Узел гальванической развязки аналогового сигнала

Размещено на http://www.allbest.ru/

Тема

Узел гальванической развязки аналогового сигнала



ВВЕДЕНИЕ

Гальванические развязки используются для передачи сигналов, для бесконтактного управления и для защиты оборудования и людей от поражения электрическим током.

Без использования развязки предельный ток, протекающий между цепями, ограничен только электрическими сопротивлениями, которые обычно относительно малы. В результате возможно протекание выравнивающих токов и других токов, способных повреждать компоненты цепи или поражать людей, прикасающихся к оборудованию, имеющему электрический контакт с цепью. Прибор, обеспечивающий развязку, искусственно ограничивает передачу энергии из одной цепи в другую. В качестве такого прибора может использоваться трансформатор (не автотрансформатор) или оптрон. В обоих случаях цепи оказываются электрически разделёнными, но между ними возможна передача энергии или сигналов.

В данном курсовом проекте требуется разработать узел гальванической развязки аналогового сигнала. При работе над курсовым проектом выполнено:

· анализ технического задания;

· разработка функциональной схемы устройства;

· разработка принципиальной схемы устройства;

· подбор и расчёт компонентов устройства;

· оформление расчётно-пояснительной записки.



ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

Узел гальванической развязки аналогового сигнала. Устройство должно обеспечивать усиление и гальваническую развязку аналогового сигнала в заданной полосе частот с заданной нелинейностью.

Uвх = 50мВ

Rвх = 1Мом

Uвых = 10В

Rн = 1кОм

f = 100-100000Гц

Кнел<1%

АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ

Разработку устройства начнём с функциональной схемы, которая будет состоять из устройства усиления напряжения, оптрона и еще одного устройства усиления напряжения. Устройства усиления напряжения выполним на операционных усилителях.

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СХЕМА

Рис. 1. Функциональная схема



ПОДБОР И РАСЧЕТ КОМПАНЕНТОВ

Рис.2. Принципиальная схема узла гальванической развязки аналогового сигнала

Расчет схемы.

Возьмем ОУ1 МА474 (аналогом является 140УД20Б) со следующими параметрами



Типовые рабочие характеристики:



Рис.3. Корпус КР140УД20

Рис.4. Цоколевка корпусов



Рис.5.Электрическая схема 140УД20Б.

Для этого операционного усилителя Iвхmaxн=500нА(справочная характеристика).

Iвхоу1=50нА. Uвыхоу1=1,5В. Uвхоу1=50мВ.

Кусоу1 =

Рассчитаем R1: R1= = 30кОм.

Выбираем R1:

Табл.1. Технические параметры R1

Рассчитаем R2: R2=

Выбираем R2:

Табл.2. Технические параметры R2

Выберем диодную оптопару АОД101А.

Рис.6. Оптопара АОД101А



Табл.3. Технические параметры АОД101А.

Типовые рабочие характеристики

В справочных параметрах оптопары находим зависимость U_ВХ = f (I_ВХ), на которой определим линейный участок изменения: I_ВХ=10 - 15 мА. Выбираем рабочую точку при U_ВХ=1,5 В.

Далее будем считать, что входные параметры оптопары (излучающего диода) это I_ВХ=10мА и U_ВХ=1,5 В. Затем, зная входные и выходные напряжения оптопары определяем K_оптр=0,1. Данный параметр будем далее использовать в работе. Задаём величину Е_СМ=1,5 В.

Для обеспечения входного тока оптопары поставим сопротивление R3 и транзистор КТ316А на выходе операционного усилителя.



Транзистор КТ316А:

Табл.4. Технические параметры КТ316А

Рис.8. Размеры КТ316А.

Iб>Iк/в, в = 35, Iк =10мА,

Iб=0,3мА

Рассчитаем R3: R3 = (Uвыхоу1- Uбэнас)/Iб = (1,5-0,8)/0,3мА=2,3кОм

Выбираем R3:

Табл.5. Технические параметры R3

Опять возьмем возьмем ОУ2 МА474. Для этого операционного усилителя Iвхmaxн=500нА(справочная характеристика).

В справочных параметрах оптопары находим зависимость I_ВыХ = f (I_ВХ), на которой определим: I_{ВыХоптрона}=0,3 мА.

