Resistiv optoisolator

Optoisolator VTL2C1 med LED-ingång och fotoresistorutgång

Resistiv opto-isolator (RO), även kallad fotoresistiv opto-isolator , vactrol (efter ett generiskt varumärke som introducerades av Vactec, Inc. på 1960-talet), analog opto-isolator eller lampkopplad fotocell , är en optoelektronisk enhet som består av en källa och detektor av ljus, som är optiskt kopplade och elektriskt isolerade från varandra. Ljuskällan är vanligtvis en ljusemitterande diod (LED), en miniatyrglödlampa eller ibland en neonlampa , medan detektorn är en halvledarbaserad fotoresistor gjord av kadmiumselenid (CdSe) eller kadmiumsulfid (CdS). Källan och detektorn är kopplade genom ett transparent lim eller genom luften.

Elektriskt är RO ett motstånd som styrs av strömmen som flyter genom ljuskällan. I mörkt tillstånd överstiger resistansen vanligtvis några MOhm; när den är upplyst minskar den som inversen av ljusintensiteten. I motsats till fotodioden och fototransistorn kan fotoresistorn fungera i både AC- och DC-kretsar och ha en spänning på flera hundra volt över den. De harmoniska distorsionerna av utströmmen från RO är typiskt inom 0,1 % vid spänningar under 0,5 V.

RO är den första och långsammaste optoisolatorn: dess kopplingstid överstiger 1 ms, och för de lampbaserade modellerna kan den nå hundratals millisekunder. Parasitisk kapacitans begränsar fotoresistorns frekvensområde till ultraljudsfrekvenser. Kadmiumbaserade fotoresistorer uppvisar en "minneseffekt": deras motstånd beror på belysningshistoriken; den driver också under belysningen och stabiliseras inom några timmar, eller till och med veckor för högkänsliga modeller. Uppvärmning inducerar irreversibel nedbrytning av RO, medan kylning till under -25 °C dramatiskt ökar svarstiden. Därför ersattes RO mest på 1970-talet av de snabbare och mer stabila fotodioderna och fotoresistorerna. RO:er används fortfarande i viss ljudutrustning, gitarrförstärkare och analoga synthesizers på grund av deras goda elektriska isolering, låga signalförvrängning och enkla kretsdesign.

Schema i europeisk stil av resistiva optoisolatorer som använder en glödlampa (överst), en neonlampa (mitten) eller en lysdiod (nederst).

Historia

1873 upptäckte Willoughby Smith selens fotokonduktivitet. I början av 1900-talet resulterade studierna av den externa fotoeffekten i vakuumrör i kommersiell produktion av fotoresistorer. År 1918 föreslog amerikanska och tyska ingenjörer oberoende användningen av vakuumfotoceller för att läsa optiska fonogram i filmprojektorerna på biografer, och Lee de Forest , Western Electric och General Electric producerade tre konkurrerande system som använder sådana fotoceller. 1927 producerades den första kommersiella ljudfilmen, The Jazz Singer , i USA, och 1930 hade ljudfilmer ersatt stumfilmer.

Framgången med ljudfilmer stimulerade sökandet efter nya tillämpningar av fotoceller. Olika typer av fotoceller övervägdes: vakuum, gasurladdning, fotovoltaiska och fotoresistiva, men industrin föredrog långsamma men billiga selenenheter. I mitten av 1930-talet kontrollerade selenfotoceller löpande band, hissar och vävstolar . Brandlarm med selensensorer kom i massproduktion i Storbritannien och sedan i USA. Norbert Wiener föreslog, och Truman Gray byggde en optisk skanner för inmatning och bearbetning av data i analoga datorer. Kurt Kramer introducerade en selenfotocell till medicinsk forskning. 1940 Glenn Millikan den första praktiska selenbaserade oximetern för att övervaka det fysiska tillståndet hos Royal Air Force- piloterna. Det var en RO där ljuskällan och detektorn var åtskilda av pilotens öronsnibb .

