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Optocoupleurs et leur application
Présentation
Histoire
L'idée de la création et l'utilisation d'optocoupleurs se réfère à 1955, lorsque dans le Loebner EE «réseau Dispositifs optoélectroniques» a été proposée par une série de dispositifs avec des connexions optiques et électriques entre les éléments qui ont permis pour la conversion de l'amplification et spectrale des signaux lumineux pour créer des dispositifs à deux états stables - bistable Opto et des dispositifs optoélectroniques d'accumulation et de la logique de stockage, des registres à décalage. Ils ont également proposé le terme «optocoupleur» a été fondé comme un raccourcissement de "optique-électronique périphérique".
Décrite dans ce optocoupleurs papier, illustrant parfaitement les principes s'est avéré inadapté pour la mise en œuvre industrielle, comme fondée sur base d'unité défectueuse - inefficace et d'inertie de poudre condensateurs électroluminescents (émetteur) et une photorésistance (le récepteur). Étaient parfaites et les caractéristiques de performance les plus importants d'appareils: la stabilité à basse température et temporelle des paramètres, le manque de résistance aux contraintes mécaniques. Alors. Au début, il n'y avait qu'un optocoupleur réalisations scientifiques ne sont pas intéressantes à trouver des applications dans l'ingénierie.
Seulement dans le milieu des années 60 le développement des semiconducteurs diodes électroluminescentes et très avancés technologiquement photodétecteurs en silicium à haute vitesse avec p - n-jonctions (photodiodes et phototransistors) a commencé à développer une base élémentaire de opto technologie moderne. Par le début des années 70 la production d'opto-coupleurs dans les principaux pays du monde est devenue une industrie importante et en croissance rapide de l'équipement électronique, de microélectronique de compléter avec succès traditionnels.
Les définitions de base
Optocoupleurs appels tels dispositifs optoélectroniques, qui sont la source de rayonnement et de récepteur (émetteurs de lumière et un photodétecteur) avec un ou un autre type d'interconnexions optiques et électriques sont structurellement liés les uns aux autres.
Le principe de fonctionnement de tout type de optocoupleurs sur la base suivante. Dans l'énergie oscillateur du signal électrique est convertie en lumière dans le photodétecteur, au contraire, le signal lumineux est une réponse électrique.
Presque répandue optocoupleurs seulement, qui ont une liaison optique directe de la source vers le photodétecteur et en règle générale, exclus de toutes sortes de communication électrique entre ces éléments.
Par la complexité du schéma de la technologie opto-produits a identifié deux groupes de dispositifs. Optocoupleur (aussi appelé "optocoupleur simple») est un dispositif semi-conducteur optoélectroniques composé d'un photodétecteur et éléments émetteurs, entre lesquels il ya une connexion optique, qui assure l'isolation électrique entre l'entrée et la sortie. Optoélectroniques à circuit intégré est une puce composée d'un ou plusieurs des optocoupleur et connectés électriquement avec un ou plusieurs correspondants ou d'amplifier les dispositifs.
Ainsi, le dispositif de circuit électronique agit comme un élément d'accouplement, ce qui dans le même temps procédé à la saisie d'isolation électrique (galvanique) et de sortie.
Particularités des optocoupleurs
Les avantages de ces dispositifs sont basés sur le principe général de l'utilisation de photons optoélectroniques électriquement neutre pour transporter l'information. Les principaux sont:
- possibilité d'assurer une parfaite électrique (galvanique) isolation entre les entrées et sorties, optocoupleur car il n'y a pas de grandes toute contrainte physique ou la conception pour atteindre une tension élevée arbitraire et les résistances des jonctions et une capacité de passage arbitrairement petit;
- la faisabilité du contrôle sans contact optique d'objets électroniques et la diversité résultant souple et conception de circuits de contrôle des solutions;
- diffusion unidirectionnelle de l'information sur le canal optique, l'absence de rétroaction sur le transducteur récepteur;
- large bande de fréquence optocoupleur, il n'ya aucune limite sur la fréquence faible (ce qui est caractéristique d'un transformateur d'impulsion), la capacité de l'opto-circuit de transmission comme le signal d'impulsion et de la composante continue;
- la capacité de contrôler la sortie de optocoupleur par l'exposition (y compris non électrique) sur le matériel de la voie optique et la capacité conséquente pour créer une variété de capteurs, ainsi que d'une variété de dispositifs pour le transfert de données;
- la capacité de créer fonctionnelle dispositifs microélectroniques avec des photodétecteurs, dont les caractéristiques varient en fonction de la lumière sur un ensemble complexe la loi;
- l'immunité des canaux de communication optique pour les effets des champs électromagnétiques, dans le cas de "longue" optocoupleur (avec un guide de lumière en fibre optique étendu entre l'émetteur et le récepteur) est responsable de leur protection contre les interférences et les fuites d'informations, et élimine les interférences mutuelles;
- compatibilité physique et structurelle et technologique avec d'autres semi-conducteurs et des dispositifs microélectroniques.
Optocoupleurs sont inhérents et des inconvénients:
- consommation d'énergie importante en raison de la nécessité d'une double conversion d'énergie (électricité - lumière - électricité) et la faible efficacité de ces transitions;
- paramètres de sensibilité et les caractéristiques des effets de températures élevées et les radiations ionisantes nucléaire;
- la dégradation du temps plus ou moins perceptibles (détérioration) des paramètres;
- niveau de bruit relativement élevés en raison, comme les deux précédentes lacunes, surtout la physique des LEDs;
- la complexité de la rétroaction causée par la déconnexion électrique des circuits d'entrée et de sortie;
- faiblesses structurelles et technologiques associés à l'utilisation d'hybrides non la technologie planaire (avec la nécessité de combiner en un seul plusieurs instruments - des cristaux individuels d'une variété de semi-conducteurs, situés dans des plans différents).
Ces échecs optocoupleurs avec des améliorations dans les matériaux, la technologie, des circuits partiellement enlevé, mais, néanmoins, pendant une longue période sera tout à fait fondamental. Toutefois, leur dignité si haute que cela donne une ferme non concurrentiels optocoupleurs entre autres instruments, de la microélectronique.
