Optoaccoppiatori a transistor. Progettazione e principio di funzionamento degli optoaccoppiatori

Un fotoaccoppiatore (altrimenti chiamato fotoaccoppiatore) è un dispositivo elettronico progettato per convertire i segnali elettrici in luce, trasmetterli attraverso canali ottici e riconvertire il segnale in elettrico. Il design dell'accoppiatore ottico implica la presenza di uno speciale emettitore di luce (in dispositivi moderni A tale scopo vengono utilizzati diodi luminosi; i modelli precedenti erano dotati di lampade a incandescenza di piccole dimensioni) e un dispositivo responsabile della conversione del segnale ottico ricevuto (fotorivelatore). Entrambi questi componenti sono combinati utilizzando un canale ottico e un alloggiamento comune.

Classificazione dei tipi di optoaccoppiatori

Esistono diverse caratteristiche in base alle quali i modelli di fotoaccoppiatori possono essere suddivisi in diversi gruppi.

A seconda del grado di integrazione:

optoaccoppiatore elementare - comprende 2 o più elementi uniti da un alloggiamento comune;
circuito integrato optoaccoppiatore - il progetto è costituito da uno o più optoaccoppiatori e, inoltre, può anche essere dotato di elementi complementari (ad esempio un amplificatore).

A seconda del tipo di canale ottico:

Canale ottico di tipo aperto;
Canale ottico chiuso.

A seconda del tipo di fotorivelatore:

Fotoresistore (o semplicemente optoaccoppiatori resistori);
Accoppiatori ottici a fotodiodo;
Fotoaccoppiatori fototransistor (che utilizzano un fototransistor bipolare convenzionale o composito);
o fotoaccoppiatori fototriac;
Optoaccoppiatori che funzionano utilizzando un generatore fotovoltaico (batteria solare).

La progettazione di dispositivi di quest'ultimo tipo è spesso integrata con transistor ad effetto di campo, lo stesso generatore è responsabile del controllo del gate.

Gli optoaccoppiatori fototriac o quelli dotati di transistor ad effetto di campo possono essere chiamati "optorelay" o "".

Fig. 1: Dispositivo accoppiatore ottico

I dispositivi optoelettronici funzionano diversamente a seconda a quale delle due tipologie di direzioni appartengono:

Elettro-ottico.

Il funzionamento dell'apparecchio si basa sul principio secondo cui l'energia luminosa viene convertita in energia elettrica. Inoltre, la transizione viene effettuata attraverso un corpo solido e i processi interni di effetto fotoelettrico che si verificano in esso (espressi nell'emissione di elettroni da parte della sostanza sotto l'influenza di fotoni) e l'effetto bagliore sotto l'influenza di un campo elettrico.

Ottico.

Il dispositivo funziona attraverso la sottile interazione di solidi e radiazioni elettromagnetiche, nonché utilizzando dispositivi laser, olografici e fotochimici.

I computer elettronici fotonici sono assemblati utilizzando una delle due categorie di elementi ottici:

Accoppiatori ottici;
Elementi ottici quantistici.

Sono modelli di dispositivi rispettivamente delle direzioni elettrone-ottica e ottica.

Se il fotoaccoppiatore trasmetterà il segnale in modo lineare è determinato dalle caratteristiche del fotorilevatore integrato nel progetto. Dai fotoaccoppiatori resistivi ci si può aspettare la massima linearità di trasmissione. Di conseguenza, il processo di utilizzo di tali dispositivi è più conveniente. Un gradino più in basso ci sono i modelli con fotodiodi e singoli transistor bipolari.

Per garantire il lavoro dispositivi a impulsi gli optoaccoppiatori sono utilizzati su bipolare o transistor ad effetto di campo, poiché non è necessaria la trasmissione lineare del segnale.

Infine, vengono montati fotoaccoppiatori fototiristori per garantire l'isolamento galvanico e il funzionamento sicuro del dispositivo.

Applicazione

Esistono molti settori in cui è necessario l'uso di fotoaccoppiatori. Questa ampiezza di applicazione è dovuta al fatto che sono elementi con molte proprietà diverse e ciascuna delle loro qualità ha un campo di applicazione separato.

Fissazione dell'impatto meccanico (vengono utilizzati dispositivi dotati di un canale ottico di tipo aperto, che può essere bloccato (esercitare un impatto meccanico), il che significa che il dispositivo stesso può essere utilizzato come sensore):
- Rilevatori di presenza (rilevazione della presenza/assenza di fogli di carta nella stampante);
- Rilevatori del punto finale (inizio);
- Contatori;
- Tachimetri discreti.
Isolamento galvanico (l'uso di optoaccoppiatori consente di trasmettere un segnale non correlato alla tensione; forniscono anche controllo e protezione senza contatto), che può essere fornito da:
- Optoaccoppiatore (nella maggior parte dei casi utilizzato come trasmettitore di informazioni);
- Optorelè (principalmente adatto per il controllo di circuiti di segnale e di potenza).

Optoaccoppiatori

L'uso di transistor o optoaccoppiatori integrati è particolarmente importante se è necessario fornire un isolamento galvanico in un circuito di segnale o in un circuito con bassa corrente di controllo. Il ruolo di un elemento di controllo può essere svolto da dispositivi a semiconduttore a tre elettrodi, circuiti che controllano segnali discreti, nonché circuiti con specializzazione speciale.

