Оптроны также их применение

Использование материалов сайта разрешается при условии ссылки (для сайтов - гиперссылки) WARNING! Практическое применение некоторых материалов, помещенных на этом сайте, может быть незаконным. Вся информация подобного рода предназначена исключительно для ознакомительных целей; авторы и распространители не несут ответственности за ее противоправное применение. Материалы взяты из книг, журналов, других источников, куплены в e-магазинах, получены по обмену. Предоставляются "AS IS" ("КАК ЕСТЬ"); проверить работоспособность каждого не представляется возможным. Сайт www.shram.com.ua работает, скорее, как платная поисковая система по интересным материалам. В продаже не имеется материалов, содержащих предупреждения о запрете его распространения (платного или бесплатного). Если Вы заметили нарушение авторского права (продажу материала, на свободное распространение и продажу которого его автор не давал разрешения) - сообщайте, материал будет снят. [БЕСПЛАТНОЕ ЭЛЕКТРИЧЕСТВО] ИНФОРМАЦИЯ ОБНОВЛЕНА 12.02.10 [БЕСПЛАТНЫЙ ГАЗ] Принцип индукционного счетчика   - действие индукционного электросчетчика   - регулировка электросчетчика   - противодействующие моменты   - постоянная счетчика   - контрольная проверка Всё о счётчиках   - действие индукционного электросчетчика   - схемы подключения электросчетчиков   - основные определения Я электрик! (журнал) Электрик (программа) Литература (книги) печатные платы Пайка. Видео урок 1 Пайка. Видео урок 2 Полезное из области энергетики Принцип работы электронного счетчика Сравнительный анализ счетчиков Описание электросчетчиков Описание способов Проверка погрешности электросчетчика Влияние погрешности трансформаторов Структура потерь электроэнергии Схемы подключения счетчиков Электронные карты предоплаты Закон России Подключение нового абонента Выбор сечения проводов и кабелей Автоматические выключатели Устройство защитного отключения Выявление недоучета энергии Несинусоидальность напряжения Широтно-импульсная модуляция ОБМАНУТЬ ГАЗОВЫЙ СЧЕТЧИК Счетчики воды и тепла Как отмотать счетчики газа Как Экономить газ и тепло Газопередающие системы Эксплуатация газовых систем Обмануть счетчик воды Проблемы коммерческих потерь Консультации по энергосбыту Взлом домофонов Взлом метро Как бесплатно звонить с телефона Принцип работы телефонных карточек Чтение прошивки таксофонной карточки Эмулятор таксофонной карточки ATR ответы украинских SIM-карт Интерфейс "Phoenix" Оптроны и их применение Аналоговые ключи и мультиплексоры сигнал LVDS Отладка микроконтроллеров Выбор микроконтроллера Запираемые тиристоры WAVECOM Диоды Стабилитроны и стабисторы Диоды светоизлучающие Openbox X-800/X-820CI Openbox F-500 Openbox F-300 Проверка эмуляторов карточек Интернет через Dreambox Кардшаринг на Дриме Эмулятор и ключи Спутники и координаты Взлом Adsl-модемов §1 Введение §2 Понятие о переменном токе §3 Термины и определения §4 Немного теории, истории §5 Устройство электросчетчика §6 Устройство индукционного счетчика §7 Принципы регулировки и настройки §8 Постоянная счетчика §9 Контрольная поверка счетчиков §10 Схемы подключения счетчиков §11 Теория «трансформатор» §12 Изменением схемы питания §13 Принцип электронных счетчиков §14 Принцип электросчетчика А100 §15 Жизнь и смерть - генератор отмотки §16 Удлинитель §17 Генераторы реактивной мощности §18 Как отмотать или остановить? §19 Принцип действия Расчёт квартплаты Не платить лишние налоги Советы адвоката Бесплатный бензин Cнизить расходы на бензин Высокооктановая присадка Увеличить мощность двигателя Заменитель бензина Остерегайтесь подделок и сайтов клонов перепродающих информацию!

Введение

Летопись

    Идея создания также применения оптронов относится к 1955 г., когда в труду Loebner E. E. "Optoelectronic devices network" была предложена целая серия приборов с оптическими также электрическими связями промеж элементами, что позволяло осуществлять усиление также спектральное преобразование световых сигналов, создавать приборы с парой устойчивыми состояниями - бистабильные оптроны, оптоэлектронные устройства накопления также хранения информации логические схемы, регистры сдвига. Там и был предложен также термин "оптрон", просвещенный как будто сокращение от английского "optical-electronic device".

    Описанные в этой труду оптроны, отлично иллюстрируя принципы, оказались непригодными для промышленной реализации, так как будто основывались на несовершенной элементарной базе - неэффективных также инерционных порошковых электролюминесцентных конденсаторах (излучатель) также фоторезисторах (приемник). Несовершенны были также важнейшие эксплуатационные характеристики приборов: низкотемпературная также временная стабильность параметров, недостаточная устойчивость к механическим воздействиям. Поэтому. на первых порах оптрон оставался лишь только занимательным научным достижением никак не находящим применения в технике.

    Лишь в середине 60-х годов развития полупроводниковых светоизлучающих диодов также технологически совершенных высокоэффективных быстродействующих кремниевых фотоприемников с р - n-переходами (фотодиоды также фототранзисторы) истока создаваться элементарная база современной оптронной техники. К истоку 70-х годов производство оптронов в ведущих странах вселенной превратилось в важную также спешно развивающуюся отрасль электронной техники, успешно дополняющую тдляционную микроэлектронику.

Основные определения

    Оптронами называют такие оптоэлектронные приборы, в которых имеются родник также приемник излучения (светоизлучатель также фотоприемник) с тем либо иным видом оптической также электрической связи промеж ними, конструктивно связанные друг с ином.

    Принцип действия оптронов всякого вида основан на следующем. В излучателе энергия электрического сигнала преобразуется в световую, в фотоприемнике, навыворот, световой сигнал вызывает электрический отклик.

    Практически распространение получили лишь только оптроны, у которых имеется прямая оптическая союз от излучателя к фотоприемнику дополнительно, как будто правило, исключены все виды электрической связи промеж этими элементами.

