lгр=hc/( Ec-Ev)1.23/ Eg                                                       (2.8)

            Второе равенство  в (2.8)  справедливо, если lгр выражено в  микрометрах, а  ширина запрещенной  зоны полупроводника Eg -  в  электроновольтах. Величину lгр называют  длинноволновой  или “красной” границей спектральной  чувствительности  материала.

            Интенсивность протекания фотоэффекта (в той спектральной  области,  где   он  может существовать) зависит от квантового выхода, определяемого отношением числа генерированных пар электрон-дырка к числу поглощенны фотонов.   Анализ  экспериментальных  зависимостей    от показывает, что в   интересной  для   оптронов  спектральной   области  b=1.

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

            Основные параметры и характеристики фотоприемников (безотносительно к физической природе и конструкции этих приборов) можно подразделить на несколько групп , К оптическим характеристикам относятся площадь фоточувствительной поверхности, материал, размеры и конфигурация оптического  окна; максимальный   и   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 и их зависимость  от уровня  засветки и диапазона  рабочих  частот; разрешающее  время (быстродействие); коэффициент качества (комбинированный показатель, позволяющий сопоставлять различные фотоприемники друг с другом); показатель линейности; динамический диапазон. Как элемент электрической цепи фотоприемник характеризуется прежде всего параметрами  его эквивалентной  схемы, требованиями  к рабочим режимам, наличием  (или отсутствием)  встроенного механизма  усиления,  видом  и формой  выходного сигнала. Прочие   характеристики:   эксплуатационные,  надежностные,  габаритные,  технологические -  ничего специфически “фотоприемното” не содержат.

            В зависимости от характера выходного  сигнала (напряжение, ток)  говорят о  вольтовой или  токовой фоточувствительности  приемника S,  измеряемых  соответственно в В/Вт или  А/Вт. Линейность  (или нелинейность) фотоприемника  определяется  значением  показателя  степени  n  в   уравнении,  связывающем   выходной  сигнал с  входным: Uвых( или Iвых)~Pф. При n1 фотоприемник  линеен;  область  значений Pф(от Pф max до Pф min), в  которой  это  выполняется,  определяет  динамический диапазон   линейности   фотоприемника ,  выражаемый обычно в децибелах: =10 lg(Pф max /Pф min).

            Важнейшим  параметром   фотоприемника,  определяющим порог его  чувствительности, является  удельная обнаружительная  способность D,  измеряемая   в Вт-1мГц1/2. При известном  значении D порог чувствительности   (минимальная   фиксируемая   мощность  излучения) определяется как

Pф min=/D                                                                     (2.9)

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

            В применении к оптронам  не все  перечисленные характеристики   оказываются   одинаково   важными.   Как правило,  фотоприемники  в  оптронах  работают  при облученностях,  очень далеких  от пороговых,  поэтому использование  параметров Pф min и D оказывается практически    бесполезным.  Конструктивно   фотоприемник в оптроне обычно, “утоплен” в иммерсионную. среду, соединяющую его с излучателем, поэтому знание оптических характеристик входного окна теряет смысл (как правило, специально такого окна нет). Не очень важно знать и распределение чувствительности по фоточувствительной площадке, так как интерес представляют интегральные эффекты.

            Механизм   работы   фотоприемников,   базирующихся   на фотовольтаическом    эффекте,   рассмотрим    на   примере планарно-эпитаксиальных фотодиодов  с  р   -  n-переходом  и с р - i - n-структурой,  в которых  можно выделить  n+- подложку,  базу  n-  или i-типа  (слабая проводимость  n-типа)  и  тонкий  р+-слой.  При работе  в фотодиодном  режиме  (рис. 2.4,а)  приложенное   извне  напряжение   заставляет   подвижные   дырки    и   электроны уходить от р - n(р - i)-перехода;  при этом  картина распределения  поля  в  кристалле оказывается резко различной для двух рассматриваемых структур.

