2.1.2 Резисторные оптопары

При засветке фоторезисторов их сопротивление уменьшается от Rj (темпового) до Rcb (при освещении). Одним из основных параметров резисторных оптопар является отношение этих сопротивлений; значение Rt/Rqb может достигать 10⁴-10⁷. Фоторезисторы обладают, как правило, большой инерционностью. Именно поэтому в фоторезисторных оптопарах в качестве источников излучения широко применяют миниатюрные лампы накаливания, к достоинствам которых следует отнести хорошую воспроизводимость параметров, большой срок службы, малую стоимость. Невысокое быстродействие (время переключения - примерно 10^-2 с) ламп накаливания в оптопарах этого типа не является их недостатком, поскольку общее время переключения (до 10^-1 с) определяется фотоприемником. Кроме ламп накаливания в резисторных оптопарах используют светодиоды, спектр излучения которых хорошо согласован со спектрами возбуждения фотоприемников.

Некоторые характеристики резисторных оптопар представлены на рисунке 4. Увеличение тока I₁ на входе оптопары сопровождается увеличением светового потока излучателя, в результате чего R_CB уменьшается (рис. 2.4, а). Повышение температуры Т ведет к снижению подвижности свободных носителей заряда в фоторезисторе, увеличению R_CB, а следовательно, к уменьшению I₂ при том же напряжении U₂ на выходе (рис. 2.4, б). С ростом Т не только происходит увеличение R_CB, но снижается и R_T (растет концентрация собственных носителей заряда в зоне проводимости полупроводника). При этом отношение R_T / R_CB очень сильно уменьшается (при 70° С оно может составлять лишь примерно 10²), что делает резисторную оптопару практически непригодной для использования при высоких температурах.

Инерционность резисторных оптопар сказывается на их частотных характеристиках, что иллюстрируется рис. 2.4, в. На рисунке по вертикали отложен коэффициент передачи по току, который в случае оптопар этого типа носит формальный характер, поскольку в выражение для k_I подставляется просто значение тока I₂, соответствуют ее окончанию линейного участка вольтамперной характеристики фоторезистора.

Рисунок 2.4 - Характеристики резисторных оптопар

Достоинствами резисторных оптопар, определяющими их широкое применение в различных типах оптоэлектронных схем, являются линейность и симметричность выходной характеристики (независимость от полярности включения фоторезистора), отсутствие фото-ЭДС, большие значения достижимого напряжения на выходе (до 250 В) и темнового сопротивления (Rt=10^6-10¹¹ Ом).

2.1.3 Диодные оптопары

Оптопары этого типа изготовляют на основе кремниевых p-i-n фотодиодов и арсенидгаллиевых светодиодов. На рис. 2.5 изображены типичные зависимости коэффициента передачи по току k_I от входного тока I₁, напряжения на выходе U₂ и температуры T. Из рис. 2.5, а следует, что у диодных оптопар k_I остается практически постоянным в широком диапазоне входных токов, что обусловлено постоянством в этом диапазоне квантового выхода η светодиода. Спад в области больших входных токов (когда начинает сказываться разогрев прибора) также определяется поведением η. Квантовый выход фотодиода η при этом, как правило, не меняется. Это следует из того, что зависимость фототока от падающего потока излучения линейна в рабочем диапазоне значений потоков.

Разогрев оптопары может привести и к снижению η. На рис. 2.5, б изображена зависимость коэффициента передачи по току диодных оптопар от обратного напряжения на выходе прибора - она довольно слаба. Температурная же зависимость k_I диодных оптронов выражена более ярко (рис. 2.5, в), что объясняется зависимостью от Т параметров всех элементов оптопары, и в первую очередь - излучателя.

Рисунок 2.5 - Характеристики диодных оптопар

В целом, поскольку у современных диодных оптопар значение коэффициента передачи по току составляет единицы процентов, это означает, что на выходе таких оптопар практически можно получать лишь токи, не превышающие 1...2 мА.

Предельно достижимое время переключения t_П диодных оптопар может изменяться в довольно широких пределах (0,1-10 мкс) в зависимости от марки прибора. Но на практике получить подобное быстродействие довольно трудно, так как из-за малости выходного тока их приходится включать на большую нагрузку В этом случае существенным оказывается уже время перезарядки, определяемое сопротивлением нагрузки R_Н и выходной емкостью оптопары С₂. Так, при R_Н=2...20 кОм и С2=50 пФ постоянная времени перезарядки равна 0,1-1 мкс, что сравнимо по величине с предельными значениями t_П.

Диодные оптопары могут работать в вентильном режиме, когда оптрон выступает в качестве источника питания. Оптроны, предназначенные для этих целей, имеют повышенное (3-4 %) значение k_I однако КПД таких приборов также составляет лишь около одного процента.

Среди выпускаемых диодных оптопар можно выделить, наконец, группу приборов, оптический канал которых выполнен в виде световода длиной 30-100 мм (волстроны). Эти приборы характеризуются высокой электрической прочностью (U_ИЗ=20-50 кВ) и малой проходной емкостью (С_пр = 0,01 пФ).