Содержание отчёта

Отчёт по работе должен содержать: цель работы, задание к работе, схемы для моделирования работы выпрямителей в среде Multisim, блок-диаграмму виртуального прибора для экспериментального снятия характеристик и диалоговое окно, осциллограммы напряжений на вторичной обмотке трансформатора и нагрузке, основные параметры выпрямителей в виде таблицы, выводы по работе.

Рисунок 5.7 – Виртуальный прибор для экспериментального исследования двухполупериодного мостового выпрямителя в среде LabVIEW

Рисунок 5.8 – Блок-диаграмма виртуального прибора в LabVIEW для экспериментального снятия характеристик двухполупериодного мостового выпрямителя

Лабораторная работа №6. Исследование работы светодиода и оптопары

Цель работы: изучение принципа функционирования, характеристик и параметров светодиодов и оптопары.

Общие сведения

Излучающий диод, работающий в видимом диапазоне волн, называют светодиодом.

Схематическое изображение структуры излучающего диода представлено на рисунке 6.1а, а его ус­ловное графическое обозначение - на рисунке 6.1б.

Излучение возникает при протекании прямого тока диода в результате рекомбинации электронов и дырок в области p-n перехода и в областях, примыкающих к ука­занной области. При рекомбинации излучаются фотоны.

Рисунок 6.1 – Структура и условное графическое изображение светодиода

В справочной литературе для светоизлучающих диодов приводятся электрические и световые параметры и характеристики. Электрические параметры отражают работу светодиода как элемента электрической схемы: постоянное прямое напряжение U_пр, максимально допустимый прямой ток I_прmax, максимально допустимое обратное напряжение U_обрmax, и физический смысл их тот же, что и для обычных выпрямительных диодов.

Различия прямых ветвей вольт-амперных характеристик светодиодов из разных полупроводниковых материалов связаны с различной шириной запрещённой зоны полупроводника, и все они располагаются правее вольт-амперных характеристик обычных, например, германиевых или кремниевых диодов (рисунок 6.2).

Рисунок 6.2 - Вольт-амперные характеристики светодиодов, изготовленных из различных полупроводниковых материалов.

Рассмотрим физический смысл световых параметров и характеристик светодиодов, которые характеризуют их излучательные свойства.

Сила света I_v – излучаемый диодом световой поток, приходящий на единицу телесного угла в направлении, перпендикулярном плоскости излучающего кристалла. Указывается при заданном значении прямого тока и измеряется в канделлах.

Яркость излучения L – величина, равная отношению силы света к площади светящейся поверхности. Измеряется в канделлах на квадратный метр при заданном значении прямого тока через диод.

Поскольку светоизлучающие диоды предназначены в основном для визуального восприятия отображаемой информации человеком, необходимо учитывать, что эффективность воздействия излучения на зрение зависит от длины волны излучения и определяется значением относительной функции видимости – зависимости монохроматической чувствительности глаза человека, отнесённой к значению максимальной чувствительности, от длины волны воспринимаемого излучения. Максимальная чувствительность глаза соответствует зеленой части спектра, то есть длине волны  = 0,55мкм. Таким образом, излучающий прибор, который всю свою энергию отдаёт только в виде излучения с длиной волны 0,55мкм, обладает наибольшей яркостью и экономичностью с точки зрения глаза человека при использовании приборов для визуального отображения информации.

Однако, часто светодиоды используются для передачи информации в виде светового сигнала к какому-нибудь приёмнику излучения и для друг целей. В этих случая яркость излучения не является основным параметром светодиода, потому что приёмник излучения может иметь свои спектральные характеристики чувствительности, существенно отличающиеся от спектральной характеристики видимости глаза человека.

Характеристикой диода как источника света является зависимость яркости от прямого тока L=f(I_пр) – яркостная характеристика или зависимость силы света от прямого тока I_v=f(I_пр) – световая характеристика. При малых токах и соответственно при малых напряжениях на светодиоде излучения принципиально быть не должно. Поэтому начальный участок яркостной характеристики нелинеен. При больших токах яркостная характеристика почти линейна. Эта часть характеристики является важнейшей – её вид определяет оптимальный режим работы светоизлучающего диода.

Рисунок 6.3 – Яркостная и световая характеристики светодиода

Для серийных типов светодиодов часто приводится зависимость силы света от прямого тока в относительных единицах, которая показывает, насколько снижается или увеличивается сила света от значения, указанного в параметрах для данного прибора, при изменении тока через диод.

Спектральная характеристика светодиода – зависимость интенсивности излучения от длины волны излучаемого света или от энергии излучаемых квантов. В первом приближении спектральный состав излучения можно характеризовать цветом свечения.

Длина волны светового излучения, соответствующая максимуму спектральной характеристики светодиода, является световым параметром и указывается как максимум спектрального разделения _max.

