أساسيات الإلكترونيات الضوئية. تصنيف الأجهزة الإلكترونية الضوئية
تعد Optocouplers (optocouplers) من أجهزة أشباه الموصلات التي يوجد بها مصدر ومستقبل إشعاع (باعث ضوئي وكاشف ضوئي) مع نوع أو آخر من أنواع الاتصال البصري بينهما.
يعتمد مبدأ تشغيل optocouplers من أي نوع على ما يلي. في الباعث ، يتم تحويل طاقة الإشارة الكهربائية إلى ضوء ، وفي جهاز الكشف الضوئي ، على العكس من ذلك ، تؤدي الإشارة الضوئية إلى استجابة كهربائية (إشارة). في الممارسة العملية ، انتشرت أجهزة optocouplers فقط ، والتي لها اتصال بصري مباشر من الباعث إلى جهاز الكشف الضوئي ، وكقاعدة عامة ، يتم استبعاد جميع أنواع التوصيلات الكهربائية بين هذه العناصر. يوفر وجود اتصال بصري عزلًا كهربائيًا بين المدخلات (باعث) ومخرج (كاشف ضوئي).
وبالتالي ، في الدائرة الإلكترونية ، يؤدي هذا الجهاز وظيفة عنصر اقتران ، حيث يتم في نفس الوقت إجراء عزل كهربائي (كلفاني) للمدخلات والمخرجات.
يتنوع استخدام الأجهزة الإلكترونية الضوئية اختلافًا كبيرًا: لتوصيل وحدات المعدات ، حيث يوجد فرق كبير في الإمكانات ؛ لحماية دوائر الإدخال لأجهزة القياس من التداخل والتداخل ، والتحكم البصري ، وعدم الاتصال لدوائر التيار العالي والجهد العالي (مرحلات الحالة الصلبة) ، وإطلاق الثايرستور القوي ، والتيرستورات ، والتحكم في أجهزة الترحيل الكهروميكانيكية.
فتح إنشاء مقارنات بصرية "طويلة" (أجهزة مزودة بدليل ممتد من الألياف البصرية المرنة كقناة بصرية) اتجاهًا جديدًا تمامًا لاستخدام منتجات optocoupler - الاتصال عبر مسافات عبر الألياف البصرية.
تُستخدم الأجهزة الإلكترونية الضوئية أيضًا في دوائر تعديل هندسة الراديو البحتة ، والتحكم التلقائي في الكسب ، وما إلى ذلك. يتم استخدام تأثير القناة البصرية هنا لإدخال الدائرة في وضع التشغيل الأمثل ، لتغيير الوضع اللاتلامسي ، إلخ.
يظهر في الشكل 15.1 التعيينات الرسومية التقليدية للأنواع الرئيسية من أدوات التوصيل البصري.
15.1 تصنيف الأجهزة الإلكترونية الضوئية
يتم تصنيف الأجهزة الإلكترونية الضوئية وفقًا للمعايير التالية.
نوع الباعث المستخدمتنقسم optocouplers إلى:
مع باعث على المصابيح المتوهجة المصغرة. إن Optocouplers على هذه بواعث هي بالقصور الذاتي ، وهي غير مستخدمة عمليًا حاليًا ، على الرغم من استخدامها في optocouplers المقاوم.
مع باعث على مصابيح النيون ، والتي تستخدم توهج التفريغ الكهربائي لمزيج غاز النيون والأرجون. تتميز هذه الأنواع من البواعث بإخراج ضوء منخفض ، ومقاومة منخفضة للإجهاد الميكانيكي ، ومتانة محدودة ، وأبعاد كبيرة ، وعدم توافق تام مع التكنولوجيا المتكاملة. ومع ذلك ، في أنواع معينة من optocouplers ، يمكن استخدامها.
مع باعث على الخلايا المتوهجة كهربائياً. تتمتع الخلايا الكهربية بكفاءة منخفضة في تحويل الطاقة الكهربائية إلى ضوء ، وقوة تحمل منخفضة (خاصة تلك الأغشية الرقيقة) ، ويصعب التحكم فيها (على سبيل المثال ، الوضع الأمثل لمسحوق الفوسفور هو 220 فولت تقريبًا عند f = 400 ... 800 هرتز). الميزة الرئيسية لهذه البواعث هي توافقها الهيكلي والتكنولوجي مع مقاومات الضوء ، وإمكانية إنشاء هياكل optocoupler متعددة الوظائف ومتعددة العناصر على هذا الأساس. هي حاليا ذات استخدام محدود.
مع باعث على الثنائيات الباعثة للضوء وثنائيات الليزر. النوع الرئيسي الأكثر تنوعًا من الباعث المستخدم في optocouplers هو الصمام الثنائي الباعث للضوء بالحقن بأشباه الموصلات - LED. ويرجع ذلك إلى المزايا التالية: القيمة العالية لكفاءة تحويل الطاقة الكهربائية إلى ضوئية ؛ طيف الانبعاث الضيق (شبه أحادي اللون) ؛ اتساع النطاق الطيفي المغطى بمصابيح LED مختلفة ؛ اتجاهية الإشعاع السرعه العاليه؛ القيم المنخفضة لجهد العرض والتيارات ؛ التوافق مع الترانزستورات والدوائر المتكاملة ؛ سهولة تعديل طاقة الإشعاع عن طريق تغيير التيار الأمامي ؛ القدرة على العمل في الوضع النبضي والمستمر ؛ الخطية لخصائص واط أمبير في نطاق واسع إلى حد ما من التيارات المدخلة ؛ موثوقية عالية ومتانة ؛ أبعاد صغيرة التوافق التكنولوجي مع المنتجات الإلكترونية الدقيقة.
حسب نوع الكاشف الضوئي المستخدمتنقسم optocouplers إلى:
مقارنات بصرية تعتمد على مقاومات الضوء ، والتي تتغير خصائصها تحت الإضاءة وفقًا لقانون معقد معين ، والذي يسمح بنمذجة الوظائف الرياضية ، وهو خطوة نحو إنشاء الإلكترونيات الضوئية الوظيفية. ومع ذلك ، فإن مقارنات البصريات المقاومة للضوء تعمل بالقصور الذاتي.
مقارنات بصرية تعتمد على الثنائيات الضوئية ؛
مقارنات بصرية تعتمد على أجهزة الترانزستور الضوئية ؛
مقارنات بصرية تعتمد على الفوتوثيرستور.
الثلاثة الأخيرة هي أجهزة الكشف الضوئية الأكثر تنوعًا التي تعمل مع تقاطع p-n مفتوح. في الغالبية العظمى من الحالات ، يتم تصنيعها على أساس السيليكون ، وتكون منطقة الحساسية الطيفية القصوى لها قريبة من = 0.7 ... 0.9 ميكرومتر.
حسب نوع القناة البصرية المستخدمةتنقسم optocouplers إلى:
Optocouplers مع قناة بصرية مفتوحة. في مقارنات البصريات هذه ، يتم فصل الباعث والكاشف الضوئي بفجوة هوائية. يتم استخدامها على نطاق واسع لتحديد عدد دورات الأعمدة الدوارة ، ومزامنة حركة الأنظمة الميكانيكية ، مثل مستشعرات الموضع ، إلخ. تنقسم أجهزة Optocouplers ذات القناة المفتوحة ، بدورها ، إلى Optocouplers تعمل في الانعكاس والإرسال.
