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Optokoppler und ihre Anwendung

Einleitung

Geschichte

Die Idee, Optokoppler zu schaffen und zu verwenden, stammt aus dem Jahr 1955, als Loebner EE "Optoelectronic Devices Network" eine ganze Reihe von Geräten mit optischen und elektrischen Verbindungen zwischen Elementen bot, die die Verstärkung und spektrale Umwandlung von Lichtsignalen ermöglichten und Geräte mit zwei stabilen Zuständen - bistabile Optokoppler, optoelektronische Geräte zur Speicherung und Speicherung von Informationen, Logikschaltungen, Schieberegister. Sie schlug auch den Begriff "Optokoppler" vor, der als Abkürzung des englischen "optisch-elektronischen Geräts" gebildet ist.

Die in dieser Arbeit beschriebenen Optokoppler, die die Prinzipien perfekt veranschaulichen, erwiesen sich als ungeeignet für die industrielle Implementierung, da sie auf einem unvollkommenen elementaren Basiseffizienz- und Trägheitspulver Elektrolumineszenz-Kondensatoren (Emitter) und Photowiderständen (Empfänger) beruhten. Die wichtigsten Betriebseigenschaften der Instrumente waren ebenfalls unvollständig: Niedrige Temperatur und vorübergehende Stabilität der Parameter, unzureichende Beständigkeit gegen mechanische Einflüsse. Deshalb. Der Optokoppler blieb zunächst nur eine interessante wissenschaftliche Leistung, die in der Technik nicht zum Einsatz kam.

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 war die Produktion von Optokopplern in den führenden Ländern der Welt zu einem wichtigen und sich schnell entwickelnden Zweig der elektronischen Technologie geworden, der die traditionelle Mikroelektronik erfolgreich ergänzte.

Grundlegende Definitionen

Optokoppler sind optoelektronische Bauelemente, bei denen eine Quelle und ein Empfänger von Strahlung (Lichtsender und Photodetektor) mit einer Art von optischer und elektrischer Verbindung zwischen ihnen, die strukturell miteinander verbunden sind, vorhanden sind.

Das Funktionsprinzip von Optokopplern jeglicher Art basiert auf dem Folgenden. Im Strahler wird die Energie des elektrischen Signals in Licht umgewandelt, im Fotodetektor dagegen erzeugt das Lichtsignal eine elektrische Reaktion.

In der Praxis haben nur Optokoppler eine Ausbreitung erhalten, die eine direkte optische Verbindung vom Emitter zum Photodetektor haben, und in der Regel sind alle Arten von elektrischer Kommunikation zwischen diesen Elementen ausgeschlossen.

Entsprechend dem Komplexitätsgrad 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 lichtempfindlichen Elementen besteht, zwischen denen eine optische Verbindung besteht, die eine elektrische Trennung zwischen Eingang und Ausgang bereitstellt. Die optoelektronische integrierte Mikroschaltung ist eine Mikroschaltung, die aus einem oder mehreren Optokopplern und einer oder mehreren Anpassungs- oder Verstärkungsvorrichtungen besteht, die elektrisch mit ihnen verbunden sind.

So führt eine solche Vorrichtung in einer elektronischen Schaltung die Funktion eines Kommunikationselements aus, bei dem gleichzeitig eine elektrische (galvanische) Trennung von Eingang und Ausgang erfolgt.

Unterscheidungsmerkmale von Optokopplern

Die Vorteile dieser Geräte basieren auf dem allgemeinen optoelektronischen Prinzip der Verwendung von elektrisch neutralen Photonen zur Informationsübertragung. Die wichtigsten sind:

  • die Möglichkeit, eine ideale elektrische (galvanische) Entkopplung zwischen Eingang und Ausgang zu schaffen; bei Optokopplern gibt es keine grundlegenden physikalischen oder konstruktiven Einschränkungen, um willkürlich hohe Spannungen und Entkopplungswiderstände und beliebig kleine Durchsätze zu erreichen;
  • die Möglichkeit der kontaktlosen optischen Steuerung von elektronischen Objekten und die daraus resultierende Vielfalt und Flexibilität von Designlösungen für Regelkreise;
  • Unidirektionalität der Informationsausbreitung durch den optischen Kanal, Fehlen einer reziproken Antwort des Empfängers auf den Strahler;
  • eine große Frequenzbandbreite des Optokopplers, keine Begrenzung auf der niederfrequenten Seite (die für Impulstransformatoren typisch ist); die Möglichkeit der Übertragung entlang der Optokopplerschaltung, sowohl ein Impulssignal als auch eine konstante Komponente;
  • die Fähigkeit, das Ausgangssignal des Optokopplers durch Einwirkung (einschließlich nicht-elektrischer) auf das optische Kanalmaterial und die daraus folgende Möglichkeit, verschiedene Sensoren zu erzeugen, sowie verschiedene Vorrichtungen zur Übertragung von Informationen zu steuern;
  • die Möglichkeit, funktionelle mikroelektronische Vorrichtungen mit Photodetektoren zu schaffen, deren Beleuchtungseigenschaften sich nach einem komplexen vorgegebenen Gesetz unterscheiden;
  • die Immunität optischer Kommunikationskanäle gegenüber elektromagnetischen Feldern, die bei "langen" Optokopplern (mit verlängertem Lichtwellenleiter zwischen dem Strahler und dem Empfänger) sie vor Interferenzen und Informationslecks schützen und gegenseitige Abgriffe ausschließen;
  • physikalische und strukturtechnologische Kompatibilität mit anderen Halbleiter- und mikroelektronischen Geräten.

