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Optocoupleurs et leur application

Introduction

Histoire

L'idée de créer et d'utiliser des optocoupleurs remonte à 1955, quand Loebner EE "Optoelectronic devices network" offrait toute une série de dispositifs avec des connexions optiques et électriques entre éléments, permettant l'amplification et la conversion spectrale des signaux lumineux, créant des dispositifs à deux états stables - optocoupleurs bistables, dispositifs optoélectroniques d'accumulation et de stockage d'informations, circuits logiques, registres à décalage. Il a également proposé le terme "optocoupleur", formé comme une abréviation de l'anglais "optical-electronic device".

Les optocoupleurs décrits dans cet ouvrage, illustrant parfaitement les principes, se sont révélés inadaptés à la mise en œuvre industrielle, car basés sur des condensateurs électroluminescents (émetteur) et des photorésistances (récepteur) imparfaits à base élémentaire inefficace et inertiels. Les caractéristiques opérationnelles les plus importantes des instruments étaient également incomplètes: stabilité à basse température et temporaire des paramètres, résistance insuffisante aux influences mécaniques. Par conséquent. Au début, l'optocoupleur est resté seulement une réalisation scientifique intéressante ne trouvant pas d'utilisation dans l'ingénierie.

Ce n'est qu'au milieu des années 1960 que le développement de diodes électroluminescentes à semi-conducteurs et de photodétecteurs à haute efficacité technologiquement avancés à jonction pn (photodiodes et phototransistors) a commencé à créer une base élémentaire de la technologie optronique moderne. Au début des années 1970, la production d'optocoupleurs dans les principaux pays du monde était devenue une branche importante et en pleine expansion de la technologie électronique, complétant avec succès la microélectronique traditionnelle.

Définitions de base

Les optocoupleurs sont des dispositifs optoélectroniques dans lesquels il y a une source et un récepteur de rayonnement (émetteur de lumière et photodétecteur) avec une sorte de connexion optique et électrique entre eux, structurellement liés les uns aux autres.

Le principe de fonctionnement des optocoupleurs de toute nature est basé sur ce qui suit. Dans le radiateur, l'énergie du signal électrique est convertie en lumière, dans le photodétecteur, au contraire, le signal lumineux provoque une réponse électrique.

En pratique, seuls les optocoupleurs ont reçu une propagation, qui a une connexion optique directe de l'émetteur au photodétecteur et, en règle générale, toutes les sortes de communications électriques entre ces éléments sont exclues.

Selon le degré de complexité du diagramme structurel, deux groupes d'instruments sont distingués parmi les produits d'optocoupleurs. L'optocoupleur (également appelé «optocoupleur élémentaire») est un dispositif semi-conducteur optoélectronique constitué d'éléments rayonnants et photodétecteurs, entre lesquels se trouve une connexion optique qui assure l'isolation électrique entre l'entrée et la sortie. Le microcircuit intégré optoélectronique est une micropuce constituée d'un ou plusieurs optocoupleurs et d'un ou plusieurs dispositifs d'adaptation ou d'amplification reliés électriquement à ceux-ci.

Ainsi, dans un circuit électronique, un tel dispositif remplit la fonction d'un élément de communication, dans lequel, en même temps, une isolation électrique (galvanique) de l'entrée et de la sortie est réalisée.

Caractéristiques distinctives des optocoupleurs

Les avantages de ces dispositifs sont basés sur le principe optoélectronique commun d'utiliser des photons électriquement neutres pour le transfert d'information. Les principaux sont:

  • la possibilité de réaliser un découplage électrique (galvanique) idéal entre l'entrée et la sortie; pour les optocoupleurs, il n'y a pas de limitations physiques ou constructives fondamentales pour atteindre arbitrairement des tensions élevées et une résistance au découplage et un débit arbitrairement faible;
  • la possibilité de mettre en œuvre un contrôle optique sans contact des objets électroniques et la diversité et la flexibilité des solutions de conception pour les circuits de commande qui en résultent;
  • unidirectionnalité de la propagation de l'information à travers le canal optique, absence de réponse réciproque du récepteur au radiateur;
  • une largeur de bande de fréquence large de l'optocoupleur, aucune limitation sur le côté basse fréquence (ce qui est typique des transformateurs d'impulsion); la possibilité de transmission le long du circuit optocoupleur, à la fois un signal d'impulsion et un composant constant;
  • la capacité à commander le signal de sortie de l'optocoupleur en agissant (y compris non électrique) sur le matériau de canal optique et la possibilité conséquente de créer une variété de capteurs, ainsi que divers dispositifs pour transmettre des informations;
  • la possibilité de créer des dispositifs microélectroniques fonctionnels avec des photodétecteurs dont les caractéristiques sous éclairement varient selon une loi complexe prédéterminée;
  • l'immunité des canaux de communication optiques à l'effet des champs électromagnétiques qui, dans le cas des optocoupleurs "longs" (avec un guide de lumière à fibres optiques étendu entre le radiateur et le récepteur), les immunise contre les interférences et les fuites d'informations;
  • compatibilité physique et structurelle-technologique avec d'autres dispositifs semi-conducteurs et microélectroniques.

Les optocoupleurs présentent également certains inconvénients:

  • consommation électrique importante en raison de la nécessité d'une double conversion d'énergie (électricité - lumière - électricité) et d'une faible efficacité de ces transitions;
  • sensibilité accrue des paramètres et des caractéristiques aux effets des rayonnements nucléaires à haute température et pénétrants;
  • dégradation temporaire (détérioration) plus ou moins sensible des paramètres;
  • un niveau de bruit intrinsèque relativement élevé, dû, comme pour les deux inconvénients précédents, aux particularités de la physique des diodes électroluminescentes;
  • la complexité de la réalisation de rétroaction provoquée par la déconnexion électrique des circuits d'entrée et de sortie;
  • imperfection structurelle et technologique associée à l'utilisation de la technologie hybride non planaire, (avec la nécessité de combiner plusieurs - séparés des cristaux de divers semi-conducteurs, situés dans différents plans).

Les inconvénients énumérés des optocoupleurs avec l'amélioration des matériaux, la technologie, les circuits sont partiellement éliminés, mais, néanmoins, pendant une longue période sera tout à fait fondamentale dans la nature. Cependant, leur dignité est si élevée qu'ils assurent une non-compétitivité confiante des optocoupleurs parmi les autres dispositifs microélectroniques.