Optocouplers مع قناة بصرية مغلقة. في نفوسهم ، القناة البصرية محمية من أي تأثيرات خارجية. تستخدم مقارنات البصريات هذه للعزل الجلفاني للمدخلات والمخرجات الدوائر الكهربائية. إذا تم استخدام أجهزة الطاقة القوية (الثايرستور ، التيرستورات ، الترانزستورات MOSFETs) كدائرة إخراج ، فإن هذه الأجهزة البصرية تسمى مرحلات الحالة الصلبة. تعد هذه المرحلات حاليًا بديلاً للمرحلات الكهرومغناطيسية ويتم تحسين تقنيتها باستمرار.
Optocouplers مع قناة بصرية "ممتدة". في مثل هذه المقارنات البصرية ، يمكن وضع الباعث والكاشف الضوئي على مسافة كبيرة. في نفوسهم ، يمكن أن تكون القناة الضوئية التي تربط الباعث والكاشف الضوئي دليلًا ضوئيًا من الألياف. تستخدم هذه الأجهزة الإلكترونية الضوئية على نطاق واسع لنقل المعلومات في شبكات الكمبيوتر المحلية.
حسب المدى الطيفي للقناة الضوئيةتنقسم optocouplers إلى:
Optocouplers في النطاق المرئي بطول موجة للإشعاع البصري من 0.4 إلى 0.75 ميكرون.
Optocouplers في نطاق الأشعة تحت الحمراء القريبة بطول موجة من الإشعاع البصري من 0.8 إلى 1.2 ميكرون. هذا النوع من الإشعاع فعال بشكل خاص للأجهزة الإلكترونية الضوئية ذات القناة المفتوحة.
على أساس بناء وتكنولوجيتنقسم optocouplers إلى:
Opocouplers (مقارنات بصرية أولية) ، والتي تحتوي على باعث واحد وكاشف ضوئي أولي. اعتمادًا على نوع جهاز الكشف الضوئي المستخدم ، يمكن أن تكون مقاومة ، ديود ، ترانزستور ، ثايرستور ، إلخ.
الدوائر الإلكترونية الضوئية (optocoupler) المتكاملة ، والتي ، بالإضافة إلى optocoupler الأولي ، تحتوي على أجهزة إلكترونية إضافية: مكبرات الصوت ، والمقارنات ، والدوائر المنطقية ، إلخ. في مثل هذه الدوائر المتكاملة ، يتم عزل المدخلات والمخرجات جلفانيًا.
أنواع خاصة من مقارنات البصريات: مقارنات بصرية تفاضلية ، تحتوي على عدة بواعث وأجهزة كشف ضوئية ؛ أجهزة استشعار إلكترونية ضوئية للوجود والدخان ومستشعرات الموضع وما إلى ذلك.
الأجهزة الإلكترونية الضوئية (OED) هي أدوات قياس ذات نوع جديد من أجهزة القراءة يعتمد على استخدام المؤثرات الكهروضوئية المختلفة وتوفر تصورًا تناظريًا لنتيجة القياس من قبل الشخص.
يتكون مبدأ تشغيل مكتب المدير التنفيذي من التأثير المباشر أو غير المباشر للقيمة المقاسة على مادة مؤشر خاص موضوعة على طول المقياس أو مقترنة به ، والتي يحدث فيها تأثير فيزيائي كيميائي معين ، مما يجعل من الممكن الحكم على القيمة من القيمة المقاسة عن طريق تغيير الخصائص الكهروضوئية أو المغناطيسية الضوئية أو الكهروحرارية الضوئية أو الكهروكيميائية الضوئية أو الخصائص الكهروميكانيكية الضوئية. تؤخذ القراءات حسب المظهر المرئي للتأثير. التغيير الأكثر استخدامًا الخواص البصريةالمواد (اللون ، السطوع ، الشفافية). يتم الحكم على قيمة الكمية المقاسة أيضًا من خلال تغيير الموضع الهندسي للمعامل البصري ، على سبيل المثال ، ولكن من خلال حركة عمود الضوء. تم بناء OEDs الحديثة بشكل أساسي على التأثيرات الكهروضوئية مع انبعاث الضوء الكهربائي والتلألؤ الكاثودي ، بالإضافة إلى تفريغ الغاز. تعتبر التأثيرات بدون انبعاث ضوئي واعدة ، حيث تتغير الحالة الضوئية لمادة ما تحت تأثير المجال الكهربائي (معاملات الامتصاص أو الانعكاس أو التشتت أو الانكسار أو التركيب الطيفي للضوء). الأكثر إثارة للاهتمام في هذه المجموعة من التأثيرات هي التأثيرات في البلورات السائلة. في الوقت الحاضر ، تم إنشاء الإنتاج الصناعي للمواد والعناصر بناءً على هذه التأثيرات (الثنائيات الباعثة للضوء ، ومسحوق الفوسفور ، وخلايا الكيموترون ، وما إلى ذلك) مع المعلمات الكهرو فيزيائية ، مما يجعل من الممكن إنشاء OED على أساسها باستخدام مقياس مترولوجي مرتفع بدرجة كافية مميزات.
على التين. 2.41. يظهر مخطط كتلة مبسط يشرح مبادئ تشغيل جهاز إلكتروني ضوئي بجهاز قراءة OU، يتألف من المقياس دبليو، متدرجة بوحدات الكمية المقاسة X، ومؤشر كهروضوئي في.
أرز. 2.41. مخطط كتلة مبسط لمكتب المدير التنفيذي
عند تطبيق القيمة المقاسة Xإلى مدخلات محول الطاقة القياس صمع حساسية Y ¢ ، في الأخير يتم تشكيل إشارة كهربائية ص= أ Y ¢ X ، مما يضمن التشغيل الموثوق به لجهاز التمثيل VZU. كما صاستخدام مضخمات التطبيع ، محولات المعاوقة ، محولات السعة ، المحولات الوظيفية ، إلخ. VZUتوليد إشارة تحكم ضمن النوع الضروري للإثارة في مادة المؤشر رابعاالتأثير البصري الإلكتروني البصري. في أغلب الأحيان ضيوفر إنشاء المجالات الكهربائية والمغناطيسية والحرارية.
بشكل عام ، التبعية ضمن صغير خطية ويمكن تمثيلها على النحو التالي: ض= أ Z ¢ Y m ، حيث m هو المعامل الذي يحدده نوع التأثير الإلكتروني البصري (لمعظم التأثيرات الكهروضوئية م = 1) ؛ و z ¢ - الحساسية VZU.
من الشكل 2.41. مع الأخذ في الاعتبار التحولات الملحوظة ، نحصل عليها
, (2.61)
أين أص = 1 / أنعم ¢ ، أض = أض ¢ - معاملات التحويل.
المعلمة البصرية رابعاهو مؤشر في، موقعه بالنسبة للمقياس دبليوتحديد الدلالة X ص، المقابلة لقيمة الكمية المقاسة X.
اعتمادًا على طريقة الحركة ومبدأ تكوين المؤشر ، يتم تمييز الأجهزة الإلكترونية الضوئية مع أجهزة القراءة التناظرية والتناظرية المنفصلة. على التين. 2.42. قدم أنواع مختلفةوأشكال مرجعية لـ OEP الحديث.
مصادر الأشعة الضوئية المستخدمة في الإلكترونيات الضوئية ، بشكل عام ، متنوعة للغاية. ومع ذلك ، فإن معظمها (المصابيح المتوهجة الصغيرة ومصابيح تفريغ الغاز ، وبواعث المسحوق والفيلم الكهربائي ، والكاثودولومينوفور الفراغي والعديد من الأنواع الأخرى) لا تفي بمجمل المتطلبات الحديثة وتستخدم فقط في الأجهزة الفردية ، بشكل رئيسي في أجهزة المؤشر وجزئيًا في optocouplers.