Fig2: Optoaccoppiatori 5000 Vrms 50 mA.

Parametri e caratteristiche operative dei fotoaccoppiatori

In base all'esatta struttura del dispositivo è possibile determinarne la resistenza elettrica. Questo termine si riferisce al valore della tensione che si verifica tra i circuiti di ingresso e di uscita. Pertanto, i produttori di optoaccoppiatori che forniscono isolamento galvanico dimostrano una serie di modelli con alloggiamenti diversi:

SSOP;
Minipiombo piatto.

A seconda del tipo di alloggiamento, il fotoaccoppiatore genera l'una o l'altra tensione di isolamento. Per creare condizioni in cui il livello di tensione sufficiente a causare la rottura dell'isolamento fosse sufficientemente elevato, il fotoaccoppiatore dovrebbe essere progettato in modo tale che le seguenti parti siano posizionate sufficientemente distanti l'una dall'altra:

e registratore ottico;
Lato interno ed esterno della custodia.

In alcuni casi, è possibile trovare accoppiatori ottici di un gruppo specializzato, fabbricati secondo norma internazionale sicurezza. Il livello di resistenza elettrica di questi modelli è un ordine di grandezza superiore.

Un altro parametro significativo di un fotoaccoppiatore a transistor è chiamato "coefficiente di trasferimento di corrente". In base al valore di questo coefficiente, il dispositivo viene classificato in una categoria o nell'altra, che si riflette nel nome del modello.

Non ci sono restrizioni riguardo al livello della frequenza operativa inferiore dei fotoaccoppiatori: funzionano bene in un circuito con corrente continua. E il limite superiore della frequenza operativa di questi dispositivi coinvolti nella trasmissione di segnali di origine digitale è calcolato in centinaia di megahertz. Per i fotoaccoppiatori di tipo lineare, questa cifra è limitata a decine di megahertz. Per i progetti più lenti, inclusa una lampada a incandescenza, il ruolo più tipico è svolto dai filtri a bassa frequenza che operano a frequenze che non raggiungono i 10 Hz

Optoaccoppiatore a transistor e rumore che produce

Esistono due ragioni principali per cui il funzionamento di una coppia di transistor è accompagnato da effetti di rumore:

Per superare il primo motivo, sarà necessario installare uno schermo speciale. Il secondo viene eliminato attraverso una modalità operativa correttamente selezionata.

Optorelè

Un relè optoelettronico, altrimenti noto come relè a stato solido, viene solitamente utilizzato per regolare il funzionamento di un circuito con grandi correnti di controllo. Il ruolo dell'elemento di controllo qui è solitamente svolto da due transistor MOSFET con connessioni back-to-back; questa configurazione garantisce la capacità di funzionare in condizioni di corrente alternata;

Fig. 3: Optorelè KR293 KP2V

Classificazione dei tipi di optorelè

Sono definiti tre tipi di topologie per i relè ottici:

Normalmente aperto Si presuppone che il circuito di controllo si chiuda solo quando la tensione di controllo viene applicata ai terminali del diodo luminoso.
Normalmente chiuso Si presuppone che il circuito di controllo si apra solo quando la tensione di controllo viene applicata ai terminali del diodo luminoso.
Commutazione La terza topologia prevede una combinazione di canali normalmente chiusi e normalmente aperti.

Un relè ottico, come un accoppiatore ottico, ha una caratteristica di resistenza elettrica.

Tipi di relè ottici

Modelli di tipo standard;
Modelli con bassa resistenza;
Modelli con CxR basso;
Modelli con bassa tensione di polarizzazione;
Modelli con alta tensione di isolamento.

Campi di applicazione dei relè ottici

Modem;
Dispositivo di misurazione;
Interfaccia con l'attuatore;
Centrali telefoniche automatiche;
Contatori elettrici, termici e del gas;
Interruttore di segnale.

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Cos'è un fotoaccoppiatore

Un fotoaccoppiatore è un dispositivo optoelettronico, le cui principali parti funzionali sono una sorgente luminosa e un fotorilevatore, galvanicamente non collegati tra loro, ma situati all'interno di un comune alloggiamento sigillato. Il principio di funzionamento di un fotoaccoppiatore si basa sul fatto che il segnale elettrico fornito provoca un bagliore sul lato trasmittente e sotto forma di luce il segnale viene ricevuto dal fotorilevatore, avviando un segnale elettrico sul lato ricevente. Cioè, il segnale viene trasmesso e ricevuto tramite comunicazione ottica all'interno del componente elettronico.

Optoaccoppiatore: il massimo varietà semplice accoppiatore ottico. Consiste solo di parti emittenti e riceventi. Un tipo più complesso di accoppiatore ottico è un microcircuito optoelettronico, che contiene diversi accoppiatori ottici collegati a uno o più dispositivi di adattamento o amplificazione.

Quindi, l'accoppiatore ottico è componente elettronico, fornendo la trasmissione del segnale ottico in un circuito senza una connessione galvanica tra la sorgente del segnale e il suo ricevitore, poiché è noto che i fotoni sono elettricamente neutri.

