Резистивный оптоизолятор (РО), также называемый фоторезистивным оптоизолятором , vactrol (в честь обобщенной торговой марки, введенной Vactec, Inc. в 1960-х годах), аналоговый оптоизолятор [примечания 1] или ламповый фотоэлемент [1] — это оптоэлектронное устройство , состоящее из источника и детектора света, которые оптически связаны и электрически изолированы друг от друга. Источником света обычно является светодиод ( LED), миниатюрная лампа накаливания или иногда неоновая лампа , тогда как детектор — это фоторезистор на основе полупроводника, изготовленный из селенида кадмия (CdSe) или сульфида кадмия (CdS). Источник и детектор связаны через прозрачный клей или через воздух.
С электрической точки зрения RO представляет собой сопротивление, управляемое током, протекающим через источник света. В темном состоянии сопротивление обычно превышает несколько МОм; при освещении оно уменьшается обратно пропорционально интенсивности света. В отличие от фотодиода и фототранзистора , фоторезистор может работать как в цепях переменного, так и постоянного тока [2] и иметь напряжение в несколько сотен вольт на нем. [3] Гармонические искажения выходного тока RO обычно находятся в пределах 0,1% при напряжениях ниже 0,5 В. [4]
RO — первый и самый медленный оптоизолятор: время его переключения превышает 1 мс, [5] а для ламповых моделей может достигать сотен миллисекунд. [3] Паразитная емкость ограничивает частотный диапазон фоторезистора ультразвуковыми частотами. Кадмиевые фоторезисторы демонстрируют «эффект памяти»: их сопротивление зависит от истории освещения; оно также дрейфует во время освещения и стабилизируется в течение часов, [6] или даже недель для высокочувствительных моделей. [7] Нагревание вызывает необратимую деградацию RO, тогда как охлаждение ниже −25 °C резко увеличивает время отклика. Поэтому в 1970-х годах RO были в основном заменены более быстрыми и стабильными фотодиодами и фототранзисторами. RO до сих пор используются в некотором звуковом оборудовании, гитарных усилителях и аналоговых синтезаторах благодаря их хорошей электрической изоляции, низкому искажению сигнала и простоте схемотехники.
В 1873 году Уиллоуби Смит открыл фотопроводимость селена. [8] В начале 1900-х годов исследования внешнего фотоэффекта в вакуумных трубках привели к коммерческому производству фоторезисторов. [9] В 1918 году американские и немецкие инженеры независимо друг от друга предложили использовать вакуумные фотоэлементы для считывания оптических фонограмм в кинопроекторах в кинотеатрах, [10] а Ли де Форест , Western Electric и General Electric выпустили три конкурирующие системы, использующие такие фотоэлементы. [11] [12] В 1927 году в Соединенных Штатах был снят первый коммерческий звуковой фильм «Певец джаза », а к 1930 году звуковые фильмы заменили немые фильмы. [11]
Успех звуковых фильмов стимулировал поиск новых применений фотоэлементов. [13] Рассматривались различные типы фотоэлементов: вакуумные, газоразрядные, фотоэлектрические и фоторезистивные, [14] но промышленность отдала предпочтение медленным [15], но дешевым селеновым устройствам. [16] К середине 1930-х годов селеновые фотоэлементы управляли сборочными линиями, лифтами [17] и ткацкими станками . [18] Пожарная сигнализация с селеновыми датчиками поступила в массовое производство в Великобритании, а затем и в США. [19] Норберт Винер предложил, а Трумэн Грей построил оптический сканер для ввода и обработки данных в аналоговых компьютерах. [20] Курт Крамер представил селеновый фотоэлемент для медицинских исследований. В 1940 году Гленн Милликен построил первый практический оксиметр на основе селена для контроля физического состояния пилотов Королевских ВВС . Это был RO, в котором источник света и детектор были разделены мочкой уха пилота. [21] [22]
В начале 1950-х годов Teletronix использовала оптический аттенюатор «T4» в компрессоре LA-2, более того, из-за их уникального звука они до сих пор используются Universal Audio в своих репродукциях LA-2. После 1950-х годов селен в фотоэлементах постепенно заменялся CdS и CdSe. К 1960 году РО на основе ламп накаливания и фоторезисторов CdS/CdSe использовались в цепях обратной связи в промышленности, например, для управления скоростью вращения и напряжением. В начале 1960-х годов внедрение чувствительных и компактных фоторезисторов CdS/CdSe привело к массовому производству камер с автоматической экспозицией. [23] [24] Однако эти фоторезисторы не были приняты в медицине из-за их эффекта памяти и быстрого старения [24] — они требовали регулярной перекалибровки, что было неприемлемо для медицинской практики. [25] [26]
В начале 1960-х годов Gibson и Fender начали использовать RO для модуляции эффекта тремоло в гитарных усилителях. Обе компании собирали свои RO из дискретных ламп, фоторезисторов и соединительных трубок. [27] В то время как Gibson использовал дешевые, но медленные лампы накаливания в качестве источников света, Fender заменил их неоновыми лампами, что увеличило максимальную частоту до десятков Гц и уменьшило управляющие токи, но привело к нелинейной модуляции. Поэтому другие производители предпочли лампы накаливания из-за их линейности. [28]