Iвыхоу2=10мА (справочный параметр)

Рассчитаем падение напряжения на Rн=1кОм:

URн = Iвыхоу2 Rн=1мА1кОм=1В

Выбираем резистор Rн:

Табл.6. Технические параметры Rн

Следовательно, из задания на курсовую работу, Uвыхоу2=11В

Куссхемы=Кусоу1 КусоптронаКусоу2=200

Uвыхоптрона = Кус оптронаUвхоптрона = 0,11,5=0,15В

Uвыхоптрона = Uвхоу2

Для ограничения входного тока ОУ2 поставим сопротивление R4=1Мом

Iвхоу2= Uвыхоптрона / R4=0,15 В /1МОм=150нА

Кусоу2= Uвыхоу2/ Uвхоу2=11/0,15=73

Рассчитаем резистор R5: R5= Uвыхоу2/ Iвхоу2=11В/150нА=73Мом.

Такое мегаомное сопротивление сравнимо с сопротивлением изоляции и поэтому на практике не применяется. Выбираем из стандартного числового ряда значений резисторов более реальную величину, например R5

Табл.7. Технические параметры R5

Рассчитаем резистор R6: R6= R5/ Кусоу2=820 кОм/73=11232Ом

Выбираем R6:

Табл.8. Технические параметры R6



ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данном курсовом проекте разработан узел гальванической развязки аналогового сигнала. Была произведена разработка функциональной и принципиальной электрической схем, а также подбор и расчёт компонентов устройства. Кроме того, изучен принцип работы оптрона и операционного усилителя.



СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

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

2. Оптоэлектроника. 2-е издание, изменённое и переработанное. Носов Ю. Р., М.: Радио и связь, 1989.

3. Оптоэлектронные устройства. Кривоносов А. И., М.: Энергия, 1978.

4. Оптоэлектронные устройства, Полянин О. В., Ушаков Е. В., М.: Энергия, 1969.

5. Основы светотехники. 2-е издание, изменённое и переработанное. Мешков В. В., М.: Энергия, 1979.

6. Светоизлучающие приборы и их применение. Мухитдинов М. М., Мусаев Э. С., М.: Радио и связь, 1988.

7. Полупроводниковые оптоэлектронные приборы. Справочник. 2-е издание, переработанное и дополненное. Иванов В. И., Аксенов А. И., Юшин А. М., М.: Энергоатомиздат, 1988.

8. Устройства квантовой электроники. Учебное пособие. Смердов В. Ю., Смоленск: СФМЭИ (ТУ), 2001.

9. Источники и приёмники оптического излучения. Учебное пособие. Смердов В. Ю. Смоленск: СФМЭИ (ТУ), 2001.

10. Интегральные операционные усилители. Рутковский Дж., М.: Издательство Мир, 1978.

11. Интегральные операционные усилители и их применение. Аверченков О. Е., Смоленск: СФМЭИ (ТУ), 2010.

12. Резисторы. Справочник. Четвертков И. И., М: Радио и связь,1987.

13. www.radiotexnic.ru - каталог изделий и описание их моделей.

14. www.compeljournal.ru - архив изданий и статей по электронике.

15. www.detect-ufo.narod.ru - особенности использования оптопар.

16. www.radioradar.net - электронный справочник по оптронам.



ПРИЛОЖЕНИЕ

1.1 Обеспечение гальванической развязки

В электронике и микроэлектронике гальваническая развязка - это передача электрической энергии или сигнала между участками цепи без наличия между ними электрического контакта. Иными словами это передача сигнала между соединением двух и более участков цепи, при непосредственном отсутствии контакта между ними. В производстве до сих пор используется два типа обеспечения гальванической развязки: трансформаторная и оптронная. Использование определённого типа зависит от необходимых целей, для которых используется развязанная цепь и условий, при которых необходимо применить развязку.

1.1.1 Трансформаторная развязка

Гальваническая развязка [16] трансформаторного типа предполагает использование магнитоиндукционного элемента с сердечником или без него, напряжение U_ВЫХ на вторичной обмотке которого пропорционально напряжению U_ВХ на входе устройства. Примером трансформаторной развязки, может служить рис. 1.1.

Рис. 1.1 Трансформаторная гальваническая развязка

· Использование технологии трансформаторной развязки должно учитывать следующие недостатки такой системы:

· несущий сигнал может создавать помехи, влияющие на выходной сигнал развязки;

· полоса пропускания ограничена частотой модуляции развязки;

· сравнительно большие габаритные размеры компонентов, реализующих развязку.