Struttura e caratteristiche degli optoaccoppiatori

Gli accoppiatori ottici utilizzano fotorilevatori sensibili nelle regioni del vicino infrarosso e del visibile, poiché questa parte dello spettro è caratterizzata da sorgenti di radiazioni intense che possono funzionare come fotorilevatori senza raffreddamento. I fotorilevatori con giunzioni p-n (diodi e transistor) basati sul silicio sono universali, la regione della loro massima sensibilità spettrale è vicina a 0,8 micron.

L'optoaccoppiatore è caratterizzato principalmente dal coefficiente di trasmissione della corrente CTR, cioè dal rapporto tra le correnti del segnale di ingresso e di uscita. Il parametro successivo è la velocità di trasmissione del segnale, essenzialmente la frequenza di taglio fc del fotoaccoppiatore, associata ai tempi di salita tr e ai tempi di taglio tf degli impulsi trasmessi. Infine i parametri che caratterizzano il fotoaccoppiatore dal punto di vista dell'isolamento galvanico: resistenza di isolamento Riso, tensione massima Viso e capacità passante Cf.

Il dispositivo di input incluso nella struttura dell'accoppiatore ottico è progettato per creare condizioni ottimali funzionamento dell'emettitore (LED), per spostare il punto di funzionamento nella zona lineare della caratteristica corrente-tensione.

Il dispositivo di ingresso ha una velocità sufficiente e un'ampia gamma di correnti di ingresso, garantendo una trasmissione affidabile delle informazioni anche a bassa corrente (di soglia). All'interno dell'alloggiamento si trova il mezzo ottico, attraverso il quale la luce viene trasmessa dall'emettitore al fotorilevatore.

Nei fotoaccoppiatori con canale ottico controllato è presente un ulteriore dispositivo di controllo attraverso il quale è possibile influenzare le proprietà del mezzo ottico mediante mezzi elettrici o magnetici. Dal lato del fotorilevatore, il segnale viene ripristinato, convertendosi rapidamente da ottico a elettrico.

Il dispositivo di uscita sul lato del fotorilevatore (ad esempio, un fototransistor incluso nel circuito) è progettato per convertire il segnale in una forma elettrica standard, conveniente per l'ulteriore elaborazione nei blocchi successivi al fotoaccoppiatore. Un fotoaccoppiatore spesso non contiene dispositivi di input e output, quindi richiede circuiti esterni per creare il normale funzionamento nel circuito di un particolare dispositivo.

Applicazione di optoaccoppiatori

Gli optoaccoppiatori sono ampiamente utilizzati in unità di varie apparecchiature, dove sono presenti circuiti a bassa e alta tensione, i circuiti di controllo sono disaccoppiati dai circuiti di alimentazione: controllo di potenti triac e tiristori, circuiti relè, ecc.

Nei circuiti di radioingegneria di modulazione e controllo automatico del guadagno, vengono utilizzati accoppiatori ottici a diodi, transistor e resistori. Attraverso l'esposizione attraverso il canale ottico, il circuito viene regolato senza contatto e portato alla modalità operativa ottimale.

Gli optoaccoppiatori sono così versatili che, anche semplicemente come elementi di isolamento galvanico e controllo senza contatto, vengono utilizzati in una tale varietà di settori e in così tante funzioni uniche che è impossibile elencarli tutti.

Eccone solo alcuni: tecnologia informatica, tecnologia della comunicazione, automazione, apparecchiature radio, sistemi di controllo automatizzati, strumenti di misura, sistemi di controllo e regolazione, apparecchiature medicali, dispositivi di visualizzazione e molto altro ancora.

Vantaggi degli optoaccoppiatori

Applicazione di fotoaccoppiatori su circuiti stampati consente di ottenere un isolamento galvanico ideale quando i requisiti di resistenza per l'isolamento dei circuiti di ingresso e uscita ad alta e bassa tensione sono estremamente elevati. La tensione tra i circuiti trasmettitore e ricevitore del popolare fotoaccoppiatore PC817 è, ad esempio, 5000 V. Inoltre, con l'aiuto dell'isolamento ottico, si ottiene una capacità passante estremamente bassa, dell'ordine di 1 pF.

Con l'aiuto dei fotoaccoppiatori, il controllo senza contatto è implementato molto facilmente, pur mantenendo la possibilità di soluzioni progettuali uniche per quanto riguarda i circuiti di controllo diretto. È anche importante qui che non vi sia assolutamente alcuna reazione dal ricevitore alla fonte, ovvero che le informazioni vengano trasmesse unidirezionalmente.

La più ampia larghezza di banda del fotoaccoppiatore elimina le limitazioni imposte dalle basse frequenze: con l'aiuto della luce è possibile trasmettere sia un segnale costante che un segnale pulsato e con fronti molto ripidi, cosa fondamentalmente impossibile da ottenere utilizzando i trasformatori di impulsi. Il canale di comunicazione all'interno del fotoaccoppiatore è assolutamente immune agli effetti dei campi elettromagnetici, quindi il segnale è protetto da interferenze e interferenze. Infine, i fotoaccoppiatori sono completamente compatibili con altri componenti elettronici.

