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抵抗性光アイソレータ（RO）は、フォト抵抗性光アイソレータ、バクトロル（1960年代にVactec, Inc.が導入した一般的な商標に由来）、アナログ光アイソレータ[注 1]、またはランプ結合型光電池[1]とも呼ばれ、互いに光学的に結合され電気的に絶縁された光源と光源検出器で構成される光電子デバイスです。光源は通常、発光ダイオード（LED）、小型白熱灯、またはネオンランプであり、検出器はセレン化カドミウム（CdSe）または硫化カドミウム（CdS）でできた半導体ベースのフォト抵抗器です。光源と検出器は透明な接着剤または空気を介して結合されています。
電気的には、ROは光源を流れる電流によって制御される抵抗です。暗い状態では、抵抗は通常数MOhmを超えますが、光が当たると光の強度に反比例して減少します。フォトダイオードやフォトトランジスタとは対照的に、フォトレジスタはAC回路とDC回路の両方で動作し、数百ボルトの電圧がかかります。[3] ROによる出力電流の高調波歪みは、通常、0.5V未満の電圧で0.1%以内です。[4]
RO は最初で最も遅い光アイソレータです。そのスイッチング時間は 1 ミリ秒を超え、[5]ランプベースのモデルでは数百ミリ秒に達することがあります。[3] 寄生容量により、フォトレジスタの周波数範囲は超音波周波数に制限されます。カドミウムベースのフォトレジスタは「メモリ効果」を示します。その抵抗は照明履歴に依存します。また、照明中にドリフトし、数時間以内で安定します。 [6]高感度モデルの場合は数週間かかることもあります。[7]加熱は RO の不可逆的な劣化を引き起こしますが、-25 °C 未満に冷却すると応答時間が大幅に長くなります。そのため、1970 年代には、より高速で安定したフォトダイオードとフォトトランジスタに RO がほとんど置き換えられました。RO は、優れた電気的絶縁、低い信号歪み、回路設計の容易さから、一部の音響機器、ギター アンプ、アナログ シンセサイザーで今でも使用されています。
歴史
1873年、ウィロビー・スミスはセレンの光伝導性を発見した。[8] 1900年代初頭、真空管の外部光効果の研究により、光抵抗器が商業的に生産されるようになった。[9] 1918年、アメリカ人とドイツの技術者がそれぞれ映画館の映写機で光学式蓄音機を読み取るために真空光電池を使用することを提案し、[10]リー・ド・フォレスト、ウェスタン・エレクトリック、ゼネラル・エレクトリックは、そのような光電池を使用した3つの競合システムを製造した。[11] [12] 1927年、米国で最初の商業用音声付き映画「ジャズ・シンガー」が製作され、1930年までには音声付き映画が無声映画に取って代わった。 [11]
サウンドフィルムの成功は、光電池の新たな用途の探究を刺激した。[13]真空、ガス放電、光起電性、光抵抗性など、さまざまな種類の光電池が検討されたが、[14]業界では低速[15]だが安価なセレン装置が好まれた。[16] 1930年代半ばまでに、セレン光電池は組立ライン、エレベーター[17]および織機を制御した。[18]セレンセンサーを備えた火災警報器は英国で、次いで米国で大量生産された。[19] ノーバート・ウィーナーが提案し、トルーマン・グレイがアナログコンピュータでのデータ入力および処理用の光学スキャナーを構築した。[20]カート・クレイマーがセレン光電池を医学研究に導入した。1940年に、グレン・ミリカンは英国空軍パイロットの体調を監視するために、最初の実用的なセレンベースの酸素濃度計を構築した。[21] [22]
1950年代初頭、テレトロニクスはLA-2コンプレッサーに「T4」光減衰器を採用しました。さらに、そのユニークなサウンドのため、ユニバーサルオーディオは今日でもLA-2の複製に使用しています。1950年代以降、光電池のセレンは徐々にCdSとCdSeに置き換えられました。1960年までに、白熱灯とCdS / CdSeフォトレジスタに基づくROは、回転速度と電圧を制御するためのフィードバック回路など、業界のフィードバック回路で使用されました。1960年代初頭、高感度でコンパクトなCdS / CdSeフォトレジスタの導入により、自動露出機能付きカメラが大量生産されました。[23] [24]しかし、これらのフォトレジスタはメモリ効果と急速な劣化のため医療には採用されませんでした[24]。定期的な再調整が必要であり、医療現場では受け入れられませんでした。[25] [26]
