Aplicação de optoacoplador. Optoacopladores. Física da conversão de energia em um optoacoplador de diodo

1. Introdução. 2

1.1. Definições básicas. 2

1.2. Características distintivas dos optoacopladores. 2

1.3. Diagrama estrutural generalizado. 3

1.4. Aplicativo. 4

1.5. História. 5

2. Fundamentos físicos da tecnologia de optoacoplador. 6

2.1. Base de elemento e dispositivo de optoacopladores. 6

2.2. Física da conversão de energia em um optoacoplador de diodo. 7

3. Parâmetros e características de optoacopladores e optoeletrônicos circuitos integrados. 13

3.1. Classificação de parâmetros de produtos de tecnologia optrônica. 13

3.2. Optoacopladores de diodo. quatorze

3.3. Optoacopladores de transistor e tiristor. 15

3.4. Optoacopladores resistentes. 15

3.5. Optoacopladores diferenciais. 15

3.6. Microcircuitos optoeletrônicos. 16

4. Esferas de aplicação de optoacopladores e optoacopladores. 16

4.1. Transferência de informações. 17

4.2. Recebendo e exibindo informações. dezoito

4.3. Controle de processos elétricos. dezoito

4.4. Substituição de produtos eletromecânicos. 19

4.5. Funções de energia. 19

5. Literatura. 19

1. INTRODUÇÃO

1.1 Definições básicas.

Os optoacopladores são dispositivos optoeletrônicos em que existe uma fonte e um receptor de radiação (emissor de luz e fotodetector) com um ou outro tipo de conexão óptica e elétrica entre eles, estruturalmente relacionados entre si.

O princípio de funcionamento de qualquer tipo de optoacoplador baseia-se no seguinte. No emissor, a energia do sinal elétrico é convertida em luz, no fotodetector, ao contrário, o sinal luminoso provoca uma resposta elétrica.

Na prática, apenas se generalizaram os optoacopladores, que possuem uma conexão óptica direta do emissor ao fotodetector e, via de regra, estão excluídos todos os tipos de comunicação elétrica entre esses elementos.

De acordo com o grau de complexidade do diagrama estrutural, dois grupos de dispositivos são distinguidos entre os produtos da tecnologia optrônica. Um optoacoplador (também chamado de “optoacoplador elementar”) é um dispositivo semicondutor optoeletrônico constituído por elementos emissores e fotodetetores, entre os quais existe uma conexão óptica, que fornece isolamento elétrico entre a entrada e a saída. Um circuito integrado optoeletrônico é um microcircuito que consiste em um ou mais optoacopladores e um ou mais dispositivos correspondentes ou amplificadores conectados eletricamente a eles.

Assim, no circuito eletrônico, tal dispositivo desempenha a função de elemento de acoplamento, no qual ao mesmo tempo é realizado o isolamento elétrico (galvânico) da entrada e da saída.

1.2 Características distintivas dos optoacopladores.

As vantagens desses dispositivos são baseadas no princípio optoeletrônico geral de usar fótons eletricamente neutros para transferir informações. Os principais são os seguintes:

A capacidade de fornecer eletricidade ideal (galvânica); isolamento entre entrada e saída; para optoacopladores, não há restrições físicas ou de projeto fundamentais para a obtenção de tensões arbitrariamente altas e resistências de desacoplamento e capacitância de transferência arbitrariamente pequena;

A possibilidade de implementar o controle óptico sem contato de objetos eletrônicos e a resultante variedade e flexibilidade de soluções de design para circuitos de controle;

Propagação unidirecional de informações através do canal óptico, sem feedback do receptor para o emissor;

Ampla largura de banda de frequência do optoacoplador, sem limitação de baixas frequências (o que é típico de transformadores de pulso); a possibilidade de transmitir um sinal de pulso e um componente constante por meio de um optoacoplador;

A capacidade de controlar o sinal de saída do optoacoplador influenciando (incluindo não elétrico) no material do canal óptico e a possibilidade resultante de criar uma variedade de sensores, bem como uma variedade de dispositivos para transmitir informações;

A possibilidade de criar dispositivos microeletrônicos funcionais com fotodetectores, cujas características, quando iluminadas, mudam de acordo com uma lei complexa pré-determinada;

A imunidade dos canais de comunicação ótica à influência de campos eletromagnéticos, que no caso de optoacopladores "longos" (com uma guia de luz de fibra ótica estendida entre o emissor e o receptor) os torna imunes a interferências e vazamento de informações, e também exclui mútua interferência;

Compatibilidade física e tecnológica de design com outros dispositivos semicondutores e microeletrônicos.

Os optoacopladores também têm certas desvantagens:

Consumo de energia significativo devido à necessidade de dupla conversão de energia (eletricidade - luz - eletricidade) e baixa eficiência dessas transições;

Maior sensibilidade dos parâmetros e características aos efeitos da temperatura elevada e da radiação nuclear penetrante;

Degradação temporária (deterioração) mais ou menos perceptível dos parâmetros;

Um nível relativamente alto de ruído intrínseco, devido, como as duas desvantagens anteriores, às peculiaridades da física dos LEDs;

A complexidade da implementação de feedbacks causados ​​pela desconexão elétrica dos circuitos de entrada e saída;

Imperfeição construtiva e tecnológica associada ao uso de tecnologia não planar híbrida (com a necessidade de combinar vários em um dispositivo - cristais separados de semicondutores diferentes localizados em planos diferentes).

As desvantagens listadas dos optoacopladores são parcialmente eliminadas com o aprimoramento de materiais, tecnologia, circuitos, mas ainda assim serão de natureza bastante fundamental por um longo tempo. No entanto, suas vantagens são tão altas que proporcionam uma não competitividade confiável dos optoacopladores entre outros dispositivos microeletrônicos.

1.3 Diagrama de blocos generalizado (Fig. 1.1).

Fig 1.1. Diagrama de blocos generalizado de um optoacoplador.

Como um elemento de acoplamento, um optoacoplador é caracterizado por um coeficiente de transmissão K i, determinado pela proporção dos sinais de saída e entrada, e a taxa máxima de transferência de informações F... Praticamente em vez de F medir os tempos de subida e descida de pulsos transmitidos cama t (cn) ou frequência de corte. As capacidades do optoacoplador como elemento de isolamento galvânico são caracterizadas por tensão máxima e resistência de isolamento U div e R div e através da capacidade C div .

No diagrama de blocos da Fig. 1.1 o dispositivo de entrada serve para otimizar o modo de operação do emissor (por exemplo, deslocamento do LED para uma seção linear da característica watt-ampere) e conversão (amplificação) do sinal externo. A unidade de entrada deve ter uma alta eficiência de conversão, alta velocidade, ampla faixa dinâmica de correntes de entrada permissíveis (para sistemas lineares), um pequeno valor da corrente de entrada “limite”, o que garante uma transmissão confiável de informações ao longo do circuito.

O objetivo do meio óptico é transferir a energia do sinal óptico do emissor para o fotodetector, bem como, em muitos casos, garantir a integridade mecânica da estrutura.

A possibilidade fundamental de controlar as propriedades ópticas do meio, por exemplo, usando efeitos eletro-ópticos ou magneto-ópticos, é refletida pela introdução de um dispositivo de controle no circuito. Neste caso, obtemos um optoacoplador com um controlador

por um canal óptico, funcionalmente diferente do optoacoplador “convencional”: a alteração do sinal de saída pode ser realizada tanto pela entrada quanto pelo circuito de controle.

No fotodetector, o sinal de informação é “restaurado” de óptico para elétrico; enquanto se esforça para ter alta sensibilidade e alta velocidade.

Finalmente, o dispositivo de saída é projetado para converter o sinal do fotodetector em uma forma padrão, conveniente para influenciar as etapas seguintes ao optoacoplador. Uma função quase indispensável do dispositivo de saída é a amplificação do sinal, uma vez que as perdas após a dupla conversão são muito significativas. Freqüentemente, o próprio fotodetector (por exemplo, um fototransistor) executa a função de amplificação.

Diagrama de blocos geral na Fig. 1.1 é implementado em cada dispositivo específico apenas por uma parte dos blocos. De acordo com isso, existem três grupos principais de dispositivos optoacopladores; os anteriormente denominados optoacopladores (optoacopladores elementares), utilizando emissor de luz - meio óptico - blocos fotodetetores; microcircuitos optoeletrônicos (optoacoplador) (optoacopladores com a adição de uma saída e, às vezes, um dispositivo de entrada); tipos especiais de optoacopladores - dispositivos que são funcional e estruturalmente significativamente diferentes dos optoacopladores elementares e ICs optoeletrônicos

Um optoacoplador real pode ser mais complicado do que o circuito da Fig. 1,1; cada um desses blocos pode incluir não um, mas vários elementos idênticos ou semelhantes conectados elétrica e opticamente, no entanto, isso não altera significativamente os fundamentos da física e da eletrônica do optoacoplador.

1.4 Aplicação.

Como elementos de isolação galvânica, optoacopladores são utilizados: para conectar unidades de equipamentos, entre as quais existe uma diferença de potencial significativa; para proteger os circuitos de entrada de dispositivos de medição de interferência e pickup; etc.

Outra área importante de aplicação dos optoacopladores é o controle óptico e sem contato de circuitos de alta corrente e alta tensão. Lançamento de poderosos tiristores, triacs, triacs, controle de relés eletromecânicos

Optoacopladoré um dispositivo semicondutor no qual uma fonte e um receptor de radiação são estruturalmente combinados, tendo uma conexão óptica entre si. Na fonte de radiação, os sinais elétricos são convertidos em sinais de luz, que atuam no fotodetector e criam sinais elétricos nele novamente. Um optoacoplador com um emissor e receptor é denominado optoacoplador. Um microcircuito que consiste em um ou mais com dispositivos adicionais de combinação e amplificação é chamado de circuito integrado optoeletrônico. Sempre existem sinais elétricos na entrada e na saída do optoacoplador, e a conexão entre a entrada e a saída é feita por sinais luminosos. O circuito emissor é controlado e o circuito receptor é controlado. Estruturalmente, nos optoacopladores, o emissor e o receptor de radiação são colocados em um único invólucro e são conectados por um canal óptico.