Un fotoaccoppiatore è un dispositivo semiconduttore optoelettronico contenente una sorgente e un ricevitore di radiazione ottica, che sono otticamente e strutturalmente interconnessi e progettati per eseguire varie trasformazioni funzionali di segnali elettrici e ottici.

Le sorgenti di radiazioni possono essere lampade a incandescenza, lampade a scarica di gas, emettitori a semiconduttori e LED. Nei circuiti optoelettronici integrati, la sorgente della radiazione ottica è un LED ad iniezione, che fornisce fotoaccoppiatori ad alte prestazioni. I fotorivelatori possono essere: fotoresistori, fotodiodi, fototransistor, fototiristori. La combinazione di un LED con uno di questi fotorilevatori in un elemento strutturale ha permesso di creare una serie di optoaccoppiatori con caratteristiche diverse: resistore, diodo, transistor, tiristore (Fig. 5.19). Il collegamento tra la sorgente di radiazione e il fotorivelatore è un mezzo ottico passivo o attivo che svolge le funzioni di una guida luminosa.

Fig.8.18. Tipi di optoaccoppiatori: resistore (a), diodo (b), transistor (c), tiristore (d),

Il principio di funzionamento dell'accoppiatore ottico si basa sulla doppia conversione di energia. Nelle sorgenti di radiazioni, l'energia del segnale elettrico viene convertita in radiazione ottica e nei fotorivelatori il segnale ottico viene convertito in un segnale elettrico (corrente o tensione). Un fotoaccoppiatore è un dispositivo con segnali elettrici di ingresso e uscita.

La guida luminosa fornisce l'isolamento galvanico dei circuiti di ingresso e di uscita (la resistenza di isolamento può raggiungere 10 12 ... 10 14 Ohm e la capacità di comunicazione è 10 -2 pF) e la trasmissione unidirezionale del segnale dalla sorgente di radiazione al fotorilevatore, che è tipico delle linee di comunicazione ottiche.

I vantaggi degli optoaccoppiatori sono:

1. mancanza di connessione elettrica tra ingresso e uscita, nonché feedback tra il fotorivelatore e la sorgente di radiazione.

2. ampia larghezza di banda delle vibrazioni elettriche, che consente di trasmettere segnali nella gamma di frequenze da 0 a 10 14 Hz.

3. elevata immunità al rumore del canale ottico, dovuta all'immunità dei fotoni agli effetti dei campi elettromagnetici esterni.

4. facilità di combinare optoaccoppiatori con microcircuiti in vari dispositivi di telecomunicazione.

Gli optoaccoppiatori sono utilizzati come:

a) elemento di isolamento elettrico in digitale e dispositivi a impulsi, così come i dispositivi analogici.

b) controllo senza contatto di alimentatori ad alta tensione in vari sistemi di automazione.

c) una chiave per generare e commutare impulsi potenti, nonché per collegare sensori con dispositivi e unità di misurazione.

Gli optoaccoppiatori resistori sono i più versatili. Possono essere utilizzati in dispositivi analogici e chiave, hanno un'ampia gamma di variazioni di resistenza (da decine a centinaia di MOhm negli stati spenti e centinaia di Ohm negli stati illuminati) e una gamma di bassa frequenza. In un optoaccoppiatore a resistenza, come emettitori vengono utilizzati LED che operano in un'ampia gamma ottica. Per ottenere i parametri energetici, è necessario far corrispondere l'emettitore e il ricevitore in termini di caratteristiche spettrali.

Gli optoaccoppiatori resistori sono descritti dai seguenti parametri dei circuiti di ingresso e uscita:

1. Corrente massima in ingresso Iin. max è il valore massimo dell'ingresso medio o della corrente CC.

2. La tensione di ingresso Uin è una tensione costante o effettiva applicata ai terminali di ingresso dell'emettitore con una corrente di ingresso operativa.

3. Corrente di commutazione in uscita I out. com è la corrente di uscita nominale controllata dal carico.

4. La corrente di uscita massima è il valore corrente al quale il fotoaccoppiatore del resistore funziona per un lungo periodo.

5. La tensione di commutazione massima in uscita è il valore di tensione massimo all'uscita del fotoaccoppiatore.

6. Massima dissipazione di potenza all'uscita del fotoaccoppiatore, che garantisce il funzionamento a lungo termine del dispositivo.

7. Resistenza all'uscita scura e alla luce in uscita.

8. Capacità passante C pr - tra l'ingresso e l'uscita del fotoaccoppiatore.

9. La resistenza di isolamento R da è la resistenza tra l'ingresso e l'uscita del fotoaccoppiatore.

10. La tensione di isolamento massima è la tensione massima alla quale viene mantenuta la resistenza e l'affidabilità del prodotto applicato tra l'ingresso e l'uscita del pacchetto ottico.

Esempi di optoaccoppiatori resistori possono essere: OEP-16, OEP-1, OEP-2, OEP-9.

Gli optoaccoppiatori a diodi vengono utilizzati come interruttori e possono commutare la corrente con una frequenza di 10 6 ... 10 7 Hz. La resistenza al buio raggiunge 10 8 ... 10 10 Ohm e quando illuminata diminuisce a centinaia di Ohm. La resistenza tra i circuiti di ingresso e di uscita è 10 13 ... 10 15 Ohm. Un LED che opera nella regione della radiazione infrarossa viene utilizzato come emettitore negli accoppiatori ottici a diodi e un fotodiodo al silicio viene utilizzato come fotorivelatore. Il LED ha una caratteristica spettrale massima ad una lunghezza d'onda di circa 1 µm.