Fender gitarrförstärkare med tremoloeffekt

I början av 1950-talet använde Teletronix den optiska dämparen "T4" i LA-2-kompressorn, dessutom, för sitt unika ljud, används de fortfarande idag av Universal Audio i deras reproduktioner av LA-2. Efter 1950-talet ersattes selen i fotoceller gradvis av CdS och CdSe. År 1960 användes RO:er baserade på glödlampor och CdS/CdSe-fotoresistorer i återkopplingskretsar inom industrin, till exempel för att styra rotationshastighet och spänning. I början av 1960-talet resulterade introduktionen av känsliga och kompakta CdS/CdSe-fotoresistorer i massproduktion av kameror med automatisk exponering. Dessa fotoresistorer användes dock inte inom medicinen på grund av deras minneseffekt och snabba åldrande – de krävde regelbunden omkalibrering som inte var acceptabel för medicinsk praxis.

I början av 1960-talet började Gibson och Fender använda ROs för att modulera tremoloeffekten i gitarrförstärkare. Båda företagen monterade sina RO från diskreta lampor, fotoresistorer och kopplingsrör. Medan Gibson använde billiga men långsamma glödlampor som ljuskällor, ersatte Fender dem med neonlampor, vilket ökade den maximala frekvensen till tiotals Hz och minskade styrströmmar, men resulterade i en olinjär modulering. Därför föredrog andra tillverkare glödlampor för sin linjäritet.

1967 introducerade Vactec en kompakt RO märkt som Vactrol. Till skillnad från de rörkopplade RO:erna från Fender och Gibson var Vactrols förseglade och robusta enheter. I början av 1970-talet bytte Vactec ut glödlampor mot lysdioder. Detta ökade växlingshastigheten, men inte till den nivå som krävs för digitala enheter. Därför drev introduktionen av de snabbare fotodioderna och fototransistorerna på 1970-talet ut RO från marknaden. RO:er behöll smala applikationsnischer inom ljudutrustning och vissa industriella automationsenheter som inte krävde höga hastigheter. Vactec utökade inte sina rättigheter till varumärket Vactrol, och det har blivit ett känt ord på engelska för alla RO som används i ljudutrustning, inklusive RO:erna för Fender och Gibson. Från och med 2010 producerades Vactrol ROs av PerkinElmer, efterträdaren till Vactec tills dess verksamheter för belysnings- och detektionslösningar avyttrades som ett oberoende företag Excelitas Technologies i november 2010. Excelitas avslutade produktionen av RO:s i december 2015. Från och med 2022 Vactrol typ RO tillverkas fortfarande av efterträdaren till Silonex Advanced Photonix. och minst två fabriker i Shenzhen, Kina.

I Europeiska unionen är tillverkning och distribution av Cd-baserade fotoresistorer förbjudna sedan 1 januari 2010. Den ursprungliga versionen av EU-direktivet om begränsning av farliga ämnen (RoHS), som antogs 2003, tillät användning av kadmium i enheter som inte hade några CD-fria motsvarigheter. Men 2009 uteslöt Europeiska kommissionen Cd-baserade RO som används i professionell ljudutrustning från listan över tillåtna enheter. "Från och med den 2 januari 2013 är användning av kadmium tillåten i fotoresistorer för analoga optokopplare som används i professionell ljudutrustning. ... Undantaget är dock tidsbegränsat, eftersom kommissionen anser att forskningen för kadmiumfri teknik pågår och vikarier kan bli tillgängliga i slutet av 2013."

Fysikaliska egenskaper

Ljuskällor, detektorer och deras koppling

De flesta RO använder CdS eller CdSe som ljuskänsligt material.

Den spektrala känsligheten hos CdS-fotoresistorer når sin topp för rött ljus (våglängd λ = 640 nm) och sträcker sig upp till 900 nm. Dessa enheter kan styra några mA och har ett kvasilinjärt beroende av fotoström på ljusintensiteten vid en konstant spänning. Deras höga mörkresistans, som når tiotals GOhm, ger ett högt dynamiskt område med avseende på ljusintensiteten och låga signalförvrängningar. Deras reaktionstid på en förändring i ljusintensiteten är dock lång, cirka 140 ms vid 25 °C.

CdSe-fotoresistorer är 5–100 gånger känsligare än CdS-enheter; deras känslighet toppar i det röda till nära-infraröda området (670–850 nm) och sträcker sig upp till 1100 nm. De har ett sämre dynamiskt omfång och linjäritet än sina CdS-motsvarigheter, men är snabbare, med en tidskonstant på mindre än 20 ms.