Optokoppler haben auch bestimmte Nachteile:

  • erheblicher Stromverbrauch aufgrund der Notwendigkeit einer doppelten Umwandlung von Energie (Strom - Licht - Elektrizität) und geringer Effizienz dieser Übergänge;
  • erhöhte Empfindlichkeit der Parameter und Eigenschaften gegenüber den Auswirkungen hoher Temperaturen und eindringender Kernstrahlung;
  • mehr oder weniger spürbarer vorübergehender Abbau (Verschlechterung) von Parametern;
  • ein relativ hohes Maß an intrinsischem Rauschen, 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 Ausgangsschaltungen verursacht wird;
  • strukturelle und technologische Unvollkommenheit im Zusammenhang mit der Verwendung von nicht-planarer Hybridtechnologie (mit der Notwendigkeit, mehrere getrennte Kristalle von verschiedenen Halbleitern in verschiedenen Ebenen zu kombinieren).

Die aufgelisteten Nachteile von Optokopplern bei der Verbesserung von Materialien, Technologie, Schaltkreisen sind teilweise beseitigt, aber dennoch wird sie von grundlegender Bedeutung sein. Ihre Würde ist jedoch so hoch, dass sie unter anderen Mikroelektronikgeräten eine sichere Konkurrenzfähigkeit von Optokopplern gewährleistet.

Generalisiertes Strukturschema

Als Kommunikationselement ist der Optokoppler durch einen durch das Verhältnis der Ausgangs- und Eingangssignale bestimmten Übertragungskoeffizienten Ki und die maximale Informationsübertragungsrate F gekennzeichnet. Anstelle von F werden praktisch die Anstiegs- und Abfallzeiten der transmittierten Impulse tab (cn) oder die Grenzfrequenz gemessen. Die Fähigkeiten des Optokopplers als ein Element der galvanischen Trennung sind durch die maximale Spannung und den Widerstand der Entkopplung U razv und R razv und Durchgangskapazität C razv gekennzeichnet .

In dem Strukturdiagramm in Fig. 1-Eingangsgerät dient zur Optimierung des Betriebsmodus des Senders (beispielsweise der Verschiebung der LED zum linearen Teil der Watt-Ampere-Kennlinie) und der Umwandlung (Verstärkung) des externen Signals. Die Eingabeeinheit muss einen hohen Umwandlungswirkungsgrad, eine hohe Geschwindigkeit, einen großen Dynamikbereich zulässiger Eingangsströme (für lineare Systeme), einen niedrigen Wert des Eingangsstromes "Schwelle", bei dem eine zuverlässige Informationsübertragung durch die Schaltung gewährleistet ist, aufweisen.

Verallgemeinerter Aufbau des Optokopplers

Abbildung 1. Verallgemeinerter Aufbau 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 zu gewährleisten.

Die prinzipielle Möglichkeit, die optischen Eigenschaften eines Mediums beispielsweise unter Verwendung von elektrooptischen oder magnetooptischen Effekten zu steuern, spiegelt sich in der Einführung einer Steuereinrichtung in die Schaltung wider. In diesem Fall erhalten wir einen Optokoppler mit einem steuerbaren optischen Kanal, der sich vom "gewöhnlichen" Optokoppler funktional unterscheidet: Eingangs- und Steuerschaltung.

In dem Photoempfänger wird das Informationssignal von dem optischen Signal zu dem elektrischen Signal "zurückgewonnen"; während streben, hohe Empfindlichkeit und hohe Geschwindigkeit zu haben.

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

Das allgemeine Blockdiagramm von Fig. 1 wird in jedem spezifischen Gerät nur durch einen Teil der Blöcke realisiert. Dementsprechend werden drei Hauptgruppen optoelektronischer Geräte unterschieden: zuvor genannte Optokoppler (elementare Optokoppler) mit Licht emittierender Einheit - optisches Medium - Photodetektor; optoelektronische (Optokoppler) Mikroschaltungen (Optokoppler mit dem Zusatz eines Ausgangs und manchmal ein Eingabegerät); spezielle Typen von Optokopplern - Geräte, die sich funktional und strukturell wesentlich von elementaren Optokopplern und optoelektronischen ICs unterscheiden.

Ein realer Optokoppler kann angeordnet und komplizierter als der Schaltkreis in Fig. 1; jeder der Blöcke kann nicht ein, sondern mehrere identische oder ähnliche Elemente enthalten, die elektrisch und optisch verbunden sind, jedoch ändert dies die Grundlagen der Physik und Elektronik der Optronik nicht wesentlich.

Anwendung

Als optoelektronische Trennelemente werden Optokoppler verwendet: zum Verbinden von Ausrüstungsblöcken, zwischen denen ein signifikanter Potentialunterschied besteht; zum Schutz der Eingangskreise von Messgeräten vor Störungen und Störungen usw.

Ein weiteres wichtiges Anwendungsgebiet von Optokopplern ist die optische, kontaktlose Ansteuerung von Hochstrom- und Hochspannungskreisen. Start leistungsstarker Thyristoren, Triacs, Triacs, Steuerung von elektromechanischen Relaisgeräten.

Eine spezielle Gruppe von Steueroptokopplern sind Widerstandsoptokoppler, die für Schaltkreise mit geringem Stromverbrauch in komplexen Geräten zur visuellen Anzeige von Informationen über Elektrolumineszenz- (Pulver) Indikatoren, Mimikdiagramme und Bildschirme ausgelegt sind.

Die Entwicklung von "langen" Optokopplern (Geräte mit erweitertem flexiblen Lichtleiter) eröffnet eine völlig neue Anwendungsrichtung für Produkte der Optronik-Technologie - die Kommunikation auf kurzen Distanzen.