Schéma structurel généralisé

En tant qu'élément de communication, l'optocoupleur est caractérisé par un coefficient de transmission Ki, déterminé par le rapport des signaux de sortie et d'entrée, et par le taux de transfert d'information F. En pratique, au lieu de F, on mesure les temps de montée et de descente. Les capacités de l'optocoupleur en tant qu'élément d'isolation galvanique sont caractérisées par la tension et la résistance maximales du découplage U razv et R razv et de la capacité de débit C razv .

Dans le diagramme structurel de la Fig. 1 dispositif d'entrée sert à optimiser le mode de fonctionnement de l'émetteur (par exemple, le déplacement de la LED vers la partie linéaire de la caractéristique watt-ampère) et la conversion (amplification) du signal externe. L'unité d'entrée doit avoir un rendement de conversion élevé, une vitesse élevée, une plage dynamique étendue de courants d'entrée admissibles (pour les systèmes linéaires), une valeur faible du courant d'entrée "seuil", pour assurer un transfert d'informations fiable à travers le circuit.

Structure généralisée de l'optocoupleur

Figure 1. Structure généralisée de l'optocoupleur

Le but du support optique est de transférer l'énergie du signal optique de l'émetteur au photodétecteur et, dans de nombreux cas, de garantir l'intégrité mécanique de la structure.

La principale possibilité de contrôler les propriétés optiques d'un support, par exemple en utilisant des effets électro-optiques ou magnéto-optiques, se traduit par l'introduction d'un optocoupleur avec un canal optique contrôlable fonctionnellement différent de l'optocoupleur "ordinaire": le signal de sortie peut varier entrée, et circuit de contrôle.

Dans le photorécepteur, le signal d'information est "récupéré" du signal optique au signal électrique; tout en s'efforçant d'avoir une sensibilité élevée et une grande vitesse.

Enfin, le dispositif de sortie est conçu pour convertir le signal du photodétecteur en une forme standard, pratique pour influencer les cascades subséquentes de l'optocoupleur. Une fonction pratiquement obligatoire du dispositif de sortie est l'amplification du signal, car les pertes après double conversion sont très importantes. Souvent, le photorécepteur effectue la fonction d'amplification (par exemple, un phototransistor).

Le schéma général de la Fig. 1 n'est réalisé dans chaque dispositif spécifique que par une partie des blocs. Conformément à cela, trois groupes principaux de dispositifs optroniques sont distingués; optocoupleurs précédemment nommés (optocoupleurs élémentaires), utilisant une unité émettrice de lumière - support optique - photodétecteur; des microcircuits optoélectroniques (optocoupleurs) (optocoupleurs avec l'ajout d'une sortie, et parfois d'un dispositif d'entrée); types spéciaux d'optocoupleurs - dispositifs qui diffèrent fonctionnellement et structurellement de manière significative des optocoupleurs élémentaires et des circuits intégrés optoélectroniques.

Un optocoupleur réel peut être arrangé et plus compliqué que le circuit de la Fig. 1; chacun desdits blocs peut comprendre non pas un mais plusieurs éléments identiques ou similaires connectés électriquement et optiquement, mais cela ne modifie pas de manière significative les principes fondamentaux de la physique optronique et de l'électronique.

Application

En tant qu'éléments d'isolation optoélectroniques, on utilise des optocoupleurs: pour le raccordement de blocs d'équipements, entre lesquels il existe une différence significative de potentiel; pour protéger les circuits d'entrée des appareils de mesure contre les interférences et interférences, etc.

Un autre domaine d'application important des optocoupleurs est le contrôle optique, sans contact, des circuits haute tension et haute tension. Début de puissants thyristors, triacs, triacs, contrôle des relais électromécaniques.

Un groupe spécifique d'optocoupleurs de contrôle sont des optocoupleurs à résistance, conçus pour des circuits de commutation à faible courant dans des dispositifs complexes pour l'affichage visuel d'informations sur des indicateurs électroluminescents (en poudre), des diagrammes synoptiques, des écrans.

La création d'optocoupleurs «longs» (appareils à guide de fibres optiques à fibres optiques étendu) a ouvert une toute nouvelle direction d'application des produits de la technologie optronique - la communication à courte distance.

Différents optocoupleurs (diodes, résistances, transistors) trouvent leur application dans des schémas de modulation purement radio, de contrôle automatique du gain, etc. L'effet sur le canal optique est ici utilisé pour délivrer le circuit au mode de fonctionnement optimal, pour le mode sans contact, etc.

La possibilité de modifier les propriétés d'un canal optique sous diverses influences externes permet de créer toute une série d'optocoupleurs: capteurs d'humidité et de gaz, capteur de présence d'un liquide dans le volume, capteurs de pureté du traitement de surface d'un objet, vitesse de déplacement,

Il est plutôt spécifique d'utiliser des optocoupleurs à des fins énergétiques, c'est-à-dire le fonctionnement de l'optocoupleur à diode en mode photovision. Dans ce mode, la photodiode génère de l'énergie électrique dans la charge et l'optocoupleur est dans une certaine mesure similaire à une source d'énergie secondaire de faible puissance complètement découplée du circuit primaire.

La création d'optocoupleurs avec photorésistances, dont les propriétés sous illumination varient selon une loi complexe donnée, permet de modéliser des fonctions mathématiques, c'est un pas vers la création d'optoélectronique fonctionnelle.

L'universalité des optocoupleurs comme éléments d'isolation galvanique et de contrôle sans contact, la diversité et l'unicité de nombreuses autres fonctions sont la technologie informatique, l'automatisation, la communication et l'équipement radio, les systèmes de contrôle automatisés, les systèmes de contrôle et de régulation, l'électronique médicale. , des dispositifs pour l'affichage visuel d'informations.

Base physique des optocoupleurs

Base d'élément et dispositif d'optocoupleurs

La base élémentaire des optocoupleurs est composée de photodétecteurs et de radiateurs, ainsi que du milieu optique entre eux. Tous ces éléments sont soumis à des exigences générales telles que la petite taille et le poids, la durabilité et la fiabilité élevées, la résistance aux influences mécaniques et climatiques, la fabricabilité, le faible coût. Il est également souhaitable que les éléments soient suffisamment approuvés à long terme par l'industrie.