De optimala ljuskällorna för CdS/CdSe-fotoresistorer är AlGaAs-heterostrukturer (emissionsvåglängd ~660 nm) eller GaP-lysdioder (λ = 697 nm). Lysdiodens ljusstyrka är nästan proportionell mot den styrande strömmen. Emissionsspektrumet beror på LED-temperaturen, och därmed på strömmen, men denna variation är för liten för att påverka den spektrala matchningen av LED:n och fotoresistorn.

För mekanisk stabilitet limmas lysdioden och fotoresistorn med en transparent epoxi , lim eller en organisk polymer. Limmet fungerar också som en diffusor som sprider ljusstrålen - om det skulle falla nära gränsen för halvledaren och elektriska kontakter kan en liten förskjutning av LED-positionen avsevärt förändra RO-responsen.

Överföringsegenskaper

Idealiserad överföringsfunktion för en LED-baserad RO, dvs beroende av RO-resistansen på LED-strömmen. Grönt band approximerar fluktuationer i resistans orsakade av minneseffekt vid rumstemperatur. Rött band approximerar effekterna av termisk drift och förändringar i optisk koppling.

Överföringskarakteristiken för RO representeras vanligtvis som fotoresistorns elektriska resistans som en funktion av strömmen genom ljuskällan; det är en faltning av tre huvudfaktorer: ljuskällans intensitets beroende av dess ström, optiska koppling och spektralmatchning mellan ljuskällan och fotoresistorn, och fotoresistorns fotorespons. Det första beroendet är nästan linjärt och temperaturoberoende för lysdioder i det praktiska området för styrströmmen. Tvärtom, för glödlampor är ljusströmskurvan inte linjär, och emissionsspektrumet varierar med temperaturen och därmed med ingångsströmmen. När det gäller ljusdetektorn beror dess egenskaper på temperatur, spänning och användningshistorik (minneseffekt). Därför tar överföringskarakteristiken ett antal värden.

Approximation av en fotoresistor.

Fotoresistorns ekvivalenta krets består av tre komponenter:

  • R D – mörkresistans, som bestäms av halvledaren och kan variera från några MOhm till hundratals GOhm;
  • R RL – restresistans hos belyst men obelastad fotoresistor, vanligtvis mellan 100 ohm och 10 kOhm;
  • R I – idealisk fotoresistans, som är omvänt proportionell mot ljusintensiteten.

På grund av det stora värdet på R D bestäms det totala motståndet huvudsakligen av R I . Det dynamiska området för fotomotståndet med avseende på belysning är lika med förhållandet mellan den kritiska belysningen Φcr och känslighetströskeln Φth .

Rd och Rl , men inte RRL , minskar med ökande spänning vilket resulterar i signalförvrängningar. Vid låga belysningsnivåer ökar motståndet hos kadmiumbaserade RO med cirka 1 % vid uppvärmning med 1 °C. Vid högre ljusintensiteter kan den termiska motståndskoefficienten ändra sina värden och till och med dess tecken.

Minneseffekt

Typiskt svar för en fotoresistor på stegvis ökning (blå) och stegvis minskning (röd) i infallande ljusnivå.

Kadmiumbaserade fotoresistorer uppvisar en uttalad minneseffekt, det vill säga deras motstånd beror på belysningens historia. Den visar också karakteristiska överskridningar, där värdena når ett tillfälligt minimum eller maximum efter applicering av ljus. Dessa resistivitetsförändringar påverkar RO-temperaturen, vilket ger ytterligare instabilitet. Stabiliseringstiden ökar olinjärt med ljusintensiteten och kan variera mellan timmar och dagar; enligt konvention antas det att utsignalen från en upplyst RO når jämvikt inom 24 timmar.