Die Verwendung von Optokopplern (Dioden, Widerstände, Transistoren) findet in rein funktechnischen Modulationsschemata, automatischer Verstärkungsregelung usw. Verwendung. Der Effekt 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, ermöglicht es, eine ganze Reihe von Optokopplern zu erstellen: wie Sensoren für Feuchtigkeit und Gase, Sensoren für das Vorhandensein einer Flüssigkeit im Volumen, Sensoren für die Reinheit der Oberflächenbehandlung eines Objekts,

Es ist eher spezifisch, Optokoppler für Energiezwecke zu verwenden, d. H. Den Betrieb des Dioden-Optokopplers im Photovisionsmodus. In diesem Modus erzeugt die Photodiode elektrische Energie in der Last und der Optokoppler ist in gewissem Maße ähnlich einer sekundären Stromquelle, die vom Primärkreis vollständig entkoppelt ist.

Die Herstellung von Optokopplern mit Photowiderständen, deren Beleuchtungseigenschaften je nach einem gegebenen komplexen Gesetz variieren, ermöglicht die Modellierung mathematischer Funktionen, ist ein Schritt auf dem Weg zur Schaffung der funktionalen Optoelektronik.

Die Universalität von Optokopplern als Elemente der galvanischen Trennung und der kontaktlosen Steuerung, die Vielfalt und Einzigartigkeit vieler anderer Funktionen sind der Grund dafür, dass die Anwendungsbereiche dieser Geräte Computertechnik, Automatisierungs-, Kommunikations- und Funkgeräte, automatisierte Steuerungssysteme, Messgeräte, Steuerungs- und Regelungssysteme, medizinische Elektronik , Geräte zur visuellen Darstellung von Informationen.

Physikalische Grundlagen von Optokopplern

Elementbasis 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, niedrige Kosten. Es ist auch wünschenswert, dass die Elemente ausreichend breit und langfristig in der Industrie zugelassen sind.

Funktional (als Element der Schaltung) ist der Optokoppler in erster Linie dadurch gekennzeichnet, in welcher Art von Photodetektor er verwendet wird.

Die erfolgreiche Verwendung 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.

In Optokopplern werden Photodetektoren verschiedener Strukturen verwendet, die im sichtbaren und nahen Infrarotbereich empfindlich sind, da in diesem Spektralbereich intensive Strahlungsquellen vorhanden sind und Photodetektoren ohne Kühlung arbeiten können.

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

Zahlreiche Anforderungen gelten auch für die Strahler von Optokopplern. Die wichtigsten sind: Spektralanpassung mit dem ausgewählten Photodetektor; hohe Effizienz der Umwandlung der Energie des elektrischen Stroms in die Energie der Strahlung; bevorzugte Strahlungsrichtung; hohe Geschwindigkeit; Einfachheit und Bequemlichkeit der Anregung und Modulation der Strahlung.

Für den Einsatz in Optokopplern sind verschiedene Arten von Heizkörpern geeignet und verfügbar:

  • Miniaturglühlampen.
  • Neon-Glühbirnen , die das Leuchten einer elektrischen Entladung einer Neon-Argon-Gasmischung verwenden.
    Diese Typen von Heizkörpern zeichnen sich durch geringe Lichtausbeute, geringen Widerstand gegen mechanische Einflüsse, begrenzte Lebensdauer, große Abmessungen, vollständige Inkompatibilität mit integrierter Technologie aus. Trotzdem können sie bei einigen Arten von Optokopplern verwendet werden.
  • Die pulverförmige Elektrolumineszenzzelle verwendet als leuchtenden Körper feine kristalline Körner von Zinksulfid (aktiviert durch Kupfer, Mangan oder andere Additive), suspendiert in einem polymerisierbaren Dielektrikum. Wenn ausreichend hohe Wechselspannungen angelegt werden, schreitet der Vorabbruchlumineszenzprozess voran.
  • Dünnschicht-Elektrolumineszenz-Zellen . Das Leuchten beruht auf der Anregung von Manganatomen durch "heiße" Elektronen.

Sowohl die pulver- als auch die filmelektrolumineszenten Zellen haben eine geringe Effizienz bei der Umwandlung von elektrischer Energie in Licht, eine geringe Haltbarkeit (insbesondere dünne Filme), sind schwer zu kontrollieren (z. B. beträgt das optimale Regime für pulverförmige Leuchtstoffe 220 V bei f = 400 bis 800 Hz). Der Hauptvorteil dieser Strahler ist die konstruktive und technologische Kompatibilität mit Photowiderständen, die Möglichkeit, auf dieser Basis multifunktionale Optronstrukturen mit mehreren Elementen zu schaffen.

Der universellste Typ von Kühler, der in Optokopplern verwendet wird, ist eine Halbleiter-Injektions-Leuchtdiode (LED). Dies ist auf folgende Vorteile zurückzuführen: Hoher Wirkungsgrad der Umwandlung von elektrischer Energie in optische Energie; schmales Emissionsspektrum (Quasi-Monochromatizität); die Breite des Spektralbereichs, der von verschiedenen LEDs überlagert wird; Richtwirkung der Strahlung; hohe Geschwindigkeit; niedrige Werte der Versorgungsspannungen und Ströme; Kompatibilität mit Transistoren und integrierten Schaltkreisen; Einfachheit der Modulation der Strahlungsleistung durch Änderung des Durchlassstroms; 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 n im ; hoher Wert des Widerstands r im ; hohe kritische Feldstärke E im kp , ausreichende Hitzebeständigkeit Dq im Slave ; gute Haftung mit Kristallen aus Silizium und Galliumarsenid; Elastizität (dies ist notwendig, da es nicht möglich ist, die Elemente des Optokopplers mit den Wärmeausdehnungskoeffizienten auszurichten); mechanische Festigkeit, da das Immersionsmedium im Optoelement nicht nur lichtdurchlässige, sondern auch strukturelle Funktionen ausführt; Herstellbarkeit (einfache Handhabung, Reproduzierbarkeit von Eigenschaften, Preiswürdigkeit usw.).

