Самохвалов М.К. Элементы и устройства оптоэлектроники (2003) (1095923), страница 14
Текст из файла (страница 14)
36. показаны наиболее типичные конструкции оптопар.ИПИПИПРис. 36. Примеры типичных конструкций оптопар.Для увеличения эффективности передачи светового потока от источника кприемнику используют более сложные конструкции оптронов.иИсточникПриемникисветоводПриемникРис. 37. Конструкции оптопар с более эффективной передачи излучения.п59Оптоэлектронные микросхемы могут включать в себя бескорпусные излучающие диоды, бескорпусные оптроны и ИМС.Применяемые в настоящее время оптроны являются гибридными устройствами, что относится к конструктивным недостаткам.
Разрабатываются такжемонолитные оптопары, которые представляют собой интегрированные твердотельные излучающие и приемные структуры, изготавливаемые в одном технологическом процессе. На рис. 38. показаны варианты монолитных устройств.pniGaAsCD GaAsGaAlAsФДСапфирРис. 38. Примеры конструкций оптронов на основе монолитных устройств.Однако до сих пор ни в одном варианте монолитных оптронов не удалосьдобится сочетания всех необходимых параметров: долговечности, надежности,и устойчивости к внешним факторам. Основными нерешенными проблемамиостаются низкая эффективность излучательной и фоточувствительной структур, плохая светопередача и изоляция, неудовлетворительная совместимостьиспользуемых материалов.Резисторные оптроныВ резисторных оптронах в качестве приемников оптического излучения используются фоторезисторы на основе пленок CdS и CdSe. Особенностью фоторезисторов является сравнительно большая инерционность (tп∼10-1с), поэтомуисточниками излучения в этих оптронах могут быть лампы накаливания.
Используются также светодиоды на основе GaP, согласованные по спектру излучения.Рис. 39. Обозначение резисторныхоптопарДостоинства резисторных оптопар: воспроизводимость, большой срок службы,малая стоимость, линейность и симметричность выходной характеристики, отсутствие фотоЭДС, высокое значение Vвых (до 250 В), высокое значениеRт≈106÷1011 Ом.60Rсв, ОмKJJ2106T↑1104102104812 J1, мАV2101102103 f,ГцРис. 40. Основные характеристики резисторных оптопар: зависимость светового сопротивления от входного тока, зависимость выходной ВАХ от температуры и зависимость коэффициента передачи по току от частоты.Диодные оптопарыРис.
41. Обозначение диодныхоптопар.Обычно диодные оптопары изготавливаются на основе кремниевых p-i-nфотодиодов и арсенидгаллиевых излучающих диодов.Значение статического коэффициента передачи по току диодного оптрона определяется преобразованием входного тока J1 в излучение Ф1, передачей светового потока Ф1 к приемнику Ф2 и преобразованием излучения Ф2 в выходнойток J2.Ф1 = ηсдhν*J1/e, J2 = e*ηфдФ2/hν.Квантовый выход излучающего диода ηсд является постоянной величиной вшироком диапазоне входных токов, а квантовый выход фотодиода ηфд такжепостоянная величина в широком диапазоне выходных токов. Тогда выражениедля коэффициента передачи по току имеет вид: KJ = ηфд*ηсд*k.
Здесь коэффициент k = Ф2 /Ф1характеризует эффективность передачи излучения от источника к приемнику. Таким образом, значение коэффициента передачи по току определяется величинами квантовых выходов источника и приемника. Дляприемника ηфд≈100%, для светодиода ηсд≤10%, поэтому величина коэффициента передачи по току KJ ∼ несколько %.
Малая величина KJ диодных оптопаробуславливает относительно низкие значения выходного тока, J2 ≤ 1-2 мA. Зависимость KJ от температуры определяется температурной зависимостью характеристик излучателя.Быстродействие диодных оптопар определяется быстродействием светодиодаи фотодиода. Но из-за малости выходных токов оптроны включают на большуюнагрузку и существенным становится время перезарядки Rн*C2, где Rн – сопротивление нагрузки, C2 - выходная емкость оптрона. Обычно Rн = 2-20 кОм, С2 =50 нФ, и время перезарядки tп может достигать 0,1-10 мкс.61КJKIK I0 0KJ11–10.50,5 –0,51110 102 J1, мА23V2-202060t0, CРис. 42. Зависимости коэффициента передачи по току от входного тока, выходного напряжения и температуры.Оптроны могут работать в вентильном режиме, когда фотодиод служит источником питания, тогда KJ ∼ 3-4%, а КПД имеет значения ∼ 1%.
Оптическийканал может быть выполнен в виде световода длиной до 30-100 мм, что обеспечивает высокое сопротивление изоляции и малую проходную емкость (Vиз ≈20-50 кВ, Спр ≈ 0.01 нФ).Транзисторные оптроныВ транзисторных оптронах используются арсенидгаллиевые излучающиедиоды и кремниевые фототранзисторы, иногда составные. Оптроны с составным транзистором обладают наилучшими передаточными характеристиками потоку (в результате внутреннего усиления KJ может достигать 1000%).а)б)Рис. 43. Обозначение оптопартранзисторных (а) и с составнымтранзистором (б).Быстродействие транзисторных оптопар ограничивается быстродействиемфототранзисторов и составляет tп = 2-4 мкс.
