Среднее Заочное отделение / 8 семестр / Оптоэлектроника / Оптоэлектроника Вариант 16

Задание 1 1.13.1 Дать определение, что такое специальные виды оптопар (оптроны), показать

их классификацию и принцип работы. Параметры оптопар. Привести примеры конкретного прибора с его параметрами и характеристиками.

Ответ:

Оптопара или оптрон — электронный прибор, состоящий из излучателя света (обычно — светодиод) и фотоприёмника (биполярных и полевых фототранзисторов, фотоди- одов, фототиристоров, фоторезисторов), связанных оптическим каналом и, как правило, объ- единённых в общем корпусе. Принцип работы оптрона заключается в преобразовании элек- трического сигнала в свет, его передаче по оптическому каналу и последующем преобразо- вании обратно в электрический сигнал.

Классификация:

1) по степени интеграции:

-оптопары (или элементарные оптроны) — состоящие из двух и более элементов (в т. ч. собранные в одном корпусе);

-оптоэлектронные интегральные схемы, содержащие одну или несколько оптопар (с дополнительными компонентами, например, усилителями, или без них);

2) по типу оптического канала:

-с открытым оптическим каналом;

-с закрытым оптическим каналом;

3) по типу фотоприёмника:

-с фоторезистором (резисторные оптопары);

-с фотодиодом;

-с биполярным (обычным или составным) фототранзистором;

-с фотогальваническим генератором (солнечной батарейкой); такие оптроны обычно снабжаются обычным полевым транзистором, затвором которого управляет фотогальваниче- ский генератор;

-с фототиристором или фотосимистором;

4) по типу источников света:

-с миниатюрной лампой накаливания;

-с неоновой лампой;

-со светодиодом.

1

Впрактическом применении наибольшего распространения нашли оптроны (в по- следнее время приобрели название оптопары), в которых нет электрических связей между приемником и излучателем, а есть только оптическая связь. По сложности составляющих структурных схем в оптронных изделиях различают 2 группы приборов:

1) Оптопара – полупроводниковый оптическо-электронный прибор, в котором опти- ческая связь обеспечивает изоляцию входа и выхода излучающего и принимающего элемен- тов.

2) Электронно-оптическая микросхема, которая состоит из определенного количе- ства оптопар и так называемых усилителей, которые имеют электрическое соединение с эле- ментами оптронов.

Принцип работы оптопары Основное предназначение оптопары заключается в развязке сигнальных цепей галь-

ваническим методом.

Принцип действия оптопары для всех видов фотоприемников и излучательных эле- ментов практически одинаковый и состоит в следующем: формируемый электрический сиг- нал на входе в излучатель, трансформируется в поток света, который далее принимается фо- тоэлементом и меняет проводимость последнего – меняя его сопротивление.

Другими словами принцип действия оптрона заключается в двойном трансформиро- вании энергии.

Применение оптопар (оптронов) позволяет решать множество задач, в частности контроль значений параметров от различных датчиков – уровень, влажность, концентрация и т.д); использование в устройствах автоматики и релейных защит электрооборудования; в ди- агностических аппаратах. В тех или иных случаях схемы включения оптопар отличны друг от друга.

Устройство оптронов

Вкачестве излучателя используется светодиод, который размещается сверху в ме- таллическом корпусе. В нижней части расположен фотоприемник (кремниевый кристалл). Свободное пространство заполняется затвердевающей массой, которая полностью прозрач- на. Последняя покрыта отражателем для направления лучей, чтобы не рассеивались лучи за пределы зоны приемника.

Как правило, вывода оптронов заливаются жидким стеклом. Верхняя и нижняя часть крышки корпуса соединяются при помощи сварки.

Оптрон-резистор практически не отличается от вышеописанной конструкции. В нем используется в качестве излучателя лампа накала, а приемник выполнен из кадмия селени- стого.

2

В системе параметров оптопар выделяют:

Входные параметры (параметры излучателя):

Входной номинальный ток оптопары Iвх опт, мА; Входное напряжение Uвх, В при Iвх опт; Максимальный входной ток Iвх max, мА;

Максимальное входное обратное напряжение Uвх обр max, В;

Выходные параметры (параметры приемника):

Максимально допустимое обратное выходное напряжение Uвых обр max, В; Максимально допустимый выходной ток Iвых.