            Световое  излучение,   поглощаясь  в   базовой  области диода,   генерирует   электронно-дырочные   пары,  которые диффундируют  к  р  -  n-переходу,  разделяются  им   и  вызывают   появление   дополнительного   тока    во   внешней цепи. В р -  i -  n-диодах это  разделение происходит  в поле  i-o6лaсти  и  вместо  процесса  диффузии   имеет  место дрейф   носителей   заряда   под   влиянием  электрического поля. Каждая генерированная электронно-дырочная пара,  прошедшая  через  р  -  n-переход,  вызывает  прохождение  во  внешней  цепи  заряда,  равного  заряду  электрона.  Чем  больше  облученность   диода,  тем   больше  фототок.  Фототок  протекает  и  при  смещении  диода  в прямом  направлении  (рис.  2.4,а),   однако  уже   при  небольших напряжениях   он   оказывается   намного   меньше   прямого тока,  поэтому  его  выделение   оказывается  затруднительным.

            Рабочей    областью    вольт-амперных    характеристик фотодиода является  III квадрант  на рис. 2.4,а; соответственно   этому   в   качестве  важнейшего   параметра  выступает токовая чувствительность

                                                     (2.10)

            Второе равенство в (2.10) получено  в предположении  линейной зависимости Iф=f(Pф), а третье - при условии пренебрежения темновым  током (),  что для  кремниевых фотодиодов обычно выполняется.

            Если освещать фотодиод без приложения к нему  внешнего   смещения,   то   процесс   разделения   генерируемых   электронов   и   дырок   будет    протекать   благодаря действию  собственного  встроенного  поля  р  -  n-перехода. При  этом  дырки  будут  перетекать  в  р-область  и  частично  компенсировать  встроенное  поле  р  -  n-перехода.  Создается   некоторое  новое   равновесное  (для   данного  значения: Pф)  состояние,  при  котором  на   внешних  выводах диода   возникает   фото-ЭДС Uф. Если   замкнуть  освещенный  фотодиод  на  некоторую  нагрузку,   то  он   будет  отдавать в нее полезную электрическую мощность Рэ.

            Характеристическими точками вольт-амперных характеристик диода, работающего в таком - фотовентильном - режиме, являются ЭДС холостого хода Uxx и  ток короткого замыкания Iкз (рис. 2.4,б).

            Схематически фотодиод в вентильном режиме работает как своеобразныйный вторичный источник питания, поэтому  его определяющим   параметром   является   КПД  преобразования световой энергии в электрическую:

КПД=Pэ/APф=aUxxIкз/ Apф                                       (2.11)

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

3. ПАРАМЕТРЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ОПТОПАР И ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ

3.1. КЛАССИФИКАЦИЯ  ПАРАМЕТРОВ ИЗДЕЛИЙ

ОПТРОННОИ ТЕХНИКИ

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

Выбор   первого   классификационного   признака   обусловлен  тем, что  практически у  всех оптронов  на входе помещен  светодиод  и  функциональные  возможности  прибора   определяются  выходными   характеристиками  фотоприемного устройства.

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

Используя   этот   смешанный   конструктивно-схемотехнический  принцип  классификации, логично  выделить три основные  группы  изделий  оптронной  техники: оптопары (элементарные  оптроны),   оптоэлектронные  (оптронные) интегральные  микросхемы  и  специальные   виды  оптронов.  К каждой  из этих  групп относится  большое число 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 и режимов.

Первая   группа   характеризует  входную   цепь  оптопары  (входные  параметры),  вторая  -  ее  выходную цепь (выходные  параметры),  третья  -  объединяет  параметры, характеризующие   степень   воздействия   излучателя   на фотоприемник  и  связанные  с  этим  особенности  прохождения  сигнала  через  оптопару  как  элемент  связи (параметры    передаточной  характеристики),  наконец,  четвертая  группа   объединяет  параметры     гальванической развязки,  значения  которых  показывают,  насколько  приближается   оптопара   к  идеальному   элементу  развязки. Из   четырех   перечисленных  групп   определяющими,  специфически “оптронными” являются параметры передаточной характеристики и параметры гальванической развязки.

Важнейшим параметром диодной и транзисторной оптопар является коэффициент  передачи  тока. Определение  импульсных  параметров  оптронов ясно из (рис. 3.1). Отсчетными уровнями при  измерении параметров tнар(сп), tзд, и tвкл(выкл) обычно служат уровни 0.1 и 0.9, полное  время логической  задержки сигнала определяется по уровню  0,5 амплитуды  импульса.