Schéma généralisé
Comme un élément de communication est caractérisée par le transfert optocoupleur à i, déterminée par le rapport des signaux de sortie et d'entrée, et une vitesse maximale de transmission de l'information F. Presque au lieu de F mesuré la durée de la montée et la décomposition des impulsions transmises drogue t (CN) ou la fréquence de coupure. Opportunités dans le cadre d'optocoupleur-isolé et caractérisé par la tension maximale de résistance de jonction U & D et de passer de R & D et la capacité de C & D.
Dans le schéma de la Fig. Un dispositif d'entrée est utilisé pour optimiser le mode de fonctionnement de l'émetteur (par exemple, le biais dans la partie linéaire de la lumière LED de courant caractéristiques) et la conversion (gain) d'un signal externe. Le bloc d'entrée doit avoir un rendement de conversion élevé, haute vitesse, large plage dynamique du courant d'entrée admissible (pour les systèmes linéaires), la faible valeur de la «seuil» du courant d'entrée, ce qui assure une transmission fiable des informations le long de la chaîne.
Fig 1. Schéma généralisé de optocoupleur
Nomination d'un support optique - transmission d'un signal optique de l'émetteur vers le photodétecteur, et dans beaucoup de cas pour assurer l'intégrité mécanique de la structure.
La possibilité théorique de contrôler les propriétés optiques du milieu, par exemple, grâce à l'utilisation des effets électro-optique ou magnéto-optiques, reflétée dans l'introduction d'un système de dispositif de commande, dans ce cas nous obtenons un optocoupleur avec un canal contrôlables optique est fonctionnellement différent de 'ordinaire' optocoupleur: signal de sortie peut être effectuée par d'entrée, et par le circuit de commande.
Dans le photodétecteur est une «restauration» du signal d'information de l'optique électrique, alors tendance à avoir une haute sensibilité et haute vitesse.
Enfin, le dispositif de sortie est conçu pour convertir le signal d'un capteur dans un formulaire standard qui peut avoir un impact sur les étapes ultérieures pour optocoupleurs. Fonction quasi obligatoire du dispositif de sortie est une amplification du signal, car les pertes après une double conversion sont très considérables. Souvent, la fonction de gain effectue photodétecteur lui-même (par exemple, phototransistor).
Le schéma global de la Fig. 1 est réalisé dans chaque partie instrument particulier que du bloc. En conséquence, il ya trois principaux groupes d'instruments optocoupleur technologie, anciennement appelé l'optocoupleur (optocoupleurs élémentaires) à l'aide des blocs d'émetteurs de lumière - support optique - photodétecteur, optoélectronique (PCP) de circuits intégrés (avec l'ajout de la sortie optocoupleur, et parfois le périphérique d'entrée), et des types spéciaux de optocoupleurs - L'équipement qui est fonctionnellement et structurellement très différente de optocoupleurs élémentaires et optoélectroniques IC.
Optocoupleur réel peuvent être organisés et plus compliqué que le schéma de la Fig. 1, chacun de ces blocs peuvent inclure non pas un mais plusieurs identiques ou similaires à chacun des autres éléments du électriquement et optiquement, mais il ne modifie pas significativement les fondements de la physique et l'électronique optocoupleur.
Demande
Comme les éléments de l'opto-isolées s'appliquent: pour bloquer les équipements de communication, parmi lesquelles il ya une différence de potentiel, pour protéger les circuits d'entrée des appareils de mesure du bruit et les interférences, etc
Un autre domaine important de l'opto-coupleurs - optique, contactez-gestion et à fort courant circuits haute tension. Thyristors de puissance de démarrage, triacs, les multiplexeurs, le contrôle des dispositifs de relais électromécaniques.
Groupe spécifique de gestionnaires sont optocoupleur opto résistance conçu pour circuits basse tension de commutation de l'affichage de l'information visuelle complexe réalisé sur le électroluminescents (en poudre) des indicateurs, d'imiter les écrans.
Création d'une «longue» optocoupleur (appareils avec un guide étendu lumière souple à fibres optiques) a ouvert une toute nouvelle direction de votre technologie opto - la communication sur de courtes distances.
Diverses opto (diode, résistance, transistor) sont utilisées dans un schéma purement de radio de modulation, le contrôle automatique de gain, etc L'impact sur le canal optique est utilisé ici pour un diagramme des conditions de fonctionnement optimales pour la restructuration de la mode non-contact, etc
Possibilité de changer les propriétés d'un canal optique avec une influence externe sur différents pour créer toute une série de capteurs optroniques, les capteurs d'humidité et sont gazés, le capteur ayant un volume d'un sujet finition capteur de surface du liquide, la vitesse de son mouvement, etc
Suffisamment précis est l'utilisation d'optocoupleurs à des fins énergétiques, à savoir le travail en mode fotoventilnom optocoupleur diode. Dans ce mode, la photodiode génère une puissance électrique de la charge et l'optocoupleur dans une mesure similaire à la source de faible puissance d'alimentation secondaire, complètement isolé du circuit primaire.
Créer optocoupleurs avec photorésistance, dont les propriétés changement sur l'éclairage d'une loi donnée complexe, pour modéliser des fonctions mathématiques, est une étape vers la création d'fonctionnelle optoélectronique.
Polyvalence optocoupleur isolé comme des éléments et de gestion des contacts, la diversité et l'unicité des caractéristiques de nombreux autres sont la raison que la portée de ces instruments sont l'informatique, l'automatisation, l'équipement connecté et électroniques, systèmes de contrôle automatisés, systèmes de mesure des instruments de contrôle, et le contrôle, l'électronique médicale , visualisation d'informations.
Bases physiques de la technologie opto-
Les composants et les périphériques optocoupleurs
Optocoupleurs élément en fonction des détecteurs et des émetteurs, ainsi que le support optique entre eux. Tous ces éléments sont présentés ces exigences générales, telles que la petite taille et de poids, une grande durabilité et la fiabilité, la résistance aux influences mécaniques et climatiques, de l'industrialisation et à faible coût. Il est également souhaitable que les éléments étaient suffisamment larges et à long terme des essais industriels.