    По степени сложности структурной схемы среди изделий оптронной техники выделяют две группы приборов. Оптопара (говорят похоже "элементарный оптрон") представляет собой оптоэлектронный полупроводниковый прибор, состоящий из излучающего также фотоприемного элементов, промеж которыми имеется оптическая связь, обеспечивающая электрическую изоляцию промеж входом также выходом. Оптоэлектронная интегральная микросхема представляет собой микросхему, состоящую из одной либо нескольких оптопар также электрически соединенных с ними одного либо нескольких согласующих либо усилительных устройств.

    Таким образом, в электронной цепи такой прибор выполняет функцию элемента связи, в котором в то и пора осуществлена электрическая (гальваническая) развязка входа также выхода.

Отличительные особенности оптронов

    Достоинства этих приборов базируются на общем оптоэлектронном принципе использования электрически нейтральных фотонов для переноса информации. Основные из них следующие:

• возможность обеспечения идеальной электрической (гальванической) развязки между входом также выходом; для оптронов никак не существует каких-либо принципиальных физических либо конструктивных ограничений по достижению сколь угодно высоких напряжений также сопротивлений развязки также сколь угодно малой проходной емкости;
• возможность реализации бесконтактного оптического управления электронными объектами также обусловленные этим разнообразие также гибкость конструкторских решений управляющих цепей;
• однонаправленность распространения информации по оптическому каналу, отсутствие обратной реакции приемника на излучатель;
• широкая частотная полоса пропускания оптрона, неимение ограничения со стороны низких частот (что свойственно импульсным трансформаторам); возможность передачи по оптронной цепи, как будто импульсного сигнала, так также постоянной составляющей;
• возможность управления выходным сигналом оптрона маршрутом воздействия (в том числе также неэлектрического) на материал оптического канала также вытекающая отсюда возможность создания разнообразных датчиков, но похоже разнообразных приборов для передачи информации;
• возможность создания функциональных микроэлектронных устройств с фотоприемниками, характеристики которых при освещении изменяются по сложному заданному закону;
• невосприимчивость оптических каналов связи к воздействию электромагнитных полей, что в случае "длинных" оптронов (с протяженным волоконно-оптическим световодом промеж излучателем также приемником) объясняет их защищенность от помех также утечки информации, но похоже исключает обоюдные наводки ;
• физическая также конструктивно-технологическая совместимость с другими полупроводниковыми также микроэлектронными приборами.

    Оптронам присущи также определенные недостатки:

• значительная потребляемая мощность, объясненная необходимостью двойного преобразования энергии (электричество - свет - электричество) также невысокими КПД этих переходов;
• повышенная чутье параметров также характеристик к воздействию повышенной температуры также проникающей ядерной дляации;
• более либо менее заметная временная деградация (ухудшение) параметров;
• относительно высокий уровень собственных шумов, обусловленный, как будто также пара предыдущих изъяна, особенностями физики светодиодов;
• сложность реализации обратных связей, вызванная электрической разобщенностью входной также выходной цепей;
• конструктивно-технологическое несовершенство, связанное с использованием гибридной непланарной технологии, (с необходимостью объединения в одном приборе нескольких - отдельных кристаллов из различных полупроводников, располагаемых в разных плоскостях).

    Перечисленные недостатки оптронов по мерке совершенствования материалов, технологии, схемотехники частично устраняются, но, тем никак не менее, еще длительное пора будут перемещать достаточно принципиальный нрав. Все же их достоинства столь высоки, что обеспечивают уверенную внеконкурентность оптронов среди других приборов микроэлектроники.

Обобщенная структурная схема

    Как элемент связи оптрон характеризуется коэффициентом передачи К_i , определяемым отношением выходного также входного сигналов, и максимальной скоростью передачи информации F. Практически взамен F измеряют длительности нарастания также спада передаваемых импульсов t_нар(сп) либо граничную частоту. Возможности оптрона как будто элемента гальванической развязки характеризуются максимальным напряжением также сопротивлением развязки U_разв также R_разв также проходной емкостью C_разв.

    В структурной схеме на рис. 1 входное уклад служит для оптимизации рабочего режима излучателя (например, смещения светодиода на линейный участок ватт-амперной характеристики) также преобразования (усиления) внешнего сигнала. Входной блок вынужден обладать высоким КПД преобразования, высоким быстродействием, широким динамическим диапазоном допустимых входных токов (для линейных систем), маленьким значением "порогового" входного тока, при котором обеспечивается надежная передача информации по цепи.

Рис 1. Обобщенная структурная схема оптрона

    Назначение оптической среды - передача энергии оптического сигнала от излучателя к фотоприемнику, но похоже во многих случаях обеспечение механической целостности системе.

    Принципиальная возможность управления оптическими свойствами среды, например, с помощью использования электрооптических либо магнитооптических эффектов, отражена введением в схему устройства управления, В этом случае мы приобретаем оптрон с управляемым оптическим каналом, функционально отличающийся от "обычного" оптрона: изменение выходного сигнала может осуществляться как будто по входу, так также по цепи управления.

    В фотоприемнике проистекает "восстановление" информационного сигнала из оптического в электрический; при этом стремятся владеть высокую чувствительность также высокое быстродействие.

    Наконец, выходное уклад призвано преобразовать сигнал фотоприемника в стандартную форму, удобную для воздействия на последующие за оптроном каскады. Практически обязательной функцией выходного устройства является усиление сигнала, так как будто лишения позже двойного преобразования весьма значительны. Нередко функцию усиления выполняет также самолично фотоприемник (например, фототранзистор).

    Общая структурная схема рис. 1 реализуется в каждом конкретном приборе лишь только частью блоков. В соответствии с этим выделяют три основные группы приборов оптронной техники; ранее названные оптопары (элементарные оптроны), использующие блоки светоизлучатель - оптическая среда - фотоприемник; оптоэлектронные (оптронные) микросхемы (оптопары с прибавлением выходного, но иной раз также входного устройства); специальные виды оптронов - приборы, функционально также конструктивно существенно имеющие отличия от элементарных оптронов и оптоэлектронных ИС.