В 1967 году Vactec представила компактный RO под торговой маркой Vactrol. [29] В отличие от ламповых RO от Fender и Gibson, Vactrol были герметичными и прочными устройствами. В начале 1970-х годов Vactec заменила лампы накаливания светодиодами. Это увеличило скорость переключения, но не до уровня, необходимого для цифровых устройств. Поэтому внедрение более быстрых фотодиодов и фототранзисторов в 1970-х годах вытеснило RO с рынка. [24] [25] RO сохранили узкие ниши применения в звуковом оборудовании и некоторых устройствах промышленной автоматизации, не требующих высоких скоростей. [30] [31] Vactec не распространила свои права на торговую марку Vactrol, [29] и она стала нарицательным словом в английском языке для любого RO, используемого в аудиооборудовании, [32] включая RO от Fender и Gibson. [33] По состоянию на 2010 год RO Vactrol производились компанией PerkinElmer, преемницей Vactec, пока ее бизнес по решениям для освещения и обнаружения не был продан в качестве независимой компании Excelitas Technologies в ноябре 2010 года. [34] Excelitas прекратила производство RO в декабре 2015 года. [35] По состоянию на 2022 год RO типа Vactrol по-прежнему производятся преемником Silonex — Advanced Photonix. [36] [37] и по крайней мере двумя заводами в Шэньчжэне, Китай. [38] [39]
В Европейском союзе производство и распространение фоторезисторов на основе кадмия запрещено с 1 января 2010 года. Первоначальная версия Директивы ЕС об ограничении использования опасных веществ (RoHS), принятая в 2003 году, разрешала использование кадмия в устройствах, не имеющих аналогов без кадмия. [40] Однако в 2009 году Европейская комиссия исключила РО на основе кадмия, используемые в профессиональном аудиооборудовании, из списка разрешенных устройств. [41] «С 2 января 2013 года использование кадмия разрешено в фоторезисторах для аналоговых оптронов, применяемых в профессиональном аудиооборудовании. ... Однако исключение ограничено по времени, поскольку Комиссия считает, что исследования в области технологий без кадмия продолжаются, и заменители могут стать доступными к концу 2013 года». [42]
Большинство RO используют CdS или CdSe в качестве светочувствительного материала. [43]
Спектральная чувствительность фоторезисторов CdS достигает пика для красного света (длина волны λ = 640 нм) и простирается до 900 нм. [44] Эти устройства могут контролировать несколько мА и имеют квазилинейную зависимость фототока от интенсивности света при постоянном напряжении. [43] Их высокое темновое сопротивление, достигающее десятков ГОм, [43] обеспечивает высокий динамический диапазон относительно интенсивности света и низкие искажения сигнала. [45] Однако их время реакции на изменение интенсивности света велико, около 140 мс при 25 °C. [43]
Фоторезисторы CdSe в 5–100 раз более чувствительны, чем устройства CdS; [43] их чувствительность достигает пика в красной и ближней инфракрасной области (670–850 нм) и простирается до 1100 нм. [44] Они имеют худший динамический диапазон и линейность, чем их аналоги CdS, но они быстрее, с постоянной времени менее 20 мс. [43]
Оптимальными источниками света для фоторезисторов CdS/CdSe являются гетероструктуры AlGaAs (длина волны излучения ~660 нм) или светодиоды GaP (λ = 697 нм). [46] Яркость светодиода почти пропорциональна управляющему току. Спектр излучения зависит от температуры светодиода и, следовательно, от тока, но это изменение слишком мало, чтобы повлиять на спектральное соответствие светодиода и фоторезистора. [47] [48]
Для обеспечения механической стабильности светодиод и фоторезистор склеиваются прозрачной эпоксидной смолой , клеем или органическим полимером. [49] Клей также выполняет функцию рассеивателя, рассеивающего световой луч — если он попадет вблизи границы полупроводника и электрических контактов, то небольшое смещение положения светодиода может существенно изменить реакцию RO. [45]
Передаточная характеристика RO обычно представляется как электрическое сопротивление фоторезистора как функция тока через источник света; она является сверткой трех основных факторов: зависимости интенсивности источника света от его тока, оптической связи и спектрального соответствия между источником света и фоторезистором, а также фотоотклика фоторезистора. Первая зависимость почти линейна и не зависит от температуры для светодиодов в практическом диапазоне управляющего тока. Напротив, для ламп накаливания кривая свет-ток нелинейна, и спектр излучения меняется с температурой, а значит, и с входным током. Что касается фотоприемника, его свойства зависят от температуры, напряжения и истории использования (эффект памяти). Поэтому передаточная характеристика принимает ряд значений.