Чаще всего данная развязка может быть заземлена, и при касании человека корпуса и заземлённого участка одновременно - он может замкнуть цепь, что показывает не совершенность конструкции. В ценовом диапазоне такая развязка обычно дороже других, поскольку имеет обмоточные элементы. Применение трансформаторной гальванической развязки это различные электрические цепи систем ЦОС, цепи управления, а также передача сигналов в аналоговой технике.

1.1.2 Оптронная развязка

В настоящее время в связи с развитием технологии полупроводниковых устройств расширяются возможности по использованию оптоэлектронных развязывающих устройств, оптических вентилей (оптронов). Преимущества такой системы следующие:

· способность осуществлять развязку в широком диапазоне напряжений;

· возможность передавать сигналы на высокой частоте (до десятков МГц);

· малые габаритные размеры.

Принцип работы оптронной гальванической развязки основан на работе светодиодов и фотодиодов как источника и приёмника сигнала. Обычно такая развязка заключена в корпус микросхемы или сама является ею. Примером оптронной развязки, может служить рис. 1.2.

Рис. 1.2 Оптронная гальваническая развязка

Имея небольшую стоимость и простоту исполнения, такая гальваническая развязка практически заменила трансформаторную. В качестве элементов гальванической развязки оптроны применяются: для связи блоков аппаратуры, между которыми имеется значительная разность потенциалов; для защиты входных цепей измерительных устройств от помех и наводок, а также - оптическое применение: бесконтактное управление сильноточными и высоковольтными цепями, запуск мощных тиристоров, триаков, симисторов, управление электромеханическими релейными устройствами.

Рассмотрим принцип работы оптрона и различные типы оптронных развязок.

1.2 Оптроны

1.2.1 Основные понятия

Оптронами [1] 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 [2]: 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 (также называют «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 [3] 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.

1.2.2 Достоинства и недостатки оптронов

Достоинства [1] этих приборов базируются на общем оптоэлектронном принципе использования электрически нейтральных фотонов для переноса информации. Вот основные из них:

возможность обеспечения идеальной электрической (гальванической); развязки между входом и выходом;

для оптронов не существует каких-либо принципиальных физических или конструктивных ограничений по достижению сколь угодно высоких напряжений и сопротивлений развязки и сколь угодно малой проходной емкости;

возможность реализации бесконтактного оптического управления электронными объектами и обусловленные этим разнообразие и гибкость конструкторских решений управляющих цепей;

однонаправленность распространения информации по оптическому каналу, отсутствие обратной реакции приемника на излучатель;

широкая частотная полоса пропускания оптрона, отсутствие ограничения со стороны низких частот (что свойственно импульсным трансформаторам);

возможность передачи по оптронной цепи, как импульсного сигнала, так и постоянной составляющей;

возможность управления выходным сигналом оптрона путем воздействия (в том числе и неэлектрического) на материал оптического канала и вытекающая отсюда возможность создания разнообразных датчиков, а также разнообразных приборов для передачи информации;

возможность создания функциональных микроэлектронных устройств с фотоприемниками, характеристики которых при освещении изменяются по сложному заданному закону;

невосприимчивость оптических каналов связи к воздействию электромагнитных полей, что в случае «длинных» оптронов (с протяженным волоконно-оптическим световодом между излучателем и приемником) обусловливает их защищенность от помех и утечки информации, а также исключает взаимные наводки;

физическая и конструктивно-технологическая совместимость с другими полупроводниковыми и микроэлектронными приборами.

Оптронам присущи и определенные недостатки:

значительная потребляемая мощность, обусловленная необходимостью двойного преобразования энергии (электричество-свет-электричество) и невысокими КПД этих переходов;

повышенная чувствительность параметров и характеристик к воздействию повышенной температуры и проникающей ядерной радиации;

более или менее заметная временная деградация (т. е. ухудшение) параметров;

относительно высокий уровень собственных шумов, обусловленный , как и два предыдущих недостатка, особенностями физики светодиодов;

сложность реализации обратных связей, вызванная электрической разобщенностью входной и выходной цепей;

конструктивно-технологическое несовершенство, связанное с использованием гибридной непланарной технологии, (с необходимостью объединения в одном приборе нескольких - отдельных кристаллов из различных полупроводников, располагаемых в разных плоскостях).

Перечисленные недостатки оптронов по мере совершенствования материалов, технологии, схемотехники частично устраняются, но, тем не менее, еще длительное время будут носить достаточно принципиальный характер. Однако их достоинства столь высоки, что обеспечивают уверенную внеконкурентность оптронов среди других приборов микроэлектроники.