Fonctionnellement (en tant qu'élément du circuit), l'optocoupleur se caractérise principalement par le type de photodétecteur dans lequel il est utilisé.

L'utilisation réussie d'un photodétecteur dans un optocoupleur est déterminée par la satisfaction des exigences de base suivantes: l'efficacité de la conversion de l'énergie des quanta de rayonnement en énergie électrique mobile; la présence et l'efficacité de l'amplification intégrée interne; haute vitesse; l'ampleur de la fonctionnalité.

Dans les optocoupleurs, on utilise des photodétecteurs de diverses structures sensibles dans les régions visible et proche infrarouge, car c'est dans cette gamme spectrale qu'il existe des sources de rayonnement intenses et que les photodétecteurs peuvent fonctionner sans refroidissement.

Les plus universels sont les photodétecteurs à jonctions pn (diodes, transistors, etc.), dans la très grande majorité des cas ils sont réalisés à base de silicium et la région de leur sensibilité spectrale maximale est proche de l = 0.7 ... 0.9 μm .

De nombreuses exigences sont également imposées aux radiateurs d'optocoupleurs. Les principaux sont: l'appariement spectral avec le photodétecteur sélectionné; haute efficacité de conversion de l'énergie du courant électrique en énergie de rayonnement; direction de rayonnement préférentielle; haute vitesse; simplicité et commodité de l'excitation et de la modulation du rayonnement.

Pour une utilisation dans les optocoupleurs, plusieurs types de radiateurs sont adaptés et disponibles:

  • Ampoules à incandescence miniatures.
  • Les ampoules au néon , qui utilisent la lueur d'une décharge électrique d'un mélange gazeux néon-argon.
    Ces types de radiateurs sont caractérisés par un faible rendement lumineux, une faible résistance aux influences mécaniques, une durabilité limitée, de grandes dimensions, une incompatibilité totale avec la technologie intégrée. Néanmoins, dans certains types d'optocoupleurs, ils peuvent être utilisés.
  • La pile électroluminescente en poudre utilise comme corps lumineux de fins grains cristallins de sulfure de zinc (activés par du cuivre, du manganèse ou d'autres additifs) en suspension dans un diélectrique polymérisable. Lorsque des tensions CA suffisamment élevées sont appliquées, le processus de luminescence avant la dégradation se poursuit.
  • Cellules électroluminescentes à couche mince . La lueur est due à l'excitation des atomes de manganèse par des électrons "chauds".

Les cellules électroluminescentes en poudre et en film ont un faible rendement de conversion de l'énergie électrique en lumière, leur faible durabilité (en particulier les films minces) est difficile à contrôler (par exemple, le régime optimal pour les luminophores poudreux est de 220 V). Le principal avantage de ces radiateurs est la compatibilité constructive et technologique avec les photorésistances, la possibilité de créer sur cette base des structures optroniques multifonctionnelles et multi-éléments.

Le type de radiateur le plus universel utilisé dans les optocoupleurs est une diode électroluminescente à injection semi-conductrice (LED). Ceci est dû à ses avantages suivants: rendement élevé de conversion de l'énergie électrique en énergie optique; spectre d'émission étroit (quasi-monochromaticité); la latitude de la gamme spectrale chevauchée par différentes DEL; Directivité du rayonnement haute vitesse; faibles valeurs des tensions et des courants d'alimentation; compatibilité avec les transistors et les circuits intégrés; simplicité de la modulation de la puissance de rayonnement en changeant le courant direct; la capacité de travailler à la fois en mode pulsé et continu; linéarité de la caractéristique watt-ampère dans une gamme plus ou moins étendue de courants d'entrée; haute fiabilité et durabilité; petite taille; compatibilité technologique avec les produits de la microélectronique.

Les exigences générales pour le milieu d'immersion optique d'un optocoupleur sont les suivantes: indice de réfraction élevé n im ; valeur élevée de la résistivité rim ; force de champ critique élevée E im kp , résistance thermique suffisante Dq im slave ; bonne adhérence avec des cristaux de silicium et d'arséniure de gallium; l'élasticité (ceci est nécessaire, car il n'est pas possible d'aligner les éléments de l'optocoupleur avec les coefficients de dilatation thermique); la résistance mécanique, puisque le milieu d'immersion dans l'optocouple remplit non seulement des fonctions de transmission de la lumière, mais également des fonctions structurelles; fabricabilité (facilité d'utilisation, reproductibilité des propriétés, bon marché, etc.).

Le type principal de milieu d'immersion utilisé dans les optocoupleurs est les adhésifs optiques polymères. Pour eux, il est typique n im = 1,4 ... 1,6, r im > 10 12 ... 10 14 Ohm cm, E im kp = 80 kV / mm, D im im = 60 ... 120 C. Les adhésifs ont une bonne adhérence au silicium et à l'arséniure de gallium, combinent une résistance mécanique élevée et une résistance au cyclage thermique. Des milieux optiques de type vaseline non durcissables et de type caoutchouc sont également utilisés.

Physique de la conversion d'énergie dans un optocoupleur à diode

La prise en compte des processus de conversion d'énergie dans un optocoupleur nécessite de prendre en compte la nature quantique de la lumière. Il est connu que le rayonnement électromagnétique peut être représenté comme un flux de particules - quanta (photons), énergie. chacun d'eux est défini par la relation:

E φ = hn = hc / n l (2.1)

où h est la constante de Planck;
c est la vitesse de la lumière dans le vide;
n est l'indice de réfraction du semi-conducteur;
n, l - fréquence des oscillations et longueur d'onde du rayonnement optique.

Si la densité du flux de quanta (c'est-à-dire le nombre de quanta traversant la surface unitaire par unité de temps) est N ^ , alors la puissance de rayonnement spécifique totale est:

P Φ = N Φ * E Φ (2.2)

et, comme il ressort de (2.1), pour un N donné, c'est la plus grande, la plus courte longueur d'onde du rayonnement. Puisque dans la pratique P Φ (l'irradiance énergétique du photodétecteur) est donnée, la relation suivante

Np = P / Е = 5 * 10 15l P (2,3)

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

Le diagramme d'énergie d'un semiconducteur à bande directe (basé sur l'exemple du composé GaAsP ternaire)

Fig. 2. Diagramme d'énergie d'un semiconducteur à gap direct (basé sur l'exemple d'un composé de GaAsP ternaire)

Le mécanisme de luminescence d'injection dans une LED se compose de trois processus principaux: la recombinaison radiative (et non radiante) dans les semi-conducteurs, l'injection de porteurs minoritaires en excès dans la base LED, et l'émission de rayonnement de la région de génération.