Minneseffekten utvärderas med hjälp av förhållandet R max till R min (se figur). Detta förhållande ökar med minskande ljusintensitet och har ett värde på 1,5–1,6 vid 0,1 lux och 1,05–1,10 vid 1000 lux för PerkinElmer-enheter. I vissa lågresistiva RO-modeller var detta förhållande så högt som 5,5, men 2009 har deras produktion lagts ner. Högresistansfotoresistorer har vanligtvis en mindre uttalad minneseffekt, är mindre känsliga för temperatur och har en mer linjär respons, men är också relativt långsamma. Vissa enheter designade på 1960-talet hade en försumbar minneseffekt, men uppvisade oacceptabelt höga signalförvrängningar vid höga strömnivåer.

Driftsfrekvenser

Driftsfrekvensområdet för en RO beror på ingångs- och utgångsegenskaperna. Den högsta frekvensen för insignalen (kontrollerande) begränsas av RO-ljuskällans svar på förändringen i styrströmmen och av fotoresistorns svar på ljus; dess typiska värde sträcker sig mellan 1 och 250 Hz. Svarstiden för en fotoresistor på att släcka ljuset varierar vanligtvis mellan 2,5 och 1000 ms, medan responsen på att slå på belysningen är cirka 10 gånger snabbare. När det gäller ljuskällan är dess reaktionstid på en strömpuls i nanosekundintervallet för en lysdiod, och försummas därför. Men för en glödlampa är den i storleksordningen hundratals millisekunder, vilket begränsar frekvensområdet för respektive RO till några få Hz.

Den maximala utgångsfrekvensen (kontrollerad signal) begränsas av den parasitiska kapacitansen hos en RO, som härrör från elektroderna som är bildade på ytan av fotomotståndet och shuntar utgångskretsen. Ett typiskt värde för denna kapacitans är tiotals picofarads som praktiskt taget begränsar utfrekvensen till ungefär 100 kHz.

Brus och signalförvrängningar

Typiska beroenden av koefficienten för olinjära distorsioner på rotmedelkvadratspänningen över en PerkinElmer-fotoresistor.

När det gäller vanliga motstånd består bruset från fotoresistorer av termiskt, skott- och flimmerbrus; den termiska komponenten dominerar vid frekvenser över 10 kHz och ger ett mindre bidrag vid låga frekvenser. I praktiken försummas bruset från en fotoresistor om spänningen över dess terminaler är lägre än 80 V.

Icke-linjära distorsioner som genereras av fotoresistorn är lägre för en högre ljusintensitet och för ett lägre motstånd hos fotoresistorn. Om spänningen över fotoresistorn inte överstiger tröskeln, som varierar mellan 100 och 300 mV beroende på material, så har koefficienten för icke-linjära distorsioner ett värde inom 0,01 %, vilket är nästan oberoende av spänningen. Dessa distorsioner domineras av den andra övertonen. Över spänningströskeln uppträder den tredje övertonen, och distorsionernas amplitud ökar med kvadraten på spänningen. För en distorsion på 0,1 % (−80 dB), vilket är acceptabelt för högfientlig ljudutrustning, bör signalspänningen ligga inom 500 mV. Förhållandet mellan jämna och udda övertoner kan styras genom att applicera en DC-förspänning på fotoresistorn.

Degradering

Sådana sovjetiska RO:ar av metallhölje skulle kunna drivas mellan -60 och 55 °C; nominell livslängd 2 000 timmar på grund av glödljuskällan

Irreversibel degradering av en fotoresistor kan induceras genom att överskrida dess maximala specificerade spänning även under en kort period. För enheter med hög resistivitet bestäms denna spänning av de läckströmmar som flyter på halvledarytan och varierar mellan 100 och 300 V för. För modeller med låg resistivitet är spänningsgränsen lägre och härrör från Joule-uppvärmningen.

Livslängden för en RO bestäms av ljuskällans livslängd och den acceptabla driften av fotoresistorns parametrar. En typisk lysdiod kan fungera i 10 000 timmar, varefter dess parametrar försämras något. Dess livslängd kan förlängas genom att begränsa styrströmmen till hälften av maxvärdet. ROs baserade på glödlampor misslyckas vanligtvis efter cirka 20 000 timmar, på grund av utbrändhet i spiralen, och är mer benägna att överhettas.

