Русская Википедия:Резисторная оптопара

Материал из Онлайн справочника
Перейти к навигацииПерейти к поиску

Файл:УГО резисторной оптопары.png
Условные графические обозначения оптопар
* с лампой накаливания
* со светодиодом.

Рези́сторная оптопа́ра (Шаблон:Сокр), или резисторный оптрон — оптоэлектронный полупроводниковый прибор, состоящий из излучателя и приёмника света, которые соединены оптической связью и гальванически изолированы друг от другаШаблон:Sfn. Приёмником РО служит фоторезистор на основе селенида кадмия (CdSe) или сульфида кадмия (CdS), а излучателем — светодиод, миниатюрная лампа накаливания, реже — неоновая лампа. В РО с закрытым оптическим каналом излучатель и приёмник света прочно склеены друг с другом прозрачным клеем и помещены в оптически непрозрачный корпус. В РО с открытым каналом излучатель и приёмник монтируются на общем основании, а оптический канал замыкается через внешнюю среду.

Функционально РО представляет собой электрическое сопротивление, управляемое током, протекающим через излучатель. В отсутствие тока через излучатель темновое сопротивление[note 1] фоторезистора постоянному току составляет от единиц МОм до сотен ГОмШаблон:Sfn. При облучении приёмника светом излучателя проводимость фоторезистора растёт пропорционально освещённости его поверхности, которая в свою очередь пропорциональна силе света излучателя[note 2]. В отличие от фотодиодов и фототранзисторов, фоторезисторы способны управлять линейными цепями и постоянного, и переменного тока[1], при этом допустимые напряжения на фоторезисторе могут достигать сотен В[2]. Коэффициент нелинейных искажений (КНИ) выходного тока при малых напряжениях (до 0,5 В) не превышает 0,1% (-80 дБ)Шаблон:Sfn.

РО — исторически первый, и самый медленный тип оптопары: задержка переключения лучших образцов составляет порядка 1 мс[3], а для РО на лампах накаливания характерны задержки в сотни мс[2]. Паразитная ёмкость фоторезистора ограничивает частотный диапазон вторичной цепи звуковыми и ультразвуковыми частотами. Кадмиевые фоторезисторы демонстрируют выраженный эффект памяти: сопротивление фоторезистора зависит не только от текущего значения освещённости («засветки»), но и от накопленной в прошлом «световой истории». Адаптация к текущему значению освещённости длится часами[4], у высокочувствительных приборов — неделями[5]. При высоких температурах фоторезисторы быстро и необратимо стареют, а при температурах ниже −25 °C резко возрастает задержка отклика. Поэтому ещё в 1970-е годы РО были вытеснены с рынка быстродействующими диодными и транзисторными оптопарами (оптронами). Благодаря удачному сочетанию гальванической развязки, малых искажений и простоты схемотехнических решений РО продолжают использоваться как регулирующие элементы (управляемые сопротивления) в студийном звуковом оборудовании, в гитарных усилителях и в аналоговых синтезаторах.

История

В 1873 году Уиллоуби Смит обнаружил фотопроводимость в селенеШаблон:Sfn. В начале XX века изучение внешнего фотоэффекта в вакуумных лампах открыло путь к коммерческому производству фотоэлементовШаблон:Sfn. В 1918 году американские и германские инженеры, работавшие независимо друг от друга, предложили использовать вакуумные фотоэлементы для считывания оптических фонограмм в кинематографеШаблон:Sfn. Ли де Форест, Western Electric и General Electric довели до практического применения три конкурирующие системы звукового кино[6]Шаблон:Sfn. В 1927 году на экраны США вышел первый коммерческий звуковой фильм Певец джаза, а к 1930 году звуковые фильмы полностью вытеснили немое кино[6].

Триумф звукового кино стимулировал поиск новых областей применения фотоэлементов[7]. Инженеры рассматривали все известные типы фотоэлементов (вакуумные, газоразрядные, фотовольтаики, фоторезисторыШаблон:Sfn), но на практике рынок промышленной и бытовой автоматики захватили медленныеШаблон:Sfn, но дешёвые селеновые приборыШаблон:Sfn. К середине 1930-х годов селеновые фотоэлементы управляли заводскими конвейерами, лифтами[8], ткацкими станкамиШаблон:Sfn. В Великобритании, а затем в США началась массовая установка пожарных извещателей с селеновыми датчикамиШаблон:Sfn. Норберт Винер предложил использовать, а Трумэн Грей построил оптический сканер для ввода и интегрирования данных в аналоговых компьютерах[9]. Курт Креймер внедрил селеновый фотоэлемент в медицинские исследования. В 1940 году Шаблон:Не переведено 3 построил первый практический селеновый оксиметр для контроля состояния пилотов Королевских ВВС. Оксиметр Милликена представлял собой оптопару, оптический канал которой замыкался через мочку уха пилота[10][11].

Во второй половине 1950-х годов на смену селеновым фотоэлементам пришли фоторезисторы на основе сульфида кадмия (CdS) и селенида кадмия (CdSe). К 1960 году оптопары на лампах накаливания и кадмиевых фоторезисторах применялись в цепях обратной связи промышленной автоматики (регуляторы оборотов машин, стабилизаторы напряжения). В начале 1960-х внедрение чувствительных и компактных кадмиевых фоторезисторов обусловило массовое производство фотоаппаратов с автоматической экспозицией, в том числе зеркальных камер с замером экспозиции через объектив[12][13]. В медицине кадмиевые фоторезисторы не прижились из-за чрезмерного эффекта памяти и быстрого старения[13]. Необходимость регулярной калибровки и поправки на «световую историю» прибора оказались неприемлемыми для врачебной практики[14][15].

