Оптроны и их применение в электронике. Оптопары

ОПТОПАРЫ (Оптроны)

Общие сведения

Оптоэлектроника
– одно из наиболее развитых направлений в функциональной микроэлектронике. В понятие “оптоэлектроника” включают и такие недавно возникшие направления, как лазерная техника, волоконная оптика, голография и другие.

В настоящее время оптоэлектронный прибор определяется как:

1) прибор чувствительный к электромагнитному излучению в видимой, инфракрасной или ультрафиолетовой областях спектра;

2) прибор излучающий и преобразующий некогерентное или когерентное излучение в этих же спектральных областях;

3) прибор, использующий электромагнитное излучение для своей работы.

Оптоэлектроника основана на электронно-оптическом принципе получения, передачи, обработки и хранения информации, носителем которой является электрически нейтральный фотон.

Изготовление ПП элементов оптоэлектроники оптронов

совместимо с интегральной технологией, поэтому их создание может быть включено в единый технологический цикл производства интегральных микросхем.

Рассмотрим основные технологические средства оптоэлектроники. Основным элементом является оптрон

, или оптопара

Оптопара –

оптоэлектронный прибор, содержащий фотоизлучатель и фотоприёмник, оптически и конструктивно связанные друг с другом.

Рис.1. Структурная схема оптрона

1– источника излучения (фотоизлучателя);

2 – световода (оптического канала);

3 – приёмника излучения (фотоприёмника), заключённого

в герметичный светонепроницаемый корпус.

Классификация оптронов:

Тип и название оптрона определяется типом используемого в нем фотоприемника. По этому признаку оптроны бывают:

– резисторные (фотоприёмник – фоторезистор);

– диодные (фотоприёмник – фотодиод);

– транзисторные (фотоприёмник – фототранзистор);

– тиристорные (фотоприёмник – фототиристор);

Применение в электронных цепях
:

– переключение;

– усиление;

– согласование;

– преобразование;

– индикация и др.

Определение и принцип действия

Принцип действия оптопары основан на двойном преобразовании энергии т.е.

1) В излучателях энергия электрического сигнала преобразуется в оптическое излучение, а в фотоприёмниках наоборот;

2) Оптический сигнал вызывает электрический ток или напряжение. Следовательно, оптопара

– это прибор с электрическими входными и выходными сигналами, т.е. связь с внешней схемой электрическая. А вот внутри оптопары связь входа с выходом осуществляется с помощью оптических сигналов.

Рассмотрим различные типы оптопар, различающихся друг от друга фотоприёмниками.

Резисторные
оптопары

Имеют в качестве излучателя сверхминиатюрную лампочку накаливания или светодиод, дающий видимое или инфракрасное излучение. Приёмником излучения является фоторезистор
, который может работать как на постоянном, так и на переменном токе.

Рис.16. Схема включения резисторной оптопары

У данной оптопары выходная цепь питается от источника постоянного или переменного напряжения Е
и имеет нагрузку R н. Напряжение U упр подаваемое на светодиод, управляет током в нагрузке. Цепь управления хорошо изолирована от фоторезистора, который может быть включён в цепь переменного тока напряжением 220 В.

Резисторные оптопары применяются для автоматического регулирования усиления, связи между каскадами, управления бесконтактными делителями напряжения, модуляции сигналов, формирования различных сигналов и т.д.

Диодные оптопары

Данный тип обычно имеет в своём составе инфракрасный светодиод и кремниевый фотодиод. Применение их весьма разнообразно. На их основе создаются импульсные трансформаторы, не имеющие обмоток, что важно для микросхем. Также они используются для передачи сигналов между блоками сложной радиоэлектронной аппаратуры, для управления работой ИМС, особенно тех, у которых входной ток очень мал.

Транзисторные оптопары

Имеют в своём составе в качестве излучателя – светодиод, а приёмника излучения – биполярный кремниевый фототранзистор типа n-p-n
. Оптопары этого типа работают главным образом в ключевом режиме и применяются в коммутаторных схемах, устройствах связи различных датчиков с измерительными блоками, в качестве реле т.д. Для повышения чувствительности оптопары в ней может быть использован составной транзистор.

Тиристорные оптопары

Имеют в качестве фотоприёмника кремниевый фототиристор и используется исключительно в ключевых режимах. Применяется для формирования импульсов, управления мощными тиристорами, управления и коммутации различных устройств с мощными нагрузками.