Der Haupttyp des Immersionsmediums, das in Optokopplern verwendet wird, sind polymeroptische Klebstoffe. Für sie ist typisch n = 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, verbinden hohe mechanische Festigkeit und Beständigkeit gegen thermische Zyklen. Nichthärtende vaselineartige und kautschukartige optische Medien werden ebenfalls verwendet.

Physik der Energieumwandlung in einem Dioden-Optokoppler

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 dargestellt werden kann - Quanten (Photonen), Energie. von denen jedes durch die Beziehung definiert ist:

E φ = hn = hc / n I (2.1)

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

Wenn die Dichte des Quantenflusses (dh die Anzahl der Quanten, die durch die Einheitsfläche pro Zeiteinheit gehen) N ist, dann ist die gesamte spezifische Strahlungsleistung:

P Φ = N Φ * E Φ (2.2)

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

Np = P ф / Е ф = 5 * 10 15l P ф (2.3)

wo N φ , cm -2 s -1 ; l , μm; P f , mW / cm.

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

Fig. 2. Energiediagramm eines Direktspalthalbleiters (am Beispiel einer ternären GaAsP-Verbindung)

Der Mechanismus der Injektionslumineszenz in einer LED besteht aus drei Hauptprozessen: strahlender (und nicht strahlender) Rekombination in Halbleitern, Injektion überschüssiger Minoritätsträger 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 Art 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 Halbleitern mit direkter Lücke, d. H. zu jenen, bei denen direkte optische Band-zu-Band-Übergänge erlaubt sind (2). Jeder Rekombinationsvorgang des Ladungsträgers nach diesem Schema wird von der Emission eines Quantums begleitet, dessen Wellenlänge gemäß dem Energieerhaltungsgesetz durch die Beziehung bestimmt wird:

l ile [μm] = 1.23 / E φ [eB] (2.4)

Es sollte beachtet werden, dass es auch konkurrierende nichtradiative Rekombinationsmechanismen gibt. Zu den wichtigsten von ihnen gehören:

  1. Rekombination in tiefen Zentren. Das Elektron kann nicht direkt, sondern durch bestimmte Rekombinationszentren, die die erlaubten Energieniveaus in der Bandlücke bilden (Niveau E t in 2), in das Valenzband übergehen.
  2. Auger Rekombination (oder Schock). Bei sehr hohen Konzentrationen an freien Ladungsträgern nimmt die Wahrscheinlichkeit eines Zusammenstoßes von drei Körpern im Halbleiter zu, so wird die Energie des rekombinierenden Elektron-Loch-Paares dem dritten freien Träger in Form von kinetischer Energie verliehen, die es bei Kollisionen mit dem Gitter allmählich zerstreut.

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

Fig. 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 beschrieben, indem das Konzept der internen Quantenausbeute der Strahlung h int , das durch das Verhältnis der Wahrscheinlichkeit der Strahlungsrekombination zur Gesamtreplikationswahrscheinlichkeit (oder sonst das Verhältnis der Anzahl der erzeugten Quanten zu der Anzahl der gleichzeitig eingespeisten Minoritätsträger) bestimmt wird, beschrieben wird. 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 überschüssigen Konzentration an freien Trägern in dem aktiven (strahlenden) Bereich des LED-Kristalls wird durch Einspritzen eines in Vorwärtsrichtung vorgespannten pn-Übergangs durchgeführt.

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

  1. Aufgrund der Injektion von Löchern in die n-Region und der Tatsache, dass es keine p-n-Übergänge mit einseitiger Injektion gibt, ist der Anteil dieses Stroms umso kleiner, je stärker der n-Bereich im Vergleich zur p-Region dotiert ist.
  2. Der Rekombinationsstrom (nicht strahlend) in der Raumladungsregion des p - n - Übergangs der I - Flüsse . Bei Halbleitern mit einer großen Bandlücke kann bei kleinen direkten Verschiebungen der Anteil dieses Stromes beträchtlich sein.
  3. Tunnelstrom I tun aufgrund "Leckens" 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, es zeigt sich ein starker Dotierungsgrad der Basisregion und große direkte Verschiebungen.
  4. Der Strom der Oberflächenlecks I n ist aufgrund der unterschiedlichen Eigenschaften der Oberfläche des Halbleiters von den Eigenschaften des Volumens und dem Vorhandensein bestimmter Kurzschlusseinschlüsse.

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

(2.5)

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

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

  1. Verluste bei der Selbstabsorption (Strahlen 1). Wenn die Wellenlänge der erzeugten Quanten genau der Formel (2.4) entspricht, fällt sie mit der "roten Absorptionsgrenze" zusammen (siehe unten), und diese Strahlung wird schnell in der Halbleiterdicke absorbiert (Selbstabsorption). Tatsächlich folgt Strahlung in Direktbandhalbleitern nicht dem oben angegebenen Idealschema. Daher ist die Wellenlänge der erzeugten Quanten etwas größer als nach (2.4):
  2. Verluste der inneren 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 internen Reflexion erfüllt ist, dass solche Strahlen im Inneren des Kristalls letztendlich aufgrund der Selbstabsorption verloren gehen.
  3. Verluste auf der Rückseite und Gesichtsstrahlung (Balken 3 und 4).

