Ein Optokoppler ist ein optoelektronisches Halbleiterbauelement, das eine Quelle und einen Empfänger optischer Strahlung enthält, die optisch und strukturell miteinander verbunden sind und für die Durchführung verschiedener funktionaler Transformationen elektrischer und optischer Signale ausgelegt sind.

Strahlungsquellen können Glühlampen, Gasentladungslampen, Halbleiteremitter und LEDs sein. In integrierten optoelektronischen Schaltkreisen ist die Quelle optischer Strahlung eine Injektions-LED, die Optokoppler mit hoher Leistung bereitstellt. Fotodetektoren können sein: Fotowiderstände, Fotodioden, Fototransistoren, Fotothyristoren. Durch die Kombination einer LED mit einem dieser Fotodetektoren in einem Bauelement konnten mehrere Optokoppler mit unterschiedlichen Eigenschaften geschaffen werden: Widerstand, Diode, Transistor, Thyristor (Abb. 5.19). Das Verbindungsglied zwischen Strahlungsquelle und Fotodetektor ist ein passives oder aktives optisches Medium, das die Funktionen eines Lichtleiters übernimmt.

Abb.8.18. Arten von Optokopplern: Widerstand (a), Diode (b), Transistor (c), Thyristor (d),

Das Funktionsprinzip des Optokopplers basiert auf der doppelten Energieumwandlung. In Strahlungsquellen wird die Energie des elektrischen Signals in optische Strahlung umgewandelt, und in Fotodetektoren wird das optische Signal in ein elektrisches Signal (Strom oder Spannung) umgewandelt. Ein Optokoppler ist ein Gerät mit elektrischen Eingangs- und Ausgangssignalen.

Der Lichtleiter sorgt für eine galvanische Trennung der Eingangs- und Ausgangskreise (der Isolationswiderstand kann 10 12 ... 10 14 Ohm erreichen und die Kommunikationskapazität beträgt 10 -2 pF) und eine unidirektionale Signalübertragung von der Strahlungsquelle zum Fotodetektor typisch für optische Kommunikationsleitungen.

Die Vorteile von Optokopplern sind:

1. Fehlende elektrische Verbindung zwischen Eingang und Ausgang sowie Rückkopplung zwischen Fotodetektor und Strahlungsquelle.

2. Große Bandbreite elektrischer Schwingungen, die die Übertragung von Signalen im Frequenzbereich von 0 bis 10 14 Hz ermöglicht.

3. hohe Störfestigkeit des optischen Kanals, die auf die Immunität von Photonen gegenüber den Auswirkungen externer elektromagnetischer Felder zurückzuführen ist.

4. Einfache Kombination von Optokopplern mit Mikroschaltungen in verschiedenen Telekommunikationsgeräten.

Optokoppler werden verwendet als:

a) ein Element der elektrischen Isolierung in Digital- und Impulsgeräten sowie analogen Geräten.

b) berührungslose Steuerung von Hochspannungsstromversorgungen in verschiedenen Automatisierungssystemen.

c) ein Schlüssel zum Erzeugen und Schalten starker Impulse sowie zum Anschluss von Sensoren an Messgeräte und -einheiten.

Widerstandsoptokoppler sind die vielseitigsten. Sie können in Analog- und Schlüsselgeräten verwendet werden, verfügen über eine große Bandbreite an Widerstandsvariationen (zehn bis Hunderte von MOhm im unbeleuchteten Zustand und Hunderte von Ohm im beleuchteten Zustand) und einen niedrigen Frequenzbereich. In einem Widerstandsoptokoppler werden als Emitter LEDs mit einem breiten optischen Bereich verwendet. Um Energieparameter zu erhalten, ist es notwendig, Sender und Empfänger hinsichtlich der spektralen Eigenschaften aufeinander abzustimmen.

Widerstandsoptokoppler werden durch die folgenden Parameter der Eingangs- und Ausgangskreise beschrieben:

1. Maximaler Eingangsstrom Iin. max ist der Maximalwert des durchschnittlichen Eingangs- oder Gleichstroms.

2. Die Eingangsspannung Uin ist eine konstante oder effektive Spannung, die bei einem Betriebseingangsstrom an die Eingangsklemmen des Emitters angelegt wird.

3. Ausgangsschaltstrom I out. com ist der von der Last gesteuerte Nennausgangsstrom.

4. Der maximale Ausgangsstrom ist der Stromwert, bei dem der Widerstandsoptokoppler über einen längeren Zeitraum arbeitet.

5. Die maximale Ausgangsschaltspannung ist der maximale Spannungswert am Ausgang des Optokopplers.

6. Maximale Verlustleistung am Optokoppler-Ausgang, was einen langfristigen Betrieb des Geräts gewährleistet.

7. Ausgangsdunkel- und Ausgangshellwiderstand.

8. Durchgangskapazität C pr – zwischen Eingang und Ausgang des Optokopplers.

9. Der Isolationswiderstand R von ist der Widerstand zwischen Eingang und Ausgang des Optokopplers.

10. Die maximale Isolationsspannung ist die maximale Spannung, bei der die Festigkeit und Zuverlässigkeit des zwischen Eingang und Ausgang des optischen Behälters angelegten Produkts erhalten bleibt.

Beispiele für Widerstandsoptokoppler können sein: OEP-16, OEP-1, OEP-2, OEP-9.

Diodenoptokoppler werden als Schalter verwendet und können Strom mit einer Frequenz von 10 6 ... 10 7 Hz schalten. Der Dunkelwiderstand erreicht 10 8 ... 10 10 Ohm und sinkt bei Beleuchtung auf Hunderte von Ohm. Der Widerstand zwischen Eingangs- und Ausgangskreis beträgt 10 13 ... 10 15 Ohm. Als Emitter in Dioden-Optokopplern wird eine im Infrarotbereich arbeitende LED und als Fotodetektor eine Silizium-Fotodiode verwendet. Die LED weist eine maximale spektrale Charakteristik bei einer Wellenlänge von etwa 1 µm auf.

Diodenoptokoppler werden durch die folgenden Parameter der Eingangs- und Ausgangsschaltungen beschrieben:

1. U in – die Eingangsspannung wird bei einem bestimmten Eingangsstrom bestimmt, der durch die LED fließt;

2. Ich gebe ein. max ist der maximale Wert des Gleichstroms oder Impulsstroms, bei dem ein langfristig zuverlässiger Betrieb des Optokopplers gewährleistet ist;

3. U in. arr. max ist die maximale Eingangssperrspannung, die an den Optokopplereingang angelegt wird und einen langfristig zuverlässigen Betrieb des Optokopplers gewährleistet;

4. I t – Ausgangsstrom (thermischer Strom) der Fotodiode ohne Eingang (Photofluss);

5. Ich raus. umgekehrt - Ausgangsrückstrom bei einer bestimmten Ausgangsspannung und ohne Eingangsstrom.

6. Du bist raus. Max. rev - maximale Sperrspannung des Ausgangskreises, bei der die Fotodiode zuverlässig und lange arbeitet;

7. t nr – Anstiegszeit des Ausgangssignals, bei der sich die Amplitude der Ausgangsspannung von 0,1 auf 0,5 U out ändert. Max;

8. t sp – Abklingzeit des Ausgangssignals. Während dieser Zeitspanne sinkt die Ausgangsspannung von 0,9 auf das 0,5-fache ihres Maximalwerts.

Beispiele für Dioden-Optokoppler sind AOD101A...AOD101D, AOD107, ZOD107A usw.

Transistor-Optokoppler haben eine höhere Empfindlichkeit als Dioden-Optokoppler. Die Geschwindigkeit überschreitet 10 5 Hz nicht. Der Transistor-Optokoppler verwendet eine LED mit einer Strahlungswellenlänge von etwa 1 μm, und als Fotodetektor wird ein Silizium-Fototransistor vom NPN-Typ verwendet.

Wenn keine optische Strahlung vorhanden ist, fließt im Kollektorkreis des Fototransistors immer ein kleiner Rückstrom (Dunkelstrom), dessen Größe stark von der Temperatur abhängt. Um den Dunkelstrom zu reduzieren, wird ein externer Widerstand von ca. 0,1...1,0 M Ohm zwischen Basis- und Emitteranschluss geschaltet.

Ein Transistor-Optokoppler wird durch die Parameter der Eingangs- und Ausgangsschaltungen beschrieben. Da in Dioden- und Transistor-Optokopplern nahezu identische LEDs verwendet werden, sind die Eingangsparameter von Transistor-Optokopplern dieselben wie die von Dioden-Optokopplern.

Der Transistor-Optokoppler wird durch die folgenden Parameter des Ausgangskreises beschrieben:

1. U rest – Restausgangsspannung am Ausgang des Optokopplers, wenn der Fototransistor geöffnet ist;

2. I ut.out – Strom, der im Ausgangskreis fließt, wenn der Fototransistor geschlossen ist (Leckstrom);

3. P durchschn. max – durchschnittliche maximale Verlustleistung, bei der der Optokoppler einen langfristig zuverlässigen Betrieb aufrechterhält;

4. Ich raus. max – maximaler Ausgangsstrom des Fototransistors während seines zuverlässigen Betriebs;

5. t nr – die Anstiegszeit des Ausgangssignals, bei der sich die Ausgangsspannung von 0,9 auf 0,1 ihres Maximalwerts ändert.

6. t sp – Abfallzeit der Ausgangsspannung, bei der die Ausgangsspannung von 0,1 auf 0,9 des Maximalwerts ansteigt.

7. t on - Einschaltzeit ist die Zeit vom Anlegen des Eingangssignals bis zu dem Zeitpunkt, an dem das Eingangssignal 0,1 U Eingang erreicht. Max. oder dies ist die Herdenzeit - t sp der Ausgangsspannung auf das Niveau von 0,1 U out. Max.

8. t aus – Ausschaltzeit ist die Zeit, in der das Eingangssignal auf 0,9 U Eingang max. abfällt. oder ist t nr - die Anstiegszeit der Ausgangsspannung auf 0,9 U Ausgang max.

9. Maximale Isolationsspannung U von – die Spannung, die zwischen Eingang und Ausgang angelegt werden kann und bei der die Spannungsfestigkeit des Optokopplers erhalten bleibt.

Beispiele für Transistor-Optokoppler sind: AOT123A, ZOT123B, AOT110(A,B,C), ZOT123A, AOT123T usw.