Todas as vantagens e desvantagens dos dispositivos optoeletrônicos também se aplicam aos optoacopladores. O propósito mais importante dos optoacopladores é a transmissão de sinais usando um fluxo de luz e isolamento galvânico de circuitos elétricos.

Considere vários tipos de optoacopladores que diferem uns dos outros por fotodetectores.

Os optoacopladores resistivos possuem um LED como emissor, que fornece radiação visível ou infravermelha. O receptor de radiação é um fotorresistor que pode operar tanto em corrente contínua como alternada.

A Figura 6.15 mostra esquematicamente um optoacoplador resistor, no qual o circuito de saída é alimentado por uma fonte de tensão DC ou AC E e tem uma carga Rн. A tensão UUPR aplicada ao LED controla a corrente na carga. O circuito de controle é isolado do fotorresistor, que pode ser conectado a um circuito de tensão relativamente alta.

Figura 6.15. Circuito de comutação do optoacoplador resistor

Como parâmetros de optoacopladores de resistor, as correntes e tensões máximas na entrada e saída, a resistência de saída durante a operação normal e a resistência escura, a resistência de isolamento e a tensão de isolamento máxima entre a entrada e a saída, a capacidade de rendimento, o ligado e tempos de inércia, caracterizando a inércia do dispositivo, costumam ser indicados. A característica mais importante de um optoacoplador é o volt-ampere de entrada e a transmissão. O último mostra a dependência da resistência de saída da corrente de entrada.

Um exemplo de optoacoplador resistor é o optoacoplador VTL5C3 para aplicações de áudio fabricado pela Vactec, que possui as seguintes características: faixa de resistência - 1,5kOhm - 10MOhm, corrente máxima do LED - 40mA, tensão de isolamento - 2,5kV.

Figura 6.16. Resistor optoacoplador VTL5C3

Os optoacopladores resistores são usados ​​para circuitos de controle de ganho automático, comunicação entre estágios, controle de divisores de tensão sem contato, modulação de sinal, geração de vários sinais, etc.

Optoacopladores de diodo (Figura 6.17, a) geralmente têm um fotodiodo de silício e um LED infravermelho de arsenieto de gálio. O fotodiodo pode operar no modo fotogerador, criando um foto-EMF de até 0,8 V, ou no modo fotodiodo. Os optoacopladores de diodo multicanal têm vários optoacopladores em um invólucro.

Figura 6.17. Vários tipos de optoacopladores

Os principais parâmetros dos optoacopladores de diodo são as tensões e correntes de entrada e saída para os modos contínuo e pulsado, taxa de transferência de corrente, tempos de subida e descida do sinal de saída. As propriedades dos optoacopladores de diodo são exibidas pelas características volt-ampere de entrada e saída e características de transferência para os modos fotogerador e fotodiodo.

O uso de optoacopladores de diodo é muito diversificado. Por exemplo, com base em optoacopladores de diodo, são criados transformadores de pulso que não possuem enrolamentos. Optoacopladores são usados ​​para transferir informações entre computadores para controlar a operação de vários microcircuitos. Uma variedade de optoacopladores de diodo são optoacopladores, nos quais um fotodetector é um fotovaricapo (Figura 6.17, b).

Optoacopladores de transistor (Figura 6.17, c) têm um transistor n-p-n de silício bipolar como receptor. Os principais parâmetros do circuito de entrada de tais optoacopladores são semelhantes aos dos optoacopladores de diodo. Além disso, são indicadas as correntes, tensões e potências máximas relacionadas ao circuito de saída, a corrente escura do fototransistor, o tempo de ativação e desativação e os parâmetros que caracterizam o isolamento do circuito de entrada do circuito de saída. Os optoacopladores deste tipo operam principalmente no modo de chave e são usados ​​em circuitos de comutação, dispositivos para conectar vários sensores com unidades de medição, como relés e muitos outros casos.

Para aumentar a sensibilidade em um optoacoplador, um transistor composto (Figura 6.17, d) ou um fotodiodo com um transistor (Figura 6.17, e) pode ser usado. Optoacopladores com um transistor composto têm o coeficiente de transferência de corrente mais alto, mas a velocidade mais baixa, e a velocidade mais alta é típica para optoacopladores de diodo-transistor.

Como exemplo, podemos citar um optoacoplador transiente de quatro canais PC847 fabricado pela Sharp (Fig. 6.18), que possui as seguintes características: tensão de isolamento 5000V, taxa de transferência 50/600%, corrente máxima de entrada 50mA, tensão coletor-emissor máxima 35V, corrente máxima do coletor 50mA, tempo on / off 4μs.

Figura 6.18. Optoacoplador transistor quádruplo RS847

Optoacopladores tiristores têm um fototiristor de silício como fotodetector (Figura 6.17, e) e são usados ​​em modos-chave. A principal área de uso são os circuitos para geração de pulsos poderosos, controle de tiristores poderosos, controle e comutação de vários dispositivos com cargas poderosas. Parâmetros de optoacopladores tiristores - correntes de entrada e saída e tensões correspondentes à ativação, modo de operação e modos máximos permitidos, bem como tempos de ativação e desativação, parâmetros de isolamento entre os circuitos de entrada e saída.

Tiristores simétricos - triacs ou triacs são freqüentemente usados ​​como fotodetectores. Como exemplo, é mostrado um fotossimistor IL 420 produzido pela Infineon (Fig. 6.19), que possui os seguintes parâmetros: tensão de isolamento 4,4kW, corrente de entrada 60mA, corrente de retenção do tiristor 2mA, tensão máxima de saída 600V.

Figura 6.19. Photosimistor IL 420

Os circuitos optoeletrônicos integrados (OE ICs) têm comunicação óptica entre nós e componentes individuais. Esses microcircuitos, feitos à base de optoacopladores de diodo, transistor ou tiristor, além de emissores e fotodetectores, também contêm dispositivos para processamento dos sinais recebidos do fotodetector.

Vários OEs EMC são usados ​​principalmente como interruptores para sinais lógicos e analógicos, relés e circuitos de indicação.

Como exemplo, daremos um circuito integrado optoeletrônico HSPL2400 da Agilent Technologies, que inclui um optoacoplador fotodiodo, um comparador e um modelador de nível de tensão para microcircuitos lógicos TTL.

Figura 6.20. Circuito integrado optoeletrônico HSPL2400

Um optoacoplador (caso contrário - um optoacoplador) é um dispositivo eletrônico projetado para converter sinais elétricos em sinais de luz, transmiti-los através de canais ópticos e reconverter o sinal de volta para elétrico. O desenho do optoacoplador implica a presença de um emissor de luz especial (nos aparelhos modernos são utilizados diodos de luz, os modelos anteriores eram equipados com lâmpadas incandescentes de pequeno porte) e um dispositivo responsável pela conversão do sinal óptico recebido (fotodetector). Ambos os componentes são combinados usando um canal óptico e um invólucro comum.

Classificação de variedades de optoacopladores

São várias as características, segundo as quais os modelos de optoacoplador podem ser divididos em vários grupos.

Dependendo do grau de integração:

• optoacoplador elementar - inclui 2 ou mais elementos unidos por um corpo comum;
• circuito integrado optoacoplador - o projeto consiste em um ou mais optoacopladores e, além disso, também pode ser equipado com elementos adicionais (por exemplo, um amplificador).

Dependendo do tipo de canal óptico:

• Canal óptico de tipo aberto;
• Canal óptico fechado.

Dependendo do tipo de fotodetector:

• Fotorresistor (ou simplesmente optoacopladores de resistor);
• Optoacopladores de fotodíodo;
• Fototransistor (um fototransistor bipolar convencional ou composto é usado) optoacopladores;
• , ou optoacopladores fotossimistor;
• Optoacopladores funcionando com gerador fotovoltaico (bateria solar).

O projeto de dispositivos do último tipo é freqüentemente complementado por transistores de efeito de campo, cuja porta é controlada pelo mesmo gerador.

Optoacopladores fotossimistor, ou aqueles equipados com transistores de efeito de campo, podem ser chamados de "optorelays" ou "".

Fig. 1: Dispositivo optoacoplador

Dispositivos optoeletrônicos funcionam de forma diferente dependendo de qual dos dois tipos de direção eles pertencem:

• Eletro-óptico.

O funcionamento do dispositivo é baseado no princípio segundo o qual ocorre a transformação da energia luminosa em energia elétrica. Além disso, a transição é realizada por meio de um sólido e dos processos nele ocorridos de efeito fotoelétrico interno (expresso na emissão de elétrons pela substância sob a influência de fótons) e o efeito de brilho sob a influência de um campo elétrico.

• Óptico.

O dispositivo funciona devido à delicada interação de um corpo sólido e radiação eletromagnética, além de utilizar dispositivos a laser, holográficos e fotoquímicos.

Os computadores eletrônicos fotônicos são montados usando uma das duas categorias de elementos ópticos:

• Optoacopladores;
• Elementos ópticos quânticos.

São modelos de dispositivos, respectivamente, das direções eletro-ópticas e ópticas.

Se um optoacoplador irá transmitir um sinal linearmente é determinado pelas características que um fotodetector embutido na estrutura possui. A maior linearidade de transmissão pode ser esperada de optoacopladores resistivos. Como resultado, o processo de uso de tais dispositivos é mais conveniente. Uma etapa abaixo são modelos com fotodiodos e transistores bipolares únicos.

Para garantir o funcionamento dos dispositivos pulsados, optoacopladores são utilizados em transistores bipolares ou de efeito de campo, uma vez que não há necessidade de transmissão linear do sinal.

Finalmente, optoacopladores foto-tiristores são montados para fornecer isolamento galvânico e operação segura do dispositivo.

Aplicativo

Existem muitas áreas em que o uso de optoacopladores é necessário. Essa amplitude de aplicação se deve ao fato de que são elementos com muitas propriedades diferentes e para cada uma de suas qualidades existe uma área de aplicação separada.

• Fixação de impacto mecânico (são utilizados dispositivos equipados com canal óptico do tipo aberto, que pode ser bloqueado (impacto mecânico exercido), o que significa que o próprio dispositivo pode ser utilizado como sensor):
  • Detectores de disponibilidade (detecção da presença / ausência de folhas de papel na impressora);
  • Detectores de ponto final (início);
  • Contadores;
  • Velocímetros discretos.
• Isolamento galvânico (o uso de optoacopladores permite transmitir um sinal que não está relacionado à tensão, eles também fornecem controle e proteção sem contato), que podem ser fornecidos:
  • Optocoupler (na maioria dos casos é usado como um transmissor de informações);
  • Relé óptico (mais adequado para controle de circuitos de sinal e potência).