1960年代初頭、ギブソンとフェンダーはギターアンプのトレモロ効果を変調するためにROを使い始めました。両社とも、個別のランプ、フォトレジスタ、カップリングチューブからROを組み立てていました。[27]ギブソンは安価だが遅い白熱電球を光源として使用していましたが、フェンダーはそれをネオンランプに置き換えました。これにより最大周波数が数十Hzに上がり、制御電流が減少しましたが、非線形変調になりました。そのため、他のメーカーは線形性のために白熱電球を好みました。[28]
1967年、Vactec社はVactrolというブランドのコンパクトなROを発表しました。[29] Fender社やGibson社の真空管式ROとは異なり、Vactrolは密閉された頑丈なデバイスでした。1970年代初頭、Vactec社は白熱電球をLEDに置き換えました。これによりスイッチング速度は向上しましたが、デジタルデバイスに必要なレベルには達しませんでした。そのため、1970年代に導入されたより高速なフォトダイオードとフォトトランジスタにより、ROは市場から駆逐されました。[24] [25] ROは、高速性を必要としない音響機器や一部の産業オートメーション機器において、狭い用途のニッチを維持しました。[30] [31] Vactec社は商標Vactrolの権利を拡大しませんでした。[29]そして、この名前は英語で、Fender社やGibson社のROを含む、オーディオ機器で使用されるあらゆるROを表す一般的な言葉になりました。[32] [33] 2010年時点で、Vactrol ROはVactecの後継企業であるPerkinElmerによって製造されていましたが、2010年11月に照明および検出ソリューション事業が独立した会社Excelitas Technologiesとして売却されました。[34] Excelitasは2015年12月にROの生産を終了しました。[35] 2022年現在、VactrolタイプのROはSilonexの後継企業であるAdvanced Photonixによって製造されています。[36] [37]そして少なくとも中国の深センに2つの工場があります。[38] [39]
欧州連合では、2010年1月1日以降、Cdベースのフォトレジスタの製造と流通が禁止されている。2003年に採択されたEUの有害物質制限指令（RoHS）の初期バージョンでは、Cdフリーの同等品がないデバイスにカドミウムを使用することが許可されていた。[40]しかし、2009年に欧州委員会は、プロ用オーディオ機器で使用されるCdベースのROを許可されたデバイスのリストから除外した。[41]「2013年1月2日から、プロ用オーディオ機器に適用されるアナログオプトカプラのフォトレジスタにカドミウムの使用が許可されます。...ただし、委員会はカドミウムフリー技術の研究が進行中であり、2013年末までに代替品が利用可能になる可能性があると考えているため、免除は時間的に制限されています。」[42]
物理的特性
光源、検出器、およびそれらの結合
ほとんどのROはCdSまたはCdSeを光感応物質として使用している。[43]
CdSフォトレジスタの分光感度は赤色光（波長λ = 640 nm）でピークに達し、900 nmまで広がります。[44]これらのデバイスは数mAを制御でき、一定電圧で光強度に対する光電流の準線形依存性があります。[43]数十GOhmに達する高い暗抵抗[43]により、光強度に対する高いダイナミックレンジと低い信号歪みが実現します。[45]ただし、光強度の変化に対する反応時間は長く、25°Cで約140msです。[43]
CdSeフォトレジスタはCdSデバイスよりも5～100倍感度が高く、[43]感度は赤から近赤外領域（670～850 nm）でピークに達し、1100 nmまで拡張されます。[44] CdSデバイスよりもダイナミックレンジと直線性が劣りますが、時定数が20ms未満で高速です。[43]
CdS/CdSeフォトレジスタに最適な光源は、AlGaAsヘテロ構造（発光波長約660 nm）またはGaP LED（λ = 697 nm）です。[46] LEDの明るさは制御電流にほぼ比例します。発光スペクトルはLEDの温度、つまり電流に依存しますが、この変化はLEDとフォトレジスタのスペクトルマッチングに影響を与えるほど小さくはありません。[47] [48]
機械的安定性のため、LEDとフォトレジスターは透明なエポキシ、接着剤、または有機ポリマーで接着されています。[49]接着剤は光線を拡散させる拡散板としても機能します。光線が半導体と電気接点の境界付近に当たると、LEDの位置がわずかにずれるだけでRO応答が大きく変わる可能性があります。[45]
伝達特性