Thyristor-Optokoppler werden in wichtigen Betriebsarten zum Erzeugen und Schalten starker Impulse eingesetzt. Der Sender im Thyristor-Optokoppler ist eine LED und der Empfänger ist ein Silizium-Photothyristor. Der Photothyristor bleibt auch dann eingeschaltet, wenn die LED-Strahlung stoppt. Dabei kann das Kontrolllichtsignal der LED nur für die zum Entsperren des Thyristors erforderliche Zeit zugeführt werden. All dies ermöglicht es, den Energiebedarf zur Steuerung des Photothyristor-Optokopplers zu reduzieren. Um den Photothyristor abzuschalten, muss die externe Spannung entfernt werden. All dies unterscheidet einen Thyristor-Optokoppler von einem Transistor-Optokoppler. Der Thyristor-Optokoppler wird durch folgende Parameter beschrieben:

1. Einschaltstrom I on (Eingangsbetriebsstrom I Eingang, Betrieb) – konstanter Durchlassstrom des Optokopplers, der den Optokoppler bei einem bestimmten Eingangsmodus in den offenen Zustand versetzt;

2. Impulsschaltstrom I ein. es ist die Amplitude des Eingangsstromimpulses einer bestimmten Dauer, die die Optokoppler in den offenen Zustand versetzt;

3. U in – Eingangsspannung am LED-Eingang bei einem bestimmten Eingangsschaltstrom;

4. I-Eingang - Konstantstromeingang der LED;

5. Ich bin dabei. im - Eingangsimpulsstrom des Optokopplers;

6. Ich raus. geschlossen – Ausgangsstrom im geschlossenen Zustand, der im Ausgangskreis fließt, wenn der Photothyristor geschlossen ist und sich in einem bestimmten Modus befindet;

7. Ich gehe. Rückkehr – Ausgangsrückstrom, der fließt, wenn der Photothyristor geschlossen ist;

8. U ost – Ausgangsspannung an einem offenen Photothyristor;

9. Ich gehe. ud – Haltestrom – der kleinste Strom des Photothyristors im offenen Zustand;

10. U Ausgang min – die minimale konstante Ausgangsspannung am Photothyristor, bei der der Optokoppler bei einem gegebenen Eingangssignal eingeschaltet wird;

11. U Ausgang obr – maximale Ausgangsspannung, bei der die angegebene Zuverlässigkeit gewährleistet ist;

12. t on - Einschaltzeit ist das Zeitintervall zwischen dem Eingangsstromimpuls bei Stufe 0,5 und dem Ausgangsstrom bei Stufe 0,9 des Maximalwerts;

13. t aus - Ausschaltzeit ist der Zeitraum vom Ende des Ausgangsstroms bis zum Beginn des nächsten Ausgangsstroms, unter dessen Einfluss der Photothyristor nicht in den offenen Zustand wechselt.

14. C out – Ausgangskapazität am Ausgang des Thyristor-Optokopplers im geschlossenen Zustand.

Beispiele für Thyristor-Optokoppler: AOU103A, ZOU103A, AOU103V, ZOU103B.

Beschreibung, Eigenschaften, Datenblatt und Methoden zum Testen von Optokopplern am Beispiel PC817.

In Fortsetzung des Themas „Beliebte Funkkomponenten für die Reparatur von Schaltnetzteilen“ analysieren wir einen weiteren Teil – den Optokoppler (Optokoppler) PC817. Es besteht aus einer LED und einem Fototransistor. Sie sind nicht elektrisch miteinander verbunden und basieren daher auf PC817 Es ist möglich, eine galvanische Trennung zweier Teile des Stromkreises zu realisieren – beispielsweise mit Hochspannung und mit Niederspannung. Die Öffnung des Fototransistors hängt von der Beleuchtung der LED ab. Wie dies geschieht, werde ich im nächsten Artikel ausführlicher besprechen, wo man in Experimenten durch die Einspeisung von Signalen vom Generator und deren Analyse mit einem Oszilloskop ein genaueres Bild der Funktionsweise des Optokopplers erhalten kann.

In anderen Artikeln werde ich über die nicht standardmäßige Verwendung von Optokopplern sprechen, erstens in der Rolle und zweitens. Und mit diesen Schaltungslösungen werde ich einen sehr einfachen Optokoppler-Tester bauen. Dafür braucht es keine teuren oder seltenen Geräte, sondern nur ein paar günstige Funkkomponenten.

Der Artikel ist nicht selten und nicht teuer. Aber es hängt viel davon ab. Es wird in fast allen gängigen (ich meine nicht exklusiven) Schaltnetzteilen verwendet und spielt die Rolle des Feedbacks und am häufigsten in Verbindung mit der sehr beliebten Funkkomponente TL431

Den Lesern, denen es leichter fällt, Informationen nach Gehör wahrzunehmen, empfehlen wir, sich das Video ganz unten auf der Seite anzusehen.

Optokoppler (Optokoppler) PC817

Kurzcharakteristik:

Kompakter Körper:

• Stiftabstand – 2,54 mm;
• zwischen den Reihen – 7,62 mm.

Der PC817 wird von Sharp hergestellt; es gibt andere Hersteller elektronischer Komponenten, die Analoga herstellen, zum Beispiel:

• Siemens – SFH618
• Toshiba – TLP521-1
• NEC-PC2501-1
• LITEON – LTV817
• Cosmo – KP1010

Neben dem einzelnen PC817-Optokoppler stehen weitere Optionen zur Verfügung:

• PC827 – Dual;
• PC837 – gebaut;
• PC847 – vierfach.

Überprüfung des Optokopplers

Um den Optokoppler schnell zu testen, habe ich mehrere Testexperimente durchgeführt. Zuerst auf dem Steckbrett.

Option auf Steckbrett

Dadurch konnten wir eine sehr einfache Schaltung zum Testen des PC817 und anderer ähnlicher Optokoppler erhalten.

Erste Version des Schemas

Ich habe die erste Option abgelehnt, da sie die Transistormarkierungen von n-p-n auf p-n-p umkehrte

Um Verwirrung zu vermeiden, habe ich das Diagramm wie folgt geändert:

Zweite Version des Schemas

Die zweite Option funktionierte korrekt, aber es war umständlich, die Standardbuchse zu löten

für eine Mikroschaltung

Panel SCS-8

Dritte Version des Schemas

Die erfolgreichste

Uf ist die Spannung an der LED, bei der der Fototransistor zu öffnen beginnt.

in meiner Version Uf = 1,12 Volt.

Das Ergebnis ist ein sehr einfaches Design.

Die Spannungsfestigkeit (zulässige Spannung zwischen Eingangs- und Ausgangskreisen) hängt von der Bauart des Gerätes ab; Bei gängigen DIP-Gehäusen für den Hausgebrauch ist die maximale Spannung zwischen den Stromkreisen auf 500 oder 1000 V normalisiert, während der Isolationswiderstand auf 10 11 Ohm normalisiert ist. Die tatsächliche elektrische Durchbruchspannung eines solchen Geräts liegt in der Größenordnung von mehreren Kilovolt.

Die niedrigere Betriebsfrequenz des Optokopplers ist nicht begrenzt – Optokoppler können in Gleichstromkreisen betrieben werden. Die obere Betriebsfrequenz von Optokopplern, die für die Hochfrequenzübertragung digitaler Signale optimiert sind, erreicht Hunderte von MHz. Die oberen Betriebsfrequenzen linearer Optokoppler liegen deutlich niedriger (einige bis Hunderte von kHz). Die langsamsten Optokoppler, die Glühlampen verwenden, sind tatsächlich wirksame Tiefpassfilter mit einem Grenzband in der Größenordnung von mehreren Hz.

Einstufung

Nach Integrationsgrad

• Optokoppler(oder elementare Optokoppler) – bestehend aus zwei oder mehr Elementen (einschließlich solcher, die in einem Körper zusammengebaut sind)
• optoelektronische integrierte Schaltkreise, enthält einen oder mehrere Optokoppler (mit oder ohne zusätzliche Komponenten, wie z. B. Verstärker).

Nach Art des optischen Kanals

• mit offenem optischen Kanal
• mit geschlossenem optischen Kanal

Nach Art des Fotodetektors

• mit einem bipolaren (normalen oder zusammengesetzten) Fototransistor
• mit Feldeffekt-Fototransistor

Derzeit lassen sich in der Optoelektronik zwei Richtungen unterscheiden.

1. Elektrooptisch, basierend auf dem Prinzip der photoelektrischen Umwandlung, realisiert in einem Festkörper durch den internen photoelektrischen Effekt und Elektrolumineszenz.
2. Optisch, basierend auf den subtilen Effekten der Wechselwirkung eines Festkörpers mit elektromagnetischer Strahlung und unter Verwendung von Lasertechnologie, Holographie, Photochemie usw.

Es gibt zwei Klassen optischer Elemente, die zur Herstellung optischer Computer verwendet werden können:

• Optokoppler
• Quantenoptische Elemente.

Sie sind Vertreter der elektronenoptischen bzw. optischen Richtung.

Der Typ des Fotodetektors bestimmt die Linearität der Übertragungsfunktion des Optokopplers. Am linearsten und daher für den Betrieb in analogen Geräten geeignet sind Widerstandsoptokoppler, gefolgt von Optokopplern mit einer Empfangsfotodiode oder einem einzelnen Bipolartransistor. Optokoppler mit zusammengesetzten Bipolartransistoren oder Feldeffekttransistoren werden in gepulsten (Schalter-, digitalen) Geräten verwendet, bei denen keine Übertragungslinearität erforderlich ist. Optokoppler mit Photothyristoren werden zur galvanischen Trennung von Steuerstromkreisen von Steuerstromkreisen eingesetzt.

Verwendung

Optokoppler haben mehrere Anwendungen, die sich ihre unterschiedlichen Eigenschaften zunutze machen:

Mechanische Einwirkung

Optokoppler-Koordinatenzähler in einer mechanischen Maus

Optokoppler mit einem offenen optischen Kanal, der für mechanische Einwirkungen zugänglich ist (Überlappung), werden als Sensoren in verschiedenen Anwesenheitsdetektoren (z. B. einem Papierdetektor in einem Drucker), End- (oder Start-) Sensoren, Zählern und darauf basierenden diskreten Tachometern (z. B.) verwendet , Koordinatenzähler in einer mechanischen Maschine). Mäuse, Aräometer).

Galvanische Isolierung

Synonyme:

Sehen Sie, was „Optokoppler“ in anderen Wörterbüchern ist:

Optokoppler-Wörterbuch der russischen Synonyme. Optokoppler Substantiv, Anzahl der Synonyme: 1 Optokoppler (1) Synonymwörterbuch ASIS. V.N. Trishin. 2013… Synonymwörterbuch

Was ist ein Optokoppler?

Ein Optokoppler ist ein optoelektronisches Gerät, dessen Hauptfunktionsteile eine Lichtquelle und ein Fotodetektor sind, die nicht galvanisch miteinander verbunden sind, sondern sich in einem gemeinsamen versiegelten Gehäuse befinden. Das Funktionsprinzip eines Optokopplers basiert auf der Tatsache, dass das ihm zugeführte elektrische Signal auf der Sendeseite ein Leuchten hervorruft und das Signal in Form von Licht vom Fotodetektor empfangen wird, wodurch auf der Empfangsseite ein elektrisches Signal ausgelöst wird. Das heißt, das Signal wird über optische Kommunikation innerhalb der elektronischen Komponente gesendet und empfangen.