Файл:Fender Princeton Reverb Amp detail.jpg
Гитарный усилитель Fender с эффектом тремоло. Крайний правый потенциометр (intensity) регулирует глубину модуляции

В первой половине 1960-х годов Gibson и Fender начали использовать РО в качестве модуляторов эффекта «тремоло»[note 3] гитарных усилителей. Обе компании самостоятельно собирали свои оптопары из дискретных ламп, фоторезисторов и термоусадочной трубки[16]. Gibson использовал в качестве излучателей лампы накаливания, ограничивавшие предельную частоту эффекта. Fender заменил лампу накаливания на неоновую лампу, что позволило повысить частоту эффекта до десятков Гц при малых управляющих токах и «переключательном», нелинейном характере модуляции. Несмотря на преимущество неоновых ламп в скорости переключения, независимые производители гитарных эффектов предпочитали использовать лампы накаливания с их плавной, «сочной» модуляциейШаблон:Sfn.

В 1967 Vactec, Inc. выпустила на рынок компактные РО под торговой маркой Vactrol[17] (Вактрол). В отличие от сборок, применявшихся Fender и Gibson, вактролы были полностью герметизированы и обеспечивали жёсткую механическую связь лампы и фоторезистора. В начале 1970-х годов Vactec заменила лампы накаливания на светодиоды. РО достигли предела скорости переключения, которая всё равно оставалась слишком медленной для нужд цифровой техники. Производители сконцентрировали усилия на доводке до массового применения фотодиодов и фототранзисторов, и в течение 1970-х годов новые приборы и оптроны на их основе вытеснили резисторные оптопары с рынкаШаблон:Sfn[14]. РО сохранили за собой узкие ниши в сценическом и студийном звуковом оборудовании, а также в промышленной автоматике, где недостатки фоторезисторов не имели решающего значения[18][19]. Vactec, Inc. не продлила вовремя свои права на торговую марку Vactrol[17], и она стала в английском языке нарицательным именем, обозначающим любую РО, применяемую в звуковой аппаратуреШаблон:Sfn (включая «вактролы» Fender и Gibson, выпущенные до появления торговой марки Vactrol[note 4]. По состоянию на начало 2012 года, производство РО под торговой маркой Vactrol продолжает компания Шаблон:Не переведено 3 (США) — правопреемник Vactec, Inc.Шаблон:Sfn. Компания Silonex (США, подразделение Carlyle Group) производит РО под торговой маркой AudiOhm[20].

В Европейском Союзе производство и сбыт фоторезисторов на основе соединений кадмия запрещены с 1 января 2010 года. Первоначальный вариант директивы ЕС об ограничении содержания вредных веществ (RoHS), принятой в 2003 году, допускал временное использования кадмия в приборах, не имевших безопасных аналогов[21]. Представители звуковой индустрии не смогли убедить законодателей в незаменимости кадмиевых оптопар, и в 2009 году Еврокомиссия исключила «фоторезисторы для оптопар, применяемых в профессиональной звуковой аппаратуре» из списка разрешённых применений кадмия[22].

Физические свойства

Излучатели, фоторезисторы и оптическая связь

В оптопарах применяются два вида светочувствительных материалов: сульфид кадмия (CdS, сернисто-кадмиевые фоторезисторыШаблон:Sfn) и селенид кадмия (CdSe, селенисто-кадмиевые фоторезисторы[23]).

Сернисто-кадмиевые фоторезисторы имеют высокую чувствительность, достигающую максимума в красной области видимого спектра (длина волны λ = 640 нм) и захватывающую ближнюю инфракрасную область до λ = 900 нмШаблон:Sfn. Они способны управлять относительно большими токами (порядка нескольких мА), при этом их передаточная люксамперная характеристика (зависимость фототока от освещённости при постоянном напряжении) близка к линейной[23]. Высокое темновое сопротивление[note 1], достигающее десятков ГОм[23], обеспечивает максимально возможный динамический диапазон по освещённости и наименьшие нелинейные искажения сигналаШаблон:Sfn. Однако быстродействие таких фоторезисторов низкое: постоянная времени реакции на изменение освещённости достигает 140 мс при +25 °C[23].

Селенид-кадмиевые фоторезисторы имеют максимально возможную чувствительность, в 5-100 раз превосходящую чувствительность сернисто-кадмиевых приборов[23]. Максимум чувствительности лежит в красной области видимого спектра или в ближней инфракрасной области (λ от 670 до 850 нм), длинноволновая граница чувствительности достигает 1100 нм[24]. При относительно узком динамическом диапазоне и худшей линейности селенид кадмия обеспечивает лучшее быстродействие — постоянная времени не превышает 20 мс[23].

Оптимальными излучателями для кадмиевых фоторезисторов являются красные светодиоды на гетероструктурах AlGaAs (длина волны λ = 660 нм) или GaP/GaP (λ = 697 нм), имеющие относительно широкие спектры излученияШаблон:Sfn. Коэффициент спектральной корреляции[note 5] таких оптопар достигает 35% и 47% соответственноШаблон:Sfn.

