Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Скачиваний:
31
Добавлен:
04.01.2020
Размер:
1.36 Mб
Скачать

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 Свыхвх, 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: галлиймышьякфосфор (GaAsP) и гал- лиймышьякалюминий (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

Соседние файлы в папке Оптоэлектроника