteinheit durchqueren) gleich N ^ ist , beträgt die gesamte spezifische Strahlungsleistung:

P Φ = N Φ * E Φ (2.2)

und wie aus (2.1) klar ist, ist es für ein gegebenes N umso größer, je kürzer die Wellenlänge der Strahlung ist. Da in der Praxis P Φ (die Energiebestrahlungsstärke des Photodetektors) gegeben ist, gilt folgende Beziehung

Np = P / E = 5 · 10 15l P (2.3)

wobei N φ , cm -2 s -1 ; l , um; P f , mW / cm.

Das Energiediagramm eines direktbandigen Halbleiters (am Beispiel der ternären GaAsP-Verbindung)

Abb. 2. Energiediagramm eines Halbleiterhalbleiters (basierend auf dem Beispiel einer ternären GaAsP-Verbindung)

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

Die Rekombination von Ladungsträgern in einem Halbleiter wird vor allem durch ihr Zonendiagramm, durch das Vorhandensein und die Natur von Verunreinigungen und Defekten, durch den Grad der Störung des Gleichgewichtszustandes bestimmt. Die Hauptmaterialien von Optokopplern (GaAs und ternäre Verbindungen auf der Basis von GaA1As und GaAsP) gehören zu Halbleitern mit direkter Lücke, d.h. zu denen, bei denen direkte optische Band-zu-Band-Übergänge erlaubt sind (Fig. 2). Jeder Rekombinationsakt des 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:

Ile [μm] = 1,23 / E φ [eB] (2,4)

Es ist anzumerken, dass konkurrierende nichtstrahlende Rekombinationsmechanismen auch konkurrieren. Zu den wichtigsten gehören:

  1. Rekombination in tiefen Zentren. Das Elektron kann nicht direkt in das Valenzband eintreten, sondern durch bestimmte Rekombinationszentren, die die erlaubten Energieniveaus in der Bandlücke bilden (Niveau Et in Fig. 2).
  2. Auger Rekombination (oder Schock). Bei sehr hohen Konzentrationen freier Ladungsträger erhöht sich die Wahrscheinlichkeit einer Kollision von drei Körpern im Halbleiter, die Energie des rekombinierenden Elektron-Loch-Paares ist somit dem dritten freien Träger in Form kinetischer Energie gegeben, die er bei Kollisionen mit dem Gitter allmählich abbaut.

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

Abb. 3. Elektrisches (a) und optisches (b) LED-Modell. A ist der optisch "transparente" Teil des Kristalls; B - der aktive Teil des Kristalls; C ist der "undurchsichtige" Teil des Kristalls; D - ohmsche Kontakte; E - Raumladungsregion

Die relative Rolle verschiedener Rekombinationsmechanismen wird durch Einführung des Konzepts der internen Quantenausbeute der Strahlung h int beschrieben , bestimmt durch das Verhältnis der Wahrscheinlichkeit der Strahlungsrekombination zur gesamten (strahlenden und nichtstrahlenden) Rekombinationswahrscheinlichkeit (oder sonst das Verhältnis der Anzahl der erzeugten Quanten zur Anzahl gleichzeitig injizierter Minoritätsträger). Der Wert von h int ist die wichtigste Eigenschaft des in der LED verwendeten Materials; es ist offensichtlich, dass 0 h int 100%.

Die Erzeugung einer Überschußkonzentration freier Ladungsträger im aktiven (strahlenden) Bereich des LED-Kristalls erfolgt durch Injektion eines in Vorwärtsrichtung vorgespannten PN-Übergangs.