Параметры

В системе параметров можно выделить четыре группы:

– входные параметры (излучателя);

– выходные параметры (фотоприёмника);

– передаточные параметры (параметры передачи сигнала со входа на

– параметры изоляции.

Входные

параметры

1. Номинальный входной ток I вх.ном –значение тока, рекомендуемое для оптимальной эксплуатации оптопары и используемое при измерении её основных параметров
.

2. Входное напряжение U вх – падение напряжения на излучающем диоде в прямом направлении при заданном значении прямого тока (обычно при
I вх.ном).

3. Входная ёмкость С вх – ёмкость между входными выводами оптопары в заданном режиме.

Выходные

параметры

1. U ВЫХ.ОБР – максимальное значение обратного напряжения любой формы, которое допускается прикладывать к выходу оптопары.

2. I ВЫХ –максимальное значение тока, который допускается пропускать через фотоприёмник во включённом состоянии оптопары.

3. I УТ – ток утечки на выходе оптопары при
I вх =0 и заданном значении полярности
U вых.

4. U ОСТ – выходное остаточное напряжение на включённом фототиристоре или фоторезисторе в режиме насыщения.

5. С ВЫХ – выходная ёмкость фотоприёмника.

Передаточные параметры –
характеризуют эффективность передачи электрического сигнала с входа оптопары на выход.

Коэффициент передачи по току – характеризует передачу сигнала со входа оптопары на выход для всех типов оптопар (кроме тиристорных)
.

Временные параметры
– характеризуют быстродействие или скорость передачи сигнала.

1. t НАР – время нарастания выходного тока от уровня (0,1-0,9) I вых,max

2. t ЗАД – время задержки при включении, т.е. время от момента подачи t 0 импульса входного тока до момента нарастания выходного тока до уровня0,1 I ВЫХ MAX .

3. t ВКЛ = t НАР + t ЗАД – время включения оптопары.

4. t ПЕР = t ВКЛ + t ВЫКЛ – время переключения.

Параметры изоляции

1. U ИЗ.ПИК. – максимально допустимое пиковое напряжение изоляции определяет возможности оптопары как элемента электрической изоляции.

2. U ИЗ –статическое напряжение изоляции между входом и выходом
.

3. R ИЗ –сопротивление изоляции (R из » 10 12 Ом).

Параметры определяющие стойкость оптопары к скачкам напряжения:

4. С ПР – проходная ёмкость (ёмкость между входом и выходом).

5. – максимально допустимая скорость нарастания выходного напр.

Понятие оптрона, виды оптронов.

Оптрон
(или оптопара
, как его стали называть в последнее время) конструктивно состоит из двух элементов: излучателя и фотоприемника, объединенных, как правило, в общем герметичном корпусе.

Существует много разновидностей оптронов: резисторные, диодные, транзисторные, тиристорные. Эти названия указывают на тип фотоприемника. В качестве излучателя обычно применяют полупроводниковый светодиод инфракрасного излучения с длиной волны в пределах 0,9…1,2 мкм. Используют также светодиоды красного свечения, электролюминесцентные излучатели и сверхминиатюрные лампы накаливания.

Основное назначение оптронов
– обеспечение гальванической развязки между сигнальными цепями.
Исходя из этого общий принцип действия этих приборов, несмотря на различие фотоприемников, можно считать одинаковым: входной электрический сигнал, поступающий на излучатель, преобразуется в световой поток, который, воздействуя на фотоприемник, изменяет его проводимость.

Если фотоприемником служит , то его световое сопротивление становится в тысячи раз меньше первоначального (темнового), если фототранзистор – облучение его базы создает такой же эффект, что и при подаче тока в базу , и он открывается.

В результате на выходе оптрона формируется сигнал, который в общем случае может быть и не идентичен входному по форме, а входная и выходная цепи оказываются гальванически не связанными. Между входной и выходной цепями оптрона помещена электропрочная прозрачная диэлектрическая масса (обычно органический полимер), сопротивление которой достигает 10^9…10^12 Ом.

Выпускаемым промышленностью оптронами присваивают наименование исходя из действующей системы обозначений полупроводниковых приборов.

Первая буква обозначения оптрона (А) указывает на исходный материал излучателя – арсенид галлия или твердый раствор галлий-алюминий-мышьяк, вторая (О) означает подкласс – оптроны; третья указывает, к какой разновидности относится прибор: Р – резисторный, Д – диодный, Т – транзисторный, У – тиристорный. Далее следуют цифры, которые означают номер разработки, и буква – ту или иную группу типа.