1.2.3 Обобщённая структурная схема оптронов

Как элемент связи [5] оптрон характеризуется коэффициентом передачи К_I, определяемым отношением выходного и входного сигналов, и максимальной скоростью передачи информации F. Практически вместо F измеряют длительности нарастания и спада передаваемых импульсов t_НАР(_СП) или граничную частоту. Возможности оптрона как элемента гальванической развязки характеризуются максимальным напряжением и сопротивлением развязки U_РАЗВ и R_РАЗВ и проходной емкостью C_РАЗВ.

Рис. 1.3 Структурная схема оптрона

В структурой схеме рис. 3 [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. 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 [4], 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.

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).

Общая структурная схема рис. 3 реализуется в каждом конкретном приборе лишь частью блоков. В соответствии с этим выделяют три основные группы приборов оптронной техники; ранее названные оптопары («элементарные оптроны»), использующие блоки светоизлучатель оптическая среда фотоприемник; оптоэлектронные (оптронные) микросхемы (оптопары с добавлением выходного, а иногда и входного устройства); специальные виды оптронов - приборы, функционально и конструктивно существенно отличающиеся от элементарных оптронов и оптоэлектронных ИС.

Реальный оптрон может быть устроен и сложнее, чем схема на рис. 3. каждый из указанных блоков может включать в себя не один, а несколько одинаковых или подобных друг другу элементов, связанных электрически и оптически, однако это не изменяет существенно основ физики и электроники оптрона.

Как элемент схемы, т.е. по выполняемым функциям, оптрон характеризуется тем, какой фотоприемник в нем используется. Поэтому именно фотоприемник является определяющим элементом оптрона, а излучатель выбирается под фотоприемник.

1.2.4 Элементная база и устройство оптрона

Элементную основу оптронов [1] составляют фотоприемники и излучатели, а также оптическая среда между ними. Ко всем этим элементам [15] предъявляются такие общие требования, как малые габариты и масса, высокая долговечность и надежность, устойчивость к механическим и климатическим воздействиям, технологичность, низкая стоимость. Желательно также чтобы элементы прошли достаточно широкую и длительную промышленную апробацию. Функционально (как элемент схемы) оптрон характеризуется в первую очередь тем, какой вид фотоприемника в нем используется. Успешное использование фотоприемника в оптроне определяется выполнением следующих основных требований: эффективность преобразования энергии квантов излучения в энергию подвижных электрических; наличие и эффективность внутреннего встроенного усиления; высокое быстродействие; широта функциональных возможностей.

В оптронах используются фотоприемники различных структур, чувствительные в видимой и ближней инфракрасной области, так как именно в этом диапазоне спектра имеются интенсивные источники излучения и возможна работа фотоприемников без охлаждения.

Наиболее универсальными являются фотоприемники с p-n-переходами (диоды, транзисторы и т, п.), в подавляющем большинстве случаев они изготовляются на основе кремния и область их максимальной спектральной чувствительности находится вблизи l=0,7...0,9мкм. Многочисленные требования предъявляются и к излучателям оптронов. Основные из них: спектральное согласование с выбранным фотоприемником; высокая эффективность преобразования энергии электрического тока в энергию излучения; преимущественная направленность излучения; высокое быстродействие; простота и удобство возбуждения и модуляции излучения.

Для использования в оптронах пригодны и доступны несколько разновидностей излучателей:

Миниатюрные лампочки накаливания;

Неоновые лампочки, в которых используется свечение электрического разряда газовой смеси неон-аргон.

Этим видам излучателей свойственны невысокая светоотдача, низкая устойчивость к механическим воздействиям, ограниченная долговечность, большие габариты, полная несовместимость с интегральной технологией. Тем не менее, в отдельных видах оптронов они могут находить применение.

Порошковая электролюминесцентная ячейка использует в качестве светящегося тела мелкокристаллические зерна сульфида цинка (активированного медью, марганцем или другими присадками), взвешенные в полимеризующемся диэлектрике. При приложении достаточно высоких напряжений переменного тока идет процесс предпробойной люминесценции.

Тонкопленочные электролюминесцентные ячейки. Свечение здесь связано с возбуждением атомов марганца “горячими” электронами.