La recombinaison des porteurs de charge dans un semi-conducteur est déterminée, tout d'abord, par son diagramme de zone, par la présence et la nature des impuretés et des défauts, par le degré de perturbation de l'état d'équilibre. Les matériaux principaux des photocoupleurs (GaAs et composés ternaires à base de GaAlAs et GaAsP) appartiennent à des semi-conducteurs à interstice direct, c'est-à-dire. à ceux dans lesquels des transitions directes bande-à-bande optique sont autorisées (figure 2). Chaque acte de recombinaison du porteur de charge selon ce schéma s'accompagne de l'émission d'un quantum dont la longueur d'onde, selon la loi de conservation de l'énergie, est déterminée par la relation:

l ile [μm] = 1,23 / E φ [eB] (2,4)

Il convient de noter qu'il existe également des mécanismes concurrents de recombinaison non radiative. Parmi les plus importants d'entre eux sont:

  1. Recombinaison aux centres profonds. L'électron peut passer dans la bande de valence non pas directement, mais à travers certains centres de recombinaison qui forment les niveaux d'énergie autorisés dans la bande interdite (niveau E t sur la figure 2).
  2. Recombinaison Auger (ou choc). A de très fortes concentrations de porteurs libres, la probabilité de collision de trois corps augmente dans le semi-conducteur, l'énergie de la paire électron-trou recombinante est ainsi donnée au troisième vecteur libre sous forme d'énergie cinétique qu'elle dissipe progressivement en collisions avec le réseau.

Modèles à DEL électriques (a) et optiques (b)

Fig. 3. Modèle LED électrique (a) et optique (b). A est la partie optiquement «transparente» du cristal; B - la partie active du cristal; C est la partie "opaque" du cristal; D - contacts ohmiques; Région de facturation de l'espace E

Le rôle relatif de divers mécanismes de recombinaison est décrit en introduisant le concept de rendement quantique interne du rayonnement h int , déterminé par le rapport entre la probabilité de recombinaison radiative et la probabilité de recombinaison totale (radiative et non radiative) (ou le nombre de porteurs minoritaires injectés). La valeur de h int est la caractéristique la plus importante du matériau utilisé dans la LED; il est évident que 0 h int 100%.

La création d'une concentration excessive de porteurs libres dans la région active (rayonnante) du cristal LED est réalisée en leur injectant une jonction pn polarisée dans le sens direct.

Un courant de composant "utile" qui supporte la recombinaison radiative dans la région active de la diode est le courant d'électrons I n (figure 3a) injecté par la jonction pn. Les composants "inutiles" du courant direct sont:

  1. La composante du trou I p , due à l'injection de trous dans la région n et reflétant le fait qu'il n'y a pas de jonctions p-n avec injection unilatérale, la fraction de ce courant est d'autant plus faible que la région n est dopée par rapport à la région p.
  2. Le courant de recombinaison (non radiatif) dans la région de charge d 'espace de la jonction p - n des rivières . Dans les semiconducteurs à large bande interdite, à de petits déplacements directs, la fraction de ce courant peut être appréciable.
  3. Courant de tunnel I tun dû à la "fuite" des porteurs de charge à travers la barrière de potentiel. Le courant est porté par les porteurs principaux et ne contribue pas à la recombinaison radiative. Le courant du tunnel est supérieur à la jonction pn, il est visible pour un fort degré de dopage de la région de base et pour de grands déplacements directs.
  4. Le courant des fuites superficielles I n , dues à la différence de propriétés de la surface du semi-conducteur par rapport aux propriétés du volume et à la présence de certaines inclusions de court-circuit.

L'efficacité de la jonction pn est caractérisée par le coefficient d'injection:

(2.5)

Il est évident que les limites d'un changement possible de g sont les mêmes que pour h int , c'est-à-dire 0 g 100%.

Dans l'émission de rayonnement provenant de la région de production, les types suivants de pertes d'énergie se produisent (Fig. 3, b):

  1. Pertes sur l'auto-absorption (rayons 1). Si la longueur d'onde des quanta générés correspond exactement à la formule (2.4), alors elle coïncide avec la "limite d'absorption rouge" (voir ci-dessous), et ce rayonnement est rapidement absorbé dans l'épaisseur du semi-conducteur (auto-absorption). En fait, le rayonnement dans les semi-conducteurs à bande directe ne suit pas le schéma idéal donné ci-dessus. Par conséquent, la longueur d'onde des quanta générés est un peu plus grande que conformément à (2.4):
  2. Pertes sur la réflexion interne totale (rayons 2). On sait que lorsque les rayons lumineux tombent sur l'interface entre un milieu optiquement dense (semi-conducteur) et l'optiquement moins dense (air) pour une partie de ces rayons, la réflexion interne totale est satisfaite, les rayons réfléchis à l'intérieur du cristal sont perdus.
  3. Pertes sur le rayonnement inverse et face (faisceaux 3 et 4).

Quantitativement, l'efficacité de la sortie de l'énergie optique d'un cristal est caractérisée par le facteur de sortie K déterminé par le rapport de la puissance de rayonnement produite dans la direction requise à la puissance de rayonnement générée à l'intérieur du cristal. Tout comme pour les coefficients h int et g , la condition 0 Pour vendre en gros 100%.
g . L'indicateur intégral de l'émissivité de la LED est la valeur de la sortie quantique externe h ext . Il ressort de ce qui précède que h ext = h intg K opt .

Allons au bloc de réception. Le principe de fonctionnement des photodétecteurs utilisés dans les optocoupleurs est basé sur l'effet photoélectrique interne, qui consiste en la séparation des électrons des atomes à l'intérieur du corps sous l'action du rayonnement électromagnétique (optique).