Параметрами     гальванической     развязки.    Оптопар являются:   максимально   допустимое    пиковое   напряжение  между  входом  и  выходом  Uразв п max; максимально допустимое    напряжение    между    входом    и   выходом Uразв max; сопротивление  гальванической  развязки Rразв;  проходная емкость Cразв; максимально допустимая скорость изменения напряжения между  входом в выходом (dUразв/dt)max. Важнейшим является параметр Uразв п max. Именно  он   определяет  электрическую   прочность   оптопары   и   ее возможности как элемента гальванической развязки.

Рассмотренные параметры оптопар полностью или с некоторыми изменениями используются и для описания оптоэлектронных интегральных микросхем.

3.2. ДИОДНЫЕ ОПТОПАРЫ

Диодные оптопары (рис. 3.2,а)  в большой  степени, чем какие-либо: другие приборы, характеризуют уровень оптронной техники. По величине Кi можно судить о достигнутых КПД преобразования энергии в оптроне; значения временных параметров позволяют определить предельные  скорости  распространения  информации. Подключение к диодной оптопаре тех или  иных усилительных элементов, весьма полезное  и удобное,  не может тем не менее дать выигрыша ни  по энергетике,  ни по предельным частотам.

3.3. ТРАНЗИСТОРНЫЕ И ТИРИСТОРНЫЕ ОПТОПАРЫ

Транзисторные оптопары (рис. 3.2, c) рядом своих свойств выгодно отличаются от других видов оптронов. Это прежде всего схемотехническая гибкость, проявляющаяся в том, что коллекторным током можно управлять как по цепи светодиода (оптически), так и по базовой цепи (электрически), а также в том, что выходная цепь может работать и в линейном и в ключевом режиме. Механизм внутреннего усиления обеспечивает получение больших значений коэффициента передачи тока  Кi, так  что последующие   усилительные   каскады   не   всегда  необходимы.  Важно,  что  при этом  инерционность оптопары не очень велика  и для  многих случаев  вполне допустима.   Выходные   токи   фототранзисторов  значительно выше, чем, например,  у фотодиодов,  что делает  их пригодными  для  коммутации  широкого  круга электрических цепей. Наконец, следует отметить, что все  это достигается  при  относительной технологической  простоте транзисторных  оптопар.

Тиристорные оптопары (рис. 3.2, b) наиболее  перспективны  для коммутации  сильноточных высоковольтных  цепей:  по сочетанию  мощности, коммутируемой в нагрузке, и быстродействию они  явно предпочтительнее Т2  -оптопар.  Оптопары типа  АОУ103 предназначены  для  использования  в  качестве бесконтактных  ключевых  элементов  в  различных радиоэлектронных схемах: в  цепях управления,  усилителях мощности, формирователях импульсов и т.  п.

3.4. РЕЗИСТОРНЫЕ ОПТОПАРЫ

Резисторные   оптопары  (рис. 3.2, d)  принципиально отличаются  от всех  других видов  оптопар физическими и     конструктивно-технологическими    особенностями, а  также  составом  и  значениями  параметров.

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

3.5. ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ ОПТОПАРЫ ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ АНАЛОГОВОГО СИГНАЛА

Весь изложенный выше     материал     касается     вопросов передачи  цифровой  информации  по  гальванически  развязанной цепи. Во всех случаях, когда говорилось  о линейности,  об  аналоговых сигналах,  речь   шла  о   виде  выходной характеристики  оптопары.  Во  всех  случаях управление по каналу  излучатель  -  фотоприемник  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  становится  возможным   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  и  может  быть решена,  то только с  помощью   диодных  оптопар,   обладающих  хорошими частотными  и  шумовыми   характеристиками. Сложность проблемы заключается прежде всего в узком диапазоне линейности передаточной характеристики и степени этой линейности у диодных оптопар.

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

3.6. ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ МИКРОСХЕМЫ И ДРУГИЕ ПРИБОРЫ ОПТРОННОГО ТИПА

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

Специальные виды оптронов резко отличаются  от традиционных   оптопар   и    оптоэлектронных   микросхем. К ним относятся прежде всего  оптроны с  открытым оптическим  каналом.  В  конструкции  этих  приборов  между излучателем  и  фотоприемником  имеется  воздушный  зазор, так что, помещая в него те или  иные механические преграды,  можно  управлять  световым  потоком   и  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, скорость перемещения или поворота и т. п.