Fonctionnellement (comme un élément du régime) optocoupleur est caractérisée principalement par ce type de capteur utilise.
L'utilisation réussie d'un capteur dans la opto défini l'exécution des exigences de base suivantes: rendement de conversion énergétique de quanta de rayonnement dans l'énergie de mouvement électrique et la présence et l'efficacité du contrôle interne intégré de gain, des performances élevées, l'étendue des fonctionnalités.
Dans l'optocoupleur photodétecteurs utilisés de différentes structures qui sont sensibles dans la région visible et proche infrarouge, puisque dans cette région du spectre sont les sources de rayonnement intense et détecteurs peuvent travailler sans réfrigération.
Le plus polyvalent sont photodétecteurs avec p - n-jonctions (diodes, transistors et m, n), dans la plupart des cas, ils sont fabriqués à partir de silicium et le domaine de la sensibilité spectrale maximale est proche de l = 0,7 ... 0,9 mm .
Nombreux sont les exigences pour optocoupleurs émetteurs. Les principaux sont: correspondance spectrale avec le photodétecteur sélectionné, de haute efficacité de conversion de l'énergie du courant électrique dans l'énergie du rayonnement, la direction prédominante du rayonnement de haute performance, la simplicité et la facilité d'excitation et de modulation.
Pour une utilisation dans l'optocoupleur est convenable et il ya plusieurs types d'émetteurs:
- Ampoule miniature.
- Ampoules au néon, qui utilisent une décharge luminescente électriques mélanges de gaz néon-argon.
Ces types d'émetteurs caractérisée par un débit de faible luminosité, faible résistance au stress mécanique, longévité limitée, de grande taille, l'incompatibilité totale avec la technologie intégrée. Toutefois, dans certains types d'optocoupleurs, ils peuvent trouver une application. - Poudre électroluminescentes cellule utilise comme un corps lumineux finement grains cristallins de sulfure de zinc (activé par le cuivre, le manganèse ou d'autres additifs), en suspension dans diélectriques polymérisés. En appliquant une tension suffisamment élevée en courant alternatif dans le processus de luminescence prebreakdown.
- Thin-film de cellules électroluminescentes. La luminescence est due à l'excitation des atomes de manganèse "à chaud" des électrons.
Et les cellules en poudre et film électroluminescent ont un faible rendement de conversion de l'énergie électrique en lumière, faible durabilité (en particulier - à couche mince), difficiles à administrer (par exemple, le mode optimal de phosphores poudre de 220 V à f = 400 ... 800Hz). Le principal avantage de ces radiateurs - constructives technologiques compatibilité avec la photorésistance, la possibilité de créer sur cette base, riche en fonctionnalités, les structures multi-éléments optroniques.
La vue principale de la sonde la plus polyvalente utilisée dans l'optocoupleur est une injection de semi-conducteurs à diodes électroluminescentes - LED. Cela est dû à ses avantages suivants: haute efficacité de conversion de la valeur de l'énergie électrique en optique, spectre d'émission étroit (kvazimonohromatichnost) largeur de la gamme spectrale chevauché par différentes LED; directivité de rayonnement, de haute performance, de faibles valeurs de tensions d'alimentation et les courants compatibles avec des transistors et de circuits intégrés; modulation simple du rayonnement en faisant varier le courant de l'avant, la capacité de travailler aussi bien en pulsé et CW, la linéarité de la caractéristique watt ampère d'une gamme plus ou moins large des courants d'entrée, une grande fiabilité et durabilité, de petite taille, la compatibilité technologique avec des produits microélectroniques.
Exigences générales pour optocoupleur d'immersion support optique, les éléments suivants: valeur élevée de l'indice de réfraction n d'entre eux, la valeur élevée de la r résistivité eux, et la critique élevée champ E cr pour eux, une résistance thermique suffisante Dq, son serviteur, une bonne adhérence sur le cristal de silicium et d'arséniure de gallium; l'élasticité (Ceci est nécessaire car il n'est pas possible d'harmoniser les éléments de optocoupleur sur les coefficients de dilatation thermique), la résistance mécanique, comme le milieu d'immersion utilisés dans optocoupleurs ne concerne pas seulement les caractéristiques de transmission de lumière, mais aussi structurelles, de l'industrialisation (facilité d'utilisation, la reproductibilité des propriétés, à faible coût, et donc n ..)
Le principal type de milieu d'immersion utilisés dans les optocoupleurs sont polymères adhésifs optiques. Pour eux, ils typiquement n = 1,4 ... 1,6, r il> 10 12 ... 14 ohms cm octobre, E = 80 kp qu'il kV / mm, Dq = esclave pour les - 60 ... 120 C. Adhésifs ont une bonne adhérence au silicium et arséniure de gallium, combinent une haute résistance mécanique et la résistance au cyclage thermique. Ils sont également utilisés nezatverdevayuschie vazelinopodobnye et caoutchouc-support optique.
Physique de la conversion de l'énergie dans une diode à optocoupleurs
Examen de la conversion d'énergie dans les optocoupleurs nécessaire de prendre en compte la nature quantique de la lumière. Il est connu que le rayonnement électromagnétique peut être représentée comme un faisceau de particules - les photons (photons) d'énergie. dont chacun est donné par:
E p = hn = hc / n L (2,1)
où h - la constante de Planck;
c - vitesse de la lumière dans le vide;
n - indice de réfraction du semi-conducteur;
N, L - la fréquence d'oscillation et de longueur d'onde des rayonnements optiques.
Si la densité du flux de photons (ie, le nombre de photons passant par unité de surface par unité de temps) est égal à ^ N, alors la densité de rayonnement totale de puissance est:
P p = N p * E p (2,2)
et, comme il ressort de (2,1), pour un N donné est supérieure ^ l', la plus courte longueur d'onde du rayonnement. Parce que le travail est donné P p (capteur de rayonnement de l'énergie), il est utile de la relation suivante
N ^ p = P / E p = 5 * 10 15 L P p (2,3)
où N ^, cm -2 s -1; L, M, P p, mW / cm.