Светимость светодиода практически пропорциональна управляющему току[note 6]. Спектр излучения зависит от температуры кристалла (которая, в свою очередь, растёт с ростом тока), но температурный сдвиг спектра в пределах области безопасной работы слишком мал, чтобы нарушить спектральное согласования светодиода и фоторезистора[25][26]. Для обеспечения постоянства оптической связи излучатель и фоторезистор жёстко склеиваются прозрачным компаундом на основе эпоксидной смолы, оптического клея или вазелиноподобных полимеровШаблон:Sfn. Фокусировка и узкая направленность излучения, свойственная светодиодам, в оптопарах не допускаются: если узкий пучок света падает на границу металлизации и открытой поверхности фоторезистора, то малейшее смещение излучателя относительно границы раздела существенно изменяет световой поток, улавливаемый фоторезистором[27]. Поэтому в светодиодных оптопарах клей выполняет дополнительную функцию рассеивания света.

Передаточная характеристика

Файл:Передаточная характеристика (полоса).PNG
Верхняя и нижняя границы идеализированной передаточной характеристики оптопары сведотиод-фоторезистор. Динамический диапазон по обеим осям сжат для наглядности.

Передаточная характеристика идеальной РО, обычно представляемая как зависимость сопротивления фоторезистора от тока через излучатель, является производной от амперлюксной характеристики излучателя, коэффициента оптической связи излучателя и фоторезистора, спектрального согласования излучателя и фоторезистора, и люксомической характеристики фоторезистора[note 7]. Эффективная освещённость кристалла фоторезистора светодиодом пропорциональна управляющему току во всём диапазоне рабочих токов. Для ламп накаливания связь тока и полезной освещённости можно установить только опытным путём: светимость лампы зависит от тока нелинейно, при этом с ростом тока спектр излучения непрерывно смещается. Свойства фоторезистора также зависят от температуры, напряжения на его выводах, срока эксплуатации, но в особенности от накопленной «световой истории» (эффекта памяти). Поэтому на практике передаточная характеристика представляет собой полосу вероятных значений.

Файл:Эквивалентная схема фоторезистора.png
Идеализированная эквивалентная схема фоторезистора.

Эквивалентная схема фоторезистора состоит из трёх сопротивлений:

  • RТ — темновое сопротивление (объёмное сопротивление кристалла CdS or CdSe) лежит в диапазоне от единиц МОм до сотен ГОм[2][27].
  • RОСТ — остаточное световое сопротивление полностью открытого фоторезистора. Для низкоомных фоторезисторов типичны значения от 100 Ом до 1 кОм, для высокоомных — от 2 до 20  кОм[27].
  • RФ — идеальный фоторезистор, сопротивление которого обратно пропорционально освещённости. Так как RТ на несколько порядков больше, чем RОСТ, то в большей части рабочего диапазона освещённостей Ф полное сопротивление определяется именно RФ:[27] R (Ф) ≈ RФ. Динамический диапазон фоторезистора по освещённости приравнивается к отношению критической освещённости ФКР к порогу чувствительности ФП, при этом ГОСТ определяет ФКР как освещённость, при которой ток через фоторезистор отклоняется от идеального линейного закона зависимости (I (Ф) = kФ) более, чем на 20 %[28] (то есть при увеличении фактического сопротивления до более чем 120% от идеализированного RФ).

RТ и RФ (но не RОСТ) уменьшаются c ростом напряжения на выводах фоторезистора, что порождает нелинейные искажения выходного сигнала[27]. При малых уровнях освещённости полное сопротивление кадмиевого фоторезистора имеет положительный температурный коэффициент сопротивления (ТКС), увеличиваясь примерно на 1% с ростом температуры на 1 °CШаблон:SfnШаблон:Sfn. С ростом освещённости ТКС может и возрастать, и уменьшаться, и менять знак с положительного на отрицательныйШаблон:Sfn.

Эффект памяти

Файл:Переходные процессы фоторезистора.png
Переходные процессы в фоторезисторе: первичный отклик (t ≤ 0,1 c) и длительная адаптация к изменению освещённости.

Кадмиевые фоторезисторы обладают выраженным эффектом памяти: сопротивление фоторезистора, при прочих равных условиях, зависит от накопленной «световой истории»[29]. Фоторезистор, выдержанный в темноте в течение достаточно длительного времени, демонстрирует избыточную реакцию на свет. Непосредственно после облучения фоторезистора светом постоянной интенсивности Ф его сопротивление падает до низкого начального значения RМИН (Ф). Затем сопротивление медленно возрастает до установившегося значения R (Ф). В обратном случае, когда фоторезистор длительное время облучался светом высокой интенсивности (Ф0 >> ФКР), с переходом к меньшему уровню освещённости Ф сопротивление возрастает до RМАКС (Ф), а затем медленно спадает до уровня R (Ф). Изменения мощности, рассеиваемой излучателем и фоторезистором, неизбежно влияют на температуру последнего, поэтому на практике адаптация к свету сопровождается тепловым дрейфом сопротивления.

Скорость адаптации к свету нелинейно растёт с уровнем освещённости, а время адаптации к новому уровню освещённости измеряется минутами или часами. После выключения источника света сопротивление фоторезистора возрастает до RТ, однако фоторезистор «помнит» накопленную «световую историю». Адаптация к темноте (возврат к исходному тёмному состоянию), как правило, занимает около восьми часов, но в некоторых приборах остаточные явления продолжаются неделямиШаблон:Sfn. На практике время гарантированной полной адаптации приравнивают к 24 часамШаблон:Sfn.