Ein Optokoppler ist die einfachste Art von Optokoppler. Es besteht nur aus sendenden und empfangenden Teilen. Eine komplexere Art von Optokopplern ist eine optoelektronische Mikroschaltung, die mehrere Optokoppler enthält, die mit einem oder mehreren Anpassungs- oder Verstärkungsgeräten verbunden sind.

Somit ist ein Optokoppler eine elektronische Komponente, die eine optische Signalübertragung in einem Stromkreis ohne galvanische Kopplung zwischen der Signalquelle und ihrem Empfänger ermöglicht, da Photonen bekanntermaßen elektrisch neutral sind.

Aufbau und Eigenschaften von Optokopplern

Optokoppler verwenden Fotodetektoren, die im nahen Infrarot und im sichtbaren Bereich empfindlich sind, da dieser Teil des Spektrums durch Quellen intensiver Strahlung gekennzeichnet ist, die ohne Kühlung als Fotodetektoren arbeiten können. Fotodetektoren mit pn-Übergängen (Dioden und Transistoren) auf Siliziumbasis sind universell einsetzbar, der Bereich ihrer maximalen spektralen Empfindlichkeit liegt bei etwa 0,8 Mikrometern.

Der Optokoppler wird hauptsächlich durch den Stromübertragungskoeffizienten CTR charakterisiert, also das Verhältnis der Eingangs- und Ausgangssignalströme. Der nächste Parameter ist die Signalübertragungsgeschwindigkeit, im Wesentlichen die Grenzfrequenz fc des Optokopplers, verbunden mit den Anstiegszeiten tr und Grenzzeiten tf für die übertragenen Impulse. Abschließend noch die Parameter, die den Optokoppler im Hinblick auf die galvanische Trennung charakterisieren: Isolationswiderstand Riso, maximale Spannung Viso und Durchgangskapazität Cf.

Das in der Struktur des Optokopplers enthaltene Eingabegerät soll optimale Betriebsbedingungen für den Emitter (LED) schaffen und den Arbeitspunkt in den linearen Bereich der Strom-Spannungs-Kennlinie verschieben.

Das Eingabegerät verfügt über eine ausreichende Geschwindigkeit und einen breiten Eingangsstrombereich, sodass eine zuverlässige Informationsübertragung auch bei niedrigem (Schwellen-)Strom gewährleistet ist. Im Inneren des Gehäuses befindet sich das optische Medium, durch das Licht vom Emitter zum Fotodetektor übertragen wird.

Bei Optokopplern mit gesteuertem optischen Kanal gibt es eine zusätzliche Steuereinrichtung, mit der es möglich ist, die Eigenschaften des optischen Mediums auf elektrischem oder magnetischem Wege zu beeinflussen. Auf der Fotodetektorseite wird das Signal wiederhergestellt und schnell von optisch in elektrisch umgewandelt.

Das Ausgabegerät auf der Seite des Fotodetektors (z. B. ein im Schaltkreis enthaltener Fototransistor) dient dazu, das Signal in eine elektrische Standardform umzuwandeln, die für die weitere Verarbeitung in den Blöcken nach dem Optokoppler geeignet ist. Ein Optokoppler enthält häufig keine Ein- und Ausgabegeräte und erfordert daher externe Schaltkreise, um einen normalen Betrieb im Schaltkreis eines bestimmten Geräts zu gewährleisten.

Anwendung von Optokopplern

Optokoppler werden häufig in Einheiten verschiedener Geräte verwendet, in denen Niederspannungs- und Hochspannungskreise vorhanden sind und Steuerkreise von Stromkreisen entkoppelt sind: Steuerung leistungsstarker Triacs und Thyristoren, Relaiskreise usw.

In funktechnischen Schaltungen zur Modulation und automatischen Verstärkungsregelung werden Dioden-, Transistor- und Widerstandsoptokoppler verwendet. Durch die Belichtung über den optischen Kanal wird die Schaltung berührungslos eingestellt und in den optimalen Betriebsmodus gebracht.

Optokoppler sind so vielseitig, dass sie schon allein als Elemente der galvanischen Trennung und kontaktlosen Steuerung in so unterschiedlichen Branchen und für so viele einzigartige Funktionen eingesetzt werden, dass es unmöglich ist, sie alle aufzuzählen.

Hier nur einige davon: Computertechnik, Kommunikationstechnik, Automatisierung, Funkgeräte, automatisierte Steuerungssysteme, Messgeräte, Steuer- und Regelsysteme, medizinische Geräte, visuelle Anzeigegeräte und vieles mehr.

Vorteile von Optokopplern

Durch den Einsatz von Optokopplern auf Leiterplatten lässt sich eine optimale galvanische Trennung erreichen, wenn die Widerstandsanforderungen zur Trennung von Hoch- und Niederspannungs-, Eingangs- und Ausgangsstromkreisen extrem hoch sind. Die Spannung zwischen Sender- und Empfängerkreis des beliebten Optokopplers PC817 beträgt beispielsweise 5000 V. Darüber hinaus wird mit Hilfe der optischen Isolierung eine extrem niedrige Durchgangskapazität in der Größenordnung von 1 pF erreicht.

Mit Hilfe von Optokopplern lässt sich eine berührungslose Steuerung sehr einfach realisieren, wobei Spielraum für einzigartige Designlösungen hinsichtlich der direkten Steuerkreise bleibt. Wichtig ist hier auch, dass es absolut keine Reaktion des Empfängers auf die Quelle gibt, also Informationen unidirektional übertragen werden.

Die größte Bandbreite des Optokopplers beseitigt die Einschränkungen durch niedrige Frequenzen: Mit Hilfe von Licht kann entweder ein konstantes Signal oder ein gepulstes Signal übertragen werden, und zwar mit sehr steilen Flanken, was mit Impulstransformatoren grundsätzlich nicht möglich ist. Der Kommunikationskanal innerhalb des Optokopplers ist absolut immun gegen die Auswirkungen elektromagnetischer Felder, sodass das Signal vor Störungen und Störungen geschützt ist. Schließlich sind Optokoppler vollständig kompatibel mit anderen elektronischen Komponenten.

Die Idee, Optokoppler zu entwickeln und zu verwenden, geht auf das Jahr 1955 zurück, als Loebner E. E. in seiner Arbeit „Netzwerk optoelektronischer Geräte“ eine ganze Reihe von Geräten mit optischen und elektrischen Verbindungen zwischen Elementen vorschlug, die es ermöglichten, Lichtsignale zu verstärken und spektral umzuwandeln und erstellen Sie Geräte mit zwei stabilen Zuständen – bistabile Optokoppler, optoelektronische Geräte zur Informationsakkumulation und -speicherung, logische Schaltkreise, Schieberegister. Dort wurde auch der Begriff „Optokoppler“ vorgeschlagen, gebildet als Abkürzung für das englische „optical-electronic device“.

Die in dieser Arbeit beschriebenen Optokoppler veranschaulichen zwar die Prinzipien perfekt, erwiesen sich jedoch für die industrielle Umsetzung als ungeeignet, da sie auf einer unvollkommenen Elementarbasis basierten – ineffizienten und trägen Pulver-Elektrolumineszenzkondensatoren (Emitter) und Fotowiderständen (Empfänger). Auch die wichtigsten Betriebseigenschaften der Geräte waren mangelhaft: niedrige Temperatur und vorübergehende Stabilität der Parameter, unzureichende Beständigkeit gegen mechanische Beanspruchung. Deshalb. Der Optokoppler blieb zunächst nur eine interessante wissenschaftliche Errungenschaft, die in der Technik keine Anwendung fand.

Erst Mitte der 60er Jahre wurden mit der Entwicklung von Halbleiter-Leuchtdioden und technologisch fortschrittlichen, hocheffizienten Hochgeschwindigkeits-Silizium-Fotodetektoren mit p-n-Übergängen (Fotodioden und Fototransistoren) die elementaren Grundlagen der modernen Optokoppler-Technologie geschaffen. Zu Beginn der 70er Jahre war die Produktion von Optokopplern in den führenden Ländern der Welt zu einem wichtigen und sich schnell entwickelnden Zweig der elektronischen Technologie geworden, der die traditionelle Mikroelektronik erfolgreich ergänzte.

Grundlegende Definitionen

Optokoppler sind optoelektronische Geräte, bei denen eine Quelle und ein Strahlungsempfänger (Lichtsender und Fotodetektor) mit der einen oder anderen Art optischer und elektrischer Verbindung dazwischen strukturell miteinander verbunden sind.

Das Funktionsprinzip von Optokopplern jeglicher Art basiert auf Folgendem. Im Emitter wird die Energie des elektrischen Signals in Licht umgewandelt, im Fotodetektor hingegen löst das Lichtsignal eine elektrische Reaktion aus.

In der Praxis haben sich nur Optokoppler durchgesetzt, die eine direkte optische Verbindung vom Emitter zum Fotodetektor haben und jede Art elektrischer Kommunikation zwischen diesen Elementen in der Regel ausschließt.

Je nach Komplexitätsgrad des Strukturdiagramms werden bei Optokopplerprodukten zwei Gerätegruppen unterschieden. Ein Optokoppler (auch „elementarer Optokoppler“ genannt) ist ein optoelektronisches Halbleiterbauelement, das aus Sende- und Fotoempfangselementen besteht, zwischen denen eine optische Verbindung besteht, die für eine elektrische Trennung zwischen Eingang und Ausgang sorgt. Ein optoelektronischer integrierter Schaltkreis ist ein Mikroschaltkreis, der aus einem oder mehreren Optokopplern und einem oder mehreren elektrisch damit verbundenen Anpassungs- oder Verstärkungsgeräten besteht.

Somit übernimmt ein solches Gerät in einer elektronischen Schaltung die Funktion eines Kommunikationselements, bei dem gleichzeitig eine elektrische (galvanische) Trennung von Ein- und Ausgang erfolgt.