Устройство оптронов

Излучатель – бескорпусный светодиод, – как правило, помещают в верхней части металлического корпуса, а в нижней – на кристаллодержателе – укрепляют кристалл кремниевого фотоприемника, например фототиристора. Все пространство между светодиодом и фототиристором заливают твердеющей прозрачной массой. Эту заливку покрывают отражающим внутрь световые лучи слоем, который препятствует рассеянию света за пределы рабочей зоны.

Мало отличается от описанной конструкция резисторного оптрона
. Здесь в верхней части металлического корпуса укреплена сверхминиатюрная лампа накаливания, а в нижней – фоторезистор на основе селенистого кадмия.

Фоторезистор изготавливают отдельно, на тонкой подложке из ситалла. На нее напыляют пленку из полупроводникового материала – селенида кадмия, а затем – формообразующие электроды из токопроводящего материала (например алюминия). К электродам приваривают выходные выводы. Жесткое соединение лампы и подложки между собой обеспечивается затвердевшей прозрачной массой.

Отверстия в корпусе для выводов оптрона залиты стеклом. Герметичное соединение крышки и основания корпуса обеспечено сваркой.

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) тиристорного оптрона примерно такая же, что и у одиночного . При отсутствии входного тока (I=0 – темновая характеристика) фототиристор может включиться только при очень высоком значении приложенного к нему прямого напряжения (800…1000 В). Так как практически приложение столь большого напряжения недопустимо, то эта кривая имеет чисто теоретический смысл.

Если приложить к фототиристору прямое рабочее напряжение (от 50 до 400 В, в зависимости от типа оптрона), включение прибора возможно только при подаче входного тока, который теперь является управляющим.

Скорость включения оптрона зависит от значения входного тока. Типичные значения времени включения t=5…10 мкс. Время выключения оптрона связано с процессом рассасывания неосновных носителей тока в переходах фототиристора и зависит только от значения протекающего выходного тока. Реальное значение времени выключения находится в пределах 10…50 мкс.

Максимальный и рабочий выходной ток фоторезисторного оптрона резко уменьшается при увеличении температуры окружающей среды выше 40 градусов по цельсия. Выходное сопротивление этого оптрона до значения входного тока 4 мА остается постоянным, а при дальнейшем увеличении входного тока (когда яркость свечения лампы накаливания начинает возрастать) резко уменьшается.

Кроме описанных выше, существуют оптроны с так называемым открытым оптическим каналом
. Здесь осветителем служит светодиод инфракрасного излучения, а фотоприемником могут быть фоторезистор, фотодиод или фототранзистор. Отличие этого оптрона в том, что его излучение выходит наружу, отражается от какого-либо внешнего предмета и возвращается в оптрон, к фотоприемнику. В таком оптроне выходным током может управлять не только входной ток, но также изменение положения внешней отражающей поверхности.

У оптронов с открытым оптическим каналом оптические оси излучателя и приемника расположены либо параллельно, либо под небольшим углом. Существует конструкции подобных оптронов с соосным расположением оптических осей. Такие приборы называют оптопрерывателями.

Применение отронов

В настоящее время оптроны получили широкое применение, особенно в целях согласования микроэлектронных логических блоков, содержащих мощные дискретные элементы, с исполнительными устройствами (реле, электродвигателями, контакторами и др.), а также для связи между логическими блоками, требующими гальванической развязки, модуляции постоянных и медленно изменяющихся напряжений, преобразования в синусоидальные колебания, управления мощными лампами и высоковольтными индикаторами.

Оптронами называют такие оптоэлектронные приборы, в которых имеются источник и приемник излучения (светоизлучатель и фотоприемник) с тем или иным видом оптической и электрической связи между ними, конструктивно связанные друг с другом.

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

Практически распространение получили лишь оптроны, у которых имеется прямая оптическая связь от излучателя к фотоприемнику и, как правило, исключены все виды электрической связи между этими элементами.

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

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

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

Рис 1. Обобщенная структурная схема оптрона

Назначение оптической среды – передача энергии оптического сигнала от излучателя к фотоприемнику, а также во многих случаях обеспечение механической целостности конструкции.

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

В фотоприемнике происходит “восстановление” информационного сигнала из оптического в электрический; при этом стремятся иметь высокую чувствительность и высокое быстродействие.

Наконец, выходное устройство призвано преобразовать сигнал фотоприемника в стандартную форму, удобную для воздействия на последующие за оптроном каскады. Практически обязательной функцией выходного устройства является усиление сигнала, так как потери после двойного преобразования очень значительны. Нередко функцию усиления выполняет и сам фотоприемник (например, фототранзистор).

