Optocoupleurs et leur application

introduction

histoire

L'idée de la création et l'utilisation des optocoupleurs se réfère à 1955, lorsque le Loebner EE "réseau de dispositifs optoélectroniques" toute une série d'instruments a été proposé pour les connexions optiques et électriques entre les éléments, ce qui permet pour l'amplification et la transformation spectrale des signaux optiques, pour créer des dispositifs avec bistable - optocoupleurs bistables, la logique du dispositif de stockage et de stockage opto-électroniques, des registres à décalage. Il a été proposé, et le terme "optocoupleur" formé comme une abréviation pour "dispositif optique-électronique".

Décrites dans ce document optocoupleurs, illustrant parfaitement les principes avérés impropres à la mise en œuvre industrielle, sur la base de la base élémentaire imparfaite - de condensateurs inefficaces et inertiels poudre électroluminescents (émetteur) et photorésistances (récepteur). Ils étaient imparfaits, et les caractéristiques de performance les plus importants de dispositifs: à basse température et la stabilité temporelle des paramètres, une résistance insuffisante aux contraintes mécaniques. Par conséquent. au premier optocoupleur il restait seulement une réussite scientifique intéressante ne trouvent pas application dans l'ingénierie.

Seulement au milieu des années 60 des diodes émettrices de lumière semi-conducteurs et de haute performance photodétecteurs de silicium à haute vitesse technologiquement avancés avec p - n-transitions (photodiodes et phototransistors) ont commencé à développer une base élémentaire de la technologie opto moderne. Au début des années 70 la production de optocoupleurs dans les principaux pays du monde est devenu une industrie importante et en croissance rapide de la technologie électronique, compléter avec succès la microélectronique traditionnelle.

définitions clés

Optocoupleurs appelés tels dispositifs optoélectroniques, qui sont la source et le détecteur de rayonnement (un émetteur de lumière et un détecteur de lumière) avec un ou un autre type de connexion optique et électrique entre eux structurellement associés les uns aux autres.

Le principe de fonctionnement de tout type de coupleurs optiques basés sur ce qui suit. L'énergie de l'émetteur du signal électrique est convertie en lumière dans le photodétecteur, au contraire, le signal lumineux est une réponse électrique.

Presque généralisée seulement optocoupleurs, qui ont une connexion optique directe à partir de la source vers le photodétecteur et, en règle générale, exclus tous les types de communication électrique entre ces éléments.

Selon le degré de complexité du schéma de principe comprenant des produits opto-technologiques des deux groupes de dispositifs. Optocoupleur (dites aussi "optocoupleur élémentaire") est un dispositif semi-conducteur optoélectronique comprenant d'émission et de réception de lumière des éléments, entre lesquels il existe une liaison optique qui fournit une isolation électrique entre l'entrée et la sortie. La puce de circuit intégré opto-électronique se compose d'un ou de plusieurs optocoupleurs et connecté électriquement à celui-ci un ou plusieurs dispositifs d'adaptation ou d'amplification.

Ainsi, dans le dispositif de circuit électronique exécute la fonction d'un élément d'accouplement, dans lequel à la fois réalisée électrique (galvanique) l'isolement de l'entrée et la sortie.

Caractéristiques optocoupleurs

Les avantages de ces dispositifs sont basés sur le principe général de l'utilisation de photons électriquement neutres optoélectroniques pour transporter des informations. Les principales sont les suivantes:

• la capacité d'assurer une électrique (galvanique) isolation parfaite entre l'entrée et la sortie; optocoupleurs pour n'existe pas de contraintes physiques ou structurelles majeures pour atteindre une tension et des résistances d'isolement arbitrairement élevées et arbitrairement petite capacité de passage;
• la possibilité de mettre en œuvre un non-contact optique des objets de commande électronique et la diversité et la flexibilité des solutions de conception de circuits de contrôle résultant;
• propagation unidirectionnelle à travers un canal optique de l'information, le manque de réaction rétroaction du récepteur à un émetteur;
• large bande de fréquences de l'optocoupleur, il n'y a aucune limite à la basse fréquence (ce qui est caractéristique du transformateur d'impulsions); possibilité de circuit d'émission photocoupleur comme un signal d'impulsion, et la composante de courant continu;
• possibilité de commander la sortie de l'optocoupleur par exposition (y compris non électrique) à un matériau de canal optique, et par conséquent la capacité de créer une grande variété de capteurs et de dispositifs pour la transmission de diverses informations;
• la possibilité de créer des dispositifs microélectroniques fonctionnels avec photodétecteurs, dont les caractéristiques changer lorsqu'il est éclairé par une loi ensemble complexe;
• Optique des canaux de communication de l'immunité aux champs électromagnétiques, dans le cas des optocoupleurs "longues" (avec un guide d'ondes à fibre optique étendu entre l'émetteur et le récepteur) détermine la sécurité contre les fuites d'information et de bruit, et élimine les interférences mutuelles;
• compatibilité physique et structurelle et technologique avec d'autres semi-conducteurs et des dispositifs microélectroniques.

Optocoupleurs et certains inconvénients inhérents:

• consommation d'énergie considérable, en raison de la nécessité de double conversion d'énergie (électricité - la lumière - électricité) et la faible efficacité de ces transitions;
• les paramètres et les caractéristiques d'hypersensibilité à une température élevée et le rayonnement ionisant nucléaire;
• dégradation (détérioration) des paramètres de temps plus ou moins marquée;
• niveau relativement élevé de bruit, en raison, comme les deux inconvénients précédents, en particulier la physique LED;
• la complexité de la mise en oeuvre des réactions provoquées par la déconnexion électrique des circuits d'entrée et de sortie;
• insuffisances structurelles et technologiques associés à l'utilisation de la technologie hybride non plane (avec la nécessité d'unir en un seul instrument un certain nombre - les cristaux individuels des différents semi-conducteurs, sont situés dans des plans différents).

Ces optocoupleurs inconvénients que l'amélioration des matériaux, la technologie, la conception de circuits est partiellement éliminés, mais, néanmoins, pendant une longue période sera suffisamment fondamentale. Cependant, leur dignité si élevé que fournir des optocoupleurs confiants non concurrentiels entre autres dispositifs microélectroniques.