عند تقييم احتمالات مصدر معين ، تلعب الحالة الإجمالية للمادة المضيئة النشطة (أو المادة التي تملأ حجم العمل) دورًا حاسمًا. من بين جميع الخيارات الممكنة (فراغ ، غاز ، سائل ، صلب) ، يتم إعطاء الأفضلية لمادة صلبة ، و "داخلها" - بلورة واحدة ، حيث توفر أكبر قدر من المتانة والموثوقية للأجهزة.
يتكون أساس الإلكترونيات الضوئية من مجموعتين من البواعث:
1) المولدات الضوئية للإشعاع المتماسك (الليزر) ، ومن بينها ليزر أشباه الموصلات ينبغي تمييزه ؛
1) ثنائيات أشباه الموصلات الباعثة للضوء على أساس مبدأ التلألؤ الكهربائي للحقن العفوي.
جهاز أشباه الموصلات الكهروضوئية هو جهاز أشباه الموصلاتإصدار أو تحويل إشعاع كهرومغناطيسي ، حساس لهذا الإشعاع في المناطق المرئية والأشعة تحت الحمراء و (أو) فوق البنفسجية من الطيف ، أو استخدام هذا الإشعاع للتفاعل الداخلي لعناصره.
يمكن تقسيم أجهزة أشباه الموصلات الكهروضوئية إلى بواعث أشباه الموصلات ، ومستقبلات الإشعاع ، ومقارنات بصرية ، ودوائر متكاملة إلكترونية ضوئية (الشكل 2.1).
باعث أشباه الموصلات هو جهاز أشباه الموصلات الكهروضوئية الذي يتحول طاقة كهربائيةفي طاقة الإشعاع الكهرومغناطيسي في المناطق المرئية والأشعة تحت الحمراء والأشعة فوق البنفسجية من الطيف.
يمكن للعديد من بواعث أشباه الموصلات أن تصدر موجات كهرومغناطيسية غير متماسكة فقط. وتشمل هذه بواعث أشباه الموصلات للمنطقة المرئية من الطيف - أجهزة عرض معلومات أشباه الموصلات (الثنائيات الباعثة للضوء ، مؤشرات إشارة أشباه الموصلات ، المقاييس والشاشات) ، بالإضافة إلى بواعث أشباه الموصلات لمنطقة الأشعة تحت الحمراء من الطيف - الثنائيات الباعثة للأشعة تحت الحمراء.
بواعث أشباه الموصلات المتماسكةهي ليزر أشباه الموصلات أنواع مختلفةإثارة. يمكن أن تصدر موجات كهرومغناطيسية بسعة معينة ، وتردد ، وطور ، واتجاه انتشار واستقطاب ، وهو ما يتوافق مع مفهوم التماسك.
جهاز استقبال إشعاع أشباه الموصلات هو جهاز أشباه موصلات إلكترونية حساسة للإشعاع الكهرومغناطيسي في المنطقة المرئية والأشعة تحت الحمراء و (أو) فوق البنفسجية.ض تالطيف أو يحول طاقة الإشعاع الكهرومغناطيسي مباشرة إلى طاقة كهربائية.
تشتمل مستقبلات أشباه الموصلات على مقاومات ضوئية وثنائيات ضوئية وخلايا ضوئية وترانزستورات ضوئية وأجهزة قياس ضوئي.
البحث عن نص كامل:
الصفحة الرئيسية> الملخص> الاتصالات والاتصالات
الأجهزة الإلكترونية الضوئية
الخصائص الرئيسية للديودات الباعثة للضوء في النطاق المرئي
الملامح الرئيسية للثنائيات الباعثة للضوء الأشعة تحت الحمراء
الأجهزة الإلكترونية الضوئية بمعناها الواسع
قائمة المصادر المستخدمة
الأجهزة الإلكترونية الضوئية
يعتمد عمل الأجهزة الإلكترونية الضوئية على عمليات الإلكترون الفوتون لاستقبال المعلومات ونقلها وتخزينها.
أبسط جهاز الكتروني ضوئي هو زوج الكتروني ضوئي ، أو مقارن بصري. يعتمد مبدأ تشغيل optocoupler ، الذي يتكون من مصدر إشعاع ووسط غمر (ألياف بصرية) وكاشف ضوئي ، على تحويل الإشارة الكهربائية إلى إشارة ضوئية ، ثم العودة إلى إشارة كهربائية.
تتميز مقارنات البصريات كأجهزة وظيفية بالمزايا التالية مقارنة بعناصر الراديو التقليدية:
عزل كلفاني كامل "المدخلات والمخرجات" (تتجاوز مقاومة العزل 10 12-10 14 أوم) ؛
حصانة مطلقة من الضوضاء في قناة نقل المعلومات (ناقلات المعلومات هي جسيمات متعادلة كهربائيًا - فوتونات) ؛
تدفق المعلومات أحادي الاتجاه ، والذي يرتبط بخصائص انتشار الضوء ؛
النطاق العريض بسبب التردد العالي للاهتزازات الضوئية ،
سرعة كافية (وحدات نانوثانية) ؛
الجهد العالي للانهيار (عشرات الكيلوفولت) ؛
مستوى ضوضاء منخفض
قوة ميكانيكية جيدة.
وفقًا للوظائف التي يتم إجراؤها ، يمكن مقارنة optocoupler بمحول (عنصر اقتران) مع مرحل (مفتاح).
في optocouplers ، يتم استخدام مصادر إشعاع أشباه الموصلات - الثنائيات الباعثة للضوء المصنوعة من مواد مركبات المجموعة لكنثالثا بالخامس , من بينها الفوسفيد وزرنيخيد الغاليوم الواعدة. يقع طيف إشعاعها في منطقة الأشعة تحت الحمراء المرئية والقريبة (0.5 - 0.98 ميكرون). الثنائيات الباعثة للضوء على أساس فوسفيد الغاليوم لها وهج أحمر وأخضر. تعد مصابيح LED المصنوعة من كربيد السيليكون واعدة ، ولها توهج أصفر وتعمل في درجات حرارة مرتفعة ورطوبة وفي بيئات عدوانية.
تُستخدم مصابيح LED التي تبعث الضوء في النطاق المرئي من الطيف في الساعات الإلكترونية والحاسبات الدقيقة.
تتميز الثنائيات الباعثة للضوء بتكوين طيفي للإشعاع ، وهو نمط إشعاع واسع جدًا ؛ الكفاءة الكمية ، التي تحددها نسبة عدد الكميات الضوئية المنبعثة إلى عدد تلك التي مرت عبرها ص-ن-انتقال الإلكترونات. الطاقة (مع الإشعاع غير المرئي) والسطوع (مع الإشعاع المرئي) ؛ خصائص فولت أمبير ، لومن أمبير ووات أمبير ؛ السرعة (زيادة وانخفاض في التلألؤ الكهربائي أثناء الإثارة النبضية) ، نطاق درجة حرارة التشغيل. عندما ترتفع درجة حرارة التشغيل ، ينخفض سطوع LED وتقل قوة الإشعاع.
ترد الخصائص الرئيسية للديودات الباعثة للضوء في النطاق المرئي في الجدول. 1 ، ونطاق الأشعة تحت الحمراء - في الجدول. 2.