Ein "nützlicher" Komponentenstrom, der eine Strahlungsrekombination im aktiven Bereich der Diode unterstützt, ist der Elektronenstrom In (Fig. 3a), der durch den pn-Übergang injiziert wird. Die "nutzlosen" Komponenten des Vorwärtsstroms sind:

  1. Aufgrund der Lochinjektion in den n-Bereich und der Tatsache, dass bei einseitiger Injektion keine p-n-Übergänge vorliegen, ist der Anteil dieses Stromes umso kleiner, je stärker der n-Bereich im Vergleich zum p-Bereich dotiert ist.
  2. Der Rekombinationsstrom (nicht strahlend) in der Raumladungszone des p - n - Übergangs der I - Flüsse . In Halbleitern mit einer großen Bandlücke kann bei kleinen direkten Verschiebungen der Anteil dieses Stroms beträchtlich sein.
  3. Tunnelstrom I tun aufgrund "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 pn-Übergang, er ist für einen starken Dotierungsgrad des Basisbereichs und für große direkte Verschiebungen bemerkbar.
  4. Der Strom von Oberflächenlecks I n führt aufgrund der unterschiedlichen Eigenschaften der Oberfläche des Halbleiters zu den Eigenschaften des Volumens und dem Vorhandensein bestimmter kurzschließender Einschlüsse.

Die Effizienz des pn-Übergangs ist durch den Injektionskoeffizienten gekennzeichnet:

(2.5)

Es ist offensichtlich, dass die Grenzen einer möglichen Änderung von g dieselben sind wie für h int , dh 0 g 100%.

Bei der Emission von Strahlung aus der Erzeugungsregion treten die folgenden Arten von Energieverlusten auf (Fig. 3, b):

  1. Verluste auf Selbstabsorption (Strahlen 1). Wenn die Wellenlänge der erzeugten Quanten genau der Formel (2.4) entspricht, dann stimmt sie mit der "roten Absorptionsgrenze" (siehe unten) überein, und diese Strahlung wird schnell in der Halbleiterdicke absorbiert (Eigenabsorption). Tatsächlich folgt die Strahlung in direktbandigen Halbleitern nicht dem oben angegebenen idealen Schema. Daher ist die Wellenlänge der erzeugten Quanten etwas größer als gemäß (2.4):
  2. Verluste auf Totalreflexion (Strahlen 2). Es ist bekannt, dass, wenn die Lichtstrahlen auf die Grenzfläche zwischen einem optisch dichten Medium (Halbleiter) und der optisch weniger dichten (Luft) für einen Teil dieser Strahlen fallen, die Bedingung der totalen inneren Reflexion erfüllt ist, dass im Inneren des Kristalls reflektierte Strahlen aufgrund der Selbstabsorption verloren gehen.
  3. Verluste auf der Rückseite und Flächenstrahlung (Balken 3 und 4).

Quantitativ ist die Effizienz der Abgabe von optischer Energie aus dem Kristall durch den Ausgangsfaktor K gekennzeichnet, der durch das Verhältnis der Strahlungsleistung, die in die gewünschte Richtung abgegeben wird, zu der Strahlungsleistung, die innerhalb des Kristalls erzeugt wird, bestimmt wird. Genau wie für die Koeffizienten h int und g gilt die Bedingung 0 Zum Großhandel 100%.
g . Der Integralindikator der Emissivität der LED ist der Wert des externen Quantenausgangs h ext . Aus dem Obigen ergibt sich, dass h ext = h intg K opt .

Gehen wir zum Empfangsblock. Das Funktionsprinzip von Photodetektoren, die in Optokopplern verwendet werden, beruht 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 dazu führen, dass sich die Elektronen von Atomen trennen, sowohl vom Halbleiter selbst als auch von der Verunreinigung. In Übereinstimmung damit spricht man von der eigenen (ungemischten) und Verunreinigungsabsorption (photoelektrischer Effekt). Da die Konzentration von Verunreinigungsatomen klein ist, sind photoelektrische Effekte, die auf der intrinsischen Absorption beruhen, immer wichtiger als diejenigen, die auf der Verunreinigung basieren. Alle in Optokopplern verwendeten Photodetektoren "arbeiten" mit einem reinen photoelektrischen Effekt. Damit das Lichtquantum das Elektron vom Atom lösen kann, müssen die offensichtlichen Energieverhältnisse erfüllt sein:

E ф1 = hn 1 E c - E v (2.6)

E φ2 = hn 2 E c - E t (2.7)

Somit kann ein intrinsischer Photoeffekt nur dann auftreten, wenn eine Strahlung mit einer Wellenlänge kleiner als ein bestimmter Wert von 1gr an den Halbleiter angelegt wird:

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

Die zweite Gleichung in (2.8) ist gültig, wenn lgr in Mikrometern ausgedrückt wird und die Breite des verbotenen Bandes des Halbleiters Eg in Elektronenvolt ist. Die Menge lp 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. Die Analyse der experimentellen Abhängigkeiten zeigt, dass in dem für Optokoppler interessanten Spektralbereich b = 1 ist.