Dans la Fig. 2. Diagramme d'énergie d'directe fossé semi-conducteurs (par exemple, le composé ternaire GaAsP)
Le mécanisme de luminescence d'injection dans le LED se compose de trois grands processus: radiatif (et non radiatifs) recombinaison dans les semiconducteurs, l'injection de porteurs minoritaires en excès dans la base et la sortie de lumière à LED de la région de génération.
La recombinaison des porteurs de charge dans un semi-conducteur est déterminée, surtout, son diagramme de bande, la présence et la nature des impuretés et des défauts, le degré d'états d'équilibre. Base de matériaux émetteurs optronique (GaAs et ternaires sur cette base et GaA1As GaAsP) sont directe fossé semi-conducteurs, à savoir, à ceux qui sont autorisés optique directe bande de bande de transitions (fig. 2). Chaque acte de recombinaison des porteurs de charge dans ce schéma, est accompagné par l'émission d'un photon de longueur d'onde en conformité avec la loi de conservation de l'énergie est donnée par:
L rad [m] = 1,23 / E p [EB] (2,4)
Il faut noter qu'il ya des concurrents non radiatifs - des mécanismes de recombinaison. Parmi les plus importants comprennent:
- Recombinaison dans les centres de profondeur. Un électron peut se déplacer dans la bande de valence n'est pas directement mais à travers ces centres de recombinaison ou autres, qui forment les niveaux d'énergie autorisés dans la zone interdite (niveau E t dans la figure 2).
- Recombinaison Auger (ou chocs). À des concentrations très élevées de porteurs de charge libres dans un semi-conducteur augmente la probabilité de collision des trois corps, l'énergie de la recombinaison paire électron-trou avec le troisième donné à la liberté des médias sous la forme d'énergie cinétique, qui se dissipe progressivement au cours des collisions avec le treillis.
Pis. 3. Électrique (a) et optique (b) le modèle LED. A - optiquement "transparent" une partie du cristal; B - la partie active du cristal; C - «opaque» une partie du cristal; D - contacts ohmiques; E - région de charge d'espace
L'importance relative des différents mécanismes de recombinaison est décrite en introduisant le concept du rendement int quantique interne h, déterminée par le rapport de la probabilité de recombinaison radiative à la probabilité de recombinaison total (radiatif et non radiatif) (ou, alternativement, le ratio du nombre de photons générés au nombre de injectées pendant le même temps des porteurs minoritaires). La valeur de h int est une caractéristique essentielle de la matière utilisée dans la LED, il est évident que 0 
h int À 100%.
Créer une concentration excessive des porteurs libres dans l'actif (électroluminescente) région de la LED de cristal réalisée par injection d'acide p-n-jonction polarisée dans la direction avant.
«Utiles» du courant qui soutient la recombinaison radiative dans la région active de la diode, le courant d'électrons, c'est que je n (Fig. 3a), l'injection de p-n-jonction. Par "inutile" composantes de courant continu sont les suivants:
- La composante trou de la p-je, à cause de l'injection de trous dans le n-région et reflète le fait que P - N-jonctions avec une injection unilatérale ne se produit pas, la part actuelle du moins fortement dopée que la n-région par rapport à la p-région.
- Recombinaison courant (non radiatif) dans la charge d'espace p - n-I de transition des rivières. Dans les semiconducteurs avec un gap large bande à part biais petit pas en avant de ce courant peut être important.
- Le courant tunnel I tun, en raison de la «fuite» des porteurs de charge à travers la barrière de potentiel. Courant est transporté par les grands transporteurs et leur contribution à la recombinaison radiative ne fonctionne pas. Le courant tunnel est plus grande que ce qui est p - n-transition, il a prononcé avec un fort degré de dopage de la région de base et à haute polarisation directe.
- Fuites de surface actuelle de I Stand, en raison de la différence entre les propriétés de surface des propriétés semi-conductrices du volume et de la présence d'inclusions diverses court-circuit.
L'efficacité de p - n-transition est caractérisée par l'injection:
 | (2.5) |
De toute évidence, les limites du changement possible dans la g sont les mêmes que celle de l'int h, c'est à dire 0 g À 100%.
Dans la dérivation de la radiation de la génération, nous avons les types suivants de perte d'énergie (Fig. 3b):
- Les pertes pour l'auto-absorption (rayons 1). Si la longueur d'onde des photons générés correspond exactement à (2,4), alors qu'elle coïncide avec la «frontière rouge" de l'absorption (voir ci-dessous), et un tel rayonnement est absorbé rapidement dans le semiconducteur en vrac (self-absorption). En fait, le rayonnement dans directe fossé semi-conducteurs ne sont pas sur le schéma ci-dessus idéal. Par conséquent, la longueur d'onde des photons générés est quelque peu supérieur à celui de (2,4):
- Les pertes en réflexion totale interne (rayons 2). Il est connu que l'incidence des rayons lumineux à l'interface entre un milieu optiquement dense (semiconducteurs) avec une optique moins dense (l'air) pour une partie de ces rayons de l'état du total des rayons réflexion interne telle, reflète l'intérieur du cristal, a finalement perdu à cause de l'auto-absorption.
- La perte est inversé et le rayonnement mécanique (faisceau 3 et 4).
Quantifier l'efficacité de la puissance de sortie optique du cristal est caractérisée par la sortie d'énergie en gros déterminée par le rapport du rayonnement émis dans le bon sens à la puissance de rayonnement généré à l'intérieur du cristal. Tout comme pour l'int coefficients h et g, 0 est toujours satisfaite Pour vous désinscrire À 100%.
g. Indicateur LED intégré est la valeur de l'émissivité de l'efficacité quantique externe de h ext. De ce qui précède, il est clair que h = h ext int g de gros.
Nous passons à une unité de récepteur. Le principe de fonctionnement utilisé dans le fotpriemnikov optocoupleur basé sur l'effet photoélectrique interne, qui consiste dans la séparation des électrons des atomes à l'intérieur du corps sous l'action de l'électromagnétique (optique) de rayonnement.