Глубина эффекта памяти, выраженная как отношение RМАКС / RМИН, наиболее велика при малых уровнях освещённости. Для фоторезисторов современных РО производства PerkinElmer это отношение равно 1,5—1,6 при освещённости 0.1 лк; при освещённости 1000 лк оно снижается до 1,05—1,10 (RМАКС и RМИН асимптотически приближаются к RОСТ)Шаблон:Sfn. Ещё в 2001 году в США выпускались быстрые низкоомные фоторезисторы, у которых отношение RМАКС / RМИН достигало значения 5,5[29], но к 2009 году они были сняты с продаж[30]. Высокоомные фоторезисторы, как правило имеют менее выраженный эффект памяти, менее зависят от температуры, и более линейны, чем низкоомные приборы, — но проигрывают им в быстродействииШаблон:Sfn. В 1960-е годы были предложены фоторезисторы, у которых эффект памяти практически отсутствовал[note 8], но при высоких уровнях освещённости эти приборы демонстрировали неприемлемо высокие нелинейные искажения[31].

Рабочие частоты

РО — медленные устройства, которым характерны два рода частотных ограничений — по входу и по выходу.

Эффективный частотный диапазон входного (управляющего, модулирующего) сигнала ограничен задержками отклика источника света на изменение входного тока и задержками отклика фоторезистора на изменение освещённости. Верхняя граница частоты управляющего сигнала РО составляет от 1 до 250 Гц, а время отклика фоторезистора на уменьшение освещённости (выключение излучателя) составляет от 2.5  мс до более 1 секундыШаблон:Sfn [note 9]. Отклик на увеличение освещённости существенно (до десяти раз) быстрее, но на практике частотный диапазон ограничен наибольшей из задержек, то есть откликом на уменьшение освещённости. С ростом среднего уровня освещённости задержки отклика незначительно уменьшаются[3]. Паспортные данные по задержке отклика советских РО, как правило, более консервативны, чем данные американских приборов. По ГОСТу[32] время спада определяется как «минимальный интервал времени между точками обратной переходной нормированной характеристики со значениями [нормированного тока или нормированной проводимости] 0,9 и 0,1 соответственно»[33]. По ТУ задержка при выключении РО приравнивалась ко времени, за которое ток через фоторезистор снизится до 20% от начального (светового) тока[34]. Американцы же оперируют постоянной времени — временем, за которое проводимость или ток спадает до 27% (1/e) от начального значения[27]Шаблон:Sfn.

Задержка включения светодиода составляет единицы или десятки наносекунд — ею на практике пренебрегают. Задержки включения и выключения лампы накаливания измеряются десятками и сотнями миллисекунд соответственно, поэтому частотный диапазон РО на лампах накаливания ограничен единицами Гц. На частотах сетевого напряжения и выше такие РО являются эффективными детекторами среднеквадратического значения тока через лампу[18]. Однокристальные микроконтроллеры с широтно-модулированными выходами могут управлять РО всех типов без дополнительной фильтрации ШИМ-сигналов.

Частотный диапазон выходного (управляемого, модулируемого) сигнала ограничен утечками тока через паразитную ёмкость РО. Металлизированные электроды, сформированные на поверхности фоторезистора, имеют значительную площадь и, как следствие — паразитную ёмкость, которая шунтирует омическое сопротивление фоторезистора, тем самым снижая динамический диапазон РО[35]. Темновая межэлектродная ёмкость фоторезистора малогабаритных РО составляет около 3 пФ (при высоких уровнях освещённости, соответствующих полностью открытому фоторезистору, ёмкость в 2-10 раз выше)Шаблон:Sfn. При малых значениях освещённости полное темновое сопротивление такого фоторезистора падает до 3 МОм на верхней границе звукового диапазона (20 кГц) и до 12 кОм на поднесущей частоте видеосигнала PAL (4.43 MГц)[35]. Поэтому практический частотный диапазон сигнала, модулируемого РО, ограничен звуковыми и ультразвуковыми частотами.

Шумы и искажения

Файл:Кни оптопары по данным PerkinElmer.PNG
Типичная зависимость коэффициента нелинейных искажений от напряжения на фоторезисторе.

Шумовой почерк фоторезисторов так же, как и обычных макроскопических резисторов, определяется тремя типами шума: тепловым (джонсоновским) шумом, дробовым шумом и фликкер-шумомШаблон:Sfn. В звуковом диапазоне частот наблюдаются преимущественно дробовой и фликкер-шум, на частотах свыше 10 кГц преобладает тепловой шумШаблон:Sfn. На практике шумовым вкладом фоторезистора в полезный сигнал пренебрегают, если напряжение на его выводах не превышает 80 В[36]. При превышении порога в 80..100 В отмечается существенный рост шумов[36].

Нелинейные искажения, порождаемые фоторезистором, зависят от приложенного к нему напряжения и от освещённости. По данным PerkinElmer, КНИ для данного напряжения минимален при большой освещённости и малом сопротивлении фоторезистора. С уменьшением освещённости и ростом сопротивления КНИ увеличивается в несколько раз. Относительная разница между минимальным и максимальным значением КНИ для каждого типа фоторезистора практически не зависит от приложенного напряжения[37].

Если напряжение на фоторезисторе не превосходит порога, который для разных материалов составляет от 100 до 300 мВ[37], то КНИ практически не зависит от напряжения и составляет менее 0,01 %[37]. Природа этих остаточных искажений, в спектре которых преобладает вторая гармоника, не установлена[36]. При превышении порога в спектре появляется третья гармоника, КНИ увеличивается пропорционально квадрату напряженияШаблон:Sfn. Приемлемый для высококачественного воспроизведения звука коэффициент нелинейных искажений в 0,1% (-80 дБ), как правило, обеспечивается при напряжениях сигнала до 500 мВ[36]. Соотношением чётных и нечётных гармоник можно управлять, прикладывая к электродам фоторезистора постоянное напряжение смещения[37].