Die Bildung von freien Ladungsträgern unter dem Einfluss der Bestrahlung manifestiert sich im Halbleiter in Form zweier photoelektrischer Effekte: Photoleitfähigkeit (Erhöhung der Leitfähigkeit der Probe bei Beleuchtung) und Photovoltaik (Auftreten von Photo-EMF im pn-Übergang oder eine andere Form einer Potentialbarriere in einem Halbleiter unter Beleuchtung). Beide Effekte werden in der Praxis des Designs von Photodetektoren verwendet; Bei Optokopplern ist die Verwendung des Photo-EMF-Effekts vorzuziehen und dominant.

Die Hauptparameter und Eigenschaften von Photodetektoren (ohne Berücksichtigung der physikalischen Natur und des Designs dieser Vorrichtungen) können in mehrere Gruppen unterteilt werden: Optische Eigenschaften umfassen die Fläche der lichtempfindlichen Oberfläche, das Material, die Größe und Konfiguration des optischen Fensters; maximale und minimale Strahlungsleistungspegel. Zur elektrooptischen - Lichtempfindlichkeit, der Grad der Homogenität der Verteilung der Empfindlichkeit auf dem Photodetektor-Pad; die spektrale Dichte der Empfindlichkeit (die Abhängigkeit des Parameters, der die Empfindlichkeit auf der Wellenlänge charakterisiert); Eigenrauschen des Photodetektors und deren Abhängigkeit von der Beleuchtungsstärke und dem Bereich der Betriebsfrequenzen; Auflösungszeit (Geschwindigkeit); Qualitätskoeffizient (kombinierter Indikator, um verschiedene Photodetektoren miteinander vergleichen zu können); Linearitätsindex; dynamischer Bereich. Als ein Element der elektrischen Schaltung wird der Photodetektor hauptsächlich durch die Parameter seiner äquivalenten Schaltung, die Anforderungen an Betriebsmodi, das Vorhandensein (oder Fehlen) des eingebauten Verstärkungsmechanismus, die Art und Form des Ausgangssignals charakterisiert. Weitere Merkmale: betrieblich, zuverlässig, dimensional, technologisch - nichts, was speziell "Photorezeption" nicht beinhaltet.

Abhängig von der Art des Ausgangssignals (Spannung, Strom) spricht man von der Volt- bzw. Stromempfindlichkeit des Empfängers S, gemessen jeweils 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 Eingangssignal Uout (oder Iout ) - Pf verbindet . Für n 1 Photodetektor ist linear; Der Bereich von Pf (von Pfmax bis Pfmin ), in dem dies erfolgt, bestimmt den dynamischen Bereich der Linearität des Photodetektors D , der üblicherweise in Dezibel ausgedrückt wird: D = 10 &mgr ; g ( Pf max / Pf min ).

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

P f min = / D (2.9)

wobei A die Fläche des lichtempfindlichen Bereichs ist; D f - der Bereich der Betriebsfrequenzen des Foto-Signalverstärkers. Mit anderen Worten, der Parameter D spielt die Rolle des Photodetektorqualitätsfaktors.

Schemata der Messung und Familie der Strom-Spannungs-Eigenschaften in Photodioden (a) und Photofile (b) Betriebsarten einer Diode

Abb. 4. Messschemata und Familien von Volt-Ampere-Charakteristiken in den Photodioden- (a) und Photoentil- (b) -Moden der Diode

Bei Optokopplern sind nicht alle aufgeführten Merkmale gleich wichtig. In der Regel arbeiten Photodetektoren in Optokopplern bei Bestrahlungen sehr weit von der Schwelle, so dass die Verwendung der Parameter P f min und D praktisch nutzlos ist. Strukturell wird ein Photodetektor in einem Optokoppler üblicherweise in einem Immersionslicht "ertränkt". die Umgebung, die es mit dem Heizkörper verbindet, deshalb verliert die Kenntnis der optischen Eigenschaften des Eingangsfensters seine Bedeutung (in der Regel gibt es kein solches Fenster speziell). Es ist nicht sehr wichtig, die Empfindlichkeitsverteilung auf dem lichtempfindlichen Kissen zu kennen, da die integralen Effekte von Interesse sind.