Nedbrytningen av fotoresistorn är gradvis och irreversibel. Om driftstemperaturen inte överskrider gränsen (vanligtvis 75 °C eller lägre) faller mörkermotståndet med 10 % för varje år av kontinuerlig drift; vid högre temperatur kan sådana förändringar ske inom några minuter. Den maximala effekten som förbrukas i fotoresistorn är vanligtvis specificerad för 25 °C och minskar med 2 % för varje °C uppvärmning.

Kylning under -25 °C ökar kraftigt responstiden för en fotoresistor. Dessa förändringar är reversibla om inte kylningen framkallar sprickbildning i plastkomponenterna. Sovjetiska RO packade i metallhöljen kunde motstå även vid -60 °C, men vid dessa temperaturer nådde deras svarstid 4 sekunder.

Ansökningar

AC relä

Högresistiva RO:er kan drivas vid växelspänningar som överstiger 200 V och användas som lågeffekts växelströms- eller likströmsreläer, t.ex. för att styra elektroluminescerande indikatorer.

Enkla spänningsdelare


Serie-, shunt- och serieshuntspänningsdelare. Serieshuntavdelare kräver två drivsignaler (I C UP och I C DOWN ) .

I de enklaste utgångsbegränsande kretsarna är RO placerad i spänningsdelarens övre (seriekoppling) eller nedre (shunt) arm. Seriekopplingen ger ett större kontrollområde (−80 dB) vid DC och låga frekvenser. Operationen kompliceras av olinjäriteten hos motståndet kontra styrströmmen. Inskränkningen av det dynamiska området på grund av den parasitiska kapacitansen är signifikant vid frekvenser så låga som hundratals Hz. Reaktionen är betydligt snabbare på ökningen än minskningen av styrströmmen.

Shuntanslutningen resulterar i mjukare överföringsegenskaper och lägre signalförvrängningar, men också i ett lägre modulationsområde (−60 dB). Denna begränsning hävs genom att koppla två shuntavdelare i serie, vilket håller överföringskarakteristiken jämn. Den bästa kombinationen av en jämn överföringskarakteristik, låg distorsion, brett justeringsområde och nästan lika hastigheter för ökning och minskning av transmissionskoefficienten uppnås i en serieparallell krets som består av två RO:er och ett seriemotstånd. Frekvenssvaret för en sådan krets liknar det för seriekopplingen.

Precisionsspänningsdelare

Precisionsbuffertsteg med variabel förstärkning med linjär styrlag. Maximal vinst kan ökas genom att öka värdet på R4.

Kretsar med definierad styrspänning för delaren kan kompensera för den termiska driften av lysdioden i en RO, men inte för minneseffekten och den termiska driften av fotomotståndet. Den senare kompensationen kräver en andra (referens) fotoresistor, som är upplyst av samma ljusintensitet, vid samma temperatur som huvudanordningen (modulerande). Bästa kompensationen uppnås när båda fotoresistorerna är bildade på samma halvledarchip. Referensfotoresistorn ingår i en delare med stabiliserad spänning eller i en mätbrygga. Felförstärkaren jämför spänningen i mittpunkten av delaren med målvärdet och justerar styrströmmen. I det linjära styrsystemet blir RO en analog multiplikator: strömmen genom fotoresistorn är proportionell mot produkten av spänningen över fotoresistorn och styrspänningen.

Automatiska styrkretsar

Grundläggande 20dB automatisk förstärkningscell som användes inom långdistanstelefoni på 1970-talet.

I Sovjetunionen användes RO för signalkomprimering inom långdistanstelefoni. RO:ns glödlampa var kopplad till operationsförstärkarens utgång, och fotomotståndet var en del av en spänningsdelare i återkopplingskretsen hos en icke-inverterande förstärkare. Beroende på utspänningen varierade kretsens förstärkning från 1:1 till 1:10. Liknande kretsar används fortfarande i professionell ljudutrustning (kompressorer, begränsare och brusdämpare).

RO tillverkade av General Electric används i AC-spänningsstabilisatorer. Dessa stabilisatorer är baserade på en autotransformator som styrs av två uppsättningar tyristorstackar . ROs glödlampa skyddas av ett förkopplingsmotstånd och är ansluten till AC-utgången. Lampan beräknar ett medelvärde av utspänningen, undertrycker spikar och sinusförvrängningar som härrör från elnätet. Fotomotståndet hos RO är inkluderat i en arm av mätbryggan och genererar felsignalen för återkopplingsslingan.