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

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

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

Основным видом иммерсионной среды, используемой в оптронах, сегодня являются полимерные оптические клеи. Для них типично n_иИМм =1,4... 1,6, r_им > 10¹²... 10¹⁴ Ом см, Е_{ИМ_КР} =80 кВ/мм, Dq_{им раб} = - 60 ... 120 ^оC. Клеи обладают хорошей адгезией к кремнию и арсениду галлия, сочетают высокую механическую прочность и устойчивость к термоциклированию. Используются также незатвердевающие вазелиноподобные и каучукоподобные оптические среды. Применение определённой среды обычно зависит от параметров оптрона и области его применения.



1.3 Параметры и характеристики оптопар

1.3.1 Классификация параметров и изделий оптронной техники

При классификации изделий [13] оптронной техники учитывается два момента: тип фотоприемного устройства и конструктивные особенности прибора в целом [14].

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); 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 [1]. Определение импульсных параметров оптронов ясно из (рис. 3.1). Отсчетными уровнями при измерении параметров t_нар(сп), t_зд, и t_{вкл(выкл)} обычно служат уровни 0,1 и 0,9. Полное время логической задержки сигнала обычно определяется по уровню 0,5 амплитуды импульса.

Параметрами гальванической развязки любых оптопар [16] являются:

· максимально допустимое пиковое напряжение между входом и выходом U_{разв п max};

· максимально допустимое номинальное напряжение между входом и выходом U_{разв max};

· сопротивление гальванической развязки R_разв;

· проходная емкость C_разв;

· максимально допустимая скорость изменения напряжения между входом в выходом (dU_разв/dt)_max.

Важнейшим является параметр U_{разв 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.

1.3.2 Особенности работы диодных оптопар

Одним из наиболее распространённых типов оптронов являются диодные оптопары [8]. Графически он имеет обозначение вида рис. 1.5.

Рис. 1.5 Диодная оптопара.

В диодных оптопарах в качестве фотоприемного [9] элемента используется фотодиод, а излучателем [6] служит инфракрасный диод на основе GaAs или твердого раствора GaAlAs.

Выходная характеристика оптопары является вольтамперной характеристикой фотодиода и описывается уравнением

где: I₀ - «темновой ток» фотодиода; U - напряжение на переходе; ?_T - тепловой потенциал; I_ф- ток фотодиода, определяемый мощностью потока излучения, величина которого в свою очередь зависит от входного тока оптопары. Вид этой характеристики показан на рис. 1.6.

Рис. 1.6 Выходная характеристика диодной оптопары.



Во всем диапазоне выходных напряжений различают два основных режима работы: фотодиодный и фотогенераторный. Для кремниевых фотодиодов реальные значения напряжения фотоЭДС составляют 0,5…0,55 В. Поэтому на практике иногда прибегают к последовательному соединению выходных цепей нескольких оптопар, развивая, таким образом, суммарную фотоЭДС достаточной величины.

Важным параметром диодных оптопар является коэффициент передачи тока с входа на ее выход, выраженный в процентах. Таким образом:

Где I₀- темновой ток. Величина К_I определяется наклоном передаточной характеристики

Рис. 1.7 Передаточная характеристика оптрона

Для диодных оптопар эта характеристика отличается высокой линейностью. Относительное изменение коэффициента K_I не превышает 0,05 в широком диапазоне изменения входных токов. При малых и больших токах K_I резко уменьшается, что связано с уменьшением квантовой эффективности излучающего диода.

Внешний квантовый выход излучающего диода мал (не превышает нескольких процентов), и, кроме того, часть потока излучения теряется в оптической среде оптопары. Поэтому, несмотря на то, что коэффициент преобразования световой энергии в электрическую в фотодиодах близок к 1, K_I для диодных оптопар обычно не превышает нескольких процентов (K_I <5%). K_I слабо зависит от величины обратного напряжения на фотодиоде, но очень чувствителен к изменениям температуры. В диапазоне -60…+85 ⁰С эта зависимость практически линейная, причем K_I уменьшается с ростом температуры примерно на 0,5%/град.

Если в качестве фотоприемника в диодной оптопаре используется p-i-n фотодиод, то инерционность фотодиода определяется только временем перезаряда его барьерной емкости через сопротивление нагрузки. При работе на низкоомную нагрузку (R_Н<50 Ом) общая инерционность оптопары определяется быстродействием применяемого излучателя.