4. СФЕРЫ ПРИМЕНЕНИЯ ОПТРОНОВ И ОПТРОННЫХ МИКРОСХЕМ

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

4.1. ПЕРЕДАЧА ИНФОРМАЦИИ

При   передаче  информации   оптроны  используются в качестве элементов связи, и, как правило, не несут самостоятельной  функциональной  нагрузки.  Их  применение позволяет  осуществить весьма  эффективную гальваническую развязку  устройств управления  и нагрузки (рис 4.1), действующих в  различных электрических условиях  и режимах. С введением  оптронов резко  повышается помехоустойчивость  каналов  связи;  практически устраняются “паразитные” взаимодействия  по  цепям  “земли” и питания.

Интерес  представляет  также рациональное и надежное согласование  цифровых  интегральных  устройств  с  разнородной  элементной базой (ТТЛ, ЭСЛ, И2Л , КМОП и т. п).

Схема согласования элемента   транзисторно-транзисторной   логики  (ТТЛ)   с  интегральным   устройством  на МДП-транзисторах построена на транзисторном оптроне (рис. 4.2). 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   и   уверенного   управления устройством на МДП-транзисторах.

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

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

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

Бесконтактное  управление   мощными,  высоковольтными цепями по  оптическим каналам  весьма удобно  и безопасно  в  сложных  технических   режимах,  характерных  для   многих   устройств  и   комплексов  промышленной  электроники. В этой  области сильны  позиции  тиристорных  оптронов (рис 4.3).

4.2. ПОЛУЧЕНИЕ И ОТОБРАЖЕНИЕ ИНФОРМАЦИИ

Оптроны  и  оптронные  микросхемы  занимают  прочные  позиции в бесконтактной дистанционной технике оперативного получения  и точного  отображения информации о характеристиках и  свойствах весьма  различных (по природе и назначению) процессов и объектов. Уникальными  возможностями  в  этом плане  обладают оптроны с открытыми оптическими  каналами. Среди  них оптоэлектронные прерыватели, реагирующие  на пересечение  оптического канала непрозрачными объектами (рис 4.4),  и отражательные оптроны, у которых  воздействие светоизлучателей на фотоприемники  всецело связано  с отражением излучаемого потока от внешних объектов.

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

4.3. КОНТРОЛЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

Мощность   излучения,  генерируемого   светодиодом,  и уровень   фототока,   возникающего  в   линейных  цепях с  фотоприемниками,  прямо  пропорциональны  току электрической  проводимости  излучателя. Таким  образом, по оптическим   (бесконтактным,   дистанционным)   каналам можно   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  защиты источников и потребителей энергии от электрических перегрузок.

Оптроны успешно действуют в   высоковольтных стабилизаторах напряжения,  где они  создают оптические  каналы отрицательных  обратных связей. Рассматриваемый стабилизатор  (рис. 4.5) относятся  к устройству   последовательного   типа,   причем   регулирующим элементом  является  биполярный   транзистор, а кремниевый  стабилитрон действует  как источник,  опорного (эталонного)  напряжения.  Сравнивающим  элементом служит светодиод.

Если выходное напряжение  в  схеме рис. 4.5 возрастает, то увеличивается и  ток проводимости светодиода. Фототранзистор оптрона  воздействует на  транзистор, подавляя   возможную  нестабильность   выходного  напряжения.

4.4. ЗАМЕНА ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИИ

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

Пример замены импульсного трансформатора приведен на рис 4.5.

4.5. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ФУНКЦИИ

В  энергетическом  режиме оптроны   используются в  качестве  вторичных  источников  ЭДС  и  тока. КПД оптронных  преобразователей  энергии  невелик. Однако возможность  введения  дополнительного  источника  напряжения или тока  в любую  цепь устройства  без гальванической связи с  первичным источником  питания дает разработчику новую степень свободы,  особенно полезную при решении нестандартных технических зада.

Литература:

1. Ю. Р. Носов, А. С. Сидоров “Оптроны и их применение”- М.: Радио и связь, 1981 г.

2. В. И. Иванов, А. И. Аксенов, А. М. Юшин “Полупроводниковые оптоэлектронные приборы. / Справочник.”- М.:  Энергоатомиздат, 1984 г.

Страницы: 1, 2, 3