    Реальный оптрон может существовать устроен также сложнее, чем схема на рис. 1; каждый из указанных блоков может включать в себя никак не один, но несколько одинаковых либо подобных приятель приятелю элементов, связанных электрически также оптически, но это никак не изменяет существенно основ физики также электроники оптрона.

Применение

    В качестве элементов гальванической развязки оптроны применяются: для связи блоков аппаратуры, промеж которыми имеется значительная разность потенциалов; для охраны входных цепей измерительных устройств от помех и наводок также т.д.

    Другая важнейшая округ применения оптронов - оптическое, бесконтактное управление сильноточными также высоковольтными цепями. Запуск мощных тиристоров, триаков, симисторов, управление электромеханическими релейными устройствами.

    Специфическую группу управляющих оптронов составляют резисторные оптроны, предназначенные для слаботочных схем коммутации в сложных устройствах визуального отображения информации, выполненных на электролюминесцентных (порошковых) индикаторах, мнемосхемах, экранах.

    Создание "длинных" оптронов (приборов с протяженным упругим волоконно-оптическим световодом) открыло сполна новое курс применения изделий оптронной техники - союз на коротких расстояниях.

    Различные оптроны (диодные, резисторные, транзисторные) находят применение также в чисто дляотехнических схемах модуляции, автоматической регулировки усиления также др. Воздействие по оптическому каналу используется тут для заключения схемы в оптимальный рабочий режим, для бесконтактной перестройки режима также т. п.

    Возможность изменения свойств оптического канала при различных внешних противодействиях на него позволяет создать целую серию оптронных датчиков: таковы датчики влажности также загазованности, датчика наличия в емкости той либо иной жидкости, датчики чистоты отделки поверхности предмета, скорости его перемещения также т. п.

    Достаточно специфическим является использование оптронов в энергетических целях, т. е. труд диодного оптрона в фотовентильном режиме. В таком режиме фотодиод генерирует электрическую мощность в нагрузку также оптрон вплоть до определенной степени подобен маломощному вторичному роднику питания, полностью развязанному от первичной цепи.

    Создание оптронов с фоторезисторами, свойства которых при освещении меняются по заданному сложному закону, позволяет моделировать математические функции, является шагом на маршрута создания функциональной оптоэлектроники.

    Универсальность оптронов как будто элементов гальванической развязки также бесконтактного управления, разнообразие также уникальность многих других функций являются поводом того, что сферами применения этих приборов стали вычислительная техника, автоматика, связная также дляотехническая аппаратура, автоматизированные системы управления, измерительная техника, системы контроля также регулирования, медицинская электроника, устройства визуального отображения информации.

Физические основы оптронной техники

Элементная база также уклад оптронов

    Элементную основу оптронов составляют фотоприемники также излучатели, но похоже оптическая среда промеж ними. Ко всем этим элементам предъявляются такие общие требования, как будто малые габариты также масса, высокая долговечность также надежность, устойчивость к механическим также климатическим воздействиям, технологичность, низкая стоимость. Желательно похоже дабы элементы прошли достаточно широкую также длительную промышленную апробацию.

    Функционально (как элемент схемы) оптрон характеризуется в первую очередь тем, какой вид фотоприемника в нем используется.

    Успешное использование фотоприемника в оптроне определяется выполнением следующих основных требований: эффективность преобразования энергии квантов излучения в энергию подвижных электрических; наличие также эффективность внутреннего встроенного усиления; высокое быстродействие; широта функциональных возможностей.

    В оптронах используются фотоприемники различных структур, чувствительные в видимой также близкой инфракрасной округу, так как будто именно в этом диапазоне спектра имеются интенсивные источники излучения также возможна труд фотоприемников без охлаждения.

    Наиболее универсальными являются фотоприемники с р - n-переходами (диоды, транзисторы также т, п.), в подавляющем большинстве случаев они изготовляются на основе кремния также округ их максимальной спектральной чувствительности находится близко l=0,7...0,9 мкм.

    Многочисленные потребности предъявляются также к излучателям оптронов. Основные из них: спектральное согласование с выбранным фотоприемником; высокая эффективность преобразования энергии электрического тока в энергию излучения; преимущественная направленность излучения; высокое быстродействие; простота также комфорт побуждения также модуляции излучения.

    Для использования в оптронах пригодны также доступны несколько разновидностей излучателей:

• Миниатюрные лампочки накаливания.
• Неоновые лампочки, в которых используется свечение электрического разряда газовой смеси неон-аргон.
  Этим видам излучателей свойственны невысокая светоотдача, низкая устойчивость к механическим воздействиям, ограниченная долговечность, внушительные габариты, полная несовместимость с интегральной технологией. Тем никак не менее, в отдельных видах оптронов они могут находить применение.
• Порошковая электролюминесцентная ячейка использует в качестве светящегося тела мелкокристаллические зерна сульфида цинка (активированного медью, марганцем либо другими присадками), взвешенные в полимеризующемся диэлектрике. При приложении достаточно высоких напряжений переменного тока движется процесс предпробойной люминесценции.
• Тонкопленочные электролюминесцентные ячейки. Свечение тут связано с возбуждением атомов марганца "горячими" электронами.

    И порошковые, также пленочные электролюминесцентные ячейки имеют невысокую эффективность преобразования электрической энергии в световую, низкую долголетие (особенно - тонкопленочные ), сложны в управлении (например, оптимальный режим для порошковых люминофоров 220 В при f =400 ... 800Гц). Основное плюс этих излучателей - конструктивно-технологическая совместимость с фоторезисторами, возможность создания на этой основе многофункциональных, многоэлементных оптронных структур.

    Основным наиболее универсальным видом излучателя, используемым в оптронах, является полупроводниковый инжекционный светоизлучающий диод - светодиод. Это обусловлено следующими его плюсами: высокое значение КПД преобразования электрической энергии в оптическую; узкий спектр излучения (квазимонохроматичность); широта спектрального диапазона, перекрываемого различными светодиодами; направленность излучения; высокое быстродействие; малые значения питающих напряжений также токов; совместимость с транзисторами также интегральными схемами; простота модуляции мощности излучения маршрутом изменения прямого тока; возможность работы, как будто в импульсном, так также в непрерывном режиме; линейность ватт-амперной характеристики в более либо менее широком диапазоне входных токов; высокая прочность также долговечность; малые габариты; технологическая совместимость с изделиями микроэлектроники.