Средний технический уровень диодных оптопар универсального назначения характеризуется K_I =1…1,5%, t_ПЕР =50…500 нс. В некоторых оптопарах для уменьшения проходной емкости между излучателем и фотодиодом вводят экранирующую металлическую сетку, подключенную к корпусу.

Диодные дифференциальные оптопары состоят из излучателя и двух фотоприемников, один из которых является выходным элементом канала передачи информации, а другой служит для коррекции изменения мощности

1.3.3. Особенности работы транзисторных оптопар

Другим по распространённости типом оптронов являются транзисторные оптопары [8]. Графически он имеет обозначение вида рис. 1.8.

оптрон резисторный оптический усилитель



Рис. 1.8 Транзисторная оптопара

Как правило, в этих оптопарах используются планарные фототранзисторы со структурой n-p-n на основе кремния и GaAs излучающие диоды. Конструктивно излучающий диод расположен таким образом, что вся энергия излучения направлена на базовую область транзистора. Если вывод базы фототранзистора оставить свободной, то будет иметь место режим с оборванной базой.

В этом случае генерированные в базе носители разделяются коллекторным переходом, образуя первичный фототок I_ФО. Фотодырки, оставшиеся в базе, заряжают ее положительно и подсмещают эмиттерный переход в прямом направлении. При этом эмиттер начинает инжектировать в базу электроны. Большая часть этих электронов б·I_Э проходит в коллектор, а другая часть (1-б)·I_Э рекомбинирует в базе с фотодырками и дырками, образующими обратный ток коллекторного перехода.

При этом должно выполняться условие электрической нейтральности базы:

С другой стороны, коллекторный ток состоит из трех составляющих:

Подставляя значение , получим



т.е. фототок является управляющим током базы и усиливается в (в+1) раз.

Однако такой режим характеризуется высокой температурной нестабильностью, связанной с протеканием сквозного тока I_КО^*=I_КО·(1+в), который экспоненциально зависит от температуры. Поэтому между выводом базы фототранзистора и его эмиттером рекомендуется включать внешний резистор R_Б=0,1?1 МОм. Он повышает температурную стабильность характеристик оптопар, но одновременно снижает фоточувствительность приемника.

Параметры структуры фототранзистора обычно не оптимальны для выполнения усилительных функций. Для достижения высокой фоточувствительности фототранзистор имеет толстую базу и развитую площадь коллекторного перехода при малой площади эмиттера. Поэтому не превышает нескольких десятков, и одиночный фототранзистор не в состоянии компенсировать потери в излучающем диоде и оптической среде. В то же время фототранзистор имеет более сложную структуру, чем фотодиод, поэтому процессы накопления и рассасывания неравновесных носителей в нем более длительные, что определяет на порядок меньшее быстродействие транзисторных оптопар по сравнению с диодными.

Выходные характеристики этих оптопар качественно не отличаются от выходных ВАХ транзисторов в схеме с общим эмиттером.

Следует отметить, что передаточная характеристика I_ВЫХ=f (I_ВХ) с увеличением входного тока становится нелинейной, что определяется зависимостью усилительных свойств транзистора от уровня коллекторного тока.

Для увеличения K_I в транзисторные оптопары вводят составные транзисторы. Это позволяет увеличить K_I до 5000 %. Однако при этом значительно снижается быстродействие и ухудшается температурная стабильность.

Вообще диодные и транзисторные оптопары характеризуются добротностью, которая определяется так:

Наиболее быстродействующими оптопарами с достаточно высоким K_I являются диодно-транзисторные оптопары, в которых функции генерации и усиления фототока разделены. В некоторых оптопарах фотоприемник состоит из фотодиода и усилительного транзистора, а в других он содержит фотодиод и составной транзистор, включенный по схеме Дарлингтона.

Схемотехническая гибкость транзисторных оптопар проявляется в том, что током нагрузки можно управлять как по цепи излучателя (оптически), так и по базовой цепи фототранзистора (электрически), а также в том, что их выходная цепь может работать в линейном и в ключевом режимах. Это выгодно отличает транзисторные оптопары от других типов оптопар. Транзисторные оптопары находят применение в аналоговых и ключевых коммутаторах сигналов, схемах согласования всевозможных датчиков с измерительными устройствами, для гальванической развязки в линиях связи, в качестве оптоэлектронных реле и др.

1.3.4 Особенности работы резисторных оптопар

В электронике и схемотехники часто используют так называемые резисторные оптопары. Графически они имеют обозначение вида рис. 1.9.