Besonderheiten von Optokopplern

Die Vorteile dieser Geräte basieren auf dem allgemeinen optoelektronischen Prinzip, elektrisch neutrale Photonen zur Informationsübertragung zu nutzen. Die wichtigsten sind die folgenden:

• die Fähigkeit, eine ideale elektrische (galvanische) Isolierung zwischen Eingang und Ausgang bereitzustellen; Für Optokoppler gibt es keine grundsätzlichen physikalischen oder konstruktiven Einschränkungen hinsichtlich der Erzielung beliebig hoher Spannungen und Entkopplungswiderstände sowie beliebig kleiner Durchgangskapazitäten.
• die Möglichkeit der Umsetzung einer berührungslosen optischen Steuerung elektronischer Objekte und die daraus resultierende Vielfalt und Flexibilität von Designlösungen für Steuerschaltungen;
• unidirektionale Informationsausbreitung entlang des optischen Kanals, keine Rückkopplung vom Empfänger zum Sender;
• große Frequenzbandbreite des Optokopplers, keine Einschränkung durch niedrige Frequenzen (typisch für Impulstransformatoren); die Möglichkeit, über eine Optokopplerschaltung sowohl ein Impulssignal als auch einen Konstantanteil zu übertragen;
• die Möglichkeit, das Ausgangssignal des Optokopplers durch Beeinflussung (auch nicht elektrisch) des Materials des optischen Kanals zu steuern und die daraus resultierende Möglichkeit, vielfältige Sensoren sowie vielfältige Geräte zur Informationsübertragung zu schaffen;
• die Möglichkeit, funktionelle mikroelektronische Geräte mit Fotodetektoren zu schaffen, deren Eigenschaften sich bei Beleuchtung nach einem komplexen vorgegebenen Gesetz ändern;
• die Immunität optischer Kommunikationskanäle gegenüber den Auswirkungen elektromagnetischer Felder, die sie bei „langen“ Optokopplern (mit einem verlängerten faseroptischen Lichtleiter zwischen Sender und Empfänger) vor Störungen und Informationslecks schützt und auch beseitigt gegenseitige Beeinflussung;
• physische, gestalterische und technologische Kompatibilität mit anderen Halbleiter- und mikroelektronischen Geräten.

Optokoppler haben auch gewisse Nachteile:

• erheblicher Stromverbrauch aufgrund der Notwendigkeit einer doppelten Energieumwandlung (Strom – Licht – Strom) und der geringen Effizienz dieser Übergänge;
• erhöhte Empfindlichkeit von Parametern und Eigenschaften gegenüber den Auswirkungen erhöhter Temperatur und durchdringender Kernstrahlung;
• mehr oder weniger spürbare vorübergehende Verschlechterung (Verschlechterung) von Parametern;
• ein relativ hohes Eigenrauschen, das wie die beiden vorherigen Nachteile auf die Besonderheiten der Physik von LEDs zurückzuführen ist;
• die Komplexität der Implementierung von Rückmeldungen, die durch die elektrische Trennung der Eingangs- und Ausgangskreise verursacht wird;
• Design- und technologische Unvollkommenheit im Zusammenhang mit der Verwendung hybrider nichtplanarer Technologie (mit der Notwendigkeit, mehrere einzelne Kristalle aus verschiedenen Halbleitern, die sich in verschiedenen Ebenen befinden, in einem Gerät zu kombinieren).

Die aufgeführten Nachteile von Optokopplern werden mit der Verbesserung von Materialien, Technologie und Schaltungsdesign teilweise beseitigt, sie werden jedoch noch lange Zeit eher grundlegender Natur bleiben. Ihre Vorteile sind jedoch so groß, dass sie dafür sorgen, dass Optokoppler im Vergleich zu anderen mikroelektronischen Geräten mit Sicherheit nicht konkurrenzfähig sind.

Verallgemeinertes Blockdiagramm

Als Kommunikationselement zeichnet sich ein Optokoppler durch den Übertragungskoeffizienten K i aus, der durch das Verhältnis der Ausgangs- und Eingangssignale und die maximale Informationsübertragungsgeschwindigkeit F bestimmt wird. In der Praxis werden anstelle von F die Anstiegs- und Abfalldauern der übertragenen Signale verwendet Es werden Impulse t nar(sp) bzw. die Grenzfrequenz gemessen. Die Fähigkeiten eines Optokopplers als Element der galvanischen Trennung werden durch die maximale Spannung und den Entkopplungswiderstand U entkoppelt und R entkoppelt sowie die Durchführungskapazität C entkoppelt charakterisiert.

Im Blockdiagramm in Abb. 1 Eingabegerät wird verwendet, um den Betriebsmodus des Emitters zu optimieren (z. B. Vorspannung der LED auf den linearen Abschnitt der Watt-Ampere-Kennlinie) und das externe Signal umzuwandeln (zu verstärken). Die Eingangseinheit muss über einen hohen Umwandlungswirkungsgrad, eine hohe Geschwindigkeit, einen großen Dynamikbereich zulässiger Eingangsströme (für lineare Systeme) und einen niedrigen Wert des „Schwellen“-Eingangsstroms verfügen, der eine zuverlässige Übertragung von Informationen durch die Schaltung gewährleistet.

Abbildung 1. Verallgemeinertes Blockdiagramm eines Optokopplers

Der Zweck des optischen Mediums besteht darin, die Energie des optischen Signals vom Emitter zum Fotodetektor zu übertragen und in vielen Fällen auch die mechanische Integrität der Struktur sicherzustellen.

Die grundsätzliche Möglichkeit, die optischen Eigenschaften des Mediums beispielsweise durch die Nutzung elektrooptischer oder magnetooptischer Effekte zu steuern, wird durch die Einführung eines Steuergeräts in den Stromkreis reflektiert. In diesem Fall erhalten wir einen Optokoppler mit einem gesteuerten optischen Kanal , funktionell anders als ein „herkömmlicher“ Optokoppler: Das Ausgangssignal kann entweder durch den Eingang oder durch die Steuerschaltung verändert werden.

Im Fotodetektor wird das Informationssignal von optisch auf elektrisch „wiederhergestellt“. Gleichzeitig streben sie nach hoher Sensibilität und hoher Leistung.

Schließlich ist das Ausgabegerät so konzipiert, dass es das Fotodetektorsignal in eine Standardform umwandelt, die zur Beeinflussung von Kaskaden nach dem Optokoppler geeignet ist. Eine fast obligatorische Funktion des Ausgabegeräts ist die Signalverstärkung, da die Verluste nach der Doppelwandlung sehr groß sind. Oft wird die Verstärkungsfunktion vom Fotodetektor selbst (z. B. einem Fototransistor) übernommen.

Allgemeines Blockdiagramm von Abb. 1 wird in jedem spezifischen Gerät nur von einem Teil der Blöcke implementiert. Dementsprechend gibt es drei Hauptgruppen von Optokoppler-Geräten; zuvor genannte Optokoppler (elementare Optokoppler) unter Verwendung von Blöcken aus Lichtemitter, optischem Medium und Fotodetektor; optoelektronische (Optokoppler-)Mikroschaltungen (Optokoppler mit zusätzlicher Ausgabe und manchmal Eingabevorrichtung); Sondertypen von Optokopplern sind Geräte, die sich funktionell und strukturell deutlich von elementaren Optokopplern und optoelektronischen ICs unterscheiden.

Ein echter Optokoppler kann komplexer sein als die Schaltung in Abb. 1; Jeder dieser Blöcke kann nicht nur ein, sondern mehrere identische oder ähnliche Elemente enthalten, die elektrisch und optisch verbunden sind. Dies ändert jedoch nicht wesentlich die Grundlagen der Physik und Elektronik des Optokopplers.

Anwendung

Als Elemente der galvanischen Trennung werden Optokoppler verwendet: um Geräteeinheiten zu verbinden, zwischen denen ein erheblicher Potenzialunterschied besteht; zum Schutz der Eingangskreise von Messgeräten vor Störungen und Störeinflüssen etc.

Ein weiteres wichtiges Einsatzgebiet von Optokopplern ist die optische, berührungslose Steuerung von Hochstrom- und Hochspannungsstromkreisen. Einführung leistungsstarker Thyristoren, Triacs, Triacs, Steuerung elektromechanischer Relaisgeräte.

Eine spezielle Gruppe von Steueroptokopplern besteht aus Widerstandsoptokopplern, die für Schaltkreise mit niedrigem Strom in komplexen Geräten zur visuellen Informationsanzeige konzipiert sind und auf elektrolumineszierenden (Pulver-)Anzeigen, mnemonischen Schaltkreisen und Bildschirmen basieren.

Die Entwicklung „langer“ Optokoppler (Geräte mit einem verlängerten flexiblen faseroptischen Lichtleiter) eröffnete eine völlig neue Richtung für den Einsatz von Optokopplerprodukten – die Kommunikation über kurze Distanzen.

Verschiedene Optokoppler (Diode, Widerstand, Transistor) werden auch in rein funktechnischen Modulationsschaltungen, automatischen Verstärkungsregelungen usw. verwendet. Die Wirkung durch den optischen Kanal wird hier verwendet, um die Schaltung in den optimalen Betriebsmodus zu bringen, zur kontaktlosen Modusanpassung usw .

Die Fähigkeit, die Eigenschaften eines optischen Kanals unter verschiedenen äußeren Einflüssen zu verändern, ermöglicht die Schaffung einer ganzen Reihe von Optokoppler-Sensoren: Dies sind Sensoren für Feuchtigkeit und Gasverschmutzung, Sensoren für das Vorhandensein einer bestimmten Flüssigkeit im Volumen, Sensoren für die Sauberkeit der Oberflächenbehandlung eines Objekts, die Geschwindigkeit seiner Bewegung usw.

Ganz konkret ist die Verwendung von Optokopplern für Energiezwecke, also der Betrieb eines Dioden-Optokopplers im Photoventilmodus. In diesem Modus erzeugt die Fotodiode elektrischen Strom für die Last und der Optokoppler ähnelt in gewissem Maße einer sekundären Stromquelle mit geringer Leistung, die vollständig vom Primärkreis isoliert ist.

Die Schaffung von Optokopplern mit Fotowiderständen, deren Eigenschaften sich bei Beleuchtung nach einem vorgegebenen komplexen Gesetz ändern, ermöglicht die Simulation mathematischer Funktionen und ist ein Schritt zur Schaffung einer funktionalen Optoelektronik.

Die Vielseitigkeit von Optokopplern als Elemente der galvanischen Trennung und kontaktlosen Steuerung, die Vielfalt und Einzigartigkeit vieler anderer Funktionen sind der Grund dafür, dass die Einsatzgebiete dieser Geräte Computertechnik, Automatisierung, Kommunikations- und Funkgeräte, automatisierte Steuerungssysteme, Messgeräte, Steuer- und Regelsysteme, medizinische Elektronik, Geräte zur visuellen Darstellung von Informationen.

Physikalische Grundlagen der Optokoppler-Technologie

Elementbasis und Gerät von Optokopplern

Die elementare Basis von Optokopplern besteht aus Fotodetektoren und Emittern sowie dem optischen Medium zwischen ihnen. Für alle diese Elemente gelten allgemeine Anforderungen wie geringe Abmessungen und geringes Gewicht, hohe Haltbarkeit und Zuverlässigkeit, Beständigkeit gegen mechanische und klimatische Einflüsse, Herstellbarkeit und niedrige Kosten. Es ist auch wünschenswert, dass die Elemente ausreichend umfangreichen und langfristigen industriellen Tests unterzogen werden.