    Общие требования, предъявляемые к оптической иммерсионной среде оптрона, следующие: высокое значение показателя преломления n_им; высокое значение удельного сопротивления r_им; высокая критическая напряженность поля Е_{им кр}, достаточная теплостойкость Dq_{им раб}; хорошая адгезия с кристаллами кремния также арсенида галлия; эластичность (это необходимо, так как будто никак не удается обеспечить согласование элементов оптрона по коэффициентам термического расширения); механическая прочность, так как будто иммерсионная среда в оптопаре выполняет никак не только светопередающие, но также конструкционные функции; технологичность (удобство использования, воспроизводимость свойств, дешевизна также т. п.).

    Основным видом иммерсионной среды, используемой в оптронах, являются полимерные оптические клеи. Для них типично n_им =1,4... 1,6, r_им > 10¹²... 10¹⁴ Ом см, Е_{им кр} =80 кВ/мм, Dq_{им раб} = - 60 ... 120 C. Клеи обладают хорошей адгезией к кремнию также арсениду галлия, сочетают высокую механическую прочность также устойчивость к термоциклированию. Используются похоже незатвердевающие вазелиноподобные также каучукоподобные оптические среды.

Физика преобразования энергии в диодном оптроне

    Рассмотрение процессов преобразования энергии в оптроне требует учитывать квантовую природу света. Известно, что электромагнитное излучение может существовать представлено в виде потока частиц - квантов (фотонов), энергия. каждого из которых определяется соотношением:

E_ф = hn = hc / nl     (2.1)

    где h - постоянная Планка ;
с - быстрота света в вакууме ;
n - показатель преломления полупроводника ;
n, l - частота колебаний также длина волны оптического излучения.

    Если плотность потока квантов (т. е. количество квантов, пролетающих чрез штуку площади в штуку времени) равна N_ф, то полная удельная мощность излучения составит:

P_ф = N_ф * E_ф    (2.2)

    и, как будто видно из (2.1), при заданном N_ф она тем больше, чем короче длина волны излучения. Поскольку на практике заданной бывает P_ф (энергетическая облученность фотоприемника), то представляется полезным следующее соотношение

N_ф = P_ф / E_ф = 5 * 10¹⁵ l P_ф    (2.3)

    где N_ф, см^-2 с^-1; l, мкм; P_ф, мВт/см.

Рис. 2. Энергетическая диаграмма прямозонного полупроводника (на образце тройного соединения GaAsP)

    Механизм инжекционной люминесценции в светодиоде состоит из трех основных процессов: излучательная (и безызлучательная) рекомбинация в полупроводниках, инжекция избыточных неосновных носителей заряда в базу светодиода также заключение излучения из округа генерации.

    Рекомбинация носителей заряда в полупроводнике определяется, предварительно всего, его зонной диаграммой, наличием также природой примесей и дефектов, степенью нарушения равновесного состояния. Основные материалы оптронных излучателей (GaAs также тройные соединения на его основе GaA1As также GaAsP) относятся к прямозонным полупроводникам, т.е. к таким, в которых разрешенными являются прямые оптические переходы зона-зона (рис. 2). Каждый акт рекомбинации носителя заряда по этой схеме сопровождается излучением кванта, длина волны которого в соответствии с законом сохранения энергии определяется соотношением:

l_изл [мкм] = 1,23 / E_ф [эB]    (2.4)

    Следует отметить, Что имеются также конкурирующие безызлучательные - механизмы рекомбинации. К числу важнейших из них относятся:

1. Рекомбинация на бездонных центрах. Электрон может переходить в валентную зону не прямо, но чрез те либо иные центры рекомбинации, образующие разрешенные энергетические уровни в запрещенной зоне (уровень E_t на рисунке 2).
2. Оже-рекомбинация (или ударная). При весьма высоких концентрациях свободных носителей заряда в полупроводнике вырастает вероятность столкновения трех тел, энергия рекомбинирующей электронно-дырочной двух при этом отдается третьему свободному носителю в форме кинетической энергии, которую он помаленьку растрачивает при соударениях с решеткой.

Pис. 3. Электрическая (a) также оптическая (b) модели светодиода. A - оптически "прозрачная" доля кристалла; B - активная доля кристалла; C -"непрозрачная" доля кристалла; D - омические контакты; E - округ объемного заряда

    Относительная роль различных механизмов рекомбинации описывается введением понятия внутреннего квантового выхода излучения h_int, определяемого отношением вероятности излучательной рекомбинации к полной (излучательной также безызлучательной) вероятности рекомбинации (или, другим образом, отношением числа генерированных квантов к числу инжектированных за то и пора неосновных носителей заряда). Значение h_int является важнейшей характеристикой материала, используемого в светодиоде; очевидно, что 0 h_int 100%.

    Создание избыточной концентрации свободных носителей в активной (излучающей) округа кристалла светодиода осуществляется маршрутом инжекции их р-n-переходом, смещенным в прямом направлении.

    "Полезной" компонентной тока, поддерживающей излучательную рекомбинацию в активной округа диода, является ток электронов I_n (рис. 3,а), инжектируемых р-n-переходом. К "бесполезным" компонентам прямого тока относятся:

1. Дырочная составляющая I_p, объясненная инжекцией дырок в n-область также отражающая тот факт, что р - n-переходов с односторонней инжекцией не бывает, Доля этого тока тем меньше чем сильнее легирована n-область по сравнению с р-областью.
2. Ток рекомбинации (безызлучательной) в округа объемного заряда р - n-перехода I_рек. В полупроводниках с большой шириной запрещенной зоны при малых прямых смещениях доля этого тока может существовать заметной.
3. Туннельный ток I_тун , обусловленный "просачиванием" носителей заряда чрез потенциальный препятствие. Ток переносится основными носителями также вклада в излучательную рекомбинацию никак не отчуждает. Туннельный ток тем больше, чем уже р - n-переход, он заметен при сильной степени легирования базовой округа также при больших прямых смещениях.
4. Ток поверхностных утечек I_пов, обусловленный отличием свойств поверхности полупроводника от свойств емкости также наличием тех либо иных закорачивающих включений.