الجدول 1 الخصائص الرئيسية للديودات الباعثة للضوء في النطاق المرئي
|
نوع الصمام الثنائي |
السطوع cd / m 2 أو شدة الإضاءة mkcd |
توهج اللون |
التيار المباشر إلى الأمام ، مللي أمبير |
||
|
KL101 أ - ب AL102 أ - ز AL307 أ - ز |
10 - 20 شمعة / م 2 40 - 250 متر مكعب 150 - 1500 م سي دي |
أحمر أخضر أحمر أخضر |
ترتبط الثنائيات الباعثة للضوء في الأجهزة الإلكترونية الضوئية بأجهزة الكشف الضوئية عن طريق وسيط غمر ، والمتطلب الرئيسي هو إرسال الإشارات بأقل قدر من الخسائر والتشوهات. تستخدم الأجهزة الإلكترونية الضوئية وسائط غاطسة صلبة - المركبات العضوية البوليمرية (المواد اللاصقة والورنيشات الضوئية) ، ووسط الكالكوجينيد ، والألياف الضوئية. اعتمادًا على طول القناة الضوئية بين الباعث والكاشف الضوئي ، يمكن تقسيم الأجهزة الإلكترونية الضوئية إلى مقابس بصرية (طول القناة 100-300 ميكرون) ، وعوازل بصرية (حتى 1 متر) وخطوط اتصالات ألياف بصرية - FOCL (لأعلى) لعشرات الكيلومترات).
الجدول 2. الملامح الرئيسية للثنائيات الباعثة للضوء الأشعة تحت الحمراء
|
نوع الصمام الثنائي |
إجمالي الطاقة الإشعاعية ، ميغاواط |
الجهد الأمامي DC ، V |
الطول الموجي للإشعاع ، ميكرومتر |
زمن ارتفاع نبضة الإشعاع ، ns |
زمن اضمحلال نبض الإشعاع ، ns |
|
|
AL106 أ - د |
0.6 - 1 (عند 50 مللي أمبير) 0.2 - 1.5 (عند 100 مللي أمبير) 6-10 (عند 100 مللي أمبير) 1.5 (عند 100 مللي أمبير) 0.2 (عند 20 مللي أمبير) 10 (حاليًا 50 مللي أمبير) |
تخضع أجهزة الكشف الضوئية المستخدمة في optocouplers لمتطلبات مطابقة الخصائص الطيفية مع الباعث ، والحد الأدنى من الخسائر عند تحويل إشارة ضوئية إلى إشارة كهربائية ، والحساسية الضوئية ، والسرعة ، وحجم المنطقة الحساسة للضوء ، والموثوقية ومستوى الضوضاء.
بالنسبة لمقارنات البصريات ، تعد أجهزة الكشف الضوئية ذات التأثير الكهروضوئي الداخلي هي الأكثر واعدة ، عندما يؤدي تفاعل الفوتونات مع الإلكترونات داخل المواد مع بعض الخصائص الفيزيائية إلى انتقالات إلكترونية في الجزء الأكبر من الشبكة البلورية لهذه المواد.
يتجلى التأثير الكهروضوئي الداخلي بطريقتين: في تغيير مقاومة جهاز الكشف الضوئي تحت تأثير الضوء (مقاومات الضوء) أو في ظهور صورة emf عند السطح البيني بين مادتين - أشباه الموصلات - أشباه الموصلات ، أشباه الموصلات المعدنية (الخلايا الضوئية للصمامات ، الثنائيات الضوئية ، الترانزستورات الضوئية).
تنقسم أجهزة الكشف الضوئية ذات التأثير الكهروضوئي الداخلي إلى ثنائيات ضوئية (ذات ص-ن- مفصل ، هيكل MIS ، حاجز شوتكي) ، مقاومات ضوئية ، أجهزة كشف ضوئية مع تضخيم داخلي (ترانزستورات ضوئية ، ترانزستورات ضوئية مركبة ، ترانزستورات ضوئية ، ترانزستورات ضوئية ميدانية).
تصنع الثنائيات الضوئية على أساس السيليكون والجرمانيوم. أقصى حساسية طيفية للسيليكون هي 0.8 ميكرومتر ، وتصل حساسية الجرمانيوم إلى 1.8 ميكرومتر. انهم يعملون مع التحيز العكسي على ص-ن-الانتقال الذي يسمح بزيادة سرعتها واستقرارها وخطية خصائصها.
في أغلب الأحيان ، تُستخدم الثنائيات الضوئية كأجهزة كشف ضوئية للأجهزة الإلكترونية الضوئية ذات التعقيد المتفاوت. ص- أنا-ن-البنى فيها أناهي المنطقة المستنفدة من المجال الكهربائي العالي. من خلال تغيير سمك هذه المنطقة ، من الممكن الحصول على خصائص جيدة من حيث السرعة والحساسية بسبب السعة المنخفضة ووقت الرحلة للحاملات.
الثنائيات الضوئية الانهيار الجليدي ، التي تستخدم تضخيم التيار الضوئي أثناء تكاثر ناقلات الشحن ، زادت من الحساسية والسرعة. ومع ذلك ، فإن هذه الثنائيات الضوئية ليست مستقرة بدرجة كافية على مدى درجة الحرارة وتتطلب مصادر طاقة عالية الجهد. تعد الثنائيات الضوئية ذات حاجز Schottky وبنية MIS واعدة للاستخدام في نطاقات أطوال موجية معينة.
تصنع مقاومات الضوء أساسًا من أغشية شبه موصلة من الكريستالات تعتمد على مركب (كادميوم مع كبريت وسيلينيوم). أقصى حساسية طيفية لمقاومات الضوء هي 0.5 - 0.7 ميكرومتر. عادة ما تستخدم مقاومات الضوء في الإضاءة المنخفضة ؛ من حيث الحساسية ، فهي قابلة للمقارنة مع المضاعفات الضوئية - الأجهزة ذات التأثير الكهروضوئي الخارجي ، ولكنها تتطلب مصدر طاقة منخفض الجهد. عيوب مقاومات الضوء هي السرعة المنخفضة ومستوى الضجيج العالي.
أكثر أجهزة الكشف الضوئية شيوعًا مع التضخيم الداخلي هي أجهزة الترانزستورات الضوئية والفوتوثيرستور. تعتبر الترانزستورات الضوئية أكثر حساسية من الثنائيات الضوئية ، ولكنها أبطأ. لزيادة حساسية جهاز الكشف الضوئي ، يتم استخدام ترانزستور ضوئي مركب ، وهو عبارة عن مزيج من الترانزستورات الضوئية والمضخمة ، ولكن له سرعة منخفضة.
في optocouplers ، جهاز photothyristor (جهاز أشباه الموصلات مع ثلاثة ص- ن-الانتقالات ، والتبديل عند الإضاءة) ، والتي لديها حساسية عالية ومستوى إشارة خرج ، ولكن السرعة غير كافية.
يتم تحديد تنوع أنواع مقارنات البصريات بشكل أساسي من خلال خصائص وخصائص أجهزة الكشف الضوئي. أحد التطبيقات الرئيسية لمقارنات البصريات هو العزل الجلفاني الفعال لأجهزة الإرسال والمستقبلات الرقمية و الإشارات التناظرية. في هذه الحالة ، يمكن استخدام optocoupler في وضع المحول أو محول الإشارة. يتميز optocoupler بإشارة إدخال مقبولة (تيار التحكم) ، ونسبة نقل التيار ، والسرعة (وقت التبديل) وسعة التحميل.
تُسمى نسبة معامل النقل الحالي إلى وقت التبديل عامل الجودة الخاص بالمقرن البصري وهي 10 5-10 6 لمقرنات البصريات الضوئية والثنائية الضوئية. تستخدم مقارنات البصريات على نطاق واسع. لا تُستخدم مقارنات البصريات القائمة على مقاومات الضوء على نطاق واسع بسبب انخفاض الوقت واستقرار درجة الحرارة. يتم عرض الرسوم البيانية لبعض optocouplers في الشكل. أربعة أ - السيد.