Funktionell (als Schaltungselement) zeichnet sich ein Optokoppler vor allem dadurch aus, welche Art von Fotodetektor in ihm verwendet wird.

Der erfolgreiche Einsatz eines Fotodetektors in einem Optokoppler wird durch die Erfüllung folgender Grundvoraussetzungen bestimmt: die Effizienz der Umwandlung der Energie von Strahlungsquanten in die Energie bewegter elektrischer Quanten; Vorhandensein und Wirksamkeit der internen eingebauten Verstärkung; Hochleistung; Breite der Funktionalität.

Optokoppler verwenden Fotodetektoren unterschiedlicher Struktur, die im sichtbaren und nahen Infrarotbereich empfindlich sind, da in diesem Spektralbereich intensive Strahlungsquellen vorhanden sind und Fotodetektoren ohne Kühlung arbeiten können.

Am universellsten sind Fotodetektoren mit pn-Übergängen (Dioden, Transistoren usw.), in den allermeisten Fällen werden sie auf Siliziumbasis hergestellt und der Bereich ihrer maximalen spektralen Empfindlichkeit liegt in der Nähe von l = 0,7...0,9 μm.

Auch an Optokoppler-Emitter werden zahlreiche Anforderungen gestellt. Die wichtigsten sind: spektrale Anpassung an den ausgewählten Fotodetektor; hohe Effizienz der Umwandlung elektrischer Stromenergie in Strahlungsenergie; vorherrschende Strahlungsrichtung; Hochleistung; Einfachheit und Bequemlichkeit der Anregung und Modulation der Strahlung.

Für den Einsatz in Optokopplern sind mehrere Arten von Emittern geeignet und erhältlich:

• Miniatur Glühlampen.
• Neonlichter, die das Leuchten einer elektrischen Entladung eines Neon-Argon-Gasgemisches nutzen.
  Diese Strahlertypen zeichnen sich durch geringe Lichtausbeute, geringe Beständigkeit gegen mechanische Beanspruchung, begrenzte Haltbarkeit, große Abmessungen und völlige Inkompatibilität mit integrierter Technologie aus. Sie können jedoch in bestimmten Arten von Optokopplern Anwendung finden.
• Elektrolumineszenzzelle in Pulverform verwendet feinkristalline Zinksulfidkörner (aktiviert mit Kupfer, Mangan oder anderen Zusätzen), suspendiert in einem polymerisierenden Dielektrikum, als Leuchtkörper. Wenn ausreichend hohe Wechselspannungen angelegt werden, kommt es zum Prozess der Vordurchbruchslumineszenz.
• Dünnschicht-Elektrolumineszenzzellen. Das Leuchten ist hier mit der Anregung von Manganatomen durch „heiße“ Elektronen verbunden.

Sowohl Pulver- als auch Film-Elektrolumineszenzzellen haben eine geringe Effizienz bei der Umwandlung elektrischer Energie in Licht, eine geringe Haltbarkeit (insbesondere bei Dünnschichtzellen) und sind schwer zu steuern (der optimale Modus für Pulverleuchtstoffe liegt beispielsweise bei ~220 V bei f = 400). .. 800 Hz). Der Hauptvorteil dieser Emitter ist ihre konstruktive und technologische Kompatibilität mit Fotowiderständen und die Möglichkeit, auf dieser Basis multifunktionale Mehrelement-Optokopplerstrukturen zu erstellen.

Der universellste Emittertyp, der in Optokopplern verwendet wird, ist eine Halbleiter-Injektions-Leuchtdiode – LED. Dies ist auf folgende Vorteile zurückzuführen: hohe Effizienz bei der Umwandlung elektrischer Energie in optische Energie; schmales Emissionsspektrum (quasi-monochromatisch); Breite des von verschiedenen LEDs abgedeckten Spektralbereichs; Strahlungsrichtung; Hochleistung; niedrige Werte der Versorgungsspannungen und -ströme; kompatibel mit Transistoren und integrierten Schaltkreisen; einfache Modulation der Strahlungsleistung durch Änderung des Vorwärtsstroms; Fähigkeit, sowohl im gepulsten als auch im kontinuierlichen Modus zu arbeiten; Linearität der Watt-Ampere-Kennlinie über einen mehr oder weniger weiten Bereich von Eingangsströmen; hohe Zuverlässigkeit und Langlebigkeit; kleine Abmessungen; technologische Kompatibilität mit mikroelektronischen Produkten.

Die allgemeinen Anforderungen an das optische Immersionsmedium eines Optokopplers sind wie folgt: hoher Wert des Brechungsindex n; hoher Widerstandswert r; hohe kritische Feldstärke E im cr, ausreichende Hitzebeständigkeit D q im Slave; gute Haftung an Silizium- und Galliumarsenidkristallen; Elastizität (dies ist notwendig, da die Anpassung der Optokopplerelemente hinsichtlich der Wärmeausdehnungskoeffizienten nicht gewährleistet werden kann); mechanische Festigkeit, da das Immersionsmedium im Optokoppler nicht nur lichtdurchlässige, sondern auch strukturelle Funktionen erfüllt; Herstellbarkeit (Benutzerfreundlichkeit, Reproduzierbarkeit der Eigenschaften, niedrige Kosten usw.).

Das in Optokopplern hauptsächlich verwendete Immersionsmedium sind optische Polymerklebstoffe. Typischerweise für sie n im =1,4... 1,6, r im > 10 12 ... 10 14 Ohm cm, E im kr = 80 kV/mm, D q im Slave = - 60 ... 120 C Die Klebstoffe haben gute Eigenschaften Haftung auf Silizium und Galliumarsenid und vereinen hohe mechanische Festigkeit und Temperaturwechselbeständigkeit. Es werden auch nicht aushärtende, vaselineartige und gummiartige optische Medien verwendet.

Physik der Energieumwandlung in einem Dioden-Optokoppler

Die Betrachtung von Energieumwandlungsprozessen in einem Optokoppler erfordert die Berücksichtigung der Quantennatur des Lichts. Es ist bekannt, dass elektromagnetische Strahlung in Form eines Teilchenstroms dargestellt werden kann – Quanten (Photonen), Energie. jedes davon wird durch die Beziehung bestimmt:

E f = hn = hc / nl (2.1)

wobei h die Plancksche Konstante ist;
c ist die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum;
n ist der Brechungsindex des Halbleiters;
n, l – Schwingungsfrequenz und Wellenlänge der optischen Strahlung.

Wenn die Quantenflussdichte (d. h. die Anzahl der Quanten, die pro Zeiteinheit durch eine Flächeneinheit fliegen) gleich N f ist, beträgt die gesamte spezifische Strahlungsleistung:

P f = N f * E f (2.2)

und wie aus (2.1) ersichtlich ist, ist für ein gegebenes N f die Strahlungswellenlänge umso größer, je kürzer sie ist. Da in der Praxis P f (Energieeinstrahlung des Photodetektors) gegeben ist, erscheint die folgende Beziehung sinnvoll

N f = P f / E f = 5 * 10 15 l P f (2.3)

wobei N f, cm -2 s -1 ; l, µm; P f, mW/cm.

Reis. 2. Energiediagramm eines Direct-Gap-Halbleiters (am Beispiel einer ternären GaAsP-Verbindung)

Der Mechanismus der Injektionslumineszenz in einer LED besteht aus drei Hauptprozessen: strahlender (und nicht strahlender) Rekombination in Halbleitern, Injektion überschüssiger Minoritätsladungsträger in die LED-Basis und Emissionsabgabe aus dem Laserbereich.

Die Rekombination von Ladungsträgern in einem Halbleiter wird in erster Linie durch sein Banddiagramm, das Vorhandensein und die Art von Verunreinigungen und Defekten sowie den Grad der Störung des Gleichgewichtszustands bestimmt. Die Hauptmaterialien von Optokoppler-Emittern (GaAs und darauf basierende ternäre Verbindungen GaA1As und GaAsP) gehören zu Halbleitern mit direkter Lücke, d. h. zu solchen, bei denen direkte optische Zonenübergänge zulässig sind (Abb. 2). Jeder Akt der Rekombination eines Ladungsträgers nach diesem Schema geht mit der Emission eines Quants einher, dessen Wellenlänge gemäß dem Energieerhaltungssatz durch die Beziehung bestimmt wird:

l iz [µm] = 1,23 / E f [eB] (2,4)

Es ist zu beachten, dass es auch konkurrierende strahlungslose Rekombinationsmechanismen gibt. Zu den wichtigsten davon gehören:

1. Rekombination in tiefen Zentren. Ein Elektron kann sich nicht direkt zum Valenzband bewegen, sondern über bestimmte Rekombinationszentren, die zulässige Energieniveaus in der Bandlücke bilden (E t-Niveau in Abbildung 2).
2. Schneckenrekombination (oder Schock). Bei sehr hohen Konzentrationen freier Ladungsträger in einem Halbleiter steigt die Wahrscheinlichkeit eines Zusammenstoßes dreier Körper; die Energie des rekombinierenden Elektron-Loch-Paares wird an den dritten freien Ladungsträger in Form von kinetischer Energie abgegeben, die dieser dabei nach und nach verschwendet Kollisionen mit dem Gitter.

Feige. 3. Elektrische (a) und optische (b) LED-Modelle. A – optisch „transparenter“ Teil des Kristalls; B – aktiver Teil des Kristalls; C – „undurchsichtiger“ Teil des Kristalls; D – ohmsche Kontakte; E – Raumladungsbereich

Die relative Rolle verschiedener Rekombinationsmechanismen wird durch die Einführung des Konzepts der internen Quantenausbeute der Strahlung beschrieben, die durch das Verhältnis der Wahrscheinlichkeit der strahlenden Rekombination zur gesamten (strahlenden und nichtstrahlenden) Wahrscheinlichkeit der Rekombination (oder mit anderen Worten: das Verhältnis der Anzahl der erzeugten Quanten zur Anzahl der gleichzeitig injizierten Minoritätsladungsträger). Der Hint-Wert ist das wichtigste Merkmal des in der LED verwendeten Materials; Es ist offensichtlich, dass 0 h int 100 % ist.

Die Erzeugung einer überschüssigen Konzentration an freien Ladungsträgern im aktiven (emittierenden) Bereich des LED-Kristalls erfolgt durch deren Injektion mit einem in Durchlassrichtung vorgespannten pn-Übergang.