Тепловой режим

Файл:OEP series optocouples.jpg
Советские оптопары в металлических корпусах допускали эксплуатацию при температурах окружающей среды от −60 °C до +55 °C.

Превышения максимального напряжения между выводами фоторезистора, даже кратковременные, недопустимы[38]. Максимальное допустимое напряжение малогабаритных высокоомных фоторезисторов ограничено утечками тока по поверхности кристалла и составляет от 100 до 300 ВШаблон:Sfn. Максимальное допустимое напряжение низковольтных фоторезисторов устанавливается на меньших уровнях, определяемых допустимым рассеянием тепла на кристалле[38]. И в том, и в другом случае перенапряжение вызывает катастрофическое необратимое разрушение металлизации[38].

Срок службы РО определяется сроком службы излучателя (лампы или светодиода) и допустимым диапазоном изменений свойств фоторезистора[38]. На практике сроком службы светодиода можно пренебречь — он составляет от 10 до 20 тысяч часов (от 1 до 7 лет непрерывной работы), после которых начинается плавное снижение оптической отдачи[38]. Работа на предельных токах ускоряет старение светодиодов, поэтому при постоянном включении рекомендуется ограничить ток половиной от допустимого максимумаШаблон:Sfn. Среднее время наработки на отказ лампы накаливания не превышает 20 тысяч часов, а сам отказ происходит почти мгновенно и необратимо: перегорает спираль лампы[39]. Из-за низкого КПД лампы накаливания требуют большей, чем светодиоды, мощности и, как следствие, фоторезистор оптопары с лампой накаливания работает в худшем тепловом режиме[40].

Процесс старения фоторезистора необратим и длится в течение всей жизни прибора. Если температура кристалла фоторезистора не превышает допустимого предела (как правило, не более +75 °C), то в течение каждого года непрерывной эксплуатации темновое сопротивление фоторезистора падает на 10 %Шаблон:Sfn. При превышении порога старение ускоряется, при температуре +150 °C необратимые (но не катастрофические) изменения сопротивления можно наблюдать на экране осциллографа — в течение нескольких минут сопротивление фоторезистора падает в несколько раз[5]. Предельная мощность рассеяния на фоторезисторе обычно указывается для температуры окружающей среды +25 °C; для более высоких температур предельная мощность уменьшается на 2% на каждый дополнительный градус сверх +25 °C (то есть при +75 °C допустимая мощность уменьшается до нуля — эксплуатация прибора запрещена)Шаблон:Sfn. Стоит отметить, что благодаря бо́льшей площади кристалла фоторезисторы более устойчивы к кратковременному превышению допустимой мощности, чем современные кремниевые транзисторы с таким же паспортным значением допустимой мощности[38].

При низких температурах (около −25 °C для низкоомных и около −40 °C для высокоомных приборов) скорость отклика фоторезисторов резко снижается[5] — фоторезисторы буквально «замерзают». После разморозки их электрические свойства полностью восстанавливаются, однако процессы теплового расширения пластиковых корпусов могут приводить к необратимым механическим повреждениям. Советские оптопары в металлических корпусах, как правило, нормировались на работу при температурах до −60 °CШаблон:Sfn, но на таких температурах паспортная задержка отклика удлиняется до 4 секундШаблон:Sfn.

Практическое применение

Реле переменного тока

Оптопары с высокоомными фоторезисторами, допускающие работу в цепях переменного напряжения 220 В, могут быть использованы в качестве маломощных реле постоянного или переменного тока c нормально разомкнутыми «контактами». Такие РО — «почти идеальные устройства»Шаблон:Sfn для управления электролюминесцентными индикаторами: последовательная цепь из фоторезистора оптопары и переключаемой нагрузки подключается непосредственно к сети переменного токаШаблон:Sfn.

Простые делители напряжения

Файл:Три конфигурации делителя напряжения.png
Последовательное, параллельное (шунтирующее) и последовательно-параллельное включение.

В простейших схемах регулятора уровня сигнала фоторезистор оптопары включается в верхнее (последовательное включение) или в нижнее (шунтирующее включение) плечо делителя напряженияШаблон:Sfn.

Последовательное включение обеспечивает бо́льший диапазон регулирования (до −80 дБ) на постоянном токе и низких частотах. Управление затруднено крайней нелинейностью зависимости сопротивления от управляющего тока[41]. Сужение динамического диапазона из-за паразитной ёмкости ощутимо уже на частотах в сотни Гц[41]. Скорость нарастания коэффициента передачи делителя (отклика на увеличение управляющего тока) существенно выше скорости его уменьшения (реакции на уменьшение или отключение управляющего тока)[41]. При низких коэффициентах передачи делителя (-10 дБ и ниже) практически всё напряжение источника сигнала падает на фоторезистор, порождая относительно высокие нелинейные искаженияШаблон:Sfn.

Шунтирующее включение имеет более гладкую передаточную характеристику, меньший уровень нелинейных искажений, но глубина регулировки коэффициента передачи ограничена уровнем −60 дБ[42]. Это ограничение снимается при последовательном соединении двух шунтирующих делителей[42]. Передаточная характеристика двухкаскадного шунта остаётся достаточно гладкой, если управляющий ток задаётся потенциометром с антилогарифмической характеристикой[42]. Скорость нарастания коэффициента передачи (отклика на уменьшение или отключение управляющего тока) существенно медленнее скорости его уменьшения (реакции на увеличение управляющего тока)Шаблон:Sfn.