Wir betrachten den Wirkungsmechanismus von Photodetektoren basierend auf dem photovoltaischen Effekt am Beispiel von planaren Epitaxie-Photodioden mit einem pn-Übergang und mit einer p-in-Struktur, bei denen ein n + -Substrat, eine n- oder i-Typ-Basis (schwache Leitfähigkeit n Typ) und dünne p + -Schicht. Bei Betrieb im Photodiodenbereich (Fig. 4, a) bewirkt die ausgeübte Spannung, daß die beweglichen Löcher und Elektronen aus dem pn (p-i) -Übergang entweichen; das Bild der Feldverteilung im Kristall erweist sich für die beiden betrachteten Strukturen als stark unterschiedlich.

Die im Basisbereich der Diode absorbierte Lichtstrahlung erzeugt Elektron-Loch-Paare, die zum pn-Übergang diffundieren, durch diese getrennt sind und das Auftreten eines zusätzlichen Stroms im externen Stromkreis bewirken. In p-i-n-Dioden findet diese Trennung im Bereich des I-Feldes statt, und statt des Diffusionsprozesses findet eine Drift von Ladungsträgern unter dem Einfluss des elektrischen Feldes statt. Jedes erzeugte Elektron-Loch-Paar, das den pn-Übergang passiert hat, bewirkt, dass eine Ladung im externen Stromkreis der Ladung des Elektrons entspricht. Je mehr Strahlung die Diode, desto mehr Photostrom. Der Photostrom fließt auch, wenn die Diode in Vorwärtsrichtung verschoben wird (Abb. 4, a), aber selbst bei niedrigen Spannungen ist sie viel kleiner als der Vorwärtsstrom, so dass ihre Isolierung schwierig ist.

Der Arbeitsbereich der Strom-Spannungs-Charakteristik einer Photodiode ist der dritte Quadrant in Fig. 3. 4, a; Dementsprechend ist als wichtigster Parameter die aktuelle Empfindlichkeit

(2.10)

Die zweite Gleichung in (2.10) wurde unter der Annahme der linearen Abhängigkeit I = f (P) erhalten, und die dritte - unter der Bedingung der Vernachlässigung des Dunkelstroms (I T << I Ä ), der normalerweise für Silizium-Photodioden erfüllt ist.

Wenn wir die Photodiode beleuchten, ohne eine externe Verschiebung darauf anzuwenden, wird der Prozess der Trennung der erzeugten Elektronen und Löcher aufgrund der Wirkung des intrinsischen eingebauten Feldes des pn-Übergangs fortschreiten. In diesem Fall werden die Löcher in den p-Bereich fließen und teilweise das eingebaute Feld des pn-Übergangs kompensieren. Ein neuer Gleichgewichtszustand (für einen gegebenen Wert: P) wird erzeugt, in dem eine Foto-EMK an den externen Anschlüssen der Diode erscheint. Wenn Sie die beleuchtete Fotodiode für eine bestimmte Last schließen, wird dem Gerät eine nützliche elektrische Leistung zugeführt .

Charakteristische Punkte der Strom-Spannungs-Kennlinie einer in einem solchen photovoltaischen Betrieb arbeitenden Diode sind der Leerlaufspannungsgeber Uxx und der Kurzschlußstrom Ic (Fig. 4, b).

Schematisch arbeitet die Photodiode im Gate-Modus als eine Art sekundäre Energiequelle, so dass ihr definierender Parameter die Effizienz der Umwandlung von Lichtenergie in elektrisch ist:

Effizienz = P / / AP a = aU xx I к / / A ф (2.11)

Eine wichtige Klasse von photovoltaischen Geräten im Bereich der Photovoltaik sind die Solarbatterien.

