6.5 Резисторные оптопары
В резисторных оптопарах в качестве излучателя используется светоизлучающий диод, ИК-излучающий диод или сверхминиатюрная лампочка накаливания. В качестве фотоприемного элемента используется фоторезистор – полупроводниковый резистор, сопротивление которого уменьшается при воздействии видимых световых или невидимых инфракрасных лучей. Уменьшение сопротивления фоторезистора происходит за счет генерации светом пар свободных носителей заряда – электронов и дырок, увеличивающих электропроводность полупроводника.
Фоторезисторы оптопар обычно изготавливаются на основе селенида кадмия CdSe или сернистого кадмия CdS. Важным требованием является согласованность излучателя и приемника по спектральным характеристикам.
Темповой ток фоторезистора при отсутствии воздействия света от излучателя обычно составляет единицы микроампер. При облучении проводимость фоторезистора значительно возрастает (в сотни, тысячи раз). Проводимость пропорциональна силе света излучателя. По этому путем изменения тока через излучатель можно управлять проводимостью фоторезистора. Свойства фоторезисторов не зависят от полярности приложенного напряжения, что позволяет включать их в цепь переменного тока.
Фоторезистор и излучатель объединены внутри корпуса оптопары оптически прозрачной средой (клеем) с большим сопротивлением изоляции. По этому цепь излучателя надежно изолирована от выходной цепи оптопары – фотоприемника. Параметры оптопар зависят то температуры. Повышение температуры фоторезистора приводит к увеличению его светового сопротивления и снижению фототока. При повышении температуры темповой ток увеличивается, темповое сопротивление уменьшается. Отрицательным свойством резисторных оптопар является их низкое быстродействие.
Важнейшими характеристиками резисторной оптопары являются входная ВАХ (в соответствии с рис. 6.9, а).
Рис. 6.9. Характеристики резисторной оптопары
Выходная температурная (рис. 6.9, б) и передаточная характеристики – зависимость выходного сопротивления от входного тока (рис. 6.9, в), частотная характеристика (рис. 6.9, г).
Резисторные оптопары применяются преимущественно для бесконтактной коммутации и управления в цепях постоянного и переменного токов.
Достоинствами резисторных оптопар, определяющими их широкое применение является линейность и симметричность выходной характеристики, отсутствие фото-ЭДС, возможность работы при больших значениях напряжений в выходной цепи любой полярности (сотни вольт), высокие значения темнового сопротивления (RТ=106÷1011 Ом).
6.6 Диодные оптопары
В диодной оптопаре в качестве фотоприемного элемента используется фотодиод на основе кремния, а излучателем служит инфракрасный излучающий диод. Максимум спектральной характеристики излучающего диода приходится на длину волны около 1 мкм. При облучении в фотодиоде возникает генерация пар носителей заряда – электронов и дырок. Интенсивность генерации пропорциональна силе света, а, следовательно, входному току. Свободные электроны и дырки разделяются электрическим полем перехода фотодиода и заряжают р-область положительно, а n-область отрицательно. Таким образом, на выходных выводах оптопары появляется фото – ЭДС. В реальных приборах она не превышает (0,7÷0,8) В, а КПД составляет около 1 %.
Если к фотодиоду оптопары приложено обратное напряжение более 0,5 В, то электроны и дырки, генерированные излучением, увеличивают обратный ток фотодиода. Такой режим работы приемного элемента оптопары называется фотодиодым. Значение обратного фототока практически линейно возрастает с увеличением силы света излучающего диода.
Для повышения быстродействия создаются фотодиоды со структурой р-i-n. В них между легированными областями р и n типа используется полуизолирующий слой кремния с собственной проводимостью i. Возникающее в i- области сильное электрическое поле приводит к сокращению времени пролета носителей заряда через эту область и к быстрому нарастанию и спаду фототока. Время нарастания и спада фототока в таких фотодиодах может составлять единицы, и даже доли наносекунд. Однако, быстродействие оптопары в целом зависит еще и от быстродействия излучателя, а так же от сопротивления выходной нагрузки. Реальные значения времени задержки сигнала в диодном оптроне составляют около 1 мкс.
Для описания свойств диодных оптопар обычно используют входные и выходные ВАХ, передаточные характеристики в фотогенераторном и фотодиодном режимах.
Выходная характеристика оптопары аналогична обратной ветви ВАХ диода. Обратный ток практически не зависит от напряжения. При большом напряжении возникает электрический пробой фотодиода.
Передаточная характеристика в фотодиодном режиме представляет собой зависимость выходного тока от входного и практически линейна в широком диапазоне входных токов. Коэффициент передачи тока составляет единицы процентов.
Передаточная характеристика в фотогенераторном режиме нелинейна. Фото-ЭДС при увеличении входного тока стремится к насыщению: она не может превышать контактной разности потенциалов на переходе фотодиода и составляет обычно (0,5÷0,8) В.
Зависимости коэффициента передачи диодной оптопары от входного тока, выходного напряжения и температуры приведены на рисунке 6.10, а, б, в, соответственно.
При использовании диодных оптопар в электронных устройствах реализуется ряд свойств, присущих этому классу оптопар: высокое быстродействие, малый темновой ток в выходной цепи, высокое сопротивление гальванической развязки.
Рис. 6.10. Зависимость коэффициента передачи диодных оптопар от входного тока (а), выходного напряжения (б) и температуры (в)