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

Lass uns zum Empfangsblock gehen. Das Funktionsprinzip der in Optokopplern verwendeten Photodetektoren basiert auf dem internen photoelektrischen Effekt, der darin besteht, Elektronen unter Einwirkung elektromagnetischer (optischer) Strahlung von Atomen im Körper zu trennen.

Quantenlicht, das in einem Kristall absorbiert wird, kann dazu führen, dass sich die Elektronen von Atomen trennen, sowohl vom Halbleiter selbst als auch von der Verunreinigung. Demgemäß spricht man von der eigenen (ungemischten) und Verunreinigungsabsorption (photoelektrischer Effekt). Da die Konzentration der Fremdatome klein ist, sind photoelektrische Effekte, die auf intrinsischer Absorption beruhen, immer wichtiger als diejenigen, die auf der Verunreinigungs-Basis beruhen. Alle in Optokopplern verwendeten Photodetektoren "arbeiten" an einem reinen photoelektrischen Effekt. Damit das Lichtquant das Elektron vom Atom lösen kann, müssen die offensichtlichen Energieverhältnisse erfüllt werden:

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 stattfinden, wenn eine Strahlung mit einer Wellenlänge, die kleiner als ein bestimmter Wert von lgr ist , 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 angegeben ist und die Breite des verbotenen Bandes des Halbleiters E g in Elektronenvolt ist. Die Größe lp heißt die langwellige oder "rote" Grenze der spektralen Empfindlichkeit des Materials.

Die Intensität des photoelektrischen Effekts (in dem Spektralbereich, wo 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. Die Analyse der experimentellen Abhängigkeiten zeigt, dass im für Optokoppler interessanten Spektralbereich b = 1 ist.

Die Bildung von freien Ladungsträgern unter Einwirkung von Bestrahlung zeigt sich im Halbleiter in Form zweier photoelektrischer Effekte: Photoleitfähigkeit (Erhöhung der Leitfähigkeit der Probe unter Beleuchtung) und Photovoltaik (das Auftreten von Photoemulsionen im pn-Übergang oder eine andere Form einer Potentialbarriere in einem Halbleiter unter Beleuchtung). Beide Effekte werden bei der Entwicklung von Photodetektoren verwendet; Für Optokoppler ist die Verwendung des Photo-Emf-Effekts vorzuziehen und zu dominieren.

Die Hauptparameter und Charakteristiken von Photodetektoren (ohne Rücksicht auf die physikalische Beschaffenheit und das Design dieser Vorrichtungen) können in mehrere Gruppen unterteilt werden. Zu den optischen Eigenschaften gehören die Fläche der lichtempfindlichen Oberfläche, das Material, die Größe und Konfiguration des optischen Fensters; maximale und minimale Strahlungsleistung. Zur elektrooptischen - Lichtempfindlichkeit der Grad der Homogenität der Verteilung der Empfindlichkeit auf dem Fotodetektor-Pad; die spektrale Dichte der Empfindlichkeit (die Abhängigkeit des Parameters, der die Empfindlichkeit für die Wellenlänge charakterisiert); eigenes Rauschen des Photodetektors und ihre Abhängigkeit von der Beleuchtungsstärke und dem Bereich der Betriebsfrequenzen; Auflösungszeit (Geschwindigkeit); Qualitätskoeffizient (kombinierter Indikator, der es ermöglicht, verschiedene Photodetektoren miteinander zu vergleichen); Linearitätsindex; Dynamikbereich. Als ein Element der elektrischen Schaltung ist der Photodetektor in erster Linie durch die Parameter seiner Ersatzschaltung, die Anforderungen an Betriebsmodi, die Anwesenheit (oder Abwesenheit) des eingebauten Verstärkungsmechanismus, die Art und Form des Ausgangssignals gekennzeichnet. Weitere Merkmale: Betrieb, Zuverlässigkeit, Dimension, technologische - nichts speziell "Fotoempfang" enthält nicht.

Je nach Art des Ausgangssignals (Spannung, Strom) spricht man von der Volt- bzw. Stromempfindlichkeit 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 Eingangssignal verbindet: Uout (oder Iout ) ~ Pf . Für n 1 Fotodetektor ist linear; Der Bereich von Pf (von Pfmax bis Pfmin ), in dem dies durchgeführt wird, bestimmt den dynamischen Bereich der Linearität des Fotodetektors D , üblicherweise ausgedrückt in Dezibel: D = 10 lg ( Pf max / Pf min ).

Der wichtigste Parameter des Photodetektors, der die Schwelle seiner Empfindlichkeit 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)

wo A die Fläche des lichtempfindlichen Bereichs ist; D f - der Bereich der Betriebsfrequenzen des Photosignalverstärkers. Mit anderen Worten, der Parameter D spielt die Rolle des Qualitätsfaktors des Photodetektors.