Электрические схемы и выходные характеристики оптронов с фоторезистором (а), фотодиодом (б) и фототиристором (в):
1 – полупроводниковый светоизлучающий диод; 2 – фоторезистор; 3 – фотодиод; 4- фототиристор; U
и I
– напряжение и ток в выходной цепи оптрона. Пунктирные кривые соответствуют отсутствию тока во входной цепи оптрона, сплошные – двум разным значениям входных токов.

Описание, характеристики, Datasheet и методы проверки оптронов на примере PC817.

В продолжение темы «Популярные радиодетали при ремонтах импульсных блоков питания» разберем еще одну деталь- оптопара (оптрон) PC817. Он состоит из светодиода и фототранзистора. Между собой электрически никак не связанны, благодаря чему на основе PC817
можно реализовать гальваническую развязку двух частей схемы — например с высоким напряжением и с низким. Открытие фототранзистора зависит от освещенности светодиодом. Как это происходит более подробно я разберу в следующей статье где в экспериментах подавая сигналы с генератора и анализируя его при помощи осциллографа можно понять более точную картину работы оптопары.

Еще в других статьях я расскажу о нестандартном использовании оптрона первая в роли , а во второй . И используя эти схемные решения соберу очень простой тестер оптопар. Которому не не нужны никакие дорогие и редкие приборы, а всего лишь несколько дешевых радиодеталей.

Деталь не редкая и не дорогая. Но от нее зависит очень многое. Она используется практически в каждом ходовом (я не имею ввиду каком нибудь эксклюзивном) импульсном БЛОКЕ ПИТАНИЯ и выполняет роль обратной связи и чаще всего в связке тоже с очень популярной радиодеталью TL431

Для тех читателей, кому легче информацию воспринимать на слух, советуем посмотреть видео в самом низу страницы.

Оптопара (Оптрон) PC817

Краткие характеристики:

Корпус компактный:

• шаг выводов – 2,54 мм;
• между рядами – 7,62 мм.

Производитель PC817 – Sharp, встречаются другие производители электронных компонентов выпускают аналоги- например:

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

Кроме одинарного оптрона PC817 выпускаются и другие варианты:

• PC827 – сдвоенный;
• PC837 – строенный;
• PC847 – счетверенный.

Проверка оптопары

Для быстрой проверки оптопары я провел несколько тестовых экспериментов. Сначала на макетной плате.

Вариант на макетной плате

В результате удалось получить очень простую схему для проверки PC817 и других похожих оптронов.

Первый вариант схемы

Первый вариант я забраковал по той причине что он инвертировал маркировку транзистора с n-p-n на p-n-p

Поэтому чтобы не возникало путаницы я изменил схему на следующую;

Второй вариант схемы

Второй вариант работал правильно но неудобно было распаять стандартную панельку

под микросхему

Панелька SCS- 8

Третий вариант схемы

Самый удачный

Uf — напряжение на светодиоде при котором начинает открываться фототранзистор.

в моем варианте Uf = 1.12 Вольт.

В результате получилась такая очень простая конструкция.

Оптронами называются такие оптоэлектронные приборы, в которых имеются излучатели и фотоприемники, используются оптические и электрические связи, а также конструктивно созданные друг с другом элементы. Некоторые разновидности оптронов называются опто­парами, или оптоизоляторами.

Принцип действия любого оптрона основан на двойном преобразовании энергии. В из­лучателях энергия электрического сигнала преобразуется в оптическое излучение, а в фото­приемниках, наоборот, оптический сигнал вызывает электрический ток или напряжение или приводит к изменению его сопротивления.

Наибольшее распространение получили оптроны с внешними электрическими выхода­ми и выходными сигналами и внутренними оптическими сигналами (рис. 7.1). Конструкция такого опторона имеет вид, показанный на рис. 7.2.

Рис. 7.1. Структурная схема оптрона с внутренней оптической связью

Рис. 7.2. Пример конструкции диодно-диодного оптрона с внутренней оптической связью

В электрической схеме такой прибор выпол­няет функцию выходного элемента – фотопри­емника с одновременной электрической изоля­цией (гальванической развязкой) входа и выхо­да. Излучатель является источником фотонов, в качестве которого может быть использован све­тодиод или миниатюрная лампа накаливания. Оптической средой может служить воздух, стек­ло, пластмасса или волоконный световод. В каче­стве фотоприемников используются фотодиоды, фототранзисторы, фототиристоры и фоторези­сторы. Очень часто применяются интегральные фотодиодно-транзисторные структуры. Различ­ные комбинации этих элементов позволяют по­лучить весьма разнообразные входные, выход­ные и передаточные характеристики.