Quanta de la lumière, étant absorbé dans un cristal, peut faire séparer les électrons des atomes, à la fois le semi-conducteur lui-même et l'impureté. Conformément à cela, on parle de son propre (non mélangé) et de l'absorption des impuretés (effet photoélectrique). La concentration des atomes d'impuretés étant faible, les effets photoélectriques basés sur l'absorption intrinsèque sont toujours plus importants que ceux basés sur l'impureté. Tous les photodétecteurs utilisés dans les optocoupleurs "travaillent" sur un effet photoélectrique pur. Pour que le quantum de la lumière fasse détacher l'électron de l'atome, il est nécessaire de remplir les relations d'énergie évidentes:

E ф1 = hn 1 E c - E v (2.6)

E φ2 = hn 2 E c - E t (2.7)

Ainsi, un photoeffet intrinsèque ne peut avoir lieu que lorsqu'un rayonnement d'une longueur d'onde inférieure à une certaine valeur de lgr est appliqué au semi-conducteur:

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

La seconde égalité en (2.8) est valide si l gr est exprimée en micromètres, et la largeur de la bande interdite du semi-conducteur est E g en électron-volts. La quantité lp est appelée la limite d'onde longue ou "rouge" de la sensibilité spectrale du matériau.

L'intensité de l'effet photoélectrique (dans cette région spectrale où il peut exister) dépend du rendement quantique, déterminé par le rapport du nombre de paires électron-trou générées au nombre de photons absorbés. L'analyse des dépendances expérimentales montre que dans la région spectrale intéressante pour les optocoupleurs, b = 1.

La formation de porteurs libres sous irradiation se manifeste dans le semi-conducteur sous la forme de deux effets photoélectriques: photoconductivité (augmentation de la conductivité de l'échantillon sous illumination) et photovoltaïque (apparition d'une photo-électroforme dans la jonction pn ou autre forme de barrière dans un semi-conducteur sous illumination). Les deux effets sont utilisés dans la pratique de la conception de photodétecteurs; Pour les optocoupleurs, l'utilisation de l'effet photo-électromotrice est préférable et dominante.

Les principaux paramètres et caractéristiques des photodétecteurs (sans tenir compte de la nature physique et de la conception de ces dispositifs) peuvent être divisés en plusieurs groupes: les caractéristiques optiques comprennent la surface de la surface photosensible, le matériau, la taille et la configuration de la fenêtre optique; niveaux de puissance de rayonnement maximum et minimum. Pour la photosensibilité électro-optique, le degré d'homogénéité de la distribution de la sensibilité sur le tampon photodétecteur; la densité spectrale de sensibilité (la dépendance du paramètre caractérisant la sensibilité sur la longueur d'onde); propre bruit du photodétecteur et leur dépendance au niveau d'éclairement et à la gamme de fréquences de fonctionnement; temps de résolution (vitesse); coefficient de qualité (indicateur combiné, permettant de comparer différents photodétecteurs entre eux); indice de linéarité; gamme dynamique. En tant qu'élément du circuit électrique, le photodétecteur est caractérisé principalement par les paramètres de son circuit équivalent, les exigences pour les modes de fonctionnement, la présence (ou l'absence) du mécanisme d'amplification intégré, le type et la forme du signal de sortie. Autres caractéristiques: opérationnel, fiable, dimensionnelle, technologique - rien de spécifiquement "photorécepteur" ne contient pas.

Selon la nature du signal de sortie (tension, courant), on parle de la sensibilité en volt ou en courant du récepteur S, mesurée respectivement en V / W ou A / W. La linéarité (ou non-linéarité) du photodétecteur est déterminée par la valeur de l'exposant n dans l'équation reliant le signal de sortie au signal d'entrée: Uout (ou Iout ) ~ P f . Pour n 1 photodétecteur est linéaire; La gamme de Pf (de Pfmax à Pfmin ) dans laquelle ceci est fait détermine la plage dynamique de la linéarité du photodétecteur D , habituellement exprimée en décibels: D = 10 lg ( Pf max / Pf min ).

Le paramètre le plus important du photodétecteur, qui détermine le seuil de sa sensibilité, est la puissance de détection spécifique D, mesurée en W -1 m Hz 1/2 . À une valeur connue de D, le seuil de sensibilité (puissance de rayonnement fixe minimale) est défini

P f min = / D (2.9)

où A est la zone de la zone photosensible; D f - la gamme de fréquences de fonctionnement de l'amplificateur de signal photo. En d'autres termes, le paramètre D joue le rôle du facteur de qualité du photodétecteur.

Schémas de mesure et famille de caractéristiques courant-tension dans les modes de fonctionnement de photodiode (a) et de photoentile (b) d'une diode

Fig. 4. Schémas de mesure et famille de caractéristiques courant-tension dans les modes de fonctionnement de photodiode (a) et de photoentile (b) d'une diode

En ce qui concerne les optocoupleurs, toutes les caractéristiques énumérées ne sont pas toutes aussi importantes. En règle générale, les photodétecteurs dans les optocoupleurs fonctionnent sous des irradiations très éloignées du seuil, de sorte que l'utilisation des paramètres P f min et D est pratiquement inutile. Structurellement, un photodétecteur dans un optocoupleur est généralement "noyé" dans un photocoupleur. l'environnement le reliant au radiateur, la connaissance des caractéristiques optiques de la fenêtre d'entrée devient donc insignifiante (en règle générale, il n'y a pas de fenêtre spéciale). Il n'est pas très important de connaître la distribution de la sensibilité sur le tampon photosensible, car les effets intégraux sont intéressants.

Nous considérons le mécanisme de fonctionnement des photodétecteurs basé sur l'effet photovoltaïque en utilisant l'exemple de photodiodes planaires-épitaxiales avec une jonction pn et avec une structure p-in, dans laquelle un substrat n + , une base de type n ou i (conductivité faible n type) et fine couche p + . En fonctionnement dans le régime de la photodiode (figure 4, a), la tension exercée provoque l'échappement des trous mobiles et des électrons de la transition pn (p-i); l'image de la distribution du champ dans le cristal s'avère être très différente pour les deux structures considérées.

Le rayonnement lumineux, absorbé dans la région de base de la diode, génère des paires électron-trou qui diffusent vers la jonction pn, en sont séparées et provoquent l'apparition d'un courant supplémentaire dans le circuit externe. Dans les p-i-n-diodes, cette séparation a lieu dans le domaine du champ i, et au lieu du processus de diffusion, la dérive des porteurs de charge se produit sous l'influence du champ électrique. Chaque paire électron-trou générée qui a traversé la jonction pn provoque une charge dans le circuit externe pour égaler la charge de l'électron. Plus l'irradiation de la diode est importante, plus le photocourant est important. Le photocourant circule également lorsque la diode est déplacée vers l'avant (figure 4, a), mais même à basse tension, elle est beaucoup plus faible que le courant direct, de sorte que son isolation est difficile.