Lumière quanta sont absorbés dans le cristal peut provoquer un décollement des électrons des atomes à la fois des semi-conducteurs et l'impureté. Conformément à ce dire au sujet de leur propre (non allié) et l'absorption d'impureté (effet photoélectrique). Puisque la concentration d'atomes d'impuretés est petit, les effets photovoltaïques, basée sur l'auto-absorption, toujours être plus grande que l'impureté basé. Tous les matériaux utilisés dans les photodétecteurs optocoupleur sont «travail» sur PhotoEffect non allié. Pour un quantum de lumière provoqué un détachement d'un électron d'un atome, il est nécessaire que le ratio puissance évidente:
E ^ 1 = 1 hn 
E c - E v (2,6)
E ^ 2 = hn 2 E c - E t (2,7)
Ainsi, l'effet photoélectrique leurs propres peut avoir lieu que sous l'influence de la lumière semi-conducteurs avec une longueur d'onde inférieure à un certain Gr. L valeur:
L g = hc / (E c - E v) 
1,23 / E g (2,8)
La deuxième égalité de (2.8) est satisfaite si l g est exprimée en microns, et les semi-conducteurs de bande interdite, E g - en électrons-volts. La valeur de g l sont appelés longueur d'onde ou "rouge" limite de la sensibilité spectrale de la matière.
L'intensité de l'écoulement de l'effet photoélectrique (dans la région spectrale où il peut exister) dépend du rendement quantique, déterminé par le ratio du nombre de produits paires électron-trou sur le nombre de photons absorbés. L'analyse des dépendances expérimentale montre que dans la région spectrale intéressante pour optocoupleurs b = 1.
La formation de porteurs de charge libres sous l'action de l'irradiation est montré dans un semi-conducteur sous la forme de deux effet photoélectrique: la photoconductivité (augmentation de la conductivité de l'échantillon sous l'éclairage) et photovoltaïques (apparition de la photo-FEM sur la p - n-jonction ou une autre forme de la barrière de potentiel dans le semiconducteur sous l'éclairage). Ces deux effets sont utilisés dans la pratique de la conception de photodétecteurs, optocoupleurs pour l'est préférée et dominante de l'utilisation de la photo-EMF effet.
Principaux paramètres et les caractéristiques des photodétecteurs (sans égard à la nature physique et la conception de ces dispositifs) peuvent être divisés en plusieurs groupes, afin d'inclure les caractéristiques optiques de la surface photosensible, matériel, la taille et la configuration de la fenêtre optique, les niveaux de puissance minimale et maximale de rayonnement. Pour électro - photosensibilité, le degré d'uniformité de la distribution de la sensibilité d'une zone de photodétecteur, la sensibilité densité spectrale (dépendance du paramètre caractérisant la sensibilité de la longueur d'onde), le bruit intrinsèque du photodétecteur, et leur dépendance à l'égard du niveau d'exposition et la gamme de fréquences de fonctionnement, le temps de résolution (vitesse), le facteur de qualité (un indicateur composite qui permet de comparer les différents photodétecteurs uns avec les autres); indice de linéarité, la plage dynamique. Dans le cadre du circuit est caractérisé par un photodétecteur, surtout, ses paramètres de circuit équivalent, les exigences pour les régimes de fonctionnement, la présence (ou absence) de haut-gain, le type et la forme du signal de sortie. Autres caractéristiques: la performance, nadezhnostnye, dans l'ensemble, la technologie - n'a rien de spécifiquement «photoréception" ne contient pas.
Selon la nature du signal de sortie (tension, courant), ou parlé la photosensibilité photovoltaïque actuelle de l'indice S récepteur, respectivement, mesurée en N / B ou A Watt /. Linéarité (ou non-linéarité) du photodétecteur est déterminé par la valeur de l'exposant n dans l'équation qui relie la production à l'entrée: les courbes en U (ou je l'extérieur) ~ P p. Pour n Un photodétecteur est linéaire, la gamme de P p (p de P à P max min p), dans lequel cela est fait détermine la gamme dynamique de linéarité de la D photodétecteur, généralement exprimée en décibels: D = 10 lg (P p max / P p min).
Le paramètre le plus important d'un capteur qui détermine le seuil de sa sensibilité, est la détectivité spécifique D, mesurée en W m Hz -1 1 / 2. Pour une valeur connue de seuil D (la puissance minimale apparente de la radiation) est défini comme
P min = p 
/ D (2,9)
où A - superficie de la surface photosensible; D f-fréquence photosignals amplificateur de gamme. En d'autres termes, le paramètre D joue le rôle du facteur de qualité du photodétecteur.
Dans la Fig. 4. Dispositif de mesure et de la famille des caractéristiques courant-tension de la photodiode (a) et fotoventilnom (b) les modes de la diode
Lorsqu'il est appliqué à l'optocoupleur pas toutes ces caractéristiques sont également importantes. En règle générale, les photodétecteurs dans les travaux optocoupleur sous irradiation, très loin du seuil, alors l'utilisation de paramètres P et D p min est pratiquement inutile. Structurellement, le photodétecteur à optocoupleurs habituellement, «noyés» dans une immersion. Mercredi, le rejoindre avec le radiateur, afin de connaître les caractéristiques optiques d'une fenêtre d'entrée perd de son sens (comme une règle, surtout une telle fenêtre là-bas). Pas très important de connaître la distribution de la sensibilité de la surface photosensible, puisque l'intérêt réside dans les effets intégrante.
Le mécanisme de photodétecteurs basés sur l'effet photovoltaïque, considérons l'exemple de la planaire épitaxiale diodes avec une jonction p-n-p et-dans-une structure dans laquelle on peut distinguer n + - substrat, la base de n-ou i-type (faible conductivité n type) et une mince couche p +. Lors du fonctionnement en mode photodiode (figure 4a), la tension appliquée causes externes des trous mobiles et les électrons loin du p - n (p - i)-transition, avec une photo de la distribution du champ dans le cristal est radicalement différente pour les deux structures.