Наилучшее сочетание гладкой передаточной характеристики, малых искажений, большого диапазона регулировки и практически равных скоростей нарастания и уменьшения коэффициента передачи достигается в последовательно-параллельных схемах, составленных из двух оптопар и одного последовательного резистора[43]. Излучатели верхней и нижней РО в такой схеме запитываются комплементарными токами от диодно-резисторного делителя, подобранного под характеристики используемых оптопар. Частотные ограничения таких схем аналогичны последовательному включению РОШаблон:Sfn.

Прецизионные делители напряжения

Файл:Прецизионный УУН на оптопарах.PNG
Дистанционно управляемый регулятор уровня с линейной зависимостью коэффициента усиления от управляющего напряжения.

Схемы, задающие управляющее напряжение делителя, могут эффективно компенсировать тепловой дрейф светодиода РОШаблон:Sfn, но не способны компенсировать эффект памяти и тепловой дрейф фоторезистора. Для компенсации процессов, происходящих в фоторезисторе, необходим второй (контрольный) фоторезистор, находящийся в тех же условиях (освещённость, температура), что и основной (модулирующий) прибор. Если напряжение на каждом из двух фоторезисторов относительно невелико, то можно полагать, что температуры их кристаллов равны, «световая история» идентична, и, как следствие — их сопротивления равны друг другуШаблон:Sfn.

Наилучшую точность слежения обеспечивают двухрезисторные оптопары, в которых основной и контрольный фоторезисторы сформированы на общем кристалле. Также возможно использование двух обычных оптопар, излучатели которых соединены последовательно (при этом основной и контрольный фоторезисторы могут быть гальванически развязаны друг от друга).

Контрольный фоторезистор включается в делитель стабилизированного напряжения или измерительный мост. Усилитель ошибки сравнивает напряжение на средней точке делителя с целевым значением и корректирует ток излучателя так, чтобы напряжение на средней точке равнялось целевому. Различные схемы цепи обратной связи позволяют реализовать пропорциональную, обратно-пропорциональную, кусочно-линейную, логарифмическую и т. д. передаточные характеристики схемы. При линейной характеристики управления оптопара превращается в аналоговый умножитель: ток через фоторезистор пропорционален произведению напряжения на фоторезисторе и управляющего напряженияШаблон:SfnШаблон:Sfn.

Схемы автоматического регулирования

Файл:Телефонный компрессор на оптопаре.png
Компрессор телефонного сигнала[44]

В СССР малогабаритные РО использовались в компрессорах звукового сигнала в дальней телефонной связи. Лампа накаливания РО подключалась к выходу операционного усилителя (ОУ), фоторезистор включался в делитель напряжения обратной связи неинвертирующего усилителя на ОУ. В зависимости от выходного напряжения, коэффициент усиления схемы изменялся от 1:1 до 1:10Шаблон:Sfn.

Аналогичные схемы с регулируемыми постоянными времени управляющей цепи по сей день применяются в профессиональном звуковом оборудовании (ограничители и компрессоры сигнала, схемы подавления шумов). По заявлению Applied Research & Technology (ART Audio), ламповые компрессоры с оптопарами Vactrol обеспечивают время нарастания сигнала от 0.25 мс, время спада от 150 мс при КНИ=0,1 % и уровне шума −99 dBu[45].

В США РО производства General Electric используются в силовых стабилизаторах напряжения переменного тока промышленного и военного назначения[18]. Стабилизаторы GE строятся на базе автотрансформатора, управляемого парой силовых тиристорных сборок. Лампа накаливания оптопары, защищённая балластным резистором, подключается к выходу переменного тока. Лампа выделяет среднеквадратичное значение выходного напряжения, практически не реагируя на кратковременные выбросы напряжения и длительные искажения формы синусоиды, характерные для промышленных электросетей[18]. Кадмиевый фоторезистор оптопары включён в одно из плеч измерительного моста, выделяющего сигнал ошибки в цепи обратной связи[18].

Гитарные усилители

Файл:Модулятор гитарного усилителя.png
Упрощённая схема модулятора гитарного усилителя (показана оптопара с лампой накаливания, применявшаяся Gibson).

В первом усилителе Fender c эффектом тремоло[note 3], выпущенном в 1955 году[46], генератор тремоло управлял напряжением смещения предвыходного каскада. Сигнал генератора неизбежно проходил на выход усилителя, порождая заметные призвуки[47]. В начале 1960-х годов Fender и Gibson применили в качестве модулятора тремоло оптопару, фоторезистор которой подключался через блокирующий конденсатор и регулирующий потенциометр между выходом предусилителя и общим проводом. При протекании тока через лампу фоторезистор шунтировал выход предусилителя на землю, и уровень выходного сигнала падал. В этой схеме прохождение управляющего сигнала на выход было исключено[47]. Глубина модуляции регулировалась относительно низкоомным[note 10] потенциометром, вынесенным на лицевую панель. Независимо от положения потенциометра, модулятор существенно снижал коэффициент усиления предшествующего каскада, поэтому предусилитель должен был иметь запас по усилению, а физический разрыв цепи модулятора менял не только уровень, но и тембр усилителяШаблон:Sfn.