Эквивалентная схема фоторезистора состоит из трех компонентов:
Из-за большого значения R D полное сопротивление в основном определяется R I . [45] Динамический диапазон фоторезистора по освещенности равен отношению критической освещенности Φ cr к порогу чувствительности Φ th .
R D и R I , но не R RL , уменьшаются с ростом напряжения, что приводит к искажениям сигнала. [45] При низких уровнях освещенности сопротивление кадмиевых RO увеличивается примерно на 1% при нагревании на 1 °C. [45] [52] При более высокой интенсивности света тепловой коэффициент сопротивления может менять свои значения и даже знак. [53]
Фоторезисторы на основе кадмия демонстрируют выраженный эффект памяти, то есть их сопротивление зависит от истории освещения. [55] Он также показывает характерные выбросы, при этом значения достигают временного минимума или максимума после подачи света. Эти изменения сопротивления влияют на температуру RO, принося дополнительную нестабильность. Время стабилизации нелинейно увеличивается с интенсивностью света и может варьироваться от часов до дней; [7] по соглашению предполагается, что выход освещенного RO достигает равновесия в течение 24 часов. [6]
Эффект памяти оценивается с использованием отношения R max к R min (см. рисунок). Это отношение увеличивается с уменьшением интенсивности света и имеет значение 1,5–1,6 при 0,1 люкс и 1,05–1,10 при 1000 люкс для устройств PerkinElmer. [55] В некоторых моделях RO с низким сопротивлением это отношение достигало 5,5, [55] но к 2009 году их производство было прекращено. [56] Высокоомные фоторезисторы обычно имеют менее выраженный эффект памяти, менее чувствительны к температуре и имеют более линейный отклик, но также относительно медленные. [57] Некоторые устройства, разработанные в 1960-х годах, имели незначительный эффект памяти, но демонстрировали неприемлемо высокие искажения сигнала при высоких уровнях тока. [58]
Диапазон рабочих частот RO зависит от входных и выходных характеристик. Наибольшая частота входного (управляющего) сигнала ограничена реакцией источника света RO на изменение управляющего тока и реакцией фоторезистора на свет; ее типичное значение находится в диапазоне от 1 до 250 Гц. Время реакции фоторезистора на выключение света обычно варьируется от 2,5 до 1000 мс, [5] тогда как реакция на включение освещения примерно в 10 раз быстрее. Что касается источника света, то его время реакции на импульс тока находится в наносекундном диапазоне для светодиода и поэтому им пренебрегают. Однако для лампы накаливания оно составляет порядка сотен миллисекунд, что ограничивает частотный диапазон соответствующих RO несколькими Гц.
Максимальная выходная частота (контролируемый сигнал) ограничена паразитной емкостью РО, которая возникает из-за электродов, сформированных на поверхности фоторезистора, и шунтирует выходную цепь. [59] Типичное значение этой емкости составляет десятки пикофарад, что практически ограничивает выходную частоту примерно до 100 кГц.