Messschemata und Familie von Strom-Spannungs-Kennlinien in Fotodiode (a) und Fotozelle (b) Betriebsarten einer Diode

Fig. 4. Messschemata und Familien von Volt-Ampere-Charakteristiken in den Fotodioden (a) und in den Photoentfernungs (b) Betriebsmodi der Diode

Bei Optokopplern sind nicht alle aufgeführten Merkmale gleich wichtig. In der Regel arbeiten Photodetektoren in Optokopplern unter Bestrahlungen sehr weit von der Schwelle entfernt, so dass die Verwendung der Parameter P f min und D praktisch nutzlos ist. Strukturell wird ein Photodetektor in einem Optokoppler normalerweise in einem Immersionsmodus "ertränkt". die Umgebung, die es mit dem Strahler verbindet, so verliert die Kenntnis der optischen Eigenschaften des Eingabefensters seine Bedeutung (in der Regel gibt es kein solches Fenster speziell). Es ist nicht sehr wichtig, die Empfindlichkeitsverteilung auf dem photoempfindlichen Pad zu kennen, da die Integraleffekte von Interesse sind.

Wir betrachten den Wirkungsmechanismus von Photodetektoren basierend auf dem photovoltaischen Effekt am Beispiel von planar-epitaktischen Photodioden mit einem pn-Übergang und einer p-in-Struktur, wobei ein n + -Substrat, eine n- oder i-Typ- Typ) und dünner p + -Schicht. Beim Betrieb im Photodioden-Regime (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, sind durch diese getrennt und verursachen im externen Schaltkreis einen zusätzlichen Strom. In p-i-n-Dioden findet diese Trennung im Feld 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 Schaltkreis der Ladung des Elektrons entspricht. Je mehr Bestrahlung der Diode, desto mehr Photostrom. Der Photostrom fließt auch, wenn die Diode in Vorwärtsrichtung verschoben wird (4, a), aber selbst bei niedrigen Spannungen ist sie viel kleiner als der Durchlassstrom, so dass ihre Isolierung schwierig ist.

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

(2.10)

Die zweite Gleichheit in (2.10) wurde unter der Annahme der linearen Abhängigkeit I ф = f (P ф ) und der dritte - unter der Bedingung der Vernachlässigung des Dunkelstroms (I T << I Ф ), der normalerweise für Siliziumphotodioden erfüllt ist,

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

Charakteristische Punkte der Strom-Spannungs-Charakteristik einer Diode, die in einem solchen photovoltaischen Modus arbeitet, sind der Leerlaufspannungs-Emitter Uxx und der Kurzschlussstrom Ic (4, b).

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

Wirkungsgrad = P э / AP ф = aU xx I к / A p (2.11)

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

Parameter und Eigenschaften von Optokopplern und optoelektronischen integrierten Schaltkreisen

Klassifizierung der Parameter optischer Geräte

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

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

Als zweites Merkmal wird ein Design verwendet, das die spezifische Anwendung des Optokopplers bestimmt.

Zur Definition von Impulsparametern von Optokopplern

Fig. 5. Zur Definition von Impulsparametern von Optokopplern

Mit diesem Prinzip der gemischten Design- und Schaltungsklassifizierung ist es logisch, drei Hauptgruppen optronischer Produkte zu unterscheiden: Optokoppler (elementare Optron), optoelektronische (optronische) integrierte Schaltkreise und spezielle Optokoppler. Jede dieser Gruppen enthält eine große Anzahl von Instrumenten.

Für die gängigsten Optokoppler werden folgende Abkürzungen verwendet: D - Diode, T - Transistor, R - Widerstand, U - Thyristor, T2 - mit Composite - Fototransistor, DT - Diodentransistor, 2D (2T) - Diodentransistor.

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

Die erste Gruppe charakterisiert die Eingangsschaltung des Optokopplers (Eingangsparameter), die zweite - die Ausgangsschaltung (Ausgangsparameter), die dritte - kombiniert Parameter, die den Grad der Belichtung des Emitters mit dem Photodetektor und die damit verbundenen Merkmale des Signaldurchgangs durch den Optokoppler als Koppler charakterisieren Schließlich enthält die vierte Gruppe galvanische Isolationsparameter, deren Werte angeben, wie nahe der Optokoppler dem idealen Entkopplungselement ist. Von den vier aufgeführten Gruppen sind die Parameter der Übertragungscharakteristik und die Parameter der galvanischen Trennung die bestimmenden, insbesondere "Optokoppler".

Der wichtigste Parameter der Dioden- und Transistor-Optokoppler ist der aktuelle Transmissionskoeffizient. Die Bestimmung der Impulsparameter von Optokopplern ergibt sich aus (Bild 5). Die Referenzpegel für die Messung der Parameter tpp (cp) , tcd und t on (off) betragen normalerweise 0,1 und 0,9, die Gesamtzeit der logischen Verzögerung des Signals wird durch den Pegel 0,5 der Pulsamplitude 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 zur Beschreibung von optoelektronischen integrierten Schaltungen vollständig oder mit einigen Modifikationen verwendet.

Dioden-Optokoppler

Legende der Optokoppler

Fig. 6. Symbole von Optokopplern

Dioden-Optokoppler (Abbildung 6, a), in größerem Umfang als alle anderen Geräte, kennzeichnen den Pegel von Optokopplern. Mit dem Wert von K i kann man die erreichte Effizienz der Energieumwandlung in einem Optokoppler beurteilen; Die Werte von Zeitparametern ermöglichen es, die Grenzraten der Informationsverbreitung zu bestimmen. Die Verbindung zu einem Dioden-Optokoppler verschiedener Verstärkungselemente, was sehr nützlich und praktisch ist, kann jedoch weder für Energie noch für Grenzfrequenzen einen Gewinn liefern.