كمصادر إشعاع متماسكة ، يتم استخدام أشعة الليزر ، والتي تتمتع بثبات عالٍ وخصائص طاقة جيدة وكفاءة. في الإلكترونيات الضوئية ، لتصميم الأجهزة المدمجة ، يتم استخدام ليزر أشباه الموصلات - ثنائيات الليزر ، على سبيل المثال ، في خطوط اتصالات الألياف الضوئية بدلاً من خطوط نقل المعلومات التقليدية - الكابلات والأسلاك. لديهم عرض نطاق عالي (عرض نطاق ترددي جيجاهيرتز) ، ومقاومة للتداخل الكهرومغناطيسي ، ووزن وأبعاد منخفضة ، وعزل كهربائي كامل من المدخلات إلى المخرجات ، والانفجار والسلامة من الحرائق. تتمثل إحدى ميزات FOCL في استخدام كبل ألياف ضوئية خاص ، يظهر هيكله في الشكل. 5. العينات الصناعية من هذه الكابلات لها توهين 1 - 3 ديسيبل / كم وأقل. تُستخدم خطوط الاتصال بالألياف الضوئية لبناء شبكات الهاتف والكمبيوتر وأنظمة تلفزيون الكابل بجودة عالية للصورة المرسلة. تتيح هذه الخطوط الإرسال المتزامن لعشرات الآلاف من المحادثات الهاتفية وعدة برامج تلفزيونية.
في الآونة الأخيرة ، تم تطوير الدوائر الضوئية المتكاملة (OICs) بشكل مكثف وانتشرت على نطاق واسع ، وتتكون جميع عناصرها من ترسب المواد اللازمة على الركيزة.
الواعدة في الإلكترونيات الضوئية هي الأجهزة القائمة على البلورات السائلة ، والتي تستخدم على نطاق واسع كمؤشرات في الساعات الإلكترونية. البلورات السائلة المواد العضوية(سائل) بخصائص البلورة وفي حالة انتقالية بين الطور البلوري والسائل.
تتميز مؤشرات الكريستال السائل بدقة عالية ، وهي رخيصة نسبيًا ، وتستهلك طاقة منخفضة وتعمل بمستويات عالية من الإضاءة.
غالبًا ما تستخدم البلورات السائلة ذات الخصائص المشابهة للبلورات المفردة (nematics) في مؤشرات الإضاءة وأجهزة الذاكرة الضوئية. وقد تم تطوير البلورات السائلة التي تغير لونها عند تسخينها (الكولسترول) وتستخدم على نطاق واسع. أنواع أخرى من البلورات السائلة (smectics) هي تستخدم للتسجيل الحراري البصري للمعلومات.
تُستخدم الأجهزة الإلكترونية الضوئية ، التي تم تطويرها مؤخرًا نسبيًا ، على نطاق واسع في مختلف مجالات العلوم والتكنولوجيا نظرًا لخصائصها الفريدة. كثير منهم ليس لديهم نظائر في الفراغ وتكنولوجيا أشباه الموصلات. ومع ذلك ، لا يزال هناك العديد من المشكلات التي لم يتم حلها المرتبطة بتطوير مواد جديدة ، وتحسين الخصائص الكهربائية والتشغيلية لهذه الأجهزة ، وتطوير الأساليب التكنولوجية لتصنيعها.
جهاز أشباه الموصلات الكهروضوئية - جهاز أشباه الموصلات ، يعتمد تشغيله على استخدام الإشعاع أو الإرسال أو الامتصاص في المناطق المرئية أو تحت الحمراء أو فوق البنفسجية من الطيف.
الأجهزة الإلكترونية الضوئية بالمعنى الواسع هي الأجهزة , استخدام الإشعاع الضوئي لعملهم: توليد وكشف وتحويل ونقل إشارة معلومات. كقاعدة عامة ، تشتمل هذه الأجهزة على مجموعة أو أخرى من العناصر الإلكترونية الضوئية. في المقابل ، يمكن تقسيم الأجهزة نفسها إلى أجهزة نموذجية وخاصة ، مع الأخذ في الاعتبار الأجهزة النموذجية التي يتم إنتاجها بكميات كبيرة للاستخدام على نطاق واسع في مختلف الصناعات ، ويتم إنتاج أجهزة خاصة مع مراعاة خصوصيات صناعة معينة - في حالتنا ، الطباعة.
تنقسم المجموعة الكاملة من العناصر الإلكترونية الضوئية إلى مجموعات المنتجات التالية: مصادر ومستقبلات الإشعاع والمؤشرات وعناصر البصريات وأدلة الضوء ، بالإضافة إلى الوسائط الضوئية التي تتيح لك إنشاء عناصر تحكم وعرض المعلومات وتخزينها. من المعروف أن أي تنظيم لا يمكن أن يكون شاملاً ، ولكن ، كما هو الحال مع مواطننا ، ديمتري إيفانوفيتش مينديليف (1834-1907) ، الذي اكتشف القانون الدوري للعناصر الكيميائية في عام 1869 ، لاحظ بشكل صحيح ، أن العلم يبدأ من حيث يظهر العد ، أي التقييم ، المقارنة ، التصنيف ، تحديد الأنماط ، تحديد المعايير ، السمات المشتركة. مع أخذ ذلك في الاعتبار ، قبل الشروع في وصف عناصر محددة ، من الضروري إعطاء على الأقل بعبارات عامة خاصية مميزة للمنتجات الإلكترونية الضوئية.
كما ذكر أعلاه ، فإن السمة المميزة الرئيسية للإلكترونيات الضوئية هي الاتصال بالمعلومات. على سبيل المثال ، إذا تم استخدام إشعاع الليزر في بعض التركيبات لتصلب الأعمدة الفولاذية ، فليس من المعقول أن نعزو هذا التثبيت إلى الأجهزة الإلكترونية الضوئية (على الرغم من أن مصدر إشعاع الليزر نفسه له الحق في القيام بذلك).
ولوحظ أيضًا أن الإلكترونيات الضوئية تشتمل عادةً على عناصر الحالة الصلبة (نشر معهد هندسة الطاقة في موسكو كتابًا دراسيًا عن دورة "الإلكترونيات الضوئية" تسمى "أجهزة وأجهزة الإلكترونيات الضوئية لأشباه الموصلات"). لكن هذه القاعدة ليست صارمة للغاية ، لأن المنشورات الفردية في الإلكترونيات الضوئية تناقش بالتفصيل تشغيل المضاعفات الضوئية وأنابيب أشعة الكاثود (تنتمي إلى نوع أجهزة الفراغ الكهربائي) ، وأشعة الليزر الغازية وغيرها من الأجهزة غير الصلبة. ومع ذلك ، في صناعة الطباعة ، تُستخدم هذه الأجهزة على نطاق واسع جنبًا إلى جنب مع الأجهزة ذات الحالة الصلبة (بما في ذلك أشباه الموصلات) ، مما يحل مشكلات مماثلة ، وبالتالي ، في هذه الحالة ، لها كل الحق في النظر فيها.
تجدر الإشارة إلى ثلاث ميزات مميزة أخرى ، والتي ، وفقًا للمتخصص المعروف في مجال الإلكترونيات الضوئية ، يوري رومانوفيتش نوسوف ، تميزها بأنها اتجاه علمي وتقني.