Рис. 1.9 Резисторная оптопара



В таких оптопарах фотоприемником служат полупроводниковые резисторы на основе селенистого кадмия (CdSe), сернистого кадмия (CdS) или их соединений, сопротивление которых уменьшается при воздействии излучения из-за эффекта фотопроводимости.

На рис. 1.10 представлены спектральные характеристики некоторых фотопроводящих материалов и излучателей. Из них видно, что фоторезисторы на основе CdSe и CdS отлично согласуются по спектру с GaP- светодиодами с зеленым или красным свечением и хорошо с лампочкой накаливания.

Рис. 1.10 Спектральные характеристики

Фоторезисторы, светочувствительные элементы которых изготовлены из соединений HgSe, реагируют на инфракрасное излучение и в этом случае используется GaAs-излучатель. В таких оптопарах достигается самое высокое быстродействие.

Размеры фоторезистора ограничены диаграммой направленности и размерами источника излучения. Типичная конструкция фоторезистора оптопары представляет собой полупроводниковую пластину с двумя омическими контактами. Для фоторезистора, выполненного в форме параллелепипеда, темновое сопротивление R_Т и сопротивление в засвеченном состоянии R_СВ можно определить как:

где l, a, d - соответственно длина, ширина и толщина пленки фоторезистора в см; м_ЭФФ - эффективная подвижность носителей; ф_ЭФФ - эффективное время жизни носителей в сек.; з_л - квантовый выход; P_ИЗЛ - мощность падающего излучения в мВт/см²; л - длина волны излучения в мкм.

Так как проводимость фоторезистора пропорциональна мощности излучателя, то изменением тока через излучатель можно управлять проводимостью фоторезистора. Причем свойства фоторезистора не зависят от полярности приложенного напряжения, что позволяет включать его в цепь как постоянного, так и переменного токов.

Входная ВАХ резисторной оптопары с диодным излучателем [17] представляет собой обычную экспоненциальную характеристику p-n перехода, а входная ВАХ оптопары с лампочкой накаливания является характеристикой вольфрамовой нити накала.

Передаточная характеристика резисторной оптопары определяется зависимостью сопротивления фоторезистора от входного тока: R_ФР=f (I_ВХ) рис. 1.11. Эта характеристика оказывается нелинейной, причем широкий диапазон изменения сопротивления наблюдается для довольно узкого интервала входных токов. Величина темнового сопротивления фоторезистора и его сопротивление в засвеченном состоянии определяются свойствами полупроводникового материала и связаны между собой.

Технологические меры, направленные на снижение R_СВ, обычно ведут к уменьшению R_ф, поэтому практически R_ф/ R_СВ ? 10⁴…10⁶.

Рис. 1.11 Передаточная характеристика резисторной оптопары

При фиксированной величине входного тока оптопары, т.е. при постоянном уровне облученности, фоторезистор ведет себя как обычное сопротивление. Поэтому его выходная характеристика I_ВЫХ=f (U_ВХ) при I_ВХ=const симметрична относительно начала координат и отличается хорошей линейностью в области малых токов.

Рис. 1.12 Вольт-амперная характеристика резисторной оптопары

Относительно большое значение R_СВ приводит к саморазогреву, вследствие чего при выходных токах в несколько мА наблюдается отклонение ВАХ от линейной зависимости.

Резисторные оптопары отличаются высокой инерционностью. Только некоторые из них могут работать на частотах до 1000 Гц, в остальных случаях частотный диапазон ограничен десятками - сотнями Гц. Это связано с тем, что для увеличения быстродействия фоторезисторов необходимо использовать материалы с малым значением ф_ЭФФ, которые, как правило, обладают низкой чувствительностью и высоким значением R_СВ.

Параметры резисторных оптопар в сильной степени зависят от температуры (рис. 1.13), причем с увеличением температуры R_СВ растет (1,5 %/град), что связано с уменьшением подвижности носителей в материале, а R_Т резко падает, что определяется увеличением концентрации носителей в полупроводниковом материале.

Рис. 1.13 Зависимость параметров оптопары от температуры

При этом диапазон изменения R_T/R_CB сокращается с обеих сторон и при t = 60…70 ⁰С может уменьшиться до значения 10²…10³. С увеличением температуры инерционность оптопары снижается, что определяется температурной зависимостью м_ЭФФ.