Die „nützliche“ Stromkomponente, die die Strahlungsrekombination im aktiven Bereich der Diode unterstützt, ist der vom pn-Übergang injizierte Elektronenstrom I n (Abb. 3a). Zu den „nutzlosen“ Gleichstromkomponenten zählen:

1. Der Lochanteil I p entsteht durch die Injektion von Löchern in das n-Gebiet und spiegelt die Tatsache wider, dass pn-Übergänge mit einseitiger Injektion nicht existieren. Der Anteil dieses Stroms ist umso geringer, je stärker das n-Gebiet dotiert ist im Vergleich zur p-Region.
2. Rekombinationsstrom (strahlungslos) in der Raumladungszone des pn-Übergangs I rec. Bei Halbleitern mit einer großen Bandlücke bei niedrigen Vorwärtsvorspannungen kann der Anteil dieses Stroms spürbar sein.
3. Tunnelstrom I tun, verursacht durch den „Austritt“ von Ladungsträgern durch die Potentialbarriere. Der Strom wird von Mehrheitsträgern getragen und trägt nicht zur Strahlungsrekombination bei. Je schmaler der pn-Übergang ist, desto größer ist der Tunnelstrom; er macht sich bei einem hohen Dotierungsgrad des Basisbereichs und bei großen Durchlassvorspannungen bemerkbar.
4. Oberflächenleckstrom ist auf den Unterschied zwischen den Eigenschaften der Oberfläche des Halbleiters und den Eigenschaften der Masse sowie auf das Vorhandensein bestimmter kurzschließender Einschlüsse zurückzuführen.

Die Effizienz des pn-Übergangs wird durch den Injektionskoeffizienten charakterisiert:

(2.5)

Offensichtlich sind die Grenzen möglicher Änderungen von g dieselben wie für hint, d. h. 0 g 100 %.

Wenn Strahlung aus dem Laserbereich entfernt wird, treten folgende Arten von Energieverlusten auf (Abb. 3, b):

1. Selbstabsorptionsverluste (Strahlen 1). Wenn die Wellenlänge der erzeugten Quanten genau der Formel (2.4) entspricht, dann fällt sie mit der „roten Grenze“ der Absorption zusammen (siehe unten) und diese Strahlung wird schnell in der Masse des Halbleiters absorbiert (Selbstabsorption). In Wirklichkeit folgt die Strahlung in Halbleitern mit direkter Bandlücke nicht dem oben angegebenen idealen Schema. Daher ist die Wellenlänge der erzeugten Quanten etwas größer als nach (2.4):
2. Totale interne Reflexionsverluste (Strahlen 2). Es ist bekannt, dass, wenn Lichtstrahlen auf die Grenzfläche zwischen einem optisch dichten Medium (Halbleiter) und einem optisch weniger dichten Medium (Luft) fallen, für einige dieser Strahlen die Bedingung der Totalreflexion erfüllt ist; solche Strahlen werden im Kristall reflektiert letztendlich durch Selbstbezogenheit verloren.
3. Verluste für Rück- und Randstrahlung (Strahlen 3 und 4).

Quantitativ wird die Effizienz der von einem Kristall abgegebenen optischen Energie durch den Leistungskoeffizienten K opt charakterisiert, der durch das Verhältnis der in der gewünschten Richtung austretenden Strahlungsleistung zur im Kristall erzeugten Strahlungsleistung bestimmt wird. Ebenso wie für die Koeffizienten hint und g ist die Bedingung 0 K opt 100 % immer erfüllt.
G. Der integrale Indikator für den Emissionsgrad einer LED ist der Wert der externen Quantenleistung h ext. Aus dem oben Gesagten ist klar, dass h ext = h int g K opt.

Kommen wir zum Empfangsblock. Das Funktionsprinzip der in Optokopplern verwendeten Fotodetektoren basiert auf dem internen fotoelektrischen Effekt, der in der Trennung von Elektronen von Atomen im Körperinneren unter dem Einfluss elektromagnetischer (optischer) Strahlung besteht.

Wenn Lichtquanten in einem Kristall absorbiert werden, können sie zur Trennung von Elektronen von Atomen führen, sowohl vom Halbleiter selbst als auch von der Verunreinigung. Dementsprechend spricht man von intrinsischer (reiner) und Verunreinigungsabsorption (photoelektrischer Effekt). Da die Konzentration der Verunreinigungsatome gering ist, sind photoelektrische Effekte, die auf intrinsischer Absorption basieren, immer bedeutender als solche, die auf Verunreinigung basieren. Alle in Optokopplern verwendeten Fotodetektoren „arbeiten“ auf dem reinen fotoelektrischen Effekt. Damit ein Lichtquant die Trennung eines Elektrons von einem Atom bewirken kann, müssen die offensichtlichen Energiebeziehungen erfüllt sein:

E f1 = hn 1 E c - E v (2.6)

E f2 = hn 2 E c - E t (2.7)

Somit kann der intrinsische photoelektrische Effekt nur auftreten, wenn der Halbleiter Strahlung mit einer Wellenlänge ausgesetzt wird, die kleiner als ein bestimmter Wert l gr ist:

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

Die zweite Gleichung in (2.8) gilt, wenn l g in Mikrometern ausgedrückt wird und die Bandlücke des Halbleiters E g in Elektronenvolt angegeben wird. Der Wert l gr wird als langwellige oder „rote“ Grenze der spektralen Empfindlichkeit des Materials bezeichnet.

Die Intensität des photoelektrischen Effekts (in dem Spektralbereich, in dem er auftreten kann) hängt von der Quantenausbeute ab, die durch das Verhältnis der Anzahl der erzeugten Elektron-Loch-Paare zur Anzahl der absorbierten Photonen bestimmt wird. Die Analyse der experimentellen Abhängigkeiten zeigt, dass im interessierenden Spektralbereich für Optokoppler b = 1 gilt.

Die Bildung freier Ladungsträger unter dem Einfluss von Strahlung äußert sich in einem Halbleiter in Form von zwei photoelektrischen Effekten: Photoleitfähigkeit (eine Erhöhung der Leitfähigkeit der Probe bei Beleuchtung) und Photovoltaik (das Auftreten einer Photo-EMK bei ein pn-Übergang oder eine andere Art von Potentialbarriere in einem Halbleiter bei Beleuchtung). Beide Effekte werden in der Praxis des Entwurfs von Fotodetektoren genutzt; Bei Optokopplern ist die Nutzung des Photo-EMF-Effekts bevorzugt und dominant.

Die Hauptparameter und Eigenschaften von Fotodetektoren (unabhängig von der physikalischen Beschaffenheit und dem Design dieser Geräte) können in mehrere Gruppen eingeteilt werden. Zu den optischen Eigenschaften gehören die Fläche der lichtempfindlichen Oberfläche, das Material, die Abmessungen und die Konfiguration des optischen Fensters; maximale und minimale Strahlungsleistung. Für elektrooptische Systeme – Lichtempfindlichkeit, der Grad der Gleichmäßigkeit der Empfindlichkeitsverteilung über den Lichtempfangsbereich; spektrale Empfindlichkeitsdichte (Abhängigkeit des die Empfindlichkeit charakterisierenden Parameters von der Wellenlänge); Eigenrauschen des Fotodetektors und seine Abhängigkeit von der Beleuchtungsstärke und dem Betriebsfrequenzbereich; Auflösungszeit (Geschwindigkeit); Qualitätsfaktor (ein kombinierter Indikator, mit dem Sie verschiedene Fotodetektoren miteinander vergleichen können); Linearitätsindex; Dynamikbereich. Als Element eines Stromkreises zeichnet sich ein Fotodetektor vor allem durch die Parameter seines Ersatzschaltkreises, Anforderungen an die Betriebsarten, das Vorhandensein (oder Fehlen) eines eingebauten Verstärkungsmechanismus sowie die Art und Form aus das Ausgangssignal. Weitere Merkmale: Betrieblich, zuverlässig, dimensional, technologisch – enthalten keine speziell „fotodetektierenden“ Merkmale.

Je nach Art des Ausgangssignals (Spannung, Strom) geben sie die Volt- oder Strom-Lichtempfindlichkeit des Empfängers S an, gemessen in V/W bzw. A/W. Die Linearität (oder Nichtlinearität) des Fotodetektors wird durch den Wert des Exponenten n in der Gleichung bestimmt, die das Ausgangssignal mit dem Eingang in Beziehung setzt: U out (oder I out) ~ P f. Bei n 1 ist der Photodetektor linear; Der Wertebereich von P f (von P f max bis P f min), in dem dies durchgeführt wird, bestimmt den dynamischen Bereich der Linearität des Fotodetektors D, normalerweise ausgedrückt in Dezibel: D = 10 lg (P f max / P f min).

Der wichtigste Parameter des Fotodetektors, der die Schwelle seiner Empfindlichkeit bestimmt, ist das spezifische Nachweisvermögen D, gemessen in W -1 m Hz 1/2. Mit einem bekannten Wert von D wird die Empfindlichkeitsschwelle (minimal nachweisbare Strahlungsleistung) bestimmt als

P f min = / D (2,9)

wobei A die Fläche des lichtempfindlichen Bereichs ist; D f ist der Betriebsfrequenzbereich des Fotosignalverstärkers. Mit anderen Worten, der Parameter D spielt die Rolle des Qualitätsfaktors des Fotodetektors.

Reis. 4. Messschaltungen und Familien von Strom-Spannungs-Kennlinien in den Betriebsarten Fotodiode (a) und Fotoventil (b).

Bei der Anwendung auf Optokoppler sind nicht alle der aufgeführten Eigenschaften gleichermaßen wichtig. Fotodetektoren in Optokopplern arbeiten in der Regel bei Bestrahlungsstärken, die sehr weit vom Schwellenwert entfernt sind, sodass sich die Verwendung der Parameter P f min und D als praktisch nutzlos erweist. Strukturell ist der Fotodetektor im Optokoppler normalerweise in die Tauchkammer „eingelassen“. das Medium, das es mit dem Emitter verbindet, sodass die Kenntnis der optischen Eigenschaften des Eingangsfensters bedeutungslos wird (in der Regel gibt es kein spezielles Fenster). Es ist nicht sehr wichtig, die Verteilung der Empfindlichkeit über den lichtempfindlichen Bereich zu kennen, da integrale Effekte von Interesse sind.

Betrachten wir den Funktionsmechanismus von Fotodetektoren, die auf dem photovoltaischen Effekt basieren, am Beispiel planar-epitaxialer Fotodioden mit einem p-n-Übergang und einer pin-Struktur, bei denen wir zwischen n + -Substrat, n- oder i-Typ-Basis (schwach) unterscheiden können Leitfähigkeit (n-Typ) und eine dünne p + -Schicht. Beim Betrieb im Fotodiodenmodus (Abb. 4a) zwingt eine von außen angelegte Spannung bewegliche Löcher und Elektronen dazu, sich vom p-n-Übergang (p-i) zu entfernen. In diesem Fall stellt sich heraus, dass das Bild der Feldverteilung im Kristall für die beiden betrachteten Strukturen stark unterschiedlich ist.