Optoacopladores

O uso de transistor ou optoacopladores integrados é especialmente importante se você precisar fornecer isolamento galvânico em um circuito de sinal ou um circuito com uma corrente de controle baixa. O papel do elemento de controle pode ser desempenhado por dispositivos semicondutores de três eletrodos, circuitos que controlam sinais discretos, bem como circuitos com especialização especial.

Fig2: Optoacopladores 5000 Vrms 50mA.

Parâmetros e características dos optoacopladores

Com base no projeto preciso do instrumento, sua rigidez dielétrica pode ser determinada. Este termo se refere ao valor da tensão que ocorre entre os circuitos de entrada e saída. Por exemplo, os fabricantes de optoacopladores que fornecem isolamento galvânico mostram vários modelos com diferentes invólucros:

• SSOP;
• Miniflat-lead.

Dependendo do tipo de carcaça, o optoacoplador forma uma ou outra tensão de isolamento. Para criar condições nas quais o nível de tensão suficiente para a ruptura do isolamento fosse alto o suficiente, o optoacoplador deve ser projetado de modo que as seguintes peças estejam localizadas longe o suficiente umas das outras:

• e um gravador óptico;
• Lado interno e externo da caixa.

Em alguns casos, você pode encontrar optoacopladores de um grupo especializado, fabricados de acordo com as normas internacionais de segurança. O nível de rigidez dielétrica desses modelos é uma ordem de magnitude maior.

Outro parâmetro significativo do optoacoplador de transistor é chamado de "taxa de transferência de corrente". De acordo com o valor deste coeficiente, o dispositivo é atribuído a uma determinada categoria, que é exibida no nome do modelo.

Não há restrições quanto ao nível de menor freqüência de operação dos optoacopladores: eles funcionam bem em um circuito de corrente contínua. E o limite superior da frequência de operação desses dispositivos, envolvidos na transmissão de sinais de origem digital, é calculado em centenas de megahertz. Para optoacopladores do tipo linear, este número é limitado a dezenas de megahertz. Para os projetos mais lentos, incluindo uma lâmpada incandescente, o papel dos filtros passa-baixo operando em frequências abaixo de 10 Hertz é mais característico.

Optoacoplador de transistor e o ruído que ele produz

Existem duas razões principais pelas quais a operação de um par de transistores é acompanhada por efeitos de ruído:

Para superar o primeiro motivo, você precisará montar uma tela especial. O segundo é eliminado por meio de um modo de operação corretamente selecionado.

Optorelay

Um opto-relé, também chamado de relé de estado sólido, é geralmente usado para regular a operação de um circuito com grandes correntes de controle. O papel do elemento de controle aqui é geralmente realizado por dois transistores MOSFET com conexão oposta, tal configuração permite a operação em condições de corrente alternada.

Fig. 3: Optorelay KR293 KP2V

Classificação dos tipos de relé óptico

Três tipos de topologias são definidas para um relé óptico:

1. Normalmente aberto Presume-se que o circuito de controle fechará apenas quando a tensão de controle for aplicada aos terminais do diodo emissor de luz.
2. Normalmente fechado Presume-se que o circuito de controle só abrirá quando a tensão de controle for aplicada aos terminais do diodo emissor de luz.
3. Troca A terceira topologia assume uma combinação de canais normalmente fechados e normalmente abertos.

Um opto-relé, como um opto-acoplador, tem uma característica em termos de rigidez dielétrica.

Variedades de relé óptico

• Modelos de tipo padrão;
• Modelos de baixa resistência;
• Modelos com um pequeno CxR;
• Modelos de baixa polarização;
• Modelos com alta tensão de isolamento.

Campos de aplicação do opto-relé

• Modem;
• Equipamento de medição;
• Interface com um dispositivo executivo;
• Trocas telefônicas automáticas;
• Medidor elétrico, térmico, de gás;
• Interruptor de sinal.

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Um optoacoplador é um dispositivo semicondutor optoeletrônico que contém uma fonte e um receptor de radiação óptica, que estão ótica e estruturalmente conectados um ao outro, e projetado para realizar várias transformações funcionais de sinais elétricos e óticos.

As fontes de radiação podem ser lâmpadas incandescentes, lâmpadas de descarga de gás, emissores de semicondutores, LEDs. Em circuitos optoeletrônicos integrados, a fonte de radiação óptica é um diodo emissor de luz por injeção, que fornece optoacopladores de alta velocidade. Os fotodetectores podem ser: fotoresistores, fotodiodos, fototransistores, fototiristores. A combinação em um elemento estrutural do LED com um desses fotodetectores possibilitou a criação de diversos optoacopladores com diferentes características: resistor, diodo, transistor, tiristor (Fig. 5.19). O elo de conexão entre a fonte de radiação e o fotodetector é um meio óptico passivo ou ativo que funciona como um guia de luz.

Figura 8.18. Tipos de optoacopladores: resistor (a), diodo (b), transistor (c), tiristor (d),

O princípio de operação do optoacoplador é baseado na dupla conversão de energia. Nas fontes de radiação, a energia do sinal elétrico é convertida em radiação óptica, e nos fotodetectores, o sinal óptico é convertido em sinal elétrico (corrente ou tensão). Um optoacoplador é um dispositivo com sinais elétricos de entrada e saída.

A fibra óptica fornece isolamento galvânico dos circuitos de entrada e saída (a resistência de isolamento pode atingir 10 12 ... 10 14 Ohm e a capacidade de acoplamento é 10 -2 pF) e a unidirecionalidade da transmissão do sinal da fonte de radiação para o fotodetector , que é típico para linhas de comunicação óptica.

As vantagens dos optoacopladores são:

1. Falta de conexão elétrica entre a entrada e a saída, bem como realimentação entre o fotodetector e a fonte de radiação.

2. Ampla largura de banda de oscilações elétricas, que permite a transmissão de sinais na faixa de frequência de 0 a 10 14 Hz.

3. alta imunidade ao ruído do canal óptico, que se deve à imunidade dos fótons aos efeitos dos campos eletromagnéticos externos.

4. simplicidade de combinação de optoacopladores com microcircuitos em vários dispositivos de telecomunicações.

Optoacopladores são usados ​​como:

a) um elemento de isolamento elétrico em dispositivos digitais e de pulso, bem como em dispositivos analógicos.

b) controle sem contato de fontes de alimentação de alta tensão em vários sistemas de automação.

c) uma chave para gerar e comutar impulsos potentes, bem como para conectar sensores com dispositivos de medição e blocos.

Os optoacopladores resistores são os mais versáteis. Eles podem ser usados ​​em dispositivos analógicos e chave, têm uma ampla faixa de variação de resistência (dezenas a centenas de megohms em condições não iluminadas e centenas de ohms em estados iluminados) e uma faixa de baixa frequência. Em um optoacoplador resistivo, LEDs operando em uma ampla faixa óptica são usados ​​como um emissor. Para obter os parâmetros de energia, é necessário casar o emissor e o receptor de acordo com as características espectrais.

Os optoacopladores resistores são descritos pelos seguintes parâmetros dos circuitos de entrada e saída:

1. Corrente máxima de entrada I in. max é o valor máximo da entrada média ou corrente DC.

2. A tensão de entrada U in é a tensão constante ou efetiva aplicada aos terminais de entrada do emissor na corrente de entrada operacional.

3. Saída de corrente de comutação I out. com é a corrente de saída nominal controlada pela carga.

4. A corrente de saída máxima é o valor atual no qual o optoacoplador resistor trabalha por um longo tempo.

5. A tensão máxima de comutação de saída é o valor máximo da tensão na saída do optoacoplador.

6. Dissipação máxima de potência na saída do optoacoplador, no qual a operação a longo prazo do dispositivo é garantida.

7. Saída de resistência à luz e à escuridão.

8. Passando capacitância C pr - entre a entrada e a saída do optoacoplador.

9. A resistência de isolamento R é a resistência entre a entrada e a saída do optoacoplador.

10. A tensão máxima de isolamento é a tensão máxima na qual a força e a confiabilidade do produto são mantidas, aplicada entre a entrada e a saída do optotar.

Exemplos de optoacopladores resistores podem ser: OEP-16, OEP-1, OEP-2, OEP-9.

Os optoacopladores de diodo são usados ​​como uma chave e podem alternar a corrente com uma frequência de 10 6 ... 10 7 Hz. A resistência ao escuro atinge 10 8 ... 10 10 Ohm e, quando iluminada, diminui para centenas de Ohms. A resistência entre os circuitos de entrada e saída é de 10 13 a 10 15 Ohm. O emissor em optoacopladores de diodo é um diodo emissor de luz operando na região do infravermelho da radiação, e um fotodiodo de silício é usado como fotodetector. O LED tem uma característica espectral máxima em um comprimento de onda de cerca de 1 μm.

Os optoacopladores de diodo são descritos pelos seguintes parâmetros dos circuitos de entrada e saída:

1. U in - a tensão de entrada é determinada em uma dada corrente de entrada fluindo através do LED;

2. Eu insiro. max é o valor máximo da corrente contínua ou pulso, no qual a operação confiável de longo prazo do optoacoplador é garantida;

3. U in. arr. max é a tensão reversa de entrada máxima aplicada à entrada do optoacoplador, que garante uma operação confiável a longo prazo do optoacoplador;

4. I t é a corrente de saída (térmica) do fotodiodo na ausência da entrada (photostream);

5. Eu saio. arr - corrente reversa de saída em uma dada tensão de saída e nenhuma corrente de entrada.

6. U fora. Máx. arr - tensão máxima reversa do circuito de saída, na qual o fotodiodo opera de forma confiável e por um longo tempo;

7. t nr - o tempo de subida do sinal de saída, no qual a amplitude da tensão de saída muda de 0,1 a 0,5 U out. Max;

8. t cn - tempo de decaimento do sinal de saída. Durante este período de tempo, a tensão de saída diminui de 0,9 para 0,5 de seu valor máximo.