Parameter und Eigenschaften von Optokopplern und optoelektronischen integrierten Schaltungen

Klassifizierung der Parameter von optronischen Geräten

Bei der Klassifizierung der Produkte von Optokopplern werden zwei Dinge berücksichtigt: der Typ des Photodetektors und die Konstruktionsmerkmale des gesamten Geräts.

Die Wahl des ersten Klassifizierungsmerkmals ist darauf zurückzuführen, dass fast alle Optokoppler eine LED am Eingang haben und die Funktionalität des Gerätes durch die Ausgangseigenschaften des Photodetektors bestimmt ist.

Als zweites Feature wird ein Design entwickelt, das die spezifische Anwendung des Optokopplers bestimmt.

Zur Definition von Impulsparametern von Optokopplern

Abb. 5. Zur Definition von Impulsparametern von Optokopplern

Unter Verwendung dieses gemischten Entwurfs und schematischen Klassifikationsprinzips ist es logisch, drei Hauptgruppen von optronischen Vorrichtungen zu unterscheiden: Optokoppler (elementares Optron), optoelektronische (optronische) integrierte Schaltungen und spezielle Arten von Optokopplern. Jede dieser Gruppen umfasst eine große Anzahl von Arten von Instrumenten.

Für die gebräuchlichsten Optokoppler werden folgende Abkürzungen verwendet: D - Diode, T - Transistor, R - Widerstand, U - Thyristor, T2 - mit zusammengesetztem Fototransistor, DT - Dioden - Transistor, 2D (2T) - Diode (Transistor) - Differential.

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

Die erste Gruppe kennzeichnet die Eingangsschaltung des Optokopplers (Eingangsparameter), die zweite - die Ausgangsschaltung (Ausgangsparameter), die dritte - die Parameter, die den Grad der Belichtung des Emitters mit dem Photodetektor und die zugehörigen Merkmale des Signals durch den Optokoppler als Koppler charakterisieren (Übertragungseigenschaften) Schließlich kombiniert die vierte Gruppe galvanische Trennungsparameter, deren Werte anzeigen, wie nahe der Optokoppler an dem idealen Entkopplungselement ist. Von den vier aufgeführten Gruppen sind die Parameter der Übertragungskennlinie und die Parameter der galvanischen Trennung die bestimmenden, insbesondere "Optokoppler".

Der wichtigste Parameter der Dioden- und Transistor-Optokoppler ist der Stromübertragungskoeffizient. Die Bestimmung der Impulsparameter von Optokopplern ergibt sich aus (Abb. 5). Die Bezugspegel zum Messen der Parameter tpp (cn) , tcd und t ein (aus) sind üblicherweise die Pegel 0,1 und 0,9, die Gesamtzeit der logischen Verzögerung des Signals wird durch den Pegel 0,5 der Impulsamplitude bestimmt.

Parameter der galvanischen Trennung. Optokoppler sind: die maximal zulässige Spitzenspannung zwischen Eingang und Ausgang U des Ausgangs, n max ; maximal zulässige Spannung zwischen Eingang und Ausgang U mal max ; Widerstand der galvanischen Trennung R razv ; Durchsatzkapazität C razv ; die maximal zulässige Spannungsänderungsrate zwischen dem Eingang im Ausgang (dU razv / dt) max . Der wichtigste Parameter ist der U-Parameter, n max . Er bestimmt die elektrische Stärke des Optokopplers und seine Fähigkeiten als Element der galvanischen Trennung.

Die betrachteten Parameter der Optokoppler werden vollständig oder mit einigen Modifikationen für die Beschreibung optoelektronischer integrierter Schaltungen verwendet.

Dioden-Optokoppler

Legende der Optokoppler

Abb. 6. Symbole der Optokoppler

Dioden-Optokoppler (Abbildung 6, a), in größerem Umfang als andere: andere Geräte, charakterisieren die Ebene der Optokoppler. Durch den Wert von K i kann die erzielte Effizienz der Energieumwandlung in einem Optokoppler beurteilt werden; Die Werte der Zeitparameter ermöglichen es, die Grenzraten der Informationsverbreitung zu bestimmen. Die Verbindung mit einem Diodenoptokoppler mit verschiedenen Verstärkungselementen, was sehr nützlich und praktisch ist, kann dennoch weder eine Verstärkung für die Energie noch für die Begrenzung der Frequenzen liefern.