Lichtstrahlung, die im Basisbereich der Diode absorbiert wird, erzeugt Elektron-Loch-Paare, die zum pn-Übergang diffundieren, von diesem getrennt werden und das Auftreten von zusätzlichem Strom im externen Stromkreis verursachen. Bei p-i-n-Dioden erfolgt diese Trennung im i-o6-Feld und anstelle des Diffusionsprozesses driften Ladungsträger unter dem Einfluss des elektrischen Feldes. Jedes erzeugte Elektron-Loch-Paar, das den pn-Übergang passiert, bewirkt den Durchgang einer Ladung im externen Stromkreis, die der Ladung des Elektrons entspricht. Je größer die Bestrahlungsstärke der Diode ist, desto größer ist der Photostrom. Der Fotostrom fließt auch, wenn die Diode in Durchlassrichtung vorgespannt ist (Abb. 4, a). Allerdings ist er selbst bei niedrigen Spannungen viel geringer als der Durchlassstrom, sodass seine Isolierung schwierig ist.

Der Arbeitsbereich der Strom-Spannungs-Kennlinie der Fotodiode ist Quadrant III in Abb. 4,a; Dementsprechend ist der wichtigste Parameter die Stromempfindlichkeit

(2.10)

Die zweite Gleichung in (2.10) wurde unter der Annahme einer linearen Abhängigkeit erhalten I f = f(P f) und die dritte – unter der Bedingung der Vernachlässigung des Dunkelstroms (I T<< I Ф), что для кремниевых фотодиодов обычно выполняется.

Wenn Sie eine Fotodiode beleuchten, ohne eine externe Vorspannung anzulegen, erfolgt der Prozess der Trennung der erzeugten Elektronen und Löcher aufgrund der Wirkung des eingebauten Felds des pn-Übergangs. In diesem Fall fließen die Löcher in den p-Bereich und kompensieren teilweise das eingebaute Feld des pn-Übergangs. Es entsteht ein neuer Gleichgewichtszustand (für einen gegebenen Wert: P f), in dem an den Außenanschlüssen der Diode eine Photo-EMF U f auftritt. Wenn Sie die beleuchtete Fotodiode an eine bestimmte Last anschließen, liefert sie nützliche elektrische Energie R e an sie.

Die charakteristischen Punkte der Strom-Spannungs-Kennlinie einer in einem solchen Photoventilmodus arbeitenden Diode sind die Leerlauf-EMK Uxx und der Kurzschlussstrom I short (Abb. 4b).

Schematisch gesehen fungiert eine Fotodiode im Ventilmodus als eine Art sekundäre Stromquelle, ihr bestimmender Parameter ist also die Effizienz der Umwandlung von Lichtenergie in elektrische Energie:

Effizienz = P e / AP f = aU xx I short / A pf (2.11)

Eine wichtige Klasse von Photovoltaikgeräten – Sonnenkollektoren – arbeitet im Photovoltaikmodus.

Parameter und Eigenschaften von Optokopplern und optoelektronischen integrierten Schaltkreisen

Klassifizierung der Parameter von Optokopplerprodukten

Bei der Klassifizierung von Optokopplerprodukten werden zwei Punkte berücksichtigt: die Art des Fotodetektors und die Konstruktionsmerkmale des gesamten Geräts.

Die Wahl des ersten Klassifizierungskriteriums ist darauf zurückzuführen, dass fast alle Optokoppler über eine LED am Eingang verfügen und die Funktionalität des Geräts durch die Ausgangseigenschaften des Fotodetektors bestimmt wird.

Das zweite Merkmal ist das Design, das die konkrete Anwendung des Optokopplers bestimmt.

Reis. 5. Zur Bestimmung der Impulsparameter von Optokopplern

Unter Verwendung dieses gemischten Entwurfs- und Scist es logisch, drei Hauptgruppen von Optokopplern zu unterscheiden: Optokoppler (elementare Optokoppler), optoelektronische (Optokoppler) integrierte Schaltkreise und spezielle Arten von Optokopplern. Jede dieser Gruppen umfasst eine große Anzahl von Gerätetypen.

Für die gängigsten Optokoppler werden folgende Abkürzungen verwendet: D – Diode, T – Transistor, R – Widerstand, U – Thyristor, T 2 – mit zusammengesetztem Fototransistor, DT – Diodentransistor, 2D (2T) – Diode (Transistor). ) Differential.

Das Parametersystem von Optokopplerprodukten basiert auf dem Parametersystem von Optokopplern, das aus vier Gruppen von Parametern und Modi gebildet wird.

Die erste Gruppe charakterisiert den Eingangskreis des Optokopplers (Eingangsparameter), die zweite - seinen Ausgangskreis (Ausgangsparameter), die dritte - kombiniert Parameter, die den Grad des Einflusses des Emitters auf den Fotodetektor und die damit verbundenen Merkmale des Signaldurchgangs charakterisieren Durch den Optokoppler als Koppelelement (Übertragungscharakteristikparameter) schließlich fasst die vierte Gruppe galvanische Isolationsparameter zusammen, deren Werte zeigen, wie nah der Optokoppler an einem idealen Isolationselement ist. Von den vier aufgeführten Gruppen sind die Parameter der Übertragungscharakteristik und die Parameter der galvanischen Trennung die bestimmenden, konkret „Optokoppler“.

Der wichtigste Parameter von Dioden- und Transistor-Optokopplern ist der Stromübertragungskoeffizient. Die Bestimmung der Pulsparameter von Optokopplern wird anhand von (Abb. 5) deutlich. Die Referenzpegel bei der Messung der Parameter tnar(sp), tzd und ton(off) sind üblicherweise die Pegel 0,1 und 0,9, die Gesamtzeit der logischen Verzögerung des Signals wird durch den Pegel 0,5 der Impulsamplitude bestimmt.

Parameter der galvanischen Trennung. Die Optokoppler sind: die maximal zulässige Spitzenspannung zwischen Ein- und Ausgang Udiv p max; maximal zulässige Spannung zwischen Ein- und Ausgang Udiv max; galvanischer Isolationswiderstand Rdiv; Durchgangskapazität C div; maximal zulässige Spannungsänderungsgeschwindigkeit zwischen Eingang und Ausgang (dU Volt/dt) max. Der wichtigste Parameter ist U dev p max. Dies bestimmt die elektrische Festigkeit des Optokopplers und seine Fähigkeiten als Element der galvanischen Trennung.

Die betrachteten Parameter von Optokopplern werden vollständig oder mit einigen Modifikationen auch zur Beschreibung optoelektronischer integrierter Schaltkreise verwendet.

Dioden-Optokoppler

Reis. 6. Symbole von Optokopplern

Diodenoptokoppler (Abb. 6a) prägen stärker als alle anderen Geräte die Ebene der Optokoppler. Anhand des Werts von K i kann man die erreichte Effizienz der Energieumwandlung im Optokoppler beurteilen; Die Werte der Zeitparameter ermöglichen es, die maximale Geschwindigkeit der Informationsausbreitung zu bestimmen. Der Anschluss bestimmter Verstärkerelemente an einen Dioden-Optokoppler ist zwar sehr nützlich und praktisch, kann jedoch weder in Bezug auf Energie noch in Bezug auf maximale Frequenzen einen Gewinn bringen.

Transistor- und Thyristor-Optokoppler

Transistor-Optokoppler(Abb. 6, c) Einige ihrer Eigenschaften sind im Vergleich zu anderen Arten von Optokopplern günstig. Dabei handelt es sich in erster Linie um die Flexibilität der Schaltung, die sich darin äußert, dass der Kollektorstrom sowohl über die LED-Schaltung (optisch) als auch über die Basisschaltung (elektrisch) gesteuert werden kann und auch darin, dass die Ausgangsschaltung sowohl linear als auch schaltend arbeiten kann Modi. Der interne Verstärkungsmechanismus sorgt für große Werte des Stromübertragungskoeffizienten K i, sodass nachfolgende Verstärkungsstufen nicht immer notwendig sind. Wichtig ist, dass die Trägheit des Optokopplers nicht sehr hoch ist und in vielen Fällen durchaus akzeptabel ist. Die Ausgangsströme von Fototransistoren sind deutlich höher als beispielsweise Fotodioden, wodurch sie sich zum Schalten verschiedenster Stromkreise eignen. Abschließend sei darauf hingewiesen, dass all dies durch die relative technologische Einfachheit von Transistor-Optokopplern erreicht wird.

Thyristor-Optokoppler(Abb. 6, b) sind für das Schalten von Hochstrom-Hochspannungskreisen am vielversprechendsten: Hinsichtlich der Kombination von in der Last geschalteter Leistung und Geschwindigkeit sind sie T 2-Optokopplern deutlich vorzuziehen. Optokoppler vom Typ AOU103 sind für den Einsatz als kontaktlose Schlüsselelemente in verschiedenen funkelektronischen Schaltkreisen vorgesehen: Steuerschaltkreise, Leistungsverstärker, Impulsformer usw.

Widerstandsoptokoppler

Widerstandsoptokoppler (Abb. 6, d) unterscheiden sich grundlegend von allen anderen Arten von Optokopplern in ihren physikalischen, konstruktiven und technologischen Merkmalen sowie in der Zusammensetzung und den Parameterwerten.

Das Funktionsprinzip eines Fotowiderstands basiert auf dem Effekt der Fotoleitfähigkeit, also einer Widerstandsänderung eines Halbleiters bei Beleuchtung.

Differenzielle Optokoppler zur analogen Signalübertragung

Das gesamte oben genannte Material betrifft die Probleme der Übertragung digitaler Informationen über einen galvanisch isolierten Stromkreis. Wenn wir über Linearität, über analoge Signale sprachen, sprachen wir in allen Fällen über die Art der Ausgangscharakteristik des Optokopplers. In allen Fällen wurde die Kontrolle über den Emitter-Photodetektor-Kanal nicht durch eine lineare Abhängigkeit beschrieben. Eine wichtige Aufgabe ist die Übertragung analoger Informationen mittels Optokoppler, also die Sicherstellung der Linearität der Eingangs-Ausgangs-Übertragungskennlinie. Erst mit solchen Optokopplern ist es möglich, analoge Informationen direkt über galvanisch getrennte Schaltkreise zu verteilen, ohne sie in digitale Form (Pulsfolge) umzuwandeln.