Exemplos de optoacopladores de diodo são AOD101A ... AOD101D, AOD107, ZOD107A, etc.

Optoacopladores de transistor são mais sensíveis do que optoacopladores de diodo. A velocidade não excede 10 5 Hz. Em um optoacoplador transistorizado, um LED com comprimento de onda de radiação de cerca de 1 mícron é usado e um fototransistor de silício tipo n-p-n é usado como fotodetector.

Se não houver radiação óptica, uma pequena corrente reversa (corrente escura) sempre fluirá no circuito coletor do fototransistor, cuja magnitude é altamente dependente da temperatura. Para reduzir o valor da corrente escura, um resistor externo é ligado entre os terminais da base e do emissor na ordem de 0,1 ... 1,0 M Ohm.

Um optoacoplador transistorizado é descrito pelos parâmetros dos circuitos de entrada e saída. Considerando que quase os mesmos LEDs são usados ​​em optoacopladores de diodo e transistor, os parâmetros de entrada dos optoacopladores de transistor são os mesmos que para optoacopladores de diodo.

Um optoacoplador transistorizado é descrito pelos seguintes parâmetros do circuito de saída:

1. U rest - tensão residual de saída na saída do optoacoplador quando o fototransistor está aberto;

2. I ut.out - corrente fluindo no circuito de saída quando o fototransistor está fechado (corrente de fuga);

3. P cf. max é a potência de dissipação máxima média na qual o optoacoplador mantém uma operação confiável de longo prazo;

4. Eu saio. max é a corrente de saída máxima do fototransistor no caso de sua operação confiável;

5. t nr - tempo de subida do sinal de saída no qual a tensão de saída muda de 0,9 para 0,1 de seu valor máximo.

6. t cn - tempo de queda da tensão de saída, no qual a tensão de saída aumenta de 0,1 a 0,9 do valor máximo.

7. t on - on time - este é o tempo desde o momento em que o sinal de entrada é fornecido até o momento em que o sinal de entrada atinge a entrada 0,1 U. Máx. ou este tempo de rebanho - t cn da tensão de saída ao nível de 0,1 U out. Máx.

8. t tempo desligado - desligado - este é o tempo durante o qual o sinal de entrada diminui para 0,9 U máx. ou é t nr - o tempo de subida da tensão de saída para 0,9 U no máx.

9. Tensão máxima de isolamento U de - a tensão que pode ser aplicada entre a entrada e a saída e na qual a rigidez dielétrica do optoacoplador é mantida.

Exemplos de optoacopladores de transistor são: AOT123A, ZOT123B, AOT110 (A, B, C), ZOT123A, AOT123T, etc.

Optoacopladores tiristores são usados ​​em modos-chave para a formação e comutação de pulsos poderosos. O emissor no optoacoplador tiristorizado é um LED e o receptor é um fototiristor de silício. O fototiristor permanece ligado mesmo quando o LED para de emitir. Portanto, o sinal de luz de controle do LED pode ser fornecido apenas pelo tempo necessário para destravar o tiristor. Tudo isso permite reduzir a energia necessária para acionar o optoacoplador fototiristor. Para desligar o fototiristor, é necessário remover a tensão externa. Tudo isso distingue um optoacoplador tiristorizado de um transistor. O optoacoplador tiristor é descrito pelos seguintes parâmetros:

1. Corrente de ativação I on (corrente de operação de entrada I in, srab) - corrente contínua contínua do optoacoplador, que coloca o optoacoplador no estado aberto em um determinado modo na entrada;

2. Corrente de impulso de comutação I incl. im - a amplitude do pulso da corrente de entrada de uma determinada duração, que liga os optoacopladores no estado aberto;

3. U in - tensão de entrada na entrada do LED em uma determinada corrente de ativação de entrada;

4. I in - corrente constante de entrada do LED;

5. Eu insiro. im - corrente de pulso de entrada do optoacoplador;

6. Eu fora. fechado - corrente de saída no estado fechado, que flui no circuito de saída quando o fototiristor está fechado e em um determinado modo;

7. Eu saio. arr - corrente reversa de saída fluindo quando o fototiristor é fechado;

8. U ost - a tensão de saída no fototiristor aberto;

9.Eu fora. beats - holding current - a menor corrente do fototiristor no estado aberto;

10. U out.min - a tensão de saída constante mínima no fototiristor na qual o optoacoplador é ligado em um determinado sinal na entrada;

11. U out.obr - a tensão máxima de saída na qual a confiabilidade especificada é garantida;

12. t on - o tempo de ativação é o intervalo de tempo entre o pulso da corrente de entrada no nível 0,5 e a corrente de saída no nível 0,9 do valor máximo;

13. t tempo off-off é o intervalo de tempo desde o momento em que a corrente de saída termina até o início da próxima corrente de saída, sob o qual o fototiristor não muda para o estado aberto.

14. C out - capacitância de saída na saída do optoacoplador tiristor no estado fechado.

Exemplos de optoacopladores tiristores: AOU103A, ZOU103A, AOU103V, ZOU103B.

A ideia de criar e utilizar optoacopladores remonta a 1955, quando na obra de Loebner EE "Rede de dispositivos optoeletrônicos" foi proposta toda uma série de dispositivos com conexões ópticas e elétricas entre os elementos, que permitiam a amplificação e conversão espectral de sinais de luz, para criar dispositivos com dois estados estáveis ​​- optoacopladores biestáveis, dispositivos optoeletrônicos para acumular e armazenar informações, circuitos lógicos, registradores de deslocamento. Lá também foi proposto o termo "optoacoplador", formado como abreviatura do inglês "dispositivo óptico-eletrônico".

Os optoacopladores descritos neste trabalho, ilustrando perfeitamente os princípios, mostraram-se inadequados para implementação industrial, uma vez que eram baseados em uma base elementar imperfeita - capacitores eletroluminescentes de pó ineficazes e inerciais (emissor) e fotorresistores (receptor). As características operacionais mais importantes dos dispositivos também eram imperfeitas: baixa temperatura e estabilidade temporária dos parâmetros, resistência insuficiente ao estresse mecânico. É por isso. No início, o optoacoplador permaneceu apenas uma conquista científica interessante que não encontrou aplicação na tecnologia.

Somente em meados dos anos 60 do desenvolvimento de diodos emissores de luz semicondutores e fotodetectores de silício de alta velocidade de alto desempenho tecnologicamente avançados com junções p - n (fotodiodos e fototransistores) a base elementar da moderna tecnologia de optoacoplador começou a ser criada. No início da década de 70, a produção de optoacopladores nos principais países do mundo havia se tornado um ramo importante e de rápido desenvolvimento da tecnologia eletrônica, complementando com sucesso a microeletrônica tradicional.

Definições básicas

Os optoacopladores são dispositivos optoeletrônicos em que existe uma fonte e um receptor de radiação (emissor de luz e fotodetector) com um ou outro tipo de conexão óptica e elétrica entre eles, estruturalmente relacionados entre si.

O princípio de funcionamento de qualquer tipo de optoacoplador baseia-se no seguinte. No emissor, a energia do sinal elétrico é convertida em luz, no fotodetector, ao contrário, o sinal luminoso provoca uma resposta elétrica.

Na prática, apenas se generalizaram os optoacopladores, que possuem uma conexão óptica direta do emissor ao fotodetector e, via de regra, estão excluídos todos os tipos de comunicação elétrica entre esses elementos.

De acordo com o grau de complexidade do diagrama estrutural, dois grupos de dispositivos são distinguidos entre os produtos da tecnologia optrônica. Um optoacoplador (também denominado "optoacoplador elementar") é um dispositivo semicondutor optoeletrônico constituído por elementos emissores e fotodetetores, entre os quais existe um link óptico, que fornece isolamento elétrico entre a entrada e a saída. Um circuito integrado optoeletrônico é um microcircuito que consiste em um ou mais optoacopladores e um ou mais dispositivos correspondentes ou amplificadores conectados eletricamente a eles.

Assim, no circuito eletrônico, tal dispositivo desempenha a função de elemento de acoplamento, no qual ao mesmo tempo é realizado o isolamento elétrico (galvânico) da entrada e da saída.

Características distintivas dos optoacopladores

As vantagens desses dispositivos são baseadas no princípio optoeletrônico geral de usar fótons eletricamente neutros para transferir informações. Os principais são os seguintes:

• a capacidade de fornecer isolamento elétrico (galvânico) ideal entre a entrada e a saída; para optoacopladores, não há restrições físicas ou de projeto fundamentais para a obtenção de tensões arbitrariamente altas e resistências de desacoplamento e capacitância de transferência arbitrariamente pequena;
• a possibilidade de implementar o controle óptico sem contato de objetos eletrônicos e a resultante variedade e flexibilidade de soluções de design para circuitos de controle;
• propagação unidirecional de informações através do canal óptico, sem feedback do receptor para o emissor;
• ampla largura de banda de frequência do optoacoplador, sem limitação por parte das baixas frequências (o que é típico de transformadores de pulso); a capacidade de transmitir através de um circuito optoacoplador, tanto um sinal de pulso quanto um componente constante;
• a capacidade de controlar o sinal de saída do optoacoplador agindo (incluindo não elétrico) no material do canal óptico e a possibilidade resultante de criar uma variedade de sensores, bem como vários dispositivos para transmitir informações;
• a possibilidade de criação de dispositivos microeletrônicos funcionais com fotodetectores, cujas características, quando iluminadas, mudam de acordo com uma lei complexa pré-determinada;
• imunidade dos canais de comunicação ótica à influência de campos eletromagnéticos, que no caso de optoacopladores "longos" (com uma guia de luz de fibra ótica estendida entre o emissor e o receptor) os torna imunes a interferências e vazamento de informações, e também exclui mútua interferência;
• compatibilidade física e tecnológica de design com outros dispositivos semicondutores e microeletrônicos.

Os optoacopladores também têm certas desvantagens:

• consumo significativo de energia devido à necessidade de dupla conversão de energia (eletricidade - luz - eletricidade) e baixa eficiência dessas transições;
• aumento da sensibilidade dos parâmetros e características aos efeitos da temperatura elevada e da radiação nuclear penetrante;
• degradação temporária (deterioração) mais ou menos perceptível dos parâmetros;
• um nível relativamente alto de ruído intrínseco, devido, como as duas desvantagens anteriores, às peculiaridades da física dos LEDs;
• a complexidade da implementação de feedbacks causados ​​pela desconexão elétrica dos circuitos de entrada e saída;
• imperfeição construtiva e tecnológica associada ao uso de tecnologia não planar híbrida (com a necessidade de combinar vários cristais separados de diferentes semicondutores localizados em planos diferentes em um dispositivo).

