ОПТОПАРЫ

 
 

Комбинацией опто и фотоэлектронных приборов является оптопара (оптрон). Структура оптопары приведена на рис. 11. В ней входной электрический сигнал Iвх преобразуется в оптический сигнал Ф, в качестве преобразователя обычно используют светодиод или полупроводниковый лазер (излучатель). Оптический сигнал Ф распространяется через оптический канал. Канал может быть открытым (вакуум, газ или жидкость) и закрытым (оптический световод). На выходе оптического канала имеется фотоэлектронный преобразователь – фотоприемник (фоторезистор, фотодиод, фототранзистор или фототиристор) в котором оптический сигнал Ф преобразуется в электрический Iвых. Двойное преобразование входного сигнала I→Ф и Ф→I позволяет получить практически идеальную гальваническую развязку входного и выходного сигналов, невосприимчивость оптических каналов к электромагнитным помехам, однонаправленность потока информации, отсутствие обратной связи с выхода на вход и широкую полосу пропускания. К недостаткам оптопар следует отнести нелинейность их проходных характеристик, низкий КПД, температурную зависимость параметров, и высокий уровень собственных шумов.

 
 

В диодной оптопаре (рис. 12,а, 13,а) излучателем служит инфракрасный светодиод на основе арсенида галлия, фотоприемный элемент – фотодиод на основе кремния. Максимум спектральной характеристики GaAs светодиода расположен около λmax ≈ 1 мкм. При облучении фотодиода инфракрасным светом с λ ~ 1 мкм в нем возникает генерация пар носителей заряда – электронов и дырок (внутренний фотоэффект). Интенсивность генерации пропорциональна силе света и, следовательно, входному току оптопары (току через светодиод). Свободные электроны и дырки разделяются электрическим полем pn-перехода фотодиода и заряжают p-область положительно, а n-область отрицательно. На выходных клеммах оптопары появляется фото-ЭДС Uхх. Описанный режим работы оптопары называется фотогенераторным режимом. Передаточная характеристика оптопары в фотогенераторном режиме нелинейна: при увеличении входного тока фото-ЭДС приближается к контактной разности потенциалов на pn-переходе Uхх ≤ 0.5÷0.6 В.

Оптроны обычно используются в фотодиодном режиме (рис. 12,а). К фотодиоду оптопары прикладывают обратное напряжение Uобр > 0.5 В. Электроны и дырки, генерируемые излучением, увеличивают обратный ток I0 pn-перехода:

Iвых = I0 + Iфототок ≈ Iфототок.

Передаточная характеристика в фотодиодном режиме Iвых = f(Iвх) практически линейна. Коэффициент передачи по току диодных оптопар

KI = Iвых/ Iвх (7)

составляет единицы процентов и примерно равен значению внешнего квантового выхода светодиода.

В транзисторной оптопаре (рис. 12,б, 13,в) светодиод конструктивно расположен так, что излучение направляется в базовую область фототранзистора. При отсутствии света в цепи коллектора фототранзистора протекает ток Iтемh21э Iко, где Iко – обратный ток pn-перехода база-коллектор.

Для уменьшения темнового тока между выводами базы и эмиттера фототранзистора включается внешний резистор с сопротивлением 0.1÷1.0 МОм. При облучении светом в базовой области генерируются пары электрон-дырка. Электроны втягиваются в область коллектора полем обратносмещенного перехода база-коллектор. Дырки остаются в базе и увеличивают ее потенциал, что приводит к инжекции электронов из эмиттера в базу. Соотношение между фототоками коллектора Iвых и базы

Iвых = h21э Iф.б, (8)

где h21э – коэффициент передачи тока базы транзистора (h21э 102), Iф.б – генерируемый излучением фототок в базе транзистора (дырочная составляющая фототока).

Фототранзистор обладает внутренним усилением фототока. Коэффициент передачи по току транзисторных оптопар KI = Iвых/ Iвх имеет величину порядка единицы. Передаточная характеристика транзисторной оптопары Iвых = f(Iвх) нелинейна. Транзисторные оптопары применяют обычно в ключевом режиме для передачи импульсных сигналов рис. 12,б.

Транзисторные оптопары используют для гальванической развязки логических цепей управления от высоковольтных цепей нагрузок большой мощности: для управления мощными тиристорами, в устройствах защиты вторичных источников питания и т.д.