    Эффективность р - n-перехода характеризуется коэффициентом инжекции:

(2.5)

    Очевидно, что пределы посильного изменения g те же, что также у h_int, т. е. 0 g 100%.

    При заключении излучения из округа генерации имеют помещение следующие виды потерь энергии (рис. 3, б):

1. Потери на самопоглощение (лучи 1). Если длина волны генерируемых квантов в точности соответствует формуле (2.4), то она совпадает с "красной границей" поглощения (см. ниже), также такое излучение спешно поглощается в толще полупроводника (самопоглощение). В действительности, излучение в прямозонных полупроводниках движется никак не по приведенной выше идеальной, схеме. Поэтому длина волны генерируемых квантов несколько больше, чем по (2.4):
2. Потери на полное внутреннее отблеск (лучи 2). Известно, что при падении лучей света на границу раздела оптически плотной среды (полупроводник) с оптически менее плотной (воздух) для элементы этих лучей выполняется условие полного внутреннего отблеска такие лучи, отразившиеся внутрь кристалла, в конечном счете, теряются за счет самопоглощения.
3. Потери на обратное также торцевое излучение (луч 3 также 4).

    Количественно эффективность заключения оптической энергии из кристалла характеризуется коэффициентом заключения К_опт определяемым отношением мощности излучения, выходящего в нужном направлении, к мощности излучения, генерируемой внутри кристалла. Так же, как будто также для коэффициентов h_int также g , прктически всегда выполняется условие 0 К_опт 100%.
g. Интегральным показателем излучательной способности светодиода является размер внешнего квантового выхода h_ext. Из сказанного ясно, что h_ext = h_int g К_опт.

    Перейдем к приемному блоку. Принцип действия используемых в оптронах фотприемников основан на внутреннем фотоэффекте, заключающемся в отрыве электронов от атомов внутри тела под деянием электромагнитного (оптического) излучения.

    Кванты света, поглощаясь в кристалле, могут вызывать отрыв электронов от атомов, как будто самого полупроводника, так также примеси. В соответствии с этим выражают о собственном (беспримесном) также примесном поглощении (фотоэффекте). Поскольку концентрация примесных атомов мала, фотоэлектрические эффекты, основанные на собственном поглощении, прктически всегда существеннее, чем основанные на примесном. Все используемые в оптронах фотоприемники "работают" на чистом фотоэффекте. Для того дабы квант света вызывал отрыв электрона от атома, необходимо выполнение очевидных энергетических соотношений:

E_ф1 = hn₁ E_c - E_v    (2.6)

E_ф2 = hn₂ E_c - E_t    (2.7)

    Таким образом, собственный фотоэффект может владеть помещение лишь при противодействии на полупроводник излучения с длиной волны, меньшей некоторого значения l_гр:

l_гр = hc / ( E_c - E_v) 1.23/ E_g    (2.8)

    Второе равенство в (2.8) справедливо, ежели l_гр выражено в микрометрах, но ширина запрещенной зоны полупроводника E_g - в электроновольтах. Величину l_гр называют длинноволновой либо "красной" гранью спектральной чувствительности материала.

    Интенсивность протекания фотоэффекта (в той спектральной области, в каком месте он может существовать) зависит от квантового выхода, определяемого отношением числа генерированных пар электрон-дырка к числу поглощенных фотонов. Разбор экспериментальных зависимостей от иллюстрирует, что в интересной для оптронов спектральной округа b = 1.

    Образование свободных носителей заряда под деянием облучения проявляется в полупроводнике в виде пары фотоэлектрических эффектов: фотопроводимости (возрастание проводимости образца при засветке) также фотовольтаического (возникновение фото-ЭДС на р - n-переходе либо приятелем виде потенциального барьера в полупроводнике при освещении). Оба эффекта используются в практике конструирования фотоприемников; для оптронов предпочтительным также доминирующим является использование фото-ЭДС-эффекта.

    Основные параметры также характеристики фотоприемников (безотносительно к физической природе также системы этих приборов) дозволено подразделить на несколько групп , К оптическим характеристикам относятся площадь фоточувствительной поверхности, материал, размеры также конфигурация оптического окна; максимальный также минимальный уровни мощности излучения. К электрооптическим - фоточувствительность, степень однородности распределения чувствительности по фотоприемной площадке; спектральная плотность чувствительности (зависимость параметра, характеризующего чувствительность, от длины волны); собственные шумы фотоприемника также их зависимость от уровня засветки также диапазона рабочих частот; разрешающее пора (быстродействие); коэффициент качества (комбинированный показатель, позволяющий сопоставлять различные фотоприемники приятель с другом); показатель линейности; динамический диапазон. Как элемент электрической цепи фотоприемник характеризуется, предварительно всего, параметрами его эквивалентной схемы, требованиями к рабочим режимам, наличием (или отсутствием) встроенного механизма усиления, видом также формой выходного сигнала. Прочие характеристики: эксплуатационные, надежностные, габаритные, технологические - ничто специфически "фотоприемного" никак не содержат.

    В зависимости от характера выходного сигнала (напряжение, ток) выражают о вольтовой либо токовой фоточувствительности приемника S, измеряемых соответственно в В/Вт либо А/Вт. Линейность (или нелинейность) фотоприемника определяется значением показателя степени n в уравнении, связывающем выходной сигнал с входным: U_вых( либо I_вых) P_ф. При n 1 фотоприемник линеен; округ значений P_ф(от P_{ф max} вплоть до P_{ф min}), в которой это выполняется, определяет динамический диапазон линейности фотоприемника D , выражаемый обычно в децибелах: D = 10 lg (P_{ф max} / P_{ф min}).

    Важнейшим параметром фотоприемника, определяющим порог его чувствительности, является удельная обнаружительная умение D, измеряемая в Вт^-1 м Гц^1/2. При известном значении D порог чувствительности (минимальная фиксируемая мощность излучения) определяется как

P_{ф min} = / D    (2.9)

    где А - площадь фоточувствительной площадки; Df- диапазон рабочих частот усилителя фотосигналов. Иными словами, параметр D играет роль коэффициента качества фотоприемника.