As desvantagens listadas dos optoacopladores são parcialmente eliminadas com o aprimoramento de materiais, tecnologia, circuitos, mas, mesmo assim, por muito tempo serão de natureza bastante fundamental. No entanto, suas vantagens são tão altas que proporcionam uma não competitividade confiável dos optoacopladores entre outros dispositivos microeletrônicos.

Diagrama de blocos generalizado

Como um elemento de acoplamento, o optoacoplador é caracterizado pelo coeficiente de transmissão K i, determinado pela relação entre os sinais de saída e entrada e a taxa máxima de transferência de informação F. Praticamente, em vez de F, os tempos de subida e descida dos pulsos transmitidos tp (cn) ou a frequência de corte são medidos. As capacidades do optoacoplador como elemento de isolamento galvânico são caracterizadas pela tensão máxima e resistência de isolamento U div e R div e a capacidade de transferência C div.

No diagrama de blocos da Fig. 1, o dispositivo de entrada serve para otimizar o modo de operação do emissor (por exemplo, polarizar o LED para uma seção linear da característica watt-ampere) e converter (amplificar) o sinal externo. A unidade de entrada deve ter uma alta eficiência de conversão, alta velocidade, ampla faixa dinâmica de correntes de entrada permitidas (para sistemas lineares), um pequeno valor da corrente de entrada "limite", o que garante uma transmissão confiável de informações ao longo do circuito.

Fig 1. Diagrama de blocos generalizado do optoacoplador

O objetivo do meio óptico é transferir a energia do sinal óptico do emissor para o fotodetector, bem como, em muitos casos, garantir a integridade mecânica da estrutura.

A possibilidade fundamental de controlar as propriedades ópticas do meio, por exemplo, usando efeitos eletro-ópticos ou magneto-ópticos, é refletida pela introdução de um dispositivo de controle no circuito, circuito de entrada e controle.

No fotodetector, o sinal de informação é "restaurado" de óptico para elétrico; enquanto se esforça para ter alta sensibilidade e alta velocidade.

Finalmente, o dispositivo de saída é projetado para converter o sinal do fotodetector em uma forma padrão, conveniente para influenciar as etapas seguintes ao optoacoplador. Uma função quase indispensável do dispositivo de saída é amplificar o sinal, uma vez que as perdas após a dupla conversão são muito significativas. Freqüentemente, o próprio fotodetector (por exemplo, um fototransistor) executa a função de amplificação.

Diagrama de blocos geral na Fig. 1 é implementado em cada dispositivo específico apenas por uma parte dos blocos. De acordo com isso, existem três grupos principais de dispositivos optoacopladores; os anteriormente denominados optoacopladores (optoacopladores elementares), utilizando emissor de luz - meio óptico - blocos fotodetetores; microcircuitos optoeletrônicos (optoacoplador) (optoacopladores com a adição de uma saída e, às vezes, um dispositivo de entrada); tipos especiais de optoacopladores - dispositivos que são funcional e estruturalmente significativamente diferentes dos optoacopladores elementares e CIs optoeletrônicos.

Um optoacoplador real pode ser mais complicado do que o circuito da Fig. 1; cada um desses blocos pode incluir não um, mas vários elementos idênticos ou semelhantes conectados elétrica e opticamente, no entanto, isso não altera significativamente os fundamentos da física e da eletrônica do optoacoplador.

Aplicativo

Como elementos de isolação galvânica, optoacopladores são utilizados: para conectar unidades de equipamentos, entre as quais existe uma diferença de potencial significativa; para proteger os circuitos de entrada dos dispositivos de medição de interferência e captação, etc.

Outra área importante de aplicação dos optoacopladores é o controle óptico e sem contato de circuitos de alta corrente e alta tensão. Lançamento de poderosos tiristores, triacs, triacs, controle de relés eletromecânicos.

Um grupo específico de optoacopladores de controle é composto por optoacopladores resistores destinados a circuitos de comutação de baixa corrente em dispositivos complexos de exibição visual de informações, feitos em indicadores eletroluminescentes (pó), circuitos mnemônicos, telas.

A criação de optoacopladores "longos" (dispositivos com uma guia de luz de fibra óptica flexível estendida) abriu uma direção completamente nova para o uso de produtos em tecnologia optrônica - comunicação em distâncias curtas.

Vários optoacopladores (diodo, resistor, transistor) também são usados ​​em esquemas de modulação puramente técnicos de rádio, controle de ganho automático, etc. A influência através do canal óptico é usada aqui para trazer o circuito para o modo operacional ideal, para ajuste do modo sem contato, etc. .

A capacidade de alterar as propriedades do canal óptico sob várias influências externas sobre ele torna possível a criação de toda uma série de sensores optoacopladores: são sensores de umidade e gás, sensores para a presença de um determinado líquido no volume, sensores para o limpeza da superfície de um objeto, a velocidade de seu movimento, etc.

A utilização de optoacopladores para fins energéticos é bastante específica, ou seja, o funcionamento de um optoacoplador de díodo em modo fotoválvula. Neste modo, o fotodiodo gera energia elétrica para a carga e o optoacoplador é, até certo ponto, semelhante a uma fonte de alimentação secundária de baixa energia completamente desacoplada do circuito primário.

A criação de optoacopladores com fotorresistores, cujas propriedades sob iluminação mudam de acordo com uma dada lei complexa, torna possível simular funções matemáticas, é um passo para a criação de optoeletrônica funcional.

A versatilidade dos optoacopladores como elementos de isolamento galvânico e controle sem contato, a variedade e singularidade de muitas outras funções são a razão que os campos de aplicação desses dispositivos são computadores, automação, equipamentos de comunicação e rádio, sistemas de controle automatizado, tecnologia de medição, controle e sistemas de regulação, eletrônicos médicos, dispositivos para exibição visual de informações.

Fundamentos físicos da tecnologia de optoacoplador

Base de elemento e dispositivo de optoacopladores

A base elementar dos optoacopladores é composta por fotodetectores e emissores, bem como pelo meio óptico entre eles. Todos esses elementos estão sujeitos a requisitos gerais como pequenas dimensões e peso, alta durabilidade e confiabilidade, resistência às influências mecânicas e climáticas, capacidade de fabricação, baixo custo. Também é desejável que os elementos passem por uma aprovação industrial suficientemente ampla e de longo prazo.

Funcionalmente (como um elemento de circuito), um optoacoplador é caracterizado principalmente pelo tipo de fotodetector usado nele.

O sucesso do uso de um fotodetector em um optoacoplador é determinado pelo cumprimento dos seguintes requisitos básicos: a eficiência de conversão da energia dos quanta de radiação em energia de elétricos em movimento; a presença e eficácia da amplificação interna embutida; alta performance; amplitude de funcionalidade.

Nos optoacopladores são utilizados fotodetectores de várias estruturas sensíveis nas regiões do visível e próximo do infravermelho, visto que é nesta gama do espectro que existem fontes de radiação intensa e é possível o funcionamento dos fotodetectores sem arrefecimento.

Os mais universais são os fotodetectores com junções p - n (díodos, transístores, etc.), na grande maioria dos casos são feitos à base de silício e a região da sua sensibilidade espectral máxima é próxima de l = 0,7 ... 0,9 μm ...

Vários requisitos são impostos aos emissores de optoacopladores. Os principais são: casamento espectral com o fotodetector selecionado; alta eficiência de conversão da energia da corrente elétrica em energia de radiação; diretividade predominante da radiação; alta performance; simplicidade e conveniência de excitação e modulação de radiação.

Vários tipos de emissores são adequados e estão disponíveis para uso em optoacopladores:

• Miniatura lâmpadas incandescentes.
• Lâmpadas néon, em que o brilho de uma descarga elétrica de uma mistura de gás neon-argônio é usado.
  Esses tipos de emissores são caracterizados por baixa emissão de luz, baixa resistência ao estresse mecânico, durabilidade limitada, grandes dimensões, incompatibilidade completa com a tecnologia integral. No entanto, eles podem ser usados ​​em certos tipos de optoacopladores.
• Célula eletroluminescente de pó usa como corpo luminoso grãos finos-cristalinos de sulfeto de zinco (ativados com cobre, manganês ou outros aditivos) suspensos em um dielétrico de polimerização. Quando tensões CA suficientemente altas são aplicadas, o processo de luminescência pré-decomposição ocorre.
• Células eletroluminescentes de filme fino... O brilho aqui está associado à excitação de átomos de manganês por elétrons "quentes".

Ambas as células eletroluminescentes de pó e filme têm uma baixa eficiência de conversão de energia elétrica em luz, baixa durabilidade (especialmente as de filme fino) e são difíceis de controlar (por exemplo, o modo ideal para fósforos em pó ~ 220 V em f = 400. .. 800 Hz). A principal vantagem destes emissores é a sua compatibilidade estrutural e tecnológica com os fotorresistores, a possibilidade de criar nesta base estruturas optoacopladoras multifuncionais e multi-elementos.

O principal tipo de emissor mais versátil utilizado em optoacopladores é um diodo emissor de luz por injeção de semicondutor - LED. Isso se deve às seguintes vantagens: alta eficiência de conversão de energia elétrica em ótica; espectro de radiação estreito (quase-monocromaticidade); a largura da faixa espectral coberta por vários LEDs; diretividade da radiação; alta performance; pequenos valores de tensões e correntes de alimentação; compatibilidade com transistores e circuitos integrados; simplicidade de modular a potência de radiação mudando a corrente direta; a capacidade de trabalhar nos modos pulsado e contínuo; linearidade da característica watt-ampere em uma faixa mais ou menos ampla de correntes de entrada; alta confiabilidade e durabilidade; pequenas dimensões; compatibilidade tecnológica com produtos microeletrônicos.