Le rayonnement lumineux est absorbé dans la région de base de la diode, génère paires électron-trou, qui diffuse de la p - n-jonction, les a séparés et provoquer l'apparition de courants supplémentaires dans le circuit externe. Dans le p - i - n-diodes, cette division se produit dans le i-o6lasti et au lieu du processus de diffusion est une dérive de porteurs de charge sous l'influence d'un champ électrique. Chaque générés par la paire électron-trou qui traverse p - n-transition, le passage dans le circuit externe une charge égale à la charge de l'électron. Le plus élevé d'éclairement de la diode, plus le photocourant. Les flux de photocourant et le déplacement de la diode dans le sens direct (figure 4a), mais même à basse tension, il est beaucoup moins courant, donc sa sélection est difficile.
Workspace des caractéristiques courant-tension de la III photodiode quadrant est montré dans la Fig. 4 et, en conséquence, comme le paramètre le plus important semble sensibilité actuelle
 | (2.10) |
La deuxième égalité de (2.10) est obtenue en supposant une dépendance linéaire de I p = f (P p), et le troisième - condition sur de négliger le courant d'obscurité (I T <<I F), que des photodiodes de silicium est généralement effectuée.
Si la lumière photodiode sans appliquer un biais qui lui sont extérieurs, le processus de séparation des électrons et des trous générés seront versés par l'action de son propre champ intégré de p - n-jonction. Dans ce cas, le trou se jettent dans la région p et compenser partiellement intégré dans le domaine de la p - n-jonction. Il crée un nouvel équilibre (pour des valeurs données: P p) l'état dans lequel les conclusions de la diode externe survient photo-emf ^ U. Si vous fermez la photodiode éclairée à une charge de certains, il sera utile de le donner à la puissance électrique P e.
Points caractéristiques des caractéristiques courant-tension de l'exploitation dans cette diode - fotoventilnom - Mode est la fem de la marche au ralenti uxx et court-circuit I ks (figure 4b).
Schématiquement, la photodiode en mode de déclenchement fonctionne comme une sorte de source d'alimentation secondaire, de sorte qu'il est le paramètre déterminant est le rendement de conversion de l'énergie lumineuse en énergie électrique:
Efficacité de e = P / AP p = AU XX I ks / A PF (2,11)
En mode fotoventilnom fonctionne est une classe importante de dispositifs photovoltaïques - panneaux solaires.
Paramètres et caractéristiques des optocoupleurs et des circuits intégrés optoélectroniques
Les paramètres de classification des produits technologiques optocoupleur
Dans la classification des produits de la technologie opto-coupleur est pris en compte deux choses: le type de fonctionnalités photodétecteur et la conception de l'instrument dans son ensemble.
Sélectionnez le premier caractère de la classification en raison du fait que presque tous les optocoupleurs placé à l'entrée de la LED, et la fonctionnalité des caractéristiques de sortie du dispositif sont déterminés par photodétecteur.
En tant que deuxième critère adopté par le concept, qui définit l'optocoupleur usage spécifique.
Dans la Fig. 5. Détermination des paramètres d'impulsion optocoupleurs
L'utilisation de ce principe de conception structurelle et circuit combiné de classification, il est raisonnable de distinguer trois groupes principaux de produits optocoupleur technologie: opto-coupleur (optocoupleurs de base), optoélectronique (PCP), les circuits intégrés, et des types spéciaux d'optocoupleurs. Chacun de ces groupes comprennent un grand nombre de périphériques.
Pour l'optocoupleur plus commune abréviations suivantes sont utilisées: D - diode, T - transistor, R - résistance, V - Thyristor, T 2 - avec un phototransistor composite, DT - diode-transistor, 2A (2T) - diode (transistor) différentielle.
Les paramètres du système d'optocoupleur produits technologie est basée sur les paramètres du système d'optocoupleurs, qui est formé de quatre groupes de paramètres et des modes.
Le premier groupe décrit le circuit d'entrée de l'optocoupleur (paramètres d'entrée), le deuxième - son circuit de sortie (paramètres de sortie), le troisième - combine les paramètres caractérisant l'impact du radiateur sur les caractéristiques photodétecteur et associés du signal à travers optocoupleur comme un élément d'accouplement (les paramètres de la fonction de transfert) Enfin, le quatrième groupe comprend les paramètres de l'isolation galvanique, les valeurs de qui montrent comment les solutions proches de opto-coupleur élément idéal. Parmi ces quatre groupes de déterminants, en particulier «optocoupleur» sont les paramètres des caractéristiques de transfert et les paramètres de l'isolation électrique.
Le paramètre le plus important d'optocoupleurs diode et transistor est le coefficient de transfert de courant. Détermination des paramètres d'impulsion est clairement l'optocoupleur (fig. 5). Niveaux d'échantillonnage lors de la mesure de drogue t (CN), t, respectivement, et t (off) est généralement représenté par des niveaux de 0,1 et 0,9, un délai à temps plein la logique du signal est déterminé par le niveau de 0,5 de l'amplitude d'impulsion.
Les paramètres d'isolation galvanique. Optocoupleurs sont: la tension de crête maximale entre l'entrée et de sortie U & D n max; tension maximale admissible entre entrée et sortie U & D max, la résistance galvanique de la R & D, C & D checkpoint capacité, le taux maximum admissible de changement de tension entre l'entrée à la sortie (dU & D / dt) max. Le paramètre le plus important est le U & D n max. C'est lui qui détermine la rigidité diélectrique et sa capacité à opto-coupleur comme un élément d'isolement galvanique.
Les paramètres ci-dessus sont entièrement opto-coupleurs ou avec quelques modifications est utilisé pour décrire les circuits optoélectroniques intégrés.
Diode Optocoupleur
Dans la Fig. 6. Symboles des optocoupleurs
Optocoupleur diodes (Fig. 6a) pour une plus grande mesure que tout autre: d'autres appareils, de caractériser le niveau de la technologie opto. L'ampleur de K i peut juger de l'efficacité de conversion de puissance obtenus dans le optocoupleurs et les valeurs des paramètres de timing de nous permettre de déterminer la vitesse limite de diffusion de l'information. Connexion à la diode optocoupleurs certains éléments d'amplification, très utile et pratique, ne peut cependant pas donner à tout gain en puissance, ni sur les fréquences marginales.