1.3.5 Особенности работы тиристорных оптопар

Одним из современных типов оптопар можно назвать тиристорные, которые завоевали своё применение не так давно. Графически они имеют обозначение вида рис. 1.14.

Рис. 1.14 Тиристорная оптопара

Фотоприемником тиристорных оптопар является кремниевый фототиристор, имеющий структуру p-n-p-n (рис. 1.15). Конструктивно оптопара выполнена так, что основная часть излучения излучающего диода направлена на высокоомную базовую область n- фототиристора. К крайним областям - аноду p и катоду n - прикладывается внешнее выходное напряжение плюсом к аноду.

Рис. 1.15 Структура фототиристора

При облучении в n-базе генерируются пары носителей заряда - электронов и дырок. Электрическим полем центрального перехода П2 между n и p областями носители заряда разделяются. При этом электроны остаются в n-базе, а дырки попадают в p-базу, заряжая соответствующие базы отрицательно и положительно. При такой полярности на базах происходит инжекция носителей заряда из крайних областей структуры, называемых эмиттерами. Лавинообразное нарастание тока через структуру приводит к отпиранию фототиристора. При этом все три перехода оказываются смещенными в прямом направлении, и падение напряжения на приборе в открытом состоянии получается малым.

В статическом режиме (при протекании постоянного тока) по закону непрерывности тока для центрального перехода можно записать:

Отсюда получим

Где I_Ф1, I_Ф2, I_Ф3 - фототоки, возникающие вследствие разделения соответствующим p-n переходом генерированных излучением носителей; б₁ и б₂ - коэффициенты передачи по току транзисторных структур p-n-p и n-p-n.

При отсутствии облучения, т.е. при I_Ф1=I_Ф2= I_Ф3=0, получаем темновую характеристику фототиристора. В этом случае через фототиристор протекает небольшой ток утечки, который очень зависит от температуры. При увеличении температуры на каждые 10 ⁰С этот ток примерно удваивается.

При облучении фототиристора величина I_Ф1·б₁+I_Ф2+I_Ф3·б₂ играет роль тока управления, который изменяет напряжение включения фототиристора. Фототиристор, так же как и фототранзистор, обладает большим внутренним усилением фототока. Однако, в отличие от последнего, включенное состояние фототиристора сохраняется и при прекращении действия излучения.

Выходная ВАХ тиристорной оптопары подобна обычной ВАХ фототиристора (рис. 1.16). Так как фототиристор является пороговым элементом, и после его включения выходной ток определяется внешней нагрузкой, то для него K_I не имеет смысла.

Рис. 1.16 Вольт-амперная характеристика тиристорной оптопары

Важным параметром тиристорных оптопар является ток спрямления по входу, при котором на выходной характеристике исчезает участок отрицательного сопротивления. При работе тиристорных оптопар в импульсном режиме амплитуда тока спрямления возрастает с уменьшением длительности импульсов. Увеличением амплитуды управляющего импульса можно добиться снижения времени включения оптопары, однако при этом время выключения увеличивается.

Тиристорные оптопары наиболее перспективны для коммутации сильноточных и высоковольтных цепей.

По сочетанию коммутируемой мощности и быстродействию они превосходят транзисторные оптопары. В относительно маломощных цепях применяются оптопары, способные коммутировать напряжение до 400 В и ток до 50 мА с t_ВКЛ = 10…15 мкс, t_ВЫКЛ =35…200 мкс.

Более мощные тиристорные оптопары типа ТО предназначены для использования в силовых цепях постоянного и переменного тока. Максимальный коммутируемый ток в этих оптопарах может достигать 320 А, а максимальное допустимое напряжение - 1200 В.

Основные области применения тиристорных оптопар: гальваническая развязка логических цепей управления от высоковольтных цепей исполнительных механизмов, управление мощными тиристорами, защита вторичных источников питания, формирование мощных импульсов и др.

В электронике и микроэлектронике есть и более сложные и менее распространённые типы оптопар [1], среди которых выделяют оптроны с полевым фототранзистором (рис. 1.17 а), с составным фототранзистором (рис. 1.17 б), с однопереходовым фототранзистором (рис. 1.17 в) и более сложные составные конструкции.

Рис. 1.17 Различные типы оптопар в электронике

Тенденции развития микроэлектроники и электроники требуют более изощрённых и производительных конструкций оптрона, что достигается использованием новых методов выращивания кристаллов, особых методах конструкции, уникальных инженерных решениях.

Размещено на Allbest.ru