Os requisitos gerais para o meio óptico de imersão do optoacoplador são os seguintes: alto valor do índice de refração neles; alto valor de resistividade r eles; força de campo crítica elevada E im cr, resistência ao calor suficiente D q im escravo; boa adesão a cristais de silício e arseneto de gálio; elasticidade (necessária, uma vez que não é possível garantir a coordenação dos elementos optoacopladores em termos de coeficientes de expansão térmica); resistência mecânica, uma vez que o meio de imersão no optoacoplador realiza não apenas a transmissão de luz, mas também funções estruturais; manufaturabilidade (facilidade de uso, reprodutibilidade de propriedades, baixo custo, etc.).

O principal tipo de meio de imersão usado em optoacopladores são os adesivos ópticos de polímero. Normalmente para eles n im = 1,4 ... 1,6, r im> 10 12 ... 10 14 Ohm cm, E im cr = 80 kV / mm, D q im escravo = - 60 ... 120 C Os adesivos têm boa adesão ao silício e arseneto de gálio, combinam alta resistência mecânica e resistência ao ciclo térmico. Também são usados ​​meios ópticos semelhantes a vaselina e de borracha não endurecíveis.

Física da conversão de energia em um optoacoplador de diodo

A consideração dos processos de conversão de energia em um optoacoplador requer levar em consideração a natureza quântica da luz. Sabe-se que a radiação eletromagnética pode ser representada como um fluxo de partículas - quanta (fótons), energia. cada um dos quais é determinado pela proporção:

E f = hn = hc / nl (2.1)

onde h é a constante de Planck;
c é a velocidade da luz no vácuo;
n é o índice de refração do semicondutor;
n, l - frequência de vibração e comprimento de onda da radiação óptica.

Se a densidade de fluxo de quanta (ou seja, o número de quanta voando através de uma unidade de área por unidade de tempo) for igual a N f, então a potência de radiação específica total será:

P f = N f * E f (2,2)

e, como pode ser visto em (2.1), para um dado N f é quanto maior, menor o comprimento de onda da radiação. Uma vez que, na prática, P f (irradiância de energia do fotodetector) passa a ser dada, a seguinte relação parece ser útil

N f = P f / E f = 5 * 10 15 l P f (2,3)

onde N f, cm -2 s -1; l, μm; P f, mW / cm.

Arroz. 2. Diagrama de energia de um semicondutor de gap direto (pelo exemplo do composto ternário GaAsP)

O mecanismo de injeção de luminescência em um LED consiste em três processos principais: recombinação radiativa (e não radiativa) em semicondutores, injeção de portadores de carga minoritária em excesso na base do LED e emissão de radiação da região de laser.

A recombinação de portadores de carga em um semicondutor é determinada, em primeiro lugar, por seu diagrama de banda, a presença e natureza de impurezas e defeitos, e o grau de violação do estado de equilíbrio. Os principais materiais dos optoacopladores (GaAs e compostos ternários baseados nele GaA1As e GaAsP) pertencem aos semicondutores de gap direto, ou seja, àqueles em que transições ópticas diretas zona-zona são permitidas (Fig. 2). Cada ato de recombinação de um portador de carga de acordo com este esquema é acompanhado pela emissão de um quantum, cujo comprimento de onda, de acordo com a lei de conservação de energia, é determinado pela razão:

l rad [μm] = 1,23 / E f [eV] (2,4)

Deve-se notar que também existem mecanismos concorrentes de recombinação não radiativa. Os mais importantes deles são:

1. Recombinação em centros profundos. Um elétron pode passar para a banda de valência não diretamente, mas através de certos centros de recombinação, que formam os níveis de energia permitidos na banda proibida (o nível E t na Fig. 2).
2. Recombinação Auger (ou choque). Em concentrações muito altas de portadores de carga livre em um semicondutor, a probabilidade de colisão de três corpos aumenta, e a energia do par elétron-buraco de recombinação é então dada ao terceiro portador livre na forma de energia cinética, que gradualmente dissipa em colisões com a rede.

FIG. 3. Modelos de LED elétricos (a) e ópticos (b). A - parte opticamente "transparente" do cristal; B - parte ativa do cristal; C - parte "opaca" do cristal; D - contatos ôhmicos; E - região de carga espacial

O papel relativo de vários mecanismos de recombinação é descrito pela introdução do conceito de rendimento quântico interno de radiação h int, que é determinado pela razão da probabilidade de recombinação radiativa para a probabilidade total (radiativa e não radiativa) de recombinação (ou, em outras palavras, a razão entre o número de quanta gerados e o número de portadores de carga minoritários injetados durante o mesmo tempo). O valor h int é a característica mais importante do material usado no LED; é óbvio que 0 h int 100%.

Uma concentração excessiva de portadores livres na região ativa (emissora) do cristal de LED é criada ao injetá-los com uma junção pn deslocada na direção direta.

A corrente do componente "útil" que suporta a recombinação radiativa na região ativa do diodo é a corrente de elétrons I n (Fig. 3, a) injetada pela junção pn. Os componentes de corrente contínua "inúteis" incluem:

1. O furo componente I p, causado pela injeção de furos na região n e refletindo o fato de que não há junções p-n com injeção unilateral.
2. A corrente de recombinação (não radiativa) na região de carga espacial da junção p - n I rec. Em semicondutores com um grande gap de banda em pequenas polarizações para frente, a fração dessa corrente pode ser perceptível.
3. Corrente de túnel I tun, causada pelo "vazamento" de portadores de carga através da barreira de potencial. A corrente é carregada pela maioria dos portadores e não contribui para a recombinação radiativa. Quanto mais estreita a junção p - n, maior a corrente de tunelamento; é perceptível em um alto grau de dopagem da região de base e em grandes enviesamentos para frente.
4. Corrente de fuga superficial I pv, devido à diferença nas propriedades da superfície do semicondutor das propriedades do volume e a presença de certas inclusões de curto-circuito.

A eficiência da junção p - n é caracterizada pelo coeficiente de injeção:

(2.5)

Obviamente, os limites de uma possível mudança em g são os mesmos que para h int, ou seja, 0 g 100%.

Ao remover a radiação da região de geração, ocorrem os seguintes tipos de perdas de energia (Fig. 3, b):

1. Perda de auto-absorção (raios 1). Se o comprimento de onda dos quanta gerados corresponder exatamente à fórmula (2.4), então ele coincide com a "borda vermelha" de absorção (veja abaixo), e tal radiação é rapidamente absorvida na maior parte do semicondutor (auto-absorção). Na verdade, a radiação em semicondutores de gap direto não segue o esquema ideal dado acima. Portanto, o comprimento de onda dos quanta gerados é um pouco maior do que de acordo com (2.4):
2. Perda de reflexão interna total (feixes 2). Sabe-se que quando os feixes de luz caem na interface entre um meio opticamente denso (semicondutor) e um meio opticamente menos denso (ar), para alguns desses feixes a condição de reflexão interna total é satisfeita, tais feixes refletidos no cristal são finalmente perdido devido à auto-absorção.
3. Perdas de radiação na parte traseira e final (feixes 3 e 4).

Quantitativamente, a eficiência de saída da energia óptica do cristal é caracterizada pelo coeficiente de saída Kopt, que é determinado pela relação entre a potência de radiação que sai na direção desejada e a potência de radiação gerada no interior do cristal. Assim como para os coeficientes h int e g, a condição 0 К opt 100% é sempre atendida.
g. Um indicador integral da emissividade de um LED é o valor do rendimento quântico externo h ext. Pelo que foi dito, é claro que h ext = h int g К opt.

Vamos passar para a unidade receptora. O princípio de funcionamento dos fotodetectores utilizados em optoacopladores baseia-se no efeito fotoelétrico interno, que consiste na separação dos elétrons dos átomos no interior do corpo sob a influência da radiação eletromagnética (ótica).

Os quanta de luz, absorvidos em um cristal, podem causar o desprendimento de elétrons dos átomos, tanto do próprio semicondutor quanto da impureza. De acordo com isso, fala-se de absorção intrínseca (sem liga) e de impureza (fotoefeito). Como a concentração de átomos de impureza é baixa, os efeitos fotoelétricos baseados na absorção intrínseca são sempre mais significativos do que aqueles baseados na impureza. Todos os fotodetectores utilizados em optoacopladores "funcionam" com um efeito fotoeléctrico puro. Para que um quantum de luz cause a separação de um elétron de um átomo, é necessário cumprir as relações de energia óbvias:

E ф1 = hn 1 E c - E v (2.6)

E ф2 = hn 2 E c - E t (2.7)

Assim, o efeito fotoelétrico intrínseco pode ocorrer apenas quando o semicondutor é exposto à radiação com um comprimento de onda menor que um certo valor de l gr:

l gr = hc / (E c - E v) 1,23 / E g (2,8)

A segunda igualdade em (2.8) é válida se l gr é expresso em micrômetros, e o gap do semicondutor E g está em elétron-volts. O valor l gr é chamado de comprimento de onda longo ou limite "vermelho" da sensibilidade espectral do material.

A intensidade do efeito fotoelétrico (na região espectral onde pode existir) depende do rendimento quântico, que é determinado pela razão entre o número de pares de elétron-buraco gerados e o número de fótons absorvidos. Uma análise das dependências experimentais mostra que na região espectral de interesse para optoacopladores, b = 1.

A formação de portadores de carga livre sob a ação da irradiação se manifesta em um semicondutor na forma de dois efeitos fotoelétricos: fotocondutividade (aumento da condutividade da amostra sob iluminação) e fotovoltaico (aparecimento de foto-fem no p - n junção ou outra forma de barreira de potencial em um semicondutor sob iluminação). Ambos os efeitos são usados ​​na prática de projetar fotodetectores; para optoacopladores, o preferível e dominante é o uso do efeito foto-EMF.

Os principais parâmetros e características dos fotodetectores (independentemente da natureza física e do design destes dispositivos) podem ser divididos em vários grupos: As características ópticas incluem a área da superfície fotossensível, material, dimensões e configuração da janela óptica; níveis máximo e mínimo de potência de radiação. Por eletro-óptico - fotossensibilidade, o grau de uniformidade da distribuição da sensibilidade sobre a área fotodetectora; densidade espectral de sensibilidade (dependência do parâmetro que caracteriza a sensibilidade com o comprimento de onda); ruído intrínseco do fotodetector e sua dependência do nível de iluminação e da faixa de frequências de operação; tempo de resolução (velocidade); fator de qualidade (um indicador combinado que permite comparar diferentes fotodetectores entre si); indicador de linearidade; faixa dinâmica. Como um elemento de um circuito elétrico, um fotodetector é caracterizado, em primeiro lugar, pelos parâmetros de seu circuito equivalente, os requisitos para modos de operação, a presença (ou ausência) de um mecanismo de amplificação embutido e o tipo e forma do sinal de saída. Outras características: operacional, confiabilidade, geral, tecnológica - não contém nada especificamente "fotodetector".