Transistor- und Thyristor-Optokoppler

Transistor-Optokoppler (Bild 6, c) weisen eine Reihe von Eigenschaften auf, die sich von anderen Optokopplertypen unterscheiden. Dies ist vor allem die Schaltungsflexibilität, die sich darin äußert, dass der Kollektorstrom sowohl von der LED-Schaltung (optisch) als auch von der Basisschaltung (elektrisch) gesteuert werden kann, sowie dadurch, dass die Ausgangsschaltung sowohl im Linear- als auch im Tastmodus arbeiten kann. Der interne Verstärkungsmechanismus ermöglicht es, große Werte des Stromübertragungskoeffizienten K i zu erhalten , so dass nachfolgende Verstärkungsstufen 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 zum Beispiel Photodioden, was sie zum Schalten eines weiten Bereichs von elektrischen Schaltungen geeignet macht. Schließlich sollte beachtet werden, dass dies alles mit der relativen technologischen Einfachheit der Transistor-Optokoppler erreicht wird.

Thyristor-Optokoppler (Bild 6, b) sind vielversprechend für das Schalten von Hochstrom-Hochspannungsstromkreisen: Durch 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 funkelektronischen Schaltungen konzipiert: in Regelkreisen, Leistungsverstärkern, Impulsformern usw.

Widerstandsoptokoppler

Widerstands-Optokoppler (Bild 6, d) unterscheiden sich grundlegend von allen anderen Typen von Optokopplern durch physikalische und strukturtechnologische Eigenschaften sowie die Zusammensetzung und Werte der Parameter.

Das Prinzip der Photowiderstand-Wirkung basiert auf dem Effekt der Photoleitfähigkeit, dh der Änderung des Widerstandes eines Halbleiters bei Beleuchtung.

Differential-Optokoppler für die analoge Signalübertragung

Das obige Material betrifft die Übertragung digitaler Informationen an einem galvanisch getrennten Stromkreis. In allen Fällen, wenn über Linearität gesprochen wurde, über analoge Signale ging es um die Form der Ausgangscharakteristik 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 Linearität der Input-Output-Transfer-Charakteristik [36]. Nur bei solchen Optoelementen ist es möglich, analoge Informationen direkt über galvanisch getrennte Schaltungen 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 mit Diodenoptokopplern gute Frequenz- und Geräuschcharakteristiken vorliegen. Die Komplexität des Problems liegt vor allem in einem engen Linearitätsbereich der Übertragungskennlinie und dem Grad dieser Linearität in Dioden-Optokopplern.

Es sei darauf hingewiesen, dass nur die ersten Schritte unternommen wurden, um Geräte mit galvanischer Trennung zu schaffen, die für die Übertragung von analogen Signalen geeignet sind, und es können weitere Fortschritte erwartet werden.

Optoelektronische Mikroschaltungen und andere Vorrichtungen vom Optronentyp

Optoelektronische Mikroschaltungen sind eine der am häufigsten verwendeten, sich entwickelnden, vielversprechenden Klassen optischer Bauelemente. Dies liegt an der vollen elektrischen und strukturellen Kompatibilität von optoelektronischen Chips mit herkömmlichen Mikroschaltungen sowie ihrer größeren Funktionalität im Vergleich zu elementaren Optokopplern. Wie übliche Mikroschaltungen sind optoelektronische Mikroschaltkreise am häufigsten verwendet.

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

Anwendungsbereiche von Optokopplern und Optokopplern

Die voraussichtlichen Entwicklungsrichtungen und die Anwendung der optronischen Technologie wurden weitgehend festgelegt. Optokoppler und Optokoppler werden effektiv zur Übertragung von Informationen zwischen Geräten verwendet, die keine geschlossenen elektrischen Verbindungen haben. Traditionell verbleiben die Positionen von optoelektronischen Bauelementen in der Technik des Erhaltens und Darstellens von Informationen. Unabhängige optoelektronische Sensoren zur Überwachung von Prozessen und Objekten, die in ihrer Art und ihrem Zweck sehr unterschiedlich sind, haben in dieser Richtung eine unabhängige Bedeutung. Die funktionelle Optron-Mikroschaltung schreitet merklich voran und orientiert sich an der Durchführung verschiedener Operationen in Bezug auf die Transformation, Akkumulation und Speicherung von Information. Effektiv und nützlich ist der Ersatz von lästigen, kurzlebigen und nichttechnologischen (aus der Position von Mikroelektronik) elektromechanischen Produkten (Transformatoren, Potentiometern, 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 Funktionslast. Ihre Verwendung ermöglicht eine sehr effektive galvanische Trennung von Steuer- und Lasteinrichtungen (Bild 7), die unter verschiedenen elektrischen Bedingungen und Betriebsbedingungen arbeiten. Mit der Einführung von Optokopplern nimmt die Störfestigkeit von Kommunikationskanälen stark zu; praktisch "parasitäre" Wechselwirkungen auf Ketten von "Boden" und einem Futter werden eliminiert. Interessant ist auch die rationale und zuverlässige Koordination digitaler integrierter Geräte mit einer heterogenen Elementbasis (TTL, ESL, I2L, CMOS, etc.).

Interblock galvanische Trennung

Fig. 7. Diagramm der Interblock-galvanischen Trennung

Die Anpassungsschaltung eines Elements der Transistor-Transistor-Logik (TTL) mit einem integrierten Bauelement auf MIS-Transistoren ist auf einem Transistor-Optokoppler aufgebaut (Bild 8). In der speziellen Ausführungsform wird die Optokoppler-LED durch einen Strom (5 mA) erregt, der ausreicht, um den Transistor zu sättigen und das Gerät sicher auf dem MOS zu steuern Transistoren.

Fig. 8. Das 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 Geräte mikroelektronische Geräte, die für Ruf-, Anzeige-, Überwachungs- und andere Zwecke bestimmt sind, an Telefonleitungen anschließen.