Généralisée schéma de principe

Que l'élément de couplage est caractérisé par un transfert optocoupleur coefficient K _i, défini par le rapport entre les signaux d'entrée et de sortie et le débit binaire maximal F. En pratique , au lieu de F mesuré par la durée de la montée et la chute de transmettre des impulsions t _{nar (cn)} ou la fréquence de coupure. Caractéristiques de l'optocoupleur comme un élément d'isolement galvanique , caractérisé par l' isolement et la tension d'impédance maximale _isolateur U et R _{pour développer} et transmettre capacité C _isolateur.

Dans le schéma de la Fig. 1 dispositif d'entrée est utilisé pour optimiser le mode de l'émetteur d'exploitation (par exemple, le biais de LED sur la partie linéaire des caractéristiques courant faible) et de conversion (gain) du signal externe. Le bloc d'entrée doit avoir un rendement de conversion élevé, une réponse rapide, une large gamme dynamique des courants d'entrée admissibles (pour les systèmes linéaires), faible valeur «seuil» du courant d'entrée à laquelle assure une transmission fiable des informations le long de la chaîne.

Figure 1. Généralisée schéma de principe de l'optocoupleur

Affectation du milieu optique - le signal optique de transmission d'énergie entre l'émetteur et le photodétecteur et, dans de nombreux cas, assurant l'intégrité mécanique de la structure.

La possibilité théorique de contrôler les propriétés optiques du milieu, par exemple, par l'utilisation des effets électro-optiques ou magnéto-optiques, réfléchis par l'introduction d'un circuit de dispositif de commande, dans ce cas, nous disposons d'un coupleur optique avec un canal optique commandé fonctionnellement différent du coupleur optique "normal": le changement de sortie peut être effectuée par l'entrée et dans le circuit de commande.

Le photodétecteur est une "restauration" du signal d'information de l'optique à électrique; ont donc tendance à avoir une grande sensibilité et une grande vitesse.

Enfin, le dispositif de sortie est conçu pour convertir le signal du détecteur dans un formulaire standard approprié pour les effets sur les étapes ultérieures de l'optocoupleur. Presque fonction obligatoire du dispositif de sortie est un gain de signal que la perte après une double conversion est très importante. Souvent renforcer la fonction du photodétecteur lui-même (par exemple un phototransistor).

Common schéma de la Fig. 1 est réalisé dans chaque partie de l'appareil ne bloque. Conformément à cela, il y a trois groupes principaux dispositifs d'équipement optronique; précédemment appelé optocoupleur (des optocoupleurs élémentaires), en utilisant un des blocs d'émetteur de lumière - support optique - détecteur de lumière; Optoélectronique (opto) puce (avec l'ajout des optocoupleurs de sortie, et parfois le dispositif d'entrée); types spéciaux de optocoupleur - Appareils, fonctionnellement et structurellement sensiblement différents de optocoupleurs IC élémentaires et optoélectroniques.

optocoupleur réel peut être organisé et plus complexe que le schéma de la Fig. 1; chacun de ces blocs peuvent comprendre non pas un, mais plusieurs de la même ou similaire les uns aux autres éléments connectés électriquement et optiquement, mais cela ne change pas les fondements essentiels de la physique et de l'électronique optocoupleur.

application

Comme les éléments des optocoupleurs d'isolement galvanique sont utilisés: pour les unités de matériel de communication, entre lesquels il existe une différence de potentiel significatif; pour la protection des circuits d'entrée des dispositifs de mesure contre les interférences et de la diaphonie, etc.

Un autre domaine important de optocoupleurs d'application - optique, contrôle de haute intensité et des circuits de haute tension sans contact. Démarrage thyristors de puissance, thyristors, triac, contrôle le relais électromécanique.

Un groupe spécifique des gouverneurs OPTOCOUPLEURS jusqu'à optocoupleurs de résistance sont conçus pour des circuits de commutation à basse tension dans les dispositifs d'affichage visuels complexes formés sur électroluminescent (poudre) indicateurs imitent les écrans.

Création d'un optocoupleurs "long" (appareils avec un guide étendu de fibres optiques flexibles lumière) a ouvert un tout nouveau domaine des produits d'application de la technologie opto - communication sur de courtes distances.

Divers coupleurs optiques (diodes, résistances, transistors) sont utilisés dans des systèmes de radio purement de modulation, commande automatique de gain et autres. L'impact sur le canal optique est utilisé ici pour le circuit de sortie dans le meilleur mode opératoire pour le réglage du mode sans contact, et ainsi de suite. N.

La possibilité de modifier les propriétés du canal optique sous diverses influences externes sur elle vous permet de créer une série de capteurs optoélectroniques sont des capteurs d'humidité et de la concentration de gaz, la présence du capteur dans le volume d'une pureté de traitement de surface du capteur de fluide de l'objet, sa vitesse, et ainsi de suite ..

Qu'il suffise est d'utiliser des optocoupleurs particuliers à des fins énergétiques, à savoir. E. Les travaux de la diode en mode optocoupleur fotoventilnom. Dans ce mode, la photodiode génère une puissance électrique à la charge et l'optocoupleur à un degré similaire à une source de courant secondaire à faible puissance est totalement isolé du circuit primaire.

Création d'optocoupleurs avec photorésistances, dont les propriétés changent lorsqu'il est éclairé à une loi complexe donné, permet de modéliser des fonctions mathématiques est une étape vers la mise en place de l'optoélectronique fonctionnelle.

optocoupleurs Polyvalence comme éléments d'isolation galvanique et de contrôle sans contact, la diversité et le caractère unique des nombreuses autres fonctionnalités sont la raison pour laquelle l'application de ces instruments sont devenus la technologie informatique, l'automatisation, des télécommunications et de l'équipement électronique, les systèmes de contrôle automatisés, appareils de mesure, les systèmes de contrôle et de régulation, l'électronique médicale , dispositif d'affichage visuel.