يتكون الأساس المادي للإلكترونيات الضوئية من الظواهر والطرق والوسائل التي يعتبر الجمع بين العمليات البصرية والإلكترونية واستمراريتها أمرًا أساسيًا. بمعنى واسع ، يُعرّف الجهاز الإلكتروني البصري بأنه جهاز حساس للإشعاع الكهرومغناطيسي في المناطق المرئية أو الأشعة تحت الحمراء (IR) أو الأشعة فوق البنفسجية (UV) ، أو جهاز يصدر ويحول إشعاعات غير متماسكة أو متماسكة في نفس الطيف. المناطق.
يتم تحديد الأساس التقني للإلكترونيات الضوئية من خلال المفاهيم البناءة والتكنولوجية للإلكترونيات الدقيقة الحديثة: تصغير العناصر ؛ تطوير تفضيلي للهياكل المستوية الصلبة ؛ تكامل العناصر والوظائف.
الغرض الوظيفي للإلكترونيات الضوئية هو حل مشاكل علوم الكمبيوتر: توليد (تكوين) المعلومات عن طريق تحويل التأثيرات الخارجية المختلفة إلى الإشارات الكهربائية والبصرية المقابلة ؛ نقل المعلومات معالجة (تحويل) المعلومات وفقًا لخوارزمية معينة ؛ تخزين المعلومات ، بما في ذلك عمليات مثل التسجيل والتخزين الفعلي والقراءة غير المدمرة والمسح ؛ عرض المعلومات ، أي تحويل إشارات خرج نظام المعلومات إلى شكل يدركه الإنسان.
قائمة المصادر المستخدمة
http://www.hi-edu.ru/e-books/xbook138/01/index.html؟part-004.htm
http://www.hi-edu.ru/e-books/xbook138/01/index.html؟part-003.htm
http://revolution.allbest.ru/radio/00049966_0.html
http://revolution.allbest.ru/radio/00049842.html
الوكالة الاتحادية للتعليم
المؤسسة التعليمية الحكومية للتعليم المهني العالي
جامعة ولاية تيومين للنفط والغاز
معهد النقل
نبذة مختصرة
حول موضوع "الأجهزة الإلكترونية البصرية".
مكتمل:
مجموعات OBD - 08
تشيكاردان
التحقق:
سيدوروفا أ.
وزارة التربية والتعليم في جمهورية بيلاروسيا
مؤسسة تعليمية
جامعة بيلاروسيا الحكومية
المعلوماتية والإلكترونيات الراديوية "
قسم EVS
أساسيات الإلكترونيات الضوئية. التصنيف الأجهزة الإلكترونية الضوئية"
مينسك ، 2008
تعد الإلكترونيات الضوئية مجالًا مستقلًا مهمًا للإلكترونيات الوظيفية والإلكترونيات الدقيقة. الجهاز الإلكتروني البصري هو جهاز يتم فيه تحويل الإشارات الكهربائية إلى إشارات ضوئية عند معالجة المعلومات والعكس صحيح.
الميزة الأساسية للأجهزة الإلكترونية الضوئية هي أن العناصر الموجودة فيها مقترنة بصريًا ، ولكنها معزولة كهربائيًا عن بعضها البعض.
هذا يجعل من السهل مطابقة الدوائر ذات الجهد العالي والجهد المنخفض ، وكذلك الدوائر عالية التردد ومنخفضة التردد. بالإضافة إلى ذلك ، هناك مزايا أخرى متأصلة في الأجهزة الإلكترونية الضوئية: إمكانية التعديل المكاني لحزم الضوء ، والتي ، بالاقتران مع التغييرات في الوقت ، تمنح ثلاث درجات من الحرية (اثنان في الدوائر الإلكترونية البحتة) ؛ إمكانية تفرع وتقاطع أشعة الضوء بشكل كبير في حالة عدم وجود اتصال كلفاني بين القنوات ؛ حمل وظيفي كبير لحزم الضوء بسبب إمكانية تغيير العديد من معلماتها (السعة ، الاتجاه ، التردد ، الطور ، الاستقطاب).
تغطي الإلكترونيات الضوئية مجالين رئيسيين مستقلين - البصري والإلكتروني البصري. يعتمد الاتجاه البصري على تأثيرات تفاعل الجسم الصلب مع الإشعاع الكهرومغناطيسي. وهي تعتمد على التصوير المجسم والكيمياء الضوئية والبصريات الكهربية وظواهر أخرى. يسمى الاتجاه البصري أحيانًا اتجاه الليزر.
يستخدم الاتجاه الإلكتروني البصري مبدأ التحويل الكهروضوئي الذي يتم تنفيذه في جسم صلب من خلال التأثير الكهروضوئي الداخلي من جهة والتألق الكهربائي من جهة أخرى. يعتمد هذا الاتجاه على استبدال التوصيلات الجلفانية والمغناطيسية في الدوائر الإلكترونية التقليدية بوصلات بصرية. يتيح لك ذلك زيادة كثافة المعلومات في قناة الاتصال وسرعتها ومناعة الضوضاء.
رسم بياني 1. Optocoupler مع اقتران ضوئي داخلي (أ) وخارجي (ب): 1 ، 6 - مصادر الضوء ؛ 2 - دليل الضوء ؛ 3 ، 4 - مستقبلات الضوء ؛ 5- مكبر للصوت.
العنصر الرئيسي للإلكترونيات الضوئية هو optocoupler. توجد مقارنات بصرية مع اقتران ضوئي داخلي (الشكل 1 ، أ) وخارجي (الشكل 1 ، ب). أبسط optocoupler هو شبكة ذات أربعة أطراف (الشكل 1 ، أ) ، تتكون من ثلاثة عناصر: باعث ضوئي 1 ، دليل ضوئي 2 ومستقبل ضوء 3 ، محاط بإسكان محكم الغلق. عندما يتم تطبيق إشارة كهربائية على الإدخال في شكل نبضة أو انخفاض في تيار الإدخال ، يكون جهاز إرسال ضوئي متحمسًا. يدخل التدفق الضوئي من خلال دليل الضوء إلى جهاز الكشف الضوئي ، حيث يتم تشكيل نبضة كهربائية أو انخفاض في تيار الخرج. هذا النوع من optocoupler هو مكبر للصوت للإشارات الكهربائية ، حيث يكون التوصيل الداخلي فوتونيًا ، ويكون التوصيل الخارجي كهربائيًا.
نوع آخر من optocoupler - مع اقتران كهربائي وفوتوني علاقات خارجية(الشكل 1 ، ب) - هو مكبر للصوت للإشارات الضوئية ، وكذلك محول الإشارات من تردد واحد إلى إشارات تردد آخر ، على سبيل المثال ، إشارات الأشعة تحت الحمراء إلى إشارات الطيف المرئية. يحول جهاز استقبال الضوء 4 إشارة ضوء الإدخال إلى كهربائية. يتم تضخيم الأخير بواسطة مكبر للصوت 5 ويثير مصدر الضوء 6.
في الوقت الحاضر ، تم تطوير عدد كبير من الأجهزة الإلكترونية الضوئية لأغراض مختلفة. في الإلكترونيات الدقيقة ، كقاعدة عامة ، لا يتم استخدام سوى العناصر الوظيفية الإلكترونية الضوئية التي يوجد من أجلها إمكانية التكامل ، فضلاً عن توافق تكنولوجيا التصنيع الخاصة بها مع تكنولوجيا تصنيع الدوائر المتكاملة المقابلة.
ضوئي. تخضع مصادر ضوء الإلكترونيات الضوئية لمتطلبات مثل التصغير ، وانخفاض استهلاك الطاقة ، كفاءة عاليةوالموثوقية ، والخدمة الطويلة في الحياة ، وقابلية التصنيع. يجب أن تكون ذات سرعة عالية ، تسمح بإمكانية التصنيع على شكل أجهزة متكاملة.