Рис. 4. Схемы измерения также семейства вольт-амперных характеристик в фотодиодном (а) также фотовентильном (б) режимах работы диода

    В применении к оптронам никак не все приведенные характеристики оказываются одинаково важными. Как положение, фотоприемники в оптронах работают при облученностях, весьма далеких от пороговых, поэтому использование параметров P_{ф min} также D оказывается почти что безуспешным. Конструктивно фотоприемник в оптроне обычно, "утоплен" в иммерсионную. среду, соединяющую его с излучателем, поэтому знание оптических характеристик входного окна теряет смысл (как положение, специально такого окна нет). Не весьма гордо знать также распределение чувствительности по фоточувствительной площадке, так как будто интерес представляют интегральные эффекты.

    Механизм работы фотоприемников, базирующихся на фотовольтаическом эффекте, рассмотрим на образце планарно-эпитаксиальных фотодиодов с р-n-переходом также с р-i-n-структурой, в которых дозволено выделить n⁺- подложку, базу n- либо i-типа (слабая проводимость n-типа) также тонкий р⁺-слой. При труду в фотодиодном режиме (рис. 4,а) приложенное извне напряжение заставляет подвижные дырки также электроны отправляться от р - n(р - i)-перехода; при этом изображение распределения поля в кристалле оказывается резко различной для пары рассматриваемых структур.

    Световое излучение, поглощаясь в базовой округа диода, генерирует электронно-дырочные пары, которые диффундируют к р - n-переходу, разделяются им также вызывают появление дополнительного тока во внешней цепи. В р - i - n-диодах это деление проистекает в поле i-o6лaсти также взамен процесса диффузии владеет помещение дрейф носителей заряда под действием электрического поля. Каждая генерированная электронно-дырочная два, прошедшая чрез р - n-переход, вызывает прохождение во внешней цепи заряда, равного заряду электрона. Чем больше облученность диода, тем больше фототок. Фототок протекает также при смещении диода в прямом курсе (рис. 4, а), но уже при небольших напряжениях он оказывается намного меньше прямого тока, поэтому его выделение оказывается затруднительным.

    Рабочей округом вольт-амперных характеристик фотодиода является III квадрант на рис. 4,а; соответственно этому в качестве важнейшего параметра выступает токовая чувствительность

(2.10)

    Второе равенство в (2.10) получено в предположении линейной зависимости I_ф = f(P_ф), но третье - при условии пренебрежения темновым током (I_T << I_Ф ), что для кремниевых фотодиодов обычно выполняется.

    Если озарять фотодиод без приложения к нему внешнего смещения, то процесс деления генерируемых электронов также дырок станет протекать благодаря деянию собственного встроенного поля р - n-перехода. При этом дырки будут перетекать в р-область также частично компенсировать встроенное поле р - n-перехода. Создается некоторое новое равновесное (для данного значения: P_ф) состояние, при котором на внешних заключениях диода начинается фото-ЭДС U_ф. Если замкнуть освещенный фотодиод на некоторую нагрузку, то он станет давать в нее полезную электрическую мощность Р_э.

    Характеристическими точками вольт-амперных характеристик диода, работающего в таком - фотовентильном - режиме, являются ЭДС холостого хода Uxx также ток малого замыкания I_кз (рис. 4,б).

    Схематически фотодиод в вентильном режиме трудится как будто своеобразный вторичный родник питания, поэтому его определяющим параметром является КПД преобразования световой энергии в электрическую:

КПД = P_э / AP_ф = aU_xxI_кз / A_pф    (2.11)

    В фотовентильном режиме действует значительный класс фотоэлектрических приборов - солнечные батареи.

Параметры также характеристики оптопар также оптоэлектронных интегральных микросхем

Классификация параметров изделий оптронной техники

    При классификации изделий оптронной техники учитывается пара момента: тип фотоприемного устройства также конструктивные особенности прибора в целом.

    Выбор главного классификационного признака обяснен тем, что почти что у всех оптронов на входе помещен светодиод, также функциональные возможности прибора определяются выходными характеристиками фотоприемного устройства.

    В качестве другого признака принято конструктивное исполнение, которое определяет специфику применения оптрона.

Рис. 5. К определению импульсных параметров оптопар

    Используя сей смешанный конструктивно-схемотехнический принцип классификации, логично выделить три основные группы изделий оптронной техники: оптопары (элементарные оптроны), оптоэлектронные (оптронные) интегральные микросхемы также специальные виды оптронов. К каждой из этих групп относится внушительное количество видов приборов.

    Для наиболее распространенных оптопар используются следующие сокращения: Д - диодная, Т - транзисторная, R - резисторная, У - тиристорная, Т² - с составным фототранзистором, ДТ - диодно-транзисторная, 2Д (2Т) - диодная (транзисторная) дифференциальная.

    Система параметров изделий оптронной техники базируется на системе параметров оптопар, которая формируется из четырех групп параметров также режимов.

    Первая группа характеризует входную цепь оптопары (входные параметры), другая - ее выходную цепь (выходные параметры), третья - объединяет параметры, характеризующие степень воздействия излучателя на фотоприемник также связанные с этим особенности прохождения сигнала чрез оптопару как будто элемент связи (параметры передаточной характеристики), в конце концов, четвертая группа объединяет параметры гальванической развязки, значения которых показывают, насколько придвигается оптопара к идеальному элементу развязки. Из четырех перечисленных групп определяющими, специфически "оптронными" являются параметры передаточной характеристики также параметры гальванической развязки.

    Важнейшим параметром диодной также транзисторной оптопар является коэффициент передачи тока. Определение импульсных параметров оптронов ясно из (рис. 5). Отсчетными уровнями при измерении параметров t_нар(сп), t_зд, также t_{вкл(выкл)} обычно служат уровни 0.1 также 0.9, полное пора логической задержки сигнала определяется по уровню 0,5 амплитуды импульса.

