7.14. Оптопары

Оптопарой называют оптоэлектронный полупроводниковый прибор, содержащий источник и приемник оптического излучения, которые оптически и конструктивно связаны между собой, и предназначенный для выполнения различных функциональных преобразований электрических и оптических сигналов.

И сточниками излучения могут быть лампы накаливания, газоразрядные лампы, полупроводниковые излучатели, светодиоды. В интегральных оптоэлектронных схемах источником оптического излучения является инжекционный светодиод, обеспечивающий высокое быстродействие оптопар. Фотоприемниками могут быть: фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы, фототиристоры. Сочетание в одном конструктивном элементе светодиода с одним из этих фотоприемников позволило создать ряд оптопар с различными характеристиками: резисторных, диодных, транзисторных, тиристорных (рис. 7.19). Связывающим звеном между источником излучения и фотоприемником служит пассивная или активная оптическая среда, выполняющая функции световода.

Принцип действия оптопары основан на двойном преобразовании энергии. В источниках излучения энергия электрического сигнала преобразуется в оптическое излучение, а в фотоприемниках оптический сигнал преобразуется в электрический сигнал (ток или напряжение). Оптопара представляет собой прибор с электрическими входными и выходными сигналами.

Световод обеспечивает гальваническую развязку входной и выходной цепей (сопротивление изоляции может достигать 10¹²…10¹⁴ Ом, а емкость связи 10^-2 пФ) и однонаправленность сигналов, что характерно для оптических линий связи.

Резисторные оптопары наиболее универсальны. Они могут использоваться в аналоговых и ключевых устройствах, имеют широкий диапазон изменения сопротивления (десятки–сотни МОм в неосвещенном и сотни Ом в освещенном состояниях), низкий частотный диапазон.

Диодные оптопары используются в качестве ключа и могут коммутировать ток с частотой 10⁶…10⁷ Гц. Темновое сопротивление достигает 10⁸…10¹⁰ Ом, а при освещении снижается до сотен Ом. Сопротивление между входной и выходной цепями 10¹³…10¹⁵ Ом.

Транзисторные оптопары имеют большую чувствительность, чем диодные. Быстродействие не превышает 10⁵ Гц.

Тиристорные оптопары применяются в ключевых режимах, для формирования и коммутации мощных импульсов.

7.15. Входные и выходные параметры оптопар

Наиболее распространенные на практике оптопары можно описать следующими параметрами: параметры излучателя (входные параметры), выходные параметры (фотоприемника), передаточные параметры (параметры передачи сигнала со входа на выход), параметры изоляции.

Основными параметрами для входной цепи оптопар являются:

1. Номинальный входной ток I_{вх ном} – значение тока, рекомендуемое для оптимальной эксплуатации оптопары, а также для снятия ее основных параметров.

2. Входное напряжение U_вх – падение напряжения на излучательном диоде при протекании номинального входного тока I_{вх ном}.

3. Входная емкость C_вх – емкость между входными выводами оптопары в номинальном режиме.

4. Максимальный входной ток I_{вх макс} – максимальное значение постоянного прямого тока, при котором сохраняется работоспособность оптопары.

5. Обратное входное напряжение U_{вх обр} – максимальное значение обратного напряжения любой формы (постоянное, импульсное, синусоидальное и др.), которое длительно выдерживает излучательный диод без нарушения нормальной работы.

Выходными параметрами оптопар являются:

1. Максимально допустимое обратное выходное напряжение U_{вых обр макс} – максимальное значение обратного напряжения любой формы, которое выдерживает фотоприемник без нарушения нормальной работы.

2. Максимально допустимый выходной ток I_вых – максимальное значение тока, протекающего через фотоприемник во включенном состоянии оптопары.

3. Ток утечки (темновой ток) на выходе I_ут – ток на выходе оптопары при I_вх=0 и заданном значении и полярности U_вых.

4. Выходное остаточное напряжение (напряжение насыщения) U_ост – значение напряжения на включенном фоторезисторе или фототиристоре в режиме насыщения.

5. Выходная емкость С_вых – емкость на зажимах фотоприемника.

Эффективность передачи электрических сигналов со входа на выход оптопары определяется следующими передаточными параметрами:

– коэффициентом передачи по току K_i – это отношение тока на выходе оптопары I_вых к вызвавшему его входному току I_вх

. (7.11)

Он определяется в статическом и динамическом режимах

. (7.12)

Зависимость I_вых=f(I_вых) называется передаточной характеристикой и имеет нелинейный характер. Нелинейность передаточной характеристики определяется нелинейностью ВАХ излучательного диода и характеристикой фотоприемника. Так как тиристорная оптопара работает в ключевом режиме, то передаточная характеристика описывается входным током оптопары, при котором включается фототиристор. Различают минимальное значение входного тока, при котором происходит надежное отпирание фототиристора и максимально допустимый входной ток помехи I_{пом макс}, при котором фототиристор не включается.

Быстродействие оптопар характеризуется временем переключения . Время включения состоит из времени задержки при включении и времени нарастания: . Время задержки при включении t_зд – время от момента подачи импульса входного тока до момента нарастания выходного тока до уровня 0,1I_{вых макс}. Время нарастания выходного тока t_нар характеризуется временем нарастания выходного тока от уровня 0,1I_{вых макc} до уровня 0,9I_{вых макс}. Время выключения оптопары определяется временем спада t_сп и временем задержки t_зд: . Время задержки – это время с момента прекращения воздействия входного сигнала до момента уменьшения выходного тока до уровня 0,9I_{вых макс}. Время спада – время уменьшения выходного тока от 0,9I_{вых макс} до уровня 0,1I_{вых макс}.

Параметрами изоляции оптопар являются: максимально допустимое пиковое напряжение U_из пик и статическое напряжение изоляции U_из между входом и выходом; сопротивление изоляции R_из; проходная емкость С_пр и максимально допустимая скорость нарастания выходного напряжения.