Gli optoaccoppiatori a diodi sono descritti dai seguenti parametri dei circuiti di ingresso e uscita:

1. U in: la tensione di ingresso è determinata da una determinata corrente di ingresso che scorre attraverso il LED;

2. Inserisco. max è il valore massimo della corrente continua o pulsata al quale è garantito il funzionamento affidabile a lungo termine del fotoaccoppiatore;

3. U dentro. arr. max è la tensione inversa di ingresso massima applicata all'ingresso del fotoaccoppiatore, che garantisce un funzionamento affidabile a lungo termine del fotoaccoppiatore;

4. I t - corrente (termica) di uscita del fotodiodo in assenza di ingresso (fotoflusso);

5. Esco. obr - giorno libero corrente inversa con una determinata tensione di uscita e nessuna corrente di ingresso.

6. Sei fuori. Massimo. rev - tensione inversa massima del circuito di uscita alla quale il fotodiodo funziona in modo affidabile e per lungo tempo;

7. t nr - tempo di salita del segnale di uscita, al quale l'ampiezza della tensione di uscita cambia da 0,1 a 0,5 U out. massimo;

8. t sp - tempo di decadimento del segnale di uscita. Durante questo periodo di tempo, la tensione di uscita diminuisce da 0,9 a 0,5 del suo valore massimo.

Esempi di fotoaccoppiatori a diodi sono AOD101A...AOD101D, AOD107, ZOD107A, ecc.

Gli accoppiatori ottici a transistor hanno una sensibilità maggiore rispetto agli accoppiatori ottici a diodi. La velocità non supera i 10 5 Hz. L'optoaccoppiatore a transistor utilizza un LED con una lunghezza d'onda della radiazione di circa 1 μm e un fototransistor al silicio di tipo n-p-n viene utilizzato come fotorilevatore.

Se non c'è radiazione ottica, nel circuito collettore del fototransistor scorre sempre una piccola corrente inversa (corrente oscura), la cui entità dipende fortemente dalla temperatura. Per ridurre la corrente di buio, tra i terminali della base e dell'emettitore è collegata una resistenza esterna di circa 0,1...1,0 M Ohm.

Un fotoaccoppiatore a transistor è descritto dai parametri dei circuiti di ingresso e di uscita. Considerando che nei fotoaccoppiatori a diodi e a transistor vengono utilizzati LED quasi identici, i parametri di ingresso dei fotoaccoppiatori a transistor sono gli stessi di quelli dei fotoaccoppiatori a diodi.

Il fotoaccoppiatore a transistor è descritto dai seguenti parametri del circuito di uscita:

1. U resto - tensione di uscita residua all'uscita del fotoaccoppiatore quando il fototransistor è aperto;

2. I ut.out - corrente che scorre nel circuito di uscita quando il fototransistor è chiuso (corrente di dispersione);

3. P media max - dissipazione di potenza massima media alla quale il fotoaccoppiatore mantiene un funzionamento affidabile a lungo termine;

4. Esco. max - corrente di uscita massima del fototransistor durante il suo funzionamento affidabile;

5. t nr - il tempo di salita del segnale di uscita, al quale la tensione di uscita cambia da 0,9 a 0,1 del suo valore massimo.

6. t sp - tempo di decadimento della tensione di uscita, al quale la tensione di uscita aumenta da 0,1 a 0,9 del valore massimo.

7. t on - on time è il tempo dal momento in cui viene applicato il segnale di ingresso fino al momento in cui il segnale di ingresso raggiunge 0,1 U di ingresso. Massimo. oppure questo è il tempo di herd - t sp della tensione di uscita al livello di 0,1 U out. Massimo.

8. t tempo di spegnimento è il tempo durante il quale il segnale di ingresso diminuisce a 0,9 U di ingresso max. oppure è t nr - il tempo di aumento della tensione di uscita a 0,9 U di uscita max.

9. Tensione di isolamento massima U da - la tensione che può essere applicata tra l'ingresso e l'uscita e alla quale viene mantenuta la rigidità dielettrica del fotoaccoppiatore.

Esempi di fotoaccoppiatori a transistor sono: AOT123A, ZOT123B, AOT110(A,B,C), ZOT123A, AOT123T, ecc.