    Параметрами гальванической развязки. Оптопар являются: максимально допустимое пиковое напряжение промеж входом также выходом U_{разв п max}; сильно допустимое напряжение промеж входом также выходом U_{разв max}; противодействие гальванической развязки R_разв; проходная емкость C_разв; сильно допустимая быстрота изменения напряжения между входом в выходом (dU^разв/dt)_max. Важнейшим является параметр U_{разв п max}. Именно он определяет электрическую прочность оптопары также ее возможности как будто элемента гальванической развязки.

    Рассмотренные параметры оптопар полностью либо с некоторыми изменениями используются также для описания оптоэлектронных интегральных микросхем.

Диодные оптопары

Рис. 6. Условные обозначения оптопар

    Диодные оптопары (рис. 6,а) в большой степени, чем какие-либо: другие приборы, характеризуют уровень оптронной техники. По величине К_i дозволено обсуждать о достигнутых КПД преобразования энергии в оптроне; значения мимолетных параметров позволяют определить предельные скорости распространения информации. Подключение к диодной оптопаре тех либо иных усилительных элементов, очень полезное также удобное, никак не может тем никак не менее дать выигрыша ни по энергетике, ни по предельным частотам.

Транзисторные также тиристорные оптопары

    Транзисторные оптопары (рис. 6, c) рядом своих свойств выгодно отличаются от других видов оптронов. Это предварительно всего схемотехническая гибкость, проявляющаяся в том, что коллекторным током дозволено управлять как будто по цепи светодиода (оптически), так также по базовой цепи (электрически), но похоже в том, что выходная цепь может трудиться также в линейном также в ключевом режиме. Механизм внутреннего усиления обеспечивает получение внушительных значений коэффициента передачи тока К_i, так что последующие усилительные каскады никак не прктически всегда необходимы. Важно, что при этом инерционность оптопары никак не весьма велика также для многих случаев вполне допустима. Выходные токи фототранзисторов значительно выше, чем, например, у фотодиодов, что действует их пригодными для коммутации широкого кружка электрических цепей. Наконец, следует отметить, что все это достигается при относительной технологической простоте транзисторных оптопар.

    Тиристорные оптопары (рис. 6, b) наиболее перспективны для коммутации сильноточных высоковольтных цепей: по сочетанию мощности, коммутируемой в нагрузке, также быстродействию они явно предпочтительнее Т²-оптопар. Оптопары типа АОУ103 предназначены для использования в качестве бесконтактных ключевых элементов в различных дляоэлектронных схемах: в цепях управления, усилителях мощности, формирователях импульсов также т. п.

Резисторные оптопары

    Резисторные оптопары (рис. 6, d) принципиально отличаются от всех других видов оптопар физическими также конструктивно-технологическими особенностями, но похоже составом также значениями параметров.

    В основе принципа действия фоторезистора лежит эффект фотопроводимости, т. е. изменения сопротивления полупроводника при освещении.

Дифференциальные оптопары для передачи аналогового сигнала

    Весь изложенный выше материал дотрагивается вопросов передачи цифровой информации по гальванически развязанной цепи. Во всех случаях, в какое время говорилось о линейности, об аналоговых сигналах, слово шла о виде выходной характеристики оптопары. Во всех случаях управление по каналу излучатель - фотоприемник никак не описывалось линейной зависимостью. Важную задачу представляет собой передача аналоговой информации с помощью оптопары, т.е., обеспечение линейности передаточной характеристики вход - выход [36]. Лишь при наличии таких оптопар делается посильным непосредственное распространение аналоговой информации по гальванически развязанным цепям без преобразования ее к цифровой форме (последовательности импульсов).

    Сопоставление свойств различных оптопар по параметрам, важным с точки зрения передачи аналоговых сигналов приводит к заключению, что если эта задача также может существовать решена, то только с помощью диодных оптопар, обладающих хорошими частотными также шумовыми характеристиками. Сложность проблемы заключается предварительно всего в узком диапазоне линейности передаточной характеристики также степени этой линейности у диодных оптопар.

    Следует отметить, что в создании приборов с гальванической развязкой, пригодных для передачи аналоговых сигналов, сделаны лишь только первые шаги, и дозволено ожидать дальнейшего прогресса.

Оптоэлектронные микросхемы также другие приборы оптронного типа

    Оптоэлектронные микросхемы представляют собой один из наиболее широко применяемых, развивающихся, перспективных классов изделий оптронной техники. Это обусловлено полной электрической также конструктивной совместимостью оптоэлектронных микросхем с тдляционными микросхемами, но похоже их более широкими по сравнению с элементарными оптронами функциональными возможностями. Как также среди обычных микросхем, наиболее широкое распространение получили переключательные оптоэлектронные микросхемы.

    Специальные виды оптронов резко отличаются от тдляционных оптопар также оптоэлектронных микросхем. К ним относятся, предварительно всего, оптроны с открытым оптическим каналом. В системы этих приборов промеж излучателем также фотоприемником имеется легкий зазор, так что, помещая в него те либо иные механические преграды, дозволено управлять световым потоком также тем самым выходным сигналом оптрона. Таким образом, оптроны с открытым оптическим каналом выступают в качестве оптоэлектронных датчиков, фиксирующих наличие (или отсутствие) предметов, состояние их поверхности, быстрота перемещения либо поворота также т. п.

Сферы применения оптронов также оптронных микросхем

    Перспективные курса развития также применения оптронной техники в значительной степени определились. Оптроны также оптронные микросхемы эффективно применяются для передачи информации промеж устройствами, никак не имеющими замкнутых электрических связей. Тдляционно сильными остаются позиции оптоэлектронных приборов в технике получения также отображения информации. Самостоятельное значение в этом курсе имеют оптронные датчики, предназначенные для контроля процессов также объектов, очень различных по природе также назначении. Заметно прогрессирует функциональная оптронная микросхемотехника, ориентированная на выполнение разнообразных операций, связанных с преобразованием, накоплением также хранением информации. Эффективной также полезной оказывается замена громоздких, недолговечных также нетехнологичных (с позиций микроэлектроники) электромеханических изделий (трансформаторов, потенциометров, реле) оптоэлектронными приборами также устройствами. Достаточно специфическим, но во многих случаях оправданным также приносящим пользу является использование оптронных элементов в энергетических целях.