أكثر مصادر الإنارة الكهربائية استخدامًا هي مصابيح LED للحقن ، حيث يتم تحديد انبعاث الضوء من خلال آلية إعادة التركيب بين الإلكترونات والثقوب. إذا تم تمرير تيار حقن كبير بما فيه الكفاية عبر تقاطع p-n (في الاتجاه الأمامي) ، فسيذهب جزء من الإلكترونات من نطاق التكافؤ إلى نطاق التوصيل (الشكل 2). في الجزء العلوي من شريط التكافؤ ، يتم تشكيل حالات حرة (ثقوب) ، وفي الجزء السفلي من نطاق التوصيل ، يتم تشكيل ملء الحالة (إلكترونات التوصيل).
مثل هذا التجمع المعكوس ليس توازنًا ويؤدي إلى انبعاث فوضوي للفوتونات أثناء انتقالات الإلكترون العكسي. التوهج غير المتماسك الذي ينشأ في هذه الحالة في تقاطع pn هو التلألؤ الكهربائي.
الصورة 2. لشرح مبدأ تشغيل الصمام للحقن.
يتسبب الفوتون المنبعث أثناء انتقال الإنارة من الجزء المملوء من نطاق التوصيل إلى الجزء الحر من نطاق التكافؤ في الانبعاث المستحث لفوتون متطابق ، مما يتسبب في قفز إلكترون آخر إلى نطاق التكافؤ. ومع ذلك ، لا يمكن امتصاص فوتون من نفس الطاقة (من E = E2-E1 إلى E = 2δE) ، لأن الحالة السفلية مجانية (لا توجد إلكترونات فيها) ، والحالة العليا ممتلئة بالفعل. هذا يعني أن الوصلة p-n شفافة لفوتونات هذه الطاقة ، أي للتردد المقابل. على العكس من ذلك ، يمكن امتصاص الفوتونات ذات الطاقات الأكبر من E + 2δE ، مما يؤدي إلى نقل الإلكترونات من نطاق التكافؤ إلى نطاق التوصيل. في الوقت نفسه ، بالنسبة لمثل هذه الطاقات ، يكون الانبعاث المستحث للفوتونات مستحيلًا ، نظرًا لعدم ملء الحالة الأولية العليا ، بينما تمتلئ الحالة السفلية. وبالتالي ، فإن البث المحفّز ممكن في مدى ضيق حول التردد المقابل لطاقة فجوة النطاق ∆Е مع العرض الطيفي δE.
أفضل المواد لمصابيح LED هي زرنيخيد الغاليوم ، فوسفيد الغاليوم ، فوسفيد السيليكون ، كربيد السيليكون ، إلخ. تتميز مصابيح LED بسرعة عالية (حوالي 0.5 ميكرو ثانية) ، ولكنها تستهلك تيارًا عاليًا (حوالي 30 أمبير / سم 2). في الآونة الأخيرة ، تم تطوير مصابيح LED على أساس زرنيخيد الغاليوم - الألومنيوم ، وتتراوح قوتها من كسور إلى عدة ملي واط بتيار مباشر يصل إلى عشرات المللي أمبير. لا يتجاوز p.d. من LEDs 1 - 3٪.
مصادر الضوء الواعدة هي ليزر الحقن ، مما يجعل من الممكن تركيز طاقات عالية في منطقة طيفية ضيقة بكفاءة عالية وسرعة عالية (عشرات البيكو ثانية). يمكن تصنيع هذه الليزرات على شكل مصفوفات على شريحة أساسية واحدة باستخدام نفس تقنية الدوائر المتكاملة. عيب ليزر الحقن البسيط هو أنها تتمتع بأداء مقبول فقط عند استخدام التبريد إلى درجات حرارة منخفضة للغاية. في درجة الحرارة العاديةليزر زرنيخيد الغاليوم صغير متوسط القوة، كفاءة منخفضة (حوالي 1٪) ، ثبات منخفض وعمر خدمة. أدى التحسين الإضافي لليزر الحقن عن طريق إنشاء تقاطع لهيكل معقد باستخدام الوصلات غير المتجانسة (غير المتجانسة - الحدود بين الطبقات التي لها نفس أنواع التوصيل الكهربائي ، ولكن مع وجود فجوات نطاق مختلفة) إلى إمكانية الحصول على مصدر ضوء صغير الحجم يعمل في درجة حرارة عادية بكفاءة 10 - 20٪ وخصائص مقبولة.
كاشفات ضوئية. لتحويل الإشارات الضوئية إلى إشارات كهربائية ، يتم استخدام الثنائيات الضوئية وأجهزة الترانزستورات الضوئية والمقاومات الضوئية والأجهزة الأخرى.
الثنائي الضوئي هو تقاطع عكسي منحاز ، تيار عكسييتم تحديد التشبع من خلال عدد حاملات الشحنة المتولدة فيه بفعل الضوء الساقط (الشكل 3). يتم التعبير عن معلمات الثنائي الضوئي من حيث قيم التيار المتدفق في دائرته. تُعرَّف حساسية الثنائي الضوئي ، والتي تُسمى عادةً بالتكامل ، على أنها نسبة التيار الضوئي إلى الذي تسبب فيه. تدفق مضيئة Fυ. يتم تقدير عتبة حساسية الثنائيات الضوئية من القيم المعروفة للحساسية المتكاملة (الحالية) ومعرف التيار المظلم ، أي يتدفق التيار في الدائرة في حالة عدم وجود تشعيع للطبقة الحساسة.
المواد الرئيسية للصمامات الضوئية هي الجرمانيوم والسيليكون. عادة ما تكون الثنائيات الضوئية السيليكونية حساسة في منطقة ضيقة من الطيف (من λ = 0.6 - 0.8 ميكرومتر إلى λ = 1.1 ميكرومتر) بحد أقصى عند λ = 0.85 ميكرومتر ، والثنائيات الضوئية الجرمانيوم لها حدود حساسية λ = 0.4 - 1.8 ميكرومتر بحد أقصى عند λ ≈ 1.5 ميكرومتر. في وضع الثنائي الضوئي بجهد إمداد يبلغ 20 فولت ، لا يتجاوز التيار المظلم للديودات الضوئية السليكونية عادةً 3 ميكرو أمبير ، في حين أن تيار الجرمانيوم ؛ الثنائيات الضوئية بجهد إمداد 10 فولت ، تصل إلى 15-20 ميكرو أمبير.
تين. 3. مخطط وخصائص الجهد الحالي للديود الضوئي.
الشكل 4. مخطط وخصائص الجهد الحالي للترانزستور الضوئي.
الترانزستورات الضوئية هي مستقبلات للطاقة المشعة ذات تقاطعات pn أو أكثر ، والتي لها خاصية تضخيم التيار الضوئي عند تشعيع الطبقة الحساسة. يجمع الترانزستور الضوئي بين خصائص الثنائي الضوئي وخصائص تضخيم الترانزستور (الشكل 4). إن وجود المدخلات الضوئية والكهربائية في الترانزستور الضوئي في نفس الوقت يجعل من الممكن إنشاء التحيز اللازم للتشغيل في القسم الخطي لخاصية الطاقة ، وكذلك للتعويض تأثيرات خارجية. للكشف عن الإشارات الصغيرة ، يجب تضخيم الجهد المأخوذ من الترانزستور الضوئي. في هذه الحالة ، قم بزيادة مقاومة الخرج التيار المتناوبمع الحد الأدنى من التيار المظلم في دائرة المجمع ، مما يخلق تحيزًا إيجابيًا في القاعدة.