La région de travail des caractéristiques courant-tension d'une photodiode est le troisième quadrant de la Fig. 4, a; En conséquence, en tant que paramètre le plus important, la sensibilité actuelle

(2.10)

La deuxième égalité de (2.10) a été obtenue sous l'hypothèse de la dépendance linéaire I = = f (P ф ), et la troisième - à la condition de négliger le courant d'obscurité (I T << I Ф ), habituellement satisfait pour les photodiodes au silicium.

Si nous illuminons la photodiode sans lui appliquer de déplacement externe, alors le processus de séparation des électrons et des trous générés se fera en raison de l'action du champ intrinsèque intégré de la jonction pn. Dans ce cas, les trous s'écouleront dans la région p et compenseront partiellement le champ intégré de la jonction pn. Un nouvel état d'équilibre (pour une valeur donnée: P)) est créé dans lequel une photo-électromyographie apparaît sur les bornes externes de la diode. Si vous fermez la photodiode illuminée pour une certaine charge, cela lui donnera une puissance électrique utile э .

Les points caractéristiques des caractéristiques courant-tension d'une diode fonctionnant dans un tel mode photovoltaïque sont l'émetteur de tension de repos Uxx et le courant de court-circuit Ic (figure 4, b).

Schématiquement, la photodiode dans le mode porte fonctionne comme une sorte de source d'énergie secondaire, de sorte que son paramètre déterminant est l'efficacité de la conversion de l'énergie lumineuse en électricité:

Efficacité = P э / AP a = aU xx / A p (2.11)

Dans le régime photovoltaïque, une classe importante de dispositifs photovoltaïques est les batteries solaires.

Paramètres et caractéristiques des optocoupleurs et des circuits intégrés optoélectroniques

Classification des paramètres des dispositifs optroniques

Lors de la classification des produits d'optocoupleurs, deux éléments sont pris en compte: le type de dispositif photodétecteur et les caractéristiques de conception de l'appareil dans son ensemble.

Le choix de la première caractéristique de classification est dû au fait que presque tous les optocoupleurs ont une LED en entrée, et la fonctionnalité du dispositif est déterminée par les caractéristiques de sortie du dispositif photodétecteur.

En tant que deuxième caractéristique, une conception est adoptée qui détermine l'application spécifique de l'optocoupleur.

À la définition des paramètres d'impulsion des optocoupleurs

Fig. 5. À la définition des paramètres d'impulsion des optocoupleurs

En utilisant ce principe de conception mixte et de classification schématique, il est logique de distinguer trois groupes principaux de dispositifs optroniques: les optocoupleurs (optron élémentaire), les circuits intégrés optoélectroniques (optroniques) et les types spéciaux d'optocoupleurs. Chacun de ces groupes comprend un grand nombre de types d'instruments.

Pour les optocoupleurs les plus courants, les abréviations suivantes sont utilisées: D - diode, transistor T, résistance R, U - thyristor, T2 - avec phototransistor composite, DT - transistor - diode, différentiel 2D (2T) - diode (transistor).

Le système de paramètres des dispositifs optroniques est basé sur le système de paramètres d'optocoupleur, qui est formé de quatre groupes de paramètres et de modes.

Le troisième groupe - le circuit de sortie (paramètres de sortie), le troisième - combine les paramètres caractérisant le degré d'exposition de l'émetteur au photodétecteur et les caractéristiques connexes du passage du signal à travers l'optocoupleur comme élément de communication (paramètres caractéristiques de transmission); Enfin, le quatrième groupe combine des paramètres d'isolation galvanique dont les valeurs indiquent à quel point l'optocoupleur est proche de l'élément de découplage idéal. Parmi les quatre groupes énumérés, les paramètres de la caractéristique de transfert et les paramètres de l'isolation galvanique sont les définissants, en particulier les "optocoupleurs".

Le paramètre le plus important des photocoupleurs à diodes et à transistors est le coefficient de transmission actuel. La détermination des paramètres d'impulsions des optocoupleurs est claire à partir de (figure 5). Les niveaux de référence pour la mesure des paramètres tpp (cn) , tcd et t on (off) sont généralement les niveaux 0.1 et 0.9, la durée totale du retard logique du signal est déterminée par le niveau 0.5 de l'amplitude de l'impulsion.

Paramètres d'isolation galvanique. Les optocoupleurs sont: la tension de crête maximale admissible entre l'entrée et la sortie U de la sortie, n max ; tension maximale admissible entre l'entrée et la sortie U fois max ; résistance de l'isolation galvanique R razv ; Capacité de débit C razv ; le taux de variation de tension maximal admissible entre l'entrée de la sortie (dU razv / dt) max . Le paramètre le plus important est le paramètre U, n max . C'est lui qui détermine la résistance électrique de l'optocoupleur et ses capacités en tant qu'élément d'isolation galvanique.

Les paramètres considérés des optocoupleurs sont utilisés complètement ou avec quelques modifications pour la description des circuits intégrés optoélectroniques.

Optocoupleurs à diode

Légende des optocoupleurs

Fig. 6. Symboles des optocoupleurs

Optocoupleurs à diodes (figure 6, a), dans une plus grande mesure que tous les autres dispositifs, caractérisent le niveau des optocoupleurs. Par la valeur de K i, on peut juger de l'efficacité obtenue de la conversion d'énergie dans un optocoupleur; les valeurs des paramètres temporels permettent de déterminer les taux limites de diffusion de l'information. La connexion à un optocoupleur à diode de divers éléments amplificateurs, très utile et pratique, ne peut cependant pas donner de gain, que ce soit pour l'énergie ou pour limiter les fréquences.