Gli optoaccoppiatori a tiristori vengono utilizzati in modalità chiave per generare e commutare impulsi potenti. L'emettitore nel fotoaccoppiatore a tiristore è un LED e il ricevitore è un fototiristore al silicio. Il fototiristore rimane acceso anche quando la radiazione del LED si interrompe. A questo proposito il segnale luminoso di controllo proveniente dal LED può essere fornito solo per il tempo necessario allo sblocco del tiristore. Tutto ciò consente di ridurre l'energia richiesta per controllare il fotoaccoppiatore del fototiristore. Per spegnere il fototiristore è necessario rimuovere la tensione esterna. Tutto ciò distingue un fotoaccoppiatore a tiristori da uno a transistor. Il fotoaccoppiatore a tiristori è descritto dai seguenti parametri:

1. Corrente di accensione I on (corrente di risposta in ingresso I, trigger) - corrente diretta costante del fotoaccoppiatore, che trasferisce il fotoaccoppiatore allo stato aperto in una determinata modalità di ingresso;

2. Corrente di commutazione a impulsi I inserita. è l'ampiezza dell'impulso di corrente in ingresso di una determinata durata, che trasforma i fotoaccoppiatori nello stato aperto;

3. U in - tensione di ingresso all'ingresso LED a una determinata corrente di commutazione in ingresso;

4. Inserisco - input DC GUIDATO;

5. Io entro. im - ingresso corrente impulsiva accoppiatori ottici;

6. Esco. chiuso - corrente di uscita nello stato chiuso, che scorre nel circuito di uscita quando il fototiristore è chiuso e in una determinata modalità;

7. Esco. ritorno - corrente inversa in uscita che scorre quando il fototiristore è chiuso;

8. U ost - tensione di uscita su un fototiristore aperto;

9. Esco. ud - corrente di mantenimento - la corrente più piccola del fototiristore nello stato aperto;

10. U output min - la tensione di uscita costante minima sul fototiristore alla quale l'accoppiatore ottico viene acceso a un dato segnale di ingresso;

11. U output obr - tensione di uscita massima alla quale è garantita l'affidabilità specificata;

12. t on - on time è l'intervallo di tempo tra l'impulso di corrente in ingresso al livello 0,5 e la corrente di uscita al livello 0,9 del valore massimo;

13. t off - il tempo di spegnimento è il periodo di tempo dal momento in cui termina la corrente di uscita al momento in cui inizia la corrente di uscita successiva, sotto l'influenza del quale il fototiristore non passa allo stato aperto.

14. C out - capacità di uscita all'uscita del fotoaccoppiatore a tiristore nello stato chiuso.

Esempi di optoaccoppiatori a tiristori: AOU103A, ZOU103A, AOU103V, ZOU103B.

Gli optoaccoppiatori sono quei dispositivi optoelettronici in cui sono presenti una sorgente e un ricevitore di radiazioni (emettitore di luce e fotorivelatore) con uno o l'altro tipo di connessione ottica ed elettrica tra loro, strutturalmente collegati tra loro.

Principio di funzionamento gli optoaccoppiatori di qualsiasi tipo si basano su quanto segue. Nell'emettitore l'energia del segnale elettrico viene convertita in luce; nel fotorivelatore, invece, il segnale luminoso provoca una risposta elettrica.

In pratica si sono diffusi solo gli accoppiatori ottici che hanno una connessione ottica diretta dall'emettitore al fotorilevatore e, di norma, sono esclusi tutti i tipi di comunicazione elettrica tra questi elementi.

In base al grado di complessità dello schema strutturale, tra i prodotti optoaccoppiatori si distinguono due gruppi di dispositivi. Un fotoaccoppiatore (chiamato anche “fotoaccoppiatore elementare”) è un dispositivo optoelettronico a semiconduttore costituito da elementi emettitori e fotoriceventi, tra i quali esiste una connessione ottica che fornisce isolamento elettrico tra ingresso e uscita. Un circuito integrato optoelettronico è un microcircuito costituito da uno o più optoaccoppiatori e uno o più dispositivi di adattamento o amplificazione ad essi collegati elettricamente.

Pertanto, in un circuito elettronico, tale dispositivo svolge la funzione di un elemento di comunicazione, in cui, allo stesso tempo, viene effettuato l'isolamento elettrico (galvanico) dell'ingresso e dell'uscita.

Nello schema a blocchi di Fig. 1 dispositivo di ingresso viene utilizzato per ottimizzare la modalità operativa dell'emettitore (ad esempio, polarizzando il LED sulla sezione lineare della caratteristica watt-ampere) e convertendo (amplificando) il segnale esterno. Il blocco di input deve avere alta efficienza conversione, alta velocità, ampio intervallo dinamico delle correnti di ingresso consentite (per sistemi lineari), basso valore della corrente di ingresso “soglia”, che garantisce una trasmissione affidabile delle informazioni attraverso il circuito.

Figura 1. Schema a blocchi generalizzato di un fotoaccoppiatore

Lo scopo del mezzo ottico è trasferire l'energia del segnale ottico dall'emettitore al fotorilevatore e, in molti casi, anche garantire l'integrità meccanica della struttura.

Controllabilità fondamentale proprietà ottiche ambientale, ad esempio, attraverso l'uso di effetti elettro-ottici o magneto-ottici, si riflette nell'introduzione di un dispositivo di controllo nel circuito. In questo caso, otteniamo un fotoaccoppiatore con un canale ottico controllato, funzionalmente diverso da un “. optoaccoppiatore convenzionale”: il segnale di uscita può essere modificato sia sui circuiti di ingresso che su quelli di controllo.

Nel fotorivelatore il segnale informativo viene “ripristinato” da ottico a elettrico; allo stesso tempo si sforzano di avere alta sensibilità e alte prestazioni.

