Рези́сторная оптопа́ра (сокр. РО), или резисторный оптрон — оптоэлектронный полупроводниковый прибор, состоящий из излучателя и приёмника света, которые соединены оптической связью и гальванически изолированы друг от друга. 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 фоторезистора постоянному току составляет от единиц МОм до сотен ГОм. При облучении приёмника светом излучателя проводимость фоторезистора растёт пропорционально освещённости его поверхности, которая в свою очередь пропорциональна силе света излучателяПоследнее утверждение верно для закрытого оптического канала при жёсткой механической связи излучателя и приёмника.. В отличие от фотодиодов и фототранзисторов, фоторезисторы способны управлять линейными цепями и постоянного, и переменного тока, при этом допустимые напряжения на фоторезисторе могут достигать сотен В. Коэффициент нелинейных искажений (КНИ) выходного тока при малых напряжениях (до 0,5 В) не превышает 0,1% (-80 дБ).
РО — исторически первый, и самый медленный тип оптопары: задержка переключения лучших образцов составляет порядка 1 мс, а для РО на лампах накаливания характерны задержки в сотни мс. 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, у высокочувствительных приборов — неделями. 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 селене. В начале XX века изучение внешнего фотоэффекта в вакуумных лампах открыло путь к коммерческому производству фотоэлементов. В 1918 году американские и германские инженеры, работавшие независимо друг от друга, предложили использовать вакуумные фотоэлементы для считывания оптических фонограмм в кинематографе. Ли де Форест, Western Electric и General Electric довели до практического применения три конкурирующие системы звукового кино. В 1927 году на экраны США вышел первый коммерческий звуковой фильм Певец джаза, а к 1930 году звуковые фильмы полностью вытеснили немое кино.
Триумф звукового кино стимулировал поиск новых областей применения фотоэлементов. Инженеры рассматривали все известные типы фотоэлементов (вакуумные, газоразрядные, фотовольтаики, фоторезисторы), но на практике рынок промышленной и бытовой автоматики захватили медленные, но дешёвые селеновые приборы. К середине 1930-х годов селеновые фотоэлементы управляли заводскими конвейерами, лифтамиElectric Eye Stops Elevator at Floor Level . Popular Mechanics, November 1933, c. 689., ткацкими станками. В Великобритании, а затем в США началась массовая установка пожарных извещателей с селеновыми датчиками. Норберт Винер предложил использовать, а Трумэн Грей построил оптический сканер для ввода и интегрирования данных в аналоговых компьютерах. Курт Креймер внедрил селеновый фотоэлемент в медицинские исследования. В 1940 году построил первый практический селеновый оксиметр для контроля состояния пилотов Королевских ВВС. Оксиметр Милликена представлял собой оптопару, оптический канал которой замыкался через мочку уха пилота.
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. В медицине кадмиевые фоторезисторы не прижились из-за чрезмерного эффекта памяти и быстрого старения. Необходимость регулярной калибровки и поправки на «световую историю» прибора оказались неприемлемыми для врачебной практики.
В первой половине 1960-х годов Gibson и Fender начали использовать РО в качестве модуляторов эффекта «тремоло»Эффект, заявленный Fender и Gibson как «тремоло», фактически представлял собой амплитудное вибрато c регулируемой глубиной и частотой модуляции. При максимально глубокой модуляции звучание эффекта приближалось к настоящему тремоло. гитарных усилителей. Обе компании самостоятельно собирали свои оптопары из дискретных ламп, фоторезисторов и термоусадочной трубки. 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» модуляцией.
В 1967 Vactec, Inc. выпустила на рынок компактные РО под торговой маркой Vactrol (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 рынка. РО сохранили за собой узкие ниши в сценическом и студийном звуковом оборудовании, а также в промышленной автоматике, где недостатки фоторезисторов не имели решающего значения: «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»).. Vactec, Inc. не продлила вовремя свои права на торговую марку VactrolБаза данных торговых марок USPTO , запись 72318344 (приоритет использования с 31 июля 1967, регистрация от 23 декабря 1969)., и она стала в английском языке нарицательным именем, обозначающим любую РО, применяемую в звуковой аппаратуре (включая «вактролы» Fender и Gibson, выпущенные до появления торговой марки VactrolВ 1993 году марку Vactrol зарегистрировала на себя Mallinckrodt Incorporated, но заявленный ею класс товаров (медицинские катетеры) не пересекается с оптоэлектронными приборами — см. База данных торговых марок USPTO , запись 74381130 (заявка от 20 апреля 1993, регистрация с 5 апреля 1994).. По состоянию на начало 2012 года, производство РО под торговой маркой Vactrol продолжает компания (США) — правопреемник Vactec, Inc.. Компания Silonex (США, подразделение Carlyle Group) производит РО под торговой маркой AudiOhm.
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. 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: «Cadmium in photoresistors for optocouplers applied in professional audio equipment»..
Физические свойства
Излучатели, фоторезисторы и оптическая связь
В оптопарах применяются два вида светочувствительных материалов: сульфид кадмия (CdS, сернисто-кадмиевые фоторезисторы) и селенид кадмия (CdSe, селенисто-кадмиевые фоторезисторы).
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 нм. 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. Высокое темновое сопротивление«Темновое сопротивление фотоэлектрического полупроводникового прибора (ФЭПП) — сопротивление ФЭПП в отсутствие падающего на него излучения в диапазоне его спектральной чувствительности». ГОСТ 21934-83 «Приёмники излучения полупроводниковые фотоэлектрические и фотоприёмные устройства. Термины и определения», определение 55., достигающее десятков ГОм, обеспечивает максимально возможный динамический диапазон по освещённости и наименьшие нелинейные искажения сигнала. Однако быстродействие таких фоторезисторов низкое: постоянная времени реакции на изменение освещённости достигает 140 мс при +25 °C.
Селенид-кадмиевые фоторезисторы имеют максимально возможную чувствительность, в 5-100 раз превосходящую чувствительность сернисто-кадмиевых приборов. 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. При относительно узком динамическом диапазоне и худшей линейности селенид кадмия обеспечивает лучшее быстродействие — постоянная времени не превышает 20 мс.
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 излучения. Коэффициент спектральной корреляцииСм. определение и расчётную формулу в: таких оптопар достигает 35% и 47% соответственно.
Светимость светодиода практически пропорциональна управляющему токуНелинейности амперлюксной характеристики светодиода, как правило, лежат за пределами области безопасной работы и (или) за пределами динамического диапазона фоторезисторов.. 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. Для обеспечения постоянства оптической связи излучатель и фоторезистор жёстко склеиваются прозрачным компаундом на основе эпоксидной смолы, оптического клея или вазелиноподобных полимеров. 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. Поэтому в светодиодных оптопарах клей выполняет дополнительную функцию рассеивания света.