На практике применяется и другая разновидность оптронов: использующая внешние входные и выходные оптические сигналы и внутренние электрические сигналы (рис. 7.3). Как правило, такие приборы содержат усилители фототока.

Рис. 7.3. Оптрон с внешней оптической связью

Рис. 7.4. Оптроны, одновременно использующие оптические и электрические связи С конструкторско-технологической точки зрения излучатель и фотоприемник являются равноправными. Эффективность преобразования энергии и срок службы оптрона в основ­ном определяются излучателем. При разработке излучателя для оптрона главная трудность заключается в оптимизации согласования с фотоприемннком. К параметрам, подлежащим оптимизации, относятся коэффициент усиления, ширина полосы частот, размеры оптиче­ского окна, электрические характеристики. Поскольку желательно иметь малое последова­тельное сопротивление, наилучшим вариантом служит излучатель на основе ваАв. Стре­мятся получить и малую величину прямого напряжения, но это менее важно, чем оптимиза­ция усиления и частотной полосы. Требования к виду оптического окна излучателя оптрона и обычного светодиода значи­тельно отличаются друг от друга. Светодиоды изготавливают с кольцевой излучающей об­ластью площадки, чтобы получить высокий коэффициент отношения видимой излучающей области к фактической. Для оптрона излучающая область должна быть настолько малой, насколько это совместимо с допустимой плотностью тока, а контактная площадка размеща­ется так, чтобы минимально затемнить излучающую область. Это обеспечивает лучшую связь с приемником. Малый размер излучающей области позволяет уменьшить бесполезные краевые потери, как тока, так и излучения и обеспечить постоянство условий связи незави­симо от разброса величины зазора и точности совмещения с чувствительной областью фо­топриемника у различных образцов оптронов. При выборе оптической среды ее изолирующие свойства играют определяющую роль, если расстояние между излучателем и приемником очень мало. Если же расстояние достаточно велико, например, при использовании волоконной опти­ки, линз или другой среды (отражающей или пропускающей), изолирующие свойства стано­вятся менее важными. Зато большое значение приобретает спектр пропускания, особенно, если применяются пластмассы. В большинстве оптронов для уменьшения потерь на френе – левское отражение от поверхности излучателя и приемника используют просветляющие по­крытия. При этом одновременно создается изоляция, так как материалы покрытий не явля­ются проводниками электрического тока. Во многих типах оптронов для создания хорошей изоляции между излучателем и приемником применяют слой пленки из прозрачного фторо­пласта. Оптическая изоляция позволяет иметь прибор, обеспечивающий оптическую связь сигналов двух раздельных электронных схем, несмотря на то, что последние гальванически развязаны. Напряжение изоляции таких приборов может достигать тысяч вольт. Принципиальные физические достоинства оптронов, как уже отмечалось выше, обу­словленные использованием фотонов в качестве носителей информации, заключаются в обеспечении очень высокой электрической изоляции входа и выхода, однонаправленности потока информации, отсутствии обратной связи с выхода на вход и широкой полосе про­пускания. Кроме того, важными достоинствами оптронов являются: Возможность бесконтактного (оптического) управления электронными объектами и обусловленные этим разнообразие и гибкость конструкторских решений управления; Невосприимчивость оптических каналов связи к воздействию электромагнитных по­лей, что в случае оптронов с протяженным оптическим каналом обусловливает высо­кую помехозащищенность, а также исключает взаимные наводки; Возможность создания функциональных микроэлектронных устройств с фотоприем­никами, характеристики которых под действием оптического излучения изменяются по заданному (сколь угодно сложному) закону; Расширение возможностей управления выходным сигналом оптрона путем воздейст­вия (в том числе и неэлектрического) на материал оптического канала и, как следст­вие этого, создание разнообразных датчиков и приборов для передачи информации. Современным оптронам присуши и определенные недостатки: Низкий кпд, обусловленный необходимостью двойного преобразования энергии (элек­тричество-излучение-электричество), и значительная потребляемая мощность; Сильная температурная зависимость параметров; Высокий уровень собственных шумов; Конструктивно-технологическое несовершенство, связанное в основном с использова­нием гибридной технологии. Перечисленные недостатки оптронов по мере совершенствования материалов, техноло­гии, схемотехники постепенно устраняются. Широкое применение оптронов определяется прежде всего уникальностью достоинств этих приборов.