Transistor- und Thyristor-Optokoppler

Transistor-Optokoppler (Abbildung 6, c) weisen eine Reihe von Eigenschaften auf, die sich von anderen Optokoppler-Typen unterscheiden. Dies ist in erster Linie die schaltungstechnische Flexibilität, die sich darin zeigt, dass der Kollektorstrom sowohl von der LED-Schaltung (optisch) als auch von der Basisschaltung (elektrisch) gesteuert werden kann, und auch dadurch, dass die Ausgangsschaltung sowohl im Linear- als auch im Key-Mode arbeiten kann. Der Mechanismus der internen Verstärkung liefert große Werte des Stromübertragungskoeffizienten K i , so dass nachfolgende Verstärkerstufen nicht immer notwendig sind. Es ist wichtig, dass in diesem Fall die Trägheit des Optokopplers nicht sehr hoch ist und in vielen Fällen durchaus akzeptabel ist. 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 der Transistor-Optokoppler erreicht wird.

Thyristor-Optokoppler (Bild 6, b) sind am vielversprechendsten zum Schalten von Starkstrom-Hochspannungskreisen: Durch die Kombination der in der Last geschalteten Leistung und der Geschwindigkeit sind sie dem T 2 -optopar eindeutig vorzuziehen. Optokoppler Typ AOU103 sind für den Einsatz als kontaktlose Schlüsselelemente in verschiedenen elektronischen Schaltungen bestimmt: in Steuerschaltungen, Leistungsverstärkern, Impulsformern usw.

Widerstand Optokoppler

Widerstandsoptokoppler (Abbildung 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 der Photowiderstandswirkung basiert auf dem Effekt der Photoleitfähigkeit, dh der Änderung des Widerstands eines Halbleiters unter Beleuchtung.

Differenz-Optokoppler für analoge Signalübertragung

Alles oben genannte Material betrifft die Übertragung von digitalen Informationen auf einer galvanisch getrennten Schaltung. In allen Fällen, in denen es um Linearität, um analoge Signale ging, ging es um die Form der Ausgangskennlinie eines Optokopplers. In allen Fällen wurde die Kontrolle über den Emitter-Photodetektor-Kanal nicht durch eine lineare Abhängigkeit beschrieben. Eine wichtige Aufgabe ist die Übertragung von analogen Informationen mit Hilfe eines Optokopplers, dh die Sicherstellung der Linearität der Eingangs-Ausgangs-Übertragungskennlinie [36]. Nur bei solchen Optokopplern ist es möglich, analoge Informationen direkt über galvanisch getrennte Stromkreise zu verteilen, ohne sie in eine digitale Form (Impulsfolge) umzuwandeln.

Der Vergleich der Eigenschaften verschiedener Optokoppler hinsichtlich der Parameter, die aus der Sicht der Übertragung von Analogsignalen wichtig sind, führt zu der Schlussfolgerung, dass, wenn dieses Problem gelöst werden kann, nur Diodenoptokoppler gute Frequenz- und Rauscheigenschaften besitzen. Die Komplexität des Problems liegt vor allem in einem engen Linearitätsbereich der Übertragungskennlinie und dem Grad dieser Linearität bei Diodenoptokopplern.

Es ist anzumerken, dass nur die ersten Schritte unternommen wurden, um Geräte mit galvanischer Trennung zu schaffen, die für die Übertragung von analogen Signalen geeignet sind, und weitere Fortschritte sind zu erwarten.

Optoelektronische Mikroschaltungen und andere Vorrichtungen vom Optron-Typ

Optoelektronische Mikroschaltungen sind eine der am weitesten verbreiteten, sich entwickelnden, vielversprechenden Klassen von optronischen Bauelementen. Dies liegt an der vollen elektrischen und strukturellen Kompatibilität von optoelektronischen Chips mit herkömmlichen Mikroschaltkreisen sowie an ihrer größeren Funktionalität im Vergleich zu elementaren Optokopplern. Wie bei herkömmlichen Mikroschaltkreisen werden optoelektronische Schalterschaltungen am häufigsten 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 ist ein Luftspalt zwischen dem Emitter und dem Photodetektor vorhanden, so dass durch das Anbringen mechanischer Barrieren der Lichtfluss und damit 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 und so weiter erkennen.

Anwendungsgebiete von Optokopplern und Optokopplern

Prospektive Richtungen der Entwicklung und Anwendung der optronischen Technologie wurden weitgehend bestimmt. Optokoppler und Optokoppler werden effektiv zur Übertragung von Informationen zwischen Geräten verwendet, die keine geschlossenen elektrischen Verbindungen haben. Herkömmlicherweise bleiben die Positionen von optoelektronischen Vorrichtungen in der Technologie zum Erhalten und Anzeigen von Information stark. Unabhängige optoelektronische Sensoren, die zur Überwachung von Prozessen und Objekten gedacht sind, die in ihrer Art und ihrem Zweck sehr unterschiedlich sind, haben in dieser Richtung unabhängige Bedeutung. Die funktionelle Mikroschaltung von Optronen schreitet merklich voran und ist darauf ausgerichtet, verschiedene Operationen im Zusammenhang mit der Transformation, Akkumulation und Speicherung von Information durchzuführen. Effektiv und nützlich ist der Ersatz von sperrigen, kurzlebigen und nicht-technologischen (aus der Position der Mikroelektronik) elektromechanischen Produkten (Transformatoren, Potentiometer, Relais) optoelektronischen Geräten und Geräten. Ganz spezifisch, aber in vielen Fällen gerechtfertigt und nützlich ist die Verwendung von Optokopplern für Energiezwecke.

Übertragung von Informationen

Bei der Übertragung von Informationen werden Optokoppler als Kommunikationselemente verwendet und tragen in der Regel keine unabhängige funktionale Last. Ihr Einsatz ermöglicht eine sehr effektive galvanische Trennung der Steuer- und Lastgeräte (Bild 7), die unter verschiedenen elektrischen Bedingungen und Bedingungen arbeiten. Mit der Einführung von Optokopplern steigt die Störfestigkeit von Kommunikationskanälen stark an; praktisch "parasitäre" Wechselwirkungen an Ketten von "Erde" und einem Lebensmittel werden eliminiert. Von Interesse ist auch die rationelle und zuverlässige Koordination von digitalen integrierten Bauelementen mit einer heterogenen Elementbasis (TTL, ESL, I2L, CMOS, etc.).

Interblock galvanische Trennung

Abb. 7. Diagramm der galvanischen Trennung von Interblocks

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 der speziellen Ausführungsform: E 1 = E 2 = 5 V, E 3 = 15 V, R 1 = 820 Ω, R 2 = 24 kOhm - der Optokoppler LED wird durch einen Strom (5 mA) erregt, der ausreicht, um den Transistor zu sättigen und das Gerät sicher auf dem TIR zu steuern Transistoren.

Abb. 8. Schema der Kopplung von TTL- und MDS-Elementen entlang des optischen Kanals

Die optische Kommunikation in Telefongeräten und -systemen wird aktiv genutzt. Mit Hilfe von Optokopplern können technisch unkomplizierte Mittel mikroelektronische Geräte, die zum Anrufen, Anzeigen, Überwachen und für andere Zwecke bestimmt sind, mit Telefonleitungen verbinden.

Die Einführung von optischen Verbindungen in die elektronische Meßausrüstung, zusätzlich zu der galvanischen Trennung des Gegenstandes und des Meßinstruments, die in vielerlei Hinsicht nützlich ist, ermöglicht es auch, den Einfluß von Störungen, die entlang der Erdungs- und Stromkreise wirken, drastisch zu reduzieren.

Von großem Interesse sind die Möglichkeiten und Erfahrungen beim Einsatz optoelektronischer Geräte und Geräte in biomedizinischen Geräten. Optokoppler können den Patienten zuverlässig von der Wirkung hoher Spannungen isolieren, die beispielsweise in Elektrokardiographen verfügbar sind.

Die berührungslose Steuerung von Starkstrom-Hochspannungskreisen durch optische Kanäle ist unter komplexen technischen Bedingungen, die für viele Geräte und industrielle Elektronikkomplexe typisch sind, sehr bequem und sicher. In diesem Bereich sind die Thyristor-Optokoppler stark (Bild 9).

Wechselstromlastschaltkreis

Abb. 9. AC-Lastschaltkreis

Informationen erhalten und anzeigen

Optokoppler und Optokoppler nehmen starke Positionen in der kontaktlosen Ferntechnik der operativen Erfassung und genauen Darstellung von Informationen über die Eigenschaften und Eigenschaften sehr unterschiedlicher Prozesse und Objekte (nach Art und Zweck) ein. Optokoppler mit offenen optischen Kanälen besitzen in dieser Hinsicht einzigartige Fähigkeiten. Unter ihnen sind optoelektronische Unterbrecher, die auf die Überschneidung eines optischen Kanals mit opaken Objekten reagieren (Bild 10), und reflektierende Optokoppler, bei denen die Wirkung von Lichtemittern auf Photodetektoren vollständig auf die Reflexion des von externen Objekten abgestrahlten Flusses bezogen ist.

Optoelektronischer Sensor

Abb. 10. Optoelektronischer Sensor

Die Einsatzmöglichkeiten von Optokopplern mit offenen optischen Kanälen sind vielfältig und vielfältig. Bereits in den 1960er 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 Abrechnung von Objekten sowie für die Erkennung und Anzeige verschiedener Arten von Defekten und Fehlern charakteristisch ist, ist es wichtig, das Objekt klar zu lokalisieren oder die Tatsache seiner Existenz zu reflektieren. Die Registrierungsfunktionen der Optokoppler sind zuverlässig und funktionsfähig.

Kontrolle von elektrischen Prozessen

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

Spannungsstabilisator mit steuerndem Optokoppler

Abb. 11. Spannungsstabilisator mit Steueroptokoppler

Optokoppler arbeiten erfolgreich in Hochspannungsspannungsreglern, wo sie optische Kanäle von negativen Rückkopplungen erzeugen. Der betrachtete Stabilisator (Fig. 11) bezieht sich auf eine serielle Vorrichtung, wobei der Bipolartransistor das Regelelement ist und die Silizium-Zener-Diode als Bezugsspannungsquelle dient. Das Vergleichselement ist die LED.

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

Ersatz von elektromechanischen Produkten

In dem Komplex der technischen Lösungen zur Steigerung der Effizienz und Qualität von Automatisierungsgeräten, Funktechnik, Telekommunikation, Industrie und Unterhaltungselektronik, ist eine zweckmäßige und nützliche Maßnahme der Ersatz von elektromechanischen Produkten (Transformatoren, Relais, Potentiometer, Rheostaten, Drucktasten und Schlüsselschalter) durch kompakter, Hochgeschwindigkeitsanaloga. 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 Steuer- und Laststromkreisen, zuverlässiger Betrieb in Starkstrom-, Hochspannungs-, Starkstromsystemen) auch für Optokoppler charakteristisch sind. Gleichzeitig übertreffen optoelektronische Produkte die elektromagnetischen Analoga hinsichtlich Zuverlässigkeit, Haltbarkeit, Transienten- und Frequenzcharakteristiken deutlich. Die Steuerung von kompakten und schnellen optoelektronischen Transformatoren, Schaltern und Relais erfolgt mit Hilfe von integrierten Mikroschaltkreisen der Digitaltechnik ohne spezielle elektrische Anpassung.

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

Schema des optoelektronischen Transformators

Abb. 12. Schema des optoelektronischen Transformators

Energiefunktionen

Im Power-Modus werden Optokoppler als Sekundärquellen für EMF und Strom verwendet. Die Effizienz von Optokopplern ist gering. Die Möglichkeit, eine zusätzliche Spannungs- oder Stromquelle in irgendeine Schaltung der Vorrichtung ohne galvanische Kopplung mit der primären Stromquelle einzuführen, gibt dem Entwickler jedoch einen neuen Freiheitsgrad, der insbesondere bei der Lösung von nicht standardmäßigen technischen Problemen nützlich ist.