Infine, il dispositivo di uscita è progettato per convertire il segnale del fotorivelatore in una forma standard conveniente per influenzare le cascate successive al fotoaccoppiatore. Una funzione quasi obbligatoria del dispositivo di uscita è l'amplificazione del segnale, poiché le perdite dopo la doppia conversione sono molto significative. Spesso la funzione di amplificazione viene eseguita dal fotorilevatore stesso (ad esempio un fototransistor).

Schemi elettrici e caratteristiche di uscita dei fotoaccoppiatori con fotoresistore (a), fotodiodo (b) e fototiristore (c): 1 - diodo emettitore di luce a semiconduttore; 2 - fotoresistore; 3 - fotodiodo; 4- fototiristore; U E IO- tensione e corrente nel circuito di uscita del fotoaccoppiatore. Le curve tratteggiate corrispondono all'assenza di corrente nel circuito di ingresso del fotoaccoppiatore, le curve continue corrispondono a due diversi valori delle correnti di ingresso.

1. Introduzione. 2

1.1. Definizioni di base. 2

1.2. Caratteristiche distintive optoaccoppiatori. 2

1.3. Schema a blocchi generalizzato. 3

1.4. Applicazione. 4

1.5. Storia. 5

2. Fondamenti fisici della tecnologia degli accoppiatori ottici. 6

2.1. Base degli elementi e progettazione di optoaccoppiatori. 6

2.2. Fisica della conversione dell'energia in un accoppiatore ottico a diodo. 7

3. Parametri e caratteristiche degli optoaccoppiatori e dell'optoelettronica circuiti integrati. 13

3.1. Classificazione dei parametri dei prodotti optoaccoppiatori. 13

3.2. Optoaccoppiatori a diodi. 14

3.3. Optoaccoppiatori a transistor e tiristori. 15

3.4. Optoaccoppiatori resistori. 15

3.5. Optoaccoppiatori differenziali. 15

3.6. Microcircuiti optoelettronici. 16

4. Aree di applicazione degli accoppiatori ottici e dei microcircuiti accoppiatori ottici. 16

4.1. Trasferimento di informazioni. 17

4.2. Ricezione e visualizzazione di informazioni. 18

4.3. Controllo dei processi elettrici. 18

4.4. Sostituzione prodotti elettromeccanici. 19

4.5. Funzioni energetiche. 19

5. Letteratura. 19

1. INTRODUZIONE

1.1 Definizioni di base.

Il principio di funzionamento dei fotoaccoppiatori di qualsiasi tipo si basa su quanto segue. Nell'emettitore l'energia del segnale elettrico viene convertita in luce; nel fotorivelatore, invece, il segnale luminoso provoca una risposta elettrica.

In base al grado di complessità dello schema strutturale, tra i prodotti optoaccoppiatori si distinguono due gruppi di dispositivi. Un fotoaccoppiatore (chiamato anche “fotoaccoppiatore elementare”) è un dispositivo semiconduttore optoelettronico costituito da elementi emettitori e fotoriceventi, tra i quali esiste una connessione ottica che fornisce l'isolamento elettrico tra l'ingresso e l'uscita. Un circuito integrato optoelettronico è un microcircuito costituito da uno o più optoaccoppiatori e uno o più dispositivi di adattamento o amplificazione ad essi collegati elettricamente.

Pertanto, in un circuito elettronico, tale dispositivo svolge la funzione di un elemento di comunicazione, in cui allo stesso tempo viene effettuato l'isolamento elettrico (galvanico) dell'ingresso e dell'uscita.

1.2 Caratteristiche distintive degli optoaccoppiatori.

I vantaggi di questi dispositivi si basano sul principio optoelettronico generale dell'utilizzo di fotoni elettricamente neutri per trasferire informazioni. I principali sono i seguenti:

Possibilità di fornire un isolamento elettrico (galvanico) ideale tra ingresso e uscita; per gli optoaccoppiatori non esistono restrizioni fisiche o di progettazione fondamentali per il raggiungimento arbitrario alta tensione e resistenze di disaccoppiamento e capacità di rendimento arbitrariamente piccola;

La capacità di implementare il controllo ottico senza contatto di oggetti elettronici e la conseguente diversità e flessibilità delle soluzioni progettuali per i circuiti di controllo;

Propagazione unidirezionale dell'informazione lungo il canale ottico, nessun feedback dal ricevitore all'emettitore;

Ampia larghezza di banda di frequenza del fotoaccoppiatore, nessuna limitazione dalle basse frequenze (tipico trasformatori di impulsi); la capacità di trasmettere sia un segnale a impulsi che un componente costante tramite un circuito accoppiatore ottico;

La capacità di controllare il segnale di uscita dell'accoppiatore ottico influenzando (anche non elettricamente) il materiale del canale ottico e la conseguente possibilità di creare una varietà di sensori, nonché una varietà di dispositivi per la trasmissione di informazioni;

La capacità di creare dispositivi microelettronici funzionali con fotorilevatori, le cui caratteristiche, quando illuminate, cambiano secondo una legge complessa;

L'immunità dei canali di comunicazione ottica agli effetti dei campi elettromagnetici, che nel caso dei fotoaccoppiatori "lunghi" (con una guida luminosa in fibra ottica estesa tra l'emettitore e il ricevitore) li rende protetti da interferenze e perdite di informazioni, ed elimina anche interferenza reciproca;

Compatibilità fisica, progettuale e tecnologica con altri dispositivi semiconduttori e microelettronici.