Transistor et triac optocoupleur
OPTOCOUPLEUR (fig. 6, c) un certain nombre de leurs propriétés se distinguent des autres types d'optocoupleurs. Ceci est principalement de la flexibilité du circuit, qui se manifeste dans le fait que le collecteur de courant peut être contrôlé par les LED du circuit (optiquement), et sur le circuit de base (électricité), ainsi que le fait que le circuit de sortie peut être utilisé en mode linéaire et de commutation. Le mécanisme d'amplification interne de valeurs élevées du ratio de transfert de courant K i, de sorte que les étages d'amplification ultérieure ne sont pas toujours nécessaires. Il est important que, dans ce cas l'inertie de l'optocoupleur n'est pas très élevé et dans de nombreux cas est tout à fait acceptable. Les courants de sortie des phototransistors sont significativement plus élevés que, par exemple, les photodiodes, ce qui les rend appropriés pour une large gamme de circuits de commutation. Enfin, il convient de noter que tout ceci est réalisé avec une relative technologique optocoupleurs transistor simplicité.
Optocoupleur triac (fig. 6, b) sont les plus prometteuses pour la commutation de haute capacité en courant des circuits haute tension: la combinaison de puissance, commutation de la charge et la vitesse sont nettement préférable à T 2 optocoupleurs. Optocoupleurs AOU103 de type destiné à être utilisé comme un des éléments clés dans divers sans contact de circuits électroniques: dans les circuits de contrôle, les amplificateurs de puissance, façonneurs d'impulsions, etc
Résistance optocoupleur
Résistance optocoupleur (fig. 6, D) sont fondamentalement différents de tous les autres types de caractéristiques physiques et constructif optocoupleurs-technologique et à la composition et les valeurs des paramètres.
Le principe de la photorésistance est l'effet de photoconductivité, c'est à dire la variation de résistance d'un semi-conducteur sous l'éclairage.
Optocoupleur différentielle pour un signal analogique
Toutes les préoccupations matérielles ci-dessus du transfert d'informations numériques sur un des circuits séparés galvaniquement. Dans tous les cas, quand a parlé de la linéarité des signaux analogiques, il a été une forme de caractéristiques de sortie de l'optocoupleur. Dans tous les cas, le contrôle sur un émetteur de canal - photodétecteur n'est pas décrit par la dépendance linéaire. Un problème important est la transmission de l'information analogique par le biais d'optocoupleurs, c'est à dire, pour assurer la linéarité de la fonction de transfert d'entrée - sortie [36]. Seulement si il ya un tel optocoupleur directe est possible dissémination de l'information sur les lignes analogiques isolées galvanique des circuits sans le convertir au format numérique (séquence d'impulsions).
Comparaison des propriétés des différents optocoupleur sur les paramètres importants pour la transmission de signaux analogiques conduit à la conclusion que si ce problème peut être résolu, ce n'est que par l'intermédiaire d'une diode optocoupleur, avec une fréquence raisonnable et des caractéristiques de bruit. La complexité du problème réside principalement dans une gamme étroite de la linéarité de la caractéristique de transfert et le degré de linéarité dans les optocoupleurs diode.
Il convient de noter que dans des instruments avec isolation galvanique sont propices à la transmission de signaux analogiques, que les premières étapes, et nous pouvons nous attendre de nouveaux progrès.
Circuits intégrés optoélectroniques et autres dispositifs tels que l'opto-
Puces optoélectroniques sont l'un des plus largement utilisés, le développement et la classe prometteuse technologie opto-produits. Cela est dû à la compatibilité complète électriques et structurelles de puces optoélectroniques avec des frites traditionnelles, ainsi que leur large par rapport à la fonctionnalité de base d'optocoupleurs. Comme avec les puces ordinaires, le plus largement utilisé optoélectroniques commutation puce.
Les types particuliers d'optocoupleurs sont très différentes de optocoupleurs traditionnels et circuits optoélectroniques. Il s'agit, avant tout, avec des optocoupleurs canal optique ouvert. La conception de ces appareils entre la source et le photodétecteur a un vide d'air, de sorte que, le mettant dans ces ou d'autres obstacles mécaniques, vous pouvez contrôler le flux de lumière, et donc la sortie de optocoupleur. Ainsi, les optocoupleurs avec canal optique ouverte agissant comme capteurs optoélectroniques enregistrer la présence (ou absence) d'éléments, l'état de leur surface, la vitesse de déplacement ou de rotation, etc
Champ d'application de l'opto-coupleurs et optroniques circuits
Perspective et l'application de largement indécis opto-technologie. Optocoupleurs circuits et optroniques sont effectivement utilisés pour transférer des informations entre des appareils qui n'ont pas fermé les connexions électriques. Position traditionnellement forte de dispositifs optoélectroniques rester dans la technique d'obtention et de l'affichage des informations. Signification indépendante en ce sens ont capteurs optroniques pour le contrôle de processus et d'objets de nature très différente et le but. Sensiblement progresse fonctionnelle microcircuits opto-orientée mise en œuvre des différentes opérations liées à la conversion, l'accumulation et le stockage des informations. Efficace et utile est de remplacer encombrants, de courte durée et de basse technologie (en termes de micro-électronique), les produits électro-mécaniques (transformateurs, potentiomètres, relais), opto-électronique des instruments et appareils. Suffisamment précis, mais dans de nombreux cas justifiée et utile est l'utilisation de composants optroniques pour des fins énergétiques.
Transfert de l'information
Lorsque vous envoyez des informations optocoupleurs sont utilisés comme éléments de couplage, et n'ont généralement pas une charge indépendante fonctionnelle. Leur application permet une isolation très efficace électriques des appareils de contrôle et de chargement (Fig. 7), agissant dans différentes conditions et les modes électriques. Avec l'introduction des optocoupleurs augmente fortement l'immunité au bruit des voies de communication; pratiquement éliminé "parasites" d'interaction sur les circuits "terre" et de la nutrition. Il est également intéressant de coordination rationnelle et fiable de l'appareil numérique intégré avec un élément de base diversifiée (TTL, ECL, I2L, CMOS et autres).