Gitarrförstärkare

Förenklad krets av en gitarrförstärkarmodulator, som använder en RO med en glödlampa av Gibson

Den första gitarrförstärkaren med en tremolo-effekt producerades av Fender 1955. I den förstärkaren styrde tremologeneratorn förspänningen hos en förstärkarkaskad som var placerad nära utgångskretsen, och dess övertoner läckte till utsignalen. I början av 1960-talet använde Fender och Gibson en RO som modulator. Dess fotoresistor var ansluten via en blockerande kondensator och en styrpotentiometer mellan utgången på förförstärkaren och jorden, och shuntade förförstärkaren när den triggades. I detta schema läckte inte styrsignalen till utgången. Modulationsdjupet reglerades av en lågimpedanspotentiometer placerad på frontpanelen. Potentiometern minskade avsevärt förstärkningen från föregående steg, och därför var förförstärkaren tvungen att ha reserver genom förstärkning.

I sina RO:er använde Gibson glödlampor, vilket krävde relativt stora strömmar. Fender ersatte dem med neonlampor, vilket ökade moduleringsfrekvensen och minskade de styrande strömmarna. Men i motsats till den kontinuerliga moduleringen av Gibson, använde Fender på/av-växlingsläget som resulterade i ett mindre behagligt ljud. Av denna anledning föredrog andra tillverkare som Univibe glödlampor.

År 1967 bytte de flesta tillverkare av gitarrförstärkare från vakuumrör till transistorer och gjorde därför om sina kretsar. Under flera år fortsatte Gibson att använda RO i transistorförstärkare för tremoloeffekten. 1973 designade de ytterligare en RO-baserad styrkrets, där en signal från en pedal eller en extern generator sömlöst kopplade ihop en diodbaserad signalstabilisator. Men samma år övergav de ROs till förmån för fälteffekttransistorer .

Analoga synthesizers

En Doepfer A-101-2 Vactrol lågpassport

RO är ett enkelt och bekvämt verktyg för att ställa in frekvensen på oscillatorer, filter och förstärkare i analoga synthesizers. Särskilt enkelt är deras implementering i de spänningsstyrda RC-filtren i en Sallen-Key-topologi , där RO tillhandahåller ett nästan exponentiellt beroende av gränsfrekvensen på styrströmmen, utan att använda återkoppling från moduleringssignalen. Men på grund av den långsamma responsen från RO:er, föredrog de flesta synthesizerutvecklare på 1970- och 1980-talen, såsom ARP, Korg, Moog och Roland, andra element. Från och med augusti 2013 produceras RO-baserade syntar av Doepfer (Tyskland). En fortfarande populär användning för RO är lågpassportar som 292 från Buchla Electronic Musical Instruments, Plan B Model 13 och Make Noise MMG.

RO-baserad minnescell, som antar tillståndet "högt" eller "lågt" efter en kort kommutering av inmatningsglaset från mitten till det övre eller nedre läget.

Utlösare

Seriekoppling av en lysdiod och en lågresistans fotoresistor gör RO till en trigger (minnescell) som kan styras av strömpulser. I transparenta RO kan tillståndet för en sådan cell övervakas visuellt av LED-emissionen.

Radiokommunikation

Vactrols har använts som fjärrstyrda motstånd för exakt jordavslutning av antenner av typen Dryck och Ewe . I en typisk hamradiouppställning placeras vactrolen i termineringsboxen längst bort på antennen. LDR modifierar det totala motståndet mellan antenn och jord (termineringsresistans); operatören finjusterar detta motstånd från sin radioshack genom att variera Vactrols LED- eller glödlampsström med en potentiometer . Inställning med vactrols förbättrar det riktade kardioidmönster hos antennen. Enligt Connelly är vactroler överlägsna traditionella motstånd i denna funktion. I denna enkla layout är LED-lampan eller lampan på vactrol benägen att skadas av spänningsöverspänningar inducerade av blixtnedslag och måste skyddas av ett par neonlampor som fungerar som gasurladdningar.

Anteckningar

Bibliografi

Hämtad från " https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Resistive_opto-isolator&oldid=1125808594 "