أدلة الضوء. يوجد دليل ضوئي بين المصدر ومستقبل الضوء في optocoupler. لتقليل خسائر الانعكاس من الواجهة بين LED والوسط الموصّل (الألياف الضوئية) ، يجب أن يكون للأخير معامل انكسار عالٍ. تسمى هذه الوسائط الغمر. يجب أيضًا أن تتمتع مادة الغمر بالتصاق جيد بالمصدر والمواد المستقبلة ، وأن توفر مطابقة كافية من حيث معاملات التمدد ، وأن تكون شفافة في منطقة العمل ، وما إلى ذلك. أكثرها واعدة هي زجاج الرصاص مع معامل انكسار 1.8-1.9 وزجاج السيلينيوم مع معامل انكسار 2.4-2.6. يوضح الشكل 5 مقطعًا عرضيًا لمقطع بصري ذو حالة صلبة مع دليل ضوء غمر.
تستخدم خيوط رقيقة من الزجاج أو البلاستيك الشفاف كمرشدات ضوئية في الإلكترونيات الضوئية. هذا الاتجاه يسمى الألياف البصرية. الألياف مغطاة بمواد عازلة للضوء ومتصلة بكابلات ضوئية متعددة النواة. يؤدون نفس الوظيفة بالنسبة للضوء مثل الأسلاك المعدنية بالنسبة للتيار. بمساعدة الألياف الضوئية ، من الممكن: إجراء نقل عنصر تلو الآخر لصورة بدقة يحددها قطر الألياف الضوئية (حوالي 1 ميكرون) ؛ لإنتاج تحولات مكانية للصورة بسبب إمكانية ثني ولف ألياف دليل الضوء ؛ نقل الصور لمسافات طويلة ، إلخ. يوضح الشكل 6 دليلًا ضوئيًا على شكل كابل من ألياف موصلة للضوء.
بصريات متكاملة. تعد البصريات المتكاملة أحد المجالات الواعدة للإلكترونيات الدقيقة الوظيفية ، والتي تضمن إنشاء أنظمة فائقة الكفاءة لنقل المعلومات الضوئية ومعالجتها. يشمل مجال البحث في البصريات المتكاملة انتشار وتحويل وتضخيم الإشعاع الكهرومغناطيسي في النطاق البصري في أدلة الموجات العازلة للأغشية الرقيقة والألياف الضوئية. العنصر الرئيسي للبصريات المتكاملة هو دليل ميكروويف بصري سطحي أو مجمّع. أبسط دليل ميكروويف ضوئي حجمي متماثل هو منطقة مترجمة في واحد أو اثنين من الأبعاد المكانية مع معامل انكسار أكبر من الوسط البصري المحيط. هذه المنطقة الأكثر كثافة بصريًا هي شيء آخر غير قناة أو طبقة حاملة من دليل موجي عازل.
الشكل 5. قسم من optocoupler الحالة الصلبة مع دليل ضوء الغمر: 1 - الانتشار المستوي ؛ 2 - زجاج السيلينيوم 3 - الاتصالات الأومية. 4 - انتشار البنية المتوسطة ؛ 5 - مصدر الضوء ؛ 6 - مستقبل الضوء.
الشكل 6. دليل الضوء على شكل كابل من ألياف موصلة للضوء: 1 - مصدر الضوء ؛ 2 - مستقبل الضوء ؛ 3 - كابل خفيف.
مثال على الدليل الموجي العازل للسطح غير المتماثل هو فيلم رقيق لعزل كهربائي أو شبه موصل شفاف بصريًا بمعامل انكسار أكبر من ذلك الخاص بالركيزة الشفافة بصريًا. يتم تحديد درجة توطين المجال الكهرومغناطيسي ، وكذلك نسبة تدفقات الطاقة المنقولة على طول الطبقة الحاملة والركيزة ، من خلال الحجم العرضي الفعال للطبقة الحاملة والفرق بين مؤشرات الانكسار للطبقة الحاملة و الركيزة عند تردد إشعاع معين. من الطرق البسيطة والأكثر ملاءمة للأجهزة البصرية ذات الحالة الصلبة دليل ميكروويف لشريط بصري ، مصنوع على شكل غشاء عازل رقيق (الشكل 7) ، يتم ترسيبه على ركيزة بواسطة طرق الإلكترونيات الدقيقة (على سبيل المثال ، عن طريق الترسيب الفراغي). باستخدام القناع ، يمكن تطبيق دوائر ضوئية كاملة على ركيزة عازلة للكهرباء بدرجة عالية من الدقة. لقد كفل استخدام الطباعة الحجرية بالحزمة الإلكترونية النجاح في إنشاء دليل موجي لشريط بصري فردي ومقترن بصريًا بطول معين ، وبالتالي أدلة موجية متباينة ، وهو أمر ضروري لإنشاء قارنات اتجاهية ومرشحات انتقائية للتردد في أنظمة البصريات المتكاملة .
الشكل 7. دليل ميكروويف الشريط البصري مع مستطيل المقطع العرضي: 1 - الركيزة. 2 - فيلم عازل.
الدوائر الكهروضوئية الدقيقة. تم تطوير عدد كبير من الدوائر الدقيقة على أساس الإلكترونيات الضوئية. ضع في اعتبارك بعض الدوائر الكهروضوئية الدقيقة التي تنتجها الصناعة المحلية. في الإلكترونيات الدقيقة ، يتم استخدام الدوائر الكهروضوئية الدقيقة للعزل الجلفاني على نطاق واسع. وتشمل هذه المفاتيح عالية السرعة ، ومفاتيح الإشارة التناظرية ، والمفاتيح ، والأجهزة الإلكترونية البصرية التناظرية لاستخدامها في أنظمة المعالجة الوظيفية للإشارة التناظرية.
العنصر الرئيسي في أي دائرة كهربائية ضوئية هو زوج اقتران بصري (الشكل 8 ، أ ، ب) ، يتكون من مصدر ضوء 1 يتم التحكم فيه بواسطة إشارة دخل ، وسيط غمر 2 مقترن بصريًا بمصدر الضوء ، وكاشف ضوئي 3. معلمات زوج optocoupler هي مقاومة الفصل على طول التيار المباشر، ونسبة نقل التيار (نسبة تيار ضوئي المستقبل إلى تيار المرسل) ، ووقت التبديل ، ومن خلال السعة.
على أساس الأزواج الإلكترونية الضوئية ، يتم إنشاء الدوائر الكهروضوئية الدقيقة لأغراض مختلفة.
الشكل 8. المخطط والتنفيذ التكنولوجي لـ optocoupler:
1 - مصدر الضوء ؛ 2 - وسط غمر ؛ 3 - كاشف ضوئي.
المؤلفات
1. بيتروف ك. المواد الراديوية ومكونات الراديو والإلكترونيات: الدورة التعليميةللجامعات. - سانت بطرسبرغ: بيتر ، 2003. - 512 ص.
2. Opadchy Yu.F. إلخ. الإلكترونيات التناظرية والرقمية: كتاب مدرسي للجامعات / Yu.F. Opadchy ، O.P. جلودكين ، أ. جوروف. تحت. إد. O.P. جلودكين. م: الخط الساخن- اتصالات 2002. - 768 ص.
3. Akimov N.N. المقاومات ، المكثفات ، المحولات ، الإختناقات ، تبديل الأجهزة لـ REA: كتيب / N.N. أكيموف ، إ. Vashchukov ، V.A. بروخورنكو ، يو. خودورينوك. مينسك: بيلاروسيا ، 2005. - 591 ص.