Bases physiques de la technologie opto-

unité et optocoupleurs de base Element

Élément de base optocoupleurs font photodétecteurs et des émetteurs, ainsi que le milieu optique entre eux. Tous ces éléments sont présentés à ces exigences générales, telles que la petite taille et de poids, une grande durabilité et la fiabilité, la résistance aux influences mécaniques et climatiques, ouvrabilité, à faible coût. Il est également souhaitable que les éléments ont été suffisamment large et approbation industrielle à long terme.

Fonctionnelle (comme un élément de circuit) optocoupleur se caractérise avant tout par ce type de photodétecteur qui y est utilisé.

L'utilisation réussie du détecteur dans l'optocoupleur est déterminé en effectuant les exigences de base suivantes: l'énergie l'efficacité de conversion des quanta de rayonnement dans l'énergie en mouvement électrique; la disponibilité et l'efficacité du gain intégré interne; haute vitesse; fonctionnalité Latitude.

Les optocoupleurs sont utilisés photodétecteurs de structures différentes qui sont sensibles dans la région visible et proche infrarouge, étant donné qu'il se trouve dans cette région du spectre, il existe des sources et des photodétecteurs de rayonnement intenses peuvent fonctionner sans refroidissement.

Le plus polyvalent est photodétecteurs avec p - n-transitions (diodes, transistors, etc., etc..), Dans la plupart des cas, ils sont produits sur la base de silicium et la région de la sensibilité spectrale maximale est proche de l = 0,7 ... 0,9 m .

De nombreuses demandes sont faites aux émetteurs des optocoupleurs. Les principaux sont: correspondance spectrale avec le photodétecteur sélectionné; conversion d'énergie à haut rendement de courant électrique en énergie de rayonnement; direction d'émission préférentielle; haute vitesse; la simplicité et la facilité d'excitation et d'émission de modulation.

Pour utiliser optocoupleurs sont adaptés et accessibles radiateurs sont plusieurs variétés:

• ampoules à incandescence miniatures.
• ampoules au néon, qui utilisent un mélange de gaz de décharge luminescente électrique du néon, l' argon.
  Ces types de radiateurs caractérisés par la production de lumière faible, faible résistance au stress mécanique, durabilité limitée, de grande taille, l'incompatibilité avec la technologie intégrée. Néanmoins, dans certains types de coupleurs optiques, ils peuvent trouver une utilisation.
• Poudre cellule électroluminescente utilise corps lumineux sous forme de grains fins cristaux de sulfure de zinc (activé avec du cuivre, du manganèse ou d' autres additifs), en suspension dans le diélectrique polymérisé. Lors de l'application de la tension alternative suffisamment élevée est dans la luminescence processus de predprobojnoj.
• Thin cellule film électroluminescent. La lueur est due à l'excitation des atomes de manganèse électrons "chauds".

Et les cellules en poudre et le film électroluminescents ont une faible efficacité de conversion de l'énergie électrique en lumière, faible durabilité (en particulier - film mince), sont difficiles à contrôler (par exemple, le meilleur mode pour luminophores en poudre ~ 220 V à f = 400 ... 800Hz). Le principal avantage de ces émetteurs - compatibilité constructive technologique avec photorésistances, la possibilité de créer sur cette base, multi-fonction, multi-éléments structures optoélectroniques.

Le principal type le plus universel de l'émetteur utilisé dans optocoupleurs est une diode électroluminescente injection de semi-conducteurs - LED. Cela est dû à ses avantages suivants: une valeur élevée de rendement de conversion de l'énergie électrique en optique; spectre d'émission étroit (kvazimonohromatichnost); Latitude gamme spectrale couvrant une variété de LED; direction du rayonnement; haute vitesse; les petites valeurs de tensions d'alimentation et les courants; Compatibilité avec les transistors et les circuits intégrés; la simplicité de la modulation de la puissance de rayonnement en faisant varier le courant continu; capacité de travailler aussi bien en fonctionnement pulsé et continu; linéarité de la caractéristique courant-lumière dans une plage plus ou moins large de courants d'entrée; haute fiabilité et la durabilité; de petite taille; compatibilité technologique avec des produits microélectroniques.

Exigences générales pour l' immersion optique d' optocoupleur, ce qui suit: la valeur élevée de l'indice de réfraction n _eux; haute valeur de résistivité r _eux; Haute critique intensité du champ E _{cr leur} résistance à la chaleur suffisante Dq _{leur servante;} une bonne adhérence au silicium et de l'arséniure de gallium cristaux; flexibilité (cela est nécessaire, car il ne peut pas assurer l'harmonisation des éléments de l'optocoupleur pour les coefficients de dilatation thermique); résistance mécanique, comme dans le milieu d'immersion optocoupleur effectue non seulement transmettant la lumière, mais aussi des fonctions structurelles; fabricabilité (facilité d'utilisation, les propriétés de reproductibilité, faible coût et ainsi de suite. n.).

Le principal type de milieu d'immersion utilisé dans optocoupleurs sont des adhésifs optiques polymères. Pour eux, _ils sont généralement n = 1,4 ... 1,6, r _il 10> ¹² ... ^Octobre 14 ohm cm, _leur E _cr = 80 kV / mm, DQ _{les asservissent} = - 60 ... 120 C. les adhésifs présentent une bonne adhérence sur le silicium et l'arséniure de gallium, combinent une résistance mécanique élevée et une résistance au cyclage thermique. Également utilisé les médias non-hydraulique vazelinopodobnye caoutchouteux et optiques.

La physique de la transformation de l' énergie dans les optocoupleurs de diodes

Examen des processus de conversion d'énergie dans l'optocoupleur doit tenir compte de la nature quantique de la lumière. Il est connu que le rayonnement électromagnétique peut être représenté sous la forme d'un flux de particules - quanta (photons), l'énergie. dont chacun est défini par:

_F E = hn = hc / n l ( 2.1)

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

Si les photons densité de flux (.. Ie nombre de photons traversant une unité de surface par unité de temps) est égale à N _f, la capacité totale d'émission spécifique de:

P _f = _f N * E _p (2.2)

et, comme on peut le voir à partir de (2,1), pour un _Nf donné est le plus grand, plus la longueur d' onde du rayonnement. Etant donné que dans la pratique est donnée P _f (énergie irradiance photodétecteur), il est utile de la relation suivante

N _f = _f P / E = _£ 5 * ¹⁵ Octobre l P _f (2.3)

où N _p, cm ^-2 s ^-1; l, m; P _f, mW / cm.

