Преимущества оптронов:

• Применение оптронов позволяет осуществить почти идеальную электрическую развязку между элементами устройства (сопротивление до 1016 Ом, проходная емкость до 10-4 пФ).

• однонаправленность информации, отсутствие обратной связи с выхода на вход

• высокая помехозащищенность

• широкая полоса пропускание (от нуля до сотен и даже тысяч мегагерц),

• совместимость с другими (полупроводниковыми) приборами.

Это дает возможность использовать оптроны для модулирования сигналов, измерений в высоковольтных цепях, согласования низкочастотных цепей с высокочастотными и низкоомных с высокоомными.

К недостаткам оптронов следует отнести

• зависимость их параметров от температуры

• низкие КПД

• коэффициент передачи

Устройство оптрона

Устройство оптрона: 1 – выводы; 2 – фотоприемник; 3 – корпус; 4 – оптическая среда; 5 – светодиод

В качестве излучателей в оптронах используют обычно светодиоды на основе арсенида-фосфида галлия GaAsP или алюминий-арсенида галлия GaAlAs, характеризующиеся большой яркостью, высоким быстродействием и длительным сроком службы.

Передача светового излучения в оптронах осуществляется через оптический канал, роль которого могут играть различные среды. Назначение оптического канала – передача максимальной световой энергии от излучателя к приемнику. Передающей средой могут быть воздух, различные иммерсионные среды, а также оптические световоды длиной 1 м и более. Световолоконные оптические линии связи позволяют довести пробивное напряжение изоляции между входом и выходом оптрона до 150 кВ, что дает возможность применять оптроны для измерений в высоковольтных цепях.

К онструкции оптопар различны: составные на дискретных элементах, пленочные, монолитные. Рассмотрим примеры конструкций оптопар на дискретных элементах. В бескорпусной оптопаре (Рис.6) СИ - светоизлучатель; ФП - фотоприемник; ОС - оптическая среда; 1 - выводы светоизлучателя; 2 - выводы фотоприемника. Кристаллы светоизлучателя и фотоприемника размещены в оптической иммерсионной среде строго параллельно. В качестве оптической среды используются в основном органические полимерные оптические клеи. Распространенные в оптопарах светодиоды имеют кольцевую излучающую область с расположенным в центре и вынесенным из активной области излучения омическим контактом. В такой конструкции при минимальной площади свечения светодиода уменьшаются потери энергии излучения из-за затенения и краевых эффектов, снижаются требования к точности взаимного расположения светодиода и фотоприемника.

Для повышения коэффициента передачи оптопары чувствительная площадь фотоприемника многократно превышает излучательную площадь светодиода. Структуру фотоприемников оптопар изготовляют в основном из кремния. Наибольшее распространение получили фотодиоды с p-i-n структурой, биполярные фототранзисторы, фототиристоры, структуры фотодиод - транзистор и др.

Конструкция оптопары в металлостеклянном корпусе приведена на Рис.7. Для уменьшения емкости развязки до 10-3-10-4 пФ в оптическую среду встраивают заземленную металлическую сетку ЗС или стекло с проводящим покрытием из материалов SnO2, In2O3 Сопротивление развязки оптопары достигают значения 1014 -1016 Ом.

Потери на торцевое и обратное излучение светодиода снижены в конструкции оптопары на Рис.4, где О - отражатель; КВ(М) - металлический кольцевой вывод p- области фотоприемника, изолированный от n- области диэлектрическим слоем SiO2. Отражатель направляет лучи светодиода, показанные на рисунке линиями со стрелками, на чувствительную площадь фотодиода и увеличивает примерно вдвое коэффициент передачи оптопары. Конструктивное исполнение оптопары с гальванической развязкой до нескольких десятков киловольт показано на Рис 8. Развязку обеспечивает жесткий стеклянный световод ОС, помещенный в корпус оптопары К.

Пример пленочной конструкции оптопары приведен на Рис. 1.а. На стеклянную подложку СП с двух сторон наносится слой SnO2, образующий прозрачные электроды ПЭ. На одном из прозрачных электродов методом вакуумного испарения формируется пленочный слой люминофора - сернистого цинка ZnS, активированного примесями меди Cu и марганца Mn, а затем - металлический электрод МЭ. На другой прозрачный электрод наносится фоторезистивный слой сульфида кадмия с центрами чувствительности из атомов меди CdS:Cu, а на него напыляется металлический электрод МЭ гребенчатой структуры. Тонкопленочный люминофор - светоизлучатель СИ оптопары может работать при малом напряжении постоянного тока. Свечение обусловлено возбуждением атомов марганца в люминофоре «горячими» (высокоэнергетичными) электронами, образующимися в гетеропроходе p-Cu2S - n-ZnS(Mn) в поверхностном слое пленки. Световой поток распространяется в направлении фотоприемника оптопар ФП фоторезистора через стеклянную подложку и прозрачные электроды, образующие оптическую среду.

Входные параметры оптронов:

1. номинальный входной ток светодиода в прямом направлении Iвх.ном

2. падение напряжения на нем в прямом направлении Uвх при номинальном значении входного тока;

3. входная емкость Свх в заданном режиме;

4. максимально допустимый входной ток Iвх.макс;

5. максимально допустимое обратное напряжение на входе Uвх.обр.макс.

Выходные параметры оптронов:

1. максимально допустимое обратное напряжение Uвх.обр.макс, прикладываемое к выходу;

2. максимально допустимый выходной ток Iвых.макс;

3. выходная емкость Свых;

4. световое Rсв и темновое Rт выходные сопротивления (для фоторезисторных оптронов).

Передаточные параметры:

коэффициент передачи тока КI =(Iвых / Iвх)100 либо дифференциальный коэффициент передачи тока КI д = (dIвых / dIвх)100, выраженные в процентах.