Gli accoppiatori ottici presentano anche alcuni svantaggi:

Consumo energetico significativo dovuto alla necessità della doppia conversione energetica (elettricità - luce - elettricità) e alla bassa efficienza di queste transizioni;

Maggiore sensibilità dei parametri e delle caratteristiche agli effetti della temperatura elevata e della penetrazione delle radiazioni nucleari;

Degrado temporaneo (deterioramento) più o meno evidente dei parametri;

Relativamente alto livello rumore proprio, causato, come i due svantaggi precedenti, dalle peculiarità della fisica dei LED;

La complessità dell'implementazione del feedback causato dall'isolamento elettrico dei circuiti di ingresso e uscita;

Imperfezione strutturale e tecnologica associata all'uso della tecnologia ibrida non planare (con la necessità di combinare più singoli cristalli di diversi semiconduttori situati su piani diversi in un unico dispositivo).

Gli svantaggi elencati degli optoaccoppiatori vengono parzialmente eliminati con il miglioramento dei materiali, della tecnologia e della progettazione dei circuiti, ma rimarranno comunque di natura piuttosto fondamentale per molto tempo. Tuttavia, i loro vantaggi sono così elevati da garantire che gli accoppiatori ottici siano sicuramente non competitivi rispetto agli altri dispositivi microelettronici.

1.3 Schema a blocchi generalizzato (Fig. 1.1).

Figura 1.1. Schema a blocchi generalizzato di un fotoaccoppiatore.

Come elemento di accoppiamento un fotoaccoppiatore si caratterizza per il suo coefficiente di trasmissione K io, determinato dal rapporto tra i segnali di uscita e di ingresso e dalla velocità massima di trasferimento delle informazioni F. Quasi invece F misurare la durata della salita e della caduta degli impulsi trasmessi t nar (sp) o frequenza di taglio. Le capacità di un fotoaccoppiatore come elemento di isolamento galvanico sono caratterizzate da tensione massima e resistenza al disaccoppiamento Sviluppo U E Sviluppo R e capacità di passaggio Sviluppo C .

Nello schema strutturale Fig. 1.1, il dispositivo di ingresso viene utilizzato per ottimizzare la modalità operativa dell'emettitore (ad esempio, polarizzando il LED sulla sezione lineare della caratteristica watt-ampere) e convertendo (amplificando) il segnale esterno. L'unità di ingresso deve avere un'elevata efficienza di conversione, alta velocità, un ampio intervallo dinamico di correnti di ingresso consentite (per sistemi lineari) e un valore basso della corrente di ingresso “di soglia”, che garantisce una trasmissione affidabile delle informazioni attraverso il circuito.

Lo scopo del mezzo ottico è trasferire l'energia del segnale ottico dall'emettitore al fotorilevatore e, in molti casi, anche garantire l'integrità meccanica della struttura.

La possibilità fondamentale di controllare le proprietà ottiche del mezzo, ad esempio, utilizzando effetti elettro-ottici o magneto-ottici, si riflette introducendo un dispositivo di controllo nel circuito. In questo caso, otteniamo un accoppiatore ottico con controllo

canale ottico, funzionalmente diverso da un optoaccoppiatore “tradizionale”: il segnale di uscita può essere modificato sia attraverso l'ingresso che attraverso il circuito di controllo.

Nel fotorivelatore il segnale informativo viene “ripristinato” da ottico a elettrico; Allo stesso tempo, si sforzano di avere un'elevata sensibilità e prestazioni elevate.

Schema a blocchi generale di Fig. 1.1 è implementato in ogni specifico dispositivo solo da una parte dei blocchi. In base a ciò, esistono tre gruppi principali di dispositivi optoaccoppiatori; optoaccoppiatori precedentemente denominati (accoppiatori ottici elementari) che utilizzano blocchi emettitore di luce - mezzo ottico - fotorilevatori; microcircuiti optoelettronici (accoppiatori ottici) (accoppiatori ottici con l'aggiunta di un dispositivo di uscita e talvolta di ingresso); tipi speciali di fotoaccoppiatori - dispositivi che sono funzionalmente e strutturalmente significativamente diversi dai fotoaccoppiatori elementari e dai circuiti integrati optoelettronici

Un vero accoppiatore ottico può essere più complesso del circuito in Fig. 1.1; Ciascuno di questi blocchi può includere non uno, ma diversi elementi identici o simili collegati elettricamente e otticamente, ma ciò non cambia in modo significativo i fondamenti della fisica e dell'elettronica del fotoaccoppiatore.

1.4 Applicazione.

Come elementi di isolamento galvanico, vengono utilizzati gli accoppiatori ottici: per collegare unità di apparecchiature tra le quali esiste una differenza di potenziale significativa; per la protezione circuiti di ingresso dispositivi di misurazione da interferenze e interferenze; ecc.

Un altro importante campo di applicazione degli optoaccoppiatori è il controllo ottico e senza contatto di circuiti ad alta corrente e alta tensione. Lancio potenti tiristori, triac, triac, controllo di dispositivi a relè elettromeccanici