Fig. 2. L'énergie diagramme directe de la bande semi-conducteur (par exemple, des composés ternaires GaAsP)

Le mécanisme de luminescence d'injection dans la LED se compose de trois procédés principaux: émissivité (et non radiatives) recombinaison des semi-conducteurs, l'injection des porteurs minoritaires en excès dans la base de la DEL et la sortie de la génération d'un rayonnement.

La recombinaison des porteurs de charges dans un semiconducteur est déterminée avant tout son diagramme de bande, la présence et la nature des impuretés et des défauts, le degré de perturbation de l'état d'équilibre. Matériaux de base optocoupleur émetteur (de GaAs et des composés ternaires sur cette base GaA1As et GaAsP) sont des semi-conducteurs directe gap, à savoir, à ceux dans lesquels la bande transitions optiques directe à bande (Fig. 2) sont autorisés. Chaque acte de recombinaison dans ce support de charge de système est accompagné par émission d'un photon avec une longueur d'onde conformément à la loi de conservation de l'énergie est donnée par:

l _rad [mm] = 1,23 / E _p [eB] (2.4)

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

1. Recombinaisons dans les centres profonds. L'électron peut se déplacer dans la bande de valence est pas directement, mais par certains centres de recombinaison, qui forme autorisée niveaux d'énergie dans la zone interdite (niveau _E t dans la figure 2).
2. recombinaison Auger (ou de choc). A des concentrations très élevées de porteurs de charge libres dans un semi-conducteur augmente la probabilité de collision des trois corps, l'énergie des paires électron-trou recombineur en même temps est donnée à un tiers des porteurs libres sous la forme d'énergie cinétique qui se dissipe progressivement en cas de collision avec le treillis.

Fig. 3. électrique (a) et optique (b) Modèle DEL. A - partie optiquement "transparent" du cristal; B - la partie active du cristal; C - partie "opaque" du cristal; D - contacts ohmiques; E - la région de charge d'espace

L'importance relative des différents mécanismes de recombinaison décrits en introduisant la notion de rendement quantique interne de rayonnement _h int, déterminé par le rapport de la probabilité de recombinaison radiative au total (radiatif et non radiative) probabilité de recombinaison (ou, sinon, le rapport entre le nombre de photons générés au nombre de injecté pendant la même période , des porteurs de charge minoritaires). La valeur _h int est la caractéristique la plus importante du matériau utilisé dans la LED; évident que 0 _h int 100%.

Création d'une concentration excessive des porteurs de charge libres dans la zone active (électroluminescente) de la puce LED est effectuée par injection de p-n-jonction polarisée dans la direction avant.

«Utilité» de la composante de courant qui supporte la recombinaison radiative dans la zone active de la diode est le courant d'électrons _I n (Fig. 3a), le p-n-jonction injectée. Par composantes de courant continu "futiles" comprennent:

1. Trou composant _I p, due à l' injection de trous dans le n-région et qui reflète le fait que le p - n côtés existent pas de transitions d'injection, la proportion courante du moins fortement dopée que la région n par rapport à la région p.
2. courant de recombinaison (non-radiative) dans le domaine de la charge d'espace p - n-go I _rivières. Dans les semi-conducteurs avec un écart important de bande à petite polarisation directe part actuelle de ce qui peut être perceptible.
3. Le courant tunnel I _Tun, en raison de la «fuite» des porteurs de charge à travers la barrière de potentiel. Le courant porte les principaux transporteurs et la contribution à la recombinaison radiative ne le fait pas. Le courant tunnel est supérieure a p - n-transition, il a noté avec un fort degré de dopage de la région de base et à haute polarisation directe.
4. Les fuites _de courant _enduits superficiels , je fis des propriétés différentielles de la surface semi - conductrice du volume des propriétés et de la présence de certaines inclusions de court - circuitage.

L'efficacité de p - n transition caractérisée par le coefficient d'injection:

(2.5)

Il est évident que les limites des éventuelles modifications de g la même que celle de _h int, t. 0 E. g 100%.

Lorsque découlant de la génération de rayonnement ont les types de situation de perte d'énergie suivantes (Figure 3b.):

1. Les pertes sur l'auto-absorption (1 rayons). Si la longueur d'onde des photons générés correspond exactement à la formule (2.4), elle coïncide avec la "bordure rouge" absorption (cm. Ci-dessous), et un tel rayonnement est absorbé rapidement dans l'épaisseur du semi-conducteur (auto-absorption). En fait, le rayonnement vient en direct gap semi-conducteurs ne sont pas idéales pour ce qui précède, le régime. Par conséquent, la longueur d'onde des photons générés est légèrement plus grand que (2/4):
2. Les pertes sur la réflexion interne totale (2 faisceaux). Il est connu que l'incidence des rayons lumineux sur l'interface milieu optiquement dense (semi-conducteur) avec une optiquement moins dense (air) pour une partie de ces rayons, la condition de réflexion interne totale de ces rayons qui sont reflétées dans le cristal, en définitive, perdue en raison de l'auto-absorption.
3. Pertes et rayonnement inverse mécanique (faisceau 3 et 4).

Quantitativement, l'efficacité de la production d'énergie optique du cristal est caractérisé par un joint _{en gros} coefficient K a déterminé le rapport de puissance de rayonnement venant dans la bonne direction à la puissance de rayonnement engendré à l' intérieur du cristal. Tout comme pour les coefficients de _h int et g, la condition suivante est toujours 0 Pour _{de gros} 100%.
g. Indicateur DEL intégrée est la valeur d'émissivité du rendement quantique externe _Hext. De ce qui précède , il est clair que _h ext = h int g K _opt.

Nous procédons à l'unité de réception. Le principe de fonctionnement utilisé dans optocoupleurs fotpriemnikov basé sur l'effet photoélectrique interne qui consiste à électrons séparés les atomes dans le corps par l'action du rayonnement électromagnétique (optique).