Как и для обычных резисторов, шум фоторезисторов состоит из теплового, дробового и мерцательного шума; [60] тепловая составляющая доминирует на частотах выше 10 кГц и вносит незначительный вклад на низких частотах. [61] На практике шумом фоторезистора пренебрегают, если напряжение на его выводах ниже 80 В. [60]
Нелинейные искажения, создаваемые фоторезистором, тем ниже, чем выше интенсивность света и чем ниже сопротивление фоторезистора. Если напряжение на фоторезисторе не превышает порогового значения, которое в зависимости от материала варьируется от 100 до 300 мВ, то коэффициент нелинейных искажений имеет значение в пределах 0,01%, что практически не зависит от напряжения. В этих искажениях доминирует вторая гармоника. Выше порогового значения напряжения появляется третья гармоника, а амплитуда искажений увеличивается как квадрат напряжения. Для искажения 0,1% (−80 дБ), что приемлемо для высококачественного звукового оборудования, напряжение сигнала должно быть в пределах 500 мВ. Соотношение четных и нечетных гармоник можно контролировать, прикладывая к фоторезистору смещение постоянного тока. [62]
Необратимая деградация фоторезистора может быть вызвана превышением его максимального указанного напряжения даже на короткий период. Для устройств с высоким сопротивлением это напряжение определяется токами утечки, протекающими по поверхности полупроводника, и варьируется от 100 до 300 В для. Для моделей с низким сопротивлением предел напряжения ниже и возникает из-за джоулева нагрева. [64]
Срок службы РО определяется сроком службы источника света и допустимым дрейфом параметров фоторезистора. Типичный светодиод может работать в течение 10 000 часов, после чего его параметры немного ухудшаются. [64] Срок его службы можно продлить, ограничив управляющий ток до половины максимального значения. [45] РО на основе ламп накаливания обычно выходят из строя примерно через 20 000 часов из-за перегорания спирали и более подвержены перегреву. [65]
Деградация фоторезистора постепенна и необратима. Если рабочая температура не превышает предела (обычно 75 °C или меньше), то за каждый год непрерывной работы темновое сопротивление падает на 10%; при более высокой температуре такие изменения могут произойти в течение нескольких минут. [66] Максимальная мощность, рассеиваемая в фоторезисторе, обычно указывается для 25 °C и уменьшается на 2% для каждого °C нагрева. [67]
Охлаждение ниже −25 °C резко увеличивает время отклика фоторезистора. [7] Эти изменения обратимы, если только охлаждение не вызывает растрескивание пластиковых компонентов. Советские РО, упакованные в металлические корпуса, выдерживали даже температуру −60 °C, но при этих температурах их время отклика достигало 4 секунд. [68]
Высокоомные РО могут работать при переменном напряжении, превышающем 200 В, и использоваться в качестве маломощных реле переменного или постоянного тока, например, для управления электролюминесцентными индикаторами. [69]
В простейших схемах ограничения выходного сигнала RO размещается в верхнем (последовательное соединение) или нижнем (шунт) плече делителя напряжения. [70] Последовательное соединение обеспечивает больший диапазон управления (−80 дБ) на постоянном токе и низких частотах. Работа осложняется нелинейностью сопротивления по отношению к управляющему току. Сужение динамического диапазона из-за паразитной емкости существенно на частотах вплоть до сотен Гц. Реакция происходит значительно быстрее на увеличение, чем на уменьшение управляющего тока. [71]
Шунтирующее соединение обеспечивает более плавные характеристики передачи и меньшие искажения сигнала, но также и более низкий диапазон модуляции (−60 дБ). Это ограничение снимается путем последовательного соединения двух шунтирующих делителей, что сохраняет плавность характеристики передачи. [72] Наилучшее сочетание плавной характеристики передачи, низкого искажения, широкого диапазона регулировки и почти равных скоростей увеличения и уменьшения коэффициента передачи достигается в последовательно-параллельной схеме, состоящей из двух RO и последовательного резистора. Частотная характеристика такой схемы аналогична частотной характеристике последовательного соединения. [73]
Схемы с определенным управляющим напряжением делителя могут компенсировать тепловой дрейф светодиода в RO, [74] но не эффект памяти и тепловой дрейф фоторезистора. Последняя компенсация требует второго (опорного) фоторезистора, который освещается той же интенсивностью света, при той же температуре, что и основное (модулирующее) устройство. [75] Лучшая компенсация достигается, когда оба фоторезистора сформированы на одном и том же полупроводниковом кристалле. Опорный фоторезистор включен в делитель стабилизированного напряжения или в измерительный мост. Усилитель ошибки сравнивает напряжение в средней точке делителя с целевым значением и регулирует управляющий ток. В линейном режиме управления RO становится аналоговым умножителем: ток через фоторезистор пропорционален произведению напряжения на фоторезисторе и управляющего напряжения. [76] [77]