RO の伝達特性は、通常、フォトレジスタの電気抵抗を光源を流れる電流の関数として表します。これは、光源の強度の電流への依存性、光源とフォトレジスタ間の光学的結合とスペクトル整合、フォトレジスタの光応答という 3 つの主な要因の畳み込みです。最初の依存性は、制御電流の実用的な範囲内で LED の場合ほぼ線形で温度に依存しません。対照的に、白熱灯の場合、光電流曲線は線形ではなく、発光スペクトルは温度によって、したがって入力電流によって変化します。光検出器に関しては、その特性は温度、電圧、および使用履歴 (メモリ効果) に依存します。したがって、伝達特性はさまざまな値を取ります。
フォト抵抗器の等価回路は、次の 3 つの要素で構成されます。
- R D – 暗抵抗。半導体によって決まり、数MOhmから数百GOhmの範囲になります。[3] [45]
- R RL – 光が当たっているが負荷がかかっていないフォトレジスターの残留抵抗。通常100オームから10kオームの間。[45]
- R I – 理想的な光抵抗。光の強度に反比例します。
R Dの値が大きいため、総抵抗は主にR Iによって決まります。[45]光抵抗器の照度に対するダイナミックレンジは、臨界照度Φ crと感度閾値Φ thの比に等しくなります。
R Dと R I は電圧の増加とともに減少しますが、R RL は減少せず、信号歪みを引き起こします。 [45]低照度レベルでは、カドミウムベースのROの抵抗は1℃加熱で約1％増加します。[45] [52]より高い光強度では、熱抵抗係数は値や符号さえも変化する可能性があります。[53]
メモリー効果
カドミウムベースのフォトレジスターは顕著なメモリ効果を示し、その抵抗は照射履歴に依存します。[55]また、特徴的なオーバーシュートを示し、光の照射後に値が一時的に最小または最大になります。これらの抵抗率の変化はRO温度に影響を及ぼし、さらなる不安定性をもたらします。安定化時間は光強度とともに非線形に増加し、数時間から数日間で変化する可能性があります。[7]慣例により、照射されたROの出力は24時間以内に平衡に達すると想定されています。[6]
メモリ効果は、R maxと R minの比で評価されます(図を参照)。この比は光強度の低下とともに増加し、PerkinElmer のデバイスでは 0.1 ルクスで 1.5～1.6、1000 ルクスで 1.05～1.10 の値になります。[55]低抵抗 RO モデルの中には、この比が 5.5 まで高かったものもありますが[55] 、 2009 年までに生産が中止されました。[56]高抵抗フォトレジスタは通常、メモリ効果がそれほど顕著ではなく、温度に対する感度が低く、より線形応答性がありますが、比較的低速です。[57] 1960 年代に設計されたデバイスの中には、メモリ効果が無視できるものもありましたが、高電流レベルでは許容できないほど高い信号歪みを示しました。[58]
動作周波数
RO の動作周波数範囲は、入力および出力特性によって異なります。入力 (制御) 信号の最高周波数は、制御電流の変化に対する RO 光源の応答と、光に対するフォトレジスタの応答によって制限されます。その一般的な値は 1 ～ 250 Hz です。光をオフにするときのフォトレジスタの応答時間は通常 2.5 ～ 1000 ms の範囲で変化しますが、[5]照明をオンにするときの応答は約 10 倍高速です。光源に関しては、電流パルスに対する反応時間は LED の場合ナノ秒の範囲であるため無視されます。ただし、白熱灯の場合は数百ミリ秒のオーダーであるため、それぞれの RO の周波数範囲は数 Hz に制限されます。
最大出力周波数（制御信号）はROの寄生容量によって制限されます。この寄生容量はフォトレジスタの表面に形成された電極から発生し、出力回路をシャントします。[59]この容量の典型的な値は数十ピコファラッドであり、実質的に出力周波数を約100kHzに制限します。
ノイズと信号の歪み
通常の抵抗器と同様に、フォト抵抗器のノイズは熱ノイズ、ショットノイズ、フリッカーノイズで構成されています。 [60]熱成分は10kHz以上の周波数で支配的であり、低周波数ではわずかな寄与しかありません。[61]実際には、端子間の電圧が80V未満の場合、フォト抵抗器のノイズは無視されます。[60]
フォトレジスタによって生成される非線形歪みは、光強度が高いほど、またフォトレジスタの抵抗が低いほど低くなります。フォトレジスタにかかる電圧が閾値（材料によって100～300 mVの範囲）を超えない場合、非線形歪みの係数は0.01%以内の値となり、電圧にはほとんど依存しません。これらの歪みは第2高調波によって支配されます。電圧閾値を超えると第3高調波が現れ、歪みの振幅は電圧の2乗に比例して増加します。高忠実度サウンド機器で許容される0.1%（-80 dB）の歪みを得るには、信号電圧は500 mV以内である必要があります。偶数高調波と奇数高調波の比率は、フォトレジスタにDCバイアスを印加することで制御できます。[62]
劣化