Dans la Fig. 7. Interconnect isolement galvanique schéma
Matching élément de circuit logique transistor-transistor (TTL) d'un dispositif intégré pour des transistors MOS basé sur optocoupleurs transistor (Fig. 8). Dans une réalisation particulière: E 1 = E 2 = 5, E 3 = 15, R1 = 820 ohms, R 2 = 24 ohms - optocoupleur LED est excitée par un courant (5 mA), suffisante pour la saturation du transistor et du dispositif de contrôle confiant pour TIR transistors.
Dans la Fig. 8. Interface TTL régime et des éléments TIR sur le canal optique
Activement utilisées dans les appareils de communications optiques, et les systèmes téléphoniques. С помощью оптронов технически несложными средствами удается подключать к телефонным линиям микроэлектронные устройства, предназначенные для вызова, индикации, контроля и других целей.
Введение оптических связей в электронную измерительную аппаратуру, кроме полезной во многих отношениях гальванической развязки исследуемого объекта и измерительного прибора, позволяет также резко уменьшить влияние помех, действующих по цепям заземления и питания.
Значительный интерес представляют возможности и опыт использования оптоэлектронных приборов и устройств в биомедицинской аппаратуре. Оптроны позволяют надежно изолировать больного от действия высоких напряжений, имеющихся, например, в электрокардиографических приборах.
Бесконтактное управление мощными, высоковольтными цепями по оптическим каналам весьма удобно и безопасно в сложных технических режимах, характерных для многих устройств и комплексов промышленной электроники. В этой области сильны позиции тиристорных оптронов (рис. 9).
Dans la Fig. 9. Le schéma de la commutation de charge AC
Получение и отображение информации
Оптроны и оптронные микросхемы занимают прочные позиции в бесконтактной дистанционной технике оперативного получения и точного отображения информации о характеристиках и свойствах весьма различных (по природе и назначению) процессов и объектов. Уникальными возможностями в этом плане обладают оптроны с открытыми оптическими каналами. Среди них оптоэлектронные прерыватели, реагирующие на пересечение оптического канала непрозрачными объектами (рис. 10), и отражательные оптроны, у которых воздействие светоизлучателей на фотоприемники всецело связано с отражением излучаемого потока от внешних объектов.
Dans la Fig. 10. Оптоэлектронный датчик
Круг применений оптронов с открытыми оптическими каналами обширен и разнообразен. Уже в 60-е годы оптроны подобного типа эффективно использовались для регистрации предметов и объектов. При такой регистрации, характерной в первую очередь для устройств автоматического контроля и счета объектов, а также для обнаружения и индикации различного рода дефектов и отказов, важно четко определить местонахождение объекта или отразить факт его существования. Функции регистрации оптроны выполняют надежно и оперативно.
Контроль электрических процессов
La puissance du rayonnement généré par la LED, et le niveau du photocourant résultant de circuits linéaires avec des photodétecteurs, est directement proportionnelle à la conductivité du courant électrique de l'émetteur. Ainsi, l'optique (sans contact, à distance) des canaux peuvent être très spécifiques, informations sur les processus dans les circuits électriques, relié électriquement à l'émetteur. Particulièrement efficace est l'utilisation d'émetteurs de lumière optocoupleurs comme transducteurs des changements électriques de haute, des circuits haute tension. Des informations claires sur ces changements est importante pour la protection opérationnelle des sources et des consommateurs de surcharges électriques.
Dans la Fig. 11. Le régulateur de tension avec les optocoupleurs contrôle
Optocoupleurs opérer avec succès dans les régulateurs à haute tension, où ils créent des canaux optiques de rétroactions négatives. Considéré comme le stabilisateur (fig. 11) sont compatibles avec le type d'appareil, et l'élément de régulation est un transistor bipolaire, une diode Zener agit comme une source de référence (de référence) de tension. En comparant élément est une LED.
Si la tension de sortie dans la Fig. 11 augmente, il augmente la conduction du courant et la LED. Phototransistor optocoupleur affecte le transistor, supprimant la possible instabilité de la tension de sortie.
Remplacement des produits électromécaniques
Les solutions techniques complexes destinées à améliorer l'efficacité et la qualité des appareils d'automatisation, de la radio, les télécommunications, l'industrie, l'électronique grand public, appropriée et mesure utile est le remplacement de produits électromécaniques (transformateurs, relais, potentiomètres, rhéostats, interrupteurs, claviers et claviers), plus compact, plus durables, analogues à action rapide. Le rôle prépondérant à cet égard donné à des dispositifs optoélectroniques et des périphériques. Le fait qu'un des avantages très importants techniques des transformateurs et des relais électromagnétiques (isolement électrique des circuits de commande et de charge, confiant dans le fonctionnement à haute puissance, haute tension, haute systèmes actuels) et caractérisée par des optocoupleurs. Cependant, les produits opto-électroniques sont nettement plus élevés que leurs homologues électromagnétiques en termes de fiabilité, des caractéristiques de durabilité, transitoire et la fréquence. Gestion compact et rapide opto-électronique des transformateurs, des commutateurs, des relais de confiance en utilisant une technologie circuit intégré numérique sans moyens spéciaux d'alignement électrique.
Un exemple du remplacement du transformateur d'impulsion est montré dans la Fig. 12.
Dans la Fig. 12. Le schéma du transformateur optoélectroniques
La fonction d'énergie
Au pouvoir optocoupleurs mode sont utilisés comme des sources secondaires de l'EMF et de courant. Optronique l'efficacité des convertisseurs de puissance est faible. Toutefois, la possibilité d'introduire une source supplémentaire de tension ou courant dans tout dispositif de circuit sans connexion galvanique avec la source d'énergie primaire donne au développeur un nouveau degré de liberté, particulièrement utile dans la résolution de problèmes non standards techniques.
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