Dependendo da natureza do sinal de saída (tensão, corrente), fala-se da tensão ou da fotossensibilidade da corrente do receptor S, medida em V / W ou A / W, respectivamente. A linearidade (ou não linearidade) do fotodetector é determinada pelo valor do expoente n na equação que conecta o sinal de saída com o sinal de entrada: U out (ou I out) ~ P f. Para n 1, o fotodetector é linear; a faixa de valores de P f (de P f max a P f min), em que isso é realizado, determina a faixa dinâmica de linearidade do fotodetector D, geralmente expressa em decibéis: D = 10 lg (P f max / P f min).

O parâmetro mais importante do fotodetector, que determina o limiar de sua sensibilidade, é a detectividade específica D, medida em W -1 m Hz 1/2. Com um valor conhecido de D, o limite de sensibilidade (potência de radiação mínima registrada) é definido como

P f min = / D (2,9)

onde A é a área da área fotossensível; D f - faixa de frequências de trabalho do amplificador de fotossinais. Em outras palavras, o parâmetro D desempenha o papel de fator de qualidade do fotodetector.

Arroz. 4. Circuitos de medição e famílias de características de corrente-tensão nos modos de operação do diodo fotodiodo (a) e foto-válvula (b)

Quando aplicado a optoacopladores, nem todas as características listadas são igualmente importantes. Via de regra, os fotodetectores em optoacopladores operam com irradiações muito distantes do limiar, portanto, o uso dos parâmetros P f min e D acaba sendo praticamente inútil. Estruturalmente, o fotodetector no optoacoplador é geralmente "embutido" no de imersão. o meio que o conecta ao emissor; portanto, o conhecimento das características ópticas da janela de entrada não tem sentido (via de regra, não existe tal janela especialmente). Não é muito importante saber a distribuição de sensibilidade sobre a área fotossensível, uma vez que efeitos integrais são de interesse.

Consideremos o mecanismo de operação dos fotodetectores baseado no efeito fotovoltaico usando o exemplo dos fotodiodos planar-epitaxiais com junção pn e com estrutura p-in, em que um substrato n +, uma base do tipo n ou i ( condutividade fraca tipo n) e uma camada p + fina. Quando operando no modo fotodiodo (Fig. 4, a), a tensão aplicada de fora força os orifícios móveis e os elétrons a deixarem a junção p - n (p - i); neste caso, a imagem da distribuição do campo no cristal é nitidamente diferente para as duas estruturas em consideração.

A radiação luminosa, absorvida na região de base do diodo, gera pares elétron-orifício, que se difundem para a junção p - n, são separados por ela e fazem com que uma corrente adicional apareça no circuito externo. Nos diodos р - i - n, essa separação ocorre no campo da banda i-o6 e, em vez do processo de difusão, ocorre um deslocamento dos portadores de carga sob a influência de um campo elétrico. Cada par elétron-buraco gerado que passou pela junção p - n causa a passagem no circuito externo de uma carga igual à carga do elétron. Quanto mais o diodo é irradiado, maior é a fotocorrente. A fotocorrente também flui quando o diodo é polarizado na direção direta (Fig. 4, a), mas mesmo em tensões baixas acaba sendo muito menor do que a corrente direta, então seu isolamento acaba sendo difícil.

A área de trabalho das características de corrente-tensão do fotodiodo é o III quadrante da Fig. 4, a; consequentemente, a sensibilidade da corrente é o parâmetro mais importante.

(2.10)

A segunda igualdade em (2.10) foi obtida sob a suposição de uma dependência linear I f = f (P f), e a terceira - sob a condição de desprezar a corrente escura (I T<< I Ф), что для кремниевых фотодиодов обычно выполняется.

Se o fotodiodo for iluminado sem uma polarização externa aplicada a ele, a separação dos elétrons e buracos gerados ocorrerá devido à ação do campo interno intrínseco da junção p - n. Nesse caso, os orifícios fluirão para a região p e compensarão parcialmente o campo interno da junção p - n. Um novo estado de equilíbrio (para um dado valor: P f) é criado, no qual um foto-EMF U f aparece nos terminais externos do diodo. Se você fechar o fotodiodo iluminado para uma certa carga, ele fornecerá uma energia elétrica útil R e.

Os pontos característicos das características corrente-tensão de um diodo operando neste modo - foto-válvula - são o EMF Uxx sem carga e a corrente de curto-circuito I kz (Fig. 4, b).

Esquematicamente, um fotodiodo em modo de porta funciona como uma espécie de fonte de energia secundária, portanto, seu parâmetro definidor é a eficiência de conversão de energia luminosa em energia elétrica:

Eficiência = P e / AP ph = aU xx I kz / A pph (2.11)

Uma importante classe de dispositivos fotovoltaicos - painéis solares - opera no modo fotovoltaico.

Parâmetros e características de optoacopladores e circuitos optoeletrônicos integrados

Classificação de parâmetros de produtos de tecnologia de optoacoplador

Ao classificar os produtos da tecnologia optrônica, dois pontos são levados em consideração: o tipo de fotodetector e as características de design do dispositivo como um todo.

A escolha do primeiro recurso de classificação deve-se ao fato de que quase todos os optoacopladores possuem um LED na entrada, e a funcionalidade do dispositivo é determinada pelas características de saída do fotodetector.

Como segunda característica, adota-se o desenho que determina as especificidades do uso do optoacoplador.

Arroz. 5. Para a determinação dos parâmetros de pulso de optoacopladores

Usando este princípio de classificação de design e circuito de circuitos mistos, é lógico distinguir três grupos principais de produtos de optoacopladores: optoacopladores (optoacopladores elementares), circuitos integrados optoeletrônicos (optoacopladores) e tipos especiais de optoacopladores. Cada um desses grupos inclui um grande número de tipos de dispositivos.

Para os optoacopladores mais comuns, as seguintes abreviações são usadas: D - diodo, T - transistor, R - resistor, Y - tiristor, T 2 - com fototransistor composto, DT - diodo-transistor, 2D (2T) - diodo (transistor ) diferencial.

O sistema de parâmetros de produtos de optoacopladores é baseado no sistema de parâmetros de optoacopladores, que é formado por quatro grupos de parâmetros e modos.

O primeiro grupo caracteriza o circuito de entrada do optoacoplador (parâmetros de entrada), o segundo - seu circuito de saída (parâmetros de saída), o terceiro - combina os parâmetros que caracterizam o grau de influência do emissor no fotodetector e as características associadas à transmissão do sinal através do optoacoplador como elemento de acoplamento (parâmetros da característica de transferência). Finalmente, o quarto grupo combina os parâmetros de isolamento galvânico, cujos valores mostram a proximidade do optoacoplador do elemento de isolamento ideal. Dos quatro grupos listados, os parâmetros de definição, especificamente "optoacoplador" são os parâmetros da característica de transferência e os parâmetros do isolamento galvânico.

O parâmetro mais importante dos optoacopladores de diodo e transistor é o coeficiente de transferência de corrente. A definição dos parâmetros de pulso dos optoacopladores é clara na (Fig. 5). Os níveis de referência ao medir os parâmetros tnp (cn), tgd e t on (off) são geralmente os níveis 0,1 e 0,9, o tempo total do atraso lógico do sinal é determinado no nível de 0,5 da amplitude do pulso.

Parâmetros de isolamento galvânico. Os optoacopladores são: a tensão de pico máxima permitida entre a entrada e a saída U raz n max; tensão máxima permitida entre a entrada e a saída U razmax; resistência de isolamento galvânico R div; capacidade de transferência C div; taxa máxima permitida de mudança de tensão entre a entrada e a saída (dU raz / dt) máx. O parâmetro mais importante é U raz n max. É ele quem determina a rigidez dielétrica do optoacoplador e suas capacidades como elemento de isolamento galvânico.

Os parâmetros considerados de optoacopladores são utilizados na íntegra ou com algumas alterações para descrever circuitos optoeletrônicos integrados.

Optoacopladores de diodo

Arroz. 6. Símbolos de optoacopladores

Optoacopladores de diodo (Fig. 6, a) em maior extensão do que qualquer outro dispositivo, caracterizam o nível da tecnologia de optoacoplador. O valor de K i pode ser julgado pela eficiência alcançada de conversão de energia no optoacoplador; os valores dos parâmetros de tempo permitem determinar a velocidade limite de disseminação da informação. Conectar certos elementos amplificadores a um optoacoplador de diodo, o que é muito útil e conveniente, não pode, no entanto, dar um ganho em energia ou em frequências limitantes.

Optoacopladores de transistor e tiristor

Optoacopladores transistores(Fig. 6, c) várias de suas propriedades comparam-se favoravelmente com outros tipos de optoacopladores. Em primeiro lugar, trata-se de uma flexibilidade de circuito, que se manifesta no fato de a corrente do coletor poder ser controlada tanto pelo circuito LED (opticamente) quanto pelo circuito base (eletricamente), bem como pelo fato de o circuito de saída poder operar em ambos os modos linear e chave. O mecanismo de amplificação interno garante que altos valores do coeficiente de transferência de corrente K i sejam obtidos, de forma que os estágios de amplificação subsequentes nem sempre são necessários. É importante que neste caso a inércia do optoacoplador não seja muito grande e seja bastante aceitável para muitos casos. As correntes de saída dos fototransistores são muito mais altas do que, por exemplo, os fotodiodos, o que os torna adequados para chavear uma ampla gama de circuitos elétricos. Finalmente, deve-se notar que tudo isso é conseguido com a relativa simplicidade tecnológica dos optoacopladores de transistor.