Выходной обратный ток (темновой) Iвых т. или ток утечки на выходе Iут при Iвх = 0 и заданном значении Uвых;

Выходное остаточное напряжение (на открытом фототранзисторе) Uост, В;

Передаточные характеристики:

Статический коэффициент передачи по току КI = Iвых/Iвх; Проходная емкость оптопары Свых–вх, пФ;

Время нарастания импульсного выходного тока Tнр, с; Время спада импульсного выходного тока Tсп, с;

Для тиристорной оптопары вместо коэффициента передачи по току приводят ток включения Iвкл.

Транзисторный оптрон PC817 является одним из самых распространенных потому, что он стоит практически в каждом импульсном блоке питания для гальванической развязки цепи обратной связи.

Для PC817 схема включения стандартная как для любого транзисторного оптрона: на входе нужно ограничивать ток — например с помощью резистора, на выходе также не стоит превышать ток.

PC817 характеристики:

1)Характеристики светодиода: Прямой ток — 50 мА; Пиковый прямой ток — 1 А; Обратное напряжение — 6 В; Рассеяние мощности — 70 мВт.

2)Характеристики фототранзистора: Напряжение коллектор-эмиттер — 35 В; Напряжение эмиттер-коллектор — 6 В; Ток коллектора — 50 мА;

3

Мощность рассеяния коллектора — 150 мВт.

1.13.2 Какая длина волны соответствует верхней границе оптического диапазона:

а) 0,1 мкм; б) 0,5 мкм; в) 1 мм; г) 10 мм?

Ответ:

Оптическим диапазоном спектра электромагнитных колебаний принято считать диа- пазон колебаний с длиной волны от 1 мм до 1 нм. Выбираем вариант в) 1 мм.

1.13.3 Какие два условия необходимо выполнить для возникновения лазерной гене-

рации:

а) баланс фаз; б) баланс амплитуд; в) использование элемента накачки; г) использо- вание оптического резонатора?

Ответ:

в) использование элемента накачки; г) использование оптического резонатора.

1.13.4 В какой области фотоносители перемещаются, используя механизм дрейфа: а) в области оптических контактов; б) в области p-n-перехода; в) в пассивной p-

области; г) в пассивной n-области?

Ответ:

б) в области p-n-перехода.

1.13.5 При каком напряжении светодиод эффективно излучает:

а) Uобр = 5 В; б) Uпр = 5 В; в) Uобр = 2 В; г) Uпр = 2 В?

Ответ:

г) Uпр = 2 В

4

Задание 2.

21. Выпишите величины Uпр и Uобр светодиода

Ответ:

Номинальный прямой ток — это ток, при прохождении которого через данный све- тодиод в прямом направлении, производитель гарантирует паспортные световые параметры данного источника света. Другими словами, это рабочий ток светодиода, при котором свето- диод точно не перегорит, и сможет нормально работать на протяжении всего срока эксплуа- тации. В этих условиях p-n-переход не будет пробит и не перегреется.

Таблица 1 – Величины прямого напряжения для разных цветовых характеристик

По сути падение напряжения здесь – минимальное напряжение зажигания диода. При меньшем напряжении, у источника питания, тока не будет и диод просто не загорится. У мощных осветительных светодиодов падение напряжения может составлять десятки вольт, но это значит лишь, что внутри кристалла много последовательно-параллельных сборок дио- дов.

Любой диод светится в зависимости от протекающего тока. По сути это токовый прибор. Падение напряжения получается автоматически. Ток мы задаем сами. Современные индикаторные диоды более-менее начинают светиться при токе 1 мА, а при 10 мА уже вы- жигают глаза. Для мощных осветительных диодов надо смотреть документацию.

Максимальное обратное напряжение светодиода, как и любого светодиода, - это та- кое напряжение, при прикладывании которого к p-n-переходу в обратной полярности (когда потенциал катода больше потенциала анода) происходит пробой кристалла, и светодиод вы-

5

ходит из строя. Подавляющее большинство светодиодов имеют обратное максимальное напряжение в районе 5 В. Для сборок COB – еще больше, а для инфракрасных светодиодов бывает и до 1-2 вольт. Максимальное обратное напряжение превышать нельзя.