フォトレジスタの不可逆的な劣化は、たとえ短時間でも最大規定電圧を超えると誘発される可能性がある。高抵抗デバイスの場合、この電圧は半導体表面を流れる漏れ電流によって決まり、100～300Vの範囲で変化する。低抵抗モデルの場合、電圧制限はより低く、ジュール熱に起因する。[64]
ROの耐用年数は、光源の寿命とフォトレジスタのパラメータの許容ドリフトによって決まります。一般的なLEDは10,000時間動作し、その後パラメータはわずかに低下します。[64]制御電流を最大値の半分に制限することで、寿命を延ばすことができます。[45]白熱灯をベースにしたROは、通常、スパイラルの焼損により約20,000時間後に故障し、過熱しやすくなります。[65]
フォトレジスタの劣化は徐々に進行し、不可逆的です。動作温度が限界（通常は75℃以下）を超えない場合、連続動作の1年ごとに暗抵抗は10％低下します。高温では、このような変化は数分以内に発生する可能性があります。[66]フォトレジスタの最大消費電力は通常25℃で規定されており、1℃加熱するごとに2％減少します。[67]
-25℃以下に冷却すると、フォトレジスターの応答時間が急激に長くなります。[7]これらの変化は、冷却によってプラスチック部品に亀裂が生じない限りは可逆的です。金属ケースに入ったソビエトのROは-60℃でも耐えられましたが、この温度では応答時間は4秒に達しました。[68]
アプリケーション
ACリレー
高抵抗ROは200Vを超える交流電圧で動作し、例えば発光インジケータを制御するための低電力ACまたはDCリレーとして使用できます。[69]
シンプルな電圧分割器
直列シャント分割器には2 つの駆動信号 (I C UPと I C DOWN ) が必要です。
最も単純な出力制限回路では、ROは電圧分割器の上側（直列接続）または下側（シャント）アームに配置されます。[70]直列接続では、DCおよび低周波数でより広い制御範囲（-80 dB）が得られます。抵抗と制御電流の非線形性により動作は複雑になります。寄生容量によるダイナミックレンジの狭まりは、数百Hzの低周波数で顕著になります。反応は、制御電流の減少よりも増加に対してはるかに速くなります。[71]
シャント接続により、伝達特性がより滑らかになり、信号歪みも少なくなりますが、変調範囲も低くなります（−60 dB）。この制限は、2つのシャント分圧器を直列に接続することで解除され、伝達特性が滑らかになります。[72]滑らかな伝達特性、低歪み、広い調整範囲、および透過係数のほぼ等しい増加率と減少率の最適な組み合わせは、2つのROと直列抵抗器で構成される直並列回路で実現されます。このような回路の周波数応答は、直列接続の周波数応答に似ています。[73]
高精度電圧分割器
制御電圧が定義された分圧器を備えた回路は、RO 内の LED の熱ドリフトを補正できますが[74]、フォトレジスタのメモリ効果と熱ドリフトは補正できません。後者の補正には、メイン (変調) デバイスと同じ温度で同じ光強度で照射される 2 番目の (基準) フォトレジスタが必要です。[75]両方のフォトレジスタが同じ半導体チップ上に形成されている場合に、最良の補正が実現されます。基準フォトレジスタは、安定化電圧の分圧器または測定ブリッジに含まれています。エラー アンプは、分圧器の中間点の電圧を目標値と比較し、制御電流を調整します。線形制御モードでは、RO はアナログ乗算器になります。フォトレジスタを流れる電流は、フォトレジスタの両端の電圧と制御電圧の積に比例します。[76] [77]
自動制御回路
ソ連では、ROは長距離電話の信号圧縮に使用されていました。ROの白熱灯はオペアンプの出力に接続され、フォトレジスタは非反転増幅器のフィードバック回路の電圧分割器の一部でした。出力電圧に応じて、回路のゲインは1：1から1：10まで変化しました。[79]同様の回路は、プロ用オーディオ機器（コンプレッサー、リミッター、ノイズサプレッサー）で今でも使用されています。[80]
ゼネラルエレクトリック社製のROは、交流電圧安定器に使用されています。これらの安定器は、2組のサイリスタスタックによって制御されるオートトランスに基づいています。ROの白熱ランプはバラスト抵抗器によって保護され、AC出力に接続されています。ランプは出力電圧を平均化し、主電源から発生するスパイクと正弦波歪みを抑制します。ROのフォトレジスタは測定ブリッジの1つのアームに含まれており、フィードバックループのエラー信号を生成します。[30]
ギターアンプ