Иногда в качестве параметра оптопар используют отношение коэффициента передачи по току к времени переключения KJ/tп = Д – добротность. Значение этого параметра постоянно в широком интервале входных токов. Добротность зависит от параметров излучателя иприемника. Для транзисторных оптопар добротность составляет 0,1-1% мкс-1,Vиз ≈1-5 кВ, для диодных оптопар добротность до 0,001% мкс-1.К достоинствам транзисторных оптронов относится возможность управлятьвеличиной выходного тока как оптическими, так и электрическими методами, атакже сравнительно высокие значения KJ и J2 при удовлетворительном быстродействии.62Повышение температуры приводит к возрастанию инерционности транзисторных оптронов и повышению темнового тока. Особенно сильно это проявляется для оптронов с составным транзистором, при повышении температурыот 250 до 1000 С темновой ток возрастает в 104-105 раз, а для транзисторных оптронов - 102-103 раз.Тиристорные оптроныРис.
44. Обозначение тиристорныхоптронов.Тиристорные оптроны используются в качестве ключей для коммутациисильнотоковых и высоковольтных цепей радиоэлектронного и электротехнического назначения ( РЭ - V2 = 50-600 В, J2 = 0,1-10 А, ЭТ - V2 = 100-1300 В, J2 =5-350 А). Тиристорные оптроны позволяют осуществлять управление значительными мощностями в нагрузке, а по входу совместимы с ИМС.Существует большое число групп оптронов, различающихся по значениювыходных напряжений и токов и быстродействию.
Так как тиристорные оптроны работают в ключевом режиме, коэффициент передачи по току KJ не используется в качестве параметра. Оптроны характеризуются номинальным значением входного тока J1, при котором открывается фототиристор и максимальнымдопустимым входным током помехи (максимальный J1, при котором еще невключился фототиристор).
J1ном = 20-200мА, максимально допустимое значениеJпомехи ~ 1мА.Разновидности оптроновОбозначение оптронов: 1-я буква или цифра - материал излучателя (А или 3 –GaAs или GaAlAs); 2-я буква - О – оптроны; 3-я буква - тип фотоприемника: Д фотодиод, Т – фототранзистор, У – фототиристор; Цифры – место в соответствующей группе (по параметрам).Резисторные оптроны (исторически первый тип оптронов) имеют отличающееся обозначение – ОЭП (оптоэлектронный прибор). Некоторые оптроны могут иметь обозначения, отличающиеся от указанных.Оптроны могут быть с приемниками на основе полевых фототранзисторов,МДП – фотоварикапов, однопереходных транзисторов, функциональных фоторезисторов и других.Дифференциальные оптроны – в них один излучатель воздействует на дваидентичных фотоприемника. Подобие входных характеристик двух каналов позволяет использовать их для передачи нескольких аналоговых сигналов: первый канал для непосредственной передачи, второй канал для цепи обратнойсвязи – корректировки температурных, деградационных и других изменениймощности излучения.63Рис.
45. Обозначение дифференциальныхоптронов.Регенеративные оптроны отличаются наличием обратной связи между излучающими и фотоприемными элементами. Регенеративные оптроны используются как бистабильные элементы, заданному значению напряжения V1 соответствует два значения выходного тока J2, т.е. они имеют S-образную ВАХ. Данные оптроны используются как переключатели, усилители, генераторы.J2V1Рис. 46. Типичная схема регенеративного оптрона и зависимость выходноготока от входного напряжения.Широко применяются также оптроны с открытым оптическим каналом, в которых в зазор между излучателем и приемником имеется доступ извне.
Они используются в бесконтактной дистанционной технике в качестве индикаторовположения объектов и состояния их поверхности и др.Выделяют два типа оптронов с открытым оптическим каналом.1. Оптопрерыватели, которые реагируют на попадание в оптический каналнепрозрачных предметов и прерывают (или изменяют) световой поток, падающий на приемник.2. Отражательные оптроны, которые регистрируют световой поток, отраженный от исследуемой поверхности.Наличие воздушного зазора в оптическом канале приводит к тому, что коэффициент передачи по току KJ мал, его значение зависит от свойств поверхностии расстояния до нее (обычно менее нескольких миллиметров).
Для этих оптронов необходимо устранить влияние посторонней засветки и обеспечить точнуюпространственную ориентацию излучателя и фотоприемника. Задача облегчается при использовании волоконных световодов.Оптоэлектронные микросхемы отличаются тем, что содержат одну или несколько оптопар, согласующие элементы или ИС, объединенные в один корпуспо гибридной технологии.64Иногда выделяют 3 группы оптоэлектронных микросхем.1. Переключательные оптоэлектронные микросхемы. Они имеют два статических состояния (обычно диодный оптрон и ключевое устройство, согласованное по уровням входных и выходных сигналов со стандартными логическими элементами).2. Линейные оптоэлектронные микросхемы, которые осуществляют аналоговые преобразования сигналов.3.
Оптоэлектронные МС релейного типа коммутируют силовые цепи, повходным параметрам согласованы с ИС.Относительно ограниченное распространение получили приборы, использующие преобразование по схеме: излучение – электрический сигнал – излучение, т.е. оптроны с оптическим входом и выходом. Пример такого преобразователя представлен на рис. 47.CdS фотопроводникНепрозрачный слойZnS электролюминофорРис. 47. Устройство оптрона с оптическим входом и выходом.Слои фотопроводника, непрозрачного диэлектрика или проводника и электролюминофора здесь размещаются между двумя прозрачными электродами,на которые подается высокое напряжение. Фотопроводник имеет высокое темновое сопротивление, поэтому в отсутствие падающего излучения на него приходится большая часть падения напряжения.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