В усилителях Gibson фоторезистором управляла лампа накаливания, требовавшая относительно больших (для ламповой техники) токов. Раскачкой оптопары заведовал «токовый» триод 6С4 или половина двойного триода Шаблон:Не переведено 3 (паспортный рабочий ток до 20мА). Fender заменил лампу накаливания на неоновую лампу, что позволило повысить частоту модуляцииШаблон:Sfn и раскачивать оптопару маломощным триодом (половина 12AX7). Однако, в отличие от плавного вибрато усилителей Gibson, неоновая лампа Fender работала в ключевом режиме (включено-выключено), что делало эффект менее благозвучнымШаблон:Sfn. По этой причине независимые производители гитарных эффектов (Univibe) предпочли использовать лампы накаливанияШаблон:Sfn.

Файл:Double Monster case modular synthesizer.jpg
Аналоговый синтезатор на модулях EAR и Doepfer. Четвёртый и пятый модули слева в нижнем ряду — управляемые фильтры нижних частот на оптопарах Vactrol.

В 1968 году Darr назвал модулятор на оптопаре «новым методом» связи генератора тремоло и усилителя[47], но дни оптопары в массовом производстве были уже сочтены. Рок-музыка потребовала выходных мощностей, практически не достижимых в ламповой схемотехнике, и к 1967 году основные производители гитарных усилителей перешли на транзисторные схемы[48]. В течение нескольких лет Gibson использовал продолжал использовать оптопару тремоло в транзисторных усилителях (задачу облегчало использование в каскадах предварительного усиления полевых транзисторов, хорошо сопрягавшихся с шунтирующим фоторезистором)[49]. В транзисторном усилителе 1973 года Gibson G100A оптопара была задействована в ином качестве — там она по сигналу педали или внешнего генератора плавно подключала диодный ограничитель сигнала[50]. В том же 1973 году Gibson отказался от использования оптопар, заменив их полевыми транзисторами в режиме управляемого сопротивления[51].

Аналоговые синтезаторы

РО — простой и удобный инструмент перестройки по частоте генераторов, фильтров и усилителей в аналоговых синтезаторах. Особенно проста реализация управляемых напряжением RC-фильтров Саллена — Ки: оптопара обеспечивает близкую к экспоненциальной зависимость частоты среза от управляющего тока, даже без использования обратной связи по модулирующему сигналу[52]. Однако из-за ограниченного частотного диапазона РО большинство разработчиков синтезаторов 1970-х и 1980-х годов (Шаблон:Не переведено 3, Korg, Moog, Roland и др.) предпочли использовать иные схемные решения [note 11]. По состоянию на февраль 2012, выпуск модулей синтезаторов на РО продолжает Шаблон:Не переведено 3[53] (США), а Шаблон:Не переведено 3 (Германия) реализует их из старых запасов[54].

Триггеры на оптопарах

Файл:Ячейка памяти на резисторной оптопаре.png
Ячейка памяти на оптопаре с токовым управлением. Кратковременный переброс ключа в верхнее или нижнее положение защёлкивает выход в низком или в высоком состоянии.

Последовательное включение светодиода[note 12] и низкоомного фоторезистора превращает оптопару в управляемую импульсами тока бистабильную ячейку (защёлку, ячейку памяти) — аналог защёлки на электромеханических реле. Светодиод оптопары может служить визуальным индикатором состояния защёлки. При включении питания ток через светодиод и фоторезистор равен нулю, напряжение на выходе ячейки приближается к напряжению питания. При подаче на светодиод импульса втекающего тока светодиод загорается, сопротивление фоторезистора падает, выходное напряжение падает до уровня около 2 В. Ячейка защёлкивается во включённом состоянии. Для перевода её в выключенное состояние необходимо кратковременно закоротить светодиод на землю. Сопротивление фоторезистора возрастает, на выходе вновь устанавливается высокий уровень[55] Шаблон:Sfn.

Радиосвязь

РО используются в любительской радиосвязи как прецизионные, дистанционно регулируемые терминаторы Шаблон:Не переведено 3 и фидерных линий. В типичной конфигурации РО размещается в герметичном ящике на дальнем (от радиостанции) конце антенны[56][57]. Регулируя ток через излучатель РО, оператор настраивает антенну на максимальное подавление нуля кардиоиды излучения. По утверждению Connelly, подстройка оптопарой подавляет нуль эффективнее, чем подбор фиксированного сопротивления[58]. Во время грозы провода, через которые протекает управляющий ток РО, подвержены опасным перенапряжениям. Их необходимо шунтировать на землю неоновыми лампочками или аналогичными защитными разрядниками[57].

Комментарии

Шаблон:Примечания

Примечания

Шаблон:Примечания

Литература

на русском языке

на английском языке

Шаблон:Хорошая статья Шаблон:Электронные компоненты

Партнерские ресурсы
Криптовалюты
Магазины
Хостинг
Разное


Ошибка цитирования Для существующих тегов <ref> группы «note» не найдено соответствующего тега <references group="note"/>