トレモロ効果を備えた最初のギターアンプは、1955年にフェンダーによって製造されました。 [ 81]そのアンプでは、トレモロジェネレーターが出力回路の近くにあるアンプカスケードのバイアスを制御し、その倍音が出力信号に漏れていました。[82] 1960年代初頭、フェンダーとギブソンはROを変調器として使用しました。そのフォトレジスターは、ブロッキングコンデンサーと制御ポテンショメーターを介してプリアンプの出力とアースの間に接続され、トリガーされるとプリアンプをシャントしました。この方式では、制御信号が出力に漏れませんでした。[82]変調の深さは、フロントパネルに配置された低インピーダンスポテンショメーターによって調整されました。ポテンショメーターは前段のゲインを大幅に削減するため、プリアンプは増幅による余裕を持つ必要がありました。[27]
ギブソンはROに白熱灯を使用していたが、これは比較的大きな電流を必要とした。フェンダーはこれをネオンランプに置き換え、変調周波数を高め、制御電流を減らした。しかし、ギブソンの連続変調とは対照的に、フェンダーはオン/オフの切り替えモードを使用していたため、あまり心地よい音ではなかった。このため、ユニヴァイブなどの他のメーカーは白熱灯を好んだ。[28]
1967年までに、ほとんどのギターアンプメーカーは真空管からトランジスタに切り替え、回路を再設計しました。[83]ギブソンは数年間、トレモロ効果のためにトランジスタアンプにROを使用し続けました。[84] 1973年に、彼らはペダルまたは外部ジェネレータからの信号がダイオードベースの信号安定器にシームレスに接続される別のROベースの制御回路を設計しました。[85]しかし、同じ年に彼らはROを放棄し、電界効果トランジスタを採用しました。[86]
アナログシンセサイザー
ROは、アナログシンセサイザーの発振器、フィルター、アンプの周波数を調整するためのシンプルで便利なツールです。特に簡単なのは、サレンキートポロジーの電圧制御RCフィルターへの実装です。このトポロジーでは、ROは、変調信号によるフィードバックを使用せずに、カットオフ周波数を制御電流に対してほぼ指数関数的に依存させます。[87]しかし、ROの応答が遅いため、ARP、Korg、Moog、Rolandなど、1970年代と1980年代のほとんどのシンセサイザー開発者は、他の要素を好みました。[注3] 2013年8月現在、ROベースのシンセサイザーはDoepfer（ドイツ）によって製造されています。[88] ROの依然として人気のある用途は、Buchla Electronic Musical Instrumentsの292 、Plan B Model 13 [89]、Make Noise MMGなどのローパスゲートです。[90]
トリガー
LED [注4]と低抵抗フォトレジスタを直列に接続することで、ROは電流パルスで制御できるトリガー（メモリセル）になります。透明なROでは、そのようなセルの状態はLEDの発光によって視覚的に監視できます。[91] [92]
無線通信
バクトロールは、ビバレッジ型およびエウェ型のアンテナの正確な接地終端用の遠隔制御抵抗器として使用されている。典型的なアマチュア無線のセットアップでは、バクトロールはアンテナの最も遠い地点にある終端ボックス内に配置される。LDR はアンテナと地面の間の総抵抗 (終端抵抗) を変更する。オペレータは、ポテンショメータを使用してバクトロールの LED または電球の電流を変化させることで、無線シャックからこの抵抗器を微調整する。[93] [94]バクトロールで調整すると、アンテナの指向性カーディオイドパターンが改善される。コネリーによると、この機能ではバクトロールが従来の抵抗器よりも優れている。[95]この単純なレイアウトでは、バクトロールの LED または電球は雷によって引き起こされる電圧サージによって損傷を受けやすいため、ガス放電器として機能する一対のネオンランプで保護する必要がある。[94]
注記
- ^ PerkinElmer の文献より。
- ^ オリジナルの回路図では、オーディオと制御ネットワークに共通の接地線がありました。ここでは、完全なガルバニック絶縁を示すために接地が分割されています。オリジナルの Silonex 回路では、OA2 に電力を供給するためにデュアル電源レールが使用されていました。OA2 の入力がレールツーレール動作を許可する場合、単一の正レール V ccで電力を供給でき、同じレールを基準電圧 (V ref =V cc ) としても使用できます。厳密に調整する必要はありません。
- ^ 1970年代から1980年代のシンセサイザーでは、調整された正帰還を備えたダイオード容量フィルターで、pn接合の動的抵抗または逆容量の変化がよく利用されていました (Moog、APR)。Korg は、RO を逆バイポーラトランジスタに置き換えた従来の Sallen-Key フィルターを使用しました。
- ^ 白熱灯をベースとしたROは、高い制御電流と高い出力抵抗の組み合わせのため、リレーには適していません。
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