29. Характеристики и параметры светодиодов

Ответ:

Светодиодом называется полупроводниковый диод, предназначенный для преобра- зования электрической энергии в энергию некогерентного светового излучения. При проте- кании через диод прямого тока происходит инжекция неосновных носителей заряда (элек- тронов или дырок) в базовую область диодной структуры Процесс самопроизвольной реком- бинаци инжектированных неосновных носителей заряда, происходящих как в базовой обла- сти, так и в самом p-n переходе, сопровождается переходом их с высокого энергетического уровня на более низкий; при этом избыточная энергия выделяется путем излучения кванта света.

Конструкция и технология изготовителя.

Из-за высокого показателя преломления полупроводника, большая часть всех кван- тов света испытывает полное внутреннее отражение на границе раздела полупроводника с окружающим воздухом. При отражении, в полупроводнике может происходить поглощение квантов света. Через границу раздела проходит лишь та небольшая доля света, которая пада- ет на границу раздела под углом меньше критического угла полного внутреннего отражения.

ϕKP = arcsin 1

NR

NR -коэффициент преломления света в полупроводнике.

Таким образом, из светодиода, имеющего простейшую структуру, в окружающее пространство выходят только сотые доли всех квантов света.

Рисунок 1 - Плоская планарная структура светодиода

6

При использовании более сложных конструкций удаётся увеличить выход квантов света в окружающее пространство.

R ³ NR

R NRср

Рисунок 2 - Полусферическая структура светодиода

- стекло или пластик

Рисунок 3 - Плоская структура с полусферическим покрытием светодиода

В светодиоде с полусферической структурой для всей поверхности угол падения квантов света оказывается меньше критического угла полного внутреннего отражения при

большом отношении радиусов R и r, то есть при R ³ NR .

R NRср

Однако в светодиоде с полусферической конструкцией несколько увеличиваются потери квантов света в результате поглощения в самом полупроводнике из-за увеличения длины пути квантов света от места возникновения до поверхности.

Чтобы кванты энергии – фотоны, освободившиеся при рекомбинации, соответство- вали квантам видимого света, ширина запрещенной зоны исходного полупроводника должна быть относительно большой (Еg > 1,8 эВ). Исходя из этого ограничения, для изготовления светодиодов используются следующие полупроводниковые материалы: фосфид галлия (GaP), карбид кремния (SiC), твердые растворы: галлий—мышьяк—фосфор (GaAsP) и гал- лий—мышьяк—алюминий (GaAsAl), а также нитрид галлия (GaN), который имеет наиболь- шую ширину запрещенной зоны (Eg > 3,4 эВ), что позволяет получать излучение в коротко- волновой части видимого спектра вплоть до фиолетового.

Путем добавления в полупроводниковый материал атомов веществ-активаторов можно изменять в некоторых пределах цвет излучения светодиода. Например, на основе фосфида галлия, легированного определенным количеством цинка, кислорода или азота, по-

7

лучают светодиоды зеленого, желтого и красного цветов свечения. Тройные соединения GaAsP и GaAsAl используют, в основном, для получения светодиодов красного цвета свече- ния.

Обычно излучение светодиодов является монохроматическим с оговоренной для каждого типа максимальной длиной волны, имеющий незначительный разброс внутри каж- дого типа. Светодиоды с управляемым цветом свечения изготавливаются на основе двух све- тоизлучающих переходов, один из которых имеет резко выраженный максимум спектраль- ной характеристики в красной полосе, другой — в зеленой. При совместной работе цвет ре- зультирующего излучения зависит от соотношения токов через переходы. Основным техно- логическим методом изготовления светодиодов является метод эпитаксиального наращива- ния. Это жидкофазная эпитаксия или эпитаксия из газовой фазы. В некоторых случаях, в ос- новном, при использовании карбида кремния, применяется метод диффузии примесей (ак- цепторных или донорных) из газовой фазы, проводящийся внутри кварцевых ампул.

Одним из основных параметров светодиодов является: яркость — величина, равная отношению силы света к площади светящейся поверхности (измеряется в канделах на квад- ратный метр).