Излучение диода также характеризуется диаграммой направленности, которая определяется конструкцией диода, наличием линзы, оптическими свойствами защищающего кристалл материала. Диаграммы, приводимые для прибоа в справочных данных, показываю снижение силы света в зависимости от угла, под которым ведётся наблюдение излучения.

Светоизлучающие диоды характеризуются высоким быстродействием. Излучение нарастает за время менее 10^-8с. после подачи импульса прямого тока. Однако, для устройств отображения, в которых используются светодиоды, быстродействие не является критичным, так как инерционность глаза человека достаточно велика (около 50мс). Поэтому временные параметры для серийных светоизлучающих диодов в справочниках не приводятся. А вот для систем записи и считывания информации без визуализации быстродействие может быть одним из самых существенных качеств светодиода.

Высокое быстродействие светодиодов, их миниатюрность, малая потребляемая мощность, высокая надёжность, большой срок службы, а также технологичность изготовления предопределили использование этих приборов в качестве источников излучения в оптоэлектронных интегральных микросхемах – оптронах.

Оптроном или оптопарой называется полупроводниковый прибор, состоящий из излучающего и фотоприёмного элементов, между которыми имеется оптическая связь и обеспечена электрическая изоляция.

В качестве светоизлучателей в оптронах используются светодиоды (иногда электролюминесцентный порошковый излучатель, миниатюрная лампочка накаливания), обеспечивающие высокое быстродействие оптронов.

Фотоприёмниками являются фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы и фототиристоры, которые в основном изготавливаются из кремния. Спектральные характеристики охватывают при этом весь видимый диапазон спектра излучения и часть ближайшей ИК-области.

В качестве прозрачной среды используют полимерные оптические клеи и лаки, специальное стекло и другие диэлектрические материалы, выполняющие в оптроне и функции изолятора. Оптическая среда должна иметь малый коэффициент поглощения света и показатель преломления, близкий к показателю преломления материала источника и фотоприёмника. Очень важное значение имеет совпадение спектральных характеристик светоизлучателя и фотоприёмника.

а) г) б) в)

Рисунок 6.4 - Условное графическое обозначение оптронов (а–диодного, б–транзисторного, в–тиристорного, г–резисторного).

Усиление или просто преобразование сигнала происходит в оптроне следующим образом. Изменение входного тока через светодиод сопровождается изменением яркости его свечения и изменением освещённости фотоприёмника излучения, что приводит к изменению его сопротивления, а следовательно и выходного тока оптрона. Такое двойное преобразование энергии позволяет передавать информацию из одной электрической цепи в другую с помощью электрически нейтральных фотонов. Это свойство определяет ряд преимуществ оптронов, основными из которых являются:

- высокая помехозащищённость электронных схем, так как фотоны электронейтральны, на них не влияют электрические и магнитные поля;

- отсутствие электрической связи между входом и выходом и обратной связи между приёмником и излучателем. Сопротивление изоляции R_из > 10¹² Ом; а проходная ёмкость не превышает 2пФ;

- широкая полоса пропускания – означает возможность передачи сигналов с частотой от 10¹³–10¹⁴ Гц, в то время как в радиоэлектронике освоен диапазон частот до 10⁹–10¹⁰ Гц;

- возможность реализации бесконтактных оптических связей (оптрон с открытым оптическим каналом);

- возможность совмещения оптронов в РЭА с другими полупроводниковыми приборами и интегральными микросхемами;

Оптопара является четырёхполюсным прибором, свойства которого определяются прежде всего тремя основными характеристиками – входной, передаточной и выходной. Входной является вольт-амперная характеристика излучателя, а выходной – соответствующая характеристика фотоприёмника (при заданном токе на входе оптопары).

Передаточной характеристикой называют зависимость тока I_вых на выходе оптопары от тока I_вх на её входе. В общем случае эта зависимость является нелинейной, что приводит к некоторому искажению формы передаваемого сигнала.

Параметром, тесно связанным с зависимостью I_вых(I_вх) и часто используемым на практике является коэффициент передачи по току

Для большинства типов оптопар k_i является паспортным параметром и может составлять от 0,5% (диодные оптопары) до 100% (транзисторные оптопары).

Суммарное быстродействие оптопары часто характеризуют временем переключения:

,

где t_вкл и t_выкл – время нарастания и спада сигнала на выходе оптрона. Время переключения зависит от вида и режимов работы оптопар и составляет от 10^-9 до 10^-1 с. Помимо времени переключения быстродействие некоторых классов оптопар задаётся граничной частотой. В зависимости от типа оптопары f_гр = 0,005…..10МГц.

Ещё важными характеристиками оптопары являются сопротивление изоляции R_из и проходная ёмкость C_пр (ёмкость между входом и выходом оптопары).