Передача информации

    При передаче информации оптроны используются в качестве элементов связи, дополнительно, как будто положение, никак не несут самостоятельной функциональной нагрузки. Их применение позволяет осуществить очень эффективную гальваническую развязку устройств управления также нагрузки (рис. 7), действующих в различных электрических условиях также режимах. С введением оптронов резко повышается помехоустойчивость каналов связи; почти что устраняются "паразитные" взаимодействия по цепям "земли" также питания. Интерес представляет похоже рациональное также надежное согласование цифровых интегральных устройств с разнородной элементной базой (ТТЛ, ЭСЛ, И2Л, КМОП также т. п).

Рис. 7. Схема межблочной гальванической развязки

    Схема согласования элемента транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ) с интегральным устройством на МДП-транзисторах построена на транзисторном оптроне (рис. 8). В конкретном варианте: E₁ = Е₂ = 5 В, Е₃ = 15 В, R₁ = 820 Ом, R₂ = 24 кОм - светодиод оптрона возбуждается током (5 мА), достаточным для насыщения транзистора также уверенного управления устройством на МДП-транзисторах.

Рис. 8. Схема сопряжения ТТЛ также МДП элементов по оптическому каналу

    Активно используются оптические связи в телефонных устройствах также системах. С помощью оптронов технически несложными средствами удается подключать к телефонным линиям микроэлектронные устройства, предназначенные для вызова, индикации, контроля также других целей.

    Введение оптических связей в электронную измерительную аппаратуру, помимо полезной во многих отношениях гальванической развязки исследуемого объекта также измерительного прибора, позволяет похоже резко уменьшить влияние помех, действующих по цепям заземления также питания.

    Значительный интерес представляют возможности также эксперимент использования оптоэлектронных приборов также устройств в биомедицинской аппаратуре. Оптроны позволяют надежно изолировать хворого от действия высоких напряжений, имеющихся, например, в электрокардиографических приборах.

    Бесконтактное управление мощными, высоковольтными цепями по оптическим каналам очень удобно также безопасно в сложных технических режимах, характерных для многих устройств также комплексов промышленной электроники. В этой области сильны позиции тиристорных оптронов (рис. 9).

Рис. 9. Схема коммутации нагрузки переменного тока

Получение также отображение информации

    Оптроны также оптронные микросхемы занимают прочные позиции в бесконтактной дистанционной технике оперативного получения также точного отображения информации о характеристиках также свойствах очень различных (по природе также назначению) процессов также объектов. Уникальными возможностями в этом расписании обладают оптроны с открытыми оптическими каналами. Среди них оптоэлектронные прерыватели, реагирующие на пересечение оптического канала непрозрачными объектами (рис. 10), также отражательные оптроны, у которых противодействие светоизлучателей на фотоприемники всецело связано с отблеском излучаемого потока от внешних объектов.

Рис. 10. Оптоэлектронный датчик

    Круг применений оптронов с открытыми оптическими каналами обширен также разнообразен. Уже в 60-е годы оптроны похожего типа эффективно использовались для регистрации предметов также объектов. При такой регистрации, характерной в первую очередь для устройств автоматического контроля также счета объектов, но похоже для обнаружения также индикации различного рода дефектов также отказов, гордо четко определить местонахождение объекта либо отразить факт его существования. Функции регистрации оптроны выполняют надежно также оперативно.

Контроль электрических процессов

    Мощность излучения, генерируемого светодиодом, также уровень фототока, возникающего в линейных цепях с фотоприемниками, непосредственно пропорциональны току электрической проводимости излучателя. Таким образом, по оптическим (бесконтактным, дистанционным) каналам дозволено получить вполне определенную, информацию о процессах в электрических цепях, гальванически связанных с излучателем. Особенно эффективным оказывается использование светоизлучателей оптронов в качестве датчиков электрических изменений в сильноточных, высоковольтных цепях. Четкая информация о подобных изменениях важна для оперативной охраны источников также потребителей энергии от электрических перегрузок.

Рис. 11. Стабилизатор напряжения с контролирующим оптроном

    Оптроны успешно действуют в высоковольтных стабилизаторах напряжения, в каком месте они создают оптические каналы отрицательных обратных связей. Рассматриваемый стабилизатор (рис. 11) относятся к устройству последовательного типа, причем регулирующим элементом является биполярный транзистор, но кремниевый стабилитрон действует как будто источник, опорного (эталонного) напряжения. Сравнивающим элементом служит светодиод.

    Если выходное напряжение в схеме рис. 11 возрастает, то увеличивается также ток проводимости светодиода. Фототранзистор оптрона влияет на транзистор, подавляя возможную нестабильность выходного напряжения.

Замена электромеханических изделий

    В комплексе технических решений, ориентированных на повышение эффективности также качества устройств автоматики, дляотехники, электросвязи, промышленной также бытовой электроники, целесообразной также полезной мерой является замена электромеханических изделий (трансформаторов, реле, потенциометров, реостатов, кнопочных также клавишных переключателей) более компактными, долговечными, быстродействующими аналогами. Ведущая роль в этом направлении отводится оптоэлектронным приборам также устройствам. Занятие в том, что весьма важные технические плюсы трансформаторов также электромагнитных реле (гальваническая развязка цепей управления также нагрузки, уверенное функционирование в мощных, высоковольтных, сильноточных системах) свойственны также оптронам. Совместно с тем оптоэлектронные изделия существенно превосходят электромагнитные аналоги по прочности, долголетия, переходным также частотным характеристикам. Управление компактными также быстродействующими оптоэлектронными трансформаторами, переключателями, реле уверенно осуществляется с помощью интегральных микросхем цифровой техники без специальных средств электрического согласования.

    Пример замены импульсного трансформатора приведен на рис. 12.

Рис. 12. Схема оптоэлектронного трансформатора

Энергетические функции

    В энергетическом режиме оптроны используются в качестве вторичных источников ЭДС также тока. КПД оптронных преобразователей энергии невелик. Однако возможность введения дополнительного родника напряжения либо тока в любую цепь устройства без гальванической связи с первичным родником кормления дает разработчику новую степень свободы, особенно полезную при решении нестандартных технических задач.