Ein Vergleich der Eigenschaften verschiedener Optokoppler nach für die Übertragung analoger Signale wichtigen Parametern führt zu dem Schluss, dass dieses Problem nur mit Hilfe von Diodenoptokopplern mit guten Frequenz- und Rauscheigenschaften gelöst werden kann. Die Komplexität des Problems liegt vor allem im engen Bereich der Linearität der Übertragungskennlinie und dem Grad dieser Linearität bei Diodenoptokopplern.

Es ist zu beachten, dass bei der Schaffung galvanisch getrennter Geräte, die für die Übertragung analoger Signale geeignet sind, erst die ersten Schritte unternommen wurden und weitere Fortschritte zu erwarten sind.

Optoelektronische Mikroschaltungen und andere Optokopplergeräte

Optoelektronische Mikroschaltungen sind eine der am weitesten verbreiteten, sich entwickelnden und vielversprechendsten Klassen optronischer Technologieprodukte. Dies liegt an der vollständigen elektrischen und strukturellen Kompatibilität optoelektronischer Mikroschaltungen mit herkömmlichen Mikroschaltungen sowie an ihrer breiteren Funktionalität im Vergleich zu elementaren Optokopplern. Wie bei herkömmlichen Mikroschaltungen werden am häufigsten schaltende optoelektronische Mikroschaltungen verwendet.

Spezielle Arten von Optokopplern unterscheiden sich stark von herkömmlichen Optokopplern und optoelektronischen Mikroschaltungen. Dazu zählen vor allem Optokoppler mit offenem optischen Kanal. Beim Design dieser Geräte gibt es einen Luftspalt zwischen dem Emitter und dem Fotodetektor, sodass Sie durch die Platzierung bestimmter mechanischer Barrieren darin den Lichtfluss und damit das Ausgangssignal des Optokopplers steuern können. Somit fungieren Optokoppler mit offenem optischen Kanal als optoelektronische Sensoren, die das Vorhandensein (oder Fehlen) von Objekten, den Zustand ihrer Oberfläche, die Bewegungs- oder Rotationsgeschwindigkeit usw. erkennen.

Anwendungsgebiete von Optokopplern und Optokoppler-Mikroschaltungen

Vielversprechende Richtungen für die Entwicklung und Anwendung der Optokoppler-Technologie sind weitgehend festgelegt. Optokoppler und Optokoppler-Mikroschaltungen werden effektiv zur Informationsübertragung zwischen Geräten verwendet, die keine geschlossenen elektrischen Verbindungen haben. Traditionell ist die Stellung optoelektronischer Geräte in der Technologie zur Gewinnung und Anzeige von Informationen nach wie vor stark. Von unabhängiger Bedeutung in dieser Richtung sind Optokoppler-Sensoren, die zur Überwachung von Prozessen und Objekten unterschiedlichster Art und Zweck konzipiert sind. Die funktionellen Optokoppler-Mikroschaltkreise, die sich auf die Durchführung verschiedener Vorgänge im Zusammenhang mit der Umwandlung, Akkumulation und Speicherung von Informationen konzentrieren, machen deutliche Fortschritte. Es ist wirksam und sinnvoll, sperrige, kurzlebige und (aus Sicht der Mikroelektronik) Low-Tech-elektromechanische Produkte (Transformatoren, Potentiometer, Relais) durch optoelektronische Geräte und Geräte zu ersetzen. Ganz konkret, aber in vielen Fällen gerechtfertigt und sinnvoll, ist der Einsatz von Optokopplerelementen für Energiezwecke.

Übermittlung von Informationen

Reis. 7. Schema der galvanischen Trennung zwischen Blöcken

Die Anpassungsschaltung eines Transistor-Transistor-Logikelements (TTL) mit einem integrierten Gerät auf Basis von MIS-Transistoren ist auf einem Transistor-Optokoppler aufgebaut (Abb. 8). In einer bestimmten Version: E 1 = E 2 = 5 V, E 3 = 15 V, R 1 = 820 Ohm, R 2 = 24 kOhm – die Optokoppler-LED wird durch einen Strom (5 mA) erregt, der ausreicht, um den Transistor zu sättigen und Steuern Sie das Gerät zuverlässig über die MIS-Transistoren.

Reis. 8. Schema zum Koppeln von TTL- und MIS-Elementen über einen optischen Kanal

Optische Kommunikation wird aktiv in Telefongeräten und -systemen eingesetzt. Mit Hilfe von Optokopplern ist es mit technisch einfachen Mitteln möglich, mikroelektronische Geräte zum Telefonieren, Anzeigen, Steuern und für andere Zwecke an Telefonleitungen anzuschließen.

Die Einführung optischer Verbindungen in elektronische Messgeräte ermöglicht neben der in vielerlei Hinsicht sinnvollen galvanischen Trennung des Untersuchungsobjekts und des Messgeräts auch eine deutliche Reduzierung des Einflusses von Störungen entlang der Erdung und der Stromversorgung Schaltkreise.

Von besonderem Interesse sind die Möglichkeiten und Erfahrungen beim Einsatz optoelektronischer Instrumente und Geräte in biomedizinischen Geräten. Optokoppler ermöglichen es, den Patienten zuverlässig von der Wirkung hoher Spannungen, wie sie beispielsweise in Elektrokardiographiegeräten vorkommen, zu isolieren.

Die berührungslose Steuerung leistungsstarker Hochspannungskreise über optische Kanäle ist in komplexen technischen Modi, die für viele Geräte und Komplexe der Industrieelektronik charakteristisch sind, sehr komfortabel und sicher. In diesem Bereich haben Thyristor-Optokoppler eine starke Stellung (Abb. 9).

Reis. 9. Wechselstrom-Lastschaltdiagramm

Empfangen und Anzeigen von Informationen

Optokoppler und Optokoppler-Mikroschaltungen nehmen eine starke Position in der berührungslosen Ferntechnik ein, um Informationen über die Eigenschaften und Eigenschaften sehr unterschiedlicher (in Art und Zweck) Prozesse und Objekte schnell zu empfangen und genau anzuzeigen. Optokoppler mit offenen optischen Kanälen verfügen in dieser Hinsicht über einzigartige Fähigkeiten. Darunter sind optoelektronische Unterbrecher, die auf die Kreuzung des optischen Kanals mit undurchsichtigen Objekten reagieren (Abb. 10), und reflektierende Optokoppler, bei denen die Wirkung von Lichtemittern auf Fotodetektoren vollständig mit der Reflexion des emittierten Flusses von externen Objekten zusammenhängt.

Reis. 10. Optoelektronischer Sensor

Das Einsatzspektrum von Optokopplern mit offenen optischen Kanälen ist umfangreich und vielfältig. Bereits in den 60er Jahren wurden Optokoppler dieser Art effektiv zur Registrierung von Gegenständen und Gegenständen eingesetzt. Bei einer solchen Registrierung, die vor allem für Geräte zur automatischen Kontrolle und Zählung von Objekten sowie zur Erkennung und Anzeige verschiedener Arten von Mängeln und Ausfällen typisch ist, ist es wichtig, den Standort des Objekts eindeutig zu bestimmen bzw. den Sachverhalt wiederzugeben seine Existenz. Optokoppler erfüllen Registrierungsfunktionen zuverlässig und schnell.

Elektrische Prozesssteuerung

Die von der LED erzeugte Strahlungsleistung und die Höhe des Photostroms, der in linearen Schaltkreisen mit Photodetektoren entsteht, sind direkt proportional zum elektrischen Leitfähigkeitsstrom des Emitters. Somit ist es über optische (kontaktlose, entfernte) Kanäle möglich, ganz spezifische Informationen über Vorgänge in elektrischen Schaltkreisen zu erhalten, die galvanisch mit dem Emitter verbunden sind. Besonders effektiv ist der Einsatz von Optokoppler-Lichtemittern als Sensoren für elektrische Änderungen in Hochstrom- und Hochspannungsschaltkreisen. Eine klare Information über solche Änderungen ist wichtig, um Energiequellen und Verbraucher rechtzeitig vor elektrischen Überlastungen zu schützen.

Reis. 11. Spannungsstabilisator mit Steueroptokoppler

Optokoppler werden erfolgreich in Hochspannungs-Spannungsstabilisatoren eingesetzt, wo sie optische Kanäle mit negativer Rückkopplung erzeugen. Bei dem betreffenden Stabilisator (Abb. 11) handelt es sich um ein Gerät vom Reihentyp, bei dem das Regelelement ein Bipolartransistor ist und die Silizium-Zenerdiode als Referenzspannungsquelle (Referenzspannung) fungiert. Das Vergleichselement ist eine LED.

Wenn die Ausgangsspannung in der Schaltung von Abb. 11 steigt, dann steigt auch der Leitungsstrom der LED. Der Fototransistor des Optokopplers wirkt auf den Transistor und unterdrückt mögliche Instabilitäten der Ausgangsspannung.

Austausch elektromechanischer Produkte

In einer Reihe technischer Lösungen zur Verbesserung der Effizienz und Qualität von Automatisierungsgeräten, Funktechnik, Telekommunikation, Industrie- und Unterhaltungselektronik ist der Austausch elektromechanischer Produkte (Transformatoren, Relais, Potentiometer, Rheostaten, Druckknöpfe) eine sinnvolle und sinnvolle Maßnahme und Schlüsselschalter) mit kompakteren, langlebigeren und schnell reagierenden Gegenstücken. Die führende Rolle in dieser Richtung kommt optoelektronischen Geräten und Geräten zu. Tatsache ist, dass sehr wichtige technische Vorteile von Transformatoren und elektromagnetischen Relais (galvanische Trennung von Steuer- und Lastkreisen, zuverlässiger Betrieb in leistungsstarken Hochspannungs- und Hochstromsystemen) auch für Optokoppler charakteristisch sind. Gleichzeitig sind optoelektronische Produkte ihren elektromagnetischen Gegenstücken in Bezug auf Zuverlässigkeit, Haltbarkeit, Transienten- und Frequenzeigenschaften deutlich überlegen. Kompakte und schnelle optoelektronische Transformatoren, Schalter und Relais werden mithilfe digitaler integrierter Schaltkreise ohne besondere elektrische Anpassung sicher gesteuert.

Ein Beispiel für den Austausch eines Impulstransformators ist in Abb. dargestellt. 12.

Reis. 12. Diagramm eines optoelektronischen Transformators

Energiefunktionen

Im Energiemodus werden Optokoppler als sekundäre EMK- und Stromquellen verwendet. Der Wirkungsgrad von Optokoppler-Energiewandlern ist gering. Die Möglichkeit, eine zusätzliche Spannungs- oder Stromquelle in jeden Stromkreis des Geräts einzuführen, ohne dass eine galvanische Verbindung zur primären Stromquelle besteht, gibt dem Entwickler jedoch einen neuen Freiheitsgrad, der besonders nützlich ist, wenn nicht standardmäßige technische Probleme gelöst werden.