Les photons de la lumière absorbée par le cristal, les électrons peuvent provoquer la séparation des atomes à la fois des semi-conducteurs et des impuretés. Conformément à ce mot à dire sur leur propre (non allié) et de l'absorption d'impuretés (effet photoélectrique). Etant donné que la concentration en atomes d'impuretés est faible, les effets photo-électriques, basés sur l'absorption intrinsèque est toujours plus importante que sur la base d'une impureté. Tous les matériaux utilisés dans optocoupleurs photodétecteurs sont "travaillent" sur l'effet photoélectrique non allié. Pour les électrons quantiques de lumière sont arrachés de l'atome, vous devez effectuer les relations énergétiques évidentes:

_F1 E = hn _{1 E} c - E v (2.6)

E _p2 = hn _{2 E} c - E t (2,7)

Ainsi, l'effet photoélectrique appropriée peut avoir lieu que lorsqu'il est exposé à un rayonnement avec une longueur d' onde du semi - conducteur, à une certaine valeur _cl:

l _{c= hc / (E c - E} v) _1,23 / E g (2,8)

La seconde équation (2.8) est vérifiée si l _c est exprimé en micromètres, et la largeur de la fente du semi - conducteur _Eg - en électrons - volts. La valeur de _cl est appelée la longueur d'onde limite ou "rouge" de la sensibilité spectrale du matériau.

L'intensité du courant de l'effet photoélectrique (dans la région du spectre où il peut exister) dépend du rendement quantique défini par le rapport du nombre d'générés paires électron-trou pour le nombre de photons absorbés. L'analyse des dépendances expérimentales montre que l'intérêt pour la gamme spectrale de optocoupleurs b = 1.

La formation des porteurs de charge libres sous irradiation se manifeste sous la forme de deux semi-conducteurs dans les effets photovoltaïques: photoconductivité (augmentation de la conductivité de l'échantillon sous illumination) et photovoltaïque (apparition de la photo-fem sur le p - n-croisement ou autre forme de barrière de potentiel dans un semi-conducteur lorsqu'il est éclairé). Ces deux effets sont utilisés dans la pratique de la construction de photodétecteurs; optocoupleurs pour le préféré et dominant est l'utilisation de l'effet photo-EMF.

Les paramètres de base et les caractéristiques des photodétecteurs (quelle que soit la nature physique et la construction de ces dispositifs) peuvent être divisés en plusieurs groupes pour les caractéristiques optiques incluent la surface du matériau photosensible, la taille et la configuration de la fenêtre optique; les niveaux de puissance d'émission maximale et minimale. Pour l'élément électro-optique - photosensibilité, le degré de distribution de la sensibilité place l'uniformité du photodétecteur; la sensibilité spectrale de la masse volumique (paramètre dépendant de caractériser la sensibilité de la longueur d'onde); bruit propre du photodétecteur, et leur dépendance à l'égard du niveau d'exposition et la gamme de fréquences de fonctionnement; temps de résolution (vitesse); rapport qualité (ratio combiné, qui permet de comparer les différents photodétecteurs uns avec les autres); Indice de linéarité; plage dynamique. En tant qu'élément du photodétecteur de circuit est caractérisé, avant tout, les paramètres du circuit équivalent, les exigences pour les conditions de fonctionnement, la présence (ou l'absence) du mécanisme d'amplification intégré, le type et la forme du signal de sortie. Autres caractéristiques: performance, nadezhnostnogo, dans l'ensemble, la technologie - rien de spécifiquement "photodétecteur" ne contient pas.

Selon la nature du signal de sortie (tension, courant) parler de la tension ou la photosensibilité actuelle du récepteur S, mesurée respectivement en B / W ou A / W. Linéarité (ou linéarité) du photodétecteur est déterminée par la valeur de l'exposant n dans l'équation reliant la sortie à l'entrée U _O (ou I _out) ~ P _f. N 1 est photodétecteur linéaire; plage de valeurs de P _f (de P à P _{ff min max),} dans laquelle il est exécuté, détermine la plage dynamique de la linéarité du photodétecteur D, habituellement exprimé en décibels: D = 10 lg (P _fmax / P _min).

Le paramètre le plus important photodétecteur détermine son seuil de sensibilité est détectivité spécifique D, mesurée en W m ^-1 Hz ^1/2. Si une valeur de seuil connue D (minimum de verrouillage de puissance de sortie) est définie comme

P _f = _min / D (2.9)

où A - la surface de la zone photosensible; D F- fotosignalov exploitation gamme de fréquences de l'amplificateur. En d'autres termes, le paramètre D joue un facteur de qualité du rôle du photodétecteur.

Fig. 4. Diagrammes de mesure et la famille des caractéristiques courant-tension dans la photodiode (a) et (b) fotoventilnom modes de diodes

Lorsqu'il est appliqué à l'optocoupleur est pas toutes ces caractéristiques sont tout aussi importants. En règle générale, les photodétecteurs à optocoupleurs fonctionnent sous irradiation, est très loin du seuil, donc en utilisant des paramètres P _{f min} et D est pratiquement inutile. Structurellement, le détecteur de lumière dans le optocoupleur habituellement, «noyé» dans l'immersion. Mercredi, le reliant au radiateur, de sorte que la connaissance des caractéristiques optiques de la zone de saisie perd son sens (en règle générale, surtout pas de fenêtre). Pas très important de connaître la sensibilité et la distribution de la zone photosensible, à titre d'intérêt sont des effets intégrés.

Le mécanisme des photodétecteurs basés sur l'effet photovoltaïque, considérez l'exemple d'une photodiode plane avec épitaxiale p-n-jonction et une p-in-structure, qui peut être isolée ⁿ + - substrat de base n ou de type i (n conductivité faible de type n) et un p mince ⁺ couche iL . Lorsque l'on travaille dans le régime de photodiodes (figure 4a). Tension appliquée de l'extérieur amène les électrons et les trous se déplacent à l'écart de la p - n (p - i) de jonction; avec une image de la distribution du champ dans le cristal est radicalement différente pour les deux structures.