Transistor et thyristor optocoupleurs

Optocoupleurs à transistor (figure 6, c) ont un certain nombre de propriétés qui diffèrent des autres types d'optocoupleurs. Ceci est principalement la flexibilité des circuits, qui se manifeste par le fait que le courant de collecteur peut être commandé par le circuit LED (optiquement) et par le circuit de base (électriquement), et par le fait que le circuit de sortie peut fonctionner en mode linéaire et clé. Le mécanisme d'amplification interne permet d'obtenir de grandes valeurs du coefficient de transfert de courant K i , de sorte que les étapes d'amplification ultérieures ne sont pas toujours nécessaires. Il est important que, dans ce cas, l'inertie de l'optocoupleur ne soit pas très élevée et, dans de nombreux cas, tout à fait acceptable. Les courants de sortie des phototransistors sont beaucoup plus élevés que, par exemple, les photodiodes, ce qui les rend aptes à commuter une large gamme de circuits électriques. Enfin, il convient de noter que tout ceci est réalisé avec la relative simplicité technologique des optocoupleurs à transistors.

Les optocoupleurs à thyristors (figure 6, b) sont les plus prometteurs pour la commutation de circuits à haute tension à haute tension: en combinant la puissance commutée dans la charge et la vitesse, ils sont nettement préférables au T 2 -optopar. Les optocoupleurs de type AOU103 sont conçus pour être utilisés comme éléments clés sans contact dans divers circuits radioélectriques: dans les circuits de commande, les amplificateurs de puissance, les générateurs d'impulsions, etc.

Optocoupleurs à résistance

Les optocoupleurs à résistance (figure 6, d) sont fondamentalement différents de tous les autres types d'optocoupleurs par leurs caractéristiques physiques et structurelles et technologiques, ainsi que par la composition et les valeurs des paramètres.

Le principe de l'action de la photorésistance est basé sur l'effet de la photoconductivité, c'est-à-dire le changement de la résistance d'un semi-conducteur sous illumination.

Optocoupleurs différentiels pour la transmission de signaux analogiques

Tout ce qui précède concerne la transmission d'informations numériques sur un circuit isolé galvaniquement. Dans tous les cas, quand on parlait de linéarité, de signaux analogiques, il s'agissait de la forme de la caractéristique de sortie d'un optocoupleur. Dans tous les cas, le contrôle sur le canal émetteur-photodétecteur n'a pas été décrit par une dépendance linéaire. Une tâche importante est la transmission d'informations analogiques à l'aide d'un optocoupleur, c'est-à-dire en assurant la linéarité de la caractéristique de transfert entrée-sortie [36]. Ce n'est que si de tels optocoupleurs sont disponibles qu'il est possible de distribuer directement des informations analogiques sur des circuits galvaniquement isolés sans les convertir sous forme numérique (train d'impulsions).

La comparaison des propriétés des différents optocoupleurs par rapport aux paramètres importants du point de vue de la transmission des signaux analogiques conduit à la conclusion que si ce problème peut être résolu, alors seulement avec des optocoupleurs à diodes possédant de bonnes caractéristiques de fréquence et de bruit. La complexité du problème réside principalement dans une plage étroite de linéarité de la caractéristique de transfert et dans le degré de cette linéarité dans les optocoupleurs à diode.

Il convient de noter que seules les premières mesures ont été prises pour créer des dispositifs à isolation galvanique, adaptés à la transmission de signaux analogiques, et que d'autres progrès peuvent être attendus.

Microcircuits optoélectroniques et autres dispositifs de type optron

Les microcircuits optoélectroniques sont l'une des classes les plus utilisées, les plus prometteuses et les plus prometteuses des dispositifs optroniques. Ceci est dû à la compatibilité électrique et structurelle complète des puces optoélectroniques avec les microcircuits traditionnels, ainsi qu'à leur plus grande fonctionnalité par rapport aux optocoupleurs élémentaires. Comme les microcircuits communs, les microcircuits optoélectroniques à commutation sont les plus utilisés.

Les types spéciaux d'optocoupleurs diffèrent nettement des optocoupleurs traditionnels et des microcircuits optoélectroniques. Ceux-ci comprennent, tout d'abord, des optocoupleurs avec un canal optique ouvert. Dans la conception de ces dispositifs, il existe un espace d'air entre l'émetteur et le photodétecteur, de sorte qu'en y plaçant des barrières mécaniques, il est possible de contrôler le flux lumineux et ainsi le signal de sortie de l'optocoupleur. Ainsi, les optocoupleurs avec un canal optique ouvert agissent comme des capteurs optoélectroniques qui détectent la présence (ou l'absence) d'objets, l'état de leur surface, la vitesse de mouvement ou de rotation, et ainsi de suite.

Sphères d'application d'optocoupleurs et d'optocoupleurs

Les directions prospectives de développement et d'application de la technologie optronique ont été largement déterminées. Les optocoupleurs et les optocoupleurs sont effectivement utilisés pour transférer des informations entre des appareils qui n'ont pas de connexions électriques fermées. Traditionnellement, les positions des dispositifs optoélectroniques dans la technologie d'obtention et d'affichage de l'information restent fortes. Les capteurs optoélectroniques indépendants, destinés à la surveillance de processus et d'objets de nature et de destination très différents, ont une signification indépendante dans ce sens. Le microcircuit d'optron fonctionnel progresse sensiblement, orienté vers la réalisation de diverses opérations liées à la transformation, l'accumulation et le stockage d'informations. Efficace et utile est le remplacement de produits et de dispositifs électromécaniques (transformateurs, potentiomètres, relais) encombrants, de courte durée et non technologiques (à partir de la position de la microélectronique). Très spécifique, mais dans de nombreux cas justifié et utile est l'utilisation d'optocoupleurs à des fins énergétiques.

Transfert d'informations

Lors de la transmission d'informations, les optocoupleurs sont utilisés comme éléments de communication et, en règle générale, ne portent pas de charge fonctionnelle indépendante. Leur utilisation permet de réaliser une isolation galvanique très efficace des dispositifs de contrôle et de charge (Fig. 7) fonctionnant dans diverses conditions et régimes électriques. Avec l'introduction des optocoupleurs, l'immunité au bruit des canaux de communication augmente fortement; les interactions pratiquement "parasitaires" sur les chaînes de "sol" et une alimentation sont éliminées. La coordination rationnelle et fiable des dispositifs intégrés numériques à base d'éléments hétérogènes (TTL, ESL, I2L, CMOS, etc.) est également intéressante.