В Советском Союзе РО использовались для сжатия сигнала в дальней телефонной связи. Лампа накаливания РО подключалась к выходу операционного усилителя, а фоторезистор был частью делителя напряжения в цепи обратной связи неинвертирующего усилителя. В зависимости от выходного напряжения коэффициент усиления схемы изменялся от 1:1 до 1:10. [79] Подобные схемы до сих пор используются в профессиональной аудиотехнике (компрессоры, ограничители и шумоподавители). [80]
RO производства General Electric используются в стабилизаторах переменного напряжения. Эти стабилизаторы основаны на автотрансформаторе, который управляется двумя наборами тиристорных стеков. Лампа накаливания RO защищена балластным резистором и подключена к выходу переменного тока. Лампа усредняет выходное напряжение, подавляя выбросы и синусоидальные искажения, возникающие из сети. Фоторезистор RO включен в одно плечо измерительного моста, генерируя сигнал ошибки для контура обратной связи. [30]
Первый гитарный усилитель с эффектом тремоло был выпущен Fender в 1955 году. [81] В этом усилителе генератор тремоло управлял смещением каскада усилителя, расположенного вблизи выходной цепи, и его гармоники просачивались в выходной сигнал. [82] В начале 1960-х годов Fender и Gibson использовали RO в качестве модулятора. Его фоторезистор был подключен через блокировочный конденсатор и управляющий потенциометр между выходом предусилителя и землей и шунтировал предусилитель при срабатывании. В этой схеме управляющий сигнал не просачивался на выход. [82] Глубина модуляции регулировалась низкоомным потенциометром, размещенным на передней панели. Потенциометр значительно снижал усиление предыдущего каскада, и поэтому предусилитель должен был иметь резервы по усилению. [27]
В своих RO Gibson использовал лампы накаливания, которые требовали относительно больших токов. Fender заменил их неоновыми лампами, что увеличило частоту модуляции и уменьшило управляющие токи. Однако, в отличие от непрерывной модуляции Gibson, Fender использовал режим включения/выключения, что приводило к менее приятному звучанию. По этой причине другие производители, такие как Univibe, предпочитали лампы накаливания. [28]
К 1967 году большинство производителей гитарных усилителей перешли с электронных ламп на транзисторы и, следовательно, перепроектировали свои схемы. [83] В течение нескольких лет Gibson продолжал использовать RO в транзисторных усилителях для эффекта тремоло. [84] В 1973 году они разработали еще одну схему управления на основе RO, где сигнал от педали или внешнего генератора бесшовно подключался к диодному стабилизатору сигнала. [85] Однако в том же году они отказались от RO в пользу полевых транзисторов . [86]
RO — простой и удобный инструмент для настройки частоты осцилляторов, фильтров и усилителей в аналоговых синтезаторах. Особенно проста их реализация в RC-фильтрах с управлением напряжением в топологии Саллена-Ки , где RO обеспечивает почти экспоненциальную зависимость частоты среза от управляющего тока, без использования обратной связи по сигналу модуляции. [87] Однако из-за медленного отклика RO большинство разработчиков синтезаторов 1970-х и 1980-х годов, таких как ARP, Korg, Moog и Roland, предпочли другие элементы. [примечания 3] По состоянию на август 2013 года синтезаторы на основе RO выпускаются компанией Doepfer (Германия). [88] По-прежнему популярным применением RO являются Lowpass Gates, такие как 292 от Buchla Electronic Musical Instruments , Plan B Model 13 [89] и Make Noise MMG. [90]
Последовательное соединение светодиода [примечание 4] и фоторезистора с низким сопротивлением делает RO триггером (ячейкой памяти), который может управляться импульсами тока. В прозрачных RO состояние такой ячейки можно контролировать визуально по излучению светодиода. [91] [92]
Vactrols использовались в качестве дистанционно управляемых резисторов для точного заземления антенн типа Beverage и Ewe . В типичной установке любительского радио vactrol размещается в коробке оконечной нагрузки в самой дальней точке антенны. LDR изменяет общее сопротивление между антенной и землей (сопротивление оконечной нагрузки); оператор точно настраивает этот резистор из своей радиорубки , изменяя ток светодиода или лампочки vactrol с помощью потенциометра . [93] [94] Настройка с помощью vactrol улучшает направленную кардиоидную диаграмму направленности антенны. По словам Коннелли, vactrols превосходят традиционные резисторы в этой функции. [95] В этой простой схеме светодиод или лампочка vactrol подвержены повреждению из-за скачков напряжения, вызванных молнией, и должны быть защищены парой неоновых ламп, действующих как газовые разрядники. [94]
{{cite book}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )Во многих случаях управление терминацией Vactrol может улучшить глубину нуля по сравнению с тем, что можно получить с фиксированным значением терминации