La lumière étant absorbée dans la région de base de diodes génère des paires électrons-trous, qui diffusent vers la p - n-jonction, les séparent et provoquent l'apparition d'un courant supplémentaire dans le circuit externe. Le p - i - n-diodes, cette séparation se produit dans la diffusion de i-o6lasti et détient la dérive des porteurs de charge sous l'influence d'un champ électrique à la place. Chaque générer paire électron-trou, traversé le p - n-jonction, ce qui provoque le passage du circuit externe de la charge égale à la charge d'un électron. Plus grande est l'irradiance de la diode, le plus photocourant. Les flux de photocourant et la diode de polarisation dans la direction vers l'avant (Fig. 4a), mais il est beaucoup plus petit que le courant continu, même à basse tension, de sorte que sa séparation est difficile.

la zone de travail des caractéristiques courant-tension de la photodiode est un quadrant III de la Fig. 4a; en conséquence de la sensibilité actuelle sert de paramètre critique

(2.10)

La seconde équation (2.10) est obtenue en supposant une variation linéaire de I _f = f (P _t), et le troisième - à condition de négliger le courant d' obscurité _(I T << I _F), pour des photodiodes au silicium est généralement effectuée.

Si vous couvrez la photodiode sans annexes polarisation externe, le processus de division des électrons et des trous générés se produire en raison de l'action de son propre champ intégré p - n-go. Ce trou coulera dans le p-région et compenser en partie le champ p intégré - n-go. Il crée un nouvel équilibre (pour une valeur donnée: P _f) une condition dans laquelle les résultats de la diode externe se produit photo-fem U _f. Si vous fermez la photodiode illuminée sur une charge, il donnera utile puissance électrique P _e.

Les points caractéristiques des caractéristiques courant-tension de la diode fonctionnant dans cette - fotoventilnom - Mode, sont EMF Uxx ralenti et courant de court-circuit _ks I (figure 4b.).

Schématiquement, la photodiode dans la valve fonctionne comme une sorte de source d'énergie secondaire, il est donc un paramètre déterminant est l'efficacité de la conversion de l'énergie lumineuse en énergie électrique:

Efficacité = P _e / AP _f= aU xx I _ks / A _pf (2.11)

Dans le mode fotoventilnom agit une classe importante de dispositifs photovoltaïques - panneaux solaires.

Les paramètres et les caractéristiques des optocoupleurs et des circuits intégrés optoélectroniques

La classification des paramètres produits opto-technologie

Dans la classification des produits équipements optroniques est pris en compte deux choses: le type de photodétecteurs et les caractéristiques de conception du dispositif dans son ensemble.

Le choix de la première fonction de classification en raison du fait que la quasi-totalité des coupleurs optiques à la diode d'entrée est placé, et la fonctionnalité du dispositif détermine les caractéristiques de sortie du photodétecteur.

Comme une deuxième caractéristique fait le concept de design, qui détermine l'utilisation spécifique de l'optocoupleur.

Fig. 5. Détermination des impulsions paramètres optocoupleurs

En utilisant ce principe de conception structurelle et circuit mixte de classification, il est logique d'identifier trois principaux groupes de produits d'équipement optronique: Optocoupleurs (optocoupleurs élémentaires), optoélectroniques (opto) des circuits intégrés et des types spéciaux de optocoupleurs. Pour chacun de ces groupes comprennent un grand nombre de types d'appareils.

Pour les optocoupleurs plus courantes abréviations suivantes sont utilisées: D - diode, T - Transistor, la R - résistance, V - thyristor T ² - un phototransistor composite, DT - diode-transistor, 2D (2T) - diode (transistor) différentielles.

paramètres de fabrication système de l'art opto est basé sur les paramètres du système optocoupleurs, qui est formé à partir de quatre groupes de paramètres et des modes.

Le premier groupe caractérise la chaîne entrée optocoupleur (entrées), et le second - son circuit de sortie (paramètres de sortie), le troisième - combine des paramètres décrivant l'impact du radiateur sur le photodétecteur et les caractéristiques associées du signal à travers l'optocoupleur en tant que (fonction de transfert de paramètres) de l'élément de communication enfin, le quatrième groupe comprend des options d'isolation galvanique, dont les valeurs montrent à quel point l'isolement élément optocoupleur idéal. Parmi ces quatre groupes en définissant spécifiquement "optocouplées" sont les paramètres des caractéristiques de transfert et les paramètres de l'isolation électrique.

Le paramètre le plus important de la diode et transistor optocoupleurs est un rapport de transfert de courant. Détermination des impulsions paramètres optocoupleurs claires de (Fig. 5). Les niveaux de référence pour la mesure des paramètres t _{nar (cn),arrière} t et t _{ON (OFF)} servent habituellement les niveaux de 0,1 et 0,9, à temps plein retard de signal logique est déterminé par le niveau de 0,5 amplitude d' impulsion.

Les paramètres d'isolation galvanique. Optocoupleurs sont la tension de crête maximale entre l' entrée et la sortie _isolateur U _{p max;} tension maximale entre l' entrée et la sortie _isolateur U _max; la résistance R de l' _isolateur galvanique _d'isolement; communiquer capacité C _développé; le taux maximum admissible de variation de tension entre l' entrée à la sortie (dU ^isolateur_/ dt) max. Le paramètre le plus important est _l'isolateur U _{p max.} Il est celui qui détermine la rigidité diélectrique de l'optocoupleur et ses capacités comme un élément d'isolement galvanique.

Les paramètres ci-dessus OPTOCOUPLEURS complètement ou avec quelques modifications et sont utilisés pour décrire les circuits intégrés optoélectroniques.

Optocoupleurs Diode

Fig. 6. Symboles optocoupleurs

diode optocoupleur (figure 6a) fortement que tous. d'autres dispositifs, caractérisé par un équipement de niveau optique. L'ampleur de K _i peut être jugée sur les progrès réalisés dans la conversion de l' efficacité énergétique des optocoupleurs; paramètres de temps vous permettent de définir la vitesse limite de diffusion de l'information. Connexion à la diode optocoupleur ces ou d'autres éléments de renfort, très utile et pratique, ne peut pas encore donner un prix ou de l'énergie, ni les fréquences marginales.