Circuit d'isolation galvanique Interblock

Fig. 7. Diagramme de l'isolation galvanique interbloc

Le circuit d'adaptation d'un élément de logique transistor-transistor (TTL) avec un dispositif intégré sur des transistors MIS est construit sur un optocoupleur à transistor (figure 8). Dans le mode de réalisation spécifique: E 1 = E 2 = 5 V, E 3 = 15 V, R 1 = 820 Ω, R 2 = 24 kOhm - la LED de l'optocoupleur est excitée par un courant (5 mA) suffisant pour saturer le transistor et commander le dispositif en toute confiance. transistors.

Fig. 8. Le schéma de couplage des éléments TTL et MDS le long du canal optique

Les communications optiques dans les appareils et systèmes téléphoniques sont activement utilisées. A l'aide d'optocoupleurs, des moyens techniquement non compliqués peuvent connecter des dispositifs microélectroniques destinés à l'appel, à l'indication, à la surveillance et à d'autres fins à des lignes téléphoniques.

L'introduction de liaisons optiques dans l'équipement de mesure électronique, outre l'isolation galvanique de l'objet et de l'instrument de mesure, utile à bien des égards, permet également de réduire drastiquement l'influence des interférences sur les circuits de masse et de puissance.

Les possibilités et l'expérience de l'utilisation de dispositifs et de dispositifs optoélectroniques dans les équipements biomédicaux présentent un intérêt considérable. Optocoupleurs peuvent isoler de manière fiable le patient de l'action de haute tension, disponible, par exemple, dans les électrocardiographes.

Le contrôle sans contact des circuits à haute tension et haute tension à travers les canaux optiques est très pratique et sûr dans des conditions techniques complexes typiques pour de nombreux dispositifs et complexes électroniques industriels. Dans cette région, les optocoupleurs à thyristors sont puissants (figure 9).

Circuit de commutation de charge CA

Fig. 9. Circuit de commutation de charge AC

Obtention et affichage d'informations

Les optocoupleurs et optocoupleurs occupent des positions fortes dans la technique à distance sans contact de l'acquisition opérationnelle et l'affichage précis de l'information sur les caractéristiques et les propriétés de processus et d'objets très différents (par nature et par but). Les optocoupleurs avec canaux optiques ouverts possèdent des capacités uniques à cet égard. Parmi eux, des interrupteurs optoélectroniques qui réagissent à l'intersection d'un canal optique avec des objets opaques (Figure 10) et des optocoupleurs réflectifs, dans lesquels l'effet des émetteurs de lumière sur les photodétecteurs est entièrement lié à la réflexion du flux rayonné des objets externes.

Capteur optoélectronique

Fig. 10. Capteur optoélectronique

La gamme d'applications des optocoupleurs avec canaux optiques ouverts est vaste et diversifiée. Déjà dans les années 1960, les optocoupleurs de ce type étaient effectivement utilisés pour enregistrer des objets et des objets. Avec un tel enregistrement, qui caractérise principalement les dispositifs de contrôle automatique et de compte des objets, ainsi que la détection et l'indication de différents types de défauts et de défaillances, il est important de localiser clairement l'objet ou de refléter son existence. Les fonctions d'enregistrement des optocoupleurs sont fiables et opérationnelles.

Contrôle des processus électriques

La puissance du rayonnement généré par la LED et le niveau de photocourant qui se produit dans les circuits linéaires avec des photodétecteurs sont directement proportionnels au courant de la conductivité électrique du radiateur. Ainsi, par des canaux optiques (sans contact, distants), il est possible d'obtenir des informations assez précises sur les processus dans les circuits électriques reliés galvaniquement au radiateur. L'utilisation d'émetteurs de lumière d'optocoupleurs comme capteurs de changements électriques dans les circuits haute tension à haute tension est particulièrement efficace. Des informations claires sur ces changements sont importantes pour la protection opérationnelle des sources et des consommateurs d'énergie provenant des surcharges électriques.

Stabilisateur de tension avec optocoupleur de contrôle

Fig. 11. Stabilisateur de tension avec optocoupleur de contrôle

Les optocoupleurs fonctionnent avec succès dans les régulateurs de tension haute tension, où ils créent des canaux optiques de rétroaction négative. Le stabilisateur considéré (figure 11) se réfère à un dispositif en série, le transistor bipolaire étant l'élément de régulation, et la diode Zener au silicium servant de source de tension de référence (référence). L'élément comparatif est la LED.

Si la tension de sortie dans le circuit de la Fig. 11 augmente, le courant de conduction de la LED augmente également. Le phototransistor de l'optocoupleur agit sur le transistor, supprimant l'instabilité possible de la tension de sortie.

Remplacement de produits électromécaniques

Dans le complexe de solutions techniques visant à augmenter l'efficacité et la qualité des automatismes, radio, télécommunications, électronique industrielle et grand public, une mesure utile et utile est le remplacement des produits électromécaniques (transformateurs, relais, potentiomètres, rhéostats, boutons poussoirs et interrupteurs à clé). analogues à haute vitesse. Le rôle principal dans ce sens est attribué aux dispositifs et dispositifs optoélectroniques. Le fait est que les avantages techniques très importants des transformateurs et des relais électromagnétiques (isolation galvanique des circuits de commande et de charge, fonctionnement fiable dans les systèmes haute tension, haute tension et courant élevé) sont également caractéristiques des optocoupleurs. Dans le même temps, les produits optoélectroniques dépassent de manière significative les analogues électromagnétiques en termes de fiabilité, de durabilité, de transitoire et de fréquence. La commande des transformateurs optoélectroniques compacts et à grande vitesse, des commutateurs, des relais est effectuée à l'aide de microcircuits intégrés de la technologie numérique sans moyens spéciaux d'adaptation électrique.

Un exemple de remplacement d'un transformateur d'impulsions est montré sur la Fig. 12.

Schéma de transformateur optoélectronique

Fig. 12. Schéma du transformateur optoélectronique

Fonctions énergétiques

En mode de puissance, les optocoupleurs sont utilisés comme sources secondaires d'EMF et de courant. L'efficacité des optocoupleurs est faible. Cependant, la possibilité d'introduire une source de tension ou de courant supplémentaire dans n'importe quel circuit du dispositif sans couplage galvanique avec la source d'énergie primaire donne au développeur un nouveau degré de liberté, particulièrement utile pour résoudre des problèmes techniques non standard.