Optoacopladores tiristores(Fig. 6, b) são os mais promissores para a comutação de circuitos de alta tensão de alta corrente: em termos da combinação da potência comutada na carga e da velocidade, são claramente preferíveis aos optoacopladores T 2. Os optoacopladores do tipo AOU103 devem ser usados ​​como elementos-chave sem contato em vários circuitos eletrônicos: em circuitos de controle, amplificadores de potência, formadores de pulso, etc.

Optoacopladores resistentes

Optoacopladores resistores (Fig. 6, d) são fundamentalmente diferentes de todos os outros tipos de optoacopladores em características físicas e tecnológicas de projeto, bem como em sua composição e valores de parâmetros.

O princípio de operação do fotorresistor é baseado no efeito da fotocondutividade, ou seja, a mudança na resistência de um semicondutor sob iluminação.

Optoacopladores diferenciais para transmissão de sinal analógico

Todo o material acima refere-se à transmissão de informações digitais em um circuito isolado galvanicamente. Em todos os casos, quando falamos em linearidade, em sinais analógicos, estávamos falando sobre a forma da característica de saída do optoacoplador. Em todos os casos, o controle sobre o canal emissor - fotodetector não foi descrito por uma relação linear. Uma tarefa importante é a transmissão de informações analógicas usando um optoacoplador, ou seja, garantindo a linearidade da característica de transferência de entrada para saída. Somente na presença de tais optoacopladores é possível distribuir diretamente a informação analógica através de circuitos isolados galvanicamente sem convertê-la para a forma digital (trem de pulso).

A comparação das propriedades de vários optoacopladores em termos de parâmetros importantes do ponto de vista da transmissão do sinal analógico leva à conclusão de que se este problema pode ser resolvido, então apenas com a ajuda de optoacopladores de diodo com boas características de frequência e ruído. A complexidade do problema reside principalmente na estreita faixa de linearidade da característica de transferência e no grau desta linearidade em optoacopladores de diodo.

Deve-se notar que apenas os primeiros passos foram dados no desenvolvimento de dispositivos com isolação galvânica adequados para a transmissão de sinais analógicos, e futuros progressos podem ser esperados.

Microcircuitos optoeletrônicos e outros dispositivos do tipo optoacoplador

Os microcircuitos optoeletrônicos são uma das classes de produtos mais amplamente utilizadas, em desenvolvimento e promissoras em tecnologia optoeletrônica. Isso se deve à total compatibilidade elétrica e construtiva dos microcircuitos optoeletrônicos com os microcircuitos tradicionais, bem como às suas capacidades funcionais mais amplas em comparação com optoacopladores elementares. Como entre os microcircuitos convencionais, os microcircuitos optoeletrônicos de comutação são os mais amplamente utilizados.

Tipos especiais de optoacopladores diferem nitidamente dos optoacopladores tradicionais e microcircuitos optoeletrônicos. Estes incluem, em primeiro lugar, optoacopladores com canal óptico aberto. Na concepção destes dispositivos, existe um entreferro entre o emissor e o fotodetector, de modo que, ao colocar nele determinadas barreiras mecânicas, é possível controlar o fluxo luminoso e, consequentemente, o sinal de saída do optoacoplador. Assim, optoacopladores com canal óptico aberto atuam como sensores optoeletrônicos que registram a presença (ou ausência) de objetos, o estado de sua superfície, a velocidade de movimento ou rotação, etc.

Aplicações de optoacopladores e optoacopladores

As direções promissoras para o desenvolvimento e aplicação da tecnologia de optoacoplador já foram amplamente determinadas. Optoacopladores e optoacopladores são usados ​​com eficácia para transferir informações entre dispositivos que não possuem conexões elétricas fechadas. Tradicionalmente, a posição dos dispositivos optoeletrônicos na técnica de recepção e exibição de informações permanece forte. Sensores optoacopladores projetados para controlar processos e objetos que são muito diferentes em natureza e finalidade são de importância independente nesta direção. O microcircuito optoacoplador funcional está progredindo notavelmente, focado na realização de uma variedade de operações relacionadas à transformação, acumulação e armazenamento de informações. A substituição de produtos eletromecânicos volumosos, de vida curta e de baixa tecnologia (do ponto de vista da microeletrônica) (transformadores, potenciômetros, relés) por dispositivos e dispositivos optoeletrônicos acaba sendo eficaz e útil. A utilização de optoacopladores para fins energéticos é bastante específica, mas em muitos casos justificada e útil.

Transferência de informação

Arroz. 7. Esquema de isolamento galvânico entre unidades

O circuito de casamento de um elemento lógico transistor-transistor (TTL) com um dispositivo integrado baseado em transistores MOS é construído em um optoacoplador de transistor (Fig. 8). Em uma modalidade específica: E 1 = E 2 = 5 V, E 3 = 15 V, R 1 = 820 Ohm, R 2 = 24 kOhm - o optoacoplador LED é excitado com uma corrente (5 mA) suficiente para saturar o transistor e controlar com segurança o dispositivo nos transistores MIS.

Arroz. 8. Esquema para interface de elementos TTL e MDP por meio de um canal óptico

As comunicações ópticas são usadas ativamente em dispositivos e sistemas telefônicos. Com o auxílio de optoacopladores, por meios tecnicamente simples, é possível conectar dispositivos microeletrônicos a linhas telefônicas destinadas à chamada, indicação, controle e outras finalidades.

A introdução de conexões ópticas em equipamentos de medição eletrônicos, além do isolamento galvânico do objeto em estudo e do dispositivo de medição, que é útil em muitos aspectos, também pode reduzir drasticamente a influência do ruído que atua ao longo dos circuitos de aterramento e de alimentação.

As possibilidades e experiência do uso de dispositivos optoeletrônicos e dispositivos em equipamentos biomédicos são de considerável interesse. Os optoacopladores permitem isolar com segurança o paciente das altas tensões disponíveis, por exemplo, em aparelhos eletrocardiográficos.

O controle sem contato de circuitos poderosos de alta tensão por meio de canais ópticos é muito conveniente e seguro em modos técnicos complexos, típicos de muitos dispositivos e complexos de eletrônica industrial. Nesta região, as posições dos optoacopladores tiristores são fortes (Fig. 9).

Arroz. 9. Circuito de comutação de carga CA

Recebendo e exibindo informações

Optoacopladores e optoacopladores ocupam uma posição forte na tecnologia remota sem contato para o recebimento imediato e exibição precisa de informações sobre as características e propriedades de processos e objetos muito diferentes (na natureza e na finalidade). Os optoacopladores com canais ópticos abertos têm recursos exclusivos a esse respeito. Entre eles estão interruptores optoeletrônicos que respondem à interseção do canal óptico por objetos opacos (Fig. 10), e optoacopladores reflexivos, nos quais o efeito dos emissores de luz nos fotodetectores está inteiramente relacionado à reflexão do fluxo emitido por objetos externos.

Arroz. 10. Sensor optoeletrônico

A gama de aplicações dos optoacopladores com canais ópticos abertos é extensa e variada. Já na década de 60, optoacopladores desse tipo eram efetivamente utilizados para registrar objetos e objetos. Com esse registro, que é característico principalmente para dispositivos de controle automático e contagem de objetos, bem como para a detecção e indicação de vários tipos de defeitos e falhas, é importante determinar claramente a localização do objeto ou refletir o fato de sua existência. Os optoacopladores desempenham funções de registro de forma confiável e eficiente.

Controle de processos elétricos

A potência da radiação gerada pelo LED e o nível da fotocorrente que surge nos circuitos lineares com fotodetectores são diretamente proporcionais à corrente de condutividade elétrica do emissor. Assim, por meio de canais ópticos (sem contato, remotos), é possível obter informações bastante precisas sobre os processos em circuitos elétricos conectados galvanicamente ao emissor. O uso de emissores de luz de optoacopladores como sensores de mudanças elétricas em circuitos de alta corrente e alta tensão acaba sendo especialmente eficaz. Informações claras sobre tais mudanças são importantes para a proteção imediata de fontes de energia e consumidores contra sobrecargas elétricas.

Arroz. 11. Estabilizador de tensão com um optoacoplador de controle

Os optoacopladores funcionam com sucesso em estabilizadores de tensão de alta tensão, onde criam canais ópticos de feedback negativo. O estabilizador considerado (Fig. 11) refere-se a um dispositivo do tipo série, e o elemento regulador é um transistor bipolar, e o diodo zener de silício atua como fonte da tensão de referência (referência). O LED serve como um elemento de comparação.

Se a tensão de saída no circuito da Fig. 11 aumenta, então a corrente de condução do LED também aumenta. O fototransistor do optoacoplador atua sobre o transistor, suprimindo a possível instabilidade da tensão de saída.

Substituição de produtos eletromecânicos

Em um complexo de soluções técnicas destinadas a melhorar a eficiência e a qualidade dos dispositivos de automação, engenharia de rádio, telecomunicações, eletrônica industrial e de consumo, uma medida expedita e útil é substituir produtos eletromecânicos (transformadores, relés, potenciômetros, reostatos, botões e interruptores ) com análogos mais compactos, duráveis ​​e de alta velocidade. O papel principal nesta direção é atribuído a dispositivos e dispositivos optoeletrônicos. O fato é que vantagens técnicas muito importantes dos transformadores e relés eletromagnéticos (isolamento galvânico dos circuitos de controle e carga, operação confiável em sistemas potentes de alta tensão e alta corrente) também são inerentes aos optoacopladores. Ao mesmo tempo, os produtos optoeletrônicos são significativamente superiores aos seus equivalentes eletromagnéticos em termos de confiabilidade, durabilidade, transientes e características de frequência. O controle de transformadores optoeletrônicos compactos e de alta velocidade, interruptores e relés é realizado com segurança por meio de microcircuitos integrados de tecnologia digital sem meios especiais de correspondência elétrica.

Um exemplo de substituição de um transformador de pulso é mostrado na Fig. 12

Arroz. 12. Diagrama do transformador optoeletrônico

Funções de energia

No modo de energia, optoacopladores são usados ​​como fontes secundárias de EMF e corrente. A eficiência dos conversores optoacopladores é baixa. No entanto, a possibilidade de introduzir uma tensão adicional ou fonte de corrente em qualquer circuito do dispositivo sem conexão galvânica com a fonte de alimentação primária dá ao projetista um novo grau de liberdade, que é especialmente útil na solução de problemas técnicos não padronizados.