Transistor et thyristors Optocoupleurs

Optocoupleurs Transistor (Fig . 6, c) un certain nombre de ses propriétés se comparent favorablement à d' autres types de optocoupleurs. Ceci est principalement la souplesse de conception de circuit, ce qui se traduit par le fait que le courant de collecteur peut être contrôlé à la fois par les diodes de circuit (optique), et sur le circuit de base (électriquement), et en ce que le circuit de sortie peut fonctionner en mode linéaire et de commutation. Mécanisme d'amplification interne fournit des valeurs élevées du courant coefficient de transmission K _i, de sorte que les étages amplificateurs suivants ne sont pas toujours nécessaires. Il est important que, dans ce cas, l'inertie de l'optocoupleur est pas très élevé et, dans de nombreux cas, est tout à fait acceptable. courants de sortie de Transistors beaucoup plus élevé que, par exemple, des photodiodes, les rendant aptes à une large gamme de circuits de commutation électrique. Enfin, il convient de noter que tout ceci est réalisé avec des optocoupleurs de transistor à une relative facilité technique.

Thyristor optocoupleur (. Figure 6, b) sont les plus prometteurs pour la commutation de circuit haute-courant haute tension: sur une combinaison de puissance, mis à la charge et la vitesse sont nettement préférables ^T2 -optopar. type Optocoupleurs AOU103 destiné à être utilisé en tant qu'éléments d'une proximité de clés dans divers circuits électroniques: circuits de commande, amplificateurs de puissance, shapers d'impulsions, etc ...

Resistor Optocoupleurs

Resistor optocoupleur (Fig. 6, d) sont fondamentalement différents de tous les autres types de optocoupleurs Caractéristiques physiques et constructive technologiques, ainsi que la composition et les valeurs des paramètres.

Le principe de fonctionnement de résine photosensible est basée sur l'effet de la photoconductivité, t. E. Les variations de la résistance d'un semi-conducteur lorsqu'il est éclairé.

optocoupleur différentiel pour transmettre un signal analogique

Toutes les préoccupations matérielles ci-dessus en ce qui concerne le transfert d'informations numériques sur le circuit isolé galvaniquement. Dans tous les cas, quand on parle de la linéarité des signaux analogiques, ils ont parlé une des caractéristiques de sortie optocoupleur. Dans tous les cas, la gestion de l'émetteur de voie - non photodétecteur décrit par une fonction linéaire. Une tâche importante est la transmission de données analogiques en utilisant des opto-coupleurs, à savoir, pour assurer la linéarité des caractéristiques de transfert de l'entrée - sortie [36]. Seulement s'il y a une telle optocoupleur directe devient possible la diffusion d'informations sur les circuits analogiques galvaniquement isolés sans le convertir sous forme numérique (séquence d'impulsions).

La comparaison des propriétés des différents coupleurs optiques sur les paramètres importants du point de vue de la transmission des signaux analogiques conduit à la conclusion que si ce problème et peut être résolu que par la diode optocoupleur ayant de bonnes caractéristiques de fréquence et de bruit. La complexité du problème réside essentiellement dans la gamme étroite de caractéristiques de transfert linéaires et le degré de linéarité de la diode optocoupleur.

Il convient de noter que, dans la création de dispositifs avec isolation galvanique, adapté pour la transmission de signaux analogiques, seules les premières mesures ont été prises, et nous pouvons nous attendre de nouveaux progrès.

puce optoélectronique et d' autres appareils tels que optocoupleur

puces optoélectroniques sont l'un des plus largement utilisé, le développement, la fabrication des cours avancés équipements optroniques. Cela est dû à la compatibilité électrique et structurelle avec des puces classiques puces optoélectroniques, ainsi que plus large que la fonctionnalité optocoupleurs élémentaire. Comme dans le cas des puces ordinaires, le plus largement utilisé commutation puces optoélectroniques.

Les types particuliers de optocoupleurs sont très différents des optocoupleurs traditionnels et des circuits optoélectroniques. Ceux-ci comprennent, d'abord et avant tout, optocoupleurs avec canal optique ouvert. La conception de ces appareils entre l'émetteur et le photodétecteur il existe un entrefer, de sorte que, en le plaçant dans une ou d'une autre obstruction mécanique, il est possible de contrôler le flux lumineux et donc le signal de sortie de l'optocoupleur. Ainsi, le canal optique optocoupleurs ouvert agissant comme capteurs optoélectroniques enregistrement de la présence (ou l'absence) d'objets, leur état de surface, la rotation ou la vitesse de déplacement et la. N. comme

Applications et puce optocoupleur optocoupleur

directions Perspective du développement et de l'application de la technologie opto-est largement indécis. Optocoupleurs et circuits optroniques sont utilisés efficacement pour transférer des informations entre des appareils qui ne disposent pas de connexions électriques fermées. Traditionnellement, les dispositifs optoélectroniques de position forte restent dans la technique d'obtention et d'affichage d'informations. Auto-importance dans cette direction ont des capteurs optroniques pour la surveillance des processus et les installations sont de nature très différente et le but. progresse Sensiblement microcircuits opto fonctionnelle, axée sur la mise en œuvre des différentes opérations liées à la transformation, l'accumulation et le stockage des informations. Un efficace et utile est le remplacement des encombrants, de courte durée et low-tech (du point de vue de la microélectronique) produits électromécaniques (transformateurs, potentiomètres, relais), des dispositifs opto-électronique et de l'équipement. Tout à fait spécifique, mais dans de nombreux cas justifiés et utile est l'utilisation de l'opto-composants pour des fins énergétiques.

transfert d'information

Lors de la transmission de l'information optocoupleurs sont utilisés comme éléments de couplage et, en règle générale, ne sont pas la charge fonctionnelle indépendante. Leur utilisation permet une séparation galvanique très efficace du dispositif de commande et les charges (Fig. 7), fonctionnant en divers modes et des conditions électriques. Avec l'introduction de optocoupleurs augmente considérablement l'immunité de canaux de communication de bruit; pratiquement éliminé l'interaction "parasite" sur les chaînes "de la terre" et de puissance. Également d'intérêt est une coordination rationnelle et fiable des appareils numériques intégrés avec la base hétérogène élément (TTL, ECL, I2L, CMOS et ainsi de suite. N).