Спектральная характеристика светодиода выражает зависимость интенсивности из- лучения от длины волны излучаемого света и дает представление о цвете свечения светодио- да. Длина волны излучаемого света определяется разностью энергий двух энергетических уровней, между которыми происходит переход электронов на излучательном этапе процесса рекомбинации и определяется исходным полупроводниковым материалом и легирующими примесями.

Излучение светодиода также характеризуется диаграммой направленности (угол по- ловинной яркости), которая определятся конструкцией светодиода, наличием линзы и опти- ческими свойствами защищающего кристалл материала (измеряется в градусах). Излучение светодиода может быть узконаправленным или рассеянным.

Основные параметры светодиодов зависят от окружающей температуры. С увеличе- нием температуры яркость (сила света), а также падение напряжения на светодиоде умень- шается. Зависимость яркости от температуры практически линейная, в интервале рабочей температуры может изменяться в 2-3 раза. Промышленные светодиоды имеют сравнительно большой разброс параметров и характеристик от образца к образцу.

Светодиоды, применяемые в наружной рекламе, должны соответствовать самым вы- соким требованиям к зависимости яркости от температуры окружающей среды и выдержи- вать диапазон температур от –40°С до +80°С, не изменяя яркости (силы света). Такие пара- метры светодиодов могут обеспечить только фирмы-лидеры в своей области, работающие на

8

самом современном высокотехнологичном оборудовании и использующие самые современ- ные технологии.

Светодиоды обладают высоким быстродействием. Излучение нарастает за время ме- нее 10-8с после подачи импульса прямого тока, что делает их незаменимыми в световой ре- кламе, несущей быстро сменяемую информацию.

По внешнему конструктивному признаку светодиоды подразделяются на приборы в металлических корпусах со стеклянной линзой (обладают весьма острой направленностью излучения) и пластмассовых корпусах из оптически прозрачного, чаще цветного компаунда, создающего рассеянное излучение. Именно эти светодиоды и применяются в наружной и ин- терьерной рекламе, обеспечивая одновременно и достаточную яркость, и максимально воз- можный угол просмотра.

9

Задание 3 16 Частотный ресурс открытого пространства (атмосферного, морского и космиче-

ского).

Ответ:

Радиоволны (радиочастоты), используемые в радиотехнике, занимают спектр от 10 000 м (30 кГц) до 0,1 мм (3 000 ГГц). Это только часть обширного спектра электромагнитных волн. За радиоволнами (по убывающей длине) следуют тепловые или инфракрасные лучи. После них идет узкий участок волн видимого света, далее – спектр ультрафиолетовых, рент- геновских и гамма лучей – все это электромагнитные колебания одной природы, отличаю- щиеся только длиной волны и, следовательно, частотой.

Хотя весь спектр разбит на области, границы между ними намечены условно. Обла- сти следуют непрерывно одна за другой, переходят одна в другую, а в некоторых случаях перекрываются.

Но эти диапазоны весьма обширны и, в свою очередь, разбиты на участки, куда вхо- дят так называемые радиовещательные и телевизионные диапазоны, диапазоны для наземной и авиационной, космической и морской связи, для передачи данных и медицины, для радио- локации и радионавигации и т.д. Каждой радиослужбе выделен свой участок диапазона или фиксированные частоты. Реально для целей радиосвязи используются колебания в частотном диапазон от 10 кГц до 100 ГГц. Использование для связи того или иного интервала частот зависит от многих факторов, в частности от условий распространения радиоволн разных диапазонов, требуемой дальности связи, реализуемости величин мощностей передатчиков в выбранном интервале частот и др.

Радиоволны излучаются через антенну в пространство и распространяются в виде энергии электромагнитного поля. И хотя природа радиоволн одинакова, их способность к распространению сильно зависит от длины волны.

Земля для радиоволн представляет проводник электричества (хотя и не очень хоро- ший). Проходя над поверхностью земли, радиоволны постепенно ослабевают. Это связано с тем, что электромагнитные волны возбуждают в поверхности земли электротоки, на что и тратится часть энергии. Т.е. энергия поглощается землей, причем тем больше, чем короче длина волна (выше частота).

Кроме того, энергия волны ослабевает еще и потому, что излучение распространяет- ся во все стороны пространства и, следовательно, чем дальше от передатчика находится при-

10