  1. ↑ Ошибка цитирования Неверный тег <ref>; для сносок Y319 не указан текст
  2. ↑ 2,0 2,1 2,2 Ошибка цитирования Неверный тег <ref>; для сносок Y1 не указан текст
  3. ↑ 3,0 3,1 Ошибка цитирования Неверный тег <ref>; для сносок P34 не указан текст
  4. ↑ Ошибка цитирования Неверный тег <ref>; для сносок P629 не указан текст
  5. ↑ 5,0 5,1 5,2 Ошибка цитирования Неверный тег <ref>; для сносок P38 не указан текст
  6. ↑ 6,0 6,1 Шаблон:Книга
  7. ↑ Шаблон:Книга
  8. ↑ Electric Eye Stops Elevator at Floor Level Шаблон:Wayback. Popular Mechanics, November 1933, c. 689.
  9. ↑ Шаблон:Книга
  10. ↑ Шаблон:Книга
  11. ↑ Шаблон:СтатьяШаблон:Недоступная ссылка
  12. ↑ Шаблон:Книга
  13. ↑ 13,0 13,1 Шаблон:Книга
  14. ↑ 14,0 14,1 Шаблон:Книга
  15. ↑ Шаблон:Статья
  16. ↑ Ошибка цитирования Неверный тег <ref>; для сносок W391 не указан текст
  17. ↑ 17,0 17,1 База данных торговых марок USPTO Шаблон:Wayback, запись 72318344 (приоритет использования с 31 июля 1967, регистрация от 23 декабря 1969).
  18. ↑ 18,0 18,1 18,2 18,3 18,4 Шаблон:Книга
  19. ↑ Шаблон:Книга: «Although in some applications it is well to know about this [memory] effect, it normally is not a significant consideration in industrial uses» («В некоторых применениях этот эффект желательно учитывать, но в промышленных применениях он не является существенным ограничением»).
  20. ↑ Шаблон:Cite web
  21. ↑ Шаблон:Статья
  22. ↑ Шаблон:Статья: «Cadmium in photoresistors for optocouplers applied in professional audio equipment».
  23. ↑ 23,0 23,1 23,2 23,3 23,4 23,5 Ошибка цитирования Неверный тег <ref>; для сносок K261 не указан текст
  24. ↑ Ошибка цитирования Неверный тег <ref>; для сносок K2623 не указан текст
  25. ↑ Шаблон:Книга
  26. ↑ Шаблон:Книга
  27. ↑ 27,0 27,1 27,2 27,3 27,4 27,5 Silonex 2007.
  28. ↑ ГОСТ 17772-88 (СТ СЭВ 3789-82) «Приёмники излучения полупроводниковые фотоэлектрические и фотоприёмные устройства. Методы измерения фотоэлектрических параметров и определения характеристик.» Утверждён постановлением Госстандарта СССР от 29 июня 1988 года N. 2513., п.1.20.4.
  29. ↑ 29,0 29,1 Ошибка цитирования Неверный тег <ref>; для сносок P29 не указан текст
  30. ↑ Шаблон:Книга
  31. ↑ Шаблон:Статья
  32. ↑ ГОСТ 21934-83 «Приёмники излучения полупроводниковые фотоэлектрические и фотоприёмные устройства. Термины и определения». Утверждён постановлением Госстандарта СССР от 25 апреля 1983 года N. 2043.
  33. ↑ ГОСТ 21934-83, определения 91 и 92.
  34. ↑ Ошибка цитирования Неверный тег <ref>; для сносок Y322 не указан текст
  35. ↑ 35,0 35,1 Ошибка цитирования Неверный тег <ref>; для сносок P39 не указан текст
  36. ↑ 36,0 36,1 36,2 36,3 Ошибка цитирования Неверный тег <ref>; для сносок P35 не указан текст
  37. ↑ 37,0 37,1 37,2 37,3 Ошибка цитирования Неверный тег <ref>; для сносок P36 не указан текст
  38. ↑ 38,0 38,1 38,2 38,3 38,4 38,5 Ошибка цитирования Неверный тег <ref>; для сносок P37 не указан текст
  39. ↑ Шаблон:Статья
  40. ↑ Шаблон:Статья
  41. ↑ 41,0 41,1 41,2 Ошибка цитирования Неверный тег <ref>; для сносок SI3 не указан текст
  42. ↑ 42,0 42,1 42,2 Ошибка цитирования Неверный тег <ref>; для сносок SI4 не указан текст
  43. ↑ Ошибка цитирования Неверный тег <ref>; для сносок SI56 не указан текст
  44. ↑ Ошибка цитирования Неверный тег <ref>; для сносок Y3234 не указан текст
  45. ↑ Шаблон:Cite web
  46. ↑ Шаблон:Книга
  47. ↑ 47,0 47,1 47,2 Шаблон:Книга
  48. ↑ Шаблон:Книга
  49. ↑ Шаблон:Cite web
  50. ↑ Шаблон:Cite web
  51. ↑ Шаблон:Cite web
  52. ↑ Шаблон:Cite web: «With a logarithmic current source (i.e. the LED current is proportional to the control voltage) one obtains a reasonable control scale for the filter frequency» («Используя логарифмический источник тока (ток светодиода пропорционален [стандартному] CV), можно получить приемлемую шкалу управления частотой фильтра».
  53. ↑ Шаблон:Cite web
  54. ↑ Шаблон:Cite web, см. также подробное описание (англ.) Шаблон:Wayback
  55. ↑ Шаблон:Книга
  56. ↑ Шаблон:Cite web
  57. ↑ 57,0 57,1 Шаблон:Cite web. См. схемы на рис. 8, 9.
  58. ↑ Шаблон:Cite web. «In many cases Vactrol control of termination can improve null depth over what can be had with a fixed termination value (typically chosen to be about 1000 +/- 200 ohms).» («Во многих случаях управление вактролом улучшает глубину подавления нуля излучения по сравнению с фиксированным резистором…»)
Источник — http://wikihandbk.com/ruwiki/index.php?title=Русская_Википедия:Резисторная_оптопара&oldid=10689315