Fig. 7. Schéma d'inter-unité isolation galvanique

Elément d'entraînement correspondant transistor à transistor logique (TTL) avec le dispositif intégré à transistors MIS construits sur le transistor optocoupleur (fig. 8). Dans un mode de réalisation particulier: E ₁ = E ₂ = 5 B, E ₃ = 15, R ₁ = 820 ohms, R ₂ = 24 k - LED de l' optocoupleur excité courant (5mA) suffisante pour saturer le transistor et la maîtrise de soi dispositif sur le TIR -tranzistorah.

Fig. 8. Interface de conduite TTL et l'élément TIR le long du canal optique

communication optique est largement utilisé dans les appareils téléphoniques et de systèmes. Utilisation de optocoupleurs techniquement simple les moyens possibles pour être connecté à des lignes téléphoniques dispositifs microélectroniques pour appeler, l'affichage, le contrôle et d'autres fins.

L'introduction de communications optiques dans l'instrumentation électronique, mais utile à bien des égards, l'isolement galvanique de l'objet et le dispositif de mesure peuvent également réduire considérablement l'effet d'interférence agissant sur les circuits de masse et de puissance.

D'un intérêt considérable sont les possibilités et l'expérience dans l'utilisation des appareils et des dispositifs optoélectroniques en matériel biomédical. Photocoupleurs isoler de manière fiable le patient contre les effets des hautes tensions disponibles, par exemple, des appareils électrocardiographiques.

le contrôle de la puissance sans contact, des circuits haute tension pour les canaux optiques est très confortable et sûr dans des conditions techniques difficiles, caractéristique de nombreux dispositifs et systèmes électroniques industriels. Dans cette région, des positions fortes optocoupleur triac (Fig. 9).

Fig. 9. Le circuit de charge de courant alternatif de commutation

Réception et affichage des informations

Optocoupleurs et circuits optroniques occupent une position forte dans la télécommande rapide d'ingénierie sans contact et des informations précises et affichage sur les caractéristiques et les propriétés de très différentes (par nature et destination) les processus et les objets. Une occasion unique à cet égard ont optocoupleurs avec canal optique ouvert. Parmi les disjoncteurs opto-électroniques qui réagissent à une section de canal optique des objets opaques (Fig. 10) et un réflecteur optique dont l'effet sur des émetteurs de lumière des photodétecteurs entièrement dues à la réflexion de flux de rayonnement à partir d'objets extérieurs.

Fig. 10. Le capteur opto-électronique

applications optocoupleurs Circle avec des canaux optiques ouverts est vaste et varié. dans les 60 ans de ce type optocoupleurs Déjà utilisé efficacement pour l'enregistrement des sujets et des objets. Avec cet enregistrement, le premier dispositif caractéristique pour le contrôle automatique et des objets de comptage, ainsi que de détecter et d'afficher différents types de défauts et les échecs, il est important de définir clairement l'emplacement de l'objet, ou pour tenir compte du fait de son existence. fonctions d'enregistrement optocoupleurs fonctionnent en toute sécurité et efficacement.

Le contrôle des processus électriques

La puissance du rayonnement généré par la LED, et le niveau de photocourant résultant en des chaînes linéaires avec des photodétecteurs, sont directement proportionnels au courant d'émetteur de la conductivité électrique. Ainsi, une optique canaux (sans contact, à distance), vous pouvez obtenir un bien défini, des informations sur les processus dans les circuits électriques sont reliées galvaniquement avec un radiateur. optocoupleurs utilisent des émetteurs de lumière est particulièrement efficace comme un capteur de changements électriques dans le courant élevé, des circuits à haute tension. Des informations claires sur ces changements est important pour la protection opérationnelle des sources et consommateurs d'énergie contre les surcharges électriques.

Fig. 11. Le régulateur de tension de commande de l'optocoupleur

Optocoupleurs fonctionnent avec succès dans les régulateurs à haute tension, où ils créent le canal rétroaction négative optique. stabilisant vu (fig. 11) liée à l'appareil de type série, dans lequel l'élément régulateur est un transistor bipolaire, une diode Zener joue le rôle de source de référence (référence), la tension. Elément de comparer est une LED.

Si la tension de sortie du circuit de la Fig. 11 augmente le courant augmente LED et conduction. le transistor phototransistor optocoupleur agit sur la suppression de l'instabilité possible de la tension de sortie.

Le remplacement des produits électromécaniques

Les solutions techniques complexes visant à améliorer les dispositifs d'efficacité et de contrôle de la qualité, de la radio, des télécommunications, de l'industrie et de l'électronique grand public, mesure possible et utile est le remplacement des produits électromécaniques (transformateurs, relais, potentiomètres, des résistances, des claviers et des interrupteurs à clé) plus compacts, durables, analogues à action rapide. Le rôle de premier plan dans ce sens est donné les instruments et les dispositifs optoélectroniques. Le fait est que un des avantages techniques très importants transformateurs et relais électromagnétiques (séparation galvanique des circuits de commande et de la charge, le fonctionnement confiant en haute puissance, haute tension, les systèmes à haute intensité) et caractérisés par des optocoupleurs. Toutefois, les produits optoélectroniques dépassent largement les homologues électromagnétiques en termes de fiabilité, la durabilité et les caractéristiques de fréquence de transition. Gestion compacte et à haute vitesse opto-électroniques transformateurs, interrupteurs, relais de confiance au moyen d'une technologie de circuit intégré numérique sans outils spéciaux adaptation électrique.

Par exemple le remplacement du transformateur d'impulsions représenté sur la Fig. 12.

Fig. 12. Le régime du transformateur optoélectronique

fonction de puissance

Dans le mode d'alimentation, optocoupleurs sont utilisés comme sources secondaires de la FEM et le courant. Optocoupleur efficacité des convertisseurs de puissance est faible. Cependant, la possibilité d'introduire une source supplémentaire de tension ou de courant dans tous les dispositifs de circuit sans connexion galvanique à la source d'alimentation principale donne au développeur un nouveau degré de liberté, est particulièrement utile dans le traitement des problèmes techniques non standard.