Die Einführung von optischen Verbindungen in die elektronischen Messgeräte ermöglicht neben der in vielerlei Hinsicht nützlichen galvanischen Trennung von Objekt und Messinstrument auch eine drastische Reduzierung des Einflusses von Störungen entlang der Erd- und Stromkreise.

Von großem Interesse sind die Möglichkeiten und Erfahrungen mit optoelektronischen Geräten und Geräten in biomedizinischen Geräten. Optokoppler können den Patienten zuverlässig vor der Einwirkung von Hochspannungen isolieren, die zum Beispiel in Elektrokardiographen verfügbar sind.

Die berührungslose Steuerung von Hochspannungskreisen über optische Kanäle ist in komplexen technischen Bedingungen, die für viele Geräte und industrielle Elektronikkomplexe typisch sind, sehr komfortabel und sicher. In dieser Region sind die Thyristor-Optokoppler stark (Abbildung 9).

AC-Lastschaltkreis

Fig. 9. Wechselstromschaltkreis

Informationen abrufen und anzeigen

Optokoppler und Optokoppler besetzen starke Positionen in der berührungslosen Ferntechnik der operativen Erfassung und der genauen Darstellung von Informationen über die Eigenschaften und Eigenschaften von sehr unterschiedlichen Prozessen und Objekten (nach Art und Zweck). Optokoppler mit offenen optischen Kanälen besitzen in dieser Hinsicht einzigartige Fähigkeiten. Unter ihnen sind optoelektronische Unterbrecher, die auf die Überschneidung eines optischen Kanals mit undurchsichtigen Objekten reagieren (Abbildung 10) und reflektierende Optokoppler, bei denen die Wirkung von Lichtemittern auf Photodetektoren vollständig auf die Reflexion des abgestrahlten Flusses von externen Objekten zurückzuführen ist.

Optoelektronischer Sensor

Fig. 10. Optoelektronischer Sensor

Das Anwendungsspektrum von Optokopplern mit offenen optischen Kanälen ist umfangreich und vielfältig. Bereits in den 1960er Jahren wurden Optokoppler dieser Art zur Erfassung von Objekten und Objekten eingesetzt. Bei einer solchen Registrierung, die in erster Linie für Vorrichtungen zur automatischen Steuerung und Abrechnung von Objekten sowie zur Erkennung und Anzeige verschiedener Arten von Defekten und Fehlern charakteristisch ist, ist es wichtig, das Objekt eindeutig zu lokalisieren oder die Tatsache seines Vorhandenseins zu reflektieren. Die Registrierungsfunktionen der Optokoppler sind zuverlässig und wirksam.

Steuerung von elektrischen Prozessen

Die Stärke der von der LED erzeugten Strahlung und der Photostrompegel, der in den linearen Schaltkreisen mit Photodetektoren auftritt, sind direkt proportional zum Strom der elektrischen Leitfähigkeit des Strahlers. Durch optische (berührungslose, entfernte) Kanäle können somit ganz bestimmte Informationen über die Vorgänge in elektrischen Schaltungen, die mit dem Strahler galvanisch verbunden sind, erhalten werden. Besonders wirksam ist die Verwendung von Lichtemittern von Optokopplern als Sensoren für elektrische Änderungen in Hochstrom-, Hochspannungskreisen. Klare Informationen zu solchen Änderungen sind wichtig für den operativen Schutz von Quellen und Verbrauchern von Energie aus elektrischen Überlastungen.

Spannungsstabilisator mit Steueroptokoppler

Fig. 11. Spannungsstabilisator mit Steueroptokoppler

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

Wenn die Ausgangsspannung in der Schaltung von Fig. 11 zunimmt, erhöht sich auch der Leitungsstrom der LED. Der Fototransistor des Optokopplers wirkt auf den Transistor und unterdrückt die mögliche Instabilität der Ausgangsspannung.

Ersatz elektromechanischer Produkte

Eine sinnvolle und nützliche Maßnahme ist der Ersatz elektromechanischer Produkte (Transformatoren, Relais, Potentiometer, Rheostaten, Drucktaster und Schlüsselschalter) im kompakten technischen Lösungsansatz zur Steigerung der Effizienz und Qualität von Automatisierungsgeräten, Funktechnik, Telekommunikation, Industrie- und Unterhaltungselektronik mit kompakteren, Hochgeschwindigkeitsanaloga. Die führende Rolle in dieser Richtung ist optoelektronischen Geräten und Geräten zugewiesen. Tatsache ist, dass für Optokoppler auch sehr wichtige technische Vorteile von Transformatoren und elektromagnetischen Relais (galvanische Trennung von Steuer- und Laststromkreisen, zuverlässiger Betrieb in Hochleistungs-, Hochspannungs-, Hochstromsystemen) charakteristisch sind. Gleichzeitig übertreffen optoelektronische Produkte die elektromagnetischen Analoga hinsichtlich Zuverlässigkeit, Haltbarkeit, Transienten und Frequenzcharakteristika signifikant. Die Ansteuerung von kompakten und schnellen optoelektronischen Transformatoren, Schaltern, Relais erfolgt mit Hilfe von integrierten Mikroschaltungen der Digitaltechnik ohne spezielle elektrische Anpassungsmöglichkeiten.

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

Schema des optoelektronischen Transformators

Fig. 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 Spannung oder Stromquelle in irgendeinen Schaltkreis des Geräts ohne galvanische Kopplung mit der primären Stromquelle einzuführen, gibt dem Entwickler jedoch einen neuen Freiheitsgrad, der besonders nützlich ist